钢铁冶金学

铁冶金学现代炼铁方法现代炼铁方法分为:高炉炼铁法即以焦炭为能源基础的传统炼铁方法。它与转炉炼钢相配合，是目前生产钢铁的主要方法。高炉炼铁的这种主导地位预计在相当长时期之内不会改变。由于高炉炼铁受能源焦炭的限制，在一些缺乏焦煤资源的国家和地区，经过长期的研制和实践，也逐步形成了不同形式的非高炉炼铁法。传统的高炉—转炉炼钢流程，工艺成熟，可大规模生产，是现代钢铁生产的主要形式。现代钢铁生产的一般流程现代炼铁方法现代炼铁方法分为:非高炉炼铁法非高炉炼铁法，泛指高炉以外，不用焦炭，用煤、燃油、天然气、电为能源基础的一切其它炼铁方法。例如直接还原法，主要是指在冶炼过程中，炉料始终保持固体状态而不熔化，产品为多孔状海绵铁或金属化球团的方法。熔融还原法是用高品位铁精矿粉（经预还原）在高温熔融状态下直接还原冶炼钢铁的一种新工艺。新兴的直接还原—电炉炼钢流程，规模较小，目前还正在发展，是钢铁生产的重要补充。第一章现代高炉炼铁工艺1.1高炉炼铁生产流程1.2高炉本体及主要构成1.1高炉炼铁生产流程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1.1高炉炼铁生产流程高炉炼铁生产非常复杂，除了高炉本体以外，还包括有原燃料系统、上料系统、送风系统、渣铁处理系统、煤气处理系统。通常，辅助系统的建设投资是高炉本体的4~5倍。生产中，各个系统互相配合、互相制约，形成一个连续的、大规模的高温生产过程。高炉开炉之后，整个系统必须日以继夜地连续生产，除了计划检修和特殊事故暂时休风外，一般要到一代寿命终了时才停炉。1.2高炉本体及主要构成密闭的高炉本体是冶炼生铁的主体设备。它是由耐火材料砌筑成竖式圆筒形，外有钢板炉壳加固密封，内嵌冷却设备保护（图1-2）。高炉内部工作空间的形状称为高炉内型。高炉内型从下往上分为炉缸、炉腹、炉腰、炉身和炉喉五个部分，该容积总和为它的有效容积，反映高炉所具备的生产能力。1.2高炉本体及主要构成1.2.1高炉内衬高炉内耐火材料砌筑的实体称为高炉内衬，其作用是形成高炉工作空间。由于高炉冶炼过程温度高且有复杂的物理化学反应发生，炉衬在冶炼过程中将受到侵蚀和破坏。炉衬被侵蚀到一定程度，就需要采取措施修补。停炉大修便是高炉一代寿命的终止。通常，高炉炉衬以陶瓷质材料（包括粘土质和高铝质等）和炭质材料（炭砖、炭捣石墨等）砌筑。1.2高炉本体及主要构成1.2.1高炉内衬对高炉内衬的基本要求如下：1）各部位内衬与热流强度相适应，以保持在强热流冲击下内衬的稳定性。2）炉衬的侵蚀和破坏与冶炼条件密切相关，不同位置的耐火材料受侵蚀破坏机理不同，因此要求各部位内衬与侵蚀破损机理相适应，以延缓内衬破损速度。1.2高炉本体及主要构成1.2.2高炉冷却设备温度是影响高炉炉衬侵蚀程度的主要因素之一，炉衬的温度状态是炉衬破损的主要原因。因此，采用合适的冷却设备，维持高炉炉衬在一定温度下工作，可使其不失去强度，维持炉型。使用冷却设备还可保护炉壳及各种钢结构，使其不因受热变形而破坏。在某些部位还可形成渣皮，保护炉衬代替炉衬工作。1.2高炉本体及主要构成1.2.2高炉冷却设备炉衬冷却是将通有冷却介质的金属冷却器件插入砌体或置于砌体外缘表面，由冷却介质将进入炉衬的热量带走，从而使输入和输出炉衬的热流平衡，保持炉衬工作表面稳定。由于高炉各部位热负荷不同，加上结构上的要求，高炉冷却设备有冷却壁、冷却水箱、外部喷水冷却、水冷炉底等多种形式和方法。1.2高炉本体及主要构成1.2.3高炉内主要区域将正在运行中的高炉突然停炉并进行解剖分析，结构表明，根据物料存在形态的不同，可将高炉划分为五个区域：块状带、软熔带、滴落带、风口前回旋区、渣体聚集区（图1-3）。1.2高炉本体及主要构成各区内进行的主要反应及特征分别为：块状带：炉料中水分蒸发及受热分解，铁矿石还原，炉料与煤气热交换；焦炭与矿石层状交替分布，呈固体状态；以气固相反应为主。软熔带：炉料在该区域软化，在下部边界开始熔融滴落；主要进行直接还原反应，初渣形成。1.2高炉本体及主要构成滴落带：滴落的液态渣铁与煤气及固体碳之间进行多种复杂的化学反应。回旋区：喷入的燃料与热风发生燃烧反应，产生高热煤气，是炉内温度最高的区域。渣铁聚集区：在渣铁层间的交界面及铁滴穿过渣层时发生渣金反应。1.3高炉冶炼产品高炉冶炼的主要产品是生铁。炉渣和高炉煤气为副产品。一、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。1.3高炉冶炼产品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。