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1、2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,1,第二章 高炉炼铁,2.1 高炉炼铁的工艺流程及主要设备,高炉炼铁：在高炉中采用还原剂将铁矿石经济而高效的还原得到温度和成分符合要求的液态生铁的过程。,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,2,2.1.1 几个基本概念,1 矿物：地壳中具有均一内部结构、化学组成及一对物理、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：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。3 矿石的品位：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：矿石中没有用的成分称为脉石，一
2、般在冶炼过程中需要去除。,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,3,5、富矿：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%菱铁矿：理论含铁量48.3%褐铁矿：理论含铁量55.266.1%6、贫矿：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、块矿和粉矿,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,4,8、精矿：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,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,5,2.1.2 高炉炼铁工艺流程及主要设备,一、炼铁流程及设备系统高炉炼铁生产流程比较定型，它由高炉本体及若干辅助系统组成
3、。生产时从炉顶分批装入各种炉料，从高炉下部风口不断鼓入热风，在连续熔炼过程中得到液态渣铁，定期从炉缸渣铁口排出炉外，与炉料进行一系列作用的煤气从炉顶溢出。,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,6,转炉炼钢厂,炼铁工艺流程图,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,7,由于高炉的效率高、能耗低，所以高炉生产的铁占世界铁总产量的95%以上。我国最大的高炉是宝钢3号高炉（4350m3）。世界最大高炉达5000m3以上。,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,8,高炉炼铁系统（高炉本体和辅助系统）,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,9,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱
4、诚意,10,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,11,二、高炉本体,1、高炉本体概述包括高炉炉型、炉衬、冷却装置、钢结构及基础。高炉炉型均为五段式，圆形工作空间。炉衬耐火材料围成高炉炉型。炉衬靠冷却装置保护，使一代工作炉龄达1015年。钢结构是加固炉体和支撑各种附属设备的构件。高炉大小以有效容积的立方米数表示。,高炉本体结构仍在不断向高效、长寿方向发展之中。,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,12,2、高炉炉型概述,1）、高炉内部及炉墙而形成的工作空间的几何形状称为高炉炉型。炉衬耐火材料围成高炉炉型。2）、高炉炉型为圆断面五段式即：炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸五部分。即高炉内
5、型图所看到的五部分。,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,13,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,14,Schematic of a blast furnace,illustrating some of the defined terms.,h0,h6,hu,(b)死铁层高度h0(c)高炉有效高度hu(d)炉头高度h6(e)高炉全高h,(a)料线零位：是测定料面高度的基础。钟式炉顶：大钟开启时大钟的底边；无钟炉顶：炉喉钢砖的转折点处或钢砖顶部,h,3）、几个概念：,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,15,Schematic of a blast furnace,il
