第一章概论(高炉)

1第一章概论第一节钢铁工业在国民经济中的地位钢铁工业为制造各种机械设备提供最基本的材料，属于基础材料工业的范畴。钢铁还直接为人民的日常生活如运输业、建筑业及民用品提供基本材料。因此，一个国家钢铁工业的发展状况也反映其国民经济发达的程度。衡量钢铁工业的水平应考察其产量（人均年占有钢的数量）、质量、品种、经济效益及劳动生产率等方面。钢铁之所以成为各种机械装备及建筑、民用等各部门的基础材料，是因为它具备以下优越性能，并且价格低廉。（1）有较高的强度和韧性；（2）容易用铸、锻、切削、焊接等多种方式进行加工，以得到任何结构的工部件；（3）所需资源（铁矿、煤炭等）储量丰富，成本低廉；（4）钢铁生产规模大、效率高、质量好、成本低。到目前为止还没有那一种材料能代替钢铁。第二节炼铁发展史几个重要阶段:第一阶段是制得海绵铁第二阶段是制得液态生铁第三阶段是炼铁技术的近代化第四阶段是高炉炼铁的迅速发展期,实现了冶炼技术的现代化.第三节我国炼铁事业的发展新中国成立后钢铁工业的几个重要时期：（1）三年恢复时期（2）第一个五年计划---恢复和发展（3）1958～1978年：二次失误和调整（4）1978年以后，进入稳步发展时期第四节钢铁联合企业中的炼铁生产钢铁生产可分为二个流程：（1）高炉——转炉——轧钢，称为长流程；（2）直接还原——电炉——轧钢，称为短流程。目前长流程是主要流程，但需要使用焦炭和人造富矿（烧结矿和球团矿）。2第五节高炉冶炼过程概述5.1高炉生产工艺流程及冶炼特点（1）高炉生产工艺流程高炉炼铁包括高炉本体和辅助系统（原料系统、上料系统、送风系统、渣铁处理系统、喷吹系统和煤气除尘系统）组成。（2）高炉冶炼特点在炉料与煤气逆向运动的过程中完成错综复杂的物理化学过程。高炉是密闭的容器，除装料及出渣铁外，操作人员无法直接观察到炉内反应过程的状况，只能凭借仪器仪表间接观察。高炉生产是连续的、不间断进行。（3）高炉内各区域的分布5.2高炉用含铁原料及辅助原料5.2.1铁矿石5.2.1.1铁矿石分类及主要特性铁是地球内部最丰富的元素之一。这些铁元素与其它元素构成各种含铁矿物，广泛地分布于岩石和土壤中。据目前所知，自然界中有含铁矿物三百余种，但具有工业意义的为数不多，主要有磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、针铁矿、菱铁矿五种。铁矿石主要是由3一种或几种含铁矿物和脉石矿物所组成的。现已利用作为炼铁原料的铁矿石中有二十多种含铁矿物，其性质是各不相同的。根据含铁矿物的主要性质，按其矿物组成，通常将铁矿石分为四大类。1．磁铁矿矿石主要含铁矿物为磁铁矿，化学式为Fe3O4，含FeO31%，Fe20369%，理论含铁量(按化学式计算的铁量)72．4%。磁铁矿矿石具有强磁性，颜色及条痕均为铁黑色，坚硬、致密，难于破碎和还原。2．赤铁矿矿石主要含铁矿物为赤铁矿，化学式为Fe203,理论含铁量为70%，含氧量30%。赤铁矿仅具有弱磁性，一般含硫、磷较低，与磁铁矿相比，结构较软，较易破碎和还原。3．褐铁矿矿石主要含铁矿物为含结晶水的氧化铁，其化学式可用mFe203nH20(m＝1—3，n＝1—4)表示，理论含铁量为55．2%一66．1%。自然界中的褐铁矿绝大部分以2Fe203·3H20形态存在。4．菱铁矿矿石主要含铁矿物为菱铁矿，化学式为FeCO3，理论含铁量48．2%，FeO为62.1%，CO2为37．9%。外表颜色为灰色和黄褐色，风化后变为深褐色，条痕为灰色或带黄色，无磁性。菱铁矿石含铁不高，为30%一40%，但经焙烧后，释放出CO2，其含铁量显著增加，矿石也变得疏松多孔，易破碎，还原性好。5.2.1.2铁矿石的质量评价铁矿石是高炉冶炼的主要原料，其质量的好坏，与冶炼进程及技术经济指标有极为密切的关系。铁矿石质量评价的目的，在于了解高炉使用不同矿石的相对有利性，从而正确地利用国家资源，使得不仅从技术上，而且从经济上进行最有利的选择，有效地组织生产，获得最佳的经济效益。