20092鐵冶金學(xué)1現(xiàn)代高爐煉鐵工藝

1、第一部分：煉鐵篇鐵冶金學(xué)2009年9月22日1鐵冶金學(xué)1、現(xiàn)代高爐煉鐵工藝2、高爐煉鐵原料3、高爐煉鐵基礎(chǔ)理論4、高爐爐料和煤氣運(yùn)動5、高爐強(qiáng)化冶煉6、非高爐煉鐵2現(xiàn)代煉鐵方法 現(xiàn)代煉鐵方法分為 (1)高爐煉鐵法 (2)非高爐煉鐵法 高爐煉鐵法 即以焦炭為能源基礎(chǔ)的傳統(tǒng)煉鐵方法。它與轉(zhuǎn)爐煉鋼相配合，是目前生產(chǎn)鋼鐵的主要方法。高爐煉鐵的這種主導(dǎo)地位預(yù)計(jì)在相當(dāng)長時期之內(nèi)不會改變。 原因：傳統(tǒng)的 “高爐轉(zhuǎn)爐煉鋼流程”，工藝成熟，可大規(guī)模生產(chǎn)，是現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)的主要形式。 由于高爐煉鐵受能源焦炭的限制，在一些缺乏焦煤資源的國家和地區(qū)，經(jīng)過長期的研制和實(shí)踐，也逐步形成了不同形式的非高爐煉鐵法。3現(xiàn)代鋼鐵生

2、產(chǎn)的一般流程4現(xiàn)代煉鐵方法 現(xiàn)代煉鐵方法分為:非高爐煉鐵法 非高爐煉鐵法，泛指高爐以外，不用焦炭，用煤、燃油、天然氣、電為能源基礎(chǔ)的一切其它煉鐵方法。 例如直接還原法，主要是指在冶煉過程中，爐料始終保持固體狀態(tài)而不熔化，產(chǎn)品為多孔狀海綿鐵或金屬化球團(tuán)的方法。 熔融還原法是用高品位鐵精礦粉（經(jīng)預(yù)還原）在高溫熔融狀態(tài)下直接還原冶煉（鋼鐵）的一種新工藝。 新興的 “直接還原電爐煉鋼流程”，規(guī)模較小，目前還正在發(fā)展，是鋼鐵生產(chǎn)的重要補(bǔ)充。 5第一章 現(xiàn)代高爐煉鐵工藝1.1 高爐煉鐵生產(chǎn)流程1.2 高爐本體及主要構(gòu)成1.3 高爐冶煉產(chǎn)品1.4 高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)61.1 高爐煉鐵生產(chǎn)流程高爐煉鐵的本質(zhì)是鐵

3、的還原過程，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）還原為液態(tài)生鐵。煉鐵冶煉過程：爐料（礦石、熔劑、焦炭）按照確定的比例通過裝料設(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。7工藝框圖81.1 高爐煉鐵生產(chǎn)流程高爐煉鐵生產(chǎn)非常復(fù)雜，除了高爐本體以外，還包括有原燃料系統(tǒng)、上料系

4、統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)、渣鐵處理系統(tǒng)、煤氣處理系統(tǒng)、爐頂煤氣余壓發(fā)電系統(tǒng)等。通常，輔助系統(tǒng)的建設(shè)投資是高爐本體的45倍。生產(chǎn)中，各個系統(tǒng)互相配合、互相制約，形成一個連續(xù)的、大規(guī)模的高溫生產(chǎn)過程。高爐開爐之后，整個系統(tǒng)必須日以繼夜地連續(xù)生產(chǎn)，除了計(jì)劃檢修和特殊事故暫時休風(fēng)外，一般要到一代壽命終了時才停爐（停爐大修、不包括中修）。91.2 高爐本體及主要構(gòu)成密閉的高爐本體是冶煉生鐵的主體設(shè)備。它是由耐火材料砌筑成豎式圓筒形，外有鋼板爐殼加固密封，內(nèi)嵌冷卻設(shè)備保護(hù)。高爐內(nèi)部工作空間的形狀稱為高爐內(nèi)型。高爐內(nèi)型從下往上分為爐缸、爐腹、爐腰、爐身和爐喉五個部分，該容積總和為它的有效容積，反映高爐所具備的生產(chǎn)能力。

