高爐煉鐵工藝優(yōu)秀完整課件

1、高爐煉鐵工藝第1頁(yè)，共73頁(yè)。煉鐵高爐煉鐵非高爐煉鐵渣鐵處理系統(tǒng)煤氣除塵系統(tǒng)噴吹系統(tǒng)高爐礦石 焦炭煤空氣爐渣 鐵水爐塵凈煤氣風(fēng)機(jī)熱風(fēng)爐高爐及其附屬系統(tǒng)供料系統(tǒng)送風(fēng)系統(tǒng) 3.1 概述第2頁(yè)，共73頁(yè)。魚(yú)雷車(chē)lumpore主輸送帶鼓風(fēng)機(jī)熱風(fēng)爐除塵器洗滌器煙囪配料間爐頂回收電BFG儲(chǔ)槽冷空氣熱風(fēng)混合氣調(diào)濕系統(tǒng)廢氣鼓風(fēng)嘴出鐵口無(wú)鐘罩式爐頂高爐sintercokeflux高爐作業(yè)流程第3頁(yè)，共73頁(yè)。3.1.1 高爐冶煉過(guò)程及其特點(diǎn)高爐煉鐵的本質(zhì)是鐵的還原過(guò)程，即焦炭做燃料和還原劑，在高溫下將鐵礦石或含鐵原料的鐵，從氧化物或礦物狀態(tài)（如Fe2O3、Fe3O4、Fe2SiO4、Fe3O4TiO2等）還原為

2、液態(tài)生鐵。冶煉過(guò)程中，爐料（礦石、熔劑、焦炭）按照確定的比例通過(guò)裝料設(shè)備分批地從爐頂裝入爐內(nèi)。從下部風(fēng)口鼓入的高溫?zé)犸L(fēng)與焦炭發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的高溫還原性煤氣上升，并使?fàn)t料加熱、還原、熔化、造渣，產(chǎn)生一系列的物理化學(xué)變化，最后生成液態(tài)渣、鐵聚集于爐缸，周期地從高爐排出。上升過(guò)程中，煤氣流溫度不斷降低，成分逐漸變化，最后形成高爐煤氣從爐頂排出。第4頁(yè)，共73頁(yè)。第5頁(yè)，共73頁(yè)。第6頁(yè)，共73頁(yè)。第7頁(yè)，共73頁(yè)。第8頁(yè)，共73頁(yè)。 高爐冶煉特點(diǎn) (1)高爐冶煉是在爐料與煤氣流逆向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中完成各種錯(cuò)綜復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和物理變化的，爐內(nèi)主要是還原性氣氛。 (2)高爐是密閉的容器，除裝料、出鐵、出渣及煤

3、氣外，操作人員無(wú)法直接觀察到反應(yīng)過(guò)程的狀況。只能憑借儀器儀表間接觀察爐內(nèi)狀況。 (3)高爐是連續(xù)的、大規(guī)模的高溫生產(chǎn)過(guò)程，機(jī)械化和自動(dòng)化水平較高。第9頁(yè)，共73頁(yè)。3.1.2 高爐煉鐵的原料和產(chǎn)品高爐冶煉的主要原料是鐵礦石、燃料、鼓風(fēng)。高爐冶煉的主要產(chǎn)品是生鐵、高爐渣和高爐煤氣。高爐渣和高爐煤氣為副產(chǎn)品。 生鐵生鐵可分為煉鋼生鐵、鑄造生鐵。煉鋼生鐵供轉(zhuǎn)爐、電爐煉鋼使用。鑄造生鐵則主要用于生產(chǎn)耐壓鑄件。生鐵是Fe與C及其它一些元素的合金。通常，生鐵含F(xiàn)e 94%左右，C 4%左右。其余為Si、Mn、P、S等少量元素。第10頁(yè)，共73頁(yè)。一般來(lái)說(shuō)，生鐵和鋼的化學(xué)成分主要差別是含碳量。鋼中含碳量最高

4、不超過(guò)2.11%。高爐生鐵含碳量在2.54.5%范圍，鑄鐵中不超過(guò)5.0%（此時(shí)Fe3C含量約占75%，當(dāng)鑄鐵中Fe3C達(dá)100%時(shí)，其含碳量為6.67%）。當(dāng)鑄鐵中C5.0%時(shí)，鑄鐵甚脆，沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。而含碳量在1.62.5%之間的鋼鐵材料，由于缺乏實(shí)用性，一般不進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)。第11頁(yè)，共73頁(yè)。煉鋼生鐵作為轉(zhuǎn)爐熱裝煉鋼的原料，約占生鐵產(chǎn)量的8090%。鑄造生鐵，又稱(chēng)為翻砂鐵或灰口鐵，用于鑄件生產(chǎn)。其主要特點(diǎn)是含硅較高，在1.254.25%之間。硅在生鐵中能促進(jìn)石墨化，即使化合碳游離成石墨碳，增強(qiáng)鑄件的韌性和耐沖擊性并易于切削加工。鑄造生鐵約占生鐵產(chǎn)量的10%左右。高爐還可生產(chǎn)特殊生鐵，如錳

