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1、炼铁工艺、电气仪表设备及其自动化基础,培训讲师：孟卓源 信息化部自控处,概述,高炉炼铁生产是冶金(钢铁)工业最主要的环节。高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。生产时，从炉顶（一般炉顶是由料钟与料斗组成，现代化高炉是钟阀炉顶和无料钟炉顶）不断地装入铁矿石、焦炭、熔剂(铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并使炉喉料面保持一定的高度，焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构)，从高炉下部的风口吹进热风（10001300），喷入油、煤或天然气等燃料。随着焦炭等燃料的燃烧，产生热煤气流由下而上运动，而炉料则由上而下运动，互相接触，进行热交换，逐步还原，熔化成铁和渣，聚集在
2、炉缸中，定期从铁口、渣口放出。高炉生产是连续进行的。一代高炉（从开炉到大修停炉为一代）能连续生产几年到十几年。由于高炉在钢铁厂处于咽喉位置，需及时和稳定地供给炼钢工序合格的铁水，故其稳定工作是很重要的。高炉生产能耗很大，占整个钢铁厂的约60%，加之近年来由于高炉大型化，稍有不正常，损失就很大，因此其稳定工作就愈加显得重要。此外，大中型高炉每昼夜上料装料达近万吨，如此大量的且要正确称量、配料、批重和水分补正以及要按规定顺序及时装入炉内，用人工执行是很困难的。因此国内外新建大中型高炉都是高度自动化的。,概述,高炉自动化的目的主要是保证高炉操作的4个主要问题：即正确的配料并以一定的顺序及时装入炉内；
3、控制炉料均匀下降；调节料柱中炉料分布及保持与煤气流良好的接触；保持合适的热状态。现代高炉自动化主要是指仪表检测及控制系统、电气控制系统和过程及管理用的计算机。仪表控制系统和电气控制系统通常由DCS或PLC完成。现代大型高炉车间主要包括五部分：高炉本体、贮矿槽、出铁场、除尘器和热风炉。此外还有辅助车间，如煤气清洗、炉顶煤气余压发电（TRT）、水渣、水处理和制粉车间。本教材将详细介绍高炉炼铁生产的工艺流程，主要工艺设备的工作原理以及控制要求等信息。,第一章 高炉炼铁基本知识,1.1 高炉生产概述1.1.1 高炉工艺流程和产品(1)高炉概述 高炉是用于生产生铁的的炉子，它是圆柱和圆台型的结合体，是一
4、种“瓶式”竖炉，他从上到下一共分为五个部分，有炉喉（圆柱）、炉身（圆台）、炉腰（圆柱）、炉腹（圆台）和炉缸（圆柱）,在炉缸开有数量不等的风口、渣口和铁口。他的产品就是生铁，生铁是含有1.7%以上的碳(C),并且含有一定数量的硅(Si)、锰（Mn）、磷（P）、硫（S）等元素的铁碳合金的统称。它的副产品是炉渣、高炉煤气和炉尘。生铁一般分为三大类：即供炼钢用的炼钢生铁，供铸造机件和工具用的铸造铁，以及特种生铁，如作合金用的高炉锰铁和硅铁等。(2)高炉生产工艺流程 高炉是炼铁工艺流程的主体，另外还有上料系统、装料系统、送风系统、煤气回收和除尘系统、渣铁处理系统、喷吹系统以及为这些系统服务的动力系统。高
5、炉冶炼用的铁矿石和燃料、溶剂等就是由炉顶的装料设备装入炉内的，并向下运动；从下部鼓入的空气燃烧燃料，产生大量的高温还原性气体向上运动；炉料经过加热、还原、熔化、造渣、渗碳、脱硫等一系列化学物理过程，最终生成液态炉渣和生铁。,第一章 高炉炼铁基本知识 1.1 高炉生产概述,1.1.1 高炉工艺流程和产品(3)高炉生产的特点 1)长期连续生产，高炉从开炉到大修（现在一代炉龄已达15年）停炉这一期间内一直不停地连续运转，仅在设备检修或发生事故时才暂停生产（即休风）。2)规模大型化，目前已有5000m3的高炉，日产万吨生铁。3)机械、自动化程度越来越高。4)生产的联合性，从高炉本身来说，从上料到出铁、
6、出渣，从送风到煤气回收，各系统都必须有机的协调联合工作。在整个钢铁联合生产中，高炉也是重要的一环，它的事故或停产都会对整个生产造成严重影响。(4)高炉副产品的用途 高炉渣：液态炉渣用水急冷成水渣，可做水泥原料；液态炉渣用高压蒸汽或高压空气吹成棉渣，可做绝热保温材料。液态炉渣用少量高压水冲到一个旋转的滚筒上急冷而成膨珠（膨胀渣），是良好的保温材料，也可做轻质混凝土骨料。用炉渣可制成矿渣砖，或用干渣块做铺路材料。高炉煤气一般含有20以上的一氧化碳、少量的氢和甲烷，发热值一般为29003800kj/m3，是一种很好的低发热值气体燃料，除用来烧热风炉外，还可供炼焦、加热炉和烧锅炉。高炉炉尘是随高炉煤气
