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炼铁工艺、电气仪表设备及其自动化基础培训讲师：孟卓源信息化部自控处概述高炉炼铁生产是冶金(钢铁)工业最主要的环节。高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。生产时，从炉顶（一般炉顶是由料钟与料斗组成，现代化高炉是钟阀炉顶和无料钟炉顶）不断地装入铁矿石、焦炭、熔剂(铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并使炉喉料面保持一定的高度，焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构)，从高炉下部的风口吹进热风（1000～1300℃），喷入油、煤或天然气等燃料。随着焦炭等燃料的燃烧，产生热煤气流由下而上运动，而炉料则由上而下运动，互相接触，进行热交换，逐步还原，熔化成铁和渣，聚集在炉缸中，定期从铁口、渣口放出。高炉生产是连续进行的。一代高炉（从开炉到大修停炉为一代）能连续生产几年到十几年。由于高炉在钢铁厂处于咽喉位置，需及时和稳定地供给炼钢工序合格的铁水，故其稳定工作是很重要的。高炉生产能耗很大，占整个钢铁厂的约60%，加之近年来由于高炉大型化，稍有不正常，损失就很大，因此其稳定工作就愈加显得重要。此外，大中型高炉每昼夜上料装料达近万吨，如此大量的且要正确称量、配料、批重和水分补正以及要按规定顺序及时装入炉内，用人工执行是很困难的。因此国内外新建大中型高炉都是高度自动化的。概述高炉自动化的目的主要是保证高炉操作的4个主要问题：即正确的配料并以一定的顺序及时装入炉内；控制炉料均匀下降；调节料柱中炉料分布及保持与煤气流良好的接触；保持合适的热状态。现代高炉自动化主要是指仪表检测及控制系统、电气控制系统和过程及管理用的计算机。仪表控制系统和电气控制系统通常由DCS或PLC完成。现代大型高炉车间主要包括五部分：高炉本体、贮矿槽、出铁场、除尘器和热风炉。此外还有辅助车间，如煤气清洗、炉顶煤气余压发电（TRT）、水渣、水处理和制粉车间。本教材将详细介绍高炉炼铁生产的工艺流程，主要工艺设备的工作原理以及控制要求等信息。第一章高炉炼铁基本知识1.1高炉生产概述1.1.1高炉工艺流程和产品(1)高炉概述高炉是用于生产生铁的的炉子，它是圆柱和圆台型的结合体，是一种“瓶式”竖炉，他从上到下一共分为五个部分，有炉喉（圆柱）、炉身（圆台）、炉腰（圆柱）、炉腹（圆台）和炉缸（圆柱）,在炉缸开有数量不等的风口、渣口和铁口。他的产品就是生铁，生铁是含有1.7%以上的碳(C),并且含有一定数量的硅(Si)、锰（Mn）、磷（P）、硫（S）等元素的铁碳合金的统称。它的副产品是炉渣、高炉煤气和炉尘。生铁一般分为三大类：即供炼钢用的炼钢生铁，供铸造机件和工具用的铸造铁，以及特种生铁，如作合金用的高炉锰铁和硅铁等。(2)高炉生产工艺流程高炉是炼铁工艺流程的主体，另外还有上料系统、装料系统、送风系统、煤气回收和除尘系统、渣铁处理系统、喷吹系统以及为这些系统服务的动力系统。高炉冶炼用的铁矿石和燃料、溶剂等就是由炉顶的装料设备装入炉内的，并向下运动；从下部鼓入的空气燃烧燃料，产生大量的高温还原性气体向上运动；炉料经过加热、还原、熔化、造渣、渗碳、脱硫等一系列化学物理过程，最终生成液态炉渣和生铁。第一章高炉炼铁基本知识1.1高炉生产概述1.1.1高炉工艺流程和产品(3)高炉生产的特点1)长期连续生产，高炉从开炉到大修（现在一代炉龄已达15年）停炉这一期间内一直不停地连续运转，仅在设备检修或发生事故时才暂停生产（即休风）。2)规模大型化，目前已有5000m3的高炉，日产万吨生铁。3)机械、自动化程度越来越高。4)生产的联合性，从高炉本身来说，从上料到出铁、出渣，从送风到煤气回收，各系统都必须有机的协调联合工作。在整个钢铁联合生产中，高炉也是重要的一环，它的事故或停产都会对整个生产造成严重影响。