5、鐵、硅鐵、鏡鐵（含1025%Mn）、硅鏡鐵（含913%Si，1824%Mn）等，主要用作煉鋼脫氧劑和合金化劑。第12頁(yè)，共73頁(yè)。此外，生鐵中還可能含有部分微量元素。生鐵中微量元素含量常以T為指標(biāo)：T= Pb +Sn +Sb +As +Ti +V +Cr +Zn含微量元素很低的“高純生鐵”T0.1%。國(guó)內(nèi)外適宜生產(chǎn)高純生鐵的礦源稀少。我國(guó)本鋼生鐵素有“人參鐵”之稱(chēng)。它除P、S極低外，微量元素亦很低。其T0.08%，屬?lài)?guó)際高純生鐵范疇。第13頁(yè)，共73頁(yè)。 高爐渣由于冶煉礦石品位、焦比及焦炭灰分的不同，我國(guó)大中型高爐的單位生鐵渣量在0.30.5t之間。高爐渣主要成分是Ca、Mg、Si、Al的氧化

6、物，其工業(yè)用途廣泛。如在爐前急冷粒化成水渣，作成水泥和建筑材料；酸性渣還可在爐前用蒸汽吹成渣棉，作絕熱材料。冶煉多元素共生的復(fù)合礦時(shí)，爐渣中常富集有多種元素（如稀土、鈦等）。這類(lèi)爐渣可進(jìn)一步利用。 第14頁(yè)，共73頁(yè)。 高爐煤氣冶煉每噸生鐵可產(chǎn)生16003000m3的高爐煤氣，其中含有約20%25%的CO，13%的H2，還有少量甲烷（CH4）等可燃?xì)怏w。從高爐排出的煤氣中含有大量的爐料粉塵，經(jīng)過(guò)除塵處理可使含塵量降到1020mg/m3。除塵處理后的高爐煤氣發(fā)熱值約為33503770kJ/m3，是良好的氣體燃料。但高爐冶煉產(chǎn)生的煤氣量、成分及發(fā)熱值與高爐操作參數(shù)及產(chǎn)品種類(lèi)有關(guān)。如高爐冶煉鐵合金時(shí)

7、煤氣中幾乎沒(méi)有CO2。高爐煤氣是鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的重要二次能源，主要用作熱風(fēng)爐燃料，還可供動(dòng)力、煉焦、燒結(jié)、煉鋼、軋鋼等部門(mén)使用。第15頁(yè)，共73頁(yè)。3.1.3 高爐生產(chǎn)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 高爐生產(chǎn)的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效果可用如下技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來(lái)衡量： 有效容積利用系數(shù)()是指每立方米高爐有效容積、每晝夜生產(chǎn)的合格生鐵量。式中：P生鐵日產(chǎn)量；V高爐有效容積，m3 第16頁(yè)，共73頁(yè)。 焦比（K） 是生產(chǎn)1噸生鐵所消耗的干焦炭重量。顯然，焦比愈低愈好。 式中：Q每日消耗焦炭量，kg/d。在噴吹燃料時(shí)，高爐的的能耗情況用燃料比（K燃）表示，即每噸生鐵耗用各種入爐燃料之總和。 K燃（焦炭+煤粉+重油+）kg/t

8、第17頁(yè)，共73頁(yè)。噴吹燃料按對(duì)置換比折算為相應(yīng)的干焦（K）與實(shí)際耗用的焦炭量（焦比K）之和稱(chēng)為綜合焦比（K綜）。 K綜（K + K）kg/t 冶煉強(qiáng)度（I） 每m3高爐有效容積每天消耗焦炭的重量。第18頁(yè)，共73頁(yè)。利用系數(shù)、焦比和冶煉強(qiáng)度三者之間的關(guān)系為： 生鐵合格率 合格生鐵量占高爐總產(chǎn)量的百分?jǐn)?shù)。此外，優(yōu)質(zhì)生鐵占生鐵總量的百分?jǐn)?shù)稱(chēng)為優(yōu)質(zhì)率。合格率和優(yōu)質(zhì)率都是生鐵質(zhì)量指標(biāo)。對(duì)生鐵質(zhì)量的考查主要看其化學(xué)成分（如S和Si）是否符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 休風(fēng)率 高爐休風(fēng)時(shí)間占規(guī)定作業(yè)時(shí)間的百分?jǐn)?shù)。第19頁(yè)，共73頁(yè)。 生鐵成本 生產(chǎn)1噸生鐵所需的費(fèi)用。 高爐一代壽命（爐齡） 從高爐點(diǎn)火開(kāi)爐到停爐大修之間

