第三章 高爐煉鐵工藝(工藝部分)-講義

1、第三章第三章 高爐煉鐵工藝高爐煉鐵工藝3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 高爐冶煉原理高爐冶煉原理3.3 3.3 高爐本體及附屬系統(tǒng)高爐本體及附屬系統(tǒng)3.4 3.4 高爐操作高爐操作煉鐵高爐煉鐵非高爐煉鐵渣鐵處理系統(tǒng)煤氣除塵系統(tǒng)噴吹系統(tǒng)高爐礦石 焦炭煤空氣爐渣 鐵水爐塵凈煤氣高爐及其附屬系統(tǒng)供料系統(tǒng)送風(fēng)系統(tǒng) 3.1 概述概述魚(yú)雷罐車(chē)魚(yú)雷罐車(chē)lumpore主主輸送輸送帶帶鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)機(jī)熱風(fēng)爐熱風(fēng)爐除除塵塵器器洗滌器洗滌器煙囪煙囪配料配料間間爐頂回收電爐頂回收電BFG儲(chǔ)槽儲(chǔ)槽冷空氣冷空氣熱風(fēng)熱風(fēng)廢氣廢氣鼓鼓風(fēng)風(fēng)嘴嘴出出鐵鐵口口無(wú)鐘無(wú)鐘罩式罩式爐頂爐頂高高爐爐sintercokeflux高爐工藝流

2、程3.1.1 3.1.1 高爐冶煉過(guò)程及其特點(diǎn)高爐冶煉過(guò)程及其特點(diǎn) 高爐煉鐵的本質(zhì)是鐵的還原過(guò)程，即焦炭做燃料和還原劑，在高溫下將鐵礦石或含鐵原料的鐵，從化合物狀態(tài)（如Fe2O3、Fe3O4等）還原為液態(tài)生鐵。 冶煉過(guò)程中，爐料（礦石、熔劑、焦炭）按照確定的比例通過(guò)裝料設(shè)備分批地從爐頂裝入爐內(nèi)。從下部風(fēng)口鼓入的高溫?zé)犸L(fēng)與焦炭發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的高溫還原性煤氣上升，并使?fàn)t料加熱、還原、熔化、造渣，產(chǎn)生一系列的物理化學(xué)變化，最后生成液態(tài)渣、鐵聚集于爐缸，周期地從高爐排出。上升過(guò)程中，煤氣流溫度不斷降低，成分逐漸變化，最后形成高爐煤氣從爐頂排出。 高爐冶煉特點(diǎn)高爐冶煉特點(diǎn) 1) 1)高爐冶煉是在爐料與煤

3、氣流逆向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中完成各種錯(cuò)高爐冶煉是在爐料與煤氣流逆向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中完成各種錯(cuò)綜復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和物理變化的，爐內(nèi)主要是綜復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和物理變化的，爐內(nèi)主要是還原性氣氛還原性氣氛。 2)2)高爐是密閉的容器，除裝料、出鐵、出渣及煤氣外，操高爐是密閉的容器，除裝料、出鐵、出渣及煤氣外，操作人員無(wú)法直接觀察到反應(yīng)過(guò)程的狀況。只能憑借儀器儀表間作人員無(wú)法直接觀察到反應(yīng)過(guò)程的狀況。只能憑借儀器儀表間接觀察爐內(nèi)狀況。接觀察爐內(nèi)狀況。（黑箱操作）（黑箱操作） 3)3)高爐是高爐是連續(xù)的連續(xù)的、大規(guī)模的高溫生產(chǎn)過(guò)程，機(jī)械化和自動(dòng)、大規(guī)模的高溫生產(chǎn)過(guò)程，機(jī)械化和自動(dòng)化水平較高?；捷^高。3.1.2 3.1.2

4、 高爐煉鐵的原料和產(chǎn)品高爐煉鐵的原料和產(chǎn)品 高爐冶煉的主要原料是鐵礦石、燃料、熔劑、熱風(fēng) 高爐冶煉的主要產(chǎn)品是生鐵、高爐渣和高爐煤氣。 1 1）生鐵生鐵 生鐵可分為煉鋼生鐵、鑄造生鐵。 煉鋼生鐵供轉(zhuǎn)爐、電爐煉鋼使用。 鑄造生鐵則主要用于生產(chǎn)耐壓鑄件。 生鐵是Fe與C及其它一些元素的合金。 通常，生鐵含F(xiàn)e 94%左右，C 4%左右。 其余為Si、Mn、P、S等少量其他元素。 一般來(lái)說(shuō)，生鐵和鋼的化學(xué)成分主要差別是含碳量含碳量。鋼中含碳量最高不超過(guò)2.11%2.11%。 高爐生鐵含碳量在2.54.5%范圍。 鑄鐵中不超過(guò)5.0% 當(dāng)鑄鐵中C5.0%時(shí)，鑄鐵甚脆，沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。 含碳量在1.62.

5、5%之間的鋼鐵材料，由于缺乏實(shí)用性，一般不進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)。 煉鋼生鐵作為轉(zhuǎn)爐煉鋼的原料，約占生鐵產(chǎn)量的8090%。 鑄造生鐵，又稱(chēng)為翻砂鐵或灰口鐵，用于鑄件生產(chǎn)。 其主要特點(diǎn)是含硅較高，在1.254.25%之間。硅在生鐵中能促進(jìn)石墨化，即使化合碳游離成石墨碳，增強(qiáng)鑄件的韌性和耐沖擊性并易于切削加工。鑄造生鐵約占生鐵產(chǎn)量的10%左右。 高爐還可生產(chǎn)特殊生鐵，如錳鐵、硅鐵、鏡鐵。 鏡鐵（含1025%Mn）、硅鏡鐵（含913%Si，1824%Mn）等，主要用作煉鋼脫氧劑和合金化劑。（不劃算，一般不生產(chǎn)） 2)2)高爐渣高爐渣 高爐渣主要成分是CaO、MgO、SiO2、Al2O3等。 由于冶煉礦石品位、