7、带出炉外的细粒炉料，主要含铁和碳，可作烧结的原料。,第一章 高炉炼铁基本知识 1.1 高炉生产概述,图1 高炉冶炼工艺流程简图,第一章 高炉炼铁基本知识 1.1 高炉生产概述,1.1.2 高炉炼铁的主要经济技术指标与相关术语解释(1)利用系数 利用系数一般指的是容积利用系数,即高炉一立方米容积每日生产的合格炼钢生铁产量（t/m3.d），是高炉一日的产量（P）与高炉容积（V）的比值。我国的利用系数按高炉有效容积计算，欧美用工作容积计算，分别称为有效容积利用系数和工作容积利用系数。另外还有炉缸面积利用系数,即单位一平方米炉缸面积每日生产的合格炼钢生铁产量，是高炉一日的产量（P）与高炉炉缸面积（A）
8、的比值。(2)冶炼强度I 现分为焦炭冶炼强度和综合冶炼强度，焦炭冶炼强度是一日一立方米高炉容积消耗的焦炭量（t/m3.d），即高炉一日入炉的焦炭量（Qk）与高炉容积（V）的比值。一日一立方米高炉容积消耗的焦炭量和喷吹燃料的总和是综合冶炼强度（t/m3.d），即高炉一日入炉的焦炭量（Qk）与喷吹燃料量（Q喷）相加与高炉容积（V）的比值。(3)焦炭负荷 是每批炉料中铁矿石总量（包括烧结矿、球团矿、天然块矿和锰矿等）（Q矿）与每批炉料中焦炭量（Q焦）的比值。(4)休风率 休风率是高炉休风停产时间占规定日历作业时间的百分数。所谓规定日历作业时间是指日历时间减去计划大、中修时间和封炉时间。(5)焦比 K
9、 它是冶炼一吨生铁所需的干焦量（kg/t）。,第一章 高炉炼铁基本知识 1.1 高炉生产概述,1.1.2 高炉炼铁的主要经济技术指标与相关术语解释(6)煤比 Y 煤比是冶炼一吨生铁所喷吹的煤粉量（kg/t）。(7)燃料比 它是指冶炼一吨生铁所消耗的干焦量与煤粉之和。(8)综合焦比 综合焦比是指即将冶炼一吨生铁所喷吹的煤粉量乘上置换比折算成干焦炭量，在与冶炼一吨生铁消耗的干焦量相加即为综合焦比。(9)工序能耗 是指某一段时间(月、季、年)内，高炉生产系统和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物耗量。扣除回收利用的能源，并折算成标煤（29330kj/t）与该时段的内生铁
10、产量之比值。(10)高炉寿命 有两种表示方法：一是一代炉龄，从开炉到大修停炉的时间。一般8年以下为低寿命，812年为中等，12年以上为长寿。二是一代炉龄中每立方米有效容积产铁量。一般5000t/m3以下为低寿命，5000-8000t/m3为中等，8000t/m3以上为长寿。,第一章 高炉炼铁基本知识 1.1 高炉生产概述,1.1.3 高炉用的矿石、溶剂和燃料(1)高炉生产用的主要原料 高炉生产的主要原料是铁矿石及其代用品、锰矿石、燃料和溶剂。铁矿石包括天然矿和人造富矿（烧结矿、球团矿等）。一般含铁量超过50的天然富矿，可以直接入炉；含铁量低于3045的矿石直接入炉不经济，须经选矿和造块加工成人
11、造富矿后入炉。铁矿石代用品主要有：高炉炉尘、氧气转炉炉尘、轧钢皮、硫酸渣以及一些有色金属选矿的高铁尾矿等，这些原料一般均加入造块原料中使用。锰矿石一般只在高炉生产锰铁时才使用。(2)高炉常用的铁矿石及其特点 各种含铁矿物按其矿物组成，主要可分为4大类：磁铁矿（Fe3O4）、赤铁矿（Fe2O3）褐铁矿（Fe2O3nH2O）和菱铁矿（FeCO3）。由于它们的化学成分、结晶构造以及生成的地质条件不同，因此各种铁矿石具有不同的外部形态和物理特性。(3)铁矿石的评价标准 矿石的含铁量是评价铁矿石质量最重要的标准，矿石有无开采价值，开采以后可否直接入炉和其冶炼价值如何，主要取决于矿石的含铁量。矿石含铁量愈
12、高，其冶炼价值愈高，随着含铁量的降低，矿石的冶炼价值降低，而且，冶炼价值降低的幅度，远比含铁量降低的幅度大。,第一章 高炉炼铁基本知识 1.1 高炉生产概述,1.1.3 高炉用的矿石、溶剂和燃料(4)高炉用熔剂 由于高炉造渣的需要，高炉配料中常加入一定数量的助熔剂，简称熔剂。其目的是脉石中高熔点的氧化物生成低熔点的化合物，形成流动性良好的炉渣，达到渣铁分离和去除杂质的目的。高炉的熔剂主要有石灰石、白云石、菱镁石、硅石及萤石等。目前由于精料的技术进步，使用高碱度烧结矿和酸性球团或块矿，熔剂直接入炉的可能性越来越小，仅作稳定炉况调剂炉渣碱度的手段。对熔剂的要求是：熔剂性高、有害杂质少，粒度均匀。(
