高炉炼铁生产工艺

高炉炼铁生产工艺流程炼铁厂2012年1月18日高炉炼铁生产工艺流程高炉炼铁是用还原剂（焦炭、煤等）在高温下将铁矿石或含铁原料还原成液态生铁的过程。高炉炼铁系统组成由高炉本体、供料系统、上料系统、送风系统、煤气除尘系统、渣铁处理系统、喷煤系统组成。1、高炉本体系统（1）高炉内型高炉本体是冶炼生铁的主体设备，它是由耐火材料砌筑的竖立式圆筒形炉体，最外层是由钢板制成的炉壳，在炉壳和耐火材料之间有冷却设备。五段式高炉内型如下图。（2）高炉冶炼的基本过程高炉生产过程就是将铁矿石在高温下冶炼成生铁的过程。全过程是在炉料自上而下、煤气自下而上的运动、相互接触过程中完成的。高炉生产所用的原料是含铁的矿石包括烧结矿、球团矿和天然富矿石；燃料主要是焦炭；辅助原料为熔剂和洗炉剂等。通过上料系统和炉顶装料系统按一定料批、装入顺序从炉顶装入炉内，从风口鼓入经热风炉加热到1000～1300℃的热风，炉料中的焦炭在风口前与鼓入热风中的氧发生燃烧反应，产生高温和还原性气体，这些还原性气体在上升过程中加热缓慢下行的炉料，并将铁矿石中的铁氧化物还原成为金属铁高炉炼铁工艺流程矿石温度升高到软化温度后，已熔融部分的液滴向下滴落，矿石中未被还原的成分形成熔渣，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，定期从炉内排放熔渣和铁水。上升的高炉煤气流，由于将能量（热能和化学能）传递给炉料而温度逐渐降低，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，上升煤气流与下行炉料间进行的一系列的传热、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。因此，高炉实质是一个炉料下行、煤气上升两个逆向流运动的反应器。1）高炉冶炼过程的五带高炉冶炼过程可分为五个主要区域，这五个区域称为五带或五层，即：块状带、软熔带、滴落带、风口带及渣铁带（渣铁存储区）。在下行的炉料与上升的煤气流相向运动的过程中，原料的吸热、熔化、还原、渣铁的形成、各种热交换等在五个区域中依次进行。①块状带：炉料以块状存在的区域。在炉内料柱的上部，矿石与焦炭始终保持着明显的固态层次而缓缓下行，但层状逐渐趋于水平，且厚度也逐渐变薄。②软熔带：炉料由开始软化到软化终了的区域。此区域是由许多固态焦炭层和粘结在一起的半熔融的矿石层组成，焦炭与矿石相间层次分明。由于矿石呈软熔状透气性极差，上升的煤气流主要从像窗口一样的焦炭层通过，因此又称其为“焦窗”。软熔带的上缘是软化线，即矿石开始软化的温度；下缘是熔化线，即矿石熔化的温度，它和矿石的软熔温度区间相一致；其最高部位称为软熔带顶部，其最低部位与炉墙相连接，称为软熔带的根部。③滴落带：矿石熔化后呈液滴状滴落的区域，它位于软熔带之下，矿石熔化后形成的渣铁像雨滴一样穿过固态焦炭层而滴落进入炉缸。④风口带：即风口前端的区域。风口前的焦炭受到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，这个小区域是高炉中唯一存在的氧化性气氛的区域。⑤渣铁带（渣铁存贮区）：液体渣铁贮存的区域，位于炉缸的下部，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后最终完成必要的渣铁反应，得到合格的生铁。高炉内五带示意图（3）炉衬破损机理1）炉底根据高炉停炉大修前炉底破损状况和生产中炉底温度等检测结果知道，炉底破损分两个阶段，初期是铁水渗入将砖漂浮而形成锅底形深坑，第二阶段是熔结层形成后的化学侵蚀。①铁水渗入的条件：一是炉底砌砖承受着液体渣铁、煤气压力、料柱重量的10~12%；二是砌砖存在砖缝和裂缝。②炉底坑下的砖衬在长期的高温高压下，部分软化重新结晶，形成熔结层。熔结层中砖与砖已烧结成一个整体，能抵抗铁水的渗入，并且坑底面的铁水温度也较低，砖缝已不再是铁水渗入的薄弱环节，这时炉衬损坏的主要原因转化为铁水中的碳将砖中二氧化硅还原成硅，并被铁水所吸收的化学侵蚀。