項目一第二講高爐煉鐵.課件

1、素材風暴：/PPT模板：/AE視頻：/PSD素材：/html/psd/矢量素材：/html/vector/Flash素材：/html/flash/圖片素材：/html/photo/PS插件：/html/pschajian/煉焦工藝項目一 焦炭及其性質(zhì)第二講 高爐煉鐵 第二講 高爐煉鐵 焦炭主要用于高爐冶煉，其次還用于鑄造、氣化、和生產(chǎn)電石等，它們對焦炭有不同的要求。但高爐煉鐵用焦炭（冶金焦）的質(zhì)量要求為最高，用量也最大。 一、高爐冶煉過程 1.高爐內(nèi)總體狀況 如圖1-7所示，高爐系中空豎爐，從上到下分爐喉、爐身、爐腰、爐腹、爐缸五段。高爐本體是由以下各部分組成：鋼筋混凝土制成的爐基，鋼板卷成的

2、爐外殼，耐火磚砌成的爐襯，冷卻設備以及框架和支柱等。從煉鐵的工藝過程來看，它包括上料、鼓風、出鐵排渣、和煤氣等系統(tǒng)。耐火爐襯圍成的空間稱為高爐爐型，是進行煉鐵過程的所在。 根據(jù)煉鐵過程的特點，爐型各段結(jié)構(gòu)不同。高爐爐料中的鐵礦石（天然礦、燒結(jié)礦、球團礦）、焦炭和助熔劑（石灰石或白云石）從爐頂依次分批裝入爐內(nèi)，送風系統(tǒng)將800以上的高溫空氣（或富氧空氣）由位于爐缸上部的風口鼓入爐內(nèi)，使焦炭在風口前的回旋區(qū)內(nèi)激烈燃燒而放熱,并使高爐下部形成自由空間，上部的爐料借重力穩(wěn)定地下降，從而構(gòu)成連續(xù)的高爐冶煉過程。 圖1-7 高爐爐型及各部位溫度與煤氣組成a爐型；b高爐內(nèi)溫度沿高爐的變化； c煤氣中CO沿高

3、度的變化；800以下區(qū)域； 8001100區(qū)域；1100以上區(qū)域；Hu有效高度； 爐腹角； 爐身角 燃燒放出的熱量是高爐冶煉過程的主要熱源，占冶煉所需熱量的75%80%，反應后生成的CO作為高爐冶煉過程的主要還原劑，使鐵礦石中的鐵氧化物還原，因此，自下而上煤氣溫度逐漸降低（圖1-7b）。從風口開始，由于煤氣中CO2與焦炭反應及鐵氧化物被高溫焦炭直接還原產(chǎn)生大量CO，所以煤氣中CO含量逐漸增加，到爐腹以上部位則由于CO與鐵氧化物間接還原生成CO2而逐漸降低(圖1-7c)。 爐料在下降過程中，經(jīng)預熱、脫水、間接還原、直接還原而轉(zhuǎn)化為金屬鐵，溫度逐漸升高。鐵礦石中的脈石（主要成分為SiO2、Al2O

4、3的高熔點化合物）同熔劑作用形成低熔點化合物爐渣。鐵水和爐渣在向下流動過程中相互作用，進行脫硫等反應，到爐缸下部，二者借互不溶性和密度差異而分離，并分別從渣口和鐵口定期放出爐外。產(chǎn)生的高爐煤氣從爐頂導出，經(jīng)冷卻除塵制成凈煤氣。爐料在高爐內(nèi)的下降時間稱冶煉周期，約58小時。高爐內(nèi)煤氣從燃燒生成到流出爐外共約46小時。2.高爐煉鐵的化學反應 在風口區(qū)，焦炭燃燒生成CO2并放出大量熱，溫度可達15001800，使鐵、渣完全熔化而分離。C+O2=CO2+399.440MJ 溫度在1100以上的爐腹及爐腰地帶即區(qū)內(nèi)，煤氣中的CO2與焦炭作用生成CO并吸收熱量。CO2+C=2CO-165.6MJ 此處焦炭

