炼铁工艺培训资料(编辑修改稿)

炼铁工艺培训资料(编辑修改稿)内容摘要：

CO2，流量为 5L/min；反应2h 后停止加热，切断 CO2改通 N2，流量为 2L/min，并将反应器从炉内取出，在室温下冷却至 100℃以下，停止通 N2，打开反应器，取出焦样称量，以损失的焦炭质量占反应前焦样总质量的百分数为焦炭反应性指标（记为 CRI）。 将反应后焦样全部装入Ⅰ型转鼓内（鼓体为普通光管制成，内径 130mm，长 700mm），以 20转 /min的转速共转 30min，总转数 600 转。 然后取出焦样筛分、称重，以转鼓后大于 10mm 粒级焦炭占反应后残余焦 炭的质量百分数为焦炭反应后强度指标（记为 CSR）。 下表是炼铁厂 2020 年 1 月技术专业月报中的有关焦碳质量的部分数据。 （空栏是因为原表中没有数据） 成分 品名 燃料化学成分 水分 灰分 挥发分 S P 固定炭 M40 M10 自产焦（大块） 自产焦（中块） 外购焦 高炉实施喷煤技术以来，由于焦比大 幅下降，料柱骨架作用日显突出，对焦炭的质量要求也越来越高，尤其是焦炭的强度要求更高，以提高到达风口时保持原始粒度的能力。 要求如下： ⑪ 更好的原始强度 (冷态机械强度 )和更均匀的原始粒度。 ⑫ 更好的高温强度 .通过改善反应性 CRI 来提高反应后强度 CSR。 ⑬ 因为焦炭灰分对高炉冶炼过程特别是对焦炭质量本身的全面影响，因此强调降低焦炭灰分。 guest1 第 16 页 2020105 附录：焦炭的技术要求见下表：（ GB/T 199694） 粒度（ mm） 指标 ＞ 40 ＞ 25 25~40 灰分， Ad% Ⅰ Ⅱ Ⅲ 不大于 ~ ~ 硫分， S% Ⅰ Ⅱ Ⅲ 不大于 0. 61~ ~ 机械强度 抗碎强度M25% Ⅰ Ⅱ Ⅲ 大于 ~ 88~ 按供需双方协议 抗磨强度， M10% Ⅰ Ⅱ Ⅲ 不大于 挥发分 Vdaf%，不大于 水分含量， % 177。 177。 不大于 焦末含量， %，不大于 guest1 第 17 页 2020105 第二章 高炉冶炼基本原理 第一节 高炉炉料 结构和精料 高炉炉料结构是指其原料构成中 ,烧结矿、球团矿和天然块矿的配比组合，再加上对这种配比产生的综合炉料性能评价。 精料就是高炉原燃料质量的优化。 精料是炉料结构的物质基础，精料技术是炉料结构的理论基础，精料技术发展推动了炉料结构合理化。 反过来，追求炉料结构合理化不断对原燃料品质提出更新、更高的要求，促进了精料技术的进步。 高炉冶炼生产的日益强化，要求原、燃料的质量更优化。 精料工艺是取得优质原材料的重要方法，可以概括为“六字方针”即“高、熟、稳、小、匀、净“。 分述如下： 高 — 原料含 Fe 高，还原性高；焦炭 C 固 含量高；熔剂 CaO 含量高；原料和焦炭的机械强度高； 熟 — 尽量使用精熟料； 稳 — 原料的化学成分稳定； 小、匀、净 — 指平均粒度小、粒度均匀、小于下限的粉末筛除干净。 精料是降低单位生铁全部热量消耗，充分利用炉内煤气热能和化学能的基础。 对精料的要求一是质量要好，二是成本要低。 焦炭的质量非常重要，提高焦炭质量，扩大配煤品种、比例等降低成本的实用技术也较多，如：完善岩相配煤，防止结焦性好的煤过分粉碎和弱粘结性硬煤不粉碎的分煤种破碎技术，利用废焦油渣来做粘结剂增加型煤比例，以及镀碳镀膜技术等。 例如：宝钢岩相 配煤有 17 年，有效降低了焦炭灰分，当焦炭灰分由 12%降低到 %后，不仅固定碳增加，还使反应性 CSI﹤ 26%，反应后强度﹥ 66%。 烧结技术是发展低碳厚料层低温烧结和低硅烧结。 因而各高炉炼铁厂根据各自的原料条件确定最经济的入炉配比。 我厂高炉炉料结构的基本形式是“高碱度烧结矿 +酸性炉料”，酸性炉料为“球团矿 +天然块矿”。 需要指出的是，高炉冶炼要取得好的技术指标，决定因素还是矿石入炉品位。 而决定生产高炉的炉料结构的主要因素是炼铁成本，即铁前系统综合经济效guest1 第 18 页 2020105 益。 