第三章-高炉炼铁工艺(工艺部分)

第三章高炉炼铁工艺•3.1概述•3.2高炉冶炼原理•3.3高炉本体及附属系统•3.4高炉操作炼铁高炉炼铁非高炉炼铁渣铁处理系统煤气除尘系统喷吹系统高炉矿石焦炭煤空气炉渣铁水炉尘净煤气风机热风炉高炉及其附属系统供料系统送风系统3.1概述鱼雷车lumpore主输送帶鼓风机热风炉除尘器洗涤器烟囱配料间炉顶回收电BFG储槽冷空气热风混合气调湿系统废气鼓风嘴出铁口无钟罩式炉顶高炉sintercokeflux高炉作业流程3.1.1高炉冶炼过程及其特点•高炉炼铁的本质是铁的还原过程，即焦炭做燃料和还原剂，在高温下将铁矿石或含铁原料的铁，从氧化物或矿物状态（如Fe2O3、Fe3O4、Fe2SiO4、Fe3O4·TiO2等）还原为液态生铁。•冶炼过程中，炉料（矿石、熔剂、焦炭）按照确定的比例通过装料设备分批地从炉顶装入炉内。从下部风口鼓入的高温热风与焦炭发生反应，产生的高温还原性煤气上升，并使炉料加热、还原、熔化、造渣，产生一系列的物理化学变化，最后生成液态渣、铁聚集于炉缸，周期地从高炉排出。上升过程中，煤气流温度不断降低，成分逐渐变化，最后形成高炉煤气从炉顶排出。焦炭熔剂铁矿石上料机高炉热风炉鼓风机喷吹燃料罐水渣煤气除尘生铁炉渣特殊生铁炼钢生铁铸造生铁净煤气渣棉建筑材料绝热材料炉尘其它用途空气冷风热风燃料•高炉冶炼特点(1)高炉冶炼是在炉料与煤气流逆向运动过程中完成各种错综复杂的化学反应和物理变化的，炉内主要是还原性气氛。(2)高炉是密闭的容器，除装料、出铁、出渣及煤气外，操作人员无法直接观察到反应过程的状况。只能凭借仪器仪表间接观察炉内状况。(3)高炉是连续的、大规模的高温生产过程，机械化和自动化水平较高。3.1.2高炉炼铁的原料和产品•高炉冶炼的主要原料是铁矿石、燃料、鼓风。•高炉冶炼的主要产品是生铁、高炉渣和高炉煤气。高炉渣和高炉煤气为副产品。⑴生铁•生铁可分为炼钢生铁、铸造生铁。炼钢生铁供转炉、电炉炼钢使用。铸造生铁则主要用于生产耐压铸件。•生铁是Fe与C及其它一些元素的合金。通常，生铁含Fe94%左右，C4%左右。其余为Si、Mn、P、S等少量元素。•一般来说，生铁和钢的化学成分主要差别是含碳量。钢中含碳量最高不超过2.11%。高炉生铁含碳量在2.5~4.5%范围，铸铁中不超过5.0%（此时Fe3C含量约占75%，当铸铁中Fe3C达100%时，其含碳量为6.67%）。当铸铁中C5.0%时，铸铁甚脆，没有实用价值。而含碳量在1.6~2.5%之间的钢铁材料，由于缺乏实用性，一般不进行工业生产。•炼钢生铁作为转炉热装炼钢的原料，约占生铁产量的80~90%。铸造生铁，又称为翻砂铁或灰口铁，用于铸件生产。其主要特点是含硅较高，在1.25~4.25%之间。硅在生铁中能促进石墨化，即使化合碳游离成石墨碳，增强铸件的韧性和耐冲击性并易于切削加工。铸造生铁约占生铁产量的10%左右。•高炉还可生产特殊生铁，如锰铁、硅铁、镜铁（含10~25%Mn）、硅镜铁（含9~13%Si，18~24%Mn）等，主要用作炼钢脱氧剂和合金化剂。•此外，生铁中还可能含有部分微量元素。生铁中微量元素含量常以ΣT为指标：•ΣT=Pb+Sn+Sb+As+Ti+V+Cr+Zn•含微量元素很低的“高纯生铁”ΣT0.1%。国内外适宜生产高纯生铁的矿源稀少。我国本钢生铁素有“人参铁”之称。它除P、S极低外，微量元素亦很低。其ΣT0.08%，属国际高纯生铁范畴。⑵高炉渣•由于冶炼矿石品位、焦比及焦炭灰分的不同，我国大中型高炉的单位生铁渣量在0.3~0.5t之间。高炉渣主要成分是Ca、Mg、Si、Al的氧化物，其工业用途广泛。如在炉前急冷粒化成水渣，作成水泥和建筑材料；酸性渣还可在炉前用蒸汽吹成渣棉，作绝热材料。•冶炼多元素共生的复合矿时，炉渣中常富集有多种元素（如稀土、钛等）。这类炉渣可进一步利用。⑶高炉煤气•冶炼每吨生铁可产生1600~3000m3的高炉煤气，其中含有约20%~25%的CO，1~3%的H2，还有少量甲烷（CH4）等可燃气体。