（1）铁矿石品位铁矿石品位即铁矿石的含铁量，以TFe%表示。品位是评价铁矿石质量的主要指标。它决定铁矿石有无开采价值以及开采后能否直接入炉冶炼和冶炼的相对有利性。冶炼品位高的矿石，有利于提高产量，降低焦比。根据生产经验，铁矿石品位升高1%。焦比可降低2%，产量提高3%。其原因在于：随含铁量升高，脉石数量减少，石灰石用量和渣量相应减少，既节省热量消耗，又有利于炉况顺行，为加重焦炭负荷，增加风量和采取其它强化手段创造了有利条件。（2）脉石成分与数量4脉石成分与数量在很大程度上决定着熔剂与燃料的消耗量，因此，它也是评价铁矿石的重要质量指标。脉石含量愈少，矿石愈富。当脉石数量相同时，其中SiO2含量愈少愈好。这样冶炼时可以少加熔剂，减少渣量，有利于焦比降低，炉况顺行和产量提高。（3）有害杂质和有益元素的含量有害杂质：矿石中的有害杂质是指那些对冶炼有妨碍或使矿石冶炼时不易获得优质产品的元素。通常有硫、磷、铅、锌等，铜有时有害，有时有益。希望矿石中有害杂质含量越低越好。①硫。硫在矿石中主要以硫化物的形态存在，如黄铁矿（FeS2）、黄铜矿（CuFeS2）、闪锌矿、方铅矿（PbS）等。也有以硫酸盐形态存在的，如石膏（CaSO*·2H20）等。硫对钢铁的危害极大，主要表现在：a.钢中硫超过一定含量时，钢产生“热脆”现象。这是由于FeS与Fe结合成低熔点（985℃）合金，冷却时最后凝固成薄膜状，并分布于晶粒界面之间，当钢材被加热到1150—1200℃时，硫化物首先熔化，使钢材沿晶粒界面形成裂纹。b.硫显著地降低钢的焊接性、抗腐蚀性和耐磨性。根据实践经验，矿石中含硫升高0．1%，焦比升高5%。所以，要求矿石中含硫愈低愈好。高硫矿不宜直接入炉，应通过选矿，焙烧和烧结处理，以降低其硫量。②磷。磷对钢铁质量的影响：a.降低钢在低温下的冲击韧性，使钢材产生“冷脆”。因为磷化物是脆性物质，钢水冷疑时，它凝聚在钢的晶界周围，减弱其结合力，使钢材在冷却时产生很大的脆性。b.磷高时还使钢的焊接性能、冷弯性能和塑性降低。磷在矿石中一般以磷灰石(3Ca·P205)形态存在。磷在选矿和烧结过程中不易除去，而在高妒冶炼中又几乎全部还原进入生铁，因此控制生铁含磷的唯一途径就是控制原料的含磷量。要求矿石中含磷尽可能低。③铅。铅在矿石中以方铅矿(PbS)的形态存在。铅在高炉内100％被还原。但Pb不溶解于生铁，且密度大，熔点低(327℃)，沸点也较低(1550℃)，因此对高护的危害很大。它沉积炉底，渗入砖缝，将砖浮起，破坏炉底；为此，要求矿石中含Pb量越低越好。④锌。锌在矿石中常以闪锌矿(ZnS)形态存在，我国某些矿石中有少量的锌。高炉冶炼中锌全部被还原，其沸点低(905℃)，溶于生铁。锌还原后很易挥发，挥发的大量锌蒸汽到高炉炉身上部，遇炉料冷凝，并被煤气中的C02氧化成ZnO，部分Zn沉积在炉身上部炉墙上，形成炉瘤；部分渗入炉衬的孔隙和砖5缝中，引起炉衬膨胀而破坏炉衬。⑤砷。矿石中的砷常以毒砂(FeAsSl）、斜方砷矿(FeAsS2)及氧化物As2O3等形态存在于褐铁矿石中，其它矿石中很少见。砷在高炉冶炼中全部被还原进入生铁。由于砷的非金属性很强，不具延展性，故当钢中砷含量大于0．1％时，就产生“冷脆”，并降低其焊接性能。⑥钾和钠。在高炉冶炼中，钾、钠的危害是很严重的。因为它们在高炉内被直接还原，到下部高温区(＞1500℃)生成大量碱蒸气，其中一部分碱蒸气在高温下与焦炭中的C、煤气中的N2生成氰化物。氰化物的沸点较高(＞1500℃)，呈雾状液体状态。这些碱蒸气和雾状氰化物，随煤气上升到炉身中部的低温区(＜800℃)，被氧化成碳酸盐，部分沉积在炉料和炉墙上，部分又随炉料下降，如此循环富集。其危害表现在以下几方面：a.碱金属与炉衬作用，生成钾霞石(K2O．A12O3·2Si02)等，体积膨胀40%，从而破坏炉衬，缩短高炉寿命。b.与炉衬作用生成低熔点化合物，使炉料粘在炉墙上，或使炉料粘结在一起，恶化上部料层透气性，最后导致炉瘤生成。c.