高炉炼铁—工艺流程与主要设备

2020/4/22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。2020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意22.1.1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，一般在冶炼过程中需要去除。2020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意35、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55.2~66.1%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、块矿和粉矿扣除CO2和结晶水富矿破碎、筛分块矿(5~10mm),上限粉矿（5mm）供烧结厂生产烧结矿大中型高炉45mm中小型高炉20~25mm2020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意48、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赤铁矿细磨-200目60~80%浮选磁铁矿细磨-200目60~80%磁选褐铁矿先磁化焙烧后细磨磁选菱铁矿细磨-200目60~80%浮选2020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意52.1.2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。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。2020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意6转炉炼钢厂矿山高炉铸造生铁铸铁机铁水炼钢生铁炉渣高炉煤气水泥厂放散精矿粉矿块矿球团矿烧结矿焦化厂焦炭制粉车间煤粉熔剂鼓风机热风炉热风轧钢厂炼铁工艺流程图2020/4/22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。2020/4/22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）2020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意92020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意102020/4/22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10~15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。2020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意122、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。即高炉内型图所看到的五部分。2020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意132020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意14Schematicofablastfurnace,illustratingsomeofthedefinedterms.h0h6hu(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h3）、几个概念：2020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意15Schematicofablastfurnace,illustratingsomeofthedefinedterms.Topring:炉顶钢圈(炉顶法兰)Offtake:排气管Topcone:高炉炉头（炉顶锥形部分）Armour（炉喉）钢砖Stocklinelevel：料线零位Throat：炉喉，Stack：炉身Belly：炉腰Bosh：炉腹Tuyere：鼓风口Tuyerebreast：风口中心Bustlepipe:围管Tuyerestock：风口支管Hearth：炉缸Ironnotch：出铁口Cindernotch/emgencyironnotch;出渣口h0h6hu本体结构中英文对照2020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意16f）高炉有效容积：在有效高度范围内炉型所包括的空间。用Vu表示巨型高炉：Vu4000m3大型高炉：Vu620m3中型高炉：Vu=255~620m3小型高炉：Vu100m3实践表明：炉型设计合理，能促进高炉冶炼指标的改善和延长高炉的使用寿命，故炉型是高炉最基本的工艺参数。现代高炉向大型化发展，合理炉型总的趋势是矮胖化。为使高炉保持合理炉型，还要靠炉体结构或炉墙的合理设计，并辅以正确的操作制度。2020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意17三、高炉炉衬1、2、2020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意18四、高炉冷却装置1）2020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意19（4）（3）（2）2020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意20五、高炉钢结构1）2020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意21（2）2020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意22六、高炉炉基钢筋混凝土基座2020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意232.1.3高炉炼铁原料及产品一、高炉炼铁原料1、含铁原料—Iron-BearingMaterials铁矿石：1.6~1.8吨/吨铁，主要成分为Fe3O4，理论含铁量72.4%；Fe2O3，理论含铁量70%2020/4/22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（ChiefIronBearingMinerals）2020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意25赤铁矿（主要成分Fe2O3）磁铁矿（主要成分Fe3O4）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。2020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意26硫铁矿（主要成分FeS2）褐铁矿（主要成分2Fe2O3·3H2O）2020/4/22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.Fe65%，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。2020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意28冶炼１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）60153321845450184052510904023009852050一般的经验数据是：品位提高1%，焦比降低2%，产量增加3%2020/4/22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。2020/4/22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2020/4/22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2020/4/22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2020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意33铁矿粉烧结过程2020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意34a、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。2020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意35b、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=1.0~1.3。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，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。2020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意36c、抽风烧结原理烧结原理2020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意37d、烧结工艺流程2020/4/22武汉科技大学讲义—朱诚意38e、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。2020/4/22武汉科技大学讲义—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2020/4/22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。2020/4/22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.Schematicdiagramofthetravelinggratesystemforproducingpellet