6、焦比及焦炭灰分的不同，我國(guó)大中型高爐的單位生鐵渣量在0.30.5t之間，其工業(yè)用途廣泛。 如在爐前急冷?；伤?，作成水泥和建筑原材料，酸性渣還可在爐前用蒸汽吹成渣棉，作絕熱材料。 冶煉多元素共生的復(fù)合礦時(shí)，爐渣中常富集有多種元素（如稀土、鈦等）。這類(lèi)爐渣可進(jìn)一步利用。 3 3）高爐煤氣高爐煤氣 高爐煤氣含有約20%25%的CO，13%的H2,少量的CH4等。 冶煉每噸生鐵可產(chǎn)生16003000m3的高爐煤氣，從高爐排出的煤氣中含有大量的爐料粉塵，經(jīng)過(guò)除塵處理可使含塵量降到1020mg/m3。除塵處理后的高爐煤氣發(fā)熱值約為33503770kJ/m3，是良好的氣體燃料。但高爐冶煉產(chǎn)生的煤氣量、成

7、分及發(fā)熱值與高爐操作參數(shù)及產(chǎn)品種類(lèi)有關(guān)。 高爐煤氣是鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的重要二次能源，主要用作熱風(fēng)爐燃料，還可供動(dòng)力、煉焦、燒結(jié)、煉鋼、軋鋼等部門(mén)使用。注意：民用煤氣并不是高爐煤氣，而是焦?fàn)t煤氣！3.1.3 3.1.3 高爐生產(chǎn)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高爐生產(chǎn)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 高爐生產(chǎn)的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效果可用如下技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來(lái)衡量： 有效容積利用系數(shù)() 是指每立方米高爐有效容積、每晝夜生產(chǎn)的合格生鐵量。式中：P生鐵日產(chǎn)量；V高爐有效容積，m3 焦比（K） 是生產(chǎn)1噸生鐵所消耗的干焦炭質(zhì)量。顯然，焦比愈低愈好。 式中：Q每日消耗焦炭量，kg/d。 在噴吹燃料時(shí)，高爐的的能耗情況用燃料比（燃料比（K K燃燃）

8、表示，即每噸生鐵耗用各種入爐燃料之總和。 K燃（焦炭+煤粉+重油+）kg/t 噴吹燃料按對(duì)置換比折算為相應(yīng)的干焦（K）(高爐生產(chǎn)每噸鐵水所消耗的焦炭、煤粉、重油等燃料燃料所折合成的焦炭數(shù)量，煤粉按0.8系數(shù)折算，重油按1.2折算，單位為kg/t)與實(shí)際耗用的焦炭量（焦比K）之和稱(chēng)為綜合焦比（綜合焦比（K K綜）綜）。K綜（K + K）kg/t 冶煉強(qiáng)度（I） 每m3高爐有效容積每天消耗焦炭的重量。 利用系數(shù)、焦比和冶煉強(qiáng)度三者之間的關(guān)系為： 生鐵合格率生鐵合格率 合格生鐵量占高爐總產(chǎn)量的百分?jǐn)?shù)。此外，優(yōu)質(zhì)生鐵占生鐵總量的百分?jǐn)?shù)稱(chēng)為優(yōu)質(zhì)率。合格率和優(yōu)質(zhì)率都是生鐵質(zhì)量指標(biāo)。對(duì)生鐵質(zhì)量的考查主要看其

9、化學(xué)成分（如S和Si）是否符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 休風(fēng)率休風(fēng)率 高爐休風(fēng)時(shí)間占規(guī)定作業(yè)時(shí)間的百分?jǐn)?shù)。 生鐵成本生鐵成本 生產(chǎn)1噸生鐵所需的費(fèi)用。一代高爐壽命（爐齡）一代高爐壽命（爐齡） 從高爐點(diǎn)火開(kāi)爐到停爐大修之間的時(shí)間，或高爐相鄰兩次大修之間的冶煉時(shí)間叫做高爐一代壽命。3.23.2高爐冶煉原理高爐冶煉原理3.2.1 3.2.1 高爐內(nèi)各區(qū)域進(jìn)行的主要反應(yīng)高爐內(nèi)各區(qū)域進(jìn)行的主要反應(yīng) 為了弄清高爐內(nèi)各部分的反應(yīng)及變化規(guī)律，人們?cè)啻螌?duì)正為了弄清高爐內(nèi)各部分的反應(yīng)及變化規(guī)律，人們?cè)啻螌?duì)正在運(yùn)行中的高爐突然停爐，并用水或氮?dú)膺M(jìn)行急冷，使?fàn)t內(nèi)在運(yùn)行中的高爐突然停爐，并用水或氮?dú)膺M(jìn)行急冷，使?fàn)t內(nèi)物料保持生產(chǎn)時(shí)

10、的原狀，然后對(duì)其解剖分析，以揭示高爐內(nèi)物料保持生產(chǎn)時(shí)的原狀，然后對(duì)其解剖分析，以揭示高爐內(nèi)部的奧秘。大量解剖研究表明，爐料下降過(guò)程分布是呈部的奧秘。大量解剖研究表明，爐料下降過(guò)程分布是呈層狀層狀的，直至下部熔化區(qū)域，但爐料中焦炭在燃燒前始終處于固的，直至下部熔化區(qū)域，但爐料中焦炭在燃燒前始終處于固體狀態(tài)而不軟化不熔化。一般，高爐內(nèi)爐料分布可分為體狀態(tài)而不軟化不熔化。一般，高爐內(nèi)爐料分布可分為塊狀塊狀帶帶、軟熔帶軟熔帶、滴落帶滴落帶、焦炭回旋帶焦炭回旋帶和和爐缸帶爐缸帶五帶。五帶。高爐冶煉過(guò)程中爐內(nèi)爐料下降過(guò)程狀態(tài)的變化高爐冶煉過(guò)程中爐內(nèi)爐料下降過(guò)程狀態(tài)的變化高爐內(nèi)各區(qū)域主要反應(yīng)及特征3.2.2