5、的消耗約為35%，同時未被還原的FeO與SiO2作用生成爐渣并開始熔化，還原后生成的海綿鐵則與焦炭作用，滲碳熔化，爐料體積變小，為此爐腹按爐腹角向下逐漸收縮，以利爐料穩(wěn)定下降。 爐身下部溫度為8001100的區(qū)內(nèi)，同時存在鐵的氧化物與碳之間的直接還原反應，到1100以上因CO2幾乎100%與焦炭作用生成CO，從全過程看是直接還原反應： FeO+CO=Fe+CO2+13.59MJ + CO2+C=2CO-165.6MJ FeO+C=Fe+CO-152.01MJ 直接還原的鐵量占鐵氧化物還原的總鐵量之比稱直接還原度 ，一般高爐的 = 0.350.50。爐料邊下降邊升溫膨脹，為此爐身以爐身角向下逐漸

6、擴大，以利順行。爐身上部，溫度低于800的區(qū)內(nèi)，主要是鐵的氧化物與CO之間的間接還原反應。 3Fe2O3+CO=2Fe3O4 +CO2+37.09MJ Fe3O4+CO=3FeO+CO2-20.87MJ FeO+CO=Fe+CO2+13.59MJ 間接還原反應的特點是得到的氣體產(chǎn)物為CO2，總的熱效應是放熱。 從以上反應可以看出，直接還原大量吸熱，不利于高爐內(nèi)的熱能利用，又因碳溶反應使焦炭氣孔壁削弱，所以應發(fā)展間接還原。 整個高爐爐體，從料鐘落位高度到鐵口中心線的距離稱為有效高度H，其間的容積稱為高爐的有效容積（V），我國定型設計的中小型高爐有55m3，255 m3和620 m3 等，大型高爐

7、有1053 m3、1513 m3、2500 m3及近期從國外引進的4000 m3的大高爐。有效高度是決定CO和熱能利用效率的主要因素，高爐產(chǎn)量則決定于有效容積及它的利用率。衡量高爐操作水平的主要經(jīng)濟技術指標有高爐有效容積利用系數(shù)（）： = ,t鐵/（m324h） (1)焦比（c）： c = ，t焦/（t鐵） （2）冶煉強度 ： , t焦/(m324h) （3） 將式（1）和（2）合并得： （4） 式（4）表明：擴大高爐生產(chǎn)能力的途徑是增大爐容（V），降低焦比和提高冶煉強度。當高爐容積增大到原爐容積的2倍時，風口個數(shù)最多增加到原風口個數(shù)的倍，所以在增大爐容的同時，提高冶煉強度的可能性不大，因此應

8、該設法提高焦炭質(zhì)量，以降低焦比。 3造渣脫硫 造渣的主要目的：一是使鐵礦石中的脈石和焦炭中的灰分（其中大部分為高熔點的酸性氧化物，如SiO2熔點為1713、AI2O3為2025）與溶劑（如CaO、MgO）作用，生成熔點較低，流動性好的液態(tài)爐渣，從而與鐵水分開，由爐中放出，以除去爐料帶入的雜質(zhì)；二是利用造渣脫硫和控制硅、錳等元素的還原，以獲得合格的生鐵。 （1）高爐冶煉過程中硫的動態(tài) 高爐中的硫主要由焦炭帶入，一般為爐料中總硫量的80%以上。焦炭中的硫，大多以硫碳復合體形態(tài)與焦炭物質(zhì)結(jié)合在一起，也有一些以硫化鐵和硫酸鹽存在于灰分中。鐵礦石和熔劑中的硫，主要呈（FeS2）形態(tài)，也有少量的CaSO4