9、的歷程，或高爐相鄰兩次大修之間的冶煉時(shí)間叫做高爐一代壽命。第20頁(yè)，共73頁(yè)。3.2高爐冶煉原理3.2.1 高爐內(nèi)各區(qū)域進(jìn)行的主要反應(yīng)為了弄清高爐內(nèi)各部分的反應(yīng)及變化規(guī)律，人們?cè)啻螌?duì)正在運(yùn)行中的高爐突然停爐，并用水或氮?dú)膺M(jìn)行急冷，使?fàn)t內(nèi)物料保持生產(chǎn)時(shí)的原狀，然后對(duì)其解剖分析，以揭示高爐內(nèi)部的奧秘。大量解剖研究表明，爐料常降過(guò)程分布是呈層狀的，直至下部熔化區(qū)域，但爐料中焦炭在燃燒前始終處于固體狀態(tài)而不軟化熔化。由下圖可知，高爐冶煉過(guò)程大致可分為塊狀、軟熔、滴落、焦炭回旋和爐缸五帶。第21頁(yè)，共73頁(yè)。高爐冶煉過(guò)程中爐內(nèi)爐料下降過(guò)程狀態(tài)的變化第22頁(yè)，共73頁(yè)。高爐內(nèi)各區(qū)域主要反應(yīng)及特征第23頁(yè)

10、，共73頁(yè)。3.2.2燃燒反應(yīng)高爐內(nèi)然料燃燒的意義高爐冶煉的燃料主要是焦炭，焦炭所含的碳素。除少數(shù)消耗于直接還原和溶入生鐵外，絕大部分下降至風(fēng)口與熱風(fēng)中的氧進(jìn)行燃燒反應(yīng)。從風(fēng)口噴吹的燃料也在風(fēng)口前燃燒。燃料燃燒放出大量的熱，并產(chǎn)生高溫還原性氣體(CO,H2)，保證了爐料的加熱、分解、還原、熔化、造渣等爐缸內(nèi)渣鐵反應(yīng)的進(jìn)行。第24頁(yè)，共73頁(yè)。高爐冶煉的主要燃料焦炭中的碳除小部分在下降過(guò)程中參加直接還原和滲人生鐵外，約70%進(jìn)行燃燒反應(yīng)。此外還有從風(fēng)口噴入的燃料(重油、天然氣、煤粉)中的碳等均在風(fēng)口前發(fā)生燃燒反應(yīng)。 完全燃燒： 不完全然燒：高爐內(nèi)燃燒反應(yīng)在焦炭過(guò)剩條件下進(jìn)行，即使在氧充足處產(chǎn)生的

11、CO2也會(huì)與固體碳進(jìn)行氣化反應(yīng)，如下式： 熱風(fēng)帶入的氮在整個(gè)過(guò)程中不參與反應(yīng)、帶入的水分在高溫下與碳發(fā)生反應(yīng)：第25頁(yè)，共73頁(yè)。 理論燃燒溫度 理論燃燒溫度，即風(fēng)口前焦炭燃燒所能達(dá)到的最高平均溫度，也即爐缸煤氣尚未與爐料參與熱交換前的原始溫度。 理論燃燒溫度是高爐操作中重要的參考指標(biāo)。通常為提高理論燃燒溫度可采取的主要措施，包括： (1)提高鼓風(fēng)溫度； (2)提高鼓風(fēng)中氧氣含量； (3)降低鼓風(fēng)濕度； (4)減少?lài)姶盗浚?(5)減少爐缸煤氣體積。第26頁(yè)，共73頁(yè)。隨著高爐冶煉強(qiáng)度的提高和風(fēng)速增大(I00200 m/s) 焦炭在風(fēng)口前隨氣流一起運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)非靜止的、疏散的、近似球形的自由空

12、間，稱(chēng)為風(fēng)口回旋區(qū)?；匦齾^(qū)和燃燒帶風(fēng)口回旋區(qū)示意圖第27頁(yè)，共73頁(yè)。在回旋區(qū)外圍有一層厚100300 mm的中間層，此層焦炭既受高速煤氣流的沖擊作用，又受阻于外圍包裹的緊密焦炭，比較疏松，但又不能和煤氣流一起運(yùn)動(dòng)?；匦齾^(qū)和中間層組成焦炭在爐缸內(nèi)進(jìn)行碳燃燒反應(yīng)的區(qū)域稱(chēng)為燃燒帶。爐缸截面上燃燒帶的分布第28頁(yè)，共73頁(yè)。影響燃燒帶大小的因素主要有： 鼓風(fēng)動(dòng)能 指鼓風(fēng)克服風(fēng)口前料層阻力向爐缸中心擴(kuò)大和穿透的能力。應(yīng)控制合理。 燃燒反應(yīng)速度 燃燒反應(yīng)速度提高，燃燒帶縮小。一般情況下，風(fēng)溫提高。燃燒反應(yīng)速度加快，燃燒反應(yīng)時(shí)間減少，燃燒帶長(zhǎng)度減小；鼓風(fēng)中氧增加，燃燒反應(yīng)速度加快，燃燒反應(yīng)時(shí)間減少，燃燒帶

