情境一：炼铁原材料准备及装料剖析

兰州资源环境职业技术学院教师授课教案学习情境学习情境一：炼铁原材料准备及装料任务名称任务1.1：准备原料授课时间年月日第周授课教师授课班级授课时数4学时授课方法学训教学内容1.高炉冶炼技术发展概况；2.高炉炼铁生产工艺流程；3.高炉冶炼产品；4.高炉生产主要技术经济指标；5.高炉炼铁原燃料及要求6.烧结矿概述7.球团矿概述知识目标1.了解高炉冶炼技术发展概况；2.掌握高炉炼铁生产工艺流程；3.掌握高炉冶炼产品；4.掌握高炉冶炼主要技术经济指标。技能目标1.能绘制高炉炼铁生产流程图；2.清楚高炉冶炼产品；3.能描述高炉冶炼主要技术经济指标。教学重点和难点1.高炉炼铁生产工艺流程；2.高炉冶炼主要技术经济指标。导入新课1.介绍古代铁器的出现与发展历史；2.钢铁在当今的应用。巩固复习1.铁碳平衡相图；布置作业1.高炉冶炼的主要产品及用途。2.高炉冶炼主要技术经济指标。3.某高炉有效容积为1200m3，当日入炉焦炭1105吨，入炉矿石4033t，计算当日焦炭冶炼强度。教学效果分析教学步骤、教学内容和教学方法备注一、咨询【参考资料】《炼铁原理与工艺》【资料分析】最原始的炼铁炉是碗式炉。它只不过是在地上或岩石上挖出一个坑，风可以从鼓风器通过风嘴直接鼓入，碎矿石和木炭混装或分层装在烧红的炭火上，最高温度至少应达1150℃。这种炼炉没有出渣口，炉渣向下流到底部结成渣饼或渣底，有时则结成圆球，即渣球或渣粒。坯铁留在渣上面，在冶炼过程结束后，打开粘土上部结构，取出坏铁，清理炼炉。这种无出渣口的碗式炉即竖炉是欧洲早期铁器时代的代表。后在罗马时代由带出渣口的改进型碗式炉代替，有卧式和立式两种。炼铁工业的大规模发展仰仗于宗教机构的势力。如1408年，不列颠的达勒姆主教建立了第一座有文件为证的，利用水力于鼓风器的熟铁吹炼炉。它的出渣口在炼炉之侧。此外，由于采用水力鼓风器，就有可能进行连续作业，从而可用高炉炼铁，高炉的特点是铁水和炉渣从炉口底部排出的。16世纪的高炉在两侧各开一个口，一个是风口，另一个为出铁口。高炉第六天（一个冶炼期）大约只能出4～5吨铸铁。一座高炉贮存在不了这么多的铸铁。由于受到容积的限制，遂发展成早期的双炉。1549年，双炉能生产出重2200公斤的铁炉铸件。【任务内容及要求】依据《炼铁原理与工艺》、《金属材料与热处理》等，制定铁氧化物还原的过程。1.班级根据学生人数自由组合为4--6个学习小组，各学习小组自行选出组长。2.教师召集组长，安排任务，组长召集组员将任务分解。3.各组讨论制订实施计划。4.各小组按照实施计划完成任务。5.各小组针对完成任务过程中的问题进行讨论、分析，并写出相应书面记录。。【相关知识】1.1.1高炉冶炼技术发展概况高炉炼铁技术已有数百年历史，2008年世界生铁产量9.267亿吨，高炉炼铁占总产量的90%以上。目前全世界约有炼铁高炉1400余座，我国约有炼铁高炉1100余座，2008年我国生铁产量达4.7067亿吨，约占世界生铁总产量的50.8%。高炉生产线是钢铁厂的“龙头”，通常由选料、制粉、烧结/球团、焦化、配料、鼓风机、热风炉、喷吹、高炉、除尘、煤气站、渣铁运输等庞大的系统组成。铁矿石经高炉冶炼成生铁，再用铁水罐转运到炼钢车间，用转炉等设备精炼成钢水，并铸成板坯钢锭，供后续生产流程轧制成钢材。因此高炉一旦出现问题，整个钢厂都有可能瘫痪，其重要性可见一斑。1.1.2高炉炼铁生产工艺流程高炉炼铁生产是用还原剂在高温下将含铁原料还原成液态生铁的过程。高炉操作者的任务就是在现有条件下，科学地利用一切操作手段使炉内煤气分布合理，炉料运动均匀顺畅，炉缸热量充沛，渣铁流动性良好，能量利用充分，从而实现高炉稳定顺行，高产低耗，长寿环保的目标。生铁的冶炼是借助高炉本体及其辅助系统来完成的。高炉是冶炼生铁的主体设备，它是一个耐火材料砌筑的直立式圆筒形炉体，其工作空间自上而下由炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸五部分组成，下部是炉底与炉基，最外层是钢板制成的炉壳，在炉壳和耐火材料之间有冷却设备。