冶金工程概論論文

1、目錄摘要2一 高爐煉鐵工藝31 高爐煉鐵基本概念41.1 高爐煉鐵的原料和產(chǎn)品41.2 高爐內(nèi)型51.3 高爐煉鐵工藝設(shè)備61.3.1 高爐本體61.3.2 爐頂裝料設(shè)備91.3.3 熱風(fēng)爐101.3.4 噴煤設(shè)備121.3.5 除塵設(shè)備121.4 高爐冶煉原理141.4.1 爐料在爐內(nèi)的分布狀態(tài)141.4.2 爐缸燃燒反應(yīng)151.4.3 高爐內(nèi)鐵氧化物的還原反應(yīng)161.4.4 高爐內(nèi)非鐵元素的還原反應(yīng)171.4.5 爐渣和生鐵的形成171.4.6 鐵水脫硫18冶金高爐煉鐵工藝概論摘要：冶金是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的基礎(chǔ)，是國家實(shí)力和工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志，它為機(jī)械、建筑、航空航天工業(yè)、國防軍工等各行各業(yè)提

2、供所需的材料產(chǎn)品。高爐煉鐵作為在生產(chǎn)中常用的生產(chǎn)方式被廣泛的使用在全國各個鋼廠中，同時高爐煉鐵在現(xiàn)代鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中占據(jù)極為重要的地位。關(guān)鍵字：冶金，高爐煉鐵冶金工程技術(shù)的發(fā)展趨勢是不斷汲取相關(guān)學(xué)科和工程技術(shù)的新成就進(jìn)行充實(shí)、更新和深化，在冶金熱力學(xué)、金屬、熔锍、熔渣、熔鹽結(jié)構(gòu)及物性等方面的研究會更加深入，建立智能化熱力學(xué)、動力學(xué)數(shù)據(jù)庫，加強(qiáng)冶金動力學(xué)和冶金反應(yīng)工程學(xué)的研究，應(yīng)用計(jì)算機(jī)逐步實(shí)現(xiàn)對冶金全流程進(jìn)行系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計(jì)和自動控制。冶金生產(chǎn)技術(shù)將實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)柔性化、高速化和連續(xù)化，達(dá)到資源、能源的充分利用及生態(tài)環(huán)境的最佳保護(hù)。隨著冶金新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝的出現(xiàn)，冶金產(chǎn)品將在超純凈和超高性能等方面發(fā)

3、展，在支撐經(jīng)濟(jì)、國防及高科技發(fā)展上發(fā)揮愈來愈重要的作用。 一 高爐煉鐵工藝隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)對不同的煉鋼要求，使的不同的煉鋼方式不斷開發(fā)并應(yīng)用，在學(xué)習(xí)期間，我們學(xué)到了幾種常用的冶金煉鋼方法，如：高爐煉鋼，轉(zhuǎn)爐煉鋼，電爐煉鋼和煉鋼連鑄。他們被廣泛的應(yīng)用在不同的鋼廠之中，各有各自的特點(diǎn)，及煉鋼工藝。高爐煉鐵在現(xiàn)代鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中占據(jù)極為重要的地位，該方法生產(chǎn)的鐵仍占世界鐵總產(chǎn)量的95以上。首先，高爐冶煉的產(chǎn)品生鐵是煉鋼的原料；其次，高爐冶煉產(chǎn)生的煤氣從爐頂導(dǎo)出，經(jīng)除塵后，作為熱風(fēng)爐、加熱爐、焦?fàn)t、鍋爐等的燃料。高爐是鐵礦石、焦炭和能源的巨大消耗者，一座日產(chǎn)1×104 t 生鐵的高爐

4、，每天需要消耗鐵礦石約1.6×104t 噸、焦炭約3000 t、煤粉約2000 t，產(chǎn)生爐渣3000 t 左右，每天要將1.5×107m3 左右的空氣由鼓風(fēng)機(jī)加壓至0.4 MPa 左右鼓入爐內(nèi)，從爐頂放出約1.9×107 m3 左右高爐煤氣。由此可見，高爐煉鐵對整個聯(lián)合企業(yè)的均衡生產(chǎn)有著舉足輕重的作用。現(xiàn)代高爐生產(chǎn)過程是一個龐大的生產(chǎn)體系，除高爐本體外，還有供料系統(tǒng)、爐頂裝料系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)、噴吹系統(tǒng)、煤氣凈化系統(tǒng)、渣鐵處理系統(tǒng)1 高爐煉鐵基本概念1.1 高爐煉鐵的原料和產(chǎn)品圖 3.2 為高爐煉鐵原料和產(chǎn)品的流向直方圖。高爐使用的原料包括鐵礦石（燒結(jié)礦、球團(tuán)礦和塊礦