13、5)高炉的主要燃料及特点 高炉用的燃料有木炭、无烟煤、焦炭、煤粉、重油、天然气和型焦。现在主要用焦炭和煤粉，煤粉分无烟煤和烟煤。焦炭是高炉的主要燃料也是理想的燃料，它是由煤在高温下（9001000）干馏而成，它的化学成分完全能够满足高炉炼铁的要求，机械强度大大高于木炭，热稳定性比无烟煤好，气孔度虽不如木炭，但比白煤大的多。喷吹燃料现在我国主要是煤粉，为了降低焦比，目前世界各国普遍采用从高炉风口喷入部分燃料以代替部分焦炭。,第一章 高炉炼铁基本知识 1.1 高炉生产概述,1.1.3 高炉用的矿石、溶剂和燃料(6)高炉对焦炭质量的要求 1)固定碳含量要高，灰分要低。因为固定碳含量高，其发热值高，单
14、位重量焦炭所提供的还原剂数量也多，有利于降低焦比。焦炭中的固定碳含量提高1，可降低焦比2。灰分含量增加焦炭固定碳含量就降低。2)降低焦炭强度。3)灰分主要是SiO2和Al2O3等酸性氧化物，增加碱性熔剂用量，从而是渣量增加，焦比降低。一般灰分增加1，焦比升高2，产量降低3。含S、P杂质要少，高炉冶炼过程中的硫80来自焦炭，焦炭含硫量升高须相应提高炉渣碱度和提高炉温以改善炉渣脱硫能力，从而渣量增加，焦比升高，产量降低。一般S升高0.1%,焦比升高1.5，产量降低2。另外焦炭机械强度要高，粒度要均匀、粉末要少，水分稳定，反应性要低，抗碱性要强。(7)铁矿石入炉前的加工处理 为了满足高炉冶炼对铁矿石
15、的一系列的质量要求，铁矿石入炉之前必须进行必要的加工处理。矿石的性质不同，加工处理的方法也不同，对于天然富矿，首先要经过破碎和筛分已获得合适而均匀的粒度，然后在储矿场按平铺直取法进行混匀，达到稳定化学成分的目的。对褐铁矿、菱铁矿和致密难还原的磁铁矿，还要进行适当的焙烧处理，以驱逐其结晶水和CO2、提高品位、疏松组织、改善还原性。对于贫矿，一般都要经过破碎、筛分、细磨和精选，得到含铁60以上的精矿粉，然后经过造块得到人造富矿，再按高炉粒度要求进行适当的破碎和筛分后入炉。(8)高炉的精料方针 精料是高炉炼铁的基础，用“七分原料三分操作”或“四分原料三分设备三分操作”来说明精料对高炉生产的影响，并有
16、“高、熟、净、小、匀、稳、熔”七字方针。也就是入炉品位要高，多用烧结矿和球团矿、筛除小于5mm的粉末，控制入炉矿上限，保证粒度均匀，化学成分稳定。较全面的提法是“渣量小于300kg/t,成分稳定、粒度均匀，具有良好的冶金性能，炉料结构合理。”,第一章 高炉炼铁基本知识 1.2 高炉炼铁过程概述,1.2 高炉炼铁过程概述1.2.1 高炉内的分解和还原过程(1)高炉原料中游离水对高炉冶炼的影响 游离水存在于矿石和焦炭的表面和空隙里。炉料进入高炉之后，由于上升煤气流的加热作用游离水首先开始蒸发。游离水蒸发的温度是100，但是料块内部也达到100，从而使炉料中的游离水全部蒸发掉，就需要更高的温度。根据
17、料块的大小不同，需要达到120，或者对大块来说，甚至要达到200，游离水才能全部蒸发掉。一般用天然矿或冷烧结矿的高炉。其炉顶温度为150300，因此，炉料中的游离水进入高炉之后，不久就蒸发完毕，不增加炉内燃料消耗。相反，游离水的蒸发降低了炉顶温度，有利于炉顶设备的维护，延长炉顶设备的寿命。另一方面，炉顶温度的降低使煤气体积缩小，降低煤气的流速，从而减少炉尘吹出量。(2)高炉原料内结晶水对高炉冶炼的影响 炉料中的结晶水主要存在于水化物矿石（如褐铁矿2Fe2O3H2O）和高岭土（Al2O32SiO22H2O）中间。高岭土是黏土的主要成分有些矿石含有高岭土。试验表明，褐铁矿中的结晶水从400开始分解
18、，到400500才能分解完毕。高岭土的结晶水从400开始分解，但分解速度很慢，到500600迅速分解，全部除去结晶水要达到8001000。,第一章 高炉炼铁基本知识 1.2 高炉炼铁过程概述,1.2.1 高炉内的分解和还原过程(3)高炉内碳酸盐分解与影响炉料中的碳酸盐主要来自溶剂和矿石，主要是CaCO3、MgCO3、MnCO3、FeCO3等，这些碳酸盐在下降过程中逐渐被加热发生吸热分解反应。他们根据高炉内的条件不同，他们的分解温度不同，具体数据：FeCO3、MnCO3、MgCO3、CaCO3开始分解温度/380400 450550 550600 740分解出1kgCO2吸热/kJ 1995 2
