高爐煉鐵工藝流程與主要設(shè)備

1、2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,1,第二章 高爐煉鐵,2.1 高爐煉鐵的工藝流程及主要設(shè)備,高爐煉鐵：在高爐中采用還原劑將鐵礦石經(jīng)濟而高效的還原得到溫度和成分符合要求的液態(tài)生鐵的過程。,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,2,2.1.1 幾個基本概念,1 礦物：地殼中具有均一內(nèi)部結(jié)構(gòu)、化學組成及一對物理、化學性質(zhì)的天然化合物或自然元素稱為礦物。其中能夠為人類利用的稱為有用礦物。 2 礦石：在現(xiàn)代的技術(shù)經(jīng)濟條件下，能以工業(yè)規(guī)模從中提取金屬、金屬化合物或其它產(chǎn)品的礦物稱為礦石。 3 礦石的品位：礦石中有用成分的質(zhì)量百分含量，稱為該礦石的品位。 4 脈石：礦石中沒有用的成分稱為脈

2、石，一般在冶煉過程中需要去除。,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,3,5、富礦：含鐵品位50%的鐵礦石 赤鐵礦：理論含鐵量70% 磁鐵礦：理論含鐵量72.4% 菱鐵礦：理論含鐵量48 . 3% 褐鐵礦：理論含鐵量55 . 266.1% 6、 貧礦：實際含鐵量低于理論含鐵量70%的鐵礦石稱貧礦（必須經(jīng)過選礦后使用） 7、塊礦和粉礦,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,4,8、 精礦：貧礦經(jīng)過破碎，細磨，并通過磁選或浮選得到的高品位細粉狀礦石,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,5,2.1.2 高爐煉鐵工藝流程及主要設(shè)備,一、煉鐵流程及設(shè)備系統(tǒng) 高爐煉鐵生產(chǎn)流程比較定型，

3、它由高爐本體及若干輔助系統(tǒng)組成。 生產(chǎn)時從爐頂分批裝入各種爐料，從高爐下部風口不斷鼓入熱風，在連續(xù)熔煉過程中得到液態(tài)渣鐵，定期從爐缸渣鐵口排出爐外，與爐料進行一系列作用的煤氣從爐頂溢出。,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,6,轉(zhuǎn)爐煉鋼廠,煉鐵工藝流程圖,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,7,由于高爐的效率高、能耗低，所以高爐生產(chǎn)的鐵占世界鐵總產(chǎn)量的95%以上。 我國最大的高爐是寶鋼3號高爐（4350m3）。世界最大高爐達5000m3以上。,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,8,高爐煉鐵系統(tǒng)（高爐本體和輔助系統(tǒng)）,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,9,20

4、20/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,10,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,11,二、 高爐本體,1、高爐本體概述 包括高爐爐型、爐襯、冷卻裝置、鋼結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)。 高爐爐型均為五段式，圓形工作空間。 爐襯耐火材料圍成高爐爐型。 爐襯靠冷卻裝置保護，使一代工作爐齡達1015年。 鋼結(jié)構(gòu)是加固爐體和支撐各種附屬設(shè)備的構(gòu)件。 高爐大小以有效容積的立方米數(shù)表示。,高爐本體結(jié)構(gòu)仍在不斷向高效、長壽方向發(fā)展之中。,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,12,2、高爐爐型概述,1）、高爐內(nèi)部及爐墻而形成的工作空間的幾何形狀稱為高爐爐型。爐襯耐火材料圍成高爐爐型。 2）、高爐爐型為圓斷面五段

5、式即：爐喉、爐身、爐腰、爐腹、爐缸五部分。即高爐內(nèi)型圖所看到的五部分。,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,13,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,14,Schematic of a blast furnace, illustrating some of the defined terms.,h0,h6,hu,(b)死鐵層高度h0 (c)高爐有效高度hu (d)爐頭高度h6 (e)高爐全高h,(a)料線零位：是測定料面高度的基礎(chǔ)。鐘式爐頂：大鐘開啟時大鐘的底邊；無鐘爐頂：爐喉鋼磚的轉(zhuǎn)折點處或鋼磚頂部,h,3）、幾個概念：,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,15,Sc

6、hematic of a blast furnace, illustrating some of the defined terms.,Top ring:爐頂鋼圈(爐頂法蘭) Offtake :排氣管 Top cone:高爐爐頭（爐頂錐形部分） Armour（爐喉）鋼磚 Stockline level：料線零位 Throat：爐喉，Stack：爐身 Belly：爐腰 Bosh：爐腹 Tuyere：鼓風口 Tuyere breast：風口中心 Bustle pipe :圍管 Tuyere stock：風口支管 Hearth：爐缸 Iron notch：出鐵口 Cinder notch/emgen