5、）、焦炭、煤粉、鼓風(fēng)和少量熔劑；產(chǎn)品包括鐵水、高爐煤氣和高爐渣。1）原料（1）鐵礦石：在大型高爐爐料結(jié)構(gòu)中，高堿度燒結(jié)礦一般占7080%、酸性的球團(tuán)礦和塊礦占2030%。熔劑通常為石灰石，用來調(diào)節(jié)爐渣堿度。根據(jù)入爐綜合品位，冶煉1t 生鐵需要消耗鐵礦石1.51.7t。（2）燃料：焦炭在高爐風(fēng)口區(qū)域燃燒產(chǎn)生大量熱量和煤氣（CO+N2）。煤氣中的CO 將鐵礦石中的氧化鐵還原成金屬鐵，燃燒產(chǎn)生的熱量將渣鐵熔化成鐵水和液態(tài)爐渣。焦炭在高爐內(nèi)始終呈固態(tài)，它能夠?qū)⒄麄€高爐的料柱支撐起來，保持高爐內(nèi)部具有良好的透氣性。煤粉從高爐風(fēng)口噴入爐內(nèi)，在風(fēng)口區(qū)域燃燒產(chǎn)生熱量和還原煤氣，可代替部分焦炭。但煤粉無法代替焦

6、炭的另一個重要作用支撐料柱。（3）鼓風(fēng)：空氣通過高爐鼓風(fēng)機(jī)加壓后成為高壓空氣（鼓風(fēng)），經(jīng)過熱風(fēng)爐換熱，將溫度提高到11001300，再從高爐風(fēng)口進(jìn)入爐缸，與焦炭和煤粉燃燒產(chǎn)生熱量和煤氣。采用富氧鼓風(fēng)可提高風(fēng)口燃燒溫度，有利于高爐提高噴煤量和高爐利用系數(shù)。冶煉1 噸生鐵大約需要鼓風(fēng)14001700Nm3。2）產(chǎn)品（1）鐵水：鐵水的主要化學(xué)成分為Fe、C、Si、Mn、P、S 等，溫度14501550。（2）高爐煤氣：高爐煤氣主要化學(xué)成分（體積百分比）為CO2026%、CO21622、N25460、H23%、CH40.8%。高爐煤氣發(fā)熱值29004200 J/m3，屬低熱值煤氣。冶煉每噸生鐵產(chǎn)生高爐

7、煤氣18002000m3 左右。（3）高爐渣：高爐冶煉1t 生鐵產(chǎn)生250400kg 爐渣。高爐渣主要成分為w（SiO2）3538%、w（CaO）3845%、w（Al2O3）815%、w（MgO）812%、w（MnO）0.31.0%、w（FeO）0.50.8%、w（S）0.71.1%、R=1.051.25。高爐渣經(jīng)高壓水淬冷?；笫巧a(chǎn)水泥的良好原材料。1.2 高爐內(nèi)型高爐內(nèi)型是用耐火材料砌筑而成的，供高爐冶煉的內(nèi)部空間的輪廓?，F(xiàn)代高爐都是五段式爐型，從下至上分別為：爐缸、爐腹、爐腰、爐身、爐喉。高爐有效容積u V 代表高爐的大小或生產(chǎn)能力。一般將u V 3000m3 的高爐稱為超大型高爐，1

