高炉冶炼用原料.ppt

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1、铁的生产工艺,铁的化学性质较为活泼,自然界中以铁的化合物形式存在的。炼铁用的多数是铁的氧化物。炼铁就是从铁矿石中提取铁及有用元素形成生铁的过程。炼铁方法主要有高炉法、直接还原法、熔融还原法等，其原理是矿石在特定的气氛中（还原物质CO、H2、C；适宜温度等）通过物化反应获取还原后的生铁。,第二章 高炉冶炼用原料,高炉炼铁是一种古老的冶炼方法，高生产率、低消耗、低成本是它的最大优势，加上不断地吸收新技术，高炉炼铁法仍然不断地在发展。因而可以预见：将来，高炉炼铁仍然是炼铁的主力军。经过了几个世纪的发展，现代高炉技术已经达到非常高的水平。现代巨型高炉的炉容积已有40005000m3,年产生铁达2503

2、00万吨。高炉的寿命很多都达到了1015年。,2.1 高炉炼铁用原料,高炉冶炼用原料种类 四大类：铁矿石（天然富矿和人造富矿）、燃料（焦炭与喷吹燃料）、熔剂（石灰石与白云石等）和鼓风形态的空气。用量 冶炼一吨生铁大约需要1.52.0t矿石，0.40.6t焦炭、0.20.4t熔剂。,一 铁矿石,1 矿物、矿石及脉石的概念（1）矿物：地壳中具有均一内部结晶结构、化学组成以及一定物理化学性质的天然化合物或自然元素。能够为人类利用的矿物，称为有用矿物。,（2）矿石：在现代技术经济条件下，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。矿石与岩石都是矿物的集合体，可由单一矿物或多种矿物组成。存在形

3、态：通常都以氧化物、硫化物、碳酸盐等化合物状态存在，许多矿石是多种矿物共存。,分类：按所含有用矿物矿石可分为简单矿石和复合矿石两种。简单矿石：从中提取一种有用成分的矿石，如磁铁矿从中只能提取金属铁；复合矿石：从中同时能提取两种或两种以上有用矿物的矿石，如钒钛磁铁矿可从中提取钒、钛和铁等金属。,矿石有金属矿石和非金属矿石之分。金属矿石：在现代技术经济条件下可从其中提取金属的矿石，而矿石的名称是以其中所含金属种类来命名的，如铜矿石、铁矿石等。品位：矿石中有用成分的含量，常用百分数表示，如品位40的铁矿石，就是铁矿石中铁的含量为40。,根据矿石品位的不同，一般分为富矿石和贫矿石。它们之间并没有严格的

4、界限，通常根据各个工业部门及矿区的具体条件而定。高炉富矿：品位在50以上、可直接入高炉冶炼的矿石。,贫矿石：品位太低、需经选矿加工富集的矿石。精矿：经加工处理后获得的高品位矿石。（3）脉石：矿石里除了有用矿物之外的、在工业上几乎没有利用价值的矿物。如铁矿石中的石英。,2 几种常见的铁矿石,(1)磁铁矿石。磁铁矿（Fe3O4），呈黑色金属光泽，磁性强;在自然界中纯磁铁矿矿石较少，常含有TiO2及V2O5组成复合矿石，即钒钛磁铁矿。Fe全/FeO7.0为假象赤铁矿；7.0Fe全/Fe03.5为半假象赤矿；Fe全/FeO3.5为磁铁矿。,(2)赤铁矿石。呈红色或红褐色，红矿。主要矿物为赤铁矿（Fe2

5、O3），无磁性，但组织疏松易破碎，还原性优于磁铁矿。赤铁矿石广泛分布于自然界中，常形成巨大的矿床，其储量最多（占铁矿石总储量的48.3），是炼铁的最主要铁矿石资源。,(3)褐铁矿石常为含不同分子结晶水的赤铁矿，化学式：mFe2O3nH2O(m=13，n=14）。加热时失去结晶水和游离水，使矿石气孔率增加，还原性较好。同时，由于去掉了水分，相应提高了矿石的品位。,(4)菱铁矿。它是含铁的碳酸盐。在自然界中，有工业开采价值的菱铁矿比其它三种矿石要少，含铁量不高，但受热分解放出CO2后，不仅含铁量显著提高，而且也变得疏松多孔，易还原。,表1-3 常用铁矿石的分类、组成及性能(P6),我国铁矿石资源丰

