非高炉炼铁方法简介

钢铁冶金工程(炼铁部分)北京科技大学高斌E-mail：[e-mail]：13651237387主要参考书目1)王筱留.钢铁冶金学（炼铁部分）．北京：冶金工业出版社，20042)王平.炼铁设备．北京：冶金工业出版社，20063)李慧.钢铁冶金概论.北京：冶金工业出版社，1993一.概述钢铁材料特性1.价格低廉2.有较高的强度和韧性易于加工3.制造所需原料资源丰富4.冶炼工艺成熟、效率高钢铁生产流程简图项目生铁钢含碳量高(2.5－4.5%)低(0.03－1.2%)杂质(Si、Mn、P、S)多少硬度高低脆性大小韧性小大加工性只能铸造铸造、锻造均可焊接性差好钢铁产品生铁与钢三种钢铁冶炼流程概念图高炉炼铁现状及前景1.在整个钢铁生产中的地位2.目前中国高炉炼铁现状3.面临的问题与挑战钢铁厂厂址选择1.面积和外形应满足工艺过程要求，并留有一定发展余地；2.地势平坦以减少工程量，尽量不占或少占农田；3.有良好的工程地质和水文条件；4.运输方便并靠近水、电源以减少基建和运营成本；5.条件允许时应可利用周边公用设施且对周边环保压力较小；炼铁车间基本要求1.物料运输管、线流向合理，运输能力满足运量要求，相互干扰少，布置紧凑，且应留有余地；2.高炉座数符合金属平衡和煤气平衡，且有利于设备制造和管理，一般应由2-4座高炉组成；3.各高炉可公用的某些设施应设置在合理位置；4.对环境要采取相应的保护措施；高炉物流生产一吨生铁主要料流简图煤气1600M3矿石1600Kg焦炭350kg煤粉150Kg鼓风1200M3辅料100Kg高炉渣300Kg一吨生铁高炉内型定义：高炉内部借助炉墙而形成的工作空间的几何形状；高炉设计炉型设计时通过高炉中心线绘在图纸上的炉型；高炉操作炉型投产后，炉墙内表面受损所形成的炉型；高炉内型高炉冶炼过程特点1.逆流多相：炉料下降，煤气上升，多种复杂物理化学反应；2.黑箱机制：投入(装料、鼓风)及产出(铁、渣、煤气)之外，无法直接观察炉内反应过程；3.关键顺行：维持高炉顺行(保证煤气流合理分布及炉料均匀下降)是冶炼过程的关键；4、能量利用：与其它炼铁工艺相比有较好的能量利用。高炉冶炼过程变化和任务1.化学变化：实现矿石中金属元素(主要是Fe和氧元素的化学分离，不同相间反应；2.物理变化：实现已还原的金属与脉石的熔融分离；3.任务：生产成分及温度均合格的液态铁水，供炼钢和铸造。炉内煤气流的运动特点1、三次分布；2、对能量利用影响；3、对炉龄影响；4、对顺行影响。高炉常用耐火材料1.陶瓷质耐火材料：含粘土砖、高铝砖、刚玉砖、不定型耐火材料等，是高炉内衬用得最广泛的材料。2.碳质耐火材料：碳砖、石墨碳砖、石墨碳化硅砖、自结合或氮结合碳化硅等。3.不定形耐火材料及在高炉应用：不定形耐火材料系指形状不固定的耐火材料。主要用于高炉的灌浆和喷补、堵塞砖缝、砌体层间填料和炉壳内表面喷涂。高炉冷却1）高炉冷却目的；2）高炉常用冷却设备及应用；3）目前的发展高炉常用冷却方式冷却方式：1)水冷：热容量大，导热性好，价格低廉，但耗水量大，耗能大，工业水易结垢，影响冷却效果；2)风冷：适用于对冷却强度要求不高的部位；3)气化冷却：适用于缺水地区；目前的冷却方式以水冷为主，并有发展成软水密闭循环的趋势光面冷却壁内部铸有无缝钢管的铸铁板，其厚度约为80120mm；宽7001500mm，高3000mm，一般安装在炉底、炉缸侧面。镶砖冷却壁多为铸铁，内部铸有无缝钢管；面向炉内耐火内衬面有框式肋或条式横贯肋，其中镶有耐火砖；冷却壁总厚250350mm(包括镶砖厚度)，高、宽与光面冷却壁相同；一般安装在炉腹、腰身及炉身部位。无料钟炉顶结构基本组成：1）受料漏斗；2）料罐；3）上密封阀；4）下密封阀；5）称量调节装置；6）波纹管与眼镜阀；7）传动装置；8）中心喉管；9）旋转溜槽1.旋转溜槽；2.气密箱；3.眼镜阀；4.波纹管；5.料流调节阀；6.称量调节装置；7.料罐；8.上密阀；9.受料斗；10.