7、cy iron notch;出渣口,h0,h6,hu,本體結(jié)構(gòu)中英文對照,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,16,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,17,三 、高爐爐襯,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,18,四、 高爐冷卻裝置,1）,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,19,（4）,（3）,（2）,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,20,五、高爐鋼結(jié)構(gòu),1）,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,21,（2）,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,22,六、 高爐爐基,鋼筋混凝土基座,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,23

8、,2.1.3 高爐煉鐵原料及產(chǎn)品,一、高爐煉鐵原料 1、含鐵原料Iron-Bearing Materials 鐵礦石：1.61.8噸/噸鐵，主要成分為,Fe3O4，理論含鐵量72.4%； Fe2O3，理論含鐵量70%,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,24,(1)自然界中主要鐵礦石 自然界中鐵元素主要以化合態(tài)存在。主要礦物形式為磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦。,主要含鐵礦物（Chief Iron Bearing Minerals）,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,25,假象“赤鐵礦”：磁鐵礦在自然界中被氧化，化學成分上已由Fe3O4成為Fe2O3，在結(jié)晶結(jié)構(gòu)上保持磁鐵礦的

9、特征。通常以礦石中全鐵含量與FeO含量的比值判別磁鐵礦受氧化的程度。,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,26,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,27,(2) 鐵礦石的評價指標,含鐵品位 Fe品位高，脈石含量低，冶煉時所需熔劑和形成的渣少，用于分離渣鐵所需的能量低。 T.Fe 65%，P、S含量低的礦石可直接供直接還原和熔融還原 50% T.Fe1.6） 高堿度燒結(jié)礦的堿度決定于: a)燒結(jié)礦的冶金性能; b)酸性爐料的入爐比例。,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,36,c、抽風燒結(jié)原理,燒結(jié)原理,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,37,d、燒結(jié)工藝流程,

10、2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,38,e、燒結(jié)過程的主要反應(yīng),燃燒反應(yīng)、分解反應(yīng)、還原與再氧化反應(yīng)、氣化反應(yīng) 固相反應(yīng)和液相粘結(jié)形成一定強度和結(jié)構(gòu)的燒結(jié)礦 低熔點固相產(chǎn)物是液相形成的前提 粘結(jié)相主要有鐵橄欖石、鈣鐵橄欖石、硅灰石、硅酸二鈣、硅酸三鈣、鐵酸鈣、鈣鐵灰石及少量反應(yīng)不全的游離石英和石灰。,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,39,圖 燒結(jié)過程示意圖 I燒結(jié)礦層：II燃燒層：III預(yù)熱層：IV燒結(jié)料層：V墊底料層 1冷卻，再氧化；2冷卻，再結(jié)晶；3固體碳燃燒液相形成； 4固相反應(yīng)氧化，還原，分解；5去水；6水分凝結(jié),2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,40,

11、球團生產(chǎn)過程和球團礦,將準備好的原料(細磨精礦或其他細磨粉狀物料、添加劑等)，按一定比例經(jīng)過配料、混勻制成一定尺寸的小球，然后采用干燥焙燒或其他方法使其發(fā)生一系列的物理化學變化而硬化固結(jié)這一過程即為球團生產(chǎn)過程其產(chǎn)品即為球團礦。 球團礦分酸性球團礦和堿性球團礦。由于酸性球團礦生產(chǎn)操作較易控制，且品位高，強度好，同時高爐冶煉也需要酸性球團與高堿度燒結(jié)礦配臺使用。因此，目前世界各國以生產(chǎn)酸性球團礦為主。 球團法于1912年提出。,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,41,球團生產(chǎn)的工藝過程大體可分為配料、混合、造球、焙燒及成品處理等工序，其工藝流程見圖1。,Fig. Schematic d

12、iagram of the traveling grate system for producing pellets.,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,42,Fig. Balling drum mixer. Fig. Induced draft rotary or circular sinter coolers shown in process of construction.,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,43,Fig. Two disc-type pelletizing machines. Ore fines are fed to the discs by the

13、 belt conveyors (behind the operator).As the discs rotate, there is a balling action that causes the fines to agglomerate into pellet-like masses that are discharged from the discs over their lip at the bottom onto to the belt conveyor shown at floor level that carries the pellets to the bins of the