(4)高炉副产品的用途高炉渣：液态炉渣用水急冷成水渣，可做水泥原料；液态炉渣用高压蒸汽或高压空气吹成棉渣，可做绝热保温材料。液态炉渣用少量高压水冲到一个旋转的滚筒上急冷而成膨珠（膨胀渣），是良好的保温材料，也可做轻质混凝土骨料。用炉渣可制成矿渣砖，或用干渣块做铺路材料。高炉煤气一般含有20％以上的一氧化碳、少量的氢和甲烷，发热值一般为2900~3800kj/m3，是一种很好的低发热值气体燃料，除用来烧热风炉外，还可供炼焦、加热炉和烧锅炉。高炉炉尘是随高炉煤气带出炉外的细粒炉料，主要含铁和碳，可作烧结的原料。第一章高炉炼铁基本知识1.1高炉生产概述图1高炉冶炼工艺流程简图第一章高炉炼铁基本知识1.1高炉生产概述1.1.2高炉炼铁的主要经济技术指标与相关术语解释(1)利用系数η利用系数一般指的是容积利用系数,即高炉一立方米容积每日生产的合格炼钢生铁产量（t/m3.d），是高炉一日的产量（P）与高炉容积（V）的比值。我国的利用系数按高炉有效容积计算，欧美用工作容积计算，分别称为有效容积利用系数和工作容积利用系数。另外还有炉缸面积利用系数,即单位一平方米炉缸面积每日生产的合格炼钢生铁产量，是高炉一日的产量（P）与高炉炉缸面积（A）的比值。(2)冶炼强度I现分为焦炭冶炼强度和综合冶炼强度，焦炭冶炼强度是一日一立方米高炉容积消耗的焦炭量（t/m3.d），即高炉一日入炉的焦炭量（Qk）与高炉容积（V）的比值。一日一立方米高炉容积消耗的焦炭量和喷吹燃料的总和是综合冶炼强度（t/m3.d），即高炉一日入炉的焦炭量（Qk）与喷吹燃料量（Q喷）相加与高炉容积（V）的比值。(3)焦炭负荷是每批炉料中铁矿石总量（包括烧结矿、球团矿、天然块矿和锰矿等）（Q矿）与每批炉料中焦炭量（Q焦）的比值。(4)休风率休风率是高炉休风停产时间占规定日历作业时间的百分数。所谓规定日历作业时间是指日历时间减去计划大、中修时间和封炉时间。(5)焦比K它是冶炼一吨生铁所需的干焦量（kg/t）。第一章高炉炼铁基本知识1.1高炉生产概述1.1.2高炉炼铁的主要经济技术指标与相关术语解释(6)煤比Y煤比是冶炼一吨生铁所喷吹的煤粉量（kg/t）。(7)燃料比它是指冶炼一吨生铁所消耗的干焦量与煤粉之和。(8)综合焦比综合焦比是指即将冶炼一吨生铁所喷吹的煤粉量乘上置换比折算成干焦炭量，在与冶炼一吨生铁消耗的干焦量相加即为综合焦比。(9)工序能耗是指某一段时间(月、季、年)内，高炉生产系统和辅助生产系统以及直接为炼铁生产服务的附属系统所消耗的各种能源的实物耗量。扣除回收利用的能源，并折算成标煤（29330kj/t）与该时段的内生铁产量之比值。(10)高炉寿命有两种表示方法：一是一代炉龄，从开炉到大修停炉的时间。一般8年以下为低寿命，8－12年为中等，12年以上为长寿。二是一代炉龄中每立方米有效容积产铁量。一般5000t/m3以下为低寿命，5000-8000t/m3为中等，8000t/m3以上为长寿。第一章高炉炼铁基本知识1.1高炉生产概述1.1.3高炉用的矿石、溶剂和燃料(1)高炉生产用的主要原料高炉生产的主要原料是铁矿石及其代用品、锰矿石、燃料和溶剂。铁矿石包括天然矿和人造富矿（烧结矿、球团矿等）。一般含铁量超过50％的天然富矿，可以直接入炉；含铁量低于30－45％的矿石直接入炉不经济，须经选矿和造块加工成人造富矿后入炉。铁矿石代用品主要有：高炉炉尘、氧气转炉炉尘、轧钢皮、硫酸渣以及一些有色金属选矿的高铁尾矿等，这些原料一般均加入造块原料中使用。锰矿石一般只在高炉生产锰铁时才使用。(2)高炉常用的铁矿石及其特点各种含铁矿物按其矿物组成，主要可分为4大类：磁铁矿（Fe3O4）、赤铁矿（Fe2O3）褐铁矿（Fe2O3·nH2O）和菱铁矿（FeCO3）。由于它们的化学成分、结晶构造以及生成的地质条件不同，因此各种铁矿石具有不同的外部形态和物理特性。(3)铁矿石的评价标准矿石的含铁量是评价铁矿石质量最重要的标准，矿石有无开采价值，开采以后可否直接入炉和其冶炼价值如何，主要取决于矿石的含铁量。矿石含铁量愈高，其冶炼价值愈高，随着含铁量的降低，矿石的冶炼价值降低，而且，冶炼价值降低的幅度，远比含铁量降低的幅度大。