13、長(zhǎng)度減小。 爐缸料柱壓力 爐缸內(nèi)料柱疏松，燃燒帶延長(zhǎng)；反之，燃燒帶縮小。 焦炭性質(zhì)焦炭粒度、氣孔度、反應(yīng)性等對(duì)燃燒帶大小也有一定的影響。第29頁(yè)，共73頁(yè)。3.2.3 爐料的蒸發(fā)、揮發(fā)和分解入爐的爐料首先受到上升煤氣流的加熱作用，進(jìn)行水分的蒸發(fā)、結(jié)晶水的分解、揮發(fā)物的揮發(fā)和碳酸鹽的分解。水分的蒸發(fā)和結(jié)晶水的分解爐料中水分存在形式以吸附水和結(jié)晶水兩種形式。吸附水加熱到105時(shí)迅速干燥和蒸發(fā)。吸附水的蒸發(fā)吸熱使煤氣體積縮小，煤氣流速降低，減少了爐塵的吹出量，同時(shí)對(duì)爐頂裝料設(shè)備和爐頂設(shè)備維護(hù)帶來(lái)好處。結(jié)晶水也稱(chēng)化合水，一般存在于褐鐵礦(nH2OFe2O3)和高嶺土(Al2O32 SiO22 H2O)

14、中隨著溫度升高到400600,結(jié)晶水在爐內(nèi)大量分解。第30頁(yè)，共73頁(yè)。 揮發(fā)物的揮發(fā) 揮發(fā)物的揮發(fā)包括燃料中揮發(fā)物的揮發(fā)和高爐內(nèi)其他物質(zhì)的揮發(fā)，對(duì)于煤氣成分和冶煉過(guò)程影響不大，但在高爐噴吹條件下，引起爐缸煤氣成分的明顯變化，對(duì)還原也有影響。所以應(yīng)盡可能把燃料中的揮發(fā)物控制在下限水平。 除燃料中的揮發(fā)物外，還有一些化合物和元素進(jìn)行揮發(fā)或循環(huán)富集，包括： (1)還原產(chǎn)物:S,P,As,K,Na,Zn,Pb,Mn等； (2)還原中間產(chǎn)物：SiO, PbO, K2O,Na2O等； (3)高爐內(nèi)新生化合物：SiS,CS等。 另外爐料帶入的CaF2等元素和化合物的揮發(fā)也會(huì)對(duì)高爐爐況和爐襯產(chǎn)生影響。第31

15、頁(yè)，共73頁(yè)。碳酸鹽的分解高爐內(nèi)碳酸鹽主要以CaCO3 , MgCO3 、FeCO3, MnCO3等形式存在，并以熔劑中的CaCO3為主。石灰石分解后，大致有50%以上CO2參加反應(yīng)，此反應(yīng)的發(fā)生對(duì)于高爐冶煉將產(chǎn)生一定的危害；反應(yīng)耗熱，反應(yīng)耗碳使焦比升高，反應(yīng)產(chǎn)物CO2沖淡了還原氣氛。為減少其危害通?？刹捎萌蹌┬詿Y(jié)礦或球團(tuán)礦，不加或少加石灰石，縮小礦石粒度等措施來(lái)降低焦比。第32頁(yè)，共73頁(yè)。3.2.4 還原反應(yīng) 還原反應(yīng)是高爐內(nèi)的主要反應(yīng)，還原反應(yīng)所需要的熱量約占爐內(nèi)總熱量需求的50%左右。還原的基本原理 還原反應(yīng)的基本通式: MeO+X = Me+XO式中MeO被還原金屬氧化物; X還原

16、劑; Me還原產(chǎn)物; XO氧化產(chǎn)物。 高爐煉鐵常用的還原劑主要是CO、H2和C。第33頁(yè)，共73頁(yè)。鐵氧化物的還原 高爐內(nèi)的鐵氧化物主要有Fe2O3, Fe3O4,FeCO3, Fe2SiO4, FeS2等，但最后都是經(jīng)FeO形態(tài)被還原成金屬鐵。 鐵氧化物還原的基本反應(yīng)在低溫區(qū)和中溫區(qū), 570 t1000，用CO還原:間接還原第34頁(yè)，共73頁(yè)。 用H2還原:間接還原 間接還原反應(yīng) 除了Fe2O3Fe3O4之外，其余都為可逆反應(yīng)，并在一定溫 度下達(dá)到平衡 由于是可逆反應(yīng)，還原劑不可能被全部利用，因此需要一定的濃度 Fe2O3分解壓力較大，可以全部被CO全部還原為Fe3O4，由于反應(yīng)很容易進(jìn)行

17、對(duì)冶煉過(guò)程無(wú)影響，一般不加以討論第35頁(yè)，共73頁(yè)。 各種鐵氧化物的還原與分解順序： 3Fe2O3 2Fe3O4 6FeO 6Fe 一半以上的氧是從FeO Fe ，所以FeO的還原意義重大。 溫度小于570時(shí)還原順序?yàn)椋篎e2O3Fe3O4 Fe 溫度大于570時(shí)還原順序?yàn)椋?Fe2O3Fe3O4 FeO Fe第36頁(yè)，共73頁(yè)。 還原鐵氧化物在溫度不超過(guò)9001000的高爐中上部，鐵氧化物中的氧被煤氣中的CO和H2奪取而生成CO2和H2的反應(yīng)稱(chēng)為間接還原反應(yīng)。用CO作還原劑，存在如下反應(yīng)： 當(dāng)T570時(shí)，還原反應(yīng)分兩步當(dāng)T570時(shí)，還原反應(yīng)分三步第37頁(yè)，共73頁(yè)。 CO間接還原反應(yīng)的限度：