下表是炼铁厂 2020 年 1 月生产计划中的炉料结 构： 料种 高炉类别 烧结矿（ %） 自产球（ %） 进口球（ %） 进口块（ %） 国内球（ %） 小高炉 66 22 10 0 2 大高炉 58 5 20 17 0 第二节 从高炉解剖看铁矿石的还原 从解剖调查中初步肯定了高炉冶炼过程可分为五个区域，在炉料与煤气流逆向运动过程中，热交换、还原、熔化、渣铁形成等反应依次在五个区域中进行，这五个区域一般称为五带或五层。 1．块状带。 炉内料柱上部，矿石与焦炭始终保持着明显的固态的层次缓缓下降，但层状趋于水平，而且厚度也逐渐变薄。 2．软熔带。 它是由许多固态 焦炭和黏结在一起的半熔的矿石层组成，焦炭矿石相间，层次分明，由于矿石呈软熔状，透气性极差，煤气主要是从焦炭层通过，像窗口一样，此称其为“焦窗”。 3．滴落带。 位于软熔带之下，熔化后的渣铁象雨滴一样穿过固态焦炭层而滴落。 4．风口带。 焦炭在风口前，由于鼓风动能的作用在剧烈地回旋运动中燃烧，形成一个半空状态的焦炭回旋区，这个区域是高炉中惟一存在的氧化性区域。 5．渣铁带。 在炉缸下部，主要是液态渣铁以及浸入其中的焦炭。 铁滴穿过渣层以及渣铁界面最终完成必要的渣铁反应，得到合格生铁。 第三节 软熔带的形成及其影响因 素 炉料在炉内下降，经过还原、软化、熔化，逐步成为铁水与炉渣滴落而积存于炉guest1 第 19 页 2020105 缸，由于矿石从软熔到滴落的状态形成了软熔带。 软熔层与炉内温度相适应而井然有序的分布着，其分布状态以及在炉内的位置，因原料的性质不同、布料不同和高炉操作不同而变化。 一．软熔带的形状 根据炊熔带形状和特点可分为三种： 1．倒 V 形：它的特点是中心温度高，边缘温度低，煤气利用好，对高炉冶炼过程的一系列反应有着很好的影响。 2． V 形。 它的特点是刚好与倒 V 形相反，边缘温度高，中心温度低，煤气利用不好，而且不利于炉缸一系列反应，高炉操作中应该 尽是避免它。 3． W 形：它的特点与效果都处于倒 V 形与 V 形之间。 二、影响软熔带的因素 根据高炉解体研究以及矿石的软熔特性，软熔形状与炉内等温线相适应，而等温线和煤气中的 CO2 分布曲线相对应的，在高炉操作中炉顶煤气 CO2 曲线主要由装料制度来调节。 其次是送风制度的影响。 因此，软熔带的形状受两个方面的影响，即装料制度和送风制度，前者属于上部调节，后者属于下部调节。 例如正装比例为主的高炉，一般是接近倒 V 形的软熔带，如果以倒装为主或全倒装的高炉，基本上属于 V形软熔带，正装倒装都有一定比例的高炉，一般接近 W 形的软熔带。 三、软熔带对冶炼过程的影响 软熔带在高炉中下部起着煤气再分布的作用，它的形状与位置对高炉冶炼过程产生明显的影响。 1．倒 V 形的软熔带 （ 1） .气流稳定，煤气利用改善，炉顶温度降低，混合煤气中 C02 值升高，焦比降低。 （ 2） .中心煤气流量多，边缘煤气流量少，温度较低，对炉墙刷蚀较少。 （ 3） .顺行得到改善，炉缸活跃，炉温较高，风、渣口破损少。 （ 4） .悬料次数减少。 2． V 形的软熔带 guest1 第 20 页 2020105 （ 1） . 边缘煤气流量多，温度较高，炉墙刷蚀破坏严重，缩短高炉寿命。 （ 2） .散失热量多，炉顶温度降高，焦比高。 （ 3） .煤气能量利用差。 （ 4） .炉缸不少活跃，中心堆积，风、渣口破损多。 3． W 形的软熔带 介于两者之间。 第四节 铁元素的还原及生铁的形成 一、 还原反应的基本原理 还原剂对氧的亲和力必须大于被还原元素对氧的亲和力。 衡量各种元素对氧的亲和力大小，常用这些元素氧化物的标准生成自由能△ G0。 在高炉冶炼条件下： Cu、 Ni、 Co、 Fe 可以全部被还原； Cr、 Mn、 V、 Si、 Ti 部分被还原； Al、 Mg、 Ca 完全不被还原。 二、铁氧化物的还原 由实验和生产实践得知，铁氧化物是按下面还原顺序 1．