11、3.2.2燃燒反應(yīng)燃燒反應(yīng)高爐內(nèi)然料燃燒的意義高爐內(nèi)然料燃燒的意義高爐冶煉的燃料主要是高爐冶煉的燃料主要是焦炭焦炭，焦炭所含的碳素。除少數(shù)消耗，焦炭所含的碳素。除少數(shù)消耗于直接還原和溶入生鐵外，絕大部分下降至風(fēng)口與熱風(fēng)中的于直接還原和溶入生鐵外，絕大部分下降至風(fēng)口與熱風(fēng)中的氧進(jìn)行燃燒反應(yīng)。從風(fēng)口氧進(jìn)行燃燒反應(yīng)。從風(fēng)口噴吹的燃料噴吹的燃料也在風(fēng)口前燃燒。燃也在風(fēng)口前燃燒。燃料燃燒放出大量的熱，并產(chǎn)生高溫還原性氣體料燃燒放出大量的熱，并產(chǎn)生高溫還原性氣體(CO,H2)，保，保證了爐料的加熱、分解、還原、熔化、造渣等爐缸內(nèi)渣鐵反證了爐料的加熱、分解、還原、熔化、造渣等爐缸內(nèi)渣鐵反應(yīng)的進(jìn)行。應(yīng)的進(jìn)行。

12、 高爐冶煉的主要燃料焦炭中的碳除小部分在下降過(guò)程中參加直接還原和高爐冶煉的主要燃料焦炭中的碳除小部分在下降過(guò)程中參加直接還原和滲人生鐵外，約滲人生鐵外，約70%70%進(jìn)行燃燒反應(yīng)。此外還有從風(fēng)口噴入的燃料進(jìn)行燃燒反應(yīng)。此外還有從風(fēng)口噴入的燃料( (重油、重油、天然氣、煤粉天然氣、煤粉) )中的碳等均在風(fēng)口前發(fā)生燃燒反應(yīng)。中的碳等均在風(fēng)口前發(fā)生燃燒反應(yīng)。 完全燃燒：完全燃燒： 不完全然燒：不完全然燒： 高爐內(nèi)燃燒反應(yīng)在焦炭過(guò)剩條件下進(jìn)行，即使在氧充足處產(chǎn)生的高爐內(nèi)燃燒反應(yīng)在焦炭過(guò)剩條件下進(jìn)行，即使在氧充足處產(chǎn)生的COCO2 2也也會(huì)與固體碳進(jìn)行氣化反應(yīng)，如下式：會(huì)與固體碳進(jìn)行氣化反應(yīng)，如下式：

13、熱風(fēng)帶入的氮在整個(gè)過(guò)程中不參與反應(yīng)、帶入的水分在高溫下與碳發(fā)生熱風(fēng)帶入的氮在整個(gè)過(guò)程中不參與反應(yīng)、帶入的水分在高溫下與碳發(fā)生反應(yīng)：反應(yīng)： 理論燃燒溫度理論燃燒溫度：理論燃燒溫度：即風(fēng)口前焦炭燃燒所能達(dá)到的最高平均溫度，也即爐缸煤氣尚未與即風(fēng)口前焦炭燃燒所能達(dá)到的最高平均溫度，也即爐缸煤氣尚未與爐料參與熱交換前的原始溫度。爐料參與熱交換前的原始溫度。T T理理= =（Q QC C+Q+Q物物+Q+Q風(fēng)風(fēng)-Q-Q水解水解-Q-Q噴吹噴吹）/(V/(V煤氣煤氣* *C C煤氣煤氣）理論燃燒溫度是理論燃燒溫度是判斷爐缸熱狀態(tài)的重要參數(shù)。判斷爐缸熱狀態(tài)的重要參數(shù)。通常可以通過(guò)以下措施提高理論燃燒溫度可采

14、取主要措施包括：通?？梢酝ㄟ^(guò)以下措施提高理論燃燒溫度可采取主要措施包括： (1)(1)提高鼓風(fēng)溫度；提高鼓風(fēng)溫度； (2)(2)提高鼓風(fēng)中氧氣含量；提高鼓風(fēng)中氧氣含量； (3)(3)降低鼓風(fēng)濕度；降低鼓風(fēng)濕度； (4)(4)減少?lài)姶盗?；減少?lài)姶盗浚?(5)(5)減少爐缸煤氣體積。減少爐缸煤氣體積。回旋區(qū)和燃燒帶回旋區(qū)和燃燒帶隨著隨著高爐冶煉強(qiáng)度的高爐冶煉強(qiáng)度的提高風(fēng)速提高風(fēng)速增大增大(I00(I00200 m/s) 200 m/s) 焦炭在風(fēng)口焦炭在風(fēng)口前隨氣流一起運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)非前隨氣流一起運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)非靜止的、疏散的、近似球形的自靜止的、疏散的、近似球形的自由空間由空間，即為，即為風(fēng)口回

15、旋區(qū)風(fēng)口回旋區(qū)。 影響燃燒帶大小的因素主要有： 鼓風(fēng)動(dòng)能 表示鼓風(fēng)的穿透能力。鼓風(fēng)動(dòng)能越大，燃燒帶越大。 燃燒反應(yīng)速度 燃燒反應(yīng)速度提高，燃燒帶縮小。一般情況下，風(fēng)溫提高。燃燒反應(yīng)速度加快，燃燒反應(yīng)時(shí)間減少，燃燒帶長(zhǎng)度減?。还娘L(fēng)中氧增加，燃燒反應(yīng)速度加快，燃燒反應(yīng)時(shí)間減少，燃燒帶長(zhǎng)度減小。 爐缸料柱壓力 爐缸內(nèi)料柱疏松，燃燒帶延長(zhǎng)；反之，燃燒帶縮小。 焦炭性質(zhì)焦炭粒度、氣孔度、反應(yīng)性等對(duì)燃燒帶大小也有一定的影響。3.2.3 3.2.3 爐料的蒸發(fā)、揮發(fā)和分解爐料的蒸發(fā)、揮發(fā)和分解 入爐的爐料首先受到上升煤氣流的加熱作用，進(jìn)行水分的蒸發(fā)、結(jié)晶水的分解、揮發(fā)物的揮發(fā)和碳酸鹽的分解。l 水分的蒸發(fā)和

