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第三章高炉炼铁工艺3.1概述3.2高炉冶炼原理3.3高炉本体及附属系统3.4高炉操作炼铁高炉炼铁非高炉炼铁渣铁处理系统煤气除尘系统喷吹系统高炉矿石焦炭煤空气炉渣铁水炉尘净煤气高炉及其附属系统供料系统送风系统3.1概述鱼雷罐车lumpore主输送帶鼓风机热风炉除尘器洗涤器烟囱配料间炉顶回收电BFG储槽冷空气热风废气鼓风嘴出铁口无钟罩式炉顶高炉sintercokeflux高炉工艺流程3.1.1高炉冶炼过程及其特点高炉炼铁的本质是铁的还原过程，即焦炭做燃料和还原剂，在高温下将铁矿石或含铁原料的铁，从化合物状态（如Fe2O3、Fe3O4等）还原为液态生铁。冶炼过程中，炉料（矿石、熔剂、焦炭）按照确定的比例通过装料设备分批地从炉顶装入炉内。从下部风口鼓入的高温热风与焦炭发生反应，产生的高温还原性煤气上升，并使炉料加热、还原、熔化、造渣，产生一系列的物理化学变化，最后生成液态渣、铁聚集于炉缸，周期地从高炉排出。上升过程中，煤气流温度不断降低，成分逐渐变化，最后形成高炉煤气从炉顶排出。焦炭熔剂铁矿石上料机高炉热风炉鼓风机喷吹燃料罐水渣煤气除尘生铁炉渣特殊生铁炼钢生铁铸造生铁净煤气渣棉建筑材料绝热材料炉尘其它用途空气冷风热风燃料高炉冶炼特点1)高炉冶炼是在炉料与煤气流逆向运动过程中完成各种错综复杂的化学反应和物理变化的，炉内主要是还原性气氛。2)高炉是密闭的容器，除装料、出铁、出渣及煤气外，操作人员无法直接观察到反应过程的状况。只能凭借仪器仪表间接观察炉内状况。（黑箱操作）3)高炉是连续的、大规模的高温生产过程，机械化和自动化水平较高。3.1.2高炉炼铁的原料和产品高炉冶炼的主要原料是铁矿石、燃料、熔剂、热风高炉冶炼的主要产品是生铁、高炉渣和高炉煤气。1）生铁生铁可分为炼钢生铁、铸造生铁。炼钢生铁供转炉、电炉炼钢使用。铸造生铁则主要用于生产耐压铸件。生铁是Fe与C及其它一些元素的合金。通常，生铁含Fe94%左右，C4%左右。其余为Si、Mn、P、S等少量其他元素。一般来说，生铁和钢的化学成分主要差别是含碳量。钢中含碳量最高不超过2.11%。高炉生铁含碳量在2.5~4.5%范围。铸铁中不超过5.0%当铸铁中C5.0%时，铸铁甚脆，没有实用价值。含碳量在1.6~2.5%之间的钢铁材料，由于缺乏实用性，一般不进行工业生产。炼钢生铁作为转炉炼钢的原料，约占生铁产量的80~90%。铸造生铁，又称为翻砂铁或灰口铁，用于铸件生产。其主要特点是含硅较高，在1.25~4.25%之间。硅在生铁中能促进石墨化，即使化合碳游离成石墨碳，增强铸件的韧性和耐冲击性并易于切削加工。铸造生铁约占生铁产量的10%左右。高炉还可生产特殊生铁，如锰铁、硅铁、镜铁。镜铁（含10~25%Mn）、硅镜铁（含9~13%Si，18~24%Mn）等，主要用作炼钢脱氧剂和合金化剂。（不划算，一般不生产）2)高炉渣高炉渣主要成分是CaO、MgO、SiO2、Al2O3等。由于冶炼矿石品位、焦比及焦炭灰分的不同，我国大中型高炉的单位生铁渣量在0.3~0.5t之间，其工业用途广泛。如在炉前急冷粒化成水渣，作成水泥和建筑原材料，酸性渣还可在炉前用蒸汽吹成渣棉，作绝热材料。冶炼多元素共生的复合矿时，炉渣中常富集有多种元素（如稀土、钛等）。这类炉渣可进一步利用。3）高炉煤气高炉煤气含有约20%~25%的CO，1~3%的H2,少量的CH4等。冶炼每吨生铁可产生1600~3000m3的高炉煤气，从高炉排出的煤气中含有大量的炉料粉尘，经过除尘处理可使含尘量降到10~20mg/m3。除尘处理后的高炉煤气发热值约为3350~3770kJ/m3，是良好的气体燃料。但高炉冶炼产生的煤气量、成分及发热值与高炉操作参数及产品种类有关。高炉煤气是钢铁联合企业的重要二次能源，主要用作热风炉燃料，还可供动力、炼焦、烧结、炼钢、轧钢等部门使用。注意：民用煤气并不是高炉煤气，而是焦炉煤气！！