6、富，已探明储量为443亿吨，其中工业储量占54，居世界前列。在华北、东北、华东、西南、中南、西北等地均有储量较大的矿区，如冀东、鞍本、宁芜、攀枝花、大冶、内蒙古等。,3 我国铁矿石资源的两个特点,(1)贫矿多，约占铁矿石总储量的80左右。因此需大力发展选矿和造块工业。(2)多种元素共生的复合矿石多。如包钢所用白云鄂博铁矿中伴生的稀土元素比世界各国储量的总和还多，攀枝花铁矿中钒也占世界首位，有些矿中还含有铜、铀、银等贵重金属，故应加强矿石综合利用。世界上铁矿石储量丰富的国家有前苏联、澳大利亚、巴西、加拿大和美国等。,4 对铁矿石的评价,对高炉冶炼来说，评价铁矿石的主要指标有品位（含铁量）、脉石成

7、分、杂质元素含量、还原性、矿石高温性能等。(1)铁矿石品位（含铁量）。决定着冶炼的经济性：品位每增加1，则焦比降低2，产量提高3。,(2)脉石成分。从现有铁矿石资源看，绝大部分铁矿石的脉石属酸性，主要成分为SiO2和Al2O3。要求矿石中SiO2含量愈低愈好。SiO2 1713,Al2O3 2050,(3)杂质元素。常见的有害元素：S、P、K、Na、Cu、Pb、Zn、F和As等。S、P、As、Cu等易还原进入生铁，对钢铁性能带来危害；K、Na、Zn、Pb、F等虽不能进入生铁，但易破坏炉衬或在炉内挥发循环积累造成结瘤事故或污染环境。矿石中伴生的有益元素：Mn、Cr、Ni、V、Ti、Nb及稀土元素

8、等，它们能改善钢铁质量，当其含量达一定数量时，可视为复合矿石，有较高的经济价值，应考虑综合利用。,(4)矿石的还原性。矿石中与铁结合的氧被还原剂夺取的难易程度，称为还原性。冶炼易还原的矿石，可降低碳素燃料的消耗量。矿石还原性与矿物组成、致密程度、气孔率等有关。赤铁矿不如磁铁矿致密，还原性好；褐铁矿和菱铁矿在炉内受热后，所含结晶水及碳酸盐分解或挥发后，形成疏松多孔的结构，还原性较好。人造富矿一般比天然矿石有较好的还原性。,(5)矿石的高温性能。矿石在受热及被还原的过程中以及还原后都不应因强度下降而破碎，以免矿粉堵塞煤气流通孔道，而造成冶炼困难。因此，要求矿石具有较高的荷重软化温度和熔融滴下温度，

9、且两者的温差要小，这样高炉内的软熔带可以处于较低的位置，使矿石在软熔前达到较高的还原度，以减少高温直接还原度，有利于降低燃料消耗和保证炉内良好透气性。,(6)矿石的粒度组成与气孔率 矿石强度差易粉碎，粒度过小或大小不均，都会使高炉料柱透气性变坏，导致炉况不顺，煤气利用不好，所以一般要求粒度小于5mm的矿石不能入炉。粒度上限与矿石还原性有关，难还原的磁铁矿粒度不大于40mm，易还原的矿石粒度不大于50mm；粒度下限为8mm。为改善料柱透气性和有利于炉况顺行，铁矿石在入炉前应整粒和分级入炉。,(7)铁矿石的强度 含义：它是指矿石在运输过程耐挤压、耐磨损、耐冲击的能力。矿石机械强度高低对高炉冶炼影响

10、：矿石机械强度低，在运输过程中易产生粉末，会恶化高炉料柱的透气性；反之有利于改善高炉料柱的透气性。,(8)上述指标的稳定性（化学成分）要保证高炉炉况稳定和顺行，首先要保证矿石化学成分的稳定。化学成分的波动，会引起炉温、炉渣碱度和生铁质量的波动，导致焦比上升，产量降低。因此，必须对入炉矿石进行混匀中和处理。,5 其它含铁原料,含铁的“废弃”物料，加以利用，不仅可以扩大铁矿资源，增加生铁产量，降低生铁成本，而且有助于环境保护，变废为宝，充分利用自然资源。高炉炉尘、转炉炉尘、钢渣、轧钢皮、硫酸渣以及一些有色金属选矿后的高铁尾矿与冶炼后的高炉渣、电厂粉煤燃烧后的烟尘灰等。,（1）高炉炉尘是从高炉煤气系