16、結(jié)晶水的分解 爐料中水分存在形式以吸附水和結(jié)晶水兩種形式。 吸附水加熱到105時(shí)迅速干燥和蒸發(fā)。蒸發(fā)耗熱不多，僅使?fàn)t頂溫度降低，對(duì)高爐冶煉過(guò)程不產(chǎn)生明顯的影響。 結(jié)晶水也稱(chēng)化合水，一般存在于褐鐵礦(nH2OFe2O3)等化合物中。 隨著溫度升高到400600,結(jié)晶水在爐內(nèi)大量分解。如果結(jié)晶水分解發(fā)生在爐內(nèi)高溫區(qū)，會(huì)發(fā)生H2O+C=CO+H2,會(huì)增大高爐內(nèi)燃料消耗，對(duì)冶煉產(chǎn)生不利影響。揮發(fā)分的揮發(fā)揮發(fā)分的揮發(fā) 揮發(fā)物的揮發(fā)包括燃料中揮發(fā)分的揮發(fā)和高爐內(nèi)其他物質(zhì)的揮發(fā)。 燃料中揮發(fā)分對(duì)于煤氣成分和冶煉過(guò)程影響不大，但在高爐噴吹條件下，容易引起爐缸煤氣成分的明顯變化，對(duì)還原也有影響。應(yīng)盡可能把燃料中

17、的揮發(fā)分控制在下限水平。 除燃料中的揮發(fā)分外，高爐內(nèi)其他元素?fù)]發(fā)或循環(huán)富集，包括： (1)還原產(chǎn)物:S,P,As,K,Na,Zn,Pb,Mn等； (2)還原中間產(chǎn)物：SiO, PbO, K2O,Na2O等； (3)高爐內(nèi)新生化合物：SiS,CS等。 另外爐料帶入的CaF2等化合物的揮發(fā)也會(huì)對(duì)高爐爐況和爐襯產(chǎn)生不利影響。碳酸鹽的分解碳酸鹽的分解p 高爐高爐內(nèi)碳酸鹽主要以?xún)?nèi)碳酸鹽主要以CaCOCaCO3 3 , MgCO , MgCO3 3 、FeCOFeCO3 3, MnCO, MnCO3 3等等形式形式存在，并以存在，并以熔劑中的熔劑中的CaCOCaCO3 3為主為主。p 石灰石分解后石灰石分

18、解后，約有，約有50%50%以上參與以上參與COCO2 2+C=H+C=H2 2+CO+CO反應(yīng)，強(qiáng)吸熱反應(yīng)，反應(yīng)，強(qiáng)吸熱反應(yīng)，此此反應(yīng)的發(fā)生對(duì)于高爐冶煉將反應(yīng)的發(fā)生對(duì)于高爐冶煉將產(chǎn)生危害。產(chǎn)生危害。p 石灰石分解對(duì)冶煉的影響石灰石分解對(duì)冶煉的影響 反應(yīng)反應(yīng)耗耗熱，反應(yīng)熱，反應(yīng)耗耗碳都使碳都使焦比升高，反應(yīng)產(chǎn)物焦比升高，反應(yīng)產(chǎn)物COCO2 2沖淡了還原氣氛沖淡了還原氣氛。p 為為減少其危害通常可采用減少其危害通?？刹捎萌蹌┬詿Y(jié)礦或球團(tuán)礦，不加或少加石灰石，熔劑性燒結(jié)礦或球團(tuán)礦，不加或少加石灰石，縮小礦石粒度縮小礦石粒度等措施來(lái)降低焦比。等措施來(lái)降低焦比。3.2.4 3.2.4 氧化物還原熱力

19、學(xué)氧化物還原熱力學(xué) 鐵氧化物及其特性（2）還原的順序性FeOFeFeFe3O4Fe2O33還原中的赤鐵礦球還原中的赤鐵礦球（3）還原反應(yīng)的分類(lèi)間接還原反應(yīng)間接還原反應(yīng)定義：定義：以CO或H2為還原劑，產(chǎn)物為CO2或H2O（水蒸氣）的反應(yīng)。直接還原反應(yīng)直接還原反應(yīng)定義：定義：高爐內(nèi)消耗固體還原劑C的還原反應(yīng)，產(chǎn)物為CO氣體。平衡常數(shù)平衡氣相中%CO和%H2也僅是溫度的函數(shù)，作平衡氣相中%CO-T或% H2-T關(guān)系圖，得“叉子曲線叉子曲線” 。CO還原鐵礦石氣相平衡組成圖570 由圖可看出，曲線a、c、d向上斜，為放熱反應(yīng);曲線b向下斜，為吸熱反應(yīng)，三個(gè)放熱反應(yīng)一個(gè)吸熱反應(yīng)。 b 、 d 、 c三

