高炉炼铁工艺培训课程(PPT 96页)

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
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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）
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石，一 般在冶炼过程中需要去除。
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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%
磁铁矿：理论含铁量72.4%
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高炉 炉内 炉料 状况 及反 应
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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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烧结矿的形成
烧结矿形成机理
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。
菱铁矿：理论含铁量48 . 3%
扣除CO2
褐铁矿：理论含铁量55 . 2~66.1% 和结晶水
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）
7、块矿(lump ore)和粉矿(fine ore)
破碎、筛分
富矿
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粉矿（<5mm）供烧结厂生产烧结矿 大中型高炉<45mm
后细磨
磁选
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2.1.1.2 主要原料
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）。
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、品味高、强度好、粒度均匀粉末 少、有害杂质少及性能稳定的原料。
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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圆盘造球机
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竖炉 球团 矿生 产的 工艺 流程
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铁精矿 膨润土
配料
燃烧煤气
混匀（圆筒混料机） (精矿过湿时)
造球（圆盘造球机）
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燃烧反应
燃烧反应的机理一般认为分两步进行：
C+O2 =CO2 400660kJ (1) C+CO2 =2CO 165686kJ (2) (1)+(2)则：
2C+O2 =2CO 294974kJ (3)
风口前碳素的燃烧只能是不完全燃烧，生成CO 并放出热量。
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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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用固体碳还原铁氧化物 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。
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，风口前碳素燃烧的最终产
物由CO、H2、N2组成。
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回旋区及燃烧带
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。
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Mn3C溶于生铁。
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硅的还原
硅的还原只能在高炉下部高温区(1300℃以上) 以直接还原的形式进行： SiO2+2C＝Si＋2CO -628297kJ
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
武钢三烧396m2鼓风环式冷却机
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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。
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烧结矿层 燃烧层 预热和干燥层 过湿层
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400m2带式抽风烧结机
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烧结过程的主要反应
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
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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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。
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2.1.2 烧结(sintering)
造块处理的必要性
烧结矿和球团矿优点
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2.1.2 烧结(sintering)
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。
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。
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2.2.3 还原反应
2.2.3.1 基本概念 2.2.3.2 高炉内铁氧化物的还原 2.2.3.3 高炉内非铁元素的还原
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2.2.3.1基本概念
返
生球过筛（辊轴筛） 矿
布料（移动布料机）
焙烧固结（竖炉）
(经链板机)
筛分（振动筛）
返矿
(送烧结)
φ 9~16mm
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
(BlastFurnaceIronmaking)
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 2.4 高炉操作
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钢铁生产的典型工艺（长流程）
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2.1 高炉冶炼用原料
2.1.1 主要原料 2.1.2 烧结(sintering) 2.1.3 球团(pelletizing)
→FeO→Fe的顺序还原。
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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。
块矿(>5~10mm),上限 中小型高炉<20~25mm
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8、精矿(ore concentrate)：贫矿经过破碎，细磨， 并通过磁选或浮选得到的高品位细粉状矿石.
细磨
磁铁矿
磁选
-200目>60~80%
细磨
赤铁矿
浮选
-200目>60~80%
细磨
菱铁矿
浮选
-200目>60~80%
先磁化焙烧 褐铁矿
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
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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）
瓦斯灰、轧钢皮 （10~0mm）
破碎
>3mm
破碎
筛分
3~0mm
配
料
3~0mm
皮
带
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
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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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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；
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高炉生产工艺流程
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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。
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烧结厂巡视
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烧结机
世界上90% 以上烧结矿由 抽风带式烧结 机生产，其主 要设备为烧结 台车。
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2.1.3 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。
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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
传质过程：矿石中的O2- O2-(矿）＋CO ￫ CO2 O2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
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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锰的还原
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