生产实践表明：采用炉底冷却的大高炉炉底侵蚀深度约1~2m，而没有炉底冷却的高炉侵蚀深度可达4~5m。从炉底破损机理看出，影响炉底寿命的因素：首先是它承受的高压，其次是高温，再次是铁水和渣水在出铁时的流动对炉底的冲刷，炉底的砖衬在加热过程中产生温度应力引起砖层开裂，此外在高温下渣铁也对砖衬有化学侵蚀作用，特别是渣液的侵蚀更为严重。2）炉缸炉缸下部是盛渣铁液的地方，且周期地进行聚积和排出，所以渣铁的流动、炉内渣铁液面的升降，大量的煤气流等高温流体对炉衬的冲刷是主要的破坏因素，特别是铁口附近的炉衬是冲刷最厉害的部位。高炉炉渣偏碱性而常用的耐火砖偏酸性，故在高温下化学性渣化，对炉缸砖衬是一个重要的破坏因素。整个高炉的最高温度区域是炉缸上部的风口带，此处炉衬内表面温度高达1300~1900℃，所以砖衬的耐高温性能和相应的冷却措施都是非常重要的。炉缸部位受的压力虽不算很大，但它是难以对付的侧向压力，故仍然不可忽视。3）炉腹此处距风口带近，故高温热应力作用很大。由于炉腹倾斜故受着料柱压力和崩料、坐料时冲击力的影响。另外还承受初渣的化学侵蚀。由于初渣中FeO、MnO以及自由CaO含量较高，并且FeO、MnO、CaO与砖衬中的SiO2反应，生产低熔点化合物，使砖衬表面软熔，在液态渣铁和煤气流的冲刷下而脱落。往往开炉不久这部分炉衬便被完全侵蚀掉，而是靠冷却壁上的渣皮维持生产。4）炉身①炉身中下部温度较高，热应力的影响较大，同时也受到初渣的化学侵蚀以及碱金属和锌的化学侵蚀。炉料中的碱金属和锌，一般以盐类存在，进入高炉后在高温下分解为氧化物，在高炉下部被还原为金属钾、钠、锌，并挥发随煤气上升，在上升过程中又被氧化为K2O、Na2O、ZnO，部分氧化物沉积到炉料上再循环，部分沉积在炉衬上，还有一部分随煤气排出炉外，这就是碱循环。沉积在炉衬上的这部分碱金属和锌的氧化物与炉衬中的Al2O3、SiO2反应生成低熔点的硅铝酸盐，使炉衬软熔并被冲刷而损坏。②碳素沉积也是炉身部位炉衬损坏的一个原因。碳素沉积反应（2CO=CO2+C↓）在400~700℃之间进行最快，而整个炉身的炉衬却正好处于这一温度范围。当碳素沉积在砖缝和裂缝中时，在长期的高温影响下，会改变结晶状态，体积增大，胀坏砖衬，这对强度较差的耐火砖和泥浆不饱满的炉衬来说，作用更为明显。在炉身上部，炉料比较坚硬，下降炉料的磨损和夹带着大量炉尘的高速煤气流的冲刷是这部位炉衬损坏的主要原因。炉身部位是整个高炉的薄弱环节，这里的工作条件比下部好，但由于没有渣皮保护，寿命反而较短。5）炉喉炉喉受到炉料落下时的撞击作用，故都用金属保护板加以保护，又称炉喉钢砖，但它仍会在高温下失去强度和由于温度分布不均匀而产生热变形，炉内煤气流频繁变化时损坏更为严重。高炉内衬破损实例6）最终决定炉衬寿命的因素有：1）炉衬质量，是决定炉衬寿命的关键因素，如耐火砖的化学成分、物理性质、外形公差等。2）砌筑质量，砌缝大小及是否均匀，膨胀缝是否合理，填料是否填实等。3）操作因素，如开炉时的烘炉质量，正常操作时各项操作制度是否稳定、合理。4）炉型结构尺寸是否合理，如炉身角、炉腹角等。另一方面高炉内也存在着保护炉衬的因素，如合理的冷却设备、渣皮的形成、炉壳的存在，都有助于炉衬的保护，减弱了高温热应力的破坏。（4）高炉炉衬砌筑1）炉底。有全陶瓷质、全碳砖和综合炉底三种结构形式。①高炉炉底的设计主要着眼于传热学，使用碳砖并结合冷却，出现了永久型炉底，即综合炉底和全碳砖炉底。靠散热的办法，在炉底及早形成一个熔结层，使侵蚀限制在此范围。实质是用铁水的凝固温度（一般为1150℃）的等温线（或面）筑成一道挡铁墙。高炉开炉后，随着铁水侵蚀线的下移，1150℃等温线也下移，但前者移动快，最后二者重合，炉底形成了稳定的“铁壳”保护层。只要热平衡不被破坏，保护层会“永久”保持下去。②较合理的是带炉底冷却的综合炉底，它在基墩上面是水冷（风冷）管碳捣层上平砌4~5层或立砌碳砖，再上面周围是环砌的碳砖直到渣口之下，而中心是立砌着的高铝砖或粘土砖。