煉鐵第一章概論課件

1、鋼鐵冶金學煉鐵部分冶金工程專業(yè)本科生必修課北京科技大學冶金與生態(tài)工程學院 鋼鐵冶金學煉鐵第一章：概論吳鏗 2007.03.05鋼鐵冶金學鋼鐵冶金學是根據(jù)冶金物理化學、冶金傳輸原理和材料(組織結(jié)構(gòu))學的原理和方法來研究鋼鐵冶金過程的一門科學；鋼鐵冶金學與鋼鐵冶金(過程)的區(qū)別；鋼鐵冶金學的建立和發(fā)展及冶金工作者的使命。煉鐵部分課堂講授內(nèi)容的學時分配 第一章 概論 3學時第二章 鐵礦粉造塊 5學時 第三章 高爐冶煉過程的物理化學 7學時第四章 高爐冶煉過程的傳輸現(xiàn)象 5學時第五章 高爐冶煉的能量利用 6學時第六章 高爐煉鐵工藝 8學時習題課和總結(jié) 6學時第七章 高爐冶煉過程的數(shù)學模型概述 2學時第

2、八章 非高爐煉鐵 2學時 總計 44學時課本和參考書 王筱留主編 鋼鐵冶金學(煉鐵部分) 冶金工業(yè)出版社 北京 2006 (必備)參考書：東北大學、武漢，安徽、遼寧、唐山和包頭科技大學等學校出版的煉鐵學。 (了解) 鞍鋼、寶鋼、首鋼和武鋼等煉鐵專家的著作。 (知道)第一章 概論 1.1 鋼鐵工業(yè)在國民經(jīng)濟中的地位1.2 鋼鐵工業(yè)概況1.3 鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中的煉鐵生產(chǎn)1.4 高爐煉鐵過程概述 1 鋼鐵工業(yè)在國民經(jīng)濟中的地位人均鋼材消耗量反映了一個國家的工業(yè)發(fā)達程度 日本人均鋼材消耗量名列世界第一， 為800 kg/人.年 我國的人均鋼材消耗量為300 kg/人. 年左右 評價國家的工業(yè)發(fā)達程度的一

3、個指標工業(yè)化水平1 工業(yè)生產(chǎn)中所占比利2 機械化、自動化程度3 快捷便利的物流水平4 高效的勞動生產(chǎn)率國民生活水準1 便捷的交通工具2 完善齊備的市政設(shè)施3 舒適環(huán)保的民用住宅4 高質(zhì)量的生活用品需要大量機械設(shè)備需要大量基礎(chǔ)建設(shè)材料各種鋼鐵產(chǎn)品(數(shù)量大、質(zhì)量好)1 價格低廉；2 有較高的強度和韌性；3 易于加工制造；4 所需原料資源豐富；5 冶煉工藝成熟、技術(shù)高。反映國民經(jīng)濟和工業(yè)發(fā)達的程度一個標志穩(wěn)定可靠的原料來源(礦石、煤、熔劑、耐火材料等)穩(wěn)定的動力資源(水、電等）龐大和暢通的運輸設(shè)施(鐵路、水運等)雄厚的資金保證(投資大、建設(shè)周期長、生產(chǎn)流動資金量大)具備上述條件保證鋼鐵工業(yè)發(fā)達1.2