20、條曲線交于570，在此Fe 、 FeO 和Fe3O4三相平衡共存。 曲線把圖像分為四個(gè)區(qū)域，分別表示Fe 、 FeO 、 Fe3O4和 Fe2O3穩(wěn)定存在區(qū)域。 T570時(shí)還原順序?yàn)椋篎e2O3Fe3O4 Fe 溫度大于570時(shí)還原順序?yàn)椋?Fe2O3Fe3O4 FeO Fe 570 由圖可看出，曲線4向上斜，為放熱反應(yīng);曲線1，2，3向下斜，為吸熱反應(yīng)，三個(gè)吸熱反應(yīng)一個(gè)放熱反應(yīng)。 1、 2 、 3三條曲線交于570，在此Fe 、 FeO 和Fe3O4三相平衡共存。 曲線把圖像分為四個(gè)區(qū)域，分別表示Fe 、 FeO 、 Fe3O4和 Fe2O3穩(wěn)定存在區(qū)域。 T570時(shí)還原順序?yàn)椋篎e2O3F

21、e3O4 Fe 溫度大于570時(shí)還原順序?yàn)椋?Fe2O3Fe3O4 FeO Fe CO還原鐵礦石氣相平衡組成圖 與CO還原一樣，均屬間接還原。反應(yīng)前后氣相體積沒(méi)有變化，即反應(yīng)不受壓力影響。 除Fe2O3,的還原外，F(xiàn)e3O4、FeO的還原均為可逆反應(yīng)。為了鐵的氧化物還原徹底，都需要過(guò)量的還原劑。 CO還原是三個(gè)放熱反應(yīng)一個(gè)吸熱反應(yīng)； H2的還原是三個(gè)吸熱反應(yīng)一個(gè)放熱反應(yīng)。 從熱力學(xué)因素看810 以上時(shí)H2的還原能力高于CO還原能力， 810 以下時(shí)，則相反。 從反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)看， H2與其反應(yīng)產(chǎn)物H2O的分子半徑均比CO與其反應(yīng)產(chǎn)物CO2的分子半徑小，因而擴(kuò)散能力強(qiáng)。以此說(shuō)明不論在低溫或高溫下，

22、H2還原反應(yīng)速度都比CO還原反應(yīng)速度快。（5）消耗H2與CO的間接還原比較（6）用固體碳的還原反應(yīng)直接還原 礦石在軟化和熔化之前與焦炭的接觸面積很小，反應(yīng)的速度則很慢。所以直接還原反應(yīng)受到限制。在高溫區(qū)進(jìn)行的直接還原實(shí)際上是通過(guò)下述兩個(gè)步驟進(jìn)行：CO2+C=CO 這個(gè)反應(yīng)成為碳的氣化反應(yīng)，是一個(gè)強(qiáng)的吸熱反應(yīng)。1000 以上才劇烈進(jìn)行，因此，只有在高于1000 以上才能發(fā)生消耗固體碳的直接還原。直接還原反應(yīng)機(jī)理固體C直接還原鐵氧化物的平衡狀態(tài)圖解（7）直接還原與間接還原的比較鐵氧化物的間接還原鐵氧化物的間接還原鐵氧化物的直接還原（8）高爐內(nèi)直接還原與間接還原的分區(qū)（9）高爐內(nèi)直接還原和間接還原的

23、適宜比例理想的高爐行程應(yīng)該是：直接還原產(chǎn)生的CO和用于提供熱量消耗產(chǎn)生的CO剛好滿足間接還原和高爐對(duì)總的熱量的需求。實(shí)際高爐中的直接還原度rd=0.4-0.6理論上直接還原度Rd=0.2-0.3焦比最低，因此現(xiàn)場(chǎng)仍然需要降低直接還原比例！高爐內(nèi)100%被還原的元素有： Cu、P、Ni （與Fe形成合金） Pb（比重大，沉積于爐底） Zn（揮發(fā)，參與循環(huán)）高爐內(nèi)部分被還原的元素有： Mn 50%85% Si 5%10% v 75%85% Ti 2%5%高爐內(nèi)不能被還原的元素有：Mg、 Ca、 Al（1010）高爐內(nèi)非鐵元素的還原）高爐內(nèi)非鐵元素的還原1) 1) 錳的還原錳的還原 錳一般由錳礦帶入

24、，有的由礦石帶入，錳氧化物還原與鐵類(lèi)似，由高價(jià)錳一般由錳礦帶入，有的由礦石帶入，錳氧化物還原與鐵類(lèi)似，由高價(jià)向低價(jià)逐級(jí)還原。向低價(jià)逐級(jí)還原。MnOMnO2 2MnMn2 2OO3 3 MnMn3 3OO4 4 MnO MnMnO Mn氣體還原劑氣體還原劑COCO和和H H2 2把把MnOMnO2 2還原為低價(jià)還原為低價(jià)MnMn比較容易，但只能由直接還原比較容易，但只能由直接還原方式還原為方式還原為MnMn，其開(kāi)始還原溫度在，其開(kāi)始還原溫度在1000200010002000之間，其反應(yīng)如下：之間，其反應(yīng)如下：冶煉普通生鐵時(shí)冶煉普通生鐵時(shí)MnMn有有40%60%40%60%進(jìn)入生鐵，進(jìn)入生鐵，5%

25、10%5%10%揮發(fā)進(jìn)入揮發(fā)進(jìn)入煤氣，其余進(jìn)入爐渣。煤氣，其余進(jìn)入爐渣。2 2) ) 硅的還原硅的還原 高爐中硅主要來(lái)源于礦石中脈石和焦炭灰分中的高爐中硅主要來(lái)源于礦石中脈石和焦炭灰分中的SiOSiO2 2 或硅酸鹽或硅酸鹽, ,為穩(wěn)為穩(wěn)定化合物，比定化合物，比FeFe，MnMn難還原。難還原。Si Si只能在下部高溫區(qū)只能在下部高溫區(qū)( (13001300) )以直以直接還原方式接還原方式進(jìn)行。進(jìn)行。 當(dāng)當(dāng)T T15001500時(shí)，時(shí)， 當(dāng)當(dāng)T T 15001500時(shí)，時(shí)， Si Si的的還原是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，一般還原出1kgSi需熱量約相當(dāng)于從Fe0中還原出1kgFe所需熱量的8倍。所以生鐵中