下密阀；11.气封漏斗；内燃式热风炉基本结构1.煤气管道；2.煤气阀；3.燃烧器；4.燃烧室；5.热风管道；6.热风阀；7.大墙；8.炉壳；9.拱顶；10.蓄热室；11.隔墙；12.冷风管道；13.冷风阀；14.烟道阀；15.炉蓖子和支柱。三罐重叠单列喷煤系统工作原理：集煤罐、贮煤罐、喷吹罐上下重叠，两罐均压后装煤，喷吹罐衡高压连续喷吹；特点：可连续喷吹，占地面积小，但出现设备故障时需停煤检修；1.脱水器；2.电子秤承重元件；3,5.防爆孔；4.充气管；6.上钟阀；7.收集罐；8.布袋除尘器；9.旋风分离器；10.锁气器；11,17.同位素料面测定装置；12.贮煤罐；13.均压放散管；14.蝶形阀；15.软接管；16.下钟阀；18.喷吹罐；19,20.引压器；21.自动切断阀；22.旋塞阀；23一混合器；24一喷枪二.高炉炼铁原料及准备1.高炉含铁料2.高炉冶炼用燃料3.其它辅助原料4.烧结及球团过程主要铁矿石种类对铁矿石的要求1)含Fe品位高2)脉石少和分布合适3)有害元素少4)有益元素合适5)还原性好6)冶金性能优良7)粒度分布合适焦炭在高炉冶炼中的作用1)发热剂2)还原剂3)渗碳剂4)料柱骨架对焦炭质量要求1)强度高2)固定碳高3)灰分低4)硫含量低5)挥发份合适6)反应性低7)粒度合适对煤粉的要求1)固定碳高2)含硫低3)粒度较细4)可磨性好5)爆炸性弱6)燃烧性好7)反应性强铁矿石造块的必要性•现代高炉生产对原料提出更加严格的要求（精料方针）。•天然富矿少，造块后粒度细，不适合在填充床中的冶炼。•通过造块工艺，可改善铁矿石的冶金性能。•通过造块过程，可脱除某些杂质，如：S、P、K、Na等。•造块过程可综合利用冶金企业产生的大量粉尘和烟尘。烧结工艺流程烧结料分层1）烧结矿层：上冷下热，约40~50mm为脆性层（T低、急冷）；2）燃烧层：即烧结层，厚度约为15~50mm，温度为1100－1400℃，主要反应为燃烧反应；3）预热层：厚度为20~40mm，特点是热交换剧烈，温度快速下降，主要反应为水分蒸发、结晶水及石灰石分解、矿石氧化还原及固相反应；4）冷料层：即过湿层，上层带入的水分由于温度低而凝结，过多的重力水使混合料小球被破坏，影响料层透气性；5）垫底料层：为保护烧结机炉蓖子不因燃烧带下移而烧坏。烧结过程及机理1)液相粘结为主2）处理较粗颗粒料3）配碳量4）碱性和酸性氧化物比例（碱度）固相反应液相生成冷凝固结完成烧结过程烧结过程主要反应及变化1)燃烧反应：碳或产物气体CO的燃烧；C+O2=CO2,2C+O2=2CO,C+CO2=2CO,2CO+O2=2CO22)分解反应：碳酸盐分解和结晶水分解；CaCO3=CaO+CO2,MgCO3=MgO+CO2,2FeCO3+1/2O2=Fe2O3+CO23)水分蒸发与冷凝反应：从物料中蒸发和从气相中冷凝；4)还原与再氧化反应：铁氧化物的还原和再氧化5)气化反应：S的氧化气化及K、Na、Zn等的还原气化；氧化气化：S+O2=SO2还原气化：2K2O+C=4K+CO2卤化气化：CaCl2+MeO=MeCl2+CaO烧结技术发展1）强化制粒及改进布料；2）小球烧结（HPS）：3）低温烧结：针状复合铁酸钙（SFCA）；4）厚料层烧结：700mm生产球团矿的背景1）高炉对含铁品位要求高，选矿后精矿粉粒度细，烧结困难，指标差；2）球团矿机械强度好，粒度均匀；3）便于长期储存和长途运输，球团矿可成为商品。20年代瑞典提出此方法，50年代美国、加拿大首先工业化生产。球团工艺设备球团工艺流程及机理1)固相反应为主，晶桥连接；2）处理较细颗粒料3）不配碳生球成型生球干燥焙烧固结不同球团工艺方法比较不同铁矿粉球团焙烧固结方式高炉对原料要求人造富矿质量检验三.高炉冶炼过程物理化学反应1.蒸发、分解与气化2.还原过程3.高炉炉渣4.