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1、第二章第二章 高炉炼铁高炉炼铁(Blast Furnace Ironmaking)人文艺术学院环境设计201401班张志豪2015/6/61 1主要内容主要内容2.1 高炉冶炼用原料高炉冶炼用原料(raw materials)2.2 高炉炼铁原理高炉炼铁原理2.3 高炉结构及附属设备高炉结构及附属设备2 22.1.1.1 几个基本概念几个基本概念1 矿物矿物(Minerals)：地壳中具有均一内部结构、：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。其中能够为人合物或自然元素称为矿物。其中能够为人类利用的称为类利用的称为
2、有用矿物有用矿物。2 矿石矿石(Ore)：在现代的技术经济条件下，能：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其它产品的矿物称为矿石矿石。3 矿石的品位矿石的品位(Ore grade)：矿石中有用成分的：矿石中有用成分的质量百分含量，称为该矿石的质量百分含量，称为该矿石的品位品位。4 脉石脉石(Gauge)：矿石中没有用矿石中没有用的成分称为的成分称为脉脉石石，一般在冶炼过程中需要，一般在冶炼过程中需要去除去除。4 45、富矿、富矿(high-grade ore)：含铁品位：含铁品位50%的铁矿的铁矿石石 赤铁矿：理论
3、含铁量赤铁矿：理论含铁量70%磁铁矿：理论含铁量磁铁矿：理论含铁量72.4%菱铁矿：理论含铁量菱铁矿：理论含铁量48.3%褐铁矿：理论含铁量褐铁矿：理论含铁量55.266.1%6、贫矿、贫矿(lean ore)：实际含铁量低于理论含铁量：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）的铁矿石称贫矿（必须经过选矿后使用）7、块矿、块矿(lump ore)和粉矿和粉矿(fine ore)扣除扣除CO2和结晶水和结晶水富矿富矿破碎、筛分破碎、筛分块矿块矿(510mm),上限上限粉矿（粉矿（5mm）供烧结厂生产烧结矿供烧结厂生产烧结矿大中型高炉大中型高炉45mm中小型高炉中小型高炉
4、2025mm5 52.1.1.2 主要原料主要原料高炉冶炼用的原料主要有高炉冶炼用的原料主要有铁矿石铁矿石（天然富（天然富矿和人造富矿）、矿和人造富矿）、燃料燃料(fuel)（焦炭和喷（焦炭和喷吹燃料）、吹燃料）、熔剂熔剂(flux)（石灰石与白云石（石灰石与白云石等）。等）。冶炼冶炼1t生铁大约需要生铁大约需要1.62.0t矿石，矿石，0.40.6t焦炭焦炭(coke)，0.20.4t熔剂。熔剂。高炉冶炼是连续生产过程，必须尽可能为高炉冶炼是连续生产过程，必须尽可能为其提供其提供数量充足、品味高、强度好、粒度数量充足、品味高、强度好、粒度均匀粉末少、有害杂质少及性能稳定均匀粉末少、有害杂质少
5、及性能稳定的原的原料。料。6 6铁矿石铁矿石磁铁矿（磁铁矿（Fe3O4）-magnettie赤铁矿（赤铁矿（Fe2O3）-hematite褐铁矿（褐铁矿（mFe2O3nH2O）-limonite 菱铁矿（菱铁矿（FeCO3）-siderite 7 7燃料燃料焦炭的作用：焦炭的作用：发热剂发热剂、还原剂还原剂及及料柱骨架料柱骨架。粒度：大型高炉粒度：大型高炉 4060mm；中型高炉中型高炉 2540mm；小型高炉小型高炉 1525mm；喷吹燃料：喷吹燃料：固体（无烟煤与烟煤粉）固体（无烟煤与烟煤粉）液体（重油、煤焦油）液体（重油、煤焦油）气体（天然气或焦炉煤气）气体（天然气或焦炉煤气）8 8熔剂
