冶金工程概论第四章非高炉炼铁,第五章铁水预处理

第四章非高炉炼铁非高炉炼铁：指除高炉炼铁以外的其它还原铁矿石的方法。非高炉炼铁分类：直接还原法；熔融还原法。⑴直接还原法1）定义：在铁矿石熔化温度下把铁矿石还原成海绵铁的炼铁生产过程，产品叫直接还原铁或海绵铁（DRI）。2）特点：由于低温还原，得到的直接还原铁未能充分渗碳，因而含碳较低(＜2%)，矿石中的脉石成分既不能熔化造渣脱除，也不能被还原，因而直接还原铁中几乎保留了铁矿石中的全部脉石杂质，实际生产中仍需要用电炉精炼成钢。炼铁新技术⑵熔融还原法一切不用高炉冶炼液态生铁的方法。它是不用焦炭在一个容器中完成高炉炼铁过程的，基本上不改变目前传统钢铁生产的基本原理。近年来，非高炉炼铁法发展比较快，其原因：①不用焦炭炼铁；②非高炉生产的海绵铁可代替日益紧张的废钢；③省去了炼焦设备，总的基建费用比高炉炼铁法少。非高炉所得还原铁的用途可分为以下三类：①炼钢原料②高炉原料③铁粉可用于粉末冶金或用作电焊条的原料等。海绵铁运输与储藏中易氧化，需钝化处理4.1直接还原法分类：固体还原剂法和气体还原剂法⑴使用固体还原剂法1）设备：回转窑2）产品：海绵铁（主要）、粒铁及液态生铁。3）工作原理：固体还原剂(煤)、铁矿石、溶剂混匀，由窑尾加入，窑体有1~4%的倾斜度并以一定速度旋转，炉料由窑尾向摇头运动。窑头装有烧嘴，喷入燃料(煤粉、煤气或重油)燃烧，废气由窑尾排除，炉料与炉气逆向运动，逐渐把固体炉料加热，达到800℃时，开始固体碳还原，放出的CO在氧化区被氧化，提供还原需要的热量。回转窑炼铁过程示意1—氧化区；2—中性区；3—还原区；4—窑头；5—熔化带；6—粒铁带；7—还原带；8—预热带；9—窑尾；10—海绵铁法；11—粒铁法；12—液铁法炉料配加的煤炭量必须超过还原反应需要热量，以保持料层中的还原气氛。按照炉料出炉温度，回转窑除生产海绵铁外，还可生产粒铁和液态铁。优点：可以直接使用储量丰富的煤作燃料缺点：是炉内温度要求严格控制，否则会引起局部过热。使矿石软融并粘结在炉墙上，破坏正常生产。回转窑的典型代表：SL/KR法⑵用气体还原剂直接还原法还原剂：冶金还原煤气（H2，CO含量高，CH43％）产品：海绵铁分类：竖炉法、反应堆法和流态化法。主要特点1）煤气的作用：①作为还原剂夺取矿石中氧；②被加热到一定温度(约900℃)后作为热载体，供还原反应所需的热量。2）对煤气的要求：优质煤气，CO+H2占90%左右，氧化度不超过2%，H2/CO3符合要求的煤气不存在，需利用各种天然能源加工制取米德列还原工艺4.2熔融还原法概念：铁矿石在高温熔融状态下，用还原剂（碳）把铁氧化物还原成金属铁的非高炉炼铁方法。特点：1）它仅是把高炉过程在另外一个不用焦炭的反应器中完成，是一种全新的炼铁工艺2）熔融还原的能源，是用价格便宜、储量丰富的非炼焦煤，并可直接用粉矿或块矿进行还原。3）生产出高炉品级的铁水，并适合于各种炼钢用途。4）由于高温反应，还原出来的铁能渗C而熔化，并可能有一定量的Si，Mn等元素还原溶入生铁，因此铁水可用转炉精炼。存在的问题：1）尚未形成一个定型的生产工艺流程2）产品质量差，S和Si不能有效控制3）能耗高、设备寿命短还原工艺分类：⑴一步法：整个熔炼过程都集中在一个反应器中完成。⑵二步法：还原过程分为固体状态下的预热—预还原和熔化—终还原两个阶段，而且分别在两个反应器中完成，预还原装置多为流化床或竖炉，终还原炉有转炉型(熔池炉型)、竖炉型和电炉型等。