5、101.2 高爐本體及主要構(gòu)成1.2.1 高爐內(nèi)襯高爐內(nèi)耐火材料砌筑的實(shí)體稱為高爐內(nèi)襯，其作用是形成高爐工作空間。由于高爐冶煉過程溫度高且有復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，爐襯在冶煉過程中將受到侵蝕和破壞。爐襯被侵蝕到一定程度，就需要采取措施修補(bǔ)。當(dāng)前高爐內(nèi)襯噴涂修補(bǔ)新技術(shù)（了解）： 遙控噴涂是修復(fù)高爐的新技術(shù)，是延長高爐爐襯壽命的有效措施。其突出優(yōu)點(diǎn)：噴涂操作機(jī)械化程度高；連續(xù)噴涂一次成型；噴涂效率高，回彈量??；爐襯烘烤時間短，熱效率高。它適用于高爐爐腹、爐腰、爐身內(nèi)襯的修復(fù)。 停爐大修便是高爐一代壽命的終止。11 南鋼95t濕法噴涂料（大連摩根，等）在高爐爐身上的成功實(shí)施，標(biāo)志著寶冶建設(shè)工業(yè)爐公司

6、對這一前沿領(lǐng)域在人員、裝備、工藝技術(shù)掌握上已趨成熟，具備批量施工能力。濕法噴涂技術(shù)具有廣泛市場應(yīng)用前景，該項(xiàng)目的成功應(yīng)用必將產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益（圖為外方專家指導(dǎo)時的情景）。121.2 高爐本體及主要構(gòu)成通常，高爐爐襯以陶瓷質(zhì)材料（包括粘土質(zhì)和高鋁質(zhì)等）和炭質(zhì)材料（炭磚、炭搗石墨等）砌筑。 了解：大型高爐石墨炭磚大多仍采用進(jìn)口產(chǎn)品。 西格里集團(tuán)為您提供全套高爐爐內(nèi)襯設(shè)計(jì)與施工服務(wù)的最佳選擇！我們根據(jù)您高爐與還原爐內(nèi)不同區(qū)域?qū)κ妓夭考牟煌枨筇峁┧袠?biāo)準(zhǔn)的石墨與碳素產(chǎn)品，包括超多微孔碳磚與超微孔陶瓷碳素、粘膠與泥漿。 同時，我們也正繼續(xù)努力開發(fā)新材料，以延長您高爐的使用壽命。131.2 高爐本

7、體及主要構(gòu)成1.2.1 高爐內(nèi)襯對高爐內(nèi)襯的基本要求如下： 1）各部位內(nèi)襯與熱流強(qiáng)度相適應(yīng)，以保持在強(qiáng)熱流沖擊下內(nèi)襯的穩(wěn)定性。 2）爐襯的侵蝕和破壞與冶煉條件密切相關(guān)，不同位置的耐火材料受侵蝕破壞機(jī)理不同，因此要求各部位內(nèi)襯與侵蝕破損機(jī)理相適應(yīng)，以延緩內(nèi)襯破損速度。141.2 高爐本體及主要構(gòu)成1.2.2 高爐冷卻設(shè)備溫度是影響高爐爐襯侵蝕程度的主要因素之一，爐襯的溫度狀態(tài)是爐襯破損的主要原因。因此，采用合適的冷卻設(shè)備，維持高爐爐襯在一定溫度下工作，可使其不失去強(qiáng)度，維持爐型。使用冷卻設(shè)備還可保護(hù)爐殼及各種鋼結(jié)構(gòu)，使其不因受熱變形而破壞。在某些部位還可形成渣皮，保護(hù)爐襯代替爐襯工作。151.2