14、 sinter machine.,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,44,為保證球團礦質(zhì)量，在焙燒過程中應(yīng)保證氧化氣氛，控制升溫速度，達到球團固結(jié)的最佳溫度并保持足夠的高溫時間，保證再結(jié)晶充分進行。在冷卻過程中應(yīng)控制好冷卻速度。,Fig. Four types of iron ore agglomerates. The briquettes at the lower right were produced by hot ore briquetting.,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,45,3、鏈篦機一回轉(zhuǎn)窯法,它是由鏈篦機、回轉(zhuǎn)窯和冷卻機組合成的焙燒工藝（見圖）。生球的

15、干燥、脫水和預(yù)熱過程在鏈篦機上完成，高溫焙燒在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進行，而冷卻則在冷卻機上完成。,圖 鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯焙燒球團示意圖 1布料器；2鏈篦機；3干燥室；4預(yù)熱室；5回轉(zhuǎn)窯；6冷卻機；7振動給料器；8冷卻風機；9抽煙機；10多管除塵器；11燃燒器,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,46,我國鋼鐵企業(yè)的原料供應(yīng)一般都十分復(fù)雜：有以進口粉礦為主的，也有以國產(chǎn)鐵精礦為主的，還有各種各樣的地方小鐵礦所產(chǎn)的鐵礦石。原料品種多，化學成分和冶金性能變化大，穩(wěn)定性和均勻性差。 爐料結(jié)構(gòu)即高爐生產(chǎn)中酸性爐料、堿性爐料及塊礦所占的比例。 世界上高爐的合理爐料結(jié)構(gòu)不是單一模式,它決定于礦源和煉鐵成本。 根據(jù)我

16、國的現(xiàn)實情況，高爐的合理爐料結(jié)構(gòu)應(yīng)該是高堿度燒結(jié)礦配加酸性球團礦,或高堿度燒結(jié)礦配加酸性球團礦和塊礦,或高堿度燒結(jié)礦配加塊礦,六、高爐爐料結(jié)構(gòu),2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,47,2 燃料fuels (1)（冶金）焦炭 成分 固定碳：8085% 灰份（SiO2占4550%，Al2O3占1530%） 揮發(fā)份CO、CO2、CH4、N2、H2 作用 燃燒產(chǎn)生熱量 燃燒后產(chǎn)生CO作為還原劑 支撐料柱，使料層透氣,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,48,高爐冶煉對焦炭質(zhì)量的要求 強度：通過轉(zhuǎn)鼓試驗測定 固定C和灰分含量：良好的冶金焦應(yīng)固定C高，灰分低 高爐實踐證明，灰分升高1%，

17、焦比升高2%，高爐產(chǎn)量下降3% 硫：焦炭帶入的硫含量占冶煉單位質(zhì)量生鐵所需原料總硫量的80%。 焦中的硫的質(zhì)量分數(shù)提高0.1%，高爐焦比增加1.2%2.0% 揮發(fā)份：要求揮發(fā)分質(zhì)量適當，主要防止揮發(fā)分過高,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,49,成分和性能的穩(wěn)定性以及粒度 焦炭成分和性能的波動對高爐冶煉行程的穩(wěn)定不利，影響高爐生產(chǎn)效率及燃料消耗 對焦炭粒度的要求是在保證高爐順行的前提下，盡量采用小粒度焦炭。焦炭的粒度比礦石的平均粒度大35倍，控制在4060mm。水分波動會引起焦炭負荷波動 反應(yīng)性和熱強度 反應(yīng)性是指焦炭與CO2氣體反應(yīng)而氣化的難易程度,熱強度是指反應(yīng)后的強度 對高爐用

18、焦來說希望反應(yīng)性小些，熱強度高些,我國有專門的冶金焦炭技術(shù)指標。,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,50,(2)（噴吹）煤粉 代替部分焦炭，降低生產(chǎn)成本 高爐冶煉對煤粉的要求 固定碳含量高，灰分含量低，硫含量低 可磨性好：制備成適合噴吹工藝的細粒煤粉時能耗少，對輸送設(shè)備磨損小 粒度細：保證煤粉在風口前完全氣化 爆炸性弱：確保在制備和輸送過程中人身及設(shè)備安全 燃燒和反應(yīng)性好：燃燒不完全會影響噴煤效果并且未燃煤粉會使料柱透氣性變差，影響爐況順行；要求煤粉的反應(yīng)性好,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,51,通常情況下,生產(chǎn)1噸鋼鐵須消耗大約0.5噸焦炭,而生產(chǎn)1噸焦炭大致需要1.