11、统中回收的副产品，由矿石和焦炭的粉末组成，其中含铁40%左右，含碳10%20%和较多的CaO。其粒度较细，亲水性差。常用于烧结配料。（2）氧气转炉炉尘是从氧气转炉的炉气中经除尘器回收的含铁粉料，含铁量较高，高达50%60%以上，主要成分有Fe3O4，还有16%30%的金属铁。粒度极细，可作为烧结或球团的辅助原料。,（3）轧钢皮是轧钢生产过程中，从炽热的钢锭或钢材表面剥落下来的氧化铁皮，含铁量很高，可达60%70%以上，主要以Fe3O4存在，也有少量金属铁。可作为烧结配料。（4）其它铁屑料包括铸铁机和机械加工中的车削、锻造时产生的铁屑与钢屑，主要成分是铁和少量的碳，可用于烧结配料。,（5）钢渣是

12、转炉所产生的炉渣，水淬处理后的粒化物。钢渣中含有一定量的铁和较多的碱性氧化物CaO、MgO，还含有较高的磷。用于烧结配料时，既可以回收铁，又可以取代部分石灰石和白云石。因钢渣中含有磷，烧结配料时钢渣的配比不能过高，以免影响生铁质量。,二 熔剂 矿石中的脉石与焦炭中的灰分，其主要成分是酸性氧化物，它们的熔点均较高（SiO2 1713,Al2O3 2050），在高炉冶炼条件下很难熔化，为使其形成低熔点物质，需加入一定数量助熔剂（简称熔剂），以形成许多低熔点的化合物和共熔体，即所谓的炉渣，并能达到完全熔化，且具有良好的流动性，使渣铁容易分离。,熔剂按其性质可分为碱性和酸性两种。高炉最常用的是碱性熔剂

13、，即石灰石和白云石等。当脉石中碱性氧化物含量较高时，则用酸性熔剂，常用的有硅石等。为充分利用钢铁工业废弃物，有些高炉用高碱度的转炉钢渣代替碱性熔剂。,对熔剂的要求（P11）有效成分含量高对石灰石与白云石来说，即要求有效碱度高。熔剂含有的碱性氧化物扣除其本身酸性氧化物造渣所需的碱性氧化物后，剩余的百分数称为有效碱度（有效熔剂性）。可用下式表示：,(CaO+MgO)有效(CaO+MgO)熔剂-(SiO2)熔剂R式中(CaO+MgO)有效有效碱度；(CaO+MgO)熔剂熔剂中CaO和MgO重量百分含量；(SiO2)熔剂-熔剂中SiO2重量百分含量；R炉渣碱度，(CaO+MgO)/SiO2。(2)有害

14、杂质硫、磷要低。(3)粒度均匀、强度好、粉末少。,三 燃料,燃料是高炉冶炼不可缺少的基本原料之一，几乎所有高炉都使用焦炭作燃料。在高炉炼铁中，焦炭主要起三种作用：(1)提供冶炼所需的热量；(2)还原矿石所需的还原剂；(3)在高温区，焦炭是唯一的固体物，是支撑料柱的骨架和使气流畅通的透气通路。(4)铁水渗碳,强度好的块状焦炭是高炉冶炼不可缺少的燃料。但因炼焦煤资源的匮乏，而且炼焦生产还给环境造成严重的污染。因此，向高炉喷吹补充燃料，特别是喷吹煤粉来替代部分焦炭，就是20世纪高炉炼铁技术进步最成功的一项。,所谓喷吹煤粉，就是将不能炼焦的煤磨成细粉，与鼓风一起通过风口喷入炉缸的燃烧带，如同焦炭一样，

15、煤粉在燃烧带内与鼓风中的氧反应形成煤气并放出热量，所以喷吹煤粉可以代替焦炭的还原剂和热源两个作用，但是不能代替焦炭的料柱骨架作用。目前世界各国的喷煤数量占单位生铁总燃料消耗的30%50%。,高炉冶炼对焦炭质量的要求 衡量焦炭质量一般从其化学和物理性质两方面来分析，即固定碳（C固）、灰分（A）、挥发分（V）、水分（W）、硫(S)含量。焦炭的物理性质最主要的是机械强度、粒度和气孔率等。焦炭质量的好坏直接影响着高炉产量、质量及能耗（焦比）。,（1）固定碳和灰分 焦炭中固定碳含量与灰分互为消长，灰分高则意味着含C量低。焦炭灰分增加1，焦比升高2，产量下降3。因此要求焦炭灰分尽量低。我国焦炭灰分一般在1

16、1%15。焦炭中灰分来自原煤，因此炼焦前应洗煤，并进行合理配煤来降低灰分。,（2）硫 焦炭带入的硫量占入炉料总硫量的80。因此，降低焦炭含硫量，对提高生铁质量极为重要。为保证生铁含硫低于国家标准(0.05%0.02)，必须提高炉温和炉渣碱度，这就增加了燃料的消耗。实践证明，焦炭中含硫量提高0.1，焦比升高1.2%2%。洗煤和合理配煤也是降低焦炭含硫的基本途径。,（3）挥发分 炼焦过程中未分解挥发完的有机物，是鉴别焦炭成熟程度的主要标志，一般含量为0.8%1.2。含量过高表明成熟程度差，强度不够，在冶炼过程中易碎裂产生粉末，影响料柱透气性。而含量过低，表明结焦过大，会形成裂纹多而脆，故要求挥发分

