烧结及高炉炼铁基本原理及工艺

1KgCaCO3分解消耗1785KJ热量．
降低了煤气还原能力，影响还原速度．
CaCO3在低温区分解放出CO2进入煤气，降低了CO的 浓度，冲淡了还原气氛
在高温区分解出的CO2与焦炭发生反应， CO2+C焦=2CO 是吸热反应，而且直接消耗焦 炭，使焦比升高．
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二、高炉还原过程
高炉冶炼用CO,H2和固体碳作还原剂． 氧化物的还原顺序： 高炉冶炼条件下，各种氧化物由易到难的还原 顺序． CuO→PbO→FeO→MnO→SiO2 →Al2O3→MgO→CaO
三元碱度：R3＝(CaO＋MgO)／SiO2，一般为1.3左 右
－Q －Q －Q －Q －Q
2.碳水反应的影响：
当温度大于1000℃时:
H2O汽 + C = H2 + CO
-Q
用H2还原铁氧化物在高温区时：
FeO+H2 = Fe+H2O
＋ H2O+C = H2+CO
FeO+C = Fe+CO
在低温区时，用H2还原铁氧化物的产物与CO作用
FeO+H2 = Fe+H2O ＋ H2O+CO = H2+CO2
0 400 500 600 700 800 900 1000 1200 0C
度随温度升高而降低，即温度升高，
CO的利用率提高，是吸热反应,
2.温度对反应的影响： 曲线3是FeO+CO=Fe+CO2的平衡 气相成分线，向上倾斜，与曲线2 正好相反，是放热反应，升温对反
应不利．
曲线4是Fe3O4+4CO=Fe+4CO2的 平衡气相成分线，向上倾斜，它在
%CO
Fe
3
70
60 4
FeO
50
40
2
30
20
Fe3O4
10
1
Fe2O3
0 400 500 600 700 800 900 1000 1200 0C
570℃位置与曲线2,3相交，说明域： 曲线1下方，Fe2O3稳定区域 曲线2上方，3下方，FeO 例如：800度时，%CO=30%
>570℃时： Fe2O3→Fe3O4 →FeO→Fe <570℃时：Fe2O3→Fe3O4→Fe （ FeO →Fe3O4＋Fe ）
2、铁氧化物顺序还原的原因
是受铁氧化物中的铁与氧的亲
合力大小决定的
lgPo2
一般：与氧亲合力大，分解压
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就小，难还原；与氧亲合力小，
Fe2O3 Fe3O4 FeO
曲线1上方，2、4下方 Fe3O4 曲线3、4上方 Fe
（三）用固定碳还原铁氧化物：
1.还原反应式：
>570℃：3Fe2O3+C=2Fe3O4+CO
－Q
Fe3O4+C＝3FeO+ CO
－Q
FeO+C=Fe+CO
－Q
<570℃ 3Fe2O3+C=2Fe3O4+ CO
－Q
Fe3O4+4C=3Fe+4 CO
分解压就大，易还原
>570℃时， Fe2O3→Fe3O4→FeO分解压从 大到小，还原性由易到难．
0 -10 -20 843K -30 Fe3O4
<570℃时，Fe2O3仍最易还原， 500 1000 1500 2000 K FeO极不稳定，按下式分解： 各种铁氧化物不同温度的分解压 3FeO→Fe2O3+Fe
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结晶水的分解
存在于褐铁矿(2Fe2O3.3H2O)和高岭土(Al2O3.2H2O)中． 结晶水分解： 结晶水从200℃开始分解，到400～500℃激烈分解． 结晶水分解完毕需要的时间与炉料颗粒大小有关．小料
块比大料块的结晶水分解完毕的早． 结晶水分解对冶炼影响． 结晶水激烈分解，矿石易碎裂，产生大量粉末，使料
（二）用CO还原铁氧化物： 1.还原反应式：
>570℃：3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2 Fe3O4+CO=3FeO+ CO2 FeO+CO=Fe+CO2
<570℃ 3Fe2O3+CO=2Fe3O4+ CO2 Fe3O4+4CO=3Fe+4CO2
+Q -Q +Q +Q +Q
2.温度对反应的影响：
结论：
FeO+CO = Fe+CO2
H2参加还原反应,但最终消耗的是C和CO，H2起了传 氧的作用
①但由于氢气的扩散能力大，所以对还原反应可以 起到催化剂的作用.