26、含Si量愈高，爐溫也升高，生產(chǎn)中常以生鐵含Si量衡量爐溫變化，稱(chēng)為化學(xué)溫度。在冶煉普通煉鋼生鐵是只有510%被還原進(jìn)入生鐵。我國(guó)的Si含量約在0.40.8%。 3) 3) 磷的還原磷的還原 爐料中的磷主要以爐料中的磷主要以磷酸鈣磷酸鈣 3CaO3CaO P P2 2OO5 5 ( (又稱(chēng)磷石灰又稱(chēng)磷石灰) )形態(tài)存在，有時(shí)也以形態(tài)存在，有時(shí)也以磷磷酸鐵（酸鐵（3FeO P2O5 8H2O3FeO P2O5 8H2O） ( (又稱(chēng)藍(lán)鐵礦又稱(chēng)藍(lán)鐵礦) )形態(tài)存在。形態(tài)存在。 2（3FeO P2O5 8H2O）+16 CO = 3Fe2P + P +16 CO2 +16H2O T 9501000 2

27、（3FeO P2O5 8H2O）+16 C = 3Fe2P + P +16 CO+16H2O T 9501000 3CaO P2O5 + 5 C = 3CaO + 2P +5CO T開(kāi)始 = 10001100 藍(lán)鐵礦鐵礦脫水后較容易還原，磷酸鈣是一種很穩(wěn)定的化合物，在高爐內(nèi)能與渣中SiO2作用，使P2O5游離出來(lái)。由于P2O5易揮發(fā)，與焦炭有良好的接觸條件，有利于被C還原，還原出來(lái)的P溶入鐵中生成Fe3P 和Fe3P。P P在高爐內(nèi)幾乎可以在高爐內(nèi)幾乎可以100%100%被還原進(jìn)入生鐵因此降低生鐵中含磷量的唯被還原進(jìn)入生鐵因此降低生鐵中含磷量的唯一途徑是控制爐料中的含磷量。一途徑是控制爐料中的

28、含磷量。 4) 4) 鉛、鋅、砷的還原我國(guó)的一些鐵礦石中含有鉛、鋅、砷等元素，這些元鉛、鋅、砷的還原我國(guó)的一些鐵礦石中含有鉛、鋅、砷等元素，這些元素在高爐冶煉條件下易還原。還原出來(lái)的這些元素會(huì)對(duì)生鐵質(zhì)量和高爐素在高爐冶煉條件下易還原。還原出來(lái)的這些元素會(huì)對(duì)生鐵質(zhì)量和高爐本身產(chǎn)生一定的影響。本身產(chǎn)生一定的影響。對(duì)于鐵氧化物反應(yīng)，動(dòng)力學(xué)是說(shuō)明反應(yīng)是通過(guò)什么步驟進(jìn)行對(duì)于鐵氧化物反應(yīng)，動(dòng)力學(xué)是說(shuō)明反應(yīng)是通過(guò)什么步驟進(jìn)行( (反應(yīng)機(jī)理反應(yīng)機(jī)理) )，以及反應(yīng)速度和反應(yīng)達(dá)到平衡所需時(shí)間的科學(xué)。，以及反應(yīng)速度和反應(yīng)達(dá)到平衡所需時(shí)間的科學(xué)。目前為止能比較全面解釋鐵氧化物整個(gè)還原過(guò)程的理論是未反目前為止能比較全

29、面解釋鐵氧化物整個(gè)還原過(guò)程的理論是未反應(yīng)核模型理論。這種理論認(rèn)為鐵氧化物從高價(jià)到低價(jià)逐級(jí)還應(yīng)核模型理論。這種理論認(rèn)為鐵氧化物從高價(jià)到低價(jià)逐級(jí)還原，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，未反應(yīng)核心逐漸縮小，直到完全消失，原，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，未反應(yīng)核心逐漸縮小，直到完全消失，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程按以下順序進(jìn)行整個(gè)反應(yīng)過(guò)程按以下順序進(jìn)行: :(1) (1) 還原氣體外擴(kuò)散還原氣體外擴(kuò)散; ;(2) (2) 還原氣體內(nèi)擴(kuò)散還原氣體內(nèi)擴(kuò)散; ;(3) (3) 還原氣體被界面吸附還原氣體被界面吸附; ;(4) (4) 界面化學(xué)反應(yīng)界面化學(xué)反應(yīng); ;(5) (5) 氧化氣體的脫附氧化氣體的脫附; ;(6) (6) 氧化氣體內(nèi)擴(kuò)散氧化氣體

30、內(nèi)擴(kuò)散; ;(7) (7) 氧化氣體外擴(kuò)散。氧化氣體外擴(kuò)散。 3.2.5 3.2.5 還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)礦球反應(yīng)過(guò)程模型礦球反應(yīng)過(guò)程模型反應(yīng)的還原推動(dòng)力反應(yīng)的還原推動(dòng)力 3.2.6 3.2.6 生鐵的形成和滲碳過(guò)程生鐵的形成和滲碳過(guò)程在高爐上部己有部分鐵礦石逐漸還原成金屬鐵。隨著溫度的不在高爐上部己有部分鐵礦石逐漸還原成金屬鐵。隨著溫度的不斷升高逐漸有更多的鐵被還原出來(lái)，剛還原出來(lái)的鐵呈多孔海斷升高逐漸有更多的鐵被還原出來(lái)，剛還原出來(lái)的鐵呈多孔海綿狀，稱(chēng)為綿狀，稱(chēng)為海綿鐵海綿鐵，早期出現(xiàn)的海綿鐵成分較純，幾乎不含，早期出現(xiàn)的海綿鐵成分較純，幾乎不含碳。碳。而高爐內(nèi)生鐵形成的主要特點(diǎn)是