4、 鋼鐵工業(yè)的發(fā)展概況二次世界大戰(zhàn)后的四十多年中，鋼鐵工業(yè)獲得重大發(fā)展 (鋼鐵冶金學的發(fā)展) 鋼產(chǎn)量：50年代初的2億噸90年代的7.4億噸 我國概況古代占領(lǐng)先地位(公元前六世紀已廣泛使用鐵器)近代落后于發(fā)達國家，1890年(漢陽鐵廠投產(chǎn)到 1949年約半個世紀內(nèi)累計鋼產(chǎn)量不到200萬t，技藝領(lǐng)先但科學落后。改革開發(fā)后鋼鐵行業(yè)得到迅猛的發(fā)展，連續(xù)幾年居世界第一名。18712001年世界4大產(chǎn)鋼國家的產(chǎn)量“二戰(zhàn)”后世界4大產(chǎn)鋼國家的產(chǎn)量中國近20年鋼的產(chǎn)量20022007年主要國家粗鋼產(chǎn)量 萬 t1.3 鋼鐵生產(chǎn)工藝流程鋼鐵制造過程：把鐵礦石冶煉成合格的鋼鐵礦石去脈石、雜質(zhì)和氧鐵；還原熔化過程 (

5、煉鐵) 鐵精煉（脫C、Si、P等）鋼；氧化精煉過程(煉鋼) 三種煉鐵工藝流程的概念圖鋼鐵企業(yè)中的煉鐵和煉鋼1.4 高爐煉鐵過程概述1.4.1 高爐煉鐵工藝流程及爐型 運行中高爐縱剖面圖1.4.2 高爐冶煉的特點及主要過程 1-固體爐料區(qū)；2-軟熔區(qū)；3-疏松焦炭區(qū)；4-壓實焦炭區(qū)；5-渣鐵儲存區(qū)；6-風口循環(huán)區(qū)特點:在黑箱的逆流過程中(爐料下降及煤氣上升)，完成復合的物理化學反應和熱量交換；由于在高爐下部的溫度最高，高爐是最有效利用化學能和熱能的冶金爐；熔融帶的形狀和焦炭死料柱的透液性對保證煤氣流合理分布及爐料均勻下降至關(guān)重要，是高爐冶煉過程順行的關(guān)鍵。主要過程：熱量交換過程：上升的煤氣將熱量

6、傳遞給下降的爐料；還原過程：爐料中金屬氧化物(主要是Fe氧化物)被還原，高價(氧化物)低價金屬；造渣過程：完成還原的金屬與脈石的熔融態(tài)機械分離，達到要求成分的爐渣；渣鐵反應過程：控制渣鐵相互作用，得到成分及溫度均合格的液態(tài)鐵水。1.4.3 高爐原料 鐵礦石 含鐵代用品天然塊礦人造富礦 (燒結(jié)礦， 球團礦)堿性熔劑(石灰、石灰石、白云石)酸性熔劑 硅石特殊熔劑 螢石高爐、轉(zhuǎn)爐爐塵殘鐵軋鋼鐵皮硫酸渣 高爐原料熔劑鐵礦石 凡是在當前的技術(shù)條件下，可經(jīng)濟地提取出金屬鐵的巖石，稱為鐵礦石。地殼中Fe元素居第四位，占4.2 ；在鉄礦石中不存在純金屬的鐵，而是以氧化物、硫化物的形式存在；除含F(xiàn)e氧化物外，含

7、有其他化合物，統(tǒng)稱為脈石，常見的SiO2、Al2O3、CaO、MgO。鐵礦石的分類赤鐵礦(Fe2O3)，理論含F(xiàn)e70，紅條痕， 較軟，易還原；磁鐵礦(Fe3O4)，理論含F(xiàn)e72.4，黑條痕，較硬，難還原；褐鐵礦(xFe2O3.yH2O)，黃褐條痕，疏松多孔，易還原；菱鐵礦(FeCO3)，理論含F(xiàn)e48.2，灰黃條痕，焙燒后易還原。假象及半假象赤鐵礦 由于礦石在自然界中受到氧化作用，磁鐵礦常轉(zhuǎn)化為半假象和假象赤鐵礦。 所謂“假象半假象”是指化學成分Fe3O4 Fe2O3，結(jié)晶構(gòu)造上仍為磁鐵礦特征。 半假象赤鐵礦： 7 Fe全/FeO質(zhì)量比 3.5 假象赤鐵礦 Fe/FeO質(zhì)量比 7.0 鐵礦