3.1.3高炉生产主要技术经济指标高炉生产的技术水平和经济效果可用如下技术经济指标来衡量：⑴有效容积利用系数(ημ)是指每立方米高炉有效容积、每昼夜生产的合格生铁量。式中：P－生铁日产量；Vμ－高炉有效容积，m3⑵焦比（K）是生产1吨生铁所消耗的干焦炭质量。显然，焦比愈低愈好。式中：Q－每日消耗焦炭量，kg/d。在喷吹燃料时，高炉的的能耗情况用燃料比（K燃）表示，即每吨生铁耗用各种入炉燃料之总和。K燃＝（焦炭+煤粉+重油+…）kg/t喷吹燃料按对置换比折算为相应的干焦（K`）与实际耗用的焦炭量（焦比K）之和称为综合焦比（K综）。K综＝（K+K`）kg/t⑶冶炼强度（I）每m3高炉有效容积每天消耗焦炭的重量。利用系数、焦比和冶炼强度三者之间的关系为：⑷生铁合格率合格生铁量占高炉总产量的百分数。此外，优质生铁占生铁总量的百分数称为优质率。合格率和优质率都是生铁质量指标。对生铁质量的考查主要看其化学成分（如S和Si）是否符合国家标准。⑸休风率高炉休风时间占规定作业时间的百分数。⑹生铁成本生产1吨生铁所需的费用。⑺一代高炉寿命（炉龄）从高炉点火开炉到停炉大修之间的时间，或高炉相邻两次大修之间的冶炼时间叫做高炉一代寿命。3.2高炉冶炼原理3.2.1高炉内各区域进行的主要反应为了弄清高炉内各部分的反应及变化规律，人们曾多次对正在运行中的高炉突然停炉，并用水或氮气进行急冷，使炉内物料保持生产时的原状，然后对其解剖分析，以揭示高炉内部的奥秘。大量解剖研究表明，炉料下降过程分布是呈层状的，直至下部熔化区域，但炉料中焦炭在燃烧前始终处于固体状态而不软化不熔化。一般，高炉内炉料分布可分为块状带、软熔带、滴落带、焦炭回旋带和炉缸带五带。高炉冶炼过程中炉内炉料下降过程状态的变化高炉内各区域主要反应及特征3.2.2燃烧反应高炉内然料燃烧的意义高炉冶炼的燃料主要是焦炭，焦炭所含的碳素。除少数消耗于直接还原和溶入生铁外，绝大部分下降至风口与热风中的氧进行燃烧反应。从风口喷吹的燃料也在风口前燃烧。燃料燃烧放出大量的热，并产生高温还原性气体(CO,H2)，保证了炉料的加热、分解、还原、熔化、造渣等炉缸内渣铁反应的进行。高炉冶炼的主要燃料焦炭中的碳除小部分在下降过程中参加直接还原和渗人生铁外，约70%进行燃烧反应。此外还有从风口喷入的燃料(重油、天然气、煤粉)中的碳等均在风口前发生燃烧反应。完全燃烧：不完全然烧：高炉内燃烧反应在焦炭过剩条件下进行，即使在氧充足处产生的CO2也会与固体碳进行气化反应，如下式：热风带入的氮在整个过程中不参与反应、带入的水分在高温下与碳发生反应：•理论燃烧温度理论燃烧温度：即风口前焦炭燃烧所能达到的最高平均温度，也即炉缸煤气尚未与炉料参与热交换前的原始温度。T理=（QC+Q物+Q风-Q水解-Q喷吹）/(V煤气*C煤气）理论燃烧温度是判断炉缸热状态的重要参数。通常可以通过以下措施提高理论燃烧温度可采取主要措施包括：(1)提高鼓风温度；(2)提高鼓风中氧气含量；(3)降低鼓风湿度；(4)减少喷吹量；(5)减少炉缸煤气体积。•回旋区和燃烧带随着高炉冶炼强度的提高风速增大(I00～200m/s)焦炭在风口前随气流一起运动，形成一个非静止的、疏散的、近似球形的自由空间，即为风口回旋区。影响燃烧带大小的因素主要有：①鼓风动能表示鼓风的穿透能力。鼓风动能越大，燃烧带越大。②燃烧反应速度燃烧反应速度提高，燃烧带缩小。一般情况下，风温提高。燃烧反应速度加快，燃烧反应时间减少，燃烧带长度减小；鼓风中氧增加，燃烧反应速度加快，燃烧反应时间减少，燃烧带长度减小。③炉缸料柱压力炉缸内料柱疏松，燃烧带延长；反之，燃烧带缩小。④焦炭性质焦炭粒度、气孔度、反应性等对燃烧带大小也有一定的影响。3.2.3炉料的蒸发、挥发和分解入炉的炉料首先受到上升煤气流的加热作用，进行水分的蒸发、结晶水的分解、挥发物的挥发和碳酸盐的分解。水分的蒸发和结晶水的分解炉料中水分存在形式——以吸附水和结晶水两种形式。吸附水加热到105℃时迅速干燥和蒸发。