6、熔剂熔剂主要使用石灰石熔剂主要使用石灰石(calcite)和白云石和白云石(dolomite)；熔剂的要求：熔剂的要求：有效成分含量高（有效成分含量高（CaO+MgO）；）；有害杂质有害杂质S、P低；低；粒度均匀，强度好，粉末少。粒度均匀，强度好，粉末少。熔剂的作用：熔剂的作用：助熔，改善流动性，使渣铁容易分离；助熔，改善流动性，使渣铁容易分离；脱硫（焦炭和矿石中脱硫（焦炭和矿石中S）。）。9 92.1.2 烧结烧结(sintering)将各种将各种粉状铁粉状铁，配入适宜的，配入适宜的燃料燃料和和熔剂熔剂，均匀混合，然后放在烧结机点火烧结。在均匀混合，然后放在烧结机点火烧结。在燃料燃烧产生高温
7、和一系列物理化学变化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，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，液相将融化的矿石颗粒。冷却后，液相将矿粉颗矿粉颗粒粘结成块粒粘结成块。这一过程叫是。这一过程叫是烧结烧结，所的到，所的到的块矿叫的块矿叫烧结矿烧结矿。1010烧结烧结工艺工艺流程流程1111烧结过程示意图烧结过程示意图烧结料层有明显的分层，依次出现烧结料层有明显的分层，依次出现烧结烧结矿层矿层、燃烧层燃烧层、预热和干燥预热和干燥 层层、过湿层过湿层，然后又，然后又 相继消失
8、，最后剩下相继消失，最后剩下 烧结矿层烧结矿层。1212烧结过程的主要反应烧结过程的主要反应燃烧反应燃烧反应：C+O2，烧结废气中以，烧结废气中以CO2为主，为主，存在少量存在少量CO，还有一些自由氧和氮。，还有一些自由氧和氮。2C+O2=2CO；C+O2=CO2分解反应分解反应：结晶水的分解：褐铁矿（结晶水的分解：褐铁矿（mFe2O3nH2O）高岭土（高岭土（Al2O3 2SiO22H2O)熔剂分解：熔剂分解：CaCO3=CaO+CO2(750以上以上)MgCO3=MgO+CO2(720)1313烧结过程的主要反应烧结过程的主要反应还原与再氧化反应：还原与再氧化反应：Fe、Mn等等 靠近燃料
9、颗粒处：靠近燃料颗粒处：3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2;Fe3O4+CO=3FeO+CO2;远离燃料颗粒处：远离燃料颗粒处：2Fe3O4+1/2O2=3Fe2O3;3FeO+1/2O2=Fe3O4.气化反应：脱硫气化反应：脱硫8595。FeS2+11/2O2=Fe2O3+4SO2 2FeS+7/2O2=Fe2O3+2SO21414烧结矿的形成烧结矿的形成烧结矿是一种由多种矿物组成的复合体。烧结矿是一种由多种矿物组成的复合体。由由含铁矿物含铁矿物和和脉石矿物脉石矿物组成的液相粘结在组成的液相粘结在一起组成一起组成。含含铁矿物铁矿物有磁铁矿、方铁矿（或浮氏体）、有磁铁矿、方铁矿（或浮氏体
10、）、赤铁矿赤铁矿粘结相粘结相主要有铁橄榄石、钙铁橄榄石、硅主要有铁橄榄石、钙铁橄榄石、硅灰石、硅酸二钙、硅酸三钙、灰石、硅酸二钙、硅酸三钙、铁酸钙铁酸钙、钙、钙铁灰石及少量反应不全的游离石英和石灰。铁灰石及少量反应不全的游离石英和石灰。1515烧结机烧结机世界上世界上90%以以上烧结矿由上烧结矿由抽抽风带式烧结机风带式烧结机生产，其主要生产，其主要设备为设备为烧结台烧结台车车。16162.1.3 球团球团将准备好的原料将准备好的原料(细磨精矿或其他细磨粉状物细磨精矿或其他细磨粉状物料、添加剂等料、添加剂等)，按一定比例经过配料、混匀，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