19、180 2490 4045 FeCO3、MnCO3 和MgCO3的分解比较容易，分解吸热也不多，都发生在低温区，对高炉冶炼无大影响。而石灰石CaCO3就不一样，开始分解温度在700就不一样,而沸腾温度在960以上，而且分解速度还受到其它各种因素的影响，如料块等。有5070的石灰石到高温区分解，分解出的CO2与碳发生溶损反应吸热：CO2C2CO3770kJ/kg高炉冶炼每使用100kg石灰石，焦比要升高3040kg。所以高炉冶炼要求使用熟料。,第一章 高炉炼铁基本知识 1.2 高炉炼铁过程概述,1.2.1 高炉内的分解和还原过程(4)高炉炼铁的还原过程 自然界没有天然纯铁，在铁矿石中铁与氧结合在
20、一起成为氧化物，它们是Fe2O3、Fe3O4和FeO，原子比为O/Fe是1.5、1.33和1.0，理论含氧量是30、27.6和22.2。高炉炼铁就是要将铁矿石中的铁从氧化物中分离出来。铁氧化物的失氧过程叫还原过程，而用来夺取铁氧化物中的氧并与氧结合的物质就叫还原剂。凡是与氧结合能力比铁与氧结合能力强的物质都可以做还原剂，但从价格和资源考虑最佳还原剂失C、CO和H2。C来源于煤，将煤干馏成焦碳作为高炉炼铁的主要燃料，煤磨成煤粉喷入高炉成为补充燃料。CO来自于C在高炉内氧化形成，H2则存在于燃料中的有机物和挥发分，也来自于补充燃料的重油和天然气。在高炉中除了铁被还原外，还有其它元素被还原。它们是极
21、易被还原的：Cu、Ni、Pb、Co，较难被还原的：P、Zn、Cr、Mn、V、Si、Ti，P、Zn是几乎100被还原，其余的部分被还原：Mn5080；V80；Si570；Ti12。完全不能被还原的是：Mg、Ca、Al。当矿石中含有Cu、Ni、Pb、Co、P、Zn、Cr、Mn、V、Si、Ti元素时，他们就会进入生铁，一般情况下，生铁常含有的合金元素为P、Mn、Si、C、S，其中Mn、Si、S的含量可以控制，而P的含量不能控制，炉料中的P全部进入生铁。不管用何种还原剂，铁氧化物还原是由高级氧化物向低级氧化物到金属逐级进行的，顺序是：570 Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe 570 Fe2O3 F
22、e3O4 Fe低于570时，Fe3O4 还原得到 Fe，而不是570以上那样是FeO，是因为FeO在570是不能稳定存在的，它会分解为Fe3O4 和 Fe。,第一章 高炉炼铁基本知识 1.2 高炉炼铁过程概述,1.2.1 高炉内的分解和还原过程(5)高炉内化学反应 1)碳素溶解损失反应：CO2C2CO165390J/mol 2)水煤气反应：H2O+C=CO+H2124190J/mol 3)水煤气置换反应：COH2OCO2H2 4)间接还原反应:用气体还原剂CO、H2还原铁氧化物的反应叫做间接还原反应。Fe2O3的间接还原反应（不可逆反应）3Fe2O3CO2 Fe3O4CO2 3Fe2O3H22
23、 Fe3O4H2O Fe3O4和FeO的间接还原反应（可逆反应）570 3Fe3O4CO 2 FeOCO2 3Fe3O4H22 FeOH2O FeOCOFeCO2 FeOH2FeH2O570 Fe3O4CO FeCO2 Fe3O4H2 FeH2O 5)直接还原反应：用固体还原剂C还原铁氧化物的反应叫直接还原反应。3Fe2O3C2Fe3O4CO Fe3O4C3FeOCO FeOCFeCO,第一章 高炉炼铁基本知识 1.2 高炉炼铁过程概述,1.2.1 高炉内的分解和还原过程(6)一氧化碳利用率和氢利用率 一氧化碳利用率是衡量高炉炼铁中气固相还原反应中CO转化为CO2程度的指标，也是评价高炉间接还
24、原发展程度的指标，一氧化碳利用率用co表示：氢的利用率是衡量高炉炼铁中氢参与铁氧化物还原转化为H2O的程度指标，氢的利用率用H2表示：(7)影响铁矿石还原速度的因素 铁矿石还原速度的快慢，主要取决于煤气流和矿石的特性，煤气流特性主要是煤气温度、压力、流速和成分等，矿石特性主要是粒度、气孔度和矿物组成等。,第一章 高炉炼铁基本知识 1.2 高炉炼铁过程概述,1.2.2 高炉内的造渣过程和炉渣的作用(1)高炉内炉渣生成过程 1）高炉造渣过程是伴随着炉料的加热和还原而产生的重要过程物态变化和物理化学过程。铁矿石在下降过程中，受到上升气流的加热，温度不断升高，其物态也不断改变，使高炉内形成不同的区域：
25、块状带、软熔带、滴落带和下炉缸的渣铁贮存区。2）炉渣形成过程。块状带内固相反应形成低熔点化合物是造渣过程的开始，随着温度的升高，低熔点化合物中呈现少量液相，开始软化黏结，在软熔带内形成初渣，其特点是FeO和MnO含量高，碱度偏低，成分不均匀。从软熔带滴下后成为中间渣，在穿越滴落带时中间渣的成分变化很大：FeO、MnO被还原而降低，溶剂的或高碱度烧结矿中的CaO的进入使碱度升高，甚至超过终渣碱度，直到接近风口中心线吸收随煤气上升的焦碳灰分，碱度才逐步降低，中间渣穿过焦柱后进入炉缸集聚，在下炉缸渣铁贮存区内完成渣铁反应，吸收脱硫产生的CaS和Si氧化的SiO2等成为终渣。(2)炉渣的主要成分 炉渣
