冶金概论5-高炉冶炼的基本原理(二)

（2）煤气分布得到改善，中心煤气明显发展， 从而有利于均匀炉缸温度。喷吹后，煤气中的H2 量增多，气体粘度减小，煤气渗透能力提高。 （3）炉缸冷化，顶温升高，有热滞后现象。
炉缸冷化是指风口前理论燃烧温度（风口 前燃料燃烧产生的热量全部用于加热燃烧产物所 能达到的温度）降低。
热滞后现象是指高炉增加喷吹量后，由于 入炉总燃料量增加，炉温本应升高。但在喷吹之 初，炉缸温度不升反而暂时下降，过一段时间后， 炉缸温度才上升的一种现象。
为液态，金属铁与炉渣也完全分离开来，金属铁 经固体焦炭缝隙往下流动。
金属铁在下降过程中继续渗碳，并且不断吸 收由液态渣中还原出来的铁和其他合金元素。
炉渣则在下降过程当中，由于还原作用， FeO含量继续降低，SiO2和MnO含量也由于Si和 Mn还原进入生铁而有所降低。
另外由于熔剂CaO不断溶入渣中，故渣的碱 度不断提高。
很显然，只有当F>0时炉料才能下降；F愈 大，则愈有利于炉料顺利下降；当F接近或等于零 时，则炉料产生难行或悬料。
需要指出的是，要使炉料顺利下降（可简称 为顺行），不仅要求整个料柱的F大于零，而且还 要求各个不同高度截面上和同一截面不同位置上 的F大于零。
显然，某处的F=0时，则该处的炉料 处于悬料状态。
高炉内不断出现的自由空间只是为炉料的下降 创造了先决条件，但炉料能否顺利下降。还取决于 下述的力学关系：
F=Q－（P1+P2+△P）=Q有效－ △ P 式中 F—炉料下降有效作用力； Q—炉料的自重； Pl—炉料与炉墙之间的摩擦力； P2—炉料之间的摩擦力； △ P—上升煤气对炉料的阻力； Q有效—料柱有效重量。
八 高炉强化冶炼
高炉强化冶炼的主要目的是提高产量， 即提高高炉有效容积利用系数。
提高产量的途径是提高冶炼强度和降 低焦比，生产中主要采用的措施有：
精料、高压操作、高风温、富氧鼓风、 加湿与脱湿鼓风、喷吹燃料等。
1 精料 全面改善原料质量，为高产、优质、
低耗打下物质基础，精料的具体内容可概 括为“高、熟、净、匀、小、稳”七大大降低，从而完全 熔化成液态，并呈滴状下落。
同时，初渣也由于流动过程的均匀化 作用、上升煤气流的搅拌作用和固体碳的 还原作用，成分趋于均匀，渣中FeO含量降 至2％～3％，至此进入滴下带。
软融带的温度范围大致在1000～1200 ℃之间。
（3） 滴落带 铁水和炉渣沿焦炭之间缝隙下降； 矿石经过软融带进入滴下带时，已完全熔化
释放的热量由炉缸煤气传递 。
（5） 炉缸区 炉缸区内汇集渣铁，进行最后的渣铁反应。
七 炉料下降条件
在高炉冶炼过程中，炉料在炉内的运 动是一个固体散状料的缓慢移动床。炉料 均匀而有节奏地顺利下降，是高炉顺行的 重要标志。
炉料下降的必要条件之一是高炉内必 须不断产生使其下降的自由空间。
70%左右的焦炭在风口前燃烧生成煤气； 炉料在炉内产生体积收缩、并由固体散料转 化为液体炉渣和铁水、直接还原消耗碳素以及定 时放渣、出铁。 这些使炉缸下部经常保留着较大的空间。
（7）改善炉料的高温冶金性能 高温冶金性能主要包括高温还原强度、
还原性、软熔特性等。 人造富矿的高温还原强度对块状带料柱
透气性有决定性影响，而高温软融性特性影响 软融带结构和气流分布球团矿在高温还原条件 下，强度变差，影响炉料顺行。
一般在大型高炉上只使用部分球团矿。
2 高压操作
指提高高炉内煤气压力。提高炉内煤气压力是 由煤气系统中的高压调节阀组控制阀门的开闭度来 实现的（如图2-20所示）。
（2）提高风温能为提高喷吹量和喷吹效率创造 条件。风温提高后，鼓风动能增大，有利于活跃 炉缸，改善煤气能量的利用，同时炉缸温度升高， 为提高喷吹量和喷吹效率创造条件。
风温的提高主要是通过改造热风炉实现的。
4 喷吹燃料
指从风口或其它特设的风口部位向高炉 喷吹煤粉、重油、天然气、裂化气等各种 燃料。 • 喷吹燃料对高炉冶炼的影响是： （1）炉缸煤气发生量增加，煤气还原能力 提高。高炉喷吹燃料后，煤气中的CO含量 提高（即煤气还原能力提高）。