18、從熱力學(xué)可知，G主要是解決反應(yīng)的可能性問(wèn)題，而平衡常數(shù)K主要是解決反應(yīng)的限度問(wèn)題。對(duì)以上反應(yīng)，平衡常數(shù)的計(jì)算方法如下：第38頁(yè)，共73頁(yè)。第39頁(yè)，共73頁(yè)。 CO間接還原反應(yīng)的特點(diǎn) 由圖可看出，曲線a、c、d向上斜，曲線b向下斜，前者為放熱反應(yīng)，后者為吸熱反應(yīng)，三個(gè)放熱反應(yīng)一個(gè)吸熱反應(yīng)。 b 、 d 、 c三條曲線交于570，形成叉形圖，在此溫度下， Fe 、 FeO 和Fe3O4三固相平衡共存。曲線把圖像分為四個(gè)區(qū)域，分別表示Fe 、 FeO 、 Fe3O4和 Fe2O3穩(wěn)定存在的范圍。從而可以判斷各個(gè)區(qū)域穩(wěn)定存在的凝聚相。第40頁(yè)，共73頁(yè)。 FeO的還原具有特殊的意義，F(xiàn)eO+COFe

19、CO2反應(yīng)的平衡曲線位置最高，說(shuō)明它平衡要求的CO最多，所以FeO最難還原。例如900時(shí)，用CO60的煤氣（COCO2100）不可能將FeO還原成Fe，但完全可以將Fe3O4還原成FeO。根據(jù)煤氣在爐內(nèi)分布特點(diǎn)可知，F(xiàn)eO的還原主要產(chǎn)生在高爐的中下部，而Fe3O4還原成FeO，以及Fe2O3還原成Fe3O4主要在高爐的上部。根據(jù)高爐內(nèi)煤氣與爐料運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，高溫的CO在風(fēng)口前端上升過(guò)程中首先把FeO還原為Fe，而剩余的CO也完全可以把Fe3O4還原成FeO。因此高爐的化學(xué)能利用率很高。第41頁(yè)，共73頁(yè)。用H2作還原劑，反應(yīng)如下：當(dāng)T570時(shí)，還原反應(yīng)分兩步：當(dāng)T570時(shí)，還原反應(yīng)分三步：第42

20、頁(yè)，共73頁(yè)。第43頁(yè)，共73頁(yè)。 H2間接還原反應(yīng)的特點(diǎn) 由圖可看出，曲線1、2、3向下斜，曲線4(線未畫(huà))出向上斜，前者為吸熱反應(yīng)，后者為放熱反應(yīng)，三個(gè)吸熱反應(yīng)一個(gè)放熱反應(yīng)。 1 、 2、 3三條曲線交于570，形成叉形圖，在此溫度下， Fe 、 FeO 和Fe3O4三固相平衡共存。曲線把圖像分為四個(gè)區(qū)域，分別表示Fe 、 FeO 、 Fe3O4和 Fe2O3穩(wěn)定存在的范圍。從而可以判斷各個(gè)區(qū)域穩(wěn)定存在的凝聚相。第44頁(yè)，共73頁(yè)。H2與CO還原的氣相平衡組成圖當(dāng)溫度低于810：PH2O/PH2PCO2/PCO第45頁(yè)，共73頁(yè)。 與CO還原一樣，均屬間接還原。反應(yīng)前后氣相體積沒(méi)有變化，即

21、反應(yīng)不受壓力影響。 除Fe2O3,的還原外，F(xiàn)e3O4、FeO的還原均為可逆反應(yīng)。在一定溫度下有固定的平衡氣相成分，為了鐵的氧化物還原徹底，都需要過(guò)量的還原劑。 CO還原是三個(gè)放熱反應(yīng)一個(gè)吸熱反應(yīng)； H2的還原是三個(gè)吸熱反應(yīng)一個(gè)放熱反應(yīng)。 從熱力學(xué)因素看810 以上時(shí)H2的還原能力高于CO還原能力， 810 以下時(shí)，則相反。 據(jù)統(tǒng)計(jì)。在入爐總H2量中，約有30%50%的H2參加還原反應(yīng)并變?yōu)镠2O，而大部分H2則隨煤氣逸出護(hù)外。 如何提高H2的利用率，是改善還原強(qiáng)化冶煉的一個(gè)重要課題。實(shí)踐表明，H2在高爐下部高溫區(qū)域還原反應(yīng)激烈，為在爐內(nèi)參加還原H2量的85100，而直接代替C還原的H2約占爐

22、內(nèi)參加還原H2量的80%以上，另一少部分則代替了CO的還原。 H2與CO的還原相比有以下特點(diǎn):第46頁(yè)，共73頁(yè)。 從反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)看， H2與其反應(yīng)產(chǎn)物H2O的分子半徑均比CO與其反應(yīng)產(chǎn)物CO2的分子半徑小，因而擴(kuò)散能力強(qiáng)。以此說(shuō)明不論在低溫或高溫下，H2還原反應(yīng)速度都比CO還原反應(yīng)速度快。 在高爐冶煉條件下，H2還原鐵氧化物時(shí)，還可促進(jìn)CO和C還原反應(yīng)的加速進(jìn)行。因?yàn)镠2還原時(shí)的產(chǎn)物H2O會(huì)同CO和CO2作用放出氧。而H2又重新被還原出來(lái)。繼續(xù)參加還原反應(yīng)。如此，H2在CO和C的還原過(guò)程中，把從鐵氧化物中奪取的氧又傳給了CO或C起著中間媒介傳遞作用。第47頁(yè)，共73頁(yè)。 用碳作還原劑高爐內(nèi)用