环砌着的碳砖和中心高铝砖多为咬砌，而高铝砖的膨胀率高于碳砖，致使碳砖被顶起，引起上下层间的缝隙张开，铁水和煤气更易侵入，应改为正台阶或平砌式的方法砌筑。根据不同部位采用不同性能的碳砖。铁口以下容易受到严重侵蚀的部位用抗渗透性特好的微孔碳砖；炉底最低层用高导热性C—SiC砖；其余部位用普通碳砖或微孔碳砖。同时增加铁口以下炉底周边碳砖的长度，以抵抗铁和碱金属对此处的强烈渗透和侵蚀；砖与砖之间改过去宽缝为细缝（0.5mm以下）砌筑。③综合炉底的砌筑。高炉炉体的金属结构安装完毕后，要检查基墩表面的标高与水平，炉底冷却管与热电偶管安装是否合格，冷却壁相互之间的间隙不小于10mm，冷却壁与冷却水箱安装与试压是否合格，炉子中心的偏移程度是否合格，炉壳上开孔件周围是否焊接严密等。然后测量并设置砌砖用主控制线（每层十字中心线位置，炉底抹灰层标高），在冷却壁之间的间隙里、冷却壁与铁口框、渣口大套之间的缝隙填好铁屑填料，再在炉壳与冷却壁之间的缝隙中灌浆，最后在清扫干净的基墩表面上抹灰找平，对有炉底冷却管的高炉则在露出于耐热混凝土之上的半圆管处做碳捣层，厚度为200~400mm，并进行捣打和刮平作业。④碳砖上下层不咬砌，每一层先在中心线的中心点上，砌好中心碳砖并定位，从中心开始砌两端碳砖。⑤环形碳砖的砌法是以炉子的十字中心线和碳砖的内圆线为依据，从铁口中心开始干排，当左右两侧排了10~15块后，开始吊走铁口中心线处的两块，将第三块紧靠中心线处的碳砖依次砌筑，放射缝缝隙为2mm，水平缝为2.5mm，在砖的端部塞上木楔，每砌4~6块砖用千斤顶从两侧同时顶紧，以保持砖缝符合要求。⑥炉底中心立砌的高铝砖；每层都按十字形砌法。为使砌体砖缝错开，上下相邻两层的十字中心线应相互错开22.5°~45°，而最上面一层砖缝要与出铁口中心线相错22.5°~45°。⑦环形碳砖与立砌高铝砖的配层，是综合炉底砌筑质量的重要环节。高铝砖应与碳砖有相同的层高，由于碳砖断面尺寸为400mm×400mm，相应的高铝砖应特制成的砖型尺寸400×150×90mm。采用正台阶形或平砌式。施工顺序为：先砌环形碳砖，后砌高铝砖，最后进行膨胀缝内的碳捣。2）炉缸。①炉缸炉衬比炉底薄，以加强冷却来维护生成渣皮和由铁水中析出并不很厚的石墨层。现代高炉炉缸多用碳砖。碳砖砌到渣口中心线或风口和渣口之间，碳砖与高铝砖交接处应避开渣液面。炉缸侧墙厚为685~1350mm，到风口一般减薄至570mm。②环形碳砖的砌法与炉底相同，水平缝与放射缝全为薄缝。渣口以下的碳砖从出铁口中心向两边砌筑，而渣口区域的碳砖则从渣口中心向两边砌筑。在炉缸内壁、铁口、渣口、风口孔洞侧壁等处的碳砖表面上，应砌上粘土砖或高铝砖保护层，以防开炉时氧化。③粘土砖或高铝砖的砌法，都是平砌成互相交错的同心圆环，相邻接的放射缝和垂直缝应错开，砖缝厚度为0.5mm（使用磷酸盐泥浆时可宽些）。④铁口、渣口、风口一般采用错台砌法或拱顶砌法。现代高炉一般使用组合砖砌筑。3）炉腹、炉腰与炉身。①炉腹主要靠渣皮工作，所以常用的结构是一环厚345mm或230mm的高铝砖（或粘土砖），以便在开炉时保护镶砖冷却壁的表面不被烧坏。砌筑时要紧靠冷却壁或炉壳错台砌筑，并保证垂直缝错开，与炉缸平砌的砖环相同，砖缝小于1mm②炉腰结构有厚墙、薄墙和过渡形式。炉腰砖衬砌筑应和预期达到的操作炉型和使用的冷却器结合起来考虑。采用厚墙炉腰炉衬易被煤气流冲刷和侵蚀掉，使炉腹高度向上扩展，径向增大，而且炉腰高度越大，炉衬越厚，炉腹向上延伸得越高，在径向的扩展也越大，使设计炉型与操作炉型出入较大。如采用薄墙炉腰则可避免上述弊端，使炉型固定，但当原设计炉型与合理操作炉型出入太大，则会得到一个不合理的固定炉型。③逐渐过渡形式是在炉腰和炉身下部采用镶砖冷却壁，炉腰砖衬逐渐加厚，可以由345mm增加到炉身下部砖衬厚度575mm（或690mm）。炉腰也采用环形砌砖法，砖缝小于1mm。④炉身下部的耐火材料在不断地改进。从高铝砖、硅线石砖、合成莫来石砖、烧成刚玉砖到碳化硅砖，氮化硅结合的碳化硅砖都有应用。从单