26、成分来自以下几个方面：a 矿石中的脉石，b 焦炭的灰分，c 溶剂氧化物 d 被侵蚀的炉衬。脉石和灰分的主要成分SiO2和Al2O3，称酸性氧化物；溶剂的氧化物主要是CaO和MgO，称碱性氧化物。当这些氧化物单独存在时其熔点都很高，SiO2熔点1713，Al2O3熔点2050，CaO熔点2570，MgO熔点2800，高炉条件下不能熔化。只有在它们之间相互作用形成低熔点化合物，才能熔化成具有良好流动性的炉渣。原料中加入溶剂的目的就是为了中和脉石和灰分中的酸性氧化物，形成高炉条件下能溶化并自由流动的低熔点化合物。炉渣的主要成分就是这4种氧化物。用特殊矿石冶炼时根据不同的矿石种类还会有其它氧化物，如M
27、nO、TiO2等，另外高炉渣中总是含有少量的FeO和硫化物。,第一章 高炉炼铁基本知识 1.2 高炉炼铁过程概述,1.2.2 高炉内的造渣过程和炉渣的作用(3)炉渣在高炉冶炼中的作用 由于炉渣具有熔点低、密度小和不熔于生铁的特点，高炉冶炼过程中渣、铁才能得以分离，获得纯净的生铁，这是造渣过程的基本作用。另外还有一下几方面的作用：渣铁之间进行合金因素的还原及脱硫反应，起着控制渣铁成分的作用；炉渣的形成造成了高炉内的软熔带及滴落带，对炉内的气流分布及炉料的下降都有很大的影响，因此炉渣的性质和数量对高炉操作直接产生作用；炉渣黏附在炉墙上形成渣皮，起保护炉衬的作用，另一种情况又可能侵蚀炉衬，起破坏性作
28、用，因此炉渣成分和性质直接影响高炉寿命。(4)炉渣碱度 炉渣碱度是用来表示炉渣酸碱性指数的。用碱性氧化物和酸性氧化物的质量分数之比来表示炉渣碱度，常用方法如下：渣的碱度一定程度上决定了其溶化温度、黏度及其主要特征，以及其脱硫和排碱能力等。因此碱度是非常重要的代表炉渣成分的实用性很强的参数。,第一章 高炉炼铁基本知识 1.2 高炉炼铁过程概述,1.2.3 高炉的强化冶炼技术及技术进步(1)高炉强化冶炼工艺技术包括的主要内容 我国高炉炼铁在近几年来取得很大的技术进步，冶炼强度在中小高炉上超过了1.5t/（m3.d）,大高炉上也达到了1.1t/(m2.d)以上，利用系数相应达到3.5/(m3.d)以
29、上和2.3(m3.d)以上，燃料比降到了530kg/t和500kg/t左右。主要是采取了一下高炉强化冶炼技术的结果：精料技术、高风温技术、高压操作技术、喷吹燃料技术、富氧大喷吹技术、先进的计算机控制技术。(2)精料技术的主要含义 提高入炉矿品位，改善焦炭质量，将灰分普遍地降到12以下，M40提高到8590，M10降到6以下；烧结矿质量改进，含铁波动0.05,碱度波动0.03，粒度大于50mm的不超过10，小于10mm的在30以下，小于5mm的不超过3，生产高碱度低FeO低SiO2高还原性的烧结矿；大力发展球团矿，将其占人造富矿的比例提高到25。开发适用高炉使用的金属化炉料。(3)高压操作 高压
30、操作就是通过净煤气管道上的高压阀组提高高炉炉顶压力，从而使整个高炉内煤气处于高压状态。一般高炉炉顶压力大于0.03MPa以上叫高压，现在大高炉达到料0.20.3MPa，中型高炉的顶压在0.08MPa左右。,第一章 高炉炼铁基本知识 1.2 高炉炼铁过程概述,1.2.3 高炉的强化冶炼技术及技术进步(4)高炉喷吹技术 由于煤粉的价格比焦炭便宜很多合容易制备，高炉都大量从风口喷入煤粉，以代替焦炭降低生铁成本。煤粉的喷吹技术包括：对煤的质量要求、煤粉的制备、煤粉的输送和喷吹。1)对煤的质量要求 煤的灰分越低越好，一般要求小于15。硫的质量分数越低越好，一般要求小于1.0%。胶质层越薄越好，Y值应小于
31、10mm，以免在喷吹过程中结焦堵塞喷枪和风口。煤的可磨性要好，HGI值应大于50。燃烧性和反应性要好，燃烧性和反应性好的煤允许大量喷吹，并允许适当放粗煤粉粒度，降低制粉能耗。发热值越高越好。喷入的煤粉是以其放出的热量和形成的还原剂（CO、H2）来代替焦炭的，煤的发热值越高置换的焦炭越多。2)煤粉的制备 煤粉的制备主要有两种工艺：一种是球磨机工艺，另一种是中速磨制粉工艺。它们的主要设备包括：煤仓、给料机、磨煤机（中速磨或球磨机）、粗粉分离器、一级旋风分离器、二级旋风分离器、布袋收集器、煤粉仓、抽风机和干燥设备（烟气炉等）。3)煤粉的输送与喷吹。从制粉系统的煤粉仓后面到高炉风口的喷枪的设施属于喷吹