缩短矿石在炉内的还原时间，改善还原过程。 但粒度不能过小，否则会恶化高炉内料柱透气
性，炉尘增多，使煤气流分布失常。 按“净”的要求，入炉料应筛除粉末（小于
5mm的物料）。 按“匀”的要求，矿石应进行分级入炉，可以
改善高炉内软融层的透气性，有利于降低焦比。天然 矿石可分为8~15mm和15~30mm两级。烧结可分为
还原性和造渣性能，促进高炉热制度的稳定和炉况 顺行。
尤其是采用高碱度烧结矿时，还原粉化率低、 软化温度和还原度高又可减少熔剂加入量。
所以增加熟料比既有利于降低焦比，提高冶 炼强度，又有利于高炉顺行。
（3）加强原料的整粒工作 “净、小、匀”都是指精料程度，可统称为整
粒。 按“小”的要求，入炉矿的平均粒度要小，可
形成了部分低熔点化台物，这样就为软 化和熔融创造了条件。
(2)软熔带 矿石从开始软化到完全软化；软熔带的形
状和位置对高炉内的热交换，还原过程和透气性 有着极大的影响。
矿石在下降过程中温度逐渐升高，当接近 和达到其熔化温度等温线水平时，开始软化。接 着发生熔融，形成一层具有一定厚度的塑性层， 此叫作软熔带。
§2.5 高炉冶炼基本原理
一 炉料在炉内的物理化学变化 二 还原过程
还原反应是高炉内最基本的化学反应。
三 高炉炉渣 四 生铁形成 五 高炉风口区碳的燃烧
六 高炉内的状况
图2-14
(1) 块状带（固体炉料区） 炉料仍保持块状状态； 在这里发生游离水蒸发、结晶水和黄铁
矿分解、铁矿石间接还原等现象。 同时炉渣在这一区域里发生固相反应，
（5）合理的炉料结构 指入炉炉料组成的合理搭配，应以获得最
好的技术经济指标为前提。合理的炉料结构，应 当符合下列要求：
具有优良的高温冶金性能，包括高温还原 强度、还原性、软熔特性等；
炉料中，以人造富矿为主，炉料的成分能 满足造渣需要，不加或少加熔剂等。
从理论上和高炉经营管理的角度看，使用单一 矿石并把熟料率提高到100%是合理的，然而目前还 没有一种理想的矿石能够完全满足现代大型高炉强 化的需要。
（4）稳定原燃料化学成分 入炉原料的成分，尤其是矿石成分的稳定
是稳定炉况、稳定操作、保证生铁质量及实现自 动控制的先决条件。
否则，高炉生产会受到很大影响。要保证 炉料化学成分和物理性质的稳定，减少入炉料成 分的波动，关键在于加强原料的管理，搞好炉料 的混匀和中和工作。原料的混匀主要是在原料场 中进行。
对整个高炉料柱而言，煤气在料柱中流 通时产生的压力降为：
△P=P炉缸-P炉喉 ≈P热风-P炉顶 式中 P炉缸—炉缸煤气压力；
P炉喉—炉喉煤气压力； P热风—热风压力； P炉顶—炉顶煤气压力。
由上式可知，提高炉顶煤气压力（如 高压操作）或降低热风压力有助炉料下降。
一些研究者研究得出，煤气通过炉内 料柱各带时，产生的压力降计算式有所不 同，但总的来说，影响高炉煤气通过料柱 时所产生的压力损失的主要因素是料柱的 透气性和煤气的流速等因素。
初渣就在这里形成了。初渣成分特点 是，由于尚未经过炉渣成分的混匀过程， 熔剂CaO也尚未参与造渣、并且矿石此时 大部分已还原成FeO或金属铁，
所以初渣中FeO的含量较高，碱度为 自然碱度(即与矿石本身的碱度相似)，各处 成分不均匀。
在软融带，还原形成的金属铁开始以 “冰柱”形式经固体焦炭块的间隙往下流 动，初渣就从“冰柱”中分离出去，
因此，富氧鼓风后应注意提高风温。在鼓 风中实行喷吹燃料同富氧和高风温相结合的 方法，统称为综合鼓风。
课后作业与思考题
• 1.高炉内物料发生了哪些变化？ • 2.高炉炼铁中铁还原具有什么规律？ • 3.高炉内铁的还原方式有哪些？生铁中的
Fe是如何还原出来的？ • 4.高炉煤气最初是如何产生的？
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树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20.12.1820.12.18Friday, December 18, 2020