用 CO 还原： 高于 570℃时 3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2+37130KJ （ 3－ 1） Fe3O4+CO=3FeO+CO2— 20888KJ （ 3－ 2） FeO+CO=Fe+CO2+13605KJ （ 3－ 3） 低于 570℃时： 3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2+37130KJ （ 3－ 1） Fe3O4+4CO=3Fe+4CO2+17163KJ （ 3－ 2） guest1 第 21 页 2020105 上述反应有以下几个特点： （ 5） 从 Fe2O 逐级还原成 Fe，除反应式（ 3－ 2）为吸热反应外，其余反应匀为放热 反应。 3 （ 2）气相产物为 C02。 在高炉这种以 CO 为还原剂，气相产物为 CO2 的还原反应均称为间接还原。 （ 3）除反应（ 3－ 1）式外，都是可逆反应。 在一定温度、压力下反应向右或向左进行，取决于气相反应物和生成物的浓度，当 CO 浓度高于生成物 CO2 的浓度时，反应向右进行；当 CO 浓度低于生成物 CO2 的浓度时，反应向左进行。 所以用 CO 还原铁的氧化物时，气相中含必须含有一部分 CO 与生成物 CO2 相平衡，不参加反应，其过量部分才参加反应。 平衡所需的 CO 愈多， CO 利用程度愈高。 所以 CO 可能利用的最大限度取决于反应平衡的气相成分。 把生成物气相成分与反应物气相 成分之比，称为平衡常数，可用下式表示： KP＝ Pco2/Pco=CO2%/CO% 因为（ CO2%）＋（ CO%）＝ 100% 所以（ CO%）＝ 100/(1+KP) (34) 不同铁氧化物在不同温度下平衡气相成分是不同的，用 (34)式可求得在不同温度下，各铁氧化物还原反应平衡时，气相中 CO 的百分含量，可绘出图 3－ 1 2．用固定碳还原 焦碳从炉顶装入，直到风口始终以固体状态存在。 到风口才被鼓入的热风燃烧。 生成煤气并产生大量的热，提供高炉冶炼所需的热量， 所以焦炭既是还原剂，又是发热剂。 矿石中铁氧化物不可能在高炉上部全部还原，总有一部分下到高温区进行最后还原－直接还原。 （ 1）还原反应的特点 根据铁氧化物还原的顺序，用固体碳的还原反应有 高于 570℃时 3Fe2O3+C=2Fe3O4+CO－ 108982KJ （ 3－ 5） Fe3O4+C=3FeO+CO2— 194393KJ （ 3－ 6） guest1 第 22 页 2020105 FeO+C=Fe+C－ 152190KJ （ 3－ 7） 低于 570℃时： 3Fe2O3+C=2Fe3O4+CO－ 108982KJ （ 3－ 8） Fe3O4+4C=3Fe+4CO－ 64309KJ （ 3－ 9） 上述反应有下面两个特点： （ 1）都是吸热反应，并且直接消耗焦碳中的固定碳。 （ 2）反应物没有气相，反应产物有气相，所以，反应是不可逆的。 高炉中用固体碳作还原剂，生成的气相产物为 CO 的还原反应统称为直接还原。 3．用 H2 还原铁氧化物 高炉冶炼过程中除 CO 和固体 C 外，还有燃料带入及鼓风水分分解等产生的氢气。 在没有喷吹燃料的高炉煤气中，一般含 H2 量只占 %－ %，当高炉喷吹煤粉后，煤气中的 H2 浓度随喷吹燃料的和种类及喷吹数量而变化。 4．复杂化合物 中的铁氧化物还原 高炉炉料中的铁氧化物常与其它氧化物结合成复杂的化合物，例如烧结矿中的硅酸铁（ Fe2SiO4），熔剂性烧结矿中的铁酸盐（ ） ,钒钛磁铁矿中的钛铁矿（ FeTiO3） 等。 这此复杂的还原首先必须分解成自由的铁氧化物，而再被还原剂还原，因此，还原比较困难，常常会消耗更多的燃料。 （ 1）硅酸铁的还原 由于硅酸铁结构致密，还原性差。 当用 CO 或 H2 还原，需在 900℃左右开始，而且还原速度很慢，基本上都是直接还原，其反应式为： 当用 CO 还原时： Fe2SiO4＝ 2FeO＋ SiO2 47520KJ (310) 2FeO+ 2CO=2Fe+2CO2 ＋ 27214K (311) 将 3－ 10 与 3－ 11 两式相加得： Fe2SiO4＋ 2CO＝ 2Fe+SiO2+2CO2 20306KJ (312) 3当有固体碳存在时： Fe2SiO4＝ 2FeO＋ SiO2 47520KJ (313) guest1 第 23 页 2020105 2FeO+ 2CO=2Fe+2CO2 ＋ 27214K (3。