31、經(jīng)過(guò)滲碳過(guò)程。爐內(nèi)滲碳大致而高爐內(nèi)生鐵形成的主要特點(diǎn)是經(jīng)過(guò)滲碳過(guò)程。爐內(nèi)滲碳大致可分三個(gè)階段：可分三個(gè)階段：第一階段：第一階段：海綿鐵的滲碳。海綿鐵的滲碳。當(dāng)溫度當(dāng)溫度到到727727，一般在高爐爐身中上部時(shí)，固體海綿鐵，一般在高爐爐身中上部時(shí)，固體海綿鐵開(kāi)始發(fā)生如下的滲碳過(guò)程：開(kāi)始發(fā)生如下的滲碳過(guò)程：( (滲碳量占全部滲碳量的滲碳量占全部滲碳量的1.5%1.5%左左右。右。) )第二階段第二階段：液態(tài)鐵的滲碳。：液態(tài)鐵的滲碳。 經(jīng)初步滲碳的金屬鐵在經(jīng)初步滲碳的金屬鐵在14001400左右時(shí)與熾熱的焦炭繼續(xù)進(jìn)左右時(shí)與熾熱的焦炭繼續(xù)進(jìn)行固相滲碳，開(kāi)始熔化為鐵水，穿過(guò)焦炭滴入爐缸。熔化后行固相滲碳

32、，開(kāi)始熔化為鐵水，穿過(guò)焦炭滴入爐缸。熔化后的鐵水與焦炭直接接觸的滲碳反應(yīng)：的鐵水與焦炭直接接觸的滲碳反應(yīng)：( (到達(dá)爐腹處，生鐵的到達(dá)爐腹處，生鐵的最終含碳已達(dá)最終含碳已達(dá)4%4%左右左右) )。第三階段第三階段：爐缸內(nèi)的滲碳過(guò)程。：爐缸內(nèi)的滲碳過(guò)程。 爐缸部分只進(jìn)行少量的滲碳，一般只有爐缸部分只進(jìn)行少量的滲碳，一般只有0.1%0.5%0.1%0.5%。 經(jīng)過(guò)以上階段鐵水在向爐缸滴落的過(guò)程中，除了滲碳反應(yīng)外，經(jīng)過(guò)以上階段鐵水在向爐缸滴落的過(guò)程中，除了滲碳反應(yīng)外， 還有硅、錳、磷進(jìn)入生鐵，脫除硫等有害雜質(zhì)。形成最終成還有硅、錳、磷進(jìn)入生鐵，脫除硫等有害雜質(zhì)。形成最終成分的生鐵。分的生鐵。爐渣對(duì)高

33、爐的爐況和生鐵的質(zhì)量有著決定性的影響。要想煉好鐵，必須造好渣 爐渣的形成爐渣的形成要經(jīng)歷由初渣中間渣終渣過(guò)程，簡(jiǎn)述如下： 初成渣的生成包括固相反應(yīng)、軟化、熔融、滴落幾個(gè)階段。軟熔帶中形成液態(tài)初渣。初渣中(FeO) , ( MnO)含量較高。 中間渣的變化處于滴落過(guò)程中成分、溫度不斷變化的爐渣。處于軟熔帶以下、風(fēng)口平面以上部位。中間渣中(FeO) , ( MnO)含量逐漸減小，( CaO), ( MgO)含量逐漸增大，爐渣黏度增大。 3.2.7 3.2.7 高爐爐渣的形成及作用高爐爐渣的形成及作用 爐渣的成分爐渣的成分 冶煉冶煉1t 1t生鐵大致產(chǎn)生生鐵大致產(chǎn)生4001000kg4001000k

34、g爐渣，國(guó)外先進(jìn)水平爐渣，國(guó)外先進(jìn)水平巳達(dá)巳達(dá)300kg300kg左右。爐渣的主要來(lái)源是鐵礦石中的脈石以左右。爐渣的主要來(lái)源是鐵礦石中的脈石以及燃料燃燒后剩余的灰分。用焦炭冶煉，高爐爐渣成分及燃料燃燒后剩余的灰分。用焦炭冶煉，高爐爐渣成分大致范圍如下大致范圍如下: : 終渣由中間渣轉(zhuǎn)化而得，通過(guò)風(fēng)口平面聚集在爐缸，是成終渣由中間渣轉(zhuǎn)化而得，通過(guò)風(fēng)口平面聚集在爐缸，是成分、性質(zhì)較穩(wěn)定的爐渣。終渣中分、性質(zhì)較穩(wěn)定的爐渣。終渣中(Al2O3),(SiO2)(Al2O3),(SiO2)增大，增大，(FeO) , ( MnO), ( CaO), ( MgO)(FeO) , ( MnO), ( CaO),

35、 ( MgO)含量減小，含量減小，( CaS)( CaS)含量增大，含量增大，堿度減小。堿度減小。 (4) (4) 高爐渣的作用和要求高爐渣的作用和要求 高爐冶煉過(guò)程，除在化學(xué)反應(yīng)上實(shí)現(xiàn)高爐冶煉過(guò)程，除在化學(xué)反應(yīng)上實(shí)現(xiàn)Fe-OFe-O分離外，還要實(shí)現(xiàn)金屬與氧化物分離外，還要實(shí)現(xiàn)金屬與氧化物等的機(jī)械或物理分離，而這要靠性能良好的液態(tài)爐渣，并利用渣鐵密度的等的機(jī)械或物理分離，而這要靠性能良好的液態(tài)爐渣，并利用渣鐵密度的不同達(dá)到渣鐵分離的目的。為此。要求高爐渣應(yīng)具有以下作用不同達(dá)到渣鐵分離的目的。為此。要求高爐渣應(yīng)具有以下作用: : 爐渣與生鐵互不溶解，且密度不同，因而，使渣鐵得以分離，得到純凈爐渣