6、lustrating some of the defined terms.,Top ring:炉顶钢圈(炉顶法兰)Offtake:排气管Top cone:高炉炉头（炉顶锥形部分）Armour（炉喉）钢砖Stockline level：料线零位Throat：炉喉，Stack：炉身Belly：炉腰Bosh：炉腹Tuyere：鼓风口Tuyere breast：风口中心Bustle pipe:围管Tuyere stock：风口支管Hearth：炉缸Iron notch：出铁口Cinder notch/emgency iron notch;出渣口,h0,h6,hu,本体结构中英文对照,2023/6/29
7、,武汉科技大学讲义朱诚意,16,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,17,三、高炉炉衬,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,18,四、高炉冷却装置,1）,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,19,（4）,（3）,（2）,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,20,五、高炉钢结构,1）,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,21,（2）,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,22,六、高炉炉基,钢筋混凝土基座,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,23,2.1.3 高炉炼铁原料及产品,一、高炉炼铁原料1、含铁原料Iron-Bearing Mater
8、ials铁矿石：1.61.8吨/吨铁，主要成分为,Fe3O4，理论含铁量72.4%；Fe2O3，理论含铁量70%,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,24,(1)自然界中主要铁矿石 自然界中铁元素主要以化合态存在。主要矿物形式为磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿。,主要含铁矿物（Chief Iron Bearing Minerals）,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,25,假象“赤铁矿”：磁铁矿在自然界中被氧化，化学成分上已由Fe3O4成为Fe2O3，在结晶结构上保持磁铁矿的特征。通常以矿石中全铁含量与FeO含量的比值判别磁铁矿受氧化的程度。,2023/6/29,武汉科技大学讲
9、义朱诚意,26,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,27,(2)铁矿石的评价指标,含铁品位Fe品位高，脉石含量低，冶炼时所需熔剂和形成的渣少，用于分离渣铁所需的能量低。T.Fe 65%，P、S含量低的矿石可直接供直接还原和熔融还原50%T.Fe65%,可供高炉使用我国绝大部分矿石T.Fe含量在30%左右，需富集后才能使用,特别注意：入炉矿石除成分要求外，还要满足一定的粒度要求。,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,28,冶炼吨生铁矿石和熔剂消耗量 入炉品位 矿石消耗量 矿石带入的脉石量 熔剂消耗量（%）（kg）（kg）（kg）60 1533 218 454 50 1840 52
10、5 1090 40 2300 985 2050 一般的经验数据是：品位提高1%，焦比降低2%，产量增加3%,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,29,脉石成分及分布铁矿石中的脉石主要有 SiO2、Al2O3、CaO、MgO等金属氧化物，以酸性氧化物为主。脉石主要参与造渣，几乎不被还原脉石成分总体要求：酸性氧化物和碱性氧化物质量大体相当结构和分布对有用矿物分离的影响：含Fe颗粒结晶粗大，易实现有用元素的分离富集；含Fe颗粒在脉石中呈细晶粒嵌布时，分离富集耗能大。致密矿物强度好，但过于致密影响其加工和还原性能。,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,30,有害元素含量有害元素是除脉石
11、外的其它在高炉中可被还原的化合物。常见的有S、P，少见的有碱金属（K、Na等）及Cu、Pb、Zn、F、As等。S、P、Cu、As易还原为元素进入生铁，对铁及钢材质量产生影响碱金属（K、Na等）、Pb、Zn、F不能入生铁，但对炉衬产生破坏，有的挥发并在炉内循环造成结瘤事故或污染环境高炉生产常需限制有害元素多的矿石的入炉比,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,31,有益元素有些与铁伴生的元素易还原进入生铁，并能改善钢材的性能，如Cr、Ni、V、Nb等。具有单独分离价值的伴生元素如Ti、稀土元素矿石的还原性指矿石在炉内被煤气还原的难易程度。赤铁矿较不如磁铁矿，还原性较好；菱铁矿、褐铁矿因在受