从高炉排出的煤气中含有大量的炉料粉尘，经过除尘处理可使含尘量降到10~20mg/m3。除尘处理后的高炉煤气发热值约为3350~3770kJ/m3，是良好的气体燃料。但高炉冶炼产生的煤气量、成分及发热值与高炉操作参数及产品种类有关。如高炉冶炼铁合金时煤气中几乎没有CO2。•高炉煤气是钢铁联合企业的重要二次能源，主要用作热风炉燃料，还可供动力、炼焦、烧结、炼钢、轧钢等部门使用。3.1.3高炉生产主要技术经济指标•高炉生产的技术水平和经济效果可用如下技术经济指标来衡量：⑴有效容积利用系数(ημ)•是指每立方米高炉有效容积、每昼夜生产的合格生铁量。式中：P－生铁日产量；Vμ－高炉有效容积，m3⑵焦比（K）•是生产1吨生铁所消耗的干焦炭重量。显然，焦比愈低愈好。式中：Q－每日消耗焦炭量，kg/d。•在喷吹燃料时，高炉的的能耗情况用燃料比（K燃）表示，即每吨生铁耗用各种入炉燃料之总和。K燃＝（焦炭+煤粉+重油+…）kg/t•喷吹燃料按对置换比折算为相应的干焦（K`）与实际耗用的焦炭量（焦比K）之和称为综合焦比（K综）。K综＝（K+K`）kg/t⑶冶炼强度（I）•每m3高炉有效容积每天消耗焦炭的重量。•利用系数、焦比和冶炼强度三者之间的关系为：⑷生铁合格率•合格生铁量占高炉总产量的百分数。此外，优质生铁占生铁总量的百分数称为优质率。合格率和优质率都是生铁质量指标。对生铁质量的考查主要看其化学成分（如S和Si）是否符合国家标准。⑸休风率•高炉休风时间占规定作业时间的百分数。⑹生铁成本•生产1吨生铁所需的费用。⑺高炉一代寿命（炉龄）•从高炉点火开炉到停炉大修之间的历程，或高炉相邻两次大修之间的冶炼时间叫做高炉一代寿命。3.2高炉冶炼原理3.2.1高炉内各区域进行的主要反应•为了弄清高炉内各部分的反应及变化规律，人们曾多次对正在运行中的高炉突然停炉，并用水或氮气进行急冷，使炉内物料保持生产时的原状，然后对其解剖分析，以揭示高炉内部的奥秘。大量解剖研究表明，炉料常降过程分布是呈层状的，直至下部熔化区域，但炉料中焦炭在燃烧前始终处于固体状态而不软化熔化。由下图可知，高炉冶炼过程大致可分为块状、软熔、滴落、焦炭回旋和炉缸五带。高炉冶炼过程中炉内炉料下降过程状态的变化高炉内各区域主要反应及特征3.2.2燃烧反应•高炉内然料燃烧的意义高炉冶炼的燃料主要是焦炭，焦炭所含的碳素。除少数消耗于直接还原和溶入生铁外，绝大部分下降至风口与热风中的氧进行燃烧反应。从风口喷吹的燃料也在风口前燃烧。燃料燃烧放出大量的热，并产生高温还原性气体(CO,H2)，保证了炉料的加热、分解、还原、熔化、造渣等炉缸内渣铁反应的进行。•高炉冶炼的主要燃料焦炭中的碳除小部分在下降过程中参加直接还原和渗人生铁外，约70%进行燃烧反应。此外还有从风口喷入的燃料(重油、天然气、煤粉)中的碳等均在风口前发生燃烧反应。完全燃烧：不完全然烧：•高炉内燃烧反应在焦炭过剩条件下进行，即使在氧充足处产生的CO2也会与固体碳进行气化反应，如下式：•热风带入的氮在整个过程中不参与反应、带入的水分在高温下与碳发生反应：•理论燃烧温度理论燃烧温度，即风口前焦炭燃烧所能达到的最高平均温度，也即炉缸煤气尚未与炉料参与热交换前的原始温度。理论燃烧温度是高炉操作中重要的参考指标。通常为提高理论燃烧温度可采取的主要措施，包括：(1)提高鼓风温度；(2)提高鼓风中氧气含量；(3)降低鼓风湿度；(4)减少喷吹量；(5)减少炉缸煤气体积。随着高炉冶炼强度的提高和风速增大(I00～200m/s)焦炭在风口前随气流一起运动，形成一个非静止的、疏散的、近似球形的自由空间，称为风口回旋区。•回旋区和燃烧带风口回旋区示意图在回旋区外围有一层厚100~300mm的中间层，此层焦炭既受高速煤气流的冲击作用，又受阻于外围包裹的紧密焦炭，比较疏松，但又不能和煤气流一起运动。回旋区和中间层组成焦炭在炉缸内进行碳燃烧反应的区域称为燃烧带。炉缸截面上燃烧带的分布•影响燃烧带大小的因素主要有：①鼓风动能指鼓风克服风口前料层阻力向炉缸中心扩大和穿透的能力。