8、5002500m3 的高爐稱為大型高爐，6001000m3 的高爐稱為中型高爐，300m3 以下的高爐稱為小型高爐。我國第一座超大型高爐是1985 年9 月15 日建成投產(chǎn)的寶鋼1號高爐4063m3。到目前為止，我國已經(jīng)建成投產(chǎn)32004350m3 超大型高爐近20 座，正在建設(shè)中的5000m3級超大型高爐有河北曹妃甸首鋼京唐鋼鐵公司的2 座5500m3 高爐、沙鋼5300m3 和寶鋼新1 號高爐5000m3。一座4000m3 級高爐日產(chǎn)生鐵量達(dá)到10000 t 以上。1.3 高爐煉鐵工藝設(shè)備1.3.1 高爐本體高爐本體是高爐煉鐵的核心設(shè)備，現(xiàn)代大型和超大型高爐一代爐齡在不中修的情況下可達(dá)到1

9、520 年，單位爐容產(chǎn)鐵量可達(dá)到12000 t 以上。高爐本體主要由鋼結(jié)構(gòu)（爐體支承框架、爐殼）、爐襯（耐火材料）、冷卻設(shè)備（冷卻壁、冷卻板等）、送風(fēng)裝置（熱風(fēng)圍管、支管、直吹管、風(fēng)口）和檢測儀器設(shè)備等組成。1）鋼結(jié)構(gòu)高爐鋼結(jié)構(gòu)包括爐體支承結(jié)構(gòu)和爐殼。爐體支承結(jié)構(gòu)采用大框架結(jié)構(gòu)自立式結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是大料斗、小料斗和旋轉(zhuǎn)布料器的重量由爐殼支承，上升管、大小鐘和受料漏斗等重量通過爐頂框架支承在爐頂平臺上。對無料鐘爐頂，旋轉(zhuǎn)溜槽、中心喉管等重量由爐殼支承。2）爐襯高爐爐襯由耐火磚砌筑而成，由于各部分內(nèi)襯工作條件不同，采用的耐火磚材質(zhì)和性能也不同。如爐身中上部爐襯主要考慮耐磨，爐身下部和爐腰主要考慮抗熱

10、震破壞和堿金屬的侵蝕爐腹主要考慮高FeO 的初渣侵蝕，爐缸、爐底主要考慮抗鐵水機(jī)械沖刷和耐火磚的差熱膨脹。目前，大型高爐上部以碳化硅和優(yōu)質(zhì)硅酸鹽耐火材料為主，中部以抗堿金屬能力強(qiáng)的碳化硅磚或高導(dǎo)熱的炭磚為主，高爐下部以高導(dǎo)熱的石墨質(zhì)炭磚為主，3）冷卻設(shè)備冷卻設(shè)備的作用是降低爐襯溫度，提高爐襯材料抗機(jī)械、化學(xué)和熱產(chǎn)生的侵蝕能力，使?fàn)t襯材料處于良好的服役狀態(tài)。高爐使用的冷卻設(shè)備主要有冷卻壁、冷卻板和風(fēng)口。冷卻壁緊貼著爐襯布置，冷卻面積大；而冷卻板水平插入爐襯中，對爐襯的冷卻深度大，并對爐襯有一定的支托作用。（a）冷卻壁：冷卻壁分光面冷卻壁和鑲磚冷卻壁，見圖3.8。光面冷卻壁主要用于冷卻爐缸和爐底炭

11、磚，鑲磚冷卻壁主要用于冷卻爐腹、爐腰、爐身各部位的爐襯。冷卻壁基體可用高韌性球墨鑄鐵、鑄鋼或純銅澆鑄而成，內(nèi)部水冷管為低碳鋼管。鑲磚冷卻壁在基體的磚槽內(nèi)再砌入耐火磚，鑲磚也可用散狀耐火材料搗打成型。（b）冷卻板冷卻板用純銅制造，冷卻板安裝時水平插入爐襯磚層中，對爐襯具有一定支托作用。（c）風(fēng)口風(fēng)口是鼓風(fēng)進(jìn)入爐缸的入口。風(fēng)口裝置有大套、二套和小套組成，見圖。一般將風(fēng)口小套簡稱風(fēng)口。風(fēng)口由純銅制造，其結(jié)構(gòu)見圖。風(fēng)口區(qū)域是高爐溫度最高的區(qū)域，鼓風(fēng)溫度本身高達(dá)11001300，為了保證風(fēng)口得到良好冷卻，風(fēng)口環(huán)流水道內(nèi)流速達(dá)到814m/s。4）送風(fēng)裝置送風(fēng)裝置包括熱風(fēng)圍管、支管、直吹管、風(fēng)口大套、風(fēng)口二