8、 高爐本體及主要構(gòu)成1.2.2 高爐冷卻設(shè)備爐襯冷卻方法：是將通有冷卻介質(zhì)的金屬冷卻器件插入砌體或置于砌體外緣表面，由冷卻介質(zhì)將進(jìn)入爐襯的熱量帶走，從而使輸入和輸出爐襯的熱流平衡，保持爐襯工作表面（溫度）穩(wěn)定。由于高爐各部位熱負(fù)荷不同，加上結(jié)構(gòu)上的要求，高爐冷卻設(shè)備有冷卻壁、冷卻水箱、外部噴水冷卻、水冷爐底等多種形式和方法。 161.2 高爐本體及主要構(gòu)成1.2.3 高爐內(nèi)主要區(qū)域?qū)⒄谶\(yùn)行中的高爐突然停爐并進(jìn)行解剖分析，結(jié)構(gòu)表明，根據(jù)物料存在形態(tài)的不同，可將高爐劃分為五個區(qū)域：塊狀帶、軟熔帶、滴落帶、風(fēng)口前回旋區(qū)、渣體聚集區(qū)（右圖示意）。 171.2 高爐本體及主要構(gòu)成各區(qū)內(nèi)進(jìn)行的主要反應(yīng)及

9、特征分別為：塊狀帶：爐料中水分蒸發(fā)及受熱分解，鐵礦石還原，爐料與煤氣熱交換；焦炭與礦石層狀交替分布，呈固體狀態(tài)；以氣固相反應(yīng)為主。軟熔帶：爐料在該區(qū)域軟化，在下部邊界開始熔融滴落；主要進(jìn)行直接還原反應(yīng)，初渣形成。181.2 高爐本體及主要構(gòu)成滴落帶：滴落的液態(tài)渣鐵與煤氣及固體碳之間進(jìn)行多種復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)?；匦齾^(qū)：噴入的燃料與熱風(fēng)發(fā)生燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生高熱煤氣，是爐內(nèi)溫度最高的區(qū)域。渣鐵聚集區(qū)：在渣鐵層間的交界面及鐵滴穿過渣層時發(fā)生渣金反應(yīng)。191.3 高爐冶煉產(chǎn)品高爐冶煉的主要產(chǎn)品是生鐵。爐渣和高爐煤氣為副產(chǎn)品。一、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

10、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。一般來說，生鐵和鋼的化學(xué)成分主要差別是含碳量。鋼中含碳量最高不超過2.11%。當(dāng)鑄鐵中C5.0%時，鑄鐵甚脆，沒有實(shí)用價值。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)。201.3 高爐冶煉產(chǎn)品高爐生鐵含碳量在2.54.5%范圍，鑄鐵中不超過5.0%（此時Fe3C含量約占75%，當(dāng)鑄鐵中Fe3C達(dá)100%時，其含碳量為6.67%）。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% 。很多學(xué)者對高爐滲碳進(jìn)行研究，舉2例: 1)

11、高爐下部鐵水滲碳的一般規(guī)律：計(jì)算和實(shí)驗(yàn)都表明，目前高爐生鐵含碳量未達(dá)到飽和。降低進(jìn)入爐缸鐵水的碳量,有助降低終碳含量。石墨比木炭、焦炭更易溶于鐵水，溫度是影響生鐵含碳量的重要因素。 2)對熔融鐵水滴落過程的滲碳規(guī)律進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明:影響高爐鐵水滲碳量的因素是多方面的.過去那種認(rèn)為高爐生鐵含碳量已經(jīng)達(dá)到飽和并與鐵水滲碳過程無關(guān)的看法是不正確的.高爐鐵水滲碳的主要階段在滴落帶,爐缸內(nèi)的滲碳過程不會掩蓋滴落帶的滲碳規(guī)律. 211.3 高爐冶煉產(chǎn)品鑄造生鐵:又稱為翻砂鐵或灰口鐵，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

12、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。 對鑄造生鐵：碳當(dāng)量 E的計(jì)算公式 CE=C+1/3(Si+P) 生鐵碳當(dāng)量：碳和硅是鑄鐵的主要組成元素，又都是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素，一般情況下碳和硅含量越高，越有利于石墨化。為了簡化和避免使用多元合金相圖，可以將碳、硅等元素，按照其影響石墨化的程度，以一定的比例近似換算成相應(yīng)的碳含量，這就是碳當(dāng)量。 例如：球墨鑄鐵的碳當(dāng)量一般控制在 4.3%4.6%范圍內(nèi)，碳當(dāng)量過低，往往會導(dǎo)致石墨球化不良；而碳當(dāng)量過高，易出現(xiàn)石墨漂浮現(xiàn)象。因此，球墨鑄鐵的碳當(dāng)量一般選在共晶成分或略高于共晶成分， 221.3 高爐冶煉產(chǎn)品高爐還可生產(chǎn)特殊生

