冶金概论2CH2高炉炼铁1

烧结过程的主要反应
• 分解反应： 结晶水的分解：褐铁矿（mFe2O3· nH2O） 高岭土（Al2O3·2SiO2· 2H2O) 熔剂分解：CaCO3=CaO+CO2(750℃以上) MgCO3=MgO+CO2(720℃)
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烧结过程的主要反应
• 还原与再氧化反应：Fe、Mn等
靠近燃料颗粒处：3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2; Fe3O4+CO=3FeO+CO2; 远离燃料颗粒处：2Fe3O4+1/2O2=3Fe2O3; 3FeO+1/2O2=Fe3O4.
• 气化反应：脱硫85％～95％。
FeS2+11/2O2=Fe2O3+4SO2 2FeS+7/2O2=Fe2O3+2SO2
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烧结矿的形成
• 烧结矿是一种由多种矿物组成的复合体。 由含铁矿物和脉石矿物组成的液相粘结在 一起组成。
• 含铁矿物有磁铁矿、方铁矿（或浮氏体）、 赤铁矿 • 粘结相主要有铁橄榄石、钙铁橄榄石、硅 灰石、硅酸二钙、硅酸三钙、铁酸钙、钙 铁灰石及少量反应不全的游离石英和石灰。
• 高炉是由耐火材料砌筑 而成竖式圆筒形炉体， 外有钢板制成炉壳加固 密封，内嵌冷却器保护， 炉子自上而下依次分为 炉喉、炉身、炉腰、炉 腹和炉缸五部分。炉缸 部分设有风口、铁口和 渣口，炉喉以上为装料 装置和煤气封盖及导出
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高炉冶炼过程
• 连续过程，炉料自上而下，煤气自下而上相互接触过程中 完成 • 炉料按一定料批从炉顶装入炉内，从风口鼓入由热风炉加 热的热风，炉料中焦炭在风口前与鼓风中的氧发生燃烧反 应，产生高温和还原性气体，在炉内上升过程中加热缓慢 下降的炉料，并还原铁矿石中铁氧化物为金属铁，矿石升 到一定温度后软化，熔融滴落，矿石中未被还原的物质形 成熔渣，实现渣铁分离。 • 已熔化的渣铁聚集于炉缸内，发生诸多反应，最后调整铁 液的成分和温度，达到终点，定期从炉内排放炉渣和生铁。 上升的高炉煤气流，由于将能量传给炉料而温度不断下降， 最终形成高炉煤气从炉顶导出管排出， • 整个过程取决于风口前焦炭的燃烧，上升煤气流与下降炉 料间进行的一系列传热、传质以及干燥、蒸发、挥发、分 解、还原、软熔、造渣、渗碳、脱硫等物理化学变化。 21
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2.2.3.2 高炉内铁氧化物的还原
• 用CO和H2还原铁氧化物
– 用CO和H2还原铁氧化物，生成CO2和H2O还原 反应叫间接还原。 – 用CO作还原剂的还原反应主要在高炉内小于 800℃的区域进行。 – 用H2作还原剂的还原反应主要在高炉内800～ 1100℃的区域进行。
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• 用固体碳还原铁氧化物
• 将各种粉状铁，配入适宜的燃料和熔剂， 均匀混合，然后放在烧结机点火烧结。在 燃料燃烧产生高温和一系列物理化学变化 作用下，部分混合料颗粒表面发生软化熔 融，产生一定数量的液相，并润湿其它未 融化的矿石颗粒。冷却后，液相将矿粉颗 粒粘结成块。这一过程叫是烧结，所的到 的块矿叫烧结矿。
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精矿、粉矿 （0~10mm）
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• 燃烧反应的机理一般认为分两步进行：
C+O2 =CO2 400660kJ (1) C+CO 2 =2CO 165686kJ (2) (1)+(2)则： 2C+O 2 =2CO 294974kJ (3)
燃烧反应
• 风口前碳素的燃烧只能是不完全燃烧，生 成CO并放出热量。 • 由于鼓风中总含有一定的水蒸气，灼热的 C与H2O发生下列反应： C+H2O=CO+H2 -124390kJ • 实际生产中的条件下，风口前碳素燃烧的
返 矿
筛分（振动筛）
φ 9~16mm
返 矿
(送烧结)
成品球团矿
(送高炉)
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2.2 高炉炼铁原理
2.2.1 高炉冶炼过程及特点 2.2.2 燃烧反应 2.2.3 还原反应 2.2.4 高炉炉渣与脱硫 2.2.5 炉料与煤气运动 2.2.6 高炉生产主要技术经济指标
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2.2.1高炉冶炼过程及特点
2.2.1高炉冶炼过程及特点
• 现代高炉生产过程是一个庞大的生产体系， 除高炉本体外，还有供料、送风、煤气净 化除尘、喷吹燃料和渣铁处理等系统。 • 高炉炼铁的本质 O (矿）＋CO ￫ CO
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传质过程：矿石中的O2O2进入煤气中，实现铁与氧的分离 传热过程：煤气携带的热量传给炉料，使炉料 熔化成渣铁，实现渣铁分离
筛 分 冷 却 整 粒 高炉矿槽
热返矿
冷返矿
冷返矿 高 炉
• 烧结料层有明显的分层，依次出现烧结 矿层、燃烧层、预热和干燥 层、过湿层，然后又 相继消失，最后剩下 烧结矿层。
烧结过程示意图
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• 燃烧反应：C+O2，烧结废气中以CO2为主， 存在少量CO，还有一些自由氧和氮。 2C+O2=2CO； C+O2=CO2
• 球团矿生产的工艺流程一般包括原料准备、 配料、混合、造球、干燥和焙烧、冷却、 成品和返矿处理等工序。