12、套和小套。熱風(fēng)圍管與連接熱風(fēng)爐的熱風(fēng)總管相連，在熱風(fēng)圍管上均勻分布著數(shù)十套送風(fēng)支管，直吹管將送風(fēng)支管和風(fēng)口小套緊密連接在一起。1.3.2 爐頂裝料設(shè)備爐頂裝料設(shè)備的任務(wù)是將鐵礦石和焦炭按冶煉工藝要求有規(guī)律地從爐頂裝入高爐。目前，大多數(shù)中小型高爐使用如圖3.14 所示的雙鐘爐頂裝料設(shè)備。大型和超大型高爐使用的無料鐘爐頂裝料設(shè)備。（1）雙鐘爐頂裝料設(shè)備：料車將鐵礦石或焦炭通過斜橋拉到爐頂，倒入旋轉(zhuǎn)布料器內(nèi)。當(dāng)打開小料鐘時，爐料落入大料斗內(nèi)，然后開大鐘均壓閥向大料斗充壓，使大料鐘上下壓力一致。當(dāng)探料尺下降到規(guī)定料線高度時，提起探料尺，打開大料鐘，將爐料布入爐內(nèi)。在下一次打開小料鐘時，需要將大料斗內(nèi)的

13、壓力通過均壓放散閥放散。（2）無料鐘爐頂裝料設(shè)備：無料鐘爐頂分并罐和串罐兩種方式。目前，武鋼股份公司高爐主要采用并罐無料鐘爐頂，而寶鋼股份公司等煉鐵廠高爐主要采用串罐無料鐘爐頂裝料設(shè)備。以串罐無料鐘爐頂為例，爐料通過上料皮帶機(jī)將鐵礦石或焦炭分批裝進(jìn)上罐，裝料過程中上罐旋轉(zhuǎn)以消除集中堆尖。當(dāng)接到下罐裝料信號時，開上密封閥，開擋料閘閥，上罐內(nèi)的鐵礦石（或焦炭）卸入下罐。關(guān)上密封閥后對下罐充煤氣均壓，使下密封閥上下壓力一致后打開下密封閥。當(dāng)接到向高爐布料信號后，啟動溜槽旋轉(zhuǎn)，同時打開節(jié)流閥放料，鐵礦石（或焦炭）通過中心喉管和旋轉(zhuǎn)溜槽將鐵礦石（或焦炭）布入爐內(nèi)。一般每批爐料設(shè)定十幾個傾角擋位，旋轉(zhuǎn)溜槽

14、的傾角可以按預(yù)定的擋位調(diào)整，保證將爐料布到指定位置。1.3.3 熱風(fēng)爐對現(xiàn)代高爐煉鐵來說，熱風(fēng)爐是高爐本體以外最重要的設(shè)備之一。熱風(fēng)爐肩負(fù)著向高爐連續(xù)不斷地輸送溫度高達(dá)11001300的熱風(fēng)。對每一座熱風(fēng)爐來說，它本身是燃燒和送風(fēng)交替工作，因此，每座高爐必須配備34 座熱風(fēng)爐同時工作才能滿足高爐生產(chǎn)要求。1）熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)型式分類，蓄熱式熱風(fēng)爐有內(nèi)燃式、外燃式和頂燃式（包括球式熱風(fēng)爐）三類，蓄熱式熱風(fēng)爐由燃燒室、蓄熱室和拱頂三部分組成。燃燒室是煤氣燃燒產(chǎn)生熱量的空間；蓄熱室內(nèi)填充有耐火材料做成的格子磚，用來儲存煤氣燃燒產(chǎn)生的大量熱量。2）蓄熱式熱風(fēng)爐工作過程蓄熱式熱風(fēng)爐工作過程由燃燒期、換爐