典型熔融还原工艺：COREX、Hesmelt第五章铁水预处理5.1铁水预处理技术概述定义：铁水在进入转炉前，为除去某些有害元素的处理过程。主要任务：脱P、脱S、脱Si。（三脱）使其中S、P、Si含量降低到所要求范围，以简化炼钢过程，提高钢的质量。铁水预处理场所：按需要可以分别在炼铁工序、炼钢工序进行，如铁水沟、盛铁水容器(铁水包、鱼雷罐)或转炉中进行。硫：钢中硫易引起热脆，降低钢的强度、横向力学性能和深冲压性能。转炉炼钢脱硫效果不好(一般脱硫率为30～40％)。处理工艺：分批处理法(包括：铺撤法、机械搅拌法、吹气搅拌法、喷射法、镁脱硫法)和连续处理法。目前常用的方法有喷吹法和KR搅拌法。铁水脱硫条件比钢水脱硫优越，其主要原因：⑴铁水中[C]、[Si]含量高，提高硫的反应能力；⑵铁水中[O]含量低，提高渣铁之间的硫分配比。脱硫剂：电石(CaC2)、石灰(CaO)、金属镁（Mg）以及以它们为基础的复合脱硫剂。铁水预脱硅、铁水预脱磷均采用氧化方法。前者常在铁水沟、盛铁水容器中喷吹氧化剂进行，后者则常在盛铁水容器中喷吹氧化剂进行。5.2铁水预脱硫5.2.1脱硫剂⑴石灰(CaO)CaO脱硫反应式：特点：①在高碳有一定硅含量的铁水中，CaO有较强的脱硫能力，在1350℃时，反应达平衡时，铁水中的含硫量可达3.9×10-3%。②脱硫渣为固体渣，对铁水容器内衬耐火材料侵蚀轻微，扒渣方便，但其脱硫能力较CaC2差，故耗量较大，渣量较多，且固体渣包裹着大量铁珠，铁损较大(约7～15kg/t铁)。③石灰粉流动性差，在料罐中易“架桥”堵料，且极易吸潮，使其流动性大大恶化，潮解生成的Ca(OH)2，影响脱硫效果、且污染环境。石灰粉在干燥氮气下密封贮存在单独料仓内。④脱硫是暴露在大气下进行的，铁水中的[Si]会被氧化生成(SiO2)，(SiO2)与CaO作用生成(2CaO·SiO2)，相应地消耗了有效CaO量，降低了脱硫效果。用CaO脱硫，最好在惰性气体或还原性气氛下进行。⑤石灰粉资源广，价格低，易加工，使用安全。⑵电石(CaC2)CaC2脱硫反应：特点：①CaC2分解出的Ca离子与铁水中的硫有极强的亲和力，脱硫能力很强。反应达平衡时，铁水中含硫量达4.9×10-7%。②脱硫反应是放热反应，有利于减少铁水的温降。③脱硫产物CaS，其熔点为2450℃，故脱硫后，在铁水面上形成硫松的固体渣，有利于防止回硫，且对混铁车容器内衬侵蚀较轻，扒值方便。④脱硫能力强，耗量少，渣量也较少。⑤电石粉极易吸潮劣化，与水分接接时，迅速产生如下反应：此反应降低了电石粉的纯度和反应强度，且产生的C2H2(乙块)易爆炸。在运输和保存电石粉时采用氮气密封，电石粉单独贮存在料仓内，在开始喷吹前再与其他脱硫剂混合。⑥价格昂贵，运输及保存困难，故喷吹成本高。⑶镁粉(Mg)金属镁的熔点为651℃，沸点为1201℃，铁水预脱硫的温度一般为1250～1450℃范围内，金属镁在此温度范围内会发生汽化现象。镁气泡脱硫反应主要发生在粗脱硫阶段，铁水的深脱硫主要依靠[Mg]的反应。铁水硫含量降低到0.002～0.005％的范围。特点：①镁能对铁水进行深度脱硫，可将铁水硫脱至0.005％以下。②形成的MgS很稳定，熔化温度为2000℃，且密度低，容易上浮进入渣中。③镁在铁水中有一定的溶解度，铁水经镁饱和后能防止回硫。④镁用量少，脱硫过程对铁水化学成分基本无影响。⑤渣量少，有助于减少铁损，且有利于环境保护。⑥由于镁猛烈地蒸发为过热蒸气，容易造成铁水喷溅和镁蒸气在铁水罐外燃烧或爆炸，因此必须控制合适的镁的蒸发速度。