12、热过程中出现分解，呈现疏松多孔结构，易还原。矿石的高温性能矿石在还原过程中和还原后不因强度降低出现破碎，以免矿粉堵塞煤气流通孔造成冶炼困难矿石的软融温度要求高，温度区间不宜过宽,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,32,（3）高炉炼铁的含铁原料烧结矿：高碱度烧结矿和自熔性烧结矿球团矿：酸性球团矿和自熔性球团矿块矿：磁铁矿、赤铁矿碎铁,高炉生产以人造富矿为主,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,33,铁矿粉烧结过程,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,34,a、烧结的定义,将各种粉状铁，配入适宜的燃料和熔剂，均匀混合，然后放在烧结机上点火烧结。在燃料燃烧产生高温和一系列物
13、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，所得到的块矿叫烧结矿。碱度：炉渣中CaO与SiO2的质量百分数之比。,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,35,b、烧结矿种类,（1）酸性烧结矿或低碱度（非熔剂性）烧结矿：烧结配料中不加熔剂或只少量加入熔剂，烧结矿的碱度为自然碱度，高炉用酸性烧结矿时需要大量加入石灰石。（2）自熔性烧结矿：烧结混合料中添加一定数量的熔剂，使烧结矿碱度控制在R=1.01.3。高炉使用自熔性烧结矿时可不加或只加少量熔剂。（3）高碱度烧结矿：混合料中加入过量熔剂，
14、使烧结矿碱度远高于正常高炉渣碱度（R1.6）高碱度烧结矿的碱度决定于:a)烧结矿的冶金性能;b)酸性炉料的入炉比例。,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,36,c、抽风烧结原理,烧结原理,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,37,d、烧结工艺流程,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,38,e、烧结过程的主要反应,燃烧反应、分解反应、还原与再氧化反应、气化反应固相反应和液相粘结形成一定强度和结构的烧结矿低熔点固相产物是液相形成的前提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。,2023/6/29,武汉科技大
15、学讲义朱诚意,39,图 烧结过程示意图I烧结矿层：II燃烧层：III预热层：IV烧结料层：V垫底料层1冷却，再氧化；2冷却，再结晶；3固体碳燃烧液相形成；4固相反应氧化，还原，分解；5去水；6水分凝结,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,40,球团生产过程和球团矿,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。球团矿分酸性球团矿和碱性球团矿。由于酸性球团矿生产操作较易控制，且品位高，强度好，同时高炉冶炼也需要酸性球团与高碱度烧结
16、矿配台使用。因此，目前世界各国以生产酸性球团矿为主。球团法于1912年提出。,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,41,球团生产的工艺过程大体可分为配料、混合、造球、焙烧及成品处理等工序，其工艺流程见图1。,Fig.Schematic diagram of the traveling grate system for producing pellets.,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,42,Fig.Balling drum mixer.Fig.Induced draft rotary or circular sinter coolers shown in process
17、of construction.,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,43,Fig.Two disc-type pelletizing machines.Ore fines are fed to the discs by the belt conveyors(behind the operator).As the discs rotate,there is a balling action that causes the fines to agglomerate into pellet-like masses that are discharged from the discs ove
18、r their lip at the bottom onto to the belt conveyor shown at floor level that carries the pellets to the bins of the sinter machine.,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,44,为保证球团矿质量，在焙烧过程中应保证氧化气氛，控制升温速度，达到球团固结的最佳温度并保持足够的高温时间，保证再结晶充分进行。在冷却过程中应控制好冷却速度。,Fig.Four types of iron ore agglomerates.The briquettes at the lo