19、3噸精煤,其中需肥精煤(工業(yè)味精)0.4噸。,我國的煤炭儲量中，煉焦煤的比例較高，占27%。,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,52,(3)天然氣： 我國的天然氣儲量很小，僅占世界總儲量的1.2%。我國鋼鐵工業(yè)基本上不考慮使用天然氣作為一次能源。 產(chǎn)量最高的前3個國家是：前蘇聯(lián)、美國和加拿大。 (4)石油： 我國的石油儲量很小，僅占世界總儲量的3%。我國鋼鐵工業(yè)基本上不考慮使用天然氣作為一次能源。 產(chǎn)量最高的前3個國家是：沙特、前蘇聯(lián)和美國。,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,53,3 熔劑Fluxes 熔劑主要包括 石灰石：主要成份 CaCO3 白云石：CaCO3MgCO

20、3 螢石：CaF2 硅石：SiO2 錳礦：MnO2 作用 降低脈石和焦炭灰份的熔點，使爐渣具有良好的流動性，使爐渣具有一定的脫硫能力；特殊熔劑在刷洗爐墻粘結(jié)物、爐缸堆積、爐況不順行時短時使用以造成低黏度和低熔點爐渣。,在我國蘊藏量很大，各省基本都有質(zhì)量好的礦山。遼寧省大石橋地區(qū)有質(zhì)量一流的鎂沙資源,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,54,4 鼓風 作用 燃燒焦炭和煤粉，產(chǎn)生熱量和還原劑 風溫11001300C，鼓風物理熱占高爐熱量總收入的20%左右,國內(nèi)噸鐵爐料消耗情況： 鐵礦石：1.61.8 t/t 熔劑：0400 kg/t 焦炭：250500 kg/t 煤粉：100250 kg/

21、t 鼓風：17002200 Nm3/t,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,55,二、高爐煉鐵的產(chǎn)品,1、生鐵（鐵水） 高爐鐵水溫度為14501550C，主要用來煉鋼 主要成分為Fe，還有C和少量雜質(zhì)（Si，Mn，P，S）。 (1) 煉鋼生鐵 高爐生產(chǎn)的生鐵產(chǎn)品中8090%為煉鋼生鐵，它是由Fe、C和少量雜質(zhì)（Si1.25%）較高的鑄造生鐵和少量鐵合金，5%左右。,鑄造生鐵的國家標準,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,57,(3) 鐵合金 鐵合金多用電爐生產(chǎn)，多用作煉鋼脫氧劑和合金添加劑 高爐生產(chǎn)的生鐵產(chǎn)品中有5%左右的高碳鐵合金，其中包括錳鐵、硅鐵、稀土硅鐵 鐵合金是高能耗

22、產(chǎn)品，我國除了可自給有余外，每年還大量出口到周邊國家，如日本等,高碳錳鐵的國家標準,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,58,2、煤氣 用途 高爐生產(chǎn)的副產(chǎn)品煤氣，可以給本廠（70%以上燒熱風爐）或其他廠（燒結(jié)廠、煉焦廠、煉鋼廠或軋鋼廠等）作為氣體燃料，也可以用來發(fā)電或城市取暖。 成分 CO、CO2、N2、H2、CH4 產(chǎn)量 2000m3/t左右（2560kg/t）,冶煉不同鐵種時煤氣發(fā)熱量及成分不盡相同。,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,59,3、爐渣 產(chǎn)量：200500kg/t 用途 高爐爐渣經(jīng)高壓水急冷后成為水淬渣，是制造水泥的好原料，消耗占高爐渣量的70%。 緩冷后

23、破碎后代替天然碎石料鋪路，消耗總渣量不到10% 液體爐渣經(jīng)處理后，用作輕質(zhì)混凝土骨料，在建筑上用作防熱、隔音，或作為絕熱材料 溫度比鐵水高50100，出爐時溫度一般為14001550 ，熱含量16801900kJ/kg，未找到合適的潛熱利用方法,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,60,主要成分 SiO2(3242%)、CaO(3544%)、 MgO(413%) Al2O3(616%) 及少量MnO、FeO、S R=1.01.25 包鋼高爐渣含CaF2、K2O、Na2O及RExOy；攀鋼高爐渣含V2O5；酒鋼高爐渣含BaO 4、爐塵 產(chǎn)量 20100kg/t 用途 少量高爐塵送燒結(jié)廠使用。 作副產(chǎn)品,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,61,2.1.4 高爐生產(chǎn)的主要技術(shù)經(jīng)濟指標,一、有效容積利用系數(shù)（u） 高爐每立方米有效容積每天生產(chǎn)的合格鐵水量（t/m3d） 二、焦比（K） 冶煉一噸生鐵消耗的干焦或綜合焦炭量（kg/t） （1）入爐焦比,