32、系统，主要用于煤粉输送、收集、喷吹、分配和风口喷射。高炉喷吹煤粉工艺有两种：直接喷吹和间接喷吹。,第一章 高炉炼铁基本知识 1.2 高炉炼铁过程概述,1.2.3 高炉的强化冶炼技术及技术进步(5)高风温技术 高风温是高炉最廉价、利用率最高的能源，每提高100风温约降低焦比47。提高风温的措施很多，但主要在提高热风炉的拱顶温度和降低拱顶温度与风温的差值。提高拱顶温度的措施除了要选择能够承受要求拱顶温度的耐火材料外，主要是提高热风炉的理论燃烧温度。一是提高煤气发热值即配入高发热值的焦炉煤气或天然气；二是预热助燃空气和煤气和使用高效能的陶瓷燃烧器。降低拱顶温度与风温的差值的措施主要是：适当增加畜热室
33、面积和砖量；提高废气温度；缩短送风周期，增加换炉次数。(6)自动化控制技术 借助于计算机对高炉的冶炼过程进行控制的技术，是自动化控制技术。它包括基础自动化、过程控制和生产管理三方面职能，高炉生产计算机系统中一般不配管理计算机，其功能有厂级管理计算机完成。基础自动化的主要内容：矿槽和上料系统控制；高炉操作控制；热风炉操作控制；煤气系统控制。高炉冷却系统控制和冷却器监控。高炉过程控制的主要职能：采集冶炼过程的各种信息数据，并进行整理加工、存贮显示、通讯交换、打印报表等。对高炉过程全面监控，通过数学模型计算对炉况进行预测预报和异常情况报警，其中包括：生铁硅含量预报、炉缸热状态监控、煤气流和炉料分布控
34、制、炉况诊断、炉体侵蚀监控、软熔带状况检测、炉况顺行及异常的检测与报警等。炼铁工艺计算；高炉生产技术经济指标、工艺参数的计算和系统分析、优化等。,第二章 高炉炼铁设备知识 2.1 高炉本体系统,2.1 高炉本体系统2.1.1 概述 高炉是竖炉，高炉内部工作空间的形状成为高炉炉型或高炉内型。高炉冶炼的实质是上升的煤气流和下降的炉料之间进行传热传质的过程，因此必须提供燃料燃烧的空间，提供高温煤气流与炉料进行传热传质的空间。高炉炉型要适应原燃料条件的要求，保证冶炼过程的顺行。2.1.2 高炉炉型(1)炉型的发展过程 炉型的发展过程主要受当时的技术条件和原燃料条件的限制。随着原燃料条件的改善以及鼓风能
35、力的提高，高炉炉型也在不断地演变和发展，炉型演变过程大体可分为无型阶段、大腰阶段和近代高炉三个阶段。无型阶段是最原始的方法，大腰阶段生产率很低，近代高炉由于鼓风能力进一步提高，原燃料处理更加精细，高炉炉型向着“矮胖型”发展。高炉内型合理与否对高炉冶炼过程有很大影响。炉型设计合理是获得良好技术经济指标、保证高炉操作顺行的基础。(2)高炉有效容积和有效高度 高炉大钟下降位置的下缘到铁口中心线间的距离称为高炉有效高度，对于无钟炉顶为旋转溜槽最低位置的下缘到铁口中心线之间的距离。在有效高度范围内，炉型所包括的容积称为高炉的有效容积V。我国曾对炉容做过系列设计，并习惯地规定，V100 m3为小型高炉，V
36、=255620 m3为中型高炉，V620 m3为大型高炉，把高炉分为大、中、小型是因为在设计炉型时，每种类型的高炉某些参数的选取有共同之处。近代V4000 m3的高炉称为巨型高炉，其设计参数的选取与一般大型高炉也有差别。高炉的有效高度，对高炉内煤气与炉料之间的传热传质过程有很大影响。在相同炉容和冶炼强度条件下，增大有效高度，炉料与煤气流接触机会增多，有利于改善传热传质过程，降低燃料消耗；但过分增加有效高度，料柱对煤气的阻力增大，容易形成料拱，对炉料下降不利，甚至破坏高炉顺行。高炉有效高度应适应原燃料条件，如原燃料强度、粒度及均匀性等。生产实践证明，高炉有效高度与有效容积有一定关系，但不是直线关
37、系，当有效容积增加到一定值后，有效高度的增加则不显著。,第二章 高炉炼铁设备知识 2.1 高炉本体系统,图2 五段式高炉炉型,第二章 高炉炼铁设备知识 2.1 高炉本体系统,2.1.3 高炉本体各部位概述(1)炉缸 高炉炉型下部的圆筒部分为炉缸，在炉缸上分别设有风口、渣口与铁口。现代大型高炉多不设渣口。炉缸下部贮存液态渣铁，上部空间为风口的燃烧带。1）、炉缸直径 炉缸直径过大和过小都直接影响高炉生产。直径过大将导致炉腹角过大，边缘气流过分发展，中心气流不活跃而引起炉缸堆积，同时加速对炉衬的侵蚀；炉缸直径过小限制焦炭的燃烧，影响产量的提高。炉缸截面积应保证一定数量的焦炭和喷吹燃料的燃烧，炉缸截面