碳的燃烧与气化CO、H2还原铁氧化物CO：3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2+Q(1)Fe3O4+CO=3FeO+CO2Q(2)FeO+CO=Fe+CO2+Q(3)1/4Fe3O4+CO=3/4Fe+CO2+Q(4)H2：3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2O+Q(1’)Fe3O4+H2=3FeO+H2OQ(2’)FeO+H2=Fe+H2OQ(3’)1/4Fe3O4+H2=3/4Fe+H2OQ(4’)COorH2还原铁氧化物平衡气相组成FexOy+CO(H2)共存体系还原分析：1）还原顺序2）平衡气相组成3）反应吸放热4）两气体还原能力5）气体过剩系数6）高炉内气体还原特点气体还原剂过剩系数的计算气体CO或H2还原，要使还原反应持续进行，要求气体还原剂过量。由于其中将FeO还原成Fe是最困难的步骤，可按此考虑：FeO+nCO=Fe+CO2+(n1)CO+Q式中n称为过剩系数。由经计算1000℃时，n3.3，即还原每kg铁需消耗3.312560.71kgC来制造还原剂CO。11%%2nCOCOKp9.0688lgTKp固体碳还原FeO高炉内高价铁的还原均由CO或H2还原，FeO的还原即可以由CO和H2作为还原剂；也可以由C作为还原剂，将FeO还原成Fe，即：FeO+C=Fe+CO-Q此时，不需要过剩还原剂。经计算，还原每kg铁需消耗还原剂量为12560.21kgC。直接还原与间接还原的比较高炉内适宜直接度和碳素消耗气固反应未反应核收缩模型影响还原速率因素分析1.温度2.压力3.矿石粒度4.煤气特性5.矿石特性高炉内非铁元素还原1、100%被还原：P、Cu、Ni(与Fe形成合金)；Pb(比重大，沉积于炉底)；Zn(挥发，循环)；2、部分被还原Mn－50～85％Si－5～10％V－75～85％Ti－2～5％3、不能被还原MgO、CaO、Al2O3高炉炉渣造渣目的：生成低熔点化合物，与铁水分离，并完成某些物理化学反应；炉渣来源：炉料中不能被还原和部分未被还原(进入铁水)的组份，以及某些化学反应产物，均进入炉渣；炉渣成分：CaO、SiO2、MgO、Al2O3；少量其它组分；炉渣碱度：酸性氧化物碱性氧化物碱度%%对高炉炉渣性能要求1）流动性能良好：熔化性温度适宜，粘度小；2）化学反应能力强：渣焦固液反应，渣铁耦合反应，脱硫反应；3）表面性质合适：有利于顺行，满足渣铁、渣气分离顺畅；4）稳定性好：能适应原料或冶炼条件一定范围内波动。高炉中硫的来源及其分布硫负荷：4~8kg/thm来源：80%由燃料带入：焦炭含硫0.6~0.8%；矿石含S通常0.1%，主要以FeS2、硫酸盐存在；烧结矿中S以CaS形式存在。影响生铁含[S]量因素：1）炉料带入的总硫量S总：S总[S]2）随煤气挥发的硫量S挥：S挥[S]3）渣量u：u[S]4）硫分配比LS：LS[S]炉渣脱硫热力学硫分配系数：LS=(%S)[%S]脱硫反应：[FeS]+(CaO)+C=(CaS)+Fe+CO影响炉渣脱硫热力学因素：(1)温度T；TLS(2)碱度：RLS(3)气氛氧势[%O]：[%O]LS(4)铁水成分：f[S]LS高炉与转炉脱硫条件比较：高炉LS=50~100，转炉LS=1~10；但高炉动力学条件受到限制，脱硫反应远未达到平衡。炉渣脱硫动力学(1)加大渣铁间交界面面积A：增加搅拌，加大铁滴与渣滴接触面，高炉炉内渣铁滴落区A大，脱硫优于炉缸渣铁层，另外大高炉无渣口，渣铁同出，搅拌使A，有利于脱硫；(转炉吹氧强烈搅拌，A大，故脱硫动力学优于高炉)(2)提高硫分配系数LS：热力学上T；R(3)增大硫在铁液及渣液中的传质系数km和kS：∵kSkm(2个数量级)∴需kS；Td[S]dt=AV[%S](%S)111SSmS%LkkL炉外脱硫炉外脱硫意义1）满足用户对超低硫钢的需求；2）减轻高炉脱硫负担；炉外脱硫剂1）发展高效、廉价、易得的复合脱硫剂；2）种类：石灰(CaO)、电石(CaC2)、苏打(Na2