19、wer right were produced by hot ore briquetting.,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,45,3、链篦机一回转窑法,它是由链篦机、回转窑和冷却机组合成的焙烧工艺（见图）。生球的干燥、脱水和预热过程在链篦机上完成，高温焙烧在回转窑内进行，而冷却则在冷却机上完成。,图 链篦机-回转窑焙烧球团示意图1布料器；2链篦机；3干燥室；4预热室；5回转窑；6冷却机；7振动给料器；8冷却风机；9抽烟机；10多管除尘器；11燃烧器,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,46,我国钢铁企业的原料供应一般都十分复杂：有以进口粉矿为主的，也有以国产铁精矿为主的
20、，还有各种各样的地方小铁矿所产的铁矿石。原料品种多，化学成分和冶金性能变化大，稳定性和均匀性差。炉料结构即高炉生产中酸性炉料、碱性炉料及块矿所占的比例。世界上高炉的合理炉料结构不是单一模式,它决定于矿源和炼铁成本。根据我国的现实情况，高炉的合理炉料结构应该是高碱度烧结矿配加酸性球团矿,或高碱度烧结矿配加酸性球团矿和块矿,或高碱度烧结矿配加块矿,六、高炉炉料结构,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,47,2 燃料fuels(1)（冶金）焦炭成分固定碳：8085%灰份（SiO2占4550%，Al2O3占1530%）挥发份CO、CO2、CH4、N2、H2作用燃烧产生热量燃烧后产生CO作为还原
21、剂支撑料柱，使料层透气,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,48,高炉冶炼对焦炭质量的要求强度：通过转鼓试验测定固定C和灰分含量：良好的冶金焦应固定C高，灰分低高炉实践证明，灰分升高1%，焦比升高2%，高炉产量下降3%硫：焦炭带入的硫含量占冶炼单位质量生铁所需原料总硫量的80%。焦中的硫的质量分数提高0.1%，高炉焦比增加1.2%2.0%挥发份：要求挥发分质量适当，主要防止挥发分过高,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,49,成分和性能的稳定性以及粒度焦炭成分和性能的波动对高炉冶炼行程的稳定不利，影响高炉生产效率及燃料消耗对焦炭粒度的要求是在保证高炉顺行的前提下，尽量采用小粒度
22、焦炭。焦炭的粒度比矿石的平均粒度大35倍，控制在4060mm。水分波动会引起焦炭负荷波动反应性和热强度反应性是指焦炭与CO2气体反应而气化的难易程度,热强度是指反应后的强度对高炉用焦来说希望反应性小些，热强度高些,我国有专门的冶金焦炭技术指标。,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,50,(2)（喷吹）煤粉代替部分焦炭，降低生产成本高炉冶炼对煤粉的要求固定碳含量高，灰分含量低，硫含量低可磨性好：制备成适合喷吹工艺的细粒煤粉时能耗少，对输送设备磨损小粒度细：保证煤粉在风口前完全气化爆炸性弱：确保在制备和输送过程中人身及设备安全燃烧和反应性好：燃烧不完全会影响喷煤效果并且未燃煤粉会使料柱透气
23、性变差，影响炉况顺行；要求煤粉的反应性好,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,51,通常情况下,生产1吨钢铁须消耗大约0.5吨焦炭,而生产1吨焦炭大致需要1.3吨精煤,其中需肥精煤(工业味精)0.4吨。,我国的煤炭储量中，炼焦煤的比例较高，占27%。,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,52,(3)天然气：我国的天然气储量很小，仅占世界总储量的1.2%。我国钢铁工业基本上不考虑使用天然气作为一次能源。产量最高的前3个国家是：前苏联、美国和加拿大。(4)石油：我国的石油储量很小，仅占世界总储量的3%。我国钢铁工业基本上不考虑使用天然气作为一次能源。产量最高的前3个国家是：沙特、前
24、苏联和美国。,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,53,3 熔剂Fluxes熔剂主要包括石灰石：主要成份 CaCO3白云石：CaCO3MgCO3萤石：CaF2硅石：SiO2锰矿：MnO2作用降低脉石和焦炭灰份的熔点，使炉渣具有良好的流动性，使炉渣具有一定的脱硫能力；特殊熔剂在刷洗炉墙粘结物、炉缸堆积、炉况不顺行时短时使用以造成低黏度和低熔点炉渣。,在我国蕴藏量很大，各省基本都有质量好的矿山。辽宁省大石桥地区有质量一流的镁沙资源,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,54,4 鼓风作用燃烧焦炭和煤粉，产生热量和还原剂风温11001300C，鼓风物理热占高炉热量总收入的20%左右,国