15、和送風(fēng)期組成。（1）燃燒期：將煤氣和助燃空氣通過陶瓷燃燒器混合后在燃燒室內(nèi)燃燒產(chǎn)生大量熱量，高溫?zé)煔庠谕ㄟ^蓄熱室格子磚時將熱量儲存在格子磚中。當(dāng)拱頂溫度和煙道廢氣溫度達(dá)到規(guī)定值（比如分別達(dá)到1450和250）時，燃燒期結(jié)束，轉(zhuǎn)為送風(fēng)期。（2）換爐：關(guān)閉各燃燒閥和煙道閥，打開冷風(fēng)閥和熱風(fēng)閥，完成從燃燒期向送風(fēng)期過度。（3）送風(fēng)期：冷風(fēng)從蓄熱室下部進(jìn)入，并向上流動通過蓄熱室格子轉(zhuǎn)，格子轉(zhuǎn)放出儲存的熱量將冷風(fēng)加熱，冷風(fēng)變?yōu)闊犸L(fēng)從熱風(fēng)出口流出，通過熱風(fēng)總管送往高爐。當(dāng)拱頂溫度下降到規(guī)定值時，送風(fēng)期結(jié)束。1.3.4 噴煤設(shè)備在世界范圍內(nèi)，優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源十分稀缺，而無煙煤、非結(jié)焦煙煤和褐煤資源十分豐富。我

16、國煤炭資源結(jié)構(gòu)中，煉焦煤占煤炭總儲量的27%左右，優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源不足煤炭總儲量的6%。高爐噴吹煤粉代替部分焦炭，一方面可以合理利用煤炭資源，另一方面降低了高爐生產(chǎn)成本。因此，高爐噴煤是現(xiàn)代高爐煉鐵不可缺少的重要環(huán)節(jié)。大型、超大型高爐的磨煤、噴吹車間設(shè)在熱風(fēng)爐附近，每座高爐的磨煤噴吹設(shè)備自成一體，其工藝流程如圖所示。原煤經(jīng)中速磨干燥細(xì)磨后，通過氣力輸送到煤粉倉，再倒入噴吹罐，然后通過混合器將煤粉輸送到高爐爐前的煤粉分配器。每個高爐設(shè)2 個分配器，其中一個分配器給高爐單號風(fēng)口輸送煤粉，另一個分配器向高爐雙號風(fēng)口輸送煤粉。1.3.5 除塵設(shè)備從爐頂排出的煤氣是一種高壓（0.200.25MPa）荒煤氣

17、，含塵量達(dá)到1020g/Nm3。在作為二次能源利用之前，必須將含塵量降低到10mg/Nm3 以下。高爐煤氣通過上升管和下降管，首先進(jìn)入重力除塵器去除大顆?；覊m（俗稱瓦斯灰），然后再進(jìn)行精除塵。精除塵有濕法除塵和干法除塵兩種流程。1）濕法除塵大型和超大型高爐爐頂煤氣壓力高達(dá)0.20.25MPa，通常采用雙文氏管串聯(lián)除塵工藝。通過一級文氏管后，煤氣含塵量可降低到50mg/Nm3 以下，這時的煤氣稱為半凈煤氣。二級文氏管在進(jìn)一步將灰塵降低到510 mg/Nm3 的同時，通過兩層塑料環(huán)填料層對凈煤氣進(jìn)行脫水（脫除機(jī)械水）2）干法除塵干法除塵分為靜電除塵和布袋除塵。在大型高爐上主要采用靜電除塵，圖為武鋼

18、 5 號高爐干法電除塵工藝流程。該設(shè)備主要由蓄熱緩沖器和臥式圓筒形電除塵器組成。蓄熱緩沖器為格子磚蓄熱體，其作用是減緩高爐煤氣溫度變化幅度和升溫速度。臥式圓筒形電除塵器有三段電場、C 形集塵電極板（陽極）、芒刺形放電極（陰極）、軸回轉(zhuǎn)式集塵電極捶打裝置，以及旋轉(zhuǎn)式刮灰器和螺旋輸送排灰機(jī)等組成。電除塵器工作原理是在陰陽兩極間施加6 萬伏特直流電壓，形成一個足以使氣體電離的電場。在該電場內(nèi)煤氣發(fā)生電離產(chǎn)生大量陰離子，帶陰離子的氣體一部分聚集在灰塵上，使灰塵帶負(fù)電，而被陽極吸引，沉積在陽極上的灰塵失去電荷后便可以用振動法使灰塵顆粒流動。1.3.6 渣鐵處理大型高爐每天出鐵12 次以上，對設(shè)計(jì)4 個鐵