9、等硫化物。在高爐中焦炭帶入的硫約有10%20%以SO2和H2S的形態(tài)隨煤氣流出爐外，約有50%70%在風口燃燒生成SO2，但在隨煤氣流經(jīng)高爐下部高溫區(qū)時，被焦炭還原成硫蒸氣：SO2+2C=2CO+S 鐵礦石和熔劑中的FeS2被高溫煤氣加熱分解： FeS2 FeS+S 這些硫蒸氣在隨煤氣上升過程中又被CaO、海棉鐵和鐵氧化物吸附而隨爐料下降。生鐵中的硫以FeS的形態(tài)溶于鐵水中，只有在鐵水滴穿渣層時被部分脫除。 （2）影響生鐵含硫的因素 鐵水和熔渣互不相溶，脫硫反應只能在鐵水和爐渣的接觸面上進行：FeS+（CaO）（CaS）+FeOFeO+CFe+CO在高爐操作條件下，由于渣、鐵接觸面少，接觸時間

10、短，擴散慢，故上述可逆反應遠不能達到平衡，鐵水中的硫就不能全部轉(zhuǎn)入爐渣中。生鐵中的含硫量可下式計算： （1-14）式中 S生鐵含硫量，%； S料、S煤爐料帶入和煤氣帶走的硫分，kg； Q鐵生鐵量，kg； n渣鐵比，%； ls硫的分配系數(shù)； （ ）表示渣中； 表示鐵水中。 由式1-14可知： 當其它條件一定時，爐料帶入的硫分越多，則生鐵含硫量越高，為了制得低硫生鐵，首先應降低硫負荷（煉一噸生鐵所需爐料帶入的硫分，kg硫/（t生鐵）。因此鐵礦石宜用經(jīng)過焙燒的人造富礦，焦炭要控制硫分，故降低焦比是降低硫負荷的重要途徑。 隨煤氣流走的硫越多，生鐵含硫量就越低，采用自熔性燒結(jié)礦，大大減少爐料中游離的Ca

11、O是增加煤氣中硫含量的有效途徑。 渣鐵比高，則脫硫效率高，但焦比增加。 硫的分配系數(shù)越大，則脫硫效率越高，生鐵含硫量就越低。 值主要取決于爐渣的流動性，即取決于其組成和溫度。（3）爐渣脫硫的實質(zhì) 硫化物的穩(wěn)定性排列次序是CaS、MnS、FeS。爐渣脫硫的目的是將熔于鐵水中的FeS轉(zhuǎn)化為不熔于鐵水中的硫化物，并轉(zhuǎn)入爐渣。首先鐵水中的FeS向爐渣內(nèi)擴散，即FeS （FeS），已擴散到爐渣中的FeS 與爐渣中的氧化物作用，生成更穩(wěn)定的硫化物。例如：（FeS）+（CaO）=（CaS）+（FeO），由于爐渣中的FeO 又與焦炭或鐵水中的碳作用，F(xiàn)eO+C=Fe+CO，從而促使反應向脫硫方向進行。因此反應

12、的全過程是 FeS+CaO+ C= CaS+Fe+CO141230kJ。 其中提高硫化鐵從鐵水中向爐渣擴散的速率，是整個過程的關鍵。提高爐缸和爐渣的溫度，一方面有利于吸熱的脫硫反應向右進行；另一方面降低爐渣黏度，有利于鐵水中的FeS通過界面向爐渣擴散。 爐渣組成主要由總堿度 或堿度 表示。一般低硫焦煉鐵，總堿度約為1.11.25，堿度為1.21.4。適當提高堿度和總堿度有利于脫硫，但堿度過高會使爐渣黏度增加，影響料柱的透氣性，引起結(jié)瘤，燒壞風口、渣口，焦比過高等不正常爐況，脫硫效率反而降低。 用白云石（MgO3CaCO3）代替部分石灰石來增加爐渣中MgO的含量，可以提高爐渣的穩(wěn)定性，使之具有良