②在高温区，并不是所有H2都起传氧作用，还有少 量H2参加了还原反应，代替了部分焦炭，H2还原比Ｃ
还原消耗的热量少，所以H2存在有利于焦比降低。
Fe2O3
0 400 500 600 700 800 900 1000 1200 647℃开始．
0C
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（四）用Ｈ2 还原铁氧化物： 1.还原反应式： >570℃ 3Fe2O3+H2=2Fe3O4+ H2O Fe3O4+ H2 ＝3FeO+ H2O FeO+ H2 =Fe+ H2O
<570℃ 3Fe2O3+ H2 =2Fe3O4+ H2O Fe3O4+4H2 =3Fe+4 H2O
图中曲线1 是还原反应
3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2的平衡气 %CO
相成分线，位置很低，说明只要少 70
量的CO就能使Fe2O3还原．在
60 4 50
1000℃时，CO只有0.50%,大于它反 40
应就向右进行，认为此反应是不可 30
20
逆的．
10
Fe 3
FeO
2
1
Fe3O4
Fe2O3
曲线2是反应 Fe3O4+CO=3FeO+CO2的平衡气相成 分线，向下倾斜，平衡气相中CO浓
－Q
2.炭素氧化反应的影响：
⑴炉内固定碳直接还原 铁氧化物数量很少．
第二步：间接还原的气相 产物CO2与固体碳反应:
⑵．二步式的直接还原：
CO2+C=2CO
①还原反应式
将上两式叠加
第一步：间接还原: Fe3O4+CO=3FeO+CO2
FeO+CO=Fe+CO2
FeO+CO=Fe+CO2 ＋ CO2+C=2CO
渣铁反应：（SiO2）+2[C]=[Si]+2CO ④控制Si 还原的因素：
提高炉缸温度利于Si 的还原
↓炉渣R利于Si的还原
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非铁元素的还原
（3）P的还原
P100%还原入铁，只有原料控P
（4）含Ti矿的冶炼
TiO2→Ti2O3→TiO→Ti→Ti（C，N）固熔体使炉渣粘稠
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三、造渣与脱硫
炉渣的来源
（5）炉缸区：渣铁分层存在，焦碳浸泡其中 主要反应：渣铁间脱S， Si、Mn等元素氧化还原
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2、 炉料的蒸发、挥发与分解
装入炉内的炉料，除热烧结矿外，都含有一定 水分，以吸附水和结晶水两种形式存在．
吸附水：依靠微弱的表面能力吸附在炉料颗 粒表面及其孔隙表面的水, 也叫物理水．
结晶水：与炉料中的氧化物化合成为化合物 的水, 也叫化合水．
C.647～685℃之间时，以上两种情况都有可能．
%CO Fe 70 60 4
5 3
685 0C
FeO
大于685℃为铁稳定区，小于 647℃为Fe3O4的稳定区，647 ～685℃之间为FeO稳定区．只
50
40
647 0C 2
有大于685℃时，铁氧化物才
30
Fe3O4
20
能还原成铁，直接还原从
10
1
能被还原 部分被还原 不能被还原
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直接还原与间接还原
（1）间接还原：用CO、H2为还原剂还原铁的氧化物，产物为 CO2、H2O的还原反应。
特点：放热反应、
反应可逆
（2）直接还原：用C作为还原剂，最终气体产物为CO的还原 反应。
特点：强吸热反应、
反应不可逆
（3）直接、间接还原区域划分：取决于焦碳的反应性
脉石与低价铁氧化物和锰氧化物等形成液态初渣。
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1.高炉炉内状况
（3）滴落带：主要由焦碳床组成，熔融状态的渣 铁穿越焦碳床 主要反应： Fe的渗C Mn、Si、P、Cr的直接还原 溶入直接还原元素Si 、Mn 、P 、S 炉渣由中间渣转向终渣。
6
1.高炉炉内状况
（4）回旋区：C在鼓风作用下一面做回旋运动一面 燃烧，是高炉热量发源地（C的不完全燃烧）， 高炉唯一的氧化区域。 主要反应： C+O2=CO2 CO2+C=2CO
（五）用H2和CO还原铁氧化物的比较: 1.相同点： 1>都是间接还原反应，不增加也不减少煤气的体积。 2>此反应有的放热，有的是吸热，但热效应值都不
大。 2.不同点： 1>以H2作还原剂的反应是吸热反应，因此提高温度
有利于还原进行，而CO的还原是以放热为主． 2>低于810℃,CO比H2的还原能力强 高于810℃，H2比CO的还原能力强。
主要内容
高炉冶炼的基本原理 高炉强化冶炼手段和方法 高炉基本操作制度 高炉炼铁新技术
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第一讲 高炉冶炼基本原理