25、内吨铁炉料消耗情况：铁矿石：1.61.8 t/t 熔剂：0400 kg/t 焦炭：250500 kg/t 煤粉：100250 kg/t 鼓风：17002200 Nm3/t,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,55,二、高炉炼铁的产品,1、生铁（铁水）高炉铁水温度为14501550C，主要用来炼钢主要成分为Fe，还有C和少量杂质（Si，Mn，P，S）。(1)炼钢生铁高炉生产的生铁产品中8090%为炼钢生铁，它是由Fe、C和少量杂质（Si1.25%，Mn，P，S）组成。,炼钢生铁的国家标准,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,56,(2)铸造生铁高炉生产的生铁产品中有1015%含硅
26、（1.25%）较高的铸造生铁和少量铁合金，5%左右。,铸造生铁的国家标准,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,57,(3)铁合金铁合金多用电炉生产，多用作炼钢脱氧剂和合金添加剂高炉生产的生铁产品中有5%左右的高碳铁合金，其中包括锰铁、硅铁、稀土硅铁铁合金是高能耗产品，我国除了可自给有余外，每年还大量出口到周边国家，如日本等,高碳锰铁的国家标准,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,58,2、煤气用途高炉生产的副产品煤气，可以给本厂（70%以上烧热风炉）或其他厂（烧结厂、炼焦厂、炼钢厂或轧钢厂等）作为气体燃料，也可以用来发电或城市取暖。成分CO、CO2、N2、H2、CH4产量200
27、0m3/t左右（2560kg/t）,冶炼不同铁种时煤气发热量及成分不尽相同。,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,59,3、炉渣产量：200500kg/t用途高炉炉渣经高压水急冷后成为水淬渣，是制造水泥的好原料，消耗占高炉渣量的70%。缓冷后破碎后代替天然碎石料铺路，消耗总渣量不到10%液体炉渣经处理后，用作轻质混凝土骨料，在建筑上用作防热、隔音，或作为绝热材料温度比铁水高50100，出炉时温度一般为14001550，热含量16801900kJ/kg，未找到合适的潜热利用方法,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,60,主要成分SiO2(3242%)、CaO(3544%)、MgO
28、(413%)Al2O3(616%)及少量MnO、FeO、SR=1.01.25包钢高炉渣含CaF2、K2O、Na2O及RExOy；攀钢高炉渣含V2O5；酒钢高炉渣含BaO4、炉尘产量20100kg/t用途少量高炉尘送烧结厂使用。作副产品,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,61,2.1.4 高炉生产的主要技术经济指标,一、有效容积利用系数（u）高炉每立方米有效容积每天生产的合格铁水量（t/m3d）二、焦比（K）冶炼一吨生铁消耗的干焦或综合焦炭量（kg/t）（1）入炉焦比,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,62,（2）折算入炉焦比,生铁折算系数：以生产炼钢生铁为标准（折算系数为1
29、），将其它各种牌号的生铁按冶炼的难易程度折合为炼钢生铁的数值,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,63,三、煤比（或油比）冶炼一吨生铁消耗的煤粉量或重油（kg/t）四、喷煤率每天喷入高炉的煤粉量与高炉每天消耗的燃料量之比，即煤比与燃料比之比,燃料比焦比煤比（或油比）,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,64,五、综合焦比（1）置换比,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,65,（2）喷吹率六、折算综合焦比,100,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,66,七、冶炼强度高炉每立方米有效容积每天消耗的（干）焦炭量（焦比一定的情况下）八、综合冶炼强度,u=I/K 或 u
30、=I/K,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,67,九、炉缸燃烧强度每平方米炉缸截面积每天消耗的焦炭量十、焦炭负荷一批炉料=矿批+焦批十一、休风率规定的日历作业时间=日历时间-计划大中修及封炉时间,炉缸燃烧强度=,每天高炉消耗的焦炭量,炉缸截面积,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,68,十二、生铁合格率十三、炼铁工序能耗每月、年或季度内高炉生产系统、辅助生产系统以及直接为炼铁生产服务的附属系统所消耗的各种能源的实际消耗量，扣除回收利用的能源，并折算成标准煤（7000Kcal或29300kJ/t）后与该段时间内生铁产量之比。我国重点企业的炼铁工序能耗约500kg 标准煤/t铁，吨钢综合能耗8001000kg 标准煤/t钢。,2023/6/29,武汉科技大学讲义朱诚意,69,思考题：,一、概念题料线零位高炉有效容积高炉有效容积利用系数焦比综合冶炼强度二、问答题高炉内型由哪几部分构成？炼钢生铁和铸造生铁有什么不同？什么是铁矿石的理论含铁量？,？,