钾、钠与焦炭中的石墨反应，生成插入式化合物CK8、CNa8，体积膨胀很大，破坏焦炭的高温强度，使高炉下部料柱透气性变坏。d.钾、钠能增大焦炭的反应性，扩大直接还原区，加之前述几个因素的影响，使高炉焦比升高，产量降低。e.使烧结矿和球团矿的软化温度降低，低温还原粉化率升高，并导致球团矿的恶性膨胀。⑦铜。高炉冶炼中，铜全部还原进入生铁，后转入钢中。铜对钢铁的影响具有两重性。当钢中[Cu]0．3%时，能改善其耐腐蚀性能；超过此界限时，则钢的焊接性能降低，并引起“热脆”性，轧制时产生裂纹。钢铁中的含铜量主要取决于原料的含铜量，—般矿石允许含铜量不超过0.2%。⑧氟。有的矿石含氟，CaF2使渣流动性变好，易侵蚀炉衬，并对金属结构、管道有腐蚀作用，会污染环境。矿石中F越少越好。有有益益元元素素矿石中的有益元素系指对金属质量有改善作用或可提取的元素。如锰(Mn)、铬(Cr)、钻(Co)、镍(Ni)、钒(V)、Ti、(Nb)、(Ta)、(Ce)和(La)等。当这些元素达到一定含量时，如Mn5%、Cr＞0．6%、Cr＞O．03%、Ni＞0．2%、V＞0．1%～0．15%、Mo＞0．3%即可视为复合矿石，其经济价值很大，是宝贵的资源。我国复合矿石种类多，储量大，有的是发展高科技所急需的，因此，对这类矿石应大力开展综合利用。6（4）铁矿石的还原性铁矿石的还原性：是指所含的铁氧化物与气体还原剂CO、H2之间进行反应的能力，即气体还原剂夺取矿石中与铁结合的氧的难易程度。氧易被夺取者，矿石的还原性好，反之，还原性差。矿石还原性的好坏，虽不影响其利用，但却在很大程度上影响高炉冶炼的技术经济指标。因为还原性好的矿石，在中温区被气体还原剂还原出的铁就多，不仅可减少高温区的热量消耗，从而有利于降低焦比，而且还可改善造渣过程，促进高炉稳定顺行，增加产量，改善生铁质量。因而它是评价铁矿石的一项重要指标。（5）矿石的软熔性矿石的软熔性：是指它的软化性及熔滴性。软化性包括矿石的软化温度和软化温度区间两个方面。软化温度系指矿石在一定的荷重下加热开始变软的温度；软化温度区间系指矿石从开始软化到软化终了的温度区间。熔滴性是指矿石开始熔化到开始滴落的温度及温度区间。矿石的软熔性主要受脉石成分与数量、矿石还原性等的影响。脉石数量少，碱性氧化物含量高，矿石易还原，FeO低者，其软熔温度高，软熔区间窄，可改善软熔带特性，对高炉冶炼有利。（6）矿石的机械强度矿石的机械强度系指矿石耐冲击、摩擦、挤压的强弱程度。要求高一些为好。（7）矿石的粒度和气孔度矿石的粒度影响透气性和传热、传质条件，因而影响高炉顺行和还原过程。粒度大，料柱透气性好，但与煤气接触面积小，扩散半径大，矿块中心部分不易加热和还原，煤气利用变坏，焦比升高；反之，若粒度太小，特别是粉末较多时，会使煤气流上升的阻力增大,有碍顺行，使产量降低。确定矿石粒度，必须兼顾高炉气体力学和传热传质两方面的因素，应在保证有良好透气性的前提下，尽量改善还原条件。为此，应降低粒度上限，提高粒度下限，缩小粒度范围，力求粒度均匀，尽量减少粉末含量。矿石的气孔率系指矿石中孔隙所占体积与它的总体积的百分比。（8）各项指标的稳定性现代化高炉生产，不仅需要有足够的原料数量，以保证均征稳定连续作业，而且其理化性质也必须保持相对稳定，才能最大限度地发挥生产效率。在前述的各项指标中，矿石品位、脉石成分与数量、有害杂质含量的稳定尤其重要。否则，将引起炉温、渣碱7度和生铁质量的波动，打破高炉的正常作业制度，影响高炉稳定顺行。高炉生产实践表明，当入炉矿含铁波动从土1．5%下降到土0．2%，高炉产量增加4．5%，焦比降低2．5%。为确保矿石成分的稳定，加强整粒及中和是非常必要的，国外对此十分重视。先进厂家矿石经中和后，TFe土0．3%一0．5%，SiO2土0．2%，烧结矿碱度土O．03。5.2.1.3我国的铁矿资源及特点我国的铁矿资源比较丰富，已探明铁矿贮量达500亿吨，远景贮量约1000亿吨，是世界上铁矿贮量最多的国家之一。这为我国钢铁工业的发展提供了雄厚的物质