蒸发耗热不多，仅使炉顶温度降低，对高炉冶炼过程不产生明显的影响。结晶水也称化合水，一般存在于褐铁矿(nH2O·Fe2O3)等化合物中。随着温度升高到400~600℃,结晶水在炉内大量分解。如果结晶水分解发生在炉内高温区，会发生H2O+C=CO+H2,会增大高炉内燃料消耗，对冶炼产生不利影响。挥发分的挥发挥发物的挥发包括燃料中挥发分的挥发和高炉内其他物质的挥发。燃料中挥发分对于煤气成分和冶炼过程影响不大，但在高炉喷吹条件下，容易引起炉缸煤气成分的明显变化，对还原也有影响。应尽可能把燃料中的挥发分控制在下限水平。除燃料中的挥发分外，高炉内其他元素挥发或循环富集，包括：(1)还原产物:S,P,As,K,Na,Zn,Pb,Mn等；(2)还原中间产物：SiO,PbO,K2O,Na2O等；(3)高炉内新生化合物：SiS,CS等。另外炉料带入的CaF2等化合物的挥发也会对高炉炉况和炉衬产生不利影响。碳酸盐的分解高炉内碳酸盐主要以CaCO3,MgCO3、FeCO3,MnCO3等形式存在，并以熔剂中的CaCO3为主。石灰石分解后，越有50%以上参与CO2+C=H2+CO反应，强吸热反应，此反应的发生对于高炉冶炼将产生危害。石灰石分解对冶炼的影响反应耗热，反应耗碳都使焦比升高，反应产物CO2冲淡了还原气氛。为减少其危害通常可采用熔剂性烧结矿或球团矿，不加或少加石灰石，缩小矿石粒度等措施来降低焦比。3.2.4氧化物还原热力学⑴铁氧化物及其特性（2）还原的顺序性FeOFeFeFe3O4Fe2O33还原中的赤铁矿球（3）还原反应的分类间接还原反应定义：以CO或H2为还原剂，产物为CO2或H2O（水蒸气）的反应。直接还原反应定义：高炉内消耗固体还原剂C的还原反应，产物为CO气体。（4）用CO、H2还原（间接还原反应）平衡常数平衡气相中%CO和%H2也仅是温度的函数，作平衡气相中%CO-T或%H2-T关系图，得“叉子曲线”。CO还原铁矿石气相平衡组成图570℃①由图可看出，曲线a、c、d向上斜，为放热反应;曲线b向下斜，为吸热反应，三个放热反应一个吸热反应。②b、d、c三条曲线交于570℃，在此Fe、FeO和Fe3O4三相平衡共存。③曲线把图像分为四个区域，分别表示Fe、FeO、Fe3O4和Fe2O3稳定存在区域。④T570℃时还原顺序为：Fe2O3→Fe3O4→Fe⑤温度大于570℃时还原顺序为：Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe570℃①由图可看出，曲线4向上斜，为放热反应;曲线1，2，3向下斜，为吸热反应，三个吸热反应一个放热反应。②1、2、3三条曲线交于570℃，在此Fe、FeO和Fe3O4三相平衡共存。③曲线把图像分为四个区域，分别表示Fe、FeO、Fe3O4和Fe2O3稳定存在区域。④T570℃时还原顺序为：Fe2O3→Fe3O4→Fe⑤温度大于570℃时还原顺序为：Fe2O3→Fe3O4→FeO→FeCO还原铁矿石气相平衡组成图①与CO还原一样，均属间接还原。反应前后气相体积没有变化，即反应不受压力影响。②除Fe2O3,的还原外，Fe3O4、FeO的还原均为可逆反应。为了铁的氧化物还原彻底，都需要过量的还原剂。③CO还原是三个放热反应一个吸热反应；H2的还原是三个吸热反应一个放热反应。④从热力学因素看810℃以上时H2的还原能力高于CO还原能力，810℃以下时，则相反。⑤从反应的动力学看，H2与其反应产物H2O的分子半径均比CO与其反应产物CO2的分子半径小，因而扩散能力强。以此说明不论在低温或高温下，H2还原反应速度都比CO还原反应速度快。（5）消耗H2与CO的间接还原比较（6）用固体碳的还原反应——直接还原矿石在软化和熔化之前与焦炭的接触面积很小，反应的速度则很慢。所以直接还原反应受到限制。在高温区进行的直接还原实际上是通过下述两个步骤进行：CO2+C=CO这个反应成为碳的气化反应，是一个强的吸热反应。1000℃以上才剧烈进行，因此，只有在高于1000℃以上才能发生消