高炉炼铁工艺(工艺部分)(1)

• 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。
铁 矿 石
熔 剂
焦 炭
上料机
喷吹 燃料罐
燃料 高炉
热风 热风炉
冷风 鼓风机
空气
炉渣
生铁
煤气
水 渣
渣 棉
铸炼特 造钢殊 生生生 铁铁铁
除尘
净煤气
其它用途
建 筑 材 料
绝 热 材 料
炉 尘
• 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。
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。
3.2.3 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· 2O3)和高岭 Fe 土(Al2O3· SiO2· H2O· 2 2 )中随着温度升高到400~600℃,结晶水 在炉内大量分解。
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 ③ Fe2O3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 →Fe
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。
• 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”ΣT<0.1%。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ΣT<0.08%，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。
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Fe 94%左右，C 4%左右。其余为Si、Mn、P、 S等少量元素。
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。
• 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。
kg/t
• 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
• 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℃ <t<1000℃，用CO还原:
间 接 还 原
• 用H2还原:
间 接 还 原
• 间接还原反应
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，m3
⑵ 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。
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。
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。

•回旋区和燃烧带
随着高炉冶炼强度的提高和风速 增大(I00～200 m/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。
风口回旋区示意图
在回旋区外围有一层厚100~300 mm 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。
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
3.1 概述
炼铁
高炉炼铁
非高炉炼铁
高炉及其附属系统
矿石 焦炭 供料系统
煤 空气 风机
喷吹系统
高炉
送风系统 热风炉 渣铁处理系统 炉渣 铁水
煤气除尘系统
净煤气