38、燃烧强度是高炉冶炼的一个重要指标，它是指每小时每平方米炉缸截面积所燃烧的焦炭的数量，一般为1.001.25T（m2.H）。炉缸截面燃烧强度的选择，应与风机能力和原燃料条件相适应，风机能力大、原料透气性好、燃料可燃性好的燃烧强度可选大些，否则选低值。2）、炉缸高度 炉缸高度的确定，包括渣口高度、风口高度以及风口安装尺寸的确定。铁口位于炉缸下水平面，铁口数目多少应根据高炉炉容或高炉产量而定，一般1000 m3以下高炉设一个铁口，15003000 m3高炉设23个铁口，3000 m3以上高炉设34个铁口，或以每个铁口日出铁量15003000t设铁口数目。原则上出铁口数目取上限，有利于强化高炉冶炼。渣
39、口中心线与铁口中心线间距离称为渣口高度，它取决与原料条件，即渣量的大小。渣口过高，下渣量增多，对铁口的维护不利；渣口过低，易出现渣中带铁事故，从而损坏渣口；大中型高炉渣口高度多为1.51.7m。小型高炉设一个渣口，大中型高炉一般设2个渣口，2个渣口高度差为100200mm，也可在同一水平面上。渣口直径一般为5060mm。有效容积大于2000 m3的高炉一般设置多个铁口，而不设渣口，例如宝钢4063 m3高炉，设置4个铁口；唐钢2560 m3高炉有3个铁口，多个铁口交替连续出铁。,第二章 高炉炼铁设备知识 2.1 高炉本体系统,2.1.3 高炉本体各部位概述(2)炉腹 炉腹在炉缸上部，呈倒截圆锥
40、形。炉腹的形状适应了炉料融化滴落后体积的收缩，稳定下料速度的特点。同时，可使高温煤气流离开炉墙，即不烧坏炉墙又有利于渣皮的稳定，对上部料柱而言，使燃烧带处于炉喉边缘的下方，有利于松动炉料，促进冶炼顺行。燃烧带产生的煤气量为鼓风量的1.4倍左右，理论燃烧温度18002000,气体体积剧烈膨胀,炉腹的存在适应这一变化。炉腹角一般为79 83，过大不利于煤气分布并破坏稳定的渣皮保护层，过小则增大对炉料下降的阻力，不利于高炉顺行。(3)炉身 炉身呈正截圆锥形，其形状适应炉料受热后体积的膨胀和煤气流冷却后体积的收缩，有利于减小炉料下降的摩擦阻力，避免形成料拱。炉身角对高炉煤气流的合理分布和炉料顺行影响较
41、大。炉身角小，有利于炉料下降，但易发展边缘煤气流，过小时会导致边缘煤气流过分发展，使焦比升高。炉身角大，有利于抑制边缘煤气流，但不利于炉料下降，对高炉顺行不利。设计炉身角时要考虑原燃料条件，原燃料条件好，炉身角可取大值；相反，原燃料粉末多，燃料强度差，炉身角取小值；高炉冶炼强度高，喷煤量大，炉身角取小值。同时也要适应高炉容积，一般大高炉由于径向尺寸大，所以径向膨胀量也大，这就要求炉身角小些，相反中小型高炉炉身角大些。炉身角一般取值为81.5o85.5 o之间。40005000 m3高炉炉身角取值为81.5o左右。,第二章 高炉炼铁设备知识 2.1 高炉本体系统,2.1.3 高炉本体各部位概述(
42、4)炉腰 炉腹上部的圆柱形空间为炉腰，是高炉炉型中直径最大的部位。炉腰处恰是冶炼的软熔带，透气性变差，炉腰的存在扩大了该部位的横向空间，改善了透气条件。在炉型结构上，炉腰起着承上启下的作用，使炉腹向炉身的过渡变得平缓，减小死角。经验表明，炉腰高度对高炉冶炼的影响不太显著，一般取13米，炉容大取上限，设计时可通过调整炉腰高度修定炉容。(5)炉喉 炉喉呈圆柱形，它的作用是承接炉料，稳定料面，保证炉料合理分布。炉喉直径与炉腰直径、炉身角、炉身高度相关，并决定了高炉炉型的上部结构特点。钟式炉顶装料设备的大钟与炉喉间隙对炉料堆尖在炉喉内的位置有较大影响。间隙小，炉料堆尖靠近炉墙，抑制边缘煤气流；间隙大，
43、炉料堆尖远离炉墙，发展边缘煤气流。炉喉间隙大小应考虑原料条件，矿石粉末多时，应适当扩大炉喉间隙；同时还应考虑炉身角大小，炉身角大，炉喉间隙可大些，炉身角小，炉喉间隙要小一些。(6)高炉炉衬 以耐火材料砌筑的实体称为高炉炉衬。高炉炉衬的寿命决定高炉一代寿命的长短。由于高炉内不同部位发生不同的物理反应，因此高炉不同部位的炉衬所用的耐火材料是不同的。炉衬主要作用为：1、构成了高炉的工作空间，2、直接抵抗冶炼过程中的机械、热和化学的侵蚀，3、减少热损失，4、保护炉壳和其他金属结构免受热应力和化学侵蚀的作用。,第二章 高炉炼铁设备知识 2.2 原燃料供应系统,2.2 原燃料供应系统2.2.1 概述 现代
44、钢铁联合企业中，炼铁原燃料的供应系统以高炉贮矿槽为界分为两部分。从原燃料进厂到高炉 贮矿槽属于原料厂管辖范围，它完成原燃料的卸、堆、取、运作业，根据要求还需要破碎、筛分和混匀作业，起到贮存、处理并供应原燃料的作用。从高炉贮矿槽顶到高炉炉顶装料设备属于炼铁厂管辖范围，它负责向高炉按规定的原料品种、数量、分批地及时供应。现代高炉对原燃料供应系统的要求是：（1）保证连续地、均衡地供应高炉冶炼所需要的原燃料，并为进一步强化冶炼留有余地；（2）在贮运过程中应考虑为改善高炉冶炼所必须的处理环节，如混匀、破碎、筛分等。焦炭在运输过程中应尽量降低破碎率；（3）由于原燃料的贮运数量大，对大、中型高炉应尽可能实现