13、好的流動性，有利于造渣脫硫。 爐渣中的CaS含量高于6.5%時，爐渣黏度和熔化溫度明顯提高，故一般規(guī)定爐渣中CaS的許可濃度為5.5%6.5%。但實際生產(chǎn)條件下，CaS的濃度遠低于該值。此外由于渣鐵界面上脫硫條件很差，一般硫的分配系數(shù) ，煉鋼用生鐵約為10%30%，而鑄造用生鐵約為30%70%。二、料柱構(gòu)造及對焦炭的要求 1. 料柱構(gòu)造 高爐內(nèi)自上而下的溫度總趨勢是逐漸升高，但高爐內(nèi)的等溫線并非沿橫截面呈水平狀，而是因高爐爐型、原料品位和操作參數(shù)等因素，等溫線可呈“”形或倒“”形（圖1-8）。圖1-8 高爐內(nèi)不同溫度區(qū)域示意 料柱上部低于1100的區(qū)域，爐料保持入爐前的固體塊狀，焦炭與煤氣流分

14、配層作用，該區(qū)域稱塊狀帶。 料柱中部溫度在11001350的部位，焦炭和礦石仍保持層層相間，但礦石從外表到內(nèi)部逐漸軟化熔融，靠焦炭層支撐才不至于聚堆，該區(qū)域稱軟融帶。由于高爐內(nèi)中心氣流與邊緣氣流速度以及溫度的差異，使軟融帶的形狀同等溫線相對應，也呈倒“”形或“”形。在軟融帶內(nèi)融著層幾乎不透氣，上升煤氣幾乎全部從焦炭縫隙流過。 料柱中下部溫度高于1350的部位，此處僅焦炭呈固塊狀，熔化的鐵水和爐渣則沿焦炭層縫隙向下流動并滴落，高溫煤氣則沿粘附有鐵水和熔渣的焦炭層縫隙向上流動。該區(qū)域稱滴落帶。在滴落帶下方的中心部位，有一個緩慢移動的呆滯焦炭層（也稱死料層），這主要是當焦炭移動時由軟融帶上層滑落下來

15、，經(jīng)受劇烈碳溶反應的焦炭組成。 進入滴落帶以下風口前的焦炭在高速熱氣流的吹動下劇烈回旋并猛烈燃燒形成回旋的風口區(qū)，風口區(qū)的周邊是焦塊、焦屑、鐵水和風口區(qū)邊界層形成動平衡。風口區(qū)焦炭空氣燃燒生成的CO2，在流經(jīng)邊界層時與灼熱焦炭反應，幾乎全部轉(zhuǎn)化為CO，提供鐵氧化物還原所需的還原劑。 2.焦炭的作用 焦炭燃燒產(chǎn)生的熱能是高爐冶煉過程的主要熱源，燃燒反應生成的CO作為高爐冶煉過程的主要還原劑。 由于焦炭位于風口區(qū)以上地區(qū)，始終處于固體狀態(tài)，在高爐中其體積占高爐體積的35%50%。所以對上部爐料起支承作用，并成為煤氣上升和鐵水、熔渣下降所必不可少的高溫疏松骨架。 焦炭在風口區(qū)內(nèi)不斷燃掉，使高爐下部形

16、成自由空間， 上部爐料穩(wěn)定下降，從而形成連續(xù)的高爐冶煉過程。 綜上，焦炭在高爐中則起著熱能源、還原劑和疏松骨架三個作用 近年來，為降低焦炭消耗，增加高爐產(chǎn)量，改善生鐵質(zhì)量，采用了在風口噴吹煤粉、重油、富氧鼓風等強化技術。焦炭的熱能源、還原劑作用可在一定程度上被部分取代。但作為高爐料柱的疏松骨架不能被取代，而且隨高爐大型化和強化冶煉，該作用更顯重要。 3高爐焦的質(zhì)量要求 各國對高爐焦的質(zhì)量均提出了一定的要求，且已形成了相應的標準。表1-5列出了一些國家（或企業(yè)）的高爐焦質(zhì)量標準（或達到水平）。 綜上，高爐焦要求灰低、硫低、強度高、粒度適當且均勻、氣孔均勻、致密、反應性適度、反應后強度高。指 標中