附属系统主要有供料系统、送风系统、喷煤系统、渣铁处理系统与煤气除尘系统，其生产工艺流程如图1-1所示。（1）供料系统：包括贮矿槽、贮焦槽、称量、筛分与运输等一系列设备，其任务是将高炉冶炼所需的铁矿石、焦炭、熔剂与辅助炉料连续不断地装入高炉。（2）送风系统：包括鼓风机、热风炉及一系列管道和阀门等，其任务是连续可靠地供给高炉冶炼所需的热风。（3）喷煤系统：包括原煤的储存、运输、煤粉的制备、收集及喷吹等设施，其任务是均匀稳定地向高炉喷吹大量煤粉，以煤代焦，降低焦炭消耗。图1-1高炉炼铁生产工艺流程1一矿石输送皮带机；2一称量滴斗；3一贮矿槽；4一焦炭输送皮带机；5—给料机；6一粉焦输带机；7一粉焦仓；8一贮焦槽；9—电除尘器；10一调节阀；11一文氏管除尘器；12一净煤气放散管；13一下降管；14一重力除尘器；15一上料皮带机；16一焦炭称量漏斗；17一矿石称量漏斗；18一冷风管；19一烟道；20一蓄热室；2l一热风主管；22一燃烧室；23一煤气主管；24一混风管；25一烟囱（4）渣铁处理系统：包括出铁场、开铁口机、泥炮、炉前吊车、铁水罐车及水冲渣设备等，其任务是及时处理高炉排放出的渣、铁，保证高炉生产正常进行。（5）煤气除尘系统：包括煤气管道、重力除尘器、洗涤塔、文氏管、脱水器等，其任务是将高炉冶炼所产生的煤气，经过一系列的净化处理使其含尘量降至10mg／m3以下，以满足用户对煤气质量的要求。高炉炼铁过程是连续不断进行的，高炉上部不断装入炉料和有煤气被导出，下部不断鼓入空气（有时富氧）和定期排放出渣铁。入炉料主要有含铁物料、焦炭和熔剂等。1.1..3高炉冶炼产品高炉冶炼主产品是生铁，副产品有炉渣和煤气及煤气带出的炉尘。1.生铁生铁也可分为普通生铁和合金生铁，前者包括炼钢生铁和铸造生铁，后者主要是锰铁和硅铁。碳（C）：生铁中碳以两种形态存在，一种是石墨碳（游离碳），主要存在于铸造生铁中，石墨很软，强度低，它的存在能增加生铁的铸造性能。另一种是化合碳（碳化铁），主要存在于炼钢生铁中。碳化铁硬而脆，塑性低，当其含量适当时可提高生铁的强度和硬度，而含量过多，则使生铁难于削切加工。硅（Si）：能促使生铁中所含的碳分离为石墨状，能去氧，还能减少铸件的气眼，降低铸件的收缩量，但含硅过多，也会使生铁变硬变脆。锰（Mn）：能溶于铁素体和渗碳体。在高炉炼制生铁时，含锰量适当，可提高生铁的铸造性能和切削性能。磷（P）：属于有害元素，它的存在将使铁增加硬脆性，使钢材产生冷脆性，优良的生铁含磷量应低于0.025%。但由于磷减低了生铁熔点，可改善铁水的流动性，这是有的制品内往往含磷量较高的主要原因。硫（S）：在生铁中是有害元素，它促使铁与碳的结合，使铁硬脆，并与铁化合成低熔点的FeS，使生铁产生热脆性和降低铁液的流动性，故含硫高的生铁不适于铸造。生铁质硬而脆，几乎没有塑性变形能力，因此不能通过锻造、轧制、拉拔等方法加工成形。A炼钢生铁炼钢生铁的碳主要以碳化铁的形态存在，这种生铁性能坚硬而脆，几乎没有塑性，是炼钢的主要原料，表1-1列出了炼钢生铁标准。B铸造生铁铸造生铁中的碳以片状的石墨形态存在，它的断口为灰色，通常又叫灰口铁。由于石墨质软，具有润滑作用，因而铸造生铁具有良好的切削、耐磨和铸造性能。但它的抗拉强度不够，故不能锻轧，只能用于制造各种铸件，如铸造各种机床床座、铁管等。C铁合金铁种炼钢用生铁高炉可生产品位较低的硅铁、锰铁等合金。合金生铁主要用于炼钢脱氧和合金化及其它特殊用途。2.高炉炉渣和高炉煤气A高炉炉渣高炉炉渣是高炉炼铁的副产品之一，它的主要成分为CaO、SiO2、MgO、Al2O3等，吨铁的渣量约为250~500kg。一般将其冲制成水渣，作水泥原料，还可制成渣棉作隔音、保温材料等。B高炉煤气高炉煤气为炼铁过程中的又一副产品，主要成分为CO、CO2、N2、H2，其中可燃成分约占25%左右，产生的煤气量为1600~2500m3/t，热值为3000~3500kJ/m3。