23、碳作還原劑還原鐵氧化物生成氣相產(chǎn)物CO的反應(yīng)稱(chēng)為直接還原反應(yīng)。其反應(yīng)式為: FeO+ C= Fe+CO 礦石在軟化和熔化之前與焦炭的接觸面積很小，反應(yīng)的速度則很慢。所以直接還原反應(yīng)受到限制。在高溫區(qū)進(jìn)行的直接還原實(shí)際上是通過(guò)下述兩個(gè)步驟進(jìn)行：CO2+C=CO 這個(gè)反應(yīng)成為碳的氣化反應(yīng)，是一個(gè)強(qiáng)的吸熱反應(yīng)。第48頁(yè)，共73頁(yè)。 碳的氣化反應(yīng)不僅與溫度、壓力有關(guān)，還與焦炭的反應(yīng)性有關(guān)。據(jù)測(cè)定，一般冶金焦炭在800 時(shí)開(kāi)始?xì)饣磻?yīng)，到1100時(shí)激烈進(jìn)行。此時(shí)氣相中CO幾乎達(dá)100而CO2幾乎為零。這樣可認(rèn)為高爐內(nèi)低于800的低溫區(qū)不存在碳的氣化反應(yīng)也就不存在直接還原，故稱(chēng)間接還原區(qū)域。大于1100

24、時(shí)氣相中不存在有CO2，也可認(rèn)為不存在間接還原，所以把這區(qū)域叫直接還原區(qū)。而在8001100 的中溫區(qū)為二者還原反應(yīng)都存在的區(qū)域。第49頁(yè)，共73頁(yè)。非鐵元素的還原 高爐內(nèi)除鐵元素外還有錳、硅、磷等元素的還原。根據(jù)各氧化物分解壓大小，可知銅、砷、鈷、鎳在高爐內(nèi)幾乎全部被還原；錳、礬、硅、鈦等較難還原，只有部分進(jìn)入生鐵。 (1) 錳的還原錳一般由錳礦帶入，有的由礦石帶入，錳氧化物還原與鐵類(lèi)似，由高價(jià)向低價(jià)逐級(jí)還原。6MnO23Mn2O3 2Mn3O4 6MnO 6Mn氣體還原劑CO和H2把MnO2還原為低價(jià)Mn比較容易，但只能由直接還原方式還原為Mn，其開(kāi)始還原溫度在10002000之間，其反應(yīng)

25、如下：冶煉普通生鐵時(shí)Mn有40%60%進(jìn)入生鐵，5%10%揮發(fā)進(jìn)入煤氣，其余進(jìn)入爐渣。第50頁(yè)，共73頁(yè)。(2) 硅的還原 高爐中硅主要來(lái)源于礦石中脈石和焦炭灰分中的SiO2 或硅酸鹽,為穩(wěn)定化合物，比Fe，Mn難還原。Si只能在下部高溫區(qū)(1300)以直接還原方式進(jìn)行，且是逐級(jí)進(jìn)行的。 當(dāng)T1500時(shí)， 當(dāng)T 1500時(shí)， 第51頁(yè)，共73頁(yè)。 Si的還原是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，一般還原出1kgSi需熱量約相當(dāng)于從Fe0中還原出1kgFe所需熱量的8倍。所以生鐵中含Si量愈高，爐溫也升高，生產(chǎn)中常以生鐵含Si的高低來(lái)反應(yīng)爐溫變化。 還原出來(lái)的硅能與鐵在高溫下形成穩(wěn)定的硅化物FeSi溶解于鐵中，降低了還

26、原時(shí)的熱消耗和還原溫度，從而有利于硅的還原。在冶煉普通煉鋼生鐵是只有510%被還原進(jìn)入生鐵。我國(guó)的Si含量約在0.40.8%。第52頁(yè)，共73頁(yè)。 (3) 磷的還原 爐料中的磷主要以磷酸鈣 (CaO)3P2O5 (又稱(chēng)磷石灰)形態(tài)存在，有時(shí)也以磷酸鐵(FeO)3 P2O5 (又稱(chēng)藍(lán)鐵礦)形態(tài)存在。藍(lán)鐵礦鐵礦脫水后較容易還原，磷酸鈣是一種很穩(wěn)定的化合物，在高爐內(nèi)能與渣中SiO2作用，使P2O5游離出來(lái)。由于P2O5易揮發(fā)，與焦炭有良好的接觸條件，有利于被C還原，還原出來(lái)的P溶入鐵中生成Fe3P。第53頁(yè)，共73頁(yè)。高爐冶煉過(guò)程中磷為難還原元素且反應(yīng)吸熱量大，P在高爐內(nèi)幾乎可以100%被還原進(jìn)入生