（3）富氧鼓风后，炉缸理论燃烧温度升高， 炉顶温度下降，炉缸温度提高。富氧鼓风后， 单位生铁的煤气量减少，高温区下移，下部热 交换区扩大。
（4）富氧鼓风后，煤气中的CO含量提高， 在一定范围内有利于间接还原发展。富氧鼓风 与喷吹燃料相结合，对还原更有利。
（5）富氧鼓风后，鼓风带入热量减少，高 炉热量收入降低。
高压操作的程度常用炉顶煤气压力值表示。一 般常压高炉炉顶煤气压力低于130kPa（绝对压力）， 凡炉顶煤气压力高于此值者为高压高炉。当前的高 压水平一般为140~250 kPa。新设计的巨型高炉，炉 顶压力可到300~400 kPa 的水平。
高炉高压操作示意图
3 高风温
（1）提高风温有利于降低焦比。高炉内热最收 入来源于两方面，一是风口前碳素燃烧放出的化 学热，二是热风带入的物理热。热风带入的热占 总热量收入的2%~3%。
（4）喷吹燃料后，喷吹料柱压差普遍升 高，随喷吹量的增加而增加，下部压差增 加较多。
（5）喷吹后生铁含硫量降低，质量提高。 高炉喷吹燃料后，炉渣脱硫能力提高，
允许适当降低生铁含硅量。因此，喷吹更 适于冶炼低硫低硅生铁。
5 富氧鼓风
富氧鼓风工艺流程 1—冷风管；2—流量孔板；3—氧气插入管；4、8—压力表；5、10—截止阀；
此外还应重视高温冶金性能及合理的 炉料结构。
（1）提高矿石品位 指提高入炉矿石的含铁量。 是高炉提高产量和降低燃料比的首要内容。 矿石品位提高后，脉石量减少，减少了单
位生铁的熔剂用量，降低了单位生铁的渣量，使 高炉冶炼单位生铁的热量消耗减少，产量提高， 同时又能改善高炉下部透气性，有利于顺行。
（2）增加熟料比 烧结矿和球团矿统称熟料，也叫人造富矿。 增加入炉的熟料比，可以改善矿石的透气性、
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因此，炉料不顺行的现象，不仅可能 在高炉上部或下部出现，也可能在某一截 面上的某一区域出现。
通常情况下，当炉型、原料和操作操 作制度一定时，Q有效变化不大，因此，F的 大小主要受到△P的影响。
△P是煤气流通过高炉料柱时的压力 损失，也即克服摩擦阻力和局部阻力而造 成的压力损失，可近似地看作上升煤气对 下降炉料的浮力。
目前主要有四种炉料结构：（1）100%酸性球 团矿，配加一定量的石灰石；（2）以酸性球团矿为 主，配加超高碱度烧结矿；（3）100%自熔性烧结 矿；（4）以高碱度烧结矿为主，配加天然矿或酸性 球团矿。
采用什么样的炉料，应根据具体条件，即合理 利用资源。
（6）改进焦炭质量 焦炭质量的变化对高炉冶炼的影响有：焦炭
同时，由于温度升高，炉渣的流动性也不断 增加。
炉渣经过风口时，焦炭灰分中的SiO2、 Al2O3溶入炉渣而使其碱度又有所下降。
炉渣进入炉缸时又出现经过风口被氧 化的金属铁被再还原，及脱硫反应等一些 变化，最后到达炉缸形成成分确定的终渣。
（4）风口带（焦炭回旋区） 焦炭作回旋运动； 主要发生碳素的燃烧，产生炉缸煤气，燃烧
6—氧气流量孔板；7—电磁快速切断阀；9—电动流量调节阀；11—放风阀
富氧鼓风对高炉冶炼的影响有： （1）提高冶炼强度。富氧鼓风后，风中含氧量的增
加，则每吨生铁需要的风量减少；若保持入炉风量 (包括富氧)不变，冶炼强度可提高，增加产量：若焦 比有所降低，可望增产更多。
（2）生产单位生铁时，富氧鼓风之后，煤气量略有 减小。
强差变差时，焦炭入炉后，粒度组成变化较大，在 炉内会产生一定数量的粉末，会影响料柱透气性， 以及大量焦炭进入渣中，使渣变粘稠，造成炉子难 行和悬料；
高温下焦炭的反应性越好，碳的熔损大，焦 炭粒度迅速粉化，恶化料柱透气性，破坏顺行；焦 炭中的硫增加，高炉炉料硫负荷增加，渣量增加， 焦比会升高。
因此，可以说，降低焦炭中的硫及灰分也是 高炉强化冶炼措施之一。