高炉炼铁技术简介

矿石有许多优点，通常含铁量高，粒度组 成均匀，气孔率大，成分稳定，还原性能 好。另外，含碱性熔剂，高炉造渣性能好， 具有良好的冶金性能。高炉使用烧结矿， 可提高产量，降低燃料消耗。
烧结 工艺 流程
精矿、粉矿 （0~10mm）
石灰石、白云石 （80~0mm）
碎焦、无烟煤 （25~0mm）
破碎
>3mm
• 炉渣中氧化物的种类：碱性氧化物、酸性氧化物 和中性氧化物。以碱性氧化物为主的炉渣称碱性 炉渣；以酸性氧化物为主的炉渣称酸性炉渣。
• 炉渣的碱度(R)：炉渣中碱性氧化物和酸性氧化 物的质量百分数之比表示炉渣碱度：
• 高炉炉渣碱度一般表示式：R=w(CaO)／w (SiO2)
• 炉渣的碱度根据高炉原料和冶炼产品的不同，一 般在1.0～1.25之间。
消耗的（干）焦炭量（焦比一定的情况 下）
高炉每天消耗的焦炭量 I=
高炉的有效容积
• 生铁合格率：生铁化学成分符合国家标准的总量 占生铁总量的指标。
• 休风率：高炉休风时间（不包括计划大、中、小 修）占日历工作时间的百分数。
规定的日历作业时间=日历时间-计划大中修及
封炉时间
休风率=
高炉休风时间 规定的日历作业时间 ×100%
高炉炉渣与脱硫
• 高炉炉渣是铁矿石中的脉石和焦炭(燃料)中 的灰分等与熔剂相互作用生成低熔点的化 合物，形成非金属的液相。
– 高炉炉渣的成分 – 高炉炉渣作用 – 成渣过程 – 生铁去硫
• 高炉炉渣的来源：矿石中的脉石、焦炭(燃料)中 的灰分、熔剂中的氧化物、被侵蚀的炉衬等。
• 高炉炉渣的成分：氧化物为主，且含量最多的是 SiO2、CaO、Al2O3、MgO。
② 物理性能 包括机械强度和粒度组成等。高炉要求烧结矿机械 强度高，粉末少，粒度均匀。 烧结矿粒度小于5mm的称之为粉末。粉末含量对高 炉料柱透气性影响很大。粉末含量高，高炉透气性差， 导致炉况不顺，可能引起崩料或悬料。 反应机械强度的指标为：转鼓指数、抗磨指数、筛 分指数。 目前武钢烧结矿的转鼓强度大约在79%～80%左右。
• 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。
品种
TFe FeO CaO SiO2 MgO Al2O3 MnO
S
R
巴西球团 65.81 1.61 0.47 3.67 0.73 0.49
0.13
国产球团 63.21 0.17 1.22 6.01 0.48 0.76
400m2带式抽风烧结机
➢ 烧结矿质量指标 烧结矿质量对高炉冶炼有重大影响，改
善其质量是“精料”的主要措施。 对其质量评价指标主要有化学成分、物
理性能、冶金性能等。
① 化学成分 高炉要求烧结矿化学成分稳定，波动小，有
害杂质少。 主要包括TFe、FeO、S、碱度 （CaO/SiO2）。
目前武钢入炉烧结矿品位在55%～56%左右， 一级品允许波动范围为±0.5；碱度在1.90左右， 一级品允许波动范围为±0.08；S含量一级品 ≤0.08%。
➢ 烧结生产的必要性 在自然界中，能直接用于高炉冶炼的富矿越
来越少，使得人们不得不开采贫矿（含铁品位 25～40%），但贫矿直接入炉是不经济的，仍须经 过选矿提高其品位。要选矿，必须对矿石进行破 碎研磨，因此铁矿粉选矿后粒度组成不符合高炉 冶炼的要求，必须经过造块后方可用于冶炼。
➢烧结矿的优点 烧结矿是人工制造的矿石，它比天然
（2）石灰石在下降过程中，分解的CaO在滴 落带，被初渣溶解，参与造渣。
（3）矿石在块状带固相反应生成了低熔点的 化合物沿焦炭缝隙流下，分离出初渣。随后渣 中(FeO)不断还原进入铁中，至滴落带，炉渣以 滴状下落，渣中FeO已降到2％～3％。
（4）滴落的初渣成分不断变化，初渣开始是 自然碱度，以后随着SiO2的还原，石灰石渣化 并加入焦炭灰分，经过碱度波动之后形成终渣。
• 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。
生铁成本：生产每吨合格生铁所需原料、燃料、
材料、动力、人工等一切费用的总和，单位：元 /tFe。
• 炉龄（高炉一代寿命）：即从高炉点火开始到停 炉大修之间实际运行的时间或产铁量。炉龄长， 产铁多，经济效益高。
• 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。
• 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）
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）。
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。
回旋区及燃烧带
菱铁矿（FeCO3）
铁矿石处理工艺流程
• 矿石(ore)→破碎(crush)→筛分 (screen)→富矿(high-grade ore)→混 匀(mix)→高炉；
• 矿石→破碎→筛分→贫矿 (lean ore)→磨矿 (grinding)→筛分→选矿 →造块→人造富矿→高炉
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；
烧结(sintering)
• 将各种粉状铁矿粉，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。这一过程是烧结，所得到 的块矿叫烧结矿。
• 冶炼1t生铁大约需要1.6~2.0t矿石， 0.4~0.6t焦炭(coke)，0.2~0.4t熔剂。