27、鐵因此降低生鐵中含磷量的唯一途徑是控制爐料中的含磷量。 (4) 鉛、鋅、砷的還原我國(guó)的一些鐵礦石中含有鉛、鋅、砷等元素，這些元素在高爐冶煉條件下易還原。還原出來(lái)的這些元素會(huì)對(duì)生鐵質(zhì)量和高爐本身產(chǎn)生一定的影響。第54頁(yè)，共73頁(yè)。 焦炭性質(zhì)焦炭粒度、氣孔度、反應(yīng)性等對(duì)燃燒帶大小也 冶煉強(qiáng)度（I）我國(guó)本鋼生鐵素有“人參鐵”之稱(chēng)。指鼓風(fēng)克服風(fēng)口前料層阻力向爐缸中心擴(kuò)大和穿透的能爐渣的主要來(lái)源是鐵礦石中的脈石以及燃料燃燒后剩余的灰分。碳的氣化反應(yīng)不僅與溫度、壓力有關(guān)，還與焦炭的反應(yīng)性有關(guān)。冶煉每噸生鐵可產(chǎn)生16003000m3的高爐煤氣，其中含有約20%25%的CO，13%的H2，還有少量甲烷（CH4

28、）等可燃?xì)怏w。FeS2等，但最后都是經(jīng)FeO形態(tài)被還原成金屬鐵。當(dāng)溫度高于810： PH2O/PH2PCO2/PCO 燃燒反應(yīng)速度據(jù)測(cè)定，一般冶金焦炭在800 時(shí)開(kāi)始?xì)饣磻?yīng)，到1100時(shí)激烈進(jìn)行。要求高爐渣應(yīng)具有以下作用:度，也即爐缸煤氣尚未與爐料參與熱交換前的原始溫度。前隨氣流一起運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)非“穩(wěn)”是指入爐料的化學(xué)成分和物理性能要穩(wěn)定，波動(dòng)范圍要小。冶煉普通生鐵時(shí)Mn有40%60%進(jìn)入生鐵，5%10%揮發(fā)進(jìn)入V高爐有效容積，m3T= Pb +Sn +Sb +As +Ti +V +Cr +Zn對(duì)于鐵氧化物反應(yīng)，動(dòng)力學(xué)是說(shuō)明反應(yīng)是通過(guò)什么步驟進(jìn)行(反應(yīng)機(jī)理)，以及反應(yīng)速度和反應(yīng)達(dá)到平衡所需

29、時(shí)間的科學(xué)。目前為止能比較全面解釋鐵氧化物整個(gè)還原過(guò)程的理論是未反應(yīng)核模型理論。這種理論認(rèn)為鐵氧化物從高價(jià)到低價(jià)逐級(jí)還原，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，未反應(yīng)核心逐漸縮小，直到完全消失，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程按以下順序進(jìn)行:(1) 還原氣體外擴(kuò)散;(2) 還原氣體內(nèi)擴(kuò)散;(3) 還原氣體被界面吸附;(4) 界面化學(xué)反應(yīng);(5) 氧化氣體的脫附;(6) 氧化氣體內(nèi)擴(kuò)散;(7) 氧化氣體外擴(kuò)散。 3.2.5 還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)第55頁(yè)，共73頁(yè)。礦球反應(yīng)過(guò)程模型第56頁(yè)，共73頁(yè)。 3.2.6 生鐵的形成和滲碳過(guò)程在高爐上部己有部分鐵礦石逐漸還原成金屬鐵。隨著溫度的不斷升高逐漸有更多的鐵被還原出來(lái)，剛還原出來(lái)的鐵呈多孔海綿狀

30、，稱(chēng)為海綿鐵，早期出現(xiàn)的海綿鐵成分較純，幾乎不含碳。而高爐內(nèi)生鐵形成的主要特點(diǎn)是經(jīng)過(guò)滲碳過(guò)程。爐內(nèi)滲碳大致可分三個(gè)階段：第一階段：海綿鐵的滲碳。當(dāng)溫度到727，一般在高爐爐身中上部時(shí)，固體海綿鐵開(kāi)始發(fā)生如下的滲碳過(guò)程：(滲碳量占全部滲碳量的1.5%左右。)第57頁(yè)，共73頁(yè)。第二階段：液態(tài)鐵的滲碳。經(jīng)初步滲碳的金屬鐵在1400左右時(shí)與熾熱的焦炭繼續(xù)進(jìn)行固相滲碳，開(kāi)始熔化為鐵水，穿過(guò)焦炭滴入爐缸。熔化后的鐵水與焦炭直接接觸的滲碳反應(yīng)：(到達(dá)爐腹處，生鐵的最終含碳已達(dá)4%左右)。第三階段：爐缸內(nèi)的滲碳過(guò)程。爐缸部分只進(jìn)行少量的滲碳，一般只有0.1%0.5%。經(jīng)過(guò)以上階段鐵水在向爐缸滴落的過(guò)程中，除