17、 國俄羅斯日 本美 國德 國英 國法 國波 蘭水分（Mt）/%4.012.053536揮發(fā)分（Vad）/%1.91.4.80.71.1灰分（Aad）/%12.0015.00101210126.610.89.810.286.710.111.512.5硫分（St,ad）/%0.601.001.792.000.60.541.110.91.225,404080 25801575202051408020634080 406040轉(zhuǎn)鼓強度指數(shù)/%穩(wěn)定度5162硬 度6273M2592.0 92.088.188.083.07380 6875627075808475806369 5263 4552M107.0

18、 8.5 10.5899101014678810 1213I1092 表1-5各國高爐焦質(zhì)量標準圖1-9高爐中焦炭性質(zhì)的變化高爐中心試樣；爐墻與爐中心之間試樣；靠近爐墻試樣；平均試樣 三、焦炭在高爐內(nèi)的性質(zhì)變化 圖1-9為高爐中焦炭沿高向的機械強度、粒度、氣孔率、反應性和鉀、鈉元素等的變化情況。在高爐上部塊狀帶變化不大，只有在高爐中部超過1000的區(qū)域才開始急劇變化。 1.焦炭在高爐內(nèi)粒度和強度的變化 焦炭在高爐的塊狀帶內(nèi)雖受靜壓擠壓，相互碰撞和磨損等作用，但由于散料層所受靜壓遠低于焦炭的抗壓強度，撞擊和磨損力也較小，故塊狀帶內(nèi)焦炭強度的降低、粒度的減小以及料柱透氣性的變化均不明顯。 焦炭進入

19、軟融帶后，由于受高溫熱力、尤其是碳溶反應的作用，使焦炭氣孔壁變薄、氣孔率增大、強度降低，并在下降過程中受擠壓、磨擦作用，使焦炭粒度減小和粉化，料柱透氣性變差。 焦炭在滴落帶內(nèi)碳溶反應不太劇烈，但因鐵水和熔渣的沖刷，并受溫度1700左右的高溫爐氣沖擊，焦炭中部分揮發(fā)分蒸發(fā)，使焦炭氣孔率進一步增大，強度繼續(xù)降低。 焦炭進入風口回旋區(qū)邊界層，在強烈高速氣流沖擊和剪切作用下很快磨損，進入回旋區(qū)后劇烈燃燒，使焦炭強度急劇降低，粒度急劇減小。 2.高爐內(nèi)堿金屬和焦炭反應性的變化 礦石和焦炭帶入高爐內(nèi)的堿金屬多數(shù)是硅酸鹽和碳酸鹽，在高爐內(nèi)碳酸鹽分解成氧化物，硅酸鹽則被還原成堿金屬、堿土金屬、鐵、錳、鎳等，對碳溶反應能起催化作用，其中鉀、鈉的催化作用最為顯著。焦炭中鉀、鈉含量很低，一般小于0.5%，對焦炭還不足以產(chǎn)生有害影響，但在高爐內(nèi)，礦石和焦炭帶入的堿金屬鹽類會分解，并進一步被碳還原和氣化成鉀、鈉蒸汽。這些氣態(tài)的鉀、鈉隨煤氣上升至爐頂，因溫度降低和CO2分壓升高又生成碳酸鹽析出，這些堿金屬碳酸鹽，一部分粘附在爐壁上侵蝕耐火材料，但大部分被焦炭表面吸附或粘附在礦石表面上，又隨爐料下降至溫度高于碳酸鉀、碳酸鈉分解溫度的區(qū)域，又發(fā)生分解，還原和氣化。只有少部分隨煤氣帶出，如此形成鉀、鈉等堿金屬在高爐內(nèi)的循環(huán)和富集，如