作为气体燃料，经除尘后可用于热风炉、烟气炉等的燃料。1.1.4高炉生产主要技术经济指标（1）高炉有效容积利用系数（ηv）高炉有效容积利用系数是指每昼夜每m3高炉有效容积的生铁产量，即高炉每昼夜的生铁产量（P）与高炉有效容积（VU）之比。UvVPηv是高炉冶炼的一个重要指标，ηv愈大，高炉生产率愈高。2010年我国重点企业利用系数平均为2.589t／（m3·d）左右，最高达到4.116t／m3·d。（2）入炉焦比（K）、煤比（M）、综合焦比（K综）和燃料比（K燃）这些指标用来反映高炉的能耗情况。入炉焦比是指冶炼每吨生铁消耗的干焦量，即每昼夜干焦消耗量QK与每昼夜生铁产量P之比：PQKK焦炭消耗量约占生铁成本的30％～40％，欲降低生铁成本必须力求降低焦比。焦比大小与冶炼条件密切相关，一般情况下入炉焦比为270～400kg／t，喷吹煤粉可以有效地降低焦比。冶炼每吨生铁消耗的煤粉量称为煤比。当每昼夜煤粉的消耗量为Qv时，则:PQMM2010年全国重点企业高炉平均入炉焦比为369kg/t，最低306kg/t；平均煤比为149kg/t，最高191kg/t；平均燃料比已经降低到518kg/t，首钢京唐炼铁厂燃料比最低（不包括焦丁）为454kg/t；平均工序能耗407.76kgce/t。（3）冶炼强度（I）和综合冶炼强度（I综）冶炼强度是每昼夜每m3高炉有效容积消耗的焦炭量，即高炉一昼夜焦炭消耗量Qk与有效容积VU的比值：UKVQI综合冶炼强度是指每昼夜每m3高炉有效容积消耗的综合干焦量。UMKVNQQI冶炼强度表示高炉的作业强度，它与鼓入高炉的风量成正比，在焦比不变的情况下，冶炼强度越高，高炉产量越大，当前国内外大型高炉冶炼强度一般在1.0~1.05。（4）生铁合格率化学成分符合国家标准的生铁称为合格生铁，合格生铁占生铁总产量的百分数为生铁合格率。它是衡量产品质量的指标。（5）生铁成本生产一吨合格生铁所消耗的所有原料、燃料、材料、水电、人工等一切费用的总和。（6）休风率休风率是指高炉休风时间占高炉规定作业时间（日历时间减去计划大、中修时间和封炉时间）的百分数。休风率反映高炉设备维护和操作水平，2010年全国重点企业高炉休风率平均为1.635％，最低是0.400%。实践证明，休风率降低1％，产量可提高2％。（7）炉龄炉龄即高炉一代寿命，是指从点火开炉到停炉大修之间的冶炼时间，或是指高炉相邻两次大修之间的冶炼时间。大型高炉一代寿命为10至15年。衡量炉龄的另一指标为每立方米炉容在一代炉龄期内的累计产铁量。世界先进高炉单位炉容累计产铁量超过10000t/m3，我国宝钢3#高炉一代炉龄累计产铁超过5700万吨，单位炉容产铁量1.309万吨，根据国际上通行的衡量高炉长寿的标准，它是目前世界上最长寿的高炉之一。1.1.5高炉炼铁对原燃料的要求:一、铁矿石品位铁矿石的品位即指铁矿石的含铁量，以TFe％表示。品位是评价铁矿石质量的主要指标。矿石有无开采价值，开采后能否直接入炉冶炼及其冶炼价值如何，均取决于矿石的含铁量。铁矿石含铁量高有利于降低焦比和提高产量。根据生产经验，矿石品位提高1％，焦比降低2％，产量提高3％。因为随着矿石品位的提高，脉石数量减少，熔剂用量和渣量也相应减少，既节省热量消耗，又有利于炉况顺行。从矿山开采出来的矿石，含铁量一般在30％～60％之间。品位较高，经破碎筛分后可直接入炉冶炼的称为富矿。一般当实际含铁量大于理论含铁量的70％～90％时方可直接入炉。而品位较低，不能直接入炉的叫贫矿。贫矿必须经过选矿和造块后才能入炉冶炼。二、脉石成分铁矿石的脉石成分绝大多数为酸性的，SiO2含量较高。在现代高炉冶炼条件下，为了得到一定碱度的炉渣，就必须在炉料中配加一定数量的碱性熔剂(石灰石)与Si02作用造渣。铁矿石中Si02含量愈高，需加入的石灰石也愈多，生成的渣量也愈多，这样，将使焦比升高，产量下降。所以要求铁矿石中含Si02愈低愈好。脉石中含碱性氧化物(Ca0、MgO)较多的矿石，冶炼时