19、口的超大型高爐，通按用對角線出鐵的原則操作，即按1、3、2、4 號鐵口順序開鐵口。高爐始終有一個鐵口在出鐵。鐵口打開后，鐵水和熔渣從鐵口流入主溝，通過撇渣器使渣鐵分離，鐵水經(jīng)擺動溜嘴流入鐵水罐內(nèi)，渣子則經(jīng)渣溝流入水渣處理系統(tǒng)。圖3.25 為武鋼5 號高爐出鐵場平面布置，圖3.26 為INBA 法水渣處理系統(tǒng)。熔渣被高壓水沖成水渣后，經(jīng)脫水轉(zhuǎn)鼓脫水，由皮帶運(yùn)輸機(jī)送往轉(zhuǎn)運(yùn)站，再用汽車?yán)?。?dāng)水渣處理系統(tǒng)檢修時，將熔渣臨時放入備用干渣坑。1.4 高爐冶煉原理1.4.1 爐料在爐內(nèi)的分布狀態(tài)礦石和焦碳分批裝入爐內(nèi)，因此，礦石與焦炭在高爐內(nèi)呈有規(guī)律的分層分布。鼓風(fēng)在風(fēng)口區(qū)域與焦炭和煤粉燃燒產(chǎn)生高溫煤氣，

20、高溫煤氣在向高爐上部流動過程中將氧化鐵還原成金屬鐵，使鐵礦石實(shí)現(xiàn)FeO 分離；煤氣攜帶的熱量將鐵和渣熔化并過熱，實(shí)現(xiàn)鐵與渣的分離。在這一過程中，高爐內(nèi)部形成如圖3.27 所示的爐料分布狀態(tài)。（1）塊狀帶：t<11001200，礦石和焦炭呈有規(guī)律的分層分布；（2）軟融帶：礦石在高溫下開始軟化熔融（12001400），焦炭仍然呈固態(tài)。軟融帶上緣礦石開始軟化收縮（11501200）；軟融帶下緣渣鐵開始熔融滴落（1400左右）。軟融帶結(jié)構(gòu)：由熔融狀的礦石層和固態(tài)的焦炭層組成。從爐缸上升的煤氣透過“焦窗”進(jìn)入塊狀區(qū)。（3）滴落帶：由焦炭和不斷向下滴落的液態(tài)渣鐵組成，焦炭起到支撐料柱的作用。整個滴落

21、帶包括活性焦炭區(qū)和呆滯區(qū)。（4）風(fēng)口回旋區(qū)：溫度為11001300的鼓風(fēng)從爐缸周圍的風(fēng)口以100200m/s 風(fēng)速吹入爐缸，在鼓風(fēng)動能作用下，風(fēng)口前端形成一個回旋區(qū)向爐缸中心延伸，在回旋區(qū)內(nèi)，焦炭燃燒產(chǎn)生大量熱量和氣體還原劑CO，同時產(chǎn)生空間使?fàn)t料下降。風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)燃燒掉的焦炭主要由活性焦炭區(qū)補(bǔ)充，也使活性焦炭區(qū)變得比較松動。（5）死料柱：風(fēng)口回旋區(qū)以下填充在爐缸內(nèi)的焦炭，由于很少更新，固稱為死料柱。在上部料柱和鼓風(fēng)壓力作用下，死料柱浸漬在渣鐵液中，甚至直接接觸爐底炭磚。1.4.2 爐缸燃燒反應(yīng)爐缸燃燒反應(yīng)發(fā)生在風(fēng)口回旋區(qū)。由熱風(fēng)爐送至高爐的鼓風(fēng)經(jīng)熱風(fēng)圍管、送風(fēng)支管和直吹管均勻分送到爐缸四周的