• 高炉冶炼是连续生产过程，必须尽可能为 其提供数量充足、品位高、强度好、粒度 均匀粉末少、有害杂质少及性能稳定的原 料。
磁铁矿（Fe3O4）
铁矿石
赤铁矿（Fe2O3）
褐铁矿（mFe2O3·nH2O）
– 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。
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
– 高炉炼铁常用的还原剂主要有CO、H2和固体 碳。
• 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 11H002作℃还的原区剂域的进还行原。反应主要在高炉内800～
• 用固体碳还原铁氧化物
生成的FeO在高温下与焦炭作用： (FeO)+C=[Fe]+{CO}-Q 总的脱硫反应可写成： [FeS]+(CaO)+C=(CaS)+[Fe]+{CO}-Q • 炉外脱硫 ➢ 高炉常用的炉外脱硫剂是苏打粉(Na2CO3)。
高炉生产主要技术经济指标
• 有效容积利用系数（ŋV）：高炉每立方米有 效容积每天生产的合格铁水量（t/m3·d）
破碎
筛分
3~0mm
配
料
3~0mm
皮
带
瓦斯灰、轧钢皮 （10~0mm）
烟道灰 灰尘
一 次 混 料（混匀）
二 次 混 料（制粒）
布料
点火器
烧
结机
除尘
破碎
抽风 烟筒 排放
筛分 冷却 整粒 高炉矿槽
高炉
水 水蒸汽
热返矿 冷返矿 冷返矿
烧结过程示意图
• 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。
高炉生产工艺流程
高炉结构
• 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 管。
高 炉 炉 内 炉 料 状 况 及 反 应
0.20
国产球团 64.20 1.88 1.33 3.66 1.59 1.51 0.08 0.03 0.36
烧结矿 56.33 7.80 10.22 5.37 2.45 2.23 0.27 0.023 1.90
南非块矿 63.26 0.76 1.33 2.49 0.53 1.51 0.15 0.03 0.53
成渣过程中，软熔带对炉内料柱透气性影响 很大，习惯上把这一带叫成渣带。
生铁去硫
• 硫的来源：矿石、焦炭、熔剂和喷吹燃料中 的硫分。炉料中焦炭带入的硫最多，占70 ％～80％。
• 冶炼每吨生铁由炉料带入的总硫量称硫负荷。
• 炉渣去硫 ➢ 炉渣去硫反应： [FeS]+(CaO)=(CaS)+(FeO)
• 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。
• 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，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。
高炉每天的合格生铁量P
ηV=
高炉有效容积Vu
• 入炉焦比（K）：冶炼一吨生铁消耗的焦 炭量（kg/t）
每天装入高炉的焦炭量 K=
高炉每天出铁量
• 煤比（或油比）：冶炼一吨生铁消耗
的煤粉量或重油（kg/t）
每天喷入高炉的煤粉量 M=
高炉每天出铁量
• 燃料比＝焦比＋煤比（或油比） • 冶炼强度：高炉每立方米有效容积每天
③高温冶金性能 低温还原粉化率（RDI Reduction Degradation Index ）：
是指烧结矿在高炉上部约500℃还原气氛下抗粉化 的能力。 ＜3.15mm粒级越小越好。
还原度（RI）：是指烧结矿在900 ℃还原气氛 下被还原成Fe的能力。还原度越高越好
球团
• 将准备好的原料(细磨精矿或其他细磨粉状物 料、添加剂等)，按一定比例经过配料、混匀 制成一定尺寸的小球，然后采用干燥焙烧或其 他方法使其发生一系列的物理化学变化而硬化 固结．这一过程即为球团生产过程．其产品即 为球团矿。
巴西块矿 66.62 4.23 0.70 7.94 0.23 1.11
0.09
海南块矿 氧5化2.球17团: 品1.1位高, 0粒.3度5 均匀1(39.3~15m0m.0)2, 强度0高.8(150~02.0050kg),0还.52原性好0.，03 是 一种优质的炼铁原料
链篦机-回转窑球团厂 链篦机-回转窑球团厂
1、高炉炼铁工艺
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
喷吹系统
空气
送风系统
风机 热风炉
高炉
渣铁处理系统
煤气除尘系统 炉尘
净煤气
炉渣 铁水
原料
• 高炉冶炼用的原料主要有铁矿石（天然富 矿和人造富矿）、燃料(fuel)（焦炭和喷吹 燃料）、熔剂(flux)（石灰石与白云石等）。
• 回旋区：风口前产生焦 炭和煤气流回旋运动的 区域称为回旋区。
• 回旋区和中间层组成焦 炭在炉缸内进行燃烧反 应的区域称为燃烧带。
• 实践中常以CO2降至1～ 2％的位置定为燃烧带界 限。大型高炉的燃烧带 长度在1000～1500mm 左右。
• 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。
高炉炉渣的作用
• 分离渣铁，具有良好的流动性，能顺利排出 炉外。
• 具有足够的脱硫能力，尽可能降低生铁含硫 量，保证冶炼出合格的生铁。
• 具有调整生铁成分，保证生铁质量的作用。 • 保护炉衬，具有较高熔点的炉渣，易附着于
炉衬上，形成“渣皮”，保护炉衬，维持生 产。
成渣过程
（1）焦炭在风ห้องสมุดไป่ตู้处完全燃烧，灰分进入炉渣。