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竖 炉 球 团 矿 生 产 的 工 艺 流 程
铁精矿 配
膨润土 料
燃烧煤气 混匀（圆筒混料机） (精矿过湿时)
造球（圆盘造球机） 生球过筛（辊轴筛） 布料（移动布料机） 焙烧固结（竖炉）
(经链板机)
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高炉生产工艺流程
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高 炉 炉 内 炉 料 状 况 及 反
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2.2.2 燃烧反应
• 炉顶加入的焦炭，其中风口前燃烧的碳量 约占入炉总碳量的65%～75%，是在风口前 与鼓风中的O2燃烧，17～21％参加直接还 原反应，10％左右溶解进入铁水。 • 燃烧反应的作用：
– 为高炉冶炼过程提供主要热源； – 为还原反应提供CO、H2等还原剂； – 为炉料下降提供必要的空间。
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5、富矿(high-grade ore)：含铁品位>50%的铁矿 石 赤铁矿：理论含铁量70% 扣除CO2 磁铁矿：理论含铁量72.4% 和结晶水 菱铁矿：理论含铁量48 . 3% 褐铁矿：理论含铁量55 . 2~66.1% 6、贫矿(lean ore)：实际含铁量低于理论含铁量 70%的铁矿石称贫矿（必须经过选矿后使用）
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磷的还原
• 磷酸铁[(FeO)3· P2O5· 8H2O]又称蓝铁矿，蓝铁矿 结晶水分解后，形成多微孔的结构较易还原，反 应式为：
• 磷酸钙（主要存在形式）在高炉内首先进入炉渣， 在1100～1300℃时用碳作还原剂还原磷，其还 原率能达60％；当有SiO2存在时，可以加速磷 的还原：
• 磷在高炉冶炼条件下，全部被还原以Fe2P形态
第二章 高炉炼铁 (Blast Furnace Ironmaking)
人文艺术学院 环境设计 2014—01班 张志豪 2015/6/6
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主要内容
2.1 高炉冶炼用原料(raw materials) 2.2 高炉炼铁原理 2.3 高炉结构及附属设备
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2.1.1.1 几个基本概念
1 矿物(Minerals)：地壳中具有均一内部结构、 化学组成及一定物理、化学性质的天然化 合物或自然元素称为矿物。其中能够为人 类利用的称为有用矿物。 2 矿石(Ore)：在现代的技术经济条件下，能 以工业规模从中提取金属、金属化合物或 其它产品的矿物称为矿石。 3 矿石的品位(Ore grade)：矿石中有用成分 的质量百分含量，称为该矿石的品位。 4 脉石(Gauge)：矿石中没有用的成分称为脉
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2.2.3.1基本概念
• 还原反应
– 还原剂夺取金属氧化物中的氧，使之变为金属 或该金属低价氧化物的反应。 – 高炉炼铁常用的还原剂主要有CO、H2和固体 碳。
• 铁氧化物的还原顺序
– 遵循逐级还原的原则。 – 当温度小于570℃时，按Fe2O3→Fe3O4→Fe的 顺序还原。 – 当温度大于570℃时，按Fe2O3→Fe3O4 →FeO→Fe的顺序还原。
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熔剂
• 熔剂主要使用石灰石(calcite) 和白云石(dolomite)； • 熔剂的要求：
– 有效成分含量高（CaO+MgO）； – 有害杂质S、P低； – 粒度均匀，强度好，粉末少。
• 熔剂的作用：
– 助熔，改善流动性，使渣铁容易分离； – 脱硫（焦炭和矿石中S）。
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2.1.2 烧结(sintering)
2.2.3.3 高炉内非铁元素的还原
• • • • 锰的还原 硅的还原 磷的还原 铅、锌、砷的还原
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• 高炉内锰氧化物的还原由高级向低级逐级 还原直到金属锰，顺序为： • 从MnO2到MnO可通过间接还原进行还原反 应。MnO还原成Mn只能靠直接还原取得。 • MnO的直接还原是吸热反应。高炉炉温是 锰还原的重要条件，其次适当提高炉渣碱 度，增加MnO的活度，也有利于锰的直接 还原。 • 还原出来的锰可溶于生铁或生成Mn C溶于
– 用固体碳还原铁氧化物，生成CO的还原反应叫 直接还原。 – 在高炉内具有实际意义的只有FeO+C=Fe+CO的 反应。 – 直接还原要通过气相进行反应，其反应过程如下：
• 直接还原一般在大于1100℃的区域进行， 800～1100℃区域为直接还原与间接还原同 时存在区，低于800℃的区域是间接还原区。
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铁矿石
磁铁矿（Fe3O4）magnettie 赤铁矿（Fe2O3）hematite
褐铁矿（mFe2O3· nH2O）-limonite 菱铁矿（FeCO3）siderite
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燃料
• 焦炭的作用：发热剂、还原剂及料柱骨架。 粒度：大型高炉 40~60mm； 中型高炉 25~40mm； 小型高炉 15~25mm； • 喷吹燃料： 固体（无烟煤与烟煤粉） 液体（重油、煤焦油） 气体（天然气或焦炉煤气）