⑦高镁蒸气压力使反应区搅拌良好，动力学条件好，有利于加快脱硫反应的速度。5.2.2铁水脱硫方法⑴KR法脱硫概念：将浇铸耐火材料并经过烘烤的十字形搅拌头，插入有定量铁水的铁水罐中旋转，使铁水产生游涡。经过称量的脱硫剂由给料器加入到铁水表面，并被漩涡卷入铁水中，脱硫剂在不断地搅拌过程中与铁水中的硫发生反应，达到脱硫的目的。设备：扒渣机、搅拌器和脱硫剂辅选系统。特点：①脱硫效率高；②脱硫剂耗量少；③铁水温降小；④作业时间短：⑤金属损耗低；⑥耐火材料消耗低。⑵喷吹法脱硫概念：用喷枪以惰性气体为载体，将脱硫剂与气体混合吹入铁水底部，以搅动铁水与脱硫剂充分混合的脱硫方法。设备：鱼雷罐车或铁水包内进行，方法：混合喷吹法、复合喷吹法。特点：速度快、效率高、操作灵活方便，处理铁水量大，设备投资少等优点。它是铁水脱硫的主要方法。5.3铁水预脱硅目的：⑴减少转炉炼钢石灰消耗量，减少渣量和铁损；⑵铁水预脱磷的需要。一般来说脱磷的铁水含硅量应小于0.15%。脱硅剂：氧化剂(高碱度烧结矿粉、烧结粉尘、铁矿石粉、铁锰矿、轧钢皮和氧气等)。脱硅是氧化放热反应，且在低温下容易进行。方法：高炉铁水沟投入法、顶喷法、铁水罐(或鱼雷罐)喷吹法。⑴高炉铁水沟投入法：在高炉出铁沟挡渣器位置或铁水流入铁水罐处，投入脱硅剂。此法脱硅效率较低，约50％。⑵顶喷法；脱硅剂(如铁皮、石灰粉和少量萤石粉)靠载气(N2)从喷粉罐中流出，经喷枪喷入到铁水中，效率约70％。⑶铁水罐(或鱼雷罐)喷吹法：喷吹法+氧枪吹氧，脱硅效率约为80％。5.4铁水预脱磷目的：(1)生产低磷钢和超低磷钢的需要；(2)优化工艺实现少渣炼钢。基本原理：通过氧化反应和渣化反应而生成稳定的硅酸盐和磷酸盐，以达到从铁水中去除的目的。脱磷剂：氧化剂、造渣剂和助熔剂组成。脱磷也是氧化放热反应，且在低温下容易进行。磷氧化后生成的P2O5不稳定(容易回磷)，必须与钙、钠之类的元素结合生成磷酸盐类产物，才能稳定地存在于渣中，即：脱磷的热力学、动力学条件是：(1)降低反应温度，1300℃低温有利于脱磷；(2)提高钢水、炉渣的氧化性，有利于脱磷；(3)提高钢中磷的活度和增加渣量，有利于脱磷；(4)适当的碱度。一般来讲，脱磷渣的碱度应在2.0以上。当R=2.0～3.0之间时，随着渣碱度的增加，磷在渣中的分配系数急剧上升；渣的碱度大于3.0后，磷在渣中的分配系数提高缓慢，渣的碱度过高，也会影响渣的流动性。(5)对熔池进行强力搅拌。方法：机械搅拌法、喷吹法和转炉双联法。(1)机械搅拌法：在铁水罐中加入脱磷剂，然后通过装有叶片的机械搅拌器使铁水搅拌均匀，也可同时吹入氧气。处理时间为30～60min，脱磷率为60％～85％。(2)喷吹法：将脱磷剂用载气经喷枪吹入铁水深部，使粉剂与铁水充分接触，在上浮过程中将磷去除。该法常向罐内喷人苏打灰配合添加烧结矿脱磷。①铁水罐喷吹法：将脱磷剂用喷枪喷入铁水罐内的铁水中进行脱磷。②鱼雷罐喷吹法：将脱磷剂用喷枪喷入鱼雷罐内的铁水中进行脱磷。⑶转炉双联法①SRP法：两台复吹转炉中的一台作为脱磷炉，另一台作为脱碳炉。脱碳炉产生的炉渣可作为脱磷炉的脱磷剂，从而减少石灰消耗，达到稳定而快速的精炼效果、②ORP法：采用在铁水包内脱硫、在转炉内脱磷，排渣后进行脱碳的工艺③NRP法；在高炉经过脱硅的铁水被送入转炉型的脱磷炉后。加入块状的渣料，在复吹的条件下进行脱磷操作。思考题非高炉炼铁与传统高炉炼铁相比最主要的优点是什么？非高炉炼铁可以分为几类，各是什么？铁水预处理的任务是什么？