冶金概论4高炉冶炼基本原理一课件.ppt

2.5 高炉冶炼基本原理高炉冶炼基本原理 高炉生产示意图通过国内外高炉解剖研究得到如图图2-14(P35)所示的典型炉内状况高炉内炉料状态示意图 按炉料物理状态，高炉内大致可分为五个区域或称五个带五个带：1)块状带（固体炉料区）块状带（固体炉料区）：炉料仍保持块状状态；2)软熔带软熔带：矿石从开始软化到完全软化；3)滴落带滴落带：铁水和炉渣沿焦炭之间缝隙下降；4)风口带（焦炭回旋区）风口带（焦炭回旋区）：焦炭作回旋运动；5)渣铁带（炉缸带，渣铁贮存区）渣铁带（炉缸带，渣铁贮存区）：贮存渣铁、完成渣铁反应一一 炉料在炉内的物理化学变化炉料在炉内的物理化学变化 吸附水的蒸发结晶水的分解碳酸盐的分解挥发分的挥发还还原原过过程程 炉炉渣渣形形成成 碳碳素素的的燃燃烧烧 1 吸附水的吸附水的蒸发蒸发 焦炭如果用水熄焦，一般含有焦炭如果用水熄焦，一般含有4%5%的水，的水，高者可达高者可达10%天然矿石和熔剂虽为致密块状也会吸附一定量天然矿石和熔剂虽为致密块状也会吸附一定量的水，特别是雨季的水，特别是雨季炉料中的水份在有一定温度的炉顶煤气的作用炉料中的水份在有一定温度的炉顶煤气的作用下会逐渐升温直至沸腾而蒸发。

下会逐渐升温直至沸腾而蒸发蒸发热值不大，仅仅使炉顶温度降低，对高炉蒸发热值不大，仅仅使炉顶温度降低，对高炉冶炼过程不产生明显影响冶炼过程不产生明显影响2 结晶水分解结晶水分解 结晶水在高炉内大量分解的温度：400600分解反应如下：褐铁矿：2Fe2O33H2O=2Fe2O3+3H2O 400500高岭土：A12O32SiO22H2O=A12O32SiO22H2O 500600 某些结晶水将在800 以上的区域才发生分解，反应为：H2O+C=H2+CO 这些反应都是吸热反应，消耗高炉内的热量3 碳酸盐的分解碳酸盐的分解碳酸盐种类：碳酸盐种类：白云石（白云石（CaCO3MgCO3），碳酸铁（），碳酸铁（FeCO3）和碳酸锰（）和碳酸锰（MnCO3）：）：一般在高炉上部分解完毕，对高炉冶炼影响不大分解反应：石灰石（石灰石（CaCO3）：）：分解温度较高约910，吸热反应，对高炉冶炼影响较大CaCO3=CaO+CO2 178.5 kJ/mol4 挥发物的挥发挥发物的挥发包括：燃料挥发物燃料挥发物挥发，如焦炭及煤粉中的挥发分其它物质其它物质挥发如S、P、As、K、Na、Zn、Pb、Mn和SiO、PbO、K2O、Na2O等。

二二 还原过程还原过程 2.1 基本概念基本概念还原反应是高炉内最基本的化学反应还原反应是高炉内最基本的化学反应1）还原反应还原反应 还原反应通式：MeO十十XMeXO 常用还原剂：固体碳C、CO、H2570时：Fe2O3Fe3O4FeOFe(2)铁氧化物还原顺序（铁氧化物还原顺序（P61）由高级向低级、逐级还原高级向低级、逐级还原：2.2 铁氧化物的还原过程铁氧化物的还原过程t570时，时，3Fe2O3 +CO =2 Fe3O4+CO2+Q (1)Fe3O4 +CO 3FeO+CO2 -Q (3)FeO +CO Fe+CO2 +Q (4)(1)用用CO还原铁氧化物还原铁氧化物2.2 铁氧化物的还原过程铁氧化物的还原过程10,50234570,601200,17CO/%温度/12008004008040CO还原铁氧化物平衡相图01300,78平衡相图:化学反应达到平衡时平衡时CO浓度与温度关系图CO浓度：反应体系中气相气相（由CO和CO2组成的混合气体）中CO所占的体积百分比体积百分比CO平衡浓度：化学反应达到平衡时平衡时CO浓度，即为反应开始浓度开始浓度t570时：3Fe2O3 +H2=2 Fe3O4+H2O+Q (5)Fe3O4 +H2 3FeO+H2O -Q (7)FeO +H2 Fe+H2O -Q (8)56781300，0.5400，801300，50温度/1200800400图6 H2还原铁氧化物平衡相图H2/%80400570，72(2)用用H2还原铁氧化物还原铁氧化物2）H2还原铁氧化物主要发生在高炉较高温区域（高炉中部）。