13、鐵，如錳鐵、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。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”要求T0.1%。國內(nèi)外適宜生產(chǎn)高純生鐵的礦源稀少。 我國本鋼生鐵素有“人參鐵”之稱。它除P、S極低外，微量元素亦很低。其T0.08%，屬國際高純生鐵范疇。231.3 高爐冶煉產(chǎn)品二、高爐渣由于冶煉礦石品位、焦比及焦炭灰分的不同，我國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

14、物（即CaO-MgO-SiO2-Al2O3系渣），其工業(yè)用途廣泛。 如在爐前急冷?；伤?，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，爐渣中常富集有多種元素（如稀土、鈦等）。這類爐渣可進(jìn)一步利用。 241.3 高爐冶煉產(chǎn)品三、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

15、及發(fā)熱值與高爐操作參數(shù)及產(chǎn)品種類有關(guān)。如高爐冶煉鐵合金時煤氣中幾乎沒有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，還可供動力、煉焦、燒結(jié)、煉鋼、軋鋼等部門使用。251.4 高爐技術(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)來衡量：1.有效容積利用系數(shù) 式中： P生鐵日產(chǎn)量， t/d； 高爐有效容積，m3； 261.4 高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 可見，利用系數(shù)愈大，生鐵產(chǎn)量愈高，高爐的生產(chǎn)率也就愈高。P(生鐵日產(chǎn)量)和 都是生產(chǎn)率指標(biāo)。對一定容積的高爐， 隨P成正比地增加。對不同容積高爐，P無可比性，而 可比。目前世界主要產(chǎn)鐵國家年平均高爐有效容積利用系數(shù)為2.32

16、.8t/(m3d)，先進(jìn)高爐達(dá)3t/(m3d)以上。2008年武鋼煉鐵號高爐月份的利用系數(shù)突破.噸立方米天，最高達(dá)到3.2成為世界大型高爐（大于3000m3）利用系數(shù)的領(lǐng)跑者。我國首鋼1號高爐在2004年取得了平均利用系數(shù)突破了4.2t/(m3d)的世界先進(jìn)水平。271.4 高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 2.焦比（K） 是生產(chǎn)1噸生鐵所消耗的焦炭重量。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，高爐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/t281.4 高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 噴吹燃料按置換比折算為相應(yīng)的干焦（K）與實(shí)際耗用的焦炭

17、量（焦比K）之和稱為綜合焦比（K綜）。 K綜（K + K）kg/t近年來焦比平均一般在400kg/t以下，燃料比一般在450kg/t左右。寶鋼高爐（三座高爐平均）保持在500kg/t以下的燃料比，2003年的平均值492.5Kg/t。 291.4 高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 3.冶煉強(qiáng)度（I） 每m3高爐有效容積每天消耗焦炭的重量。它是標(biāo)志高爐強(qiáng)化程度的指標(biāo)之一。目前，國內(nèi)外高爐冶煉強(qiáng)度的數(shù)值，一般約在1.51.8t/（m3d）。在噴吹燃料條件下，相應(yīng)有綜合冶煉強(qiáng)度（I綜），即不僅計(jì)算消耗的焦炭量，還應(yīng)將噴吹的燃料按置換比折合成相當(dāng)?shù)慕固苛恳黄鹩?jì)算。301.4 高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 利用系數(shù)、焦比和冶煉強(qiáng)度

18、三者之間的關(guān)系為：可見，利用系數(shù)與冶煉強(qiáng)度I成正比，與焦比K成反比，要提高利用系數(shù)，強(qiáng)化高爐生產(chǎn)，應(yīng)從降低焦比和提高冶煉強(qiáng)度兩方面考慮。 （有時一味提高冶煉強(qiáng)度I，并不能降低焦比K ，或保持焦比K不變）在當(dāng)前能源緊張的情況下，首先應(yīng)考慮降低焦比（燃料比）。311.4 高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 4.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）是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)。5.休風(fēng)率休風(fēng)：正在運(yùn)行的高爐停止供風(fēng)。 高爐休風(fēng)時間占規(guī)定作業(yè)時間的百分?jǐn)?shù)。降低休風(fēng)率是增產(chǎn)節(jié)約的重要途徑，我國現(xiàn)今高爐休風(fēng)率已降到1%以下。