22、每個風(fēng)口。鼓風(fēng)以100200m/s 的速度從風(fēng)口吹入充滿焦炭的爐缸區(qū)域，在風(fēng)口前形成一個近似球形的燃燒空間，稱風(fēng)口回旋區(qū)。在風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)，氣流夾帶著焦炭以420m/s 的速度作回旋運(yùn)動，并發(fā)生劇烈的燃燒反應(yīng)。焦炭在風(fēng)口前燃燒：（1）產(chǎn)生大量熱量和氣體還原劑；（2）騰出空間，使?fàn)t料下降。1）風(fēng)口前碳素的燃燒反應(yīng)焦炭和煤粉中的碳與鼓風(fēng)中的氧燃燒產(chǎn)生CO2，同時放出33356 kJ / kgC的熱量。在高溫下CO2繼續(xù)與碳反應(yīng)產(chǎn)生CO，同時吸收13794 kJ / kgC熱量。因此，實(shí)際在爐缸內(nèi)發(fā)生的燃燒反應(yīng)為：若忽略鼓風(fēng)中的水分，這時爐缸煤氣成分由34.7%CO 和65.3%N2 組成。實(shí)際生產(chǎn)時

23、，鼓風(fēng)中始終含有一定量的水分，因此，爐缸中還會發(fā)生如下燃燒反應(yīng)：當(dāng)高爐噴吹煤粉時，煤粉揮發(fā)份中的H2 進(jìn)入到爐缸煤氣中，將提高爐缸煤氣中的H2含量。2）燃燒帶對高爐冶煉的影響所謂燃燒帶是包括風(fēng)口回旋區(qū)及其外圍100200mm 的焦炭疏松層（稱中間層）。實(shí)踐中常以CO2 降至12%的位置定為燃燒帶界限。大型高爐的燃燒帶長度在100015000mm 左右。（1）燃燒帶是爐內(nèi)焦炭燃燒的主要場所，而焦炭燃燒所騰出來的空間是促使?fàn)t料下降的主要因素。生產(chǎn)中高爐的燃燒帶上方總是比其它地方松動，且下料快（稱焦炭松動區(qū)或活性焦炭區(qū)），燃燒帶內(nèi)燃燒的焦炭的80%來自風(fēng)口上方。因此，當(dāng)燃燒帶投影（見圖3.30）面積

24、占整個爐缸截面積的比例大時，爐缸活躍面積大，料柱比較松動，有利于高爐順行。（2）燃燒帶是爐缸煤氣的發(fā)源地，燃燒帶的大小影響煤氣流的初始分布。燃燒帶伸向中心，則中心氣流發(fā)展，爐缸中心溫度升高；相反，燃燒帶小，邊緣氣流發(fā)展，中心溫度較低，對各種反應(yīng)進(jìn)行不利。爐缸中心不活躍和熱量不足，對高爐順行極為不利。1.4.3 高爐內(nèi)鐵氧化物的還原反應(yīng)高爐冶煉的主要目的是從鐵氧化物中還原出金屬鐵，它是高爐冶煉最基本的化學(xué)反應(yīng)。除鐵以外，高爐冶煉也能將少量的硅、錳、磷還原出來，并溶解在鐵水中。高爐冶煉的還原劑有固體還原劑焦炭，以及氣體還原劑CO 和H2，后者來自風(fēng)口回旋區(qū)的燃燒反應(yīng)。在爐料中，鐵的氧化物有三種存在

25、形式：Fe2O3、Fe3O4 和FeO，其中FeO 在溫度低于570時會分解成-Fe 和Fe3O4。也就是說FeO 只有在溫度高于570的區(qū)域才能穩(wěn)定存在。因此，鐵的還原順序?yàn)椋簍 >570 Fe2O3Fe3O4FeOFet <570 Fe2O3Fe3O4Fe1）用CO 作還原劑還原鐵氧化物間接還原反應(yīng)t <570的區(qū)域，發(fā)生如下還原反應(yīng)：3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 G0= 52124.6 41T J /mol （3.13）1/4Fe3O4 + CO = 3/4Fe + CO2 G0= 9823 + 8.57T J /mol （3.14）t >

26、570的區(qū)域，發(fā)生如下還原反應(yīng)：3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 G0= 52124.6 41T J /mol （3.15）20Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 G0=35371.16 40.25T J /mol （3.16）FeO + CO = Fe + CO2 G0= 22781 24.24T J /mol （3.17）除還原反應(yīng)（3.16）為吸熱反應(yīng)外，其它間接還原反應(yīng)均為放熱反應(yīng)。間接還原反應(yīng)為可逆反應(yīng)，煤氣中必須有過量的CO 才能保證氧化鐵的還原反應(yīng)正常進(jìn)行下去。由還原氧化鐵平衡相圖可知，當(dāng)還原溫度為900時，煤氣中CO30%才能將Fe3O4 還原成