1.3高炉冶炼产品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。1.3高炉冶炼产品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。1.3高炉冶炼产品二、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。1.3高炉冶炼产品三、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。1.4高炉技术经济指标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：1.有效容积利用系数式中：P－生铁日产量，t/d；－高炉有效容积，m3；1.4高炉技术经济指标可见，利用系数愈大，生铁产量愈高，高炉的生产率也就愈高。P(生铁日产量)和都是生产率指标。对一定容积的高炉，随P成正比地增加。对不同容积高炉，P无可比性，而可比。目前世界主要产铁国家年平均高炉有效容积利用系数为2.3～2.8t/(m3·d)，先进高炉达3t/(m3·d)以上。我国首钢1号高炉在2004年取得了平均利用系数突破了4.2t/(m3·d)的世界先进水平。1.4高炉技术经济指标2.焦比（K）是生产1吨生铁所消耗的焦炭重量。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/t1.4高炉技术经济指标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/t近年来平均一般在400kg/t以下，燃料比一般在450kg/t左右。宝钢高炉（三座高炉平均）保持在500kg/t以下的燃料比，2003年的平均值492.5Kg/t。1.4高炉技术经济指标3.冶炼强度（I）每m3高炉有效容积每天消耗焦炭的重量。它是标志高炉强化程度的指标之一。目前，国内外高炉冶炼强度的数值，一般约在1.5～1.8t/（m3·d）。在喷吹燃料条件下，相应有综合冶炼强度（I综），即不仅计算消耗的焦炭量，还应将喷吹的燃料按置换比折合成相当的焦炭量一起计算。1.4高炉技术经济指标利用系数、焦比和冶炼强度三者之间的关系为：可见，利用系数与冶炼强度I成正比，与焦比K成反比，要提高利用系数，强化高炉生产，应从降低焦比和提高冶炼强度两方面考虑。在当前能源紧张的情况下，首先应考虑降低焦比（燃料比）。1.4高炉技术经济指标4.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。5.休风率高炉休风时间占规定作业时间的百分数。降低休风率是增产节约的重要途径，我国现今高炉休风率已降到1%以下。1.4高炉技术经济指标6.生铁成本生产1吨生铁所需的费用。它是衡量高炉生产经济效益的重要指标。成本愈低，经济效益愈高，说明高炉生产效果愈好。7.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。寿命愈长，则一代炉龄产铁量愈高，各项耗费相对愈少，经济效果愈好。一般大高炉的一代寿命在10年左右，有的高达18年。衡量炉龄的另一个指标是每m3炉容在一代炉龄期内的累计产铁量。先进高炉平均达5000t/m3，我国宝钢2号高炉已接近10000t/m3。1.5高炉炼铁原料和燃料原料是高炉冶炼的物质基础，其质量对冶炼过程及冶炼效果影响极大。目前，炼铁的发展趋势之一就是采用精料。1.5.1铁矿石分类及特性一、矿石和脉石矿石是矿物的集合体。但是，在当前科学技术条件下，能从中经济合理地提炼出金属来的矿物才称为矿石。矿石的概念是相对的。例如铁元素广泛地、程度不同地分布在地壳的岩石和土壤中，有的比较集中，形成天然的富铁矿，可以直接利用来炼铁，堪称矿石；有的比较分散，形成贫铁矿，用于冶炼既困难又不经济。1.5.1铁矿石分类及特性一、矿石和脉石随着选矿和冶炼技术的发展，矿石的来源和范围不断扩大。如含铁较低的贫矿，经过富选也可用来炼铁；过去认为不能冶炼的攀枝花钒钛磁铁矿，已成为重要的炼铁原料。矿石中除了用来提取金属的有用矿物外，还含有一些工业上没有提炼价值的矿物或岩石，统称为脉石。对冶炼不利的脉石矿物，应在选矿和其它处理过程中尽量去除。1.5.1铁矿石分类及特性二、天然铁矿石的分类及特征天然铁矿石按其主要矿物分为磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿等几种，主要矿物组成及特征见表2-1。表2-1常见铁