一、炉料的蒸发、分解与气化 二、高炉还原过程 三、造渣与脱S 四、风口前C的燃烧 五、炉料与煤气运动 六、高炉能量利用
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一、炉料的蒸发、分解与气化
1.高炉炉内状况
3
1.高炉炉内状况
（1）块状带：矿焦保持装料时的分层状态，与布料 形式及粒度有关，占BF总体积60%左右 （200~1100℃） 主要反应：水分蒸发 结晶水分解 除CaCO3外的其它MCO3分解 间接还原（还原度可达30-40％） 碳素沉积反应（2CO=C+CO2）
低温区 ＜800℃基本为间接还原
中温区 800~1100℃共存
高温区 ＞ 1100℃全部为直接还原
（4）用直接还原度rd、间接还原度ri来衡量高炉C素利用好坏， 评价焦比。
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铁氧化物还原
（一）铁氧化物的还原顺序：
1、还原顺序 铁的氧化物在还原时，是从高价铁氧化物逐级还
原成低价氧化物，最后还原成金属铁．
柱透气性变坏，不利于高炉顺行． 若>1000℃时，结晶水尚未分解完，则分解出来的水汽
与焦炭中的碳发生反应．碳水反应 H2O+C焦=H2+CO-Q 是吸热反应，而且直接消耗碳，使焦比升高．
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挥发分挥发
焦炭中挥发物的挥发：
焦炭中挥发分高低是评价焦炭质量的指标之一
其它物质的挥发：
碱金属： 循环富集，恶化透气，造成炉瘤 Zn:循环富集，胀裂炉衬．造成炉瘤． Mn:挥发Mn3O4，进入煤气，增加煤气清洗的困难． SiO:挥发，恶化料柱的透气性．
4
1.高炉炉内状况
（2）软熔带：矿石层开始熔化与焦碳层交互排列，焦碳层也 称“焦窗”，形状受煤气流分布与布料影响，可分为正V型， 倒V型，W型，一般软熔带的上边界温度在1100℃左右， 而下边界温度在1400-1500℃。 主要反应：Fe的直接还原 Fe的渗碳 CaCO3分解 吸收S（焦碳中的S向渣、金、气三相分布） 贝波反应：C+CO2=2CO
FeO+C=Fe+CO
以上可看出：虽然起还原作用的仍是CO，但最终结果消耗了 固体碳．
二步式直接还原的条件
A.温度>685℃时，CO2+C=2CO 反应向右进行，间接还原全 部转换为两步式的直接还原，CO只起输氧的作用本身不消耗 B.温度<647℃时，CO2+C=2CO 反应向左进行，不发生两步 式直接还原反应．
矿石中的脉石：SiO2,Al2O3 燃料中的灰分： SiO2,Al2O3 熔剂中的氧化物：CaO.MgO 被侵蚀的炉衬． Al2O3
炉渣的主要成分：SiO2,Al2O3,CaO,MgO
炉渣碱度
碱度：炉渣中的碱性氧化物和酸性氧化物
的比值．
二元碱度：R2＝CaO／SiO2，一般为1.0～1.2之 间．
提高炉渣R 生铁中保持一定[Si]
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非铁元素的还原
（2）Si的还原
①生铁中[Si]的要求：制钢铁 [Si]≤0.6
铸造铁 1.25≤[Si]≤4.25
② Si 还原的特点： 大量吸热 全部直接还原 K↑
③ Si 还原的途径：
气化还原： SiO2+C=SiO（g）+CO SiO（g）+[C]=[Si]+CO
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碳酸盐的分解
碳酸盐主要由熔剂带入：CaCO3，MgCO3 矿石带入少量碳酸盐：FeCO3，MnCO3, MnCO3,FeCO3,MgCO3 分解温度较低，对高 炉冶炼影响不大．CaCO3分解温度较高，对冶 炼影响较大．
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CaCO3的分解对高炉冶炼的影响
CaCO3分解是吸热反应，消耗高炉热量．
非铁元素的还原
（1）Mn的还原： ①一般规律：
MnO2→（550℃间还）→Mn2O3→（1100 ℃ 间还） →Mn3O4→（1000 ℃间还） →MnO→（1200 ℃直接还 原）→Mn ②Mn还原的特点：间接还原放热大，使炉顶温度↑
直接还原吸热大，使焦比↑ ③控制Mn还原的手段：提高炉缸温度，会使Mn的挥发损失↑
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吸附水的蒸发
吸附水在炉料加热到105℃时，激烈蒸发．吸附 水在高炉上部就能全部蒸发完毕． 吸附水蒸发吸收的是炉顶煤气的余热，不会引 起焦比升高． 吸附水蒸发的益处．
降低煤气温度，对炉顶设备及金属结构的破损作用减 弱．
煤气体积缩小，煤气流速降低，炉尘吹出量减少． 但吸附水含量的波动会影响配料称量的准确。