27、FeO；當(dāng)煤氣中CO70%時才能將FeO 還原成金屬鐵。2）用H2 作還原劑還原氧化鐵H2 還原氧化鐵的反應(yīng)為可逆反應(yīng)，。t >810時H2 還原氧化鐵的能力大于CO；t <810時CO 還原氧化鐵的能力大于H2。當(dāng)高爐噴吹煤粉，特別是噴吹煙煤時，爐缸煤氣中H2 的含量可達(dá)到48%。1.4.4 高爐內(nèi)非鐵元素的還原反應(yīng)高爐內(nèi)非鐵元素的還原，主要包括Si、Mn、P 等的還原。由于SiO2、MnO、P2O5 都比FeO 難還原，因此，它們都是在高爐下部高溫區(qū)，主要是在滴落帶熔化成液態(tài)渣子后被焦炭中的碳還原出來，并溶解進(jìn)入鐵水中。非鐵元素的還原都是強(qiáng)吸熱的直接還原反應(yīng)。鐵礦石中的磷可被1

28、00%還原進(jìn)入鐵水中，因此，必須嚴(yán)格控制鐵礦石的磷含量。鐵礦石中的錳，有4060%可被還原進(jìn)入鐵水中。一般鐵礦石中P2O5 和MnO 的含量并不高，因此，磷和錳的直接還原對高爐燃料比的影響并不大。但鐵礦石中含有大量的SiO2，硅的還原對爐缸鐵水溫度和燃料比影響很大。爐缸溫度越高，越有利于硅的還原，鐵水中硅含量就越高。目前，高爐冶煉煉鋼生鐵時的硅含量一般均控制在0.40.6%左右，低硅生鐵冶煉時可控制到0.20.3%左右。1.4.5 爐渣和生鐵的形成2FeOSiO2 的熔點(diǎn)為1205，2FeOSiO2 與SiO2 和Fe3O4 形成的多元系低共熔點(diǎn)分別為1178和1142。因此，當(dāng)爐料下降到12

29、00左右的區(qū)域時，鐵礦石開始軟化熔融，這也就是軟融帶開始形成；當(dāng)爐料下降到1400左右的區(qū)域時，渣子已具有良好的流動性，開始向下滴落，形成含F(xiàn)eO 較高的初渣。初渣流經(jīng)充滿焦炭的滴落帶，F(xiàn)eO 逐漸被還原，同時吸收焦炭和煤粉燃燒生產(chǎn)的灰份，最終進(jìn)入爐缸，形成終渣。純鐵的熔點(diǎn)1538。在塊狀帶，鐵礦石中的氧化鐵通過間接還原和直接還原反應(yīng)逐漸被還原成海綿鐵。CO 在海綿鐵氣孔內(nèi)壁吸附，被新生態(tài)的金屬鐵催化分解出煙炭，這種煙炭可使海綿鐵滲碳，使金屬鐵的熔點(diǎn)下降。當(dāng)爐料下降到12001400左右的軟融帶區(qū)域時，海綿鐵中的渣子開始軟化熔融，與金屬鐵分離。這一過程增加了金屬鐵被焦炭直接滲碳的機(jī)會。在滴落帶，液態(tài)的金屬鐵流經(jīng)焦炭填充層時大量滲碳，直至碳達(dá)到飽和，形成熔點(diǎn)11501250左右的生鐵。1.4.6 鐵水脫硫硫在一般結(jié)構(gòu)鋼中是有害元素。鋼液凝固時S 在枝晶間偏析，在-Fe 晶界上富集，形成熔點(diǎn)1190的FeS，F(xiàn)eS 與Fe 的共晶點(diǎn)只有988，熱軋時在晶界上產(chǎn)生熱裂現(xiàn)象，造成內(nèi)部裂紋。煉鋼時在鋼中加入錳，凝固時以MnS 形式析出。MnS 熔點(diǎn)高于1600，熱軋后延伸成長條狀，造成鋼材各向異性。高爐中鐵水脫硫反應(yīng)如下：(CaO) + FeS + C = (CaS) + Fe + CO