31、了滲碳反應(yīng)外，還有硅、錳、磷進(jìn)入生鐵，脫除硫等有害雜質(zhì)。形成最終成分的生鐵。第58頁(yè)，共73頁(yè)。 爐渣對(duì)高爐的爐況和生鐵的質(zhì)量有著決定性的影響。要想煉好鐵，必須造好渣 爐渣的形成爐渣的形成要經(jīng)歷由初成渣中間渣終渣過(guò)程，簡(jiǎn)述如下： 初成渣的生成包括固相反應(yīng)、軟化、熔融、滴落幾個(gè)階段。軟熔帶中形成液態(tài)初渣。初渣中(FeO) , ( MnO)含量較高。 中間渣的變化處于滴落過(guò)程中成分、溫度不斷變化的爐渣。處于軟熔帶以下、風(fēng)口平面以上部位。中間渣中(FeO) , ( MnO)含量逐漸減小，( CaO), ( MgO)含量逐漸增大，爐渣黏度增大。 3.2.7 高爐爐渣的形成及作用第59頁(yè)，共73頁(yè)。 爐

32、渣的成分 冶煉1t生鐵大致產(chǎn)生4001000kg爐渣，國(guó)外先進(jìn)水平巳達(dá)300kg左右。爐渣的主要來(lái)源是鐵礦石中的脈石以及燃料燃燒后剩余的灰分。用焦炭冶煉，高爐爐渣成分大致范圍如下: 終渣由中間渣轉(zhuǎn)化而得，通過(guò)風(fēng)口平面聚集在爐缸，是成分、性質(zhì)較穩(wěn)定的爐渣。終渣中(Al2O3),(SiO2)增大，(FeO) , ( MnO), ( CaO), ( MgO)含量減小，( CaS)含量增大，堿度減小。第60頁(yè)，共73頁(yè)。 其中，爐渣的性質(zhì)主要取決于CaO和SiO2。生產(chǎn)中常用的堿度一般為二元堿度： 一般根據(jù)高爐原料和冶煉產(chǎn)品有所不同，冶煉中二元堿度一般在1.01.3之間。 第61頁(yè)，共73頁(yè)。 高爐渣

33、的作用和要求 高爐冶煉過(guò)程，除在化學(xué)反應(yīng)上實(shí)現(xiàn)Fe-O分離外，還要實(shí)現(xiàn)金屬與氧化物等的機(jī)械或物理分離，而這要靠性能良好的液態(tài)爐渣，并利用渣鐵密度的不同達(dá)到渣鐵分離的目的。為此。要求高爐渣應(yīng)具有以下作用: 爐渣與生鐵互不溶解，且密度不同，因而，使渣鐵得以分離，得到純凈的生鐵。 具有充分的脫硫能力，保證生鐵合格。 調(diào)整生鐵成分，保證生鐵質(zhì)量。爐渣成分有利于有益元素的還原，抑制有害元素的還原，即爐渣應(yīng)具有選擇還原性。 有利于爐況順行，獲得良好的冶煉技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；同時(shí)應(yīng)有利于保護(hù)爐襯，延長(zhǎng)爐襯壽命。第62頁(yè)，共73頁(yè)。 3.2.8 爐渣去硫高爐中的硫主要來(lái)源于爐料中的焦炭、礦石、熔劑和噴吹燃料等。其中

34、焦炭帶入的硫量占60%80%。冶煉每噸生鐵由爐料帶入的總硫量稱(chēng)為硫負(fù)荷。一般硫負(fù)荷為45kg/t。高爐內(nèi)的去硫主要是含有FeS的鐵水在滴過(guò)渣層時(shí)以及在渣鐵相界面處進(jìn)行：總的脫硫反應(yīng)為 產(chǎn)物CO氣體起攪拌作用，可加速去硫反應(yīng)。 第63頁(yè)，共73頁(yè)。硫在一般結(jié)構(gòu)鋼中是有害元素。鋼液凝固時(shí)S在技晶間偏析，F(xiàn)e晶界上富集，形成熔點(diǎn)1100 的FeS，F(xiàn)eS與Fe的共晶點(diǎn)只有988 ，熱軋時(shí)在晶界上產(chǎn)生熱裂現(xiàn)象，造成內(nèi)部裂紋，即硫的熱脆性。因此鋼鐵產(chǎn)品硫含量應(yīng)盡可能降低。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：煉鋼生鐵含WS 007。優(yōu)質(zhì)煉鋼生鐵含WS 003 。 脫硫的熱力學(xué)條件： (1) 鋼渣間脫硫反應(yīng)是吸熱反應(yīng)溫度升高有利于脫硫高溫主要增加了脫硫速度； (2) 低(FeO)有利于脫硫： (3) 高堿度度有利于脫硫； (4) 大渣量有利于脫硫。第64頁(yè)，共73頁(yè)。高爐強(qiáng)化冶煉的目的是提高產(chǎn)量，即提高高爐冶煉強(qiáng)度(I),提高高爐有效容積利用系數(shù)(0)和降低焦比(K)。主要措施包括：(1) 精料具體概括為:“高、熟、凈、勻、小、穩(wěn)、少、好”?！案摺敝溉霠t礦石含鐵品位要高，焦炭、燒結(jié)礦和球團(tuán)礦強(qiáng)度要高，燒結(jié)礦的堿度要高?！笆臁敝?/p>