11、或其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固结这一过程即为球团生产过程球团生产过程其产品即其产品即为为球团矿球团矿。球团矿生产的工艺流程一般包括原料准备、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、配料、混合、造球、干燥和焙烧、冷却、成品和返矿处理等工序。成品和返矿处理等工序。1717竖竖炉炉球球团团矿矿生生产产的的工工艺艺流流程程 18182.2 高炉炼铁原理高炉炼铁原理2.2.1 高炉冶炼过程及特点高炉冶炼过程及特点2.2.2 燃烧反应燃烧反应2.2.3 还原反应
12、还原反应2.2.4 高炉炉渣与脱硫高炉炉渣与脱硫2.2.5 炉料与煤气运动炉料与煤气运动 2.2.6 高炉生产主要技术经济指标高炉生产主要技术经济指标19192.2.1高炉冶炼过程及特点高炉冶炼过程及特点高炉是由耐火材料砌筑高炉是由耐火材料砌筑而成而成竖式圆筒形炉体竖式圆筒形炉体，外有钢板制成炉壳加固外有钢板制成炉壳加固密封，内嵌冷却器保护，密封，内嵌冷却器保护，炉子自上而下依次分为炉子自上而下依次分为炉喉、炉身、炉腰、炉炉喉、炉身、炉腰、炉腹和炉缸腹和炉缸五部分。炉缸五部分。炉缸部分设有风口、铁口和部分设有风口、铁口和渣口，炉喉以上为装料渣口，炉喉以上为装料装置和煤气封盖及导出装置和煤气封盖
13、及导出管。管。2020高炉冶炼过程连续过程，炉料自上而下，煤气自下而上相互接触过程中完成炉料按一定料批从炉顶装入炉内，从风口鼓入由热风炉加热的热风，炉料中焦炭在风口前与鼓风中的氧发生燃烧反应，产生高温和还原性气体，在炉内上升过程中加热缓慢下降的炉料，并还原铁矿石中铁氧化物为金属铁，矿石升到一定温度后软化，熔融滴落，矿石中未被还原的物质形成熔渣，实现渣铁分离。已熔化的渣铁聚集于炉缸内，发生诸多反应，最后调整铁液的成分和温度，达到终点，定期从炉内排放炉渣和生铁。上升的高炉煤气流，由于将能量传给炉料而温度不断下降，最终形成高炉煤气从炉顶导出管排出，整个过程取决于风口前焦炭的燃烧，上升煤气流与下降炉料
14、间进行的一系列传热、传质以及干燥、蒸发、挥发、分解、还原、软熔、造渣、渗碳、脱硫等物理化学变化。高炉实质是一个炉料下降、煤气上升两个逆向流运动的反应器。21212.2.1高炉冶炼过程及特点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，现代高炉生产过程是一个庞大的生产体系，除除高炉本体高炉本体外，还有外，还有供料供料、送风送风、煤气净煤气净化除尘化除尘、喷吹燃料喷吹燃料和和渣铁处理渣铁处理等系统。等系统。高炉炼铁的本质高炉炼铁的本质 传质过程传质过程：矿石中的：矿石中的O2-O2-进入煤气中，实现铁与氧的分离进入煤气中，实现铁与氧的分离 传热过程传热过程：煤气携带的热量传给炉料，使炉料