第一章高炉炼铁基本知识1.1高炉生产概述1.1.3高炉用的矿石、溶剂和燃料(4)高炉用熔剂由于高炉造渣的需要，高炉配料中常加入一定数量的助熔剂，简称熔剂。其目的是脉石中高熔点的氧化物生成低熔点的化合物，形成流动性良好的炉渣，达到渣铁分离和去除杂质的目的。高炉的熔剂主要有石灰石、白云石、菱镁石、硅石及萤石等。目前由于精料的技术进步，使用高碱度烧结矿和酸性球团或块矿，熔剂直接入炉的可能性越来越小，仅作稳定炉况调剂炉渣碱度的手段。对熔剂的要求是：熔剂性高、有害杂质少，粒度均匀。(5)高炉的主要燃料及特点高炉用的燃料有木炭、无烟煤、焦炭、煤粉、重油、天然气和型焦。现在主要用焦炭和煤粉，煤粉分无烟煤和烟煤。焦炭是高炉的主要燃料也是理想的燃料，它是由煤在高温下（900－1000℃）干馏而成，它的化学成分完全能够满足高炉炼铁的要求，机械强度大大高于木炭，热稳定性比无烟煤好，气孔度虽不如木炭，但比白煤大的多。喷吹燃料现在我国主要是煤粉，为了降低焦比，目前世界各国普遍采用从高炉风口喷入部分燃料以代替部分焦炭。第一章高炉炼铁基本知识1.1高炉生产概述1.1.3高炉用的矿石、溶剂和燃料(6)高炉对焦炭质量的要求1)固定碳含量要高，灰分要低。因为固定碳含量高，其发热值高，单位重量焦炭所提供的还原剂数量也多，有利于降低焦比。焦炭中的固定碳含量提高1％，可降低焦比2％。灰分含量增加焦炭固定碳含量就降低。2)降低焦炭强度。3)灰分主要是SiO2和Al2O3等酸性氧化物，增加碱性熔剂用量，从而是渣量增加，焦比降低。一般灰分增加1％，焦比升高2％，产量降低3％。含S、P杂质要少，高炉冶炼过程中的硫80％来自焦炭，焦炭含硫量升高须相应提高炉渣碱度和提高炉温以改善炉渣脱硫能力，从而渣量增加，焦比升高，产量降低。一般S升高0.1%,焦比升高1.5％，产量降低2％。另外焦炭机械强度要高，粒度要均匀、粉末要少，水分稳定，反应性要低，抗碱性要强。(7)铁矿石入炉前的加工处理为了满足高炉冶炼对铁矿石的一系列的质量要求，铁矿石入炉之前必须进行必要的加工处理。矿石的性质不同，加工处理的方法也不同，对于天然富矿，首先要经过破碎和筛分已获得合适而均匀的粒度，然后在储矿场按平铺直取法进行混匀，达到稳定化学成分的目的。对褐铁矿、菱铁矿和致密难还原的磁铁矿，还要进行适当的焙烧处理，以驱逐其结晶水和CO2、提高品位、疏松组织、改善还原性。对于贫矿，一般都要经过破碎、筛分、细磨和精选，得到含铁60％以上的精矿粉，然后经过造块得到人造富矿，再按高炉粒度要求进行适当的破碎和筛分后入炉。(8)高炉的精料方针精料是高炉炼铁的基础，用“七分原料三分操作”或“四分原料三分设备三分操作”来说明精料对高炉生产的影响，并有“高、熟、净、小、匀、稳、熔”七字方针。也就是入炉品位要高，多用烧结矿和球团矿、筛除小于5mm的粉末，控制入炉矿上限，保证粒度均匀，化学成分稳定。较全面的提法是“渣量小于300kg/t,成分稳定、粒度均匀，具有良好的冶金性能，炉料结构合理。”第一章高炉炼铁基本知识1.2高炉炼铁过程概述1.2高炉炼铁过程概述1.2.1高炉内的分解和还原过程(1)高炉原料中游离水对高炉冶炼的影响游离水存在于矿石和焦炭的表面和空隙里。炉料进入高炉之后，由于上升煤气流的加热作用游离水首先开始蒸发。游离水蒸发的温度是100℃，但是料块内部也达到100℃，从而使炉料中的游离水全部蒸发掉，就需要更高的温度。根据料块的大小不同，需要达到120℃，或者对大块来说，甚至要达到200℃，游离水才能全部蒸发掉。一般用天然矿或冷烧结矿的高炉。其炉顶温度为150～300℃，因此，炉料中的游离水进入高炉之后，不久就蒸发完毕，不增加炉内燃料消耗。相反，游离水的蒸发降低了炉顶温度，有利于炉顶设备的维护，延长炉顶设备的寿命。另一方面，炉顶温度的降低使煤气体积缩小，降低煤气的流速，从而减少炉尘吹出量。(2)高炉原料内结晶水对高炉冶炼的影响炉料中的结晶水主要存在于水化物矿石（如褐铁矿2Fe2O3·H2O）和高岭土（Al2O3·2SiO2·2H2O）中