8、石的評價含F(xiàn)e品位：Fe的品位決定了礦石的價格， 即冶煉的經(jīng)濟型。將含F(xiàn)e品位量達到65 % 上的富礦直接入爐；脈石量和成分：脈石量及其中SiO2和Al2O3要少，CaO多，MgO合適；礦物結(jié)構(gòu)：Fe礦物與脈石礦物的結(jié)合程度要弱，以易于進行礦物的單體分離。有害元素：S、P、As、Cu對鋼鐵產(chǎn)品性 能有害，K、Na、Zn、Pb、F對爐襯和 高爐順行有害，有害元素要少；有益元素：Mn、Cr、Ni、V、Ti、Nb、稀 土元素等對提高鋼產(chǎn)品性能有利，有益元 素量適當。 有益元素含量多時要為復合礦石考慮綜合利用。要考慮高爐冶煉中出現(xiàn)特殊現(xiàn)象。還原性：礦石中與Fe結(jié)合的氧被還原劑(CO 和H2)奪取的難易

9、程度稱為還原性。疏松結(jié)構(gòu)、微氣孔多的含鉄氧化物物質(zhì)還原性好； 褐鐵礦赤鐵礦磁鐵礦 人造富礦天然鐵礦 冶金性能：冷和熱態(tài)強度好、軟化熔融溫度 高、區(qū)間窄；粒度分布：5 mm的粉末要少，830 mm 宜，太大對還原不利； 太小對順行不利。 熔劑 要求有效成分含量高， 含S、P等有害元素少。其它含鐵代用品 要求含鐵量高，雜質(zhì)少，有一定的塊度。1.4.4 高爐燃料高爐燃料固液體燃料焦爐煤氣氣體燃料煤 重油焦炭高爐煤氣用于高爐本體 用于熱風爐和加熱爐焦炭按要求比例混合不同的煤，在(9001000) 干餾而成的固體燃料；焦炭的四大作用熱源：在風口前燃燒，提供冶煉所需熱量；還原劑：本身及其氧化產(chǎn)物CO均為還

10、原劑；骨架和通道：熔融帶的形狀和爐芯焦(焦炭死 料柱)的透液性； 滲碳：鐵水在爐缸的滲碳。焦炭質(zhì)量要求和作用：固定C高、灰分低；S含量低、揮發(fā)份控制 1 % 左右；高溫反應強度高、高溫反應性低 (C + CO22CO)；粒度合適，為礦石平均粒 度的 35倍為宜，d小/d大0.7 其他燃料無法取代焦炭在高爐中的作用。焦 炭要用寶貴主焦煤資源，煉焦過程的污染非 常嚴重。減少焦炭用量是高爐工作者奮斗的 目標，高爐噴煤技術(shù)應運而生。 煤粉噴吹和質(zhì)量要求高爐噴煤可置換部分昂貴焦炭，降低生鐵成本； 高爐噴吹煤粉要固定C高，灰分低；含S低；粒 度適合；煤可磨性好，爆炸性弱；燃燒性好， 反應性強；我國是世界上

11、較早開發(fā)高爐噴煤技術(shù)的國家之一。近些年我國高爐噴煤技術(shù)有了長足進步。世界先進高爐噴煤量已達267 kg/tHM，寶鋼目前 生產(chǎn)中為200230 kg/tHM。首秦、萊鋼和長治的平均煤比達到了190 kg/tHM左右的水平。1.4.5 耐火材料 耐火材料高爐本體用 熱風爐不定形耐火材料 爐身上部：粘土磚爐身中部：高鋁磚爐身下部：碳化硅磚爐腰、爐腹：碳化硅磚爐缸上部：碳化硅磚爐缸下部：外側(cè)和底部用碳磚，內(nèi)襯高 鋁磚陶瓷杯頂部及格子磚上部用硅磚；其它部位 用高鋁磚或粘土磚鐵口炮泥及爐前溝泥焦粉粘土蒽油剛玉碳化硅絹云母焦粉焦油噴補泥漿 Al2O3+SiO2+粘結(jié)劑(磷酸鹽、皂土、水玻璃等)高爐用各種耐