1)得到Fe所需H2浓度高（在高炉内，H2将铁氧化物还原成Fe很困难）用H2还原铁氧化物的特点：用固体碳还原铁氧化物反应：FeO +C =Fe+CO -Q（9）(3)用C还原铁氧化物碳的直接还原反应特点：碳的直接还原反应特点：1）反应吸收大量的热量，反应在高温下才能发生；2）金属铁可完全被还原出来这是高炉炼铁的主要反应铁矿石在下降过程中，从400开始就被CO和H2按Fe2O3Fe3O4FeOFe逐步从高价铁还原到低价铁，直到金属铁，当矿石进入高温区（850 1000）后，又被固体碳还原2.3 直接还原与间接还原的比较直接还原与间接还原的比较 从还原剂需要量角度看，直接还原比间接还原更有利于降低焦比从热量的需要角度看，间接还原比直接还原更能有利于降低焦比直接还原反应是不可逆的，虽然它还原单位铁所消耗的还原剂量少，但它是吸热反应，需要燃烧更多的焦炭来补偿反应的吸热量间接还原的特点之一是反应可逆为使反应向我们所要求的方向-形成低价氧化铁和金属铁的方向进行，就要用过量的还原剂CO和H22.4非铁元素还原非铁元素还原 铜、砷、钴、镍：在高炉内几乎全部被还原；锰、钒、硅、钛等：较难还原，部分还原进入生铁。

1)锰的还原锰的还原 还原顺序还原顺序：MnO2Mn2O3Mn3O4MnOMn 在高炉内MnO不可能发生间接还原，只能直接还只能直接还原原，开始直接还原温度约11001200，此时已有初渣形成，因此是从初渣中还原MnOCMnCO287.19 kJ/mol 40 60的锰进入生铁，其余入渣的锰进入生铁，其余入渣2)硅的还原硅的还原 比Fe、Mn难还原只能在下部高温区（1300以上以上）直接还原：还原时要吸收大量热，少量被还原铁水中含硅量可作为衡量炉温水平的标志作为衡量炉温水平的标志SiO2CSi2CO 628 kJ/mol (3)磷的还原磷的还原2Ca3(PO4)23SiO210C3Ca2SiO44P10CO 在10001300时用碳作还原剂还原磷，其还原率能达60；当有SiO2存在时，可以加速磷的还原还原出来的P溶入生铁中形成Fe3P，因此炉料中的P几乎全部还原进入生铁中4)硫的还原硫的还原 各种炉料均可能带入硫，但从数量分析，焦炭中的硫是高炉内硫的主要来源炉料中的硫70%80%是由焦炭带入的焦炭的有机硫约有1/31/2到达风口前以S、SO2、H2S等形式挥发进入煤气剩余的在风口前燃烧生成SO2，随即被固体碳还原成硫蒸汽。

挥发出高炉的硫只占气体硫的一部分，其余部分又会被软化半熔区和滴下带的渣和铁吸收，转入炉内进入生铁中的硫以FeS的形式存在FeS既可溶于渣，也可溶于生铁在一定冶炼条件下，降低生铁中硫含量，提高生铁质量最有效措施为提高炉渣脱硫能力炉渣脱硫是利用渣中碱性氧化物将生铁中的硫转变成只溶于渣而不溶于生铁的矿化物的过程炉渣脱硫能力高低一般用LS表示，LS值越高，则渣脱硫能力越强炉渣脱硫反应为：FeS+(CaO)+C=(CaS)+Fe+COQ 三三 高炉炉渣高炉炉渣1 高炉炉渣的组成与作用高炉炉渣的组成与作用 铁矿石中的铁氧化物还原出金属铁，其中的脉脉石石和焦炭(燃料)中灰分灰分等与熔剂相互作用生成低熔点低熔点化合物化合物，即形成液态炉渣组成炉渣的氧化物很多，主要成分有SiO2、CaO、A12O3、MgO、MnO、FeO、CaS、CaF2等含量最多的是含量最多的是SiO2、CaO、A12O3、MgO四种四种炉渣碱度一般在1.01.32 高炉炉渣的作用高炉炉渣的作用 （1）使铁与杂质分离：由于炉渣具有熔点低、密度小和不溶于生铁的特点，所以高炉冶炼过程中渣、铁得以分离并从而获得纯净的生铁，这就是高炉造渣过程的基本作用。