36、與生鐵互不溶解，且密度不同，因而，使渣鐵得以分離，得到純凈的生鐵。的生鐵。 具有充分的脫硫能力，保證生鐵合格。具有充分的脫硫能力，保證生鐵合格。 調(diào)整生鐵成分，保證生鐵質(zhì)量。爐渣成分有利于有益元素的還原，抑制調(diào)整生鐵成分，保證生鐵質(zhì)量。爐渣成分有利于有益元素的還原，抑制有害元素的還原，即爐渣應(yīng)具有選擇還原性。有害元素的還原，即爐渣應(yīng)具有選擇還原性。 有利于爐況順行，獲得良好的冶煉技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；同時(shí)應(yīng)有利于保護(hù)爐有利于爐況順行，獲得良好的冶煉技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；同時(shí)應(yīng)有利于保護(hù)爐襯，延長(zhǎng)爐襯壽命。襯，延長(zhǎng)爐襯壽命。 3.2.8 3.2.8 爐渣去硫爐渣去硫高爐中的硫主要來(lái)源于爐料中的焦炭、礦石、熔劑和

37、噴吹燃料高爐中的硫主要來(lái)源于爐料中的焦炭、礦石、熔劑和噴吹燃料等。其中焦炭帶入的硫量占等。其中焦炭帶入的硫量占60%80%60%80%。冶煉每噸生鐵由爐料。冶煉每噸生鐵由爐料帶入的總硫量稱(chēng)為帶入的總硫量稱(chēng)為硫負(fù)荷硫負(fù)荷。一般硫負(fù)荷為。一般硫負(fù)荷為45kg/t45kg/t。高爐內(nèi)的去硫主要是含有高爐內(nèi)的去硫主要是含有FeSFeS的鐵水在滴過(guò)渣層時(shí)以及在渣鐵的鐵水在滴過(guò)渣層時(shí)以及在渣鐵相界面處進(jìn)行：相界面處進(jìn)行：總的總的脫硫反應(yīng)脫硫反應(yīng)為為 產(chǎn)物產(chǎn)物COCO氣體起攪拌作用，可加速去硫反應(yīng)。氣體起攪拌作用，可加速去硫反應(yīng)。 硫在一般結(jié)構(gòu)鋼中是有害元素。鋼液凝固時(shí)S在技晶間偏析，F(xiàn)e晶界上富集，形成熔

38、點(diǎn)1100 的FeS，F(xiàn)eS與Fe的共晶點(diǎn)只有988 ，熱軋時(shí)在晶界上產(chǎn)生熱裂現(xiàn)象，造成內(nèi)部裂紋，即硫的熱脆性。因此鋼鐵產(chǎn)品硫含量應(yīng)盡可能降低。 我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：煉鋼生鐵含 %S 007。優(yōu)質(zhì)煉鋼生鐵含%S 003 。 脫硫的熱力學(xué)條件： (1) 鋼渣間脫硫反應(yīng)是吸熱反應(yīng)溫度升高有利于脫硫高 溫主要增加了脫硫速度; (2) 低(FeO)有利于脫硫; (3) 高堿度度有利于脫硫; (4) 大渣量有利于脫硫;高爐強(qiáng)化冶煉的目的是提高產(chǎn)量，即提高高爐冶煉強(qiáng)度高爐強(qiáng)化冶煉的目的是提高產(chǎn)量，即提高高爐冶煉強(qiáng)度( (I I), ),提提高高爐有效容積利用系數(shù)高高爐有效容積利用系數(shù)( (0 0) )和降低

39、焦比和降低焦比(K)(K)。主要措施包括：。主要措施包括：(1) (1) 精料精料 具體概括為具體概括為:“:“高、熟、凈、勻、小、穩(wěn)、少、好高、熟、凈、勻、小、穩(wěn)、少、好”。 “高高”指入爐礦石含鐵品位要高，焦炭、燒結(jié)礦和球團(tuán)礦強(qiáng)指入爐礦石含鐵品位要高，焦炭、燒結(jié)礦和球團(tuán)礦強(qiáng)度要高，燒結(jié)礦的堿度要高。度要高，燒結(jié)礦的堿度要高。 “熟熟”指熟料，即將鐵礦粉制成具有高溫強(qiáng)度，又符合各項(xiàng)指熟料，即將鐵礦粉制成具有高溫強(qiáng)度，又符合各項(xiàng)冶金性能要求的塊狀料。冶金性能要求的塊狀料。 “凈凈是指入爐原料中小于是指入爐原料中小于5 mm5 mm的粉末要篩除。的粉末要篩除。 “勻勻”是指高爐煉鐵的爐料粒度要均

40、勻。是指高爐煉鐵的爐料粒度要均勻。 “小小”是指入爐料的粒度要小、均勻，上限所規(guī)定的范圍要是指入爐料的粒度要小、均勻，上限所規(guī)定的范圍要窄，并控制住爐料中的大塊。窄，并控制住爐料中的大塊。 3.2.8 3.2.8 高爐強(qiáng)化冶煉與節(jié)能高爐強(qiáng)化冶煉與節(jié)能 “穩(wěn)穩(wěn)”是指入爐料的化學(xué)成分和物理性能要穩(wěn)定，是指入爐料的化學(xué)成分和物理性能要穩(wěn)定，波動(dòng)范圍要小。波動(dòng)范圍要小。 “少少”是指爐料中有害雜質(zhì)要少。是指爐料中有害雜質(zhì)要少。 “好好”是指爐料的冶金性能要好。是指爐料的冶金性能要好。(2)(2)高壓操作高壓操作人為地將高爐內(nèi)煤氣壓力提高，超過(guò)人為地將高爐內(nèi)煤氣壓力提高，超過(guò)30kPa30kPa的稱(chēng)為高壓的稱(chēng)為高壓 操作。操作。通過(guò)系統(tǒng)中高壓閥組控制閥門(mén)的開(kāi)閉度來(lái)完成。高壓操作可有通過(guò)系統(tǒng)中高壓閥組控制閥門(mén)的開(kāi)閉度來(lái)完成。高壓操作可有效地提高冶煉強(qiáng)度，有利于爐況順