15、：煤气携带的热量传给炉料，使炉料熔化成渣铁，实现渣铁分离熔化成渣铁，实现渣铁分离O2-(矿）矿）CO CO22222高炉生产工艺流程2323高炉高炉炉内炉内炉料炉料状况状况及反及反应应24242.2.2 燃烧反应燃烧反应炉顶加入的焦炭，其中风口前燃烧的碳量约炉顶加入的焦炭，其中风口前燃烧的碳量约占入炉总碳量的占入炉总碳量的65%75%，是在风口前与，是在风口前与鼓风中的鼓风中的O2燃烧，燃烧，1721参加直接还原参加直接还原反应，反应，10左右溶解进入铁水。左右溶解进入铁水。燃烧反应的燃烧反应的作用作用：为高炉冶炼过程提供主要热源；为高炉冶炼过程提供主要热源；为还原反应提供为还原反应提供CO、
16、H2等还原剂；等还原剂；为炉料下降提供必要的空间。为炉料下降提供必要的空间。2525燃烧反应燃烧反应燃烧反应的机理一般认为燃烧反应的机理一般认为分两步分两步进行：进行：风口前碳素的燃烧只能是不完全燃烧，生风口前碳素的燃烧只能是不完全燃烧，生成成CO并放出热量。并放出热量。由于鼓风中总含有一定的水蒸气，灼热的由于鼓风中总含有一定的水蒸气，灼热的C与与H2O发生下列反应：发生下列反应：C+H2O=CO+H2 -124390kJ 实际生产中的条件下，风口前碳素燃烧的实际生产中的条件下，风口前碳素燃烧的最终产物由最终产物由CO、H2、N2组成。组成。2626回旋区及燃烧带回旋区及燃烧带回旋区回旋区：风
17、口前产生焦：风口前产生焦炭和煤气流回旋运动的炭和煤气流回旋运动的区域称为回旋区。区域称为回旋区。回旋区和中间层组成焦回旋区和中间层组成焦炭在炉缸内进行燃烧反炭在炉缸内进行燃烧反应的区域称为应的区域称为燃烧带燃烧带。实践中常以实践中常以CO2降至降至12的位置定为燃烧带界的位置定为燃烧带界限。大型高炉的燃烧带限。大型高炉的燃烧带长度在长度在10001500mm左右。左右。27272.2.3 还原反应还原反应2.2.3.1 基本概念基本概念2.2.3.2 高炉内铁氧化物的还原高炉内铁氧化物的还原2.2.3.3 高炉内非铁元素的还原高炉内非铁元素的还原28282.2.3.1基本概念基本概念还原反应还
18、原反应 还原剂还原剂夺取金属氧化物中的氧夺取金属氧化物中的氧，使之变为金属，使之变为金属或该金属低价氧化物的反应。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高炉炼铁常用的还原剂主要有CO、H2和固体和固体碳碳。铁氧化物的还原顺序铁氧化物的还原顺序 遵循逐级还原的原则。遵循逐级还原的原则。当温度小于当温度小于570时，按时，按Fe2O3Fe3O4Fe的的顺序还原。顺序还原。当温度大于当温度大于570时，按时，按Fe2O3Fe3O4 FeOFe的顺序还原。的顺序还原。29292.2.3.2 高炉内铁氧化物的还原高炉内铁氧化物的还原用用CO和和H2还原铁氧化物还原铁氧化物 用用CO和和H2
19、还原铁氧化物，生成还原铁氧化物，生成CO2和和H2O还原还原反应叫反应叫间接还原间接还原。用用CO作还原剂的还原反应主要在高炉内小于作还原剂的还原反应主要在高炉内小于800的区域进行。的区域进行。用用H2作还原剂的还原反应主要在高炉内作还原剂的还原反应主要在高炉内8001100的区域进行。的区域进行。3030用固体碳还原铁氧化物用固体碳还原铁氧化物 用固体碳还原铁氧化物，生成用固体碳还原铁氧化物，生成CO的还原反应叫的还原反应叫直直接还原接还原。在高炉内具有实际意义的只有在高炉内具有实际意义的只有FeO+C=Fe+CO的的反应。反应。直接还原要通过气相进行反应，其反应过程如下：直接还原要通过气