应控制合理。②燃烧反应速度燃烧反应速度提高，燃烧带缩小。一般情况下，风温提高。燃烧反应速度加快，燃烧反应时间减少，燃烧带长度减小；鼓风中氧增加，燃烧反应速度加快，燃烧反应时间减少，燃烧带长度减小。③炉缸料柱压力炉缸内料柱疏松，燃烧带延长；反之，燃烧带缩小。④焦炭性质焦炭粒度、气孔度、反应性等对燃烧带大小也有一定的影响。3.2.3炉料的蒸发、挥发和分解入炉的炉料首先受到上升煤气流的加热作用，进行水分的蒸发、结晶水的分解、挥发物的挥发和碳酸盐的分解。水分的蒸发和结晶水的分解炉料中水分存在形式——以吸附水和结晶水两种形式。吸附水加热到105℃时迅速干燥和蒸发。吸附水的蒸发吸热使煤气体积缩小，煤气流速降低，减少了炉尘的吹出量，同时对炉顶装料设备和炉顶设备维护带来好处。结晶水也称化合水，一般存在于褐铁矿(nH2O·Fe2O3)和高岭土(Al2O3·2SiO2·2H2O·)中随着温度升高到400~600℃,结晶水在炉内大量分解。挥发物的挥发挥发物的挥发包括燃料中挥发物的挥发和高炉内其他物质的挥发，对于煤气成分和冶炼过程影响不大，但在高炉喷吹条件下，引起炉缸煤气成分的明显变化，对还原也有影响。所以应尽可能把燃料中的挥发物控制在下限水平。除燃料中的挥发物外，还有一些化合物和元素进行挥发或循环富集，包括：(1)还原产物:S,P,As,K,Na,Zn,Pb,Mn等；(2)还原中间产物：SiO,PbO,K2O,Na2O等；(3)高炉内新生化合物：SiS,CS等。另外炉料带入的CaF2等元素和化合物的挥发也会对高炉炉况和炉衬产生影响。碳酸盐的分解高炉内碳酸盐主要以CaCO3,MgCO3、FeCO3,MnCO3等形式存在，并以熔剂中的CaCO3为主。石灰石分解后，大致有50%以上CO2参加反应，此反应的发生对于高炉冶炼将产生一定的危害；反应耗热，反应耗碳使焦比升高，反应产物CO2冲淡了还原气氛。为减少其危害通常可采用熔剂性烧结矿或球团矿，不加或少加石灰石，缩小矿石粒度等措施来降低焦比。3.2.4还原反应还原反应是高炉内的主要反应，还原反应所需要的热量约占炉内总热量需求的50%左右。还原的基本原理还原反应的基本通式:MeO+X=Me+XO式中MeO—被还原金属氧化物;X—还原剂;Me—还原产物;XO—氧化产物。高炉炼铁常用的还原剂主要是CO、H2和C。•铁氧化物的还原高炉内的铁氧化物主要有Fe2O3,Fe3O4,FeCO3,Fe2SiO4,FeS2等，但最后都是经FeO形态被还原成金属铁。⑴铁氧化物还原的基本反应•在低温区和中温区,570℃t1000℃，用CO还原:间接还原•用H2还原:间接还原•间接还原反应①除了Fe2O3→Fe3O4之外，其余都为可逆反应，并在一定温度下达到平衡②由于是可逆反应，还原剂不可能被全部利用，因此需要一定的浓度③Fe2O3分解压力较大，可以全部被CO全部还原为Fe3O4，由于反应很容易进行对冶炼过程无影响，一般不加以讨论⑵各种铁氧化物的还原与分解顺序：3Fe2O3→2Fe3O4→6FeO→6Fe一半以上的氧是从FeO→Fe，所以FeO的还原意义重大。温度小于570℃时还原顺序为：Fe2O3→Fe3O4→Fe温度大于570℃时还原顺序为：Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe⑶还原铁氧化物在温度不超过900~1000℃的高炉中上部，铁氧化物中的氧被煤气中的CO和H2夺取而生成CO2和H2的反应称为间接还原反应。•用CO作还原剂，存在如下反应：当T＜570℃时，还原反应分两步当T＞570℃时，还原反应分三步•CO间接还原反应的限度：从热力学可知，△G主要是解决反应的可能性问题，而平衡常数K主要是解决反应的限度问题。对以上反应，平衡常数的计算方法如下：%%22COCOppKCOCOPPPKCOCOCOCOKCOCO1100%1%100%%100%CO100CO%100%%22则：所以