45、机械化、自动化，提高配料、称量的准确度；（4）原燃料系统各转运环节和落料点都有灰尘产生，应有通风除尘设施。2.2.2 槽上运输(1)贮矿槽与贮焦槽 贮矿槽是高炉上料系统的核心，其作用如下：1)解决高炉连续上料和车间断续供料之间的矛盾。高炉冶炼要求各种原料要按一定数量和顺序分批加入炉内，每批料的间隔只有68分钟。原料从车间外或车间内的贮矿场按冶炼要求直接加入料车或皮带是不可能的。只有设置贮矿槽这一中间环节，才能保证有计划按比例连续上料。2)起到原料贮备的作用。原燃料生产和运输系统总会发生一些故障和定期检修等，造成原、燃料供应中断。若在贮矿槽内贮存足够数量的原、燃料，就能够应付这些意外情况，保证高
46、炉正常供料。3)供料系统易实现机械化和自动化。设贮矿槽可使原、燃料供应运输线路缩短，控制系统集中，使漏料、称量和装入料车等工作易于实现机械化、自动化。,第二章 高炉炼铁设备知识 2.2 原燃料供应系统,2.2.2 槽上运输(2)贮矿槽的布置：在一列式和并列式高炉平面布置中，贮矿槽的布置常和高炉列线平行。在采用料车上料时，贮矿槽与斜桥垂直。采用皮带机上料时，贮矿槽与上料皮带机的中心线应避免互相成直角，以缩短贮矿槽与高炉的间距。贮矿槽的结构有钢筋混凝土结构和钢-钢筋混凝土混合式结构两种。钢筋混凝土结构是矿槽的周壁和底壁都是用钢筋混凝土浇灌而成。混合式结构是贮矿槽的周壁用钢筋混凝土浇灌，底壁、支柱和
47、轨道梁用钢板焊成，投资较前一种高。我国多用钢筋混凝土结构。2.2.3 槽下运输(1)槽下运输称量 在贮矿槽下，将原料按品种和数量称量并运到料车（或上料皮带机）的方法有两种：一种是用称量车完成称量、运输、卸料等工序；一种是用皮带机运输，用称量斗称量。(2)称量车称料 称量车是一个带有称量设备的电动机车。车上有操纵贮矿槽闭锁器的传动装置，还有与上料车数目相同的料斗，每个料斗供一个上料车，料斗的底是一对可开闭的门，借以向料车中放料。在称量车轨道旁边设有配料室，配料室操纵台上设有称量机构的显示和调节系统。操作人员在配料室进行配料作业，控制称量车行走，当称量车停在某一矿槽下时，启动该槽下给料设备，给料并
48、称量，当达到给料量时停止给料。,第二章 高炉炼铁设备知识 2.2 原燃料供应系统,2.2.3 槽下运输(3)皮带机称料 槽下采用皮带机运输和称量漏斗称量的槽下运输称量系统，焦仓下一般设有振动筛，合格焦炭经焦炭输送 机送到焦炭称量漏斗，小粒度的焦粉经粉焦输出皮带机送至粉焦仓。烧结矿仓下也设有振动筛，合格烧结矿运至矿石称量漏斗，粉状烧结矿经矿粉输出皮带机输送至粉矿仓。球团矿直接经给料机、矿石输出皮带机送到矿石集中漏斗。由皮带机向炉顶供料的高炉，对贮矿槽的要求与料车式基本相同，只是贮矿槽与高炉的距离远些。在装料程序上，将向料车漏料改为向皮带机漏料。皮带机运输的槽下工艺流程根据筛分和称量设施的布置，可
49、以分为以下三种：1)集中筛分，集中称量。料车上料的高炉槽下焦炭系统常采用这种工艺流程。其优点是设备数量少，布置集中，可节省投资，但设备备用能力低，一旦筛分设备或称量设备发生故障，则会影响高炉生产。2)分散筛分，分散称量。矿槽下多采用此流程。这种布置操作灵活，备用能力大，便于维护，适用于大料批多品种的高炉。3)分散筛分，集中称量。焦槽下多采用此种流程。其优点是有利于振动筛的检修，集中称量可以减少称量设备，节省投资。(4)两种方法比较 皮带机与称量车比较具有以下优点：1)设备简单，节省投资；而称量车设备复杂，投资高，维护麻烦。另外，称量车工作环境恶劣，传动系统和电器设备很容易出故障，要经常检修，要
50、求有备用车，有的高炉甚至要有两台备用车才能满足生产需要，这就增加的投资。2)皮带机运输容易实现槽下操作自动化，能有效地减轻体力劳动和改善劳动条件，有利于工人健康。3)采用皮带机运输，可以降低矿槽漏嘴的高度，在贮矿槽顶面高度不变的情况下，可以增大贮矿槽面积。基于上述原因，我国高炉基本上都选用皮带机作为槽下运输设备。,第二章 高炉炼铁设备知识 2.2 原燃料供应系统,2.2.3 槽下运输(5)料车坑 料车式高炉在贮矿槽下面斜桥下端向料车供料的场所称为料车坑。一般布置在主焦槽的下方。料车坑的大小与深度取决于其中所容纳的设备和操作维护的要求。小高炉比较简单，只要能容纳装料漏斗和上料小车就可以了，大型高