2）控制生铁成分：渣铁之间进行合金元素的还原及脱硫反应，起着控制生铁成分和质量的作用比如高碱度渣能促进脱硫反应，有利于锰的还原，从而提高生铁质量；SiO2含量高的炉渣促进硅的还原，从而控制生铁含硅量等2 高炉炉渣的作用高炉炉渣的作用 （3）初渣的形成造成了高炉内的软熔带和滴落带，对炉内煤气流分布及炉料的下降都有很大的影响因此，炉渣的性质和数量，对高炉操作直接产生作用4）具有较高熔点的炉渣容易附着在炉墙上形成“渣皮”，起保护炉衬的作用但如炉渣熔点过低或粘度过小，将会慢慢侵蚀炉衬，起破坏性作用因此，炉渣成分和性质直接影响高炉寿命3 高炉炉渣的形成高炉炉渣的形成 在对高炉炼铁的研究中，通常将高炉渣分为初渣、中间渣、终渣(或称末渣)造渣过程是物料尚处在固体状态下就开始的脉石与从高价氧化物还原出来的 FeO和MnO等形成低熔化点的矿物，在一定的温度下软化和熔融成初渣初渣初渣在滴落过程中不断与煤气和焦炭接触，连续发生化学反应，逐渐失去FeO和MnO，同时吸收焦炭灰分及上升煤气中所携带的物质也是吸收熔剂中的CaO、MgO随着成分的变化，炉渣的熔点逐步升高，但它进入了高温区，有足够的热量对它加热，保证它透过炉内的焦炭区，而汇集在炉缸中，在铁液的上面形成渣层。

由于风口区是氧化性气氛，所以炉渣通过风口时成分又发生一次变化，这种成分不断发生变化的炉渣称为中间渣中间渣通过风口水平面聚集在炉缸中的渣称为终渣终渣炉渣进入炉缸，在铁液上面逐渐形成增厚的渣层，在铁液穿过及渣铁层间界面时，进行着脱硫等各种反应，调整生铁成分，直至成为终渣，积累到一定数量定期排出炉外四四 生铁形成生铁形成 刚从铁矿石还原出来的金属铁呈固体多孔状，几乎不含碳，称为海绵铁它的熔化温度很高，在1500以上随着炉料从还原地带向下方运动，煤气中CO分解形成的碳黑具有很高的活性，它附着或沉积在海绵铁表面的孔隙里，使其渗C，形成铁的碳化物随着碳的渗入，海绵铁的熔化温度降低；在到达高炉内的软化熔融带时，海绵铁由固体转变为铁滴在液态铁滴穿过焦炭区时，渗入的碳量继续增加，最终达到饱和状态炼钢生铁的含碳量可达5%生铁形成过程中，还伴随着有害元素硫，磷等的去除渗碳渗碳和已还原的元素溶入铁中，最终得到含Fe、C、Si、Mn、P、S等元素的生铁铁渗碳铁渗碳：3Fe固或液2C=Fe3C五五 高炉风口区碳的燃烧高炉风口区碳的燃烧 C+H2O=CO+H2-QCO、H2、N2等2C+O2=2CO+Q热风初始煤气初始煤气 炉顶煤气炉顶煤气 风口前碳素的燃烧温度一般不低于1500。

焦炭中的碳除一部分参加直接还原和渗入生铁外，约有70%的量在风口前燃烧生成一氧化碳燃烧反应供给了高炉气体还原剂和热量，并使炉缸下部腾出空间、为高炉炉料下降创造了条件当鼓风以很高的速度(100200m/s)从风口鼓入高炉时，具有足够的动能吹动风口前的焦炭块，形成一个比较疏松的袋形空间沿着袋形空间内部，煤气流夹带着焦炭进行回旋运动，焦炭在回旋运动状态下燃烧回旋运动主要发生在风口中心线以上在回旋运动的袋形空间周围，有一层厚度约200300毫米的中间层风口区产生焦炭和煤气流回旋运动的区域称为焦炭的回旋区(P34 图2-13)回旋区的大小主要决定于鼓风动能、焦炭性质及炉缸料柱状况等因素在炉缸中进行碳素燃烧反应的区域称为燃烧带它包括焦炭的回旋区和中间层，比回旋区稍大炉缸内沿水平方向上CO2大量消失的地方，即为燃烧带终止的地方燃烧带的大小决定着煤气在炉内的初始分布当燃烧带沿水平方向上截面积越大，相邻燃烧带之间的不活跃区越小，炉缸工作越均匀故巨型高炉有多达数十个风口影响燃烧带大小的主要因素有风量、风温、风压和风口直径等高速上升的煤气流带有大量的热量和浓度较高的CO及少量的H2等气体还原剂煤气进行了一系列传热传质后，从炉顶逸出。

在这一过程中煤气的体积、成分、温度、压力均发生了变化高炉内煤气成分和体积的变化 纯焦冶炼时，炉顶煤气量为鼓风量的1.35 1.37倍；喷吹燃料时，为1.401.45倍炉顶煤气成分炉顶煤气成分。