12、火材料性能的比較寶鋼原1號高爐各部位耐火磚的材質(zhì) 1.4.6 高爐產(chǎn)品高爐產(chǎn)品 主產(chǎn)品鐵水Si：0.31.25%C ：0.55.0%Mn : 0.10.8%P : 0.080.4%S : 0.020.07%鐵水溫度14201560 少量鐵合金高碳錳鐵；高碳硅鐵；稀土硅鐵 高碳硅錳合金等副產(chǎn)品爐渣渣量:250400kg/tCaO: 3544 %SiO2：3242 %Al2O3 : 614 %MgO: 413 %渣溫14001600 熱含量16801900 kJ/kg副產(chǎn)品煤氣煤氣量16003500 M3/tHM煤氣成分CO: 2126 %H2: 1.02.0%CH4:0.20.8%CO2 :14

13、21% N2: 5557發(fā)熱值Q低32003800kJ/M31.4.7 高爐主要技術(shù)經(jīng)濟指標 1 有效容積利用系數(shù)定義：每M3高爐有效容積每晝夜生產(chǎn)的合格 鐵量 (tHM/M3.d)。 我國=1.84.0 tHM/ M3.d (大高爐低、小高爐高);2 焦比定義：冶煉每噸生鐵所消耗焦炭的千克數(shù) (kg/tHM)。 我國焦比為260550 kg/tHM3 煤比 定義：冶煉每噸生鐵所消耗的煤粉的千克數(shù) (kg/tHM)。 我國煤比為80230kg/tHM(150 kg/tHM居多);4 燃料比(焦比+煤比+油比) 定義：冶煉每噸生鐵所消耗的固體和液體燃 料的總和(kg/tHM)。 我國燃料比為48

14、0580(kg/tHM)，目前沒有采用噴吹重油；綜合焦比(焦比+煤、油比煤、油與焦置 換比)6 煤焦置換比定義：噴吹1kg煤粉所能替代的焦炭的kg數(shù)。 一般為0.81.0(不包括褐煤)；7 焦炭冶煉強度定義：每M3高爐有效容積每晝夜燃燒的焦炭噸 數(shù)(t/ M3.d)。 通常為0.81.0t/M3.d 8 綜合冶煉強度定義：每M3高爐有效容積每晝夜燃燒的綜合焦 炭的噸數(shù)(t/M3.d)。 一般為0.91.15t/M3.d9 利用系數(shù)、焦比及冶煉強度三者關(guān)系純焦冶煉時：利用系數(shù)焦炭冶煉強度/焦比噴吹燃料時：利用系數(shù)綜合冶煉強度/綜合 焦比10 燃燒強度定義：每M3爐缸截面積每晝夜燃燒的焦炭的 噸數(shù)(t/ M3.d)11 工序能耗 Ci(燃料消耗+動力消耗-回收二次能源)/產(chǎn)品產(chǎn)量(噸標準煤/tHM) 1 kg標準煤的發(fā)熱量為29310 kJ(7000千卡)全球若干先進高爐的主要指標本章思考題1 試述長流程中3種煉鐵生產(chǎn)工藝的特點。2 畫出運行中高爐縱剖面圖和主要區(qū)域，簡述高爐冶煉過程的特點及主要過程。3 畫出高爐本體圖，并在其圖上標明四大系統(tǒng)。4 歸納高爐煉鐵對鐵礦石的質(zhì)量要求。5 試述焦炭在高爐煉鐵中的四個作用及對其質(zhì)量的要求。6 試述高爐噴吹用煤粉的質(zhì)量要求。7 掌握高