20、相进行反应，其反应过程如下：直接还原一般在大于直接还原一般在大于1100的区域进行，的区域进行，8001100区域为直接还原与间接还原同区域为直接还原与间接还原同时存在区，低于时存在区，低于800的区域是间接还原区。的区域是间接还原区。31312.2.3.3 高炉内非铁元素的还原高炉内非铁元素的还原 锰的还原锰的还原硅的还原硅的还原磷的还原磷的还原 铅、锌、砷的还原铅、锌、砷的还原 3232锰的还原锰的还原 高炉内锰氧化物的还原由高级向低级逐级还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：原直到金属锰，顺序为：从从MnO2到到MnO可通过间接还原进行还原反可通过间接还原进行还原
21、反应。应。MnO还原成还原成Mn只能靠直接还原取得。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，锰还原的重要条件，其次适当提高炉渣碱度，增加增加MnO的活度，也有利于锰的直接还原。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还原出来的锰可溶于生铁或生成Mn3C溶于溶于生铁。生铁。3333硅的还原硅的还原硅的还原只能在硅的还原只能在高炉下部高温区高炉下部高温区(1300以以上上)以直接还原的形式进行：以直接还原的形式进行：SiO2+2CSi2CO -628297kJSiO2在还原时要吸收大量热量，
22、硅在高炉在还原时要吸收大量热量，硅在高炉内只有少量被还原。内只有少量被还原。还原出来的硅可溶于生铁或生成还原出来的硅可溶于生铁或生成FeSi再溶再溶于生铁。于生铁。较高的炉温和较低的炉渣碱度有利于硅的还较高的炉温和较低的炉渣碱度有利于硅的还原。原。铁水中的含硅量可作为衡量炉温水平的标志。铁水中的含硅量可作为衡量炉温水平的标志。3434磷的还原磷的还原 磷酸铁磷酸铁(FeO)3P2O58H2O又称蓝铁矿，蓝铁又称蓝铁矿，蓝铁矿结晶水分解后，形成多微孔的结构较易还原，矿结晶水分解后，形成多微孔的结构较易还原，反应式为：反应式为：磷酸钙磷酸钙（主要存在形式）在高炉内首先进入炉渣，（主要存在形式）在高
23、炉内首先进入炉渣，在在11001300时用碳作还原剂还原磷，其还时用碳作还原剂还原磷，其还原率能达原率能达60；当有；当有SiO2存在时，可以加速磷存在时，可以加速磷的还原：的还原：磷在高炉冶炼条件下，磷在高炉冶炼条件下，全部全部被还原以被还原以Fe2P形态形态溶于生铁。溶于生铁。3535铅、锌、砷的还原铅、锌、砷的还原 还原出来的铅（密度还原出来的铅（密度11.34g/cm3）易沉积）易沉积于炉底，渗入砖缝，破坏炉底；部分铅在高于炉底，渗入砖缝，破坏炉底；部分铅在高炉内易挥发上升，遇到炉内易挥发上升，遇到CO2和和H2O将被氧化，将被氧化，随炉料一起下降时又被还原，在炉内循环。随炉料一起下降
24、时又被还原，在炉内循环。还原出来的锌，在炉内挥发、氧化、体积增还原出来的锌，在炉内挥发、氧化、体积增大使炉墙破坏，或凝附于炉墙形成炉瘤。大使炉墙破坏，或凝附于炉墙形成炉瘤。还原出来的砷，与铁化合影响钢铁性能，使还原出来的砷，与铁化合影响钢铁性能，使钢冷脆，焊接性能大大降低。钢冷脆，焊接性能大大降低。3636第二章第二章 小结小结重点掌握内容：重点掌握内容：高炉炼铁原料及作用、烧结及过程；高炉炼铁原料及作用、烧结及过程；高炉内区域及进行反应、直接还原和间接高炉内区域及进行反应、直接还原和间接还原、高炉炉渣作用、生铁去硫、高炉生还原、高炉炉渣作用、生铁去硫、高炉生产主要技术经济指标；产主要技术经济指标；3737