17、适当。,（4）成分稳定 焦炭成分与性能波动会导致高炉冶炼过程不稳定，特别是水分的波动会引起入炉焦炭重量波动，从而影响炉温，导致热制度波动。采用干法熄焦，使焦炭不含水分，根本上消除了水分波动的影响，同时还会改善焦炭强度。,（5）强度与粒度 焦炭在入炉前要经过多次转运，在炉内下降过程中受高温和炉料间的重力及摩擦力作用，如果强度不好，会破裂产生粉末，导致炉渣变得粘稠，料柱透气性恶化。测定焦炭强度常用转鼓试验。要求见P14表1-8。,M40称为焦炭的抗冲击强度（破碎强度）M10为焦炭的抗摩擦强度（磨损强度）一般大型高炉要求M40 75%以上，M108.0；焦炭的粒度要求适中而均匀：大型高炉为40 60

18、mm，中型高炉为25 40mm,小型高炉为15 25mm。,焦炭的燃烧性和反应性其实质是C与O2燃烧生成CO2的速度和C和CO2反应生成CO的速度，在高炉冶炼条件下，希望其燃烧性和反应性低一些。,（6）焦炭的燃烧性和反应性,现代焦炭生产过程分为洗煤、配煤、炼焦、熄焦及煤气和化工产品回收处理等工序，生产工艺流程见图。,炼焦工艺：现代焦炭生产过程分为洗煤、配煤、炼焦、熄焦及煤气和化工产品回收处理等工序，生产工艺流程见图。,(1)洗煤 原煤在炼焦前洗选，目的是降低煤中灰分和洗除其它杂质。(2)配煤 可用于炼焦的煤主要有气煤、肥煤、焦煤和瘦煤等。配煤是将上述各种结焦性不同的煤经洗选后，按一定比例配合炼

19、焦。目的是在保证焦炭质量的前提下，节约日趋减少的主焦煤，扩大炼焦用煤源，同时尽可能多的获得一些化工产品。,（3）炼焦 将配好的煤料，装入炼焦炉的炭化室，在隔绝空气的条件下，由两侧燃烧室供热，随温度升高经干燥、预热、热分解、软化、半焦、结焦成具有一定强度的焦炭。煤结焦过程变化如下：A、干燥和预热50 200，煤中水分蒸发和放出CH4和CO2等气体；,B、热分解 200 300，放出气体挥发物；C、软化 300 500，产生胶质体；D、半焦 500 800，析出大量液体焦油及气体挥发物，形成多孔状半焦；E、成焦 900 1000，产生较大的体积收缩，并开始炭化最后形成焦炭。经过一个结焦周期（14

20、18 h），由推焦机把焦炭从炭化室推出。,（4）熄焦 炽热的焦炭由熄焦车送去喷水熄焦、凉焦，或用CO2、惰性气体等逆流穿过红焦层进行热交换，焦炭冷却到200以下，惰性气体则升温至800左右，送到余热锅炉生产蒸汽，这就是干熄焦法。这种方法对环境污染小，焦炭质量高，同时可回收大量显热。我国上海宝山钢铁总厂采用干熄焦法。,（5）煤气和化工产品回收 炼焦过程不仅产出焦炭，同时还逸出高热值的煤气及其它可提取化工产品的原料,每1000kg干精煤约可获得冶金焦750kg，煤焦油（15 34）kg，氨（1.5 2.6）kg，粗苯（4.5 10）kg，焦炉煤气（290 350）m3。,四 鼓风,鼓风是经风机压缩后具有很高压强的空气，在现代大高炉上鼓风压强可达0.4MPa以上。为了强化高炉冶炼和向高炉喷吹补充燃料，常将制氧机生产的氧气加入鼓风中，使鼓风的含氧量达到22%30%。风机出来的鼓风都要经热风加热到1000以上，然后送入高炉。,思考题：,1 什么是矿石的还原性？2 高炉炼铁过程对铁矿石还原性的要求是什么？3 铁矿石的评价指标？4 铁矿石通常分为哪几类？,5 高炉用熔剂的种类及作用？6 目前国内高炉炼铁工艺主要使用的熔剂种类？7 焦炭在高炉冶炼中的作用？8 什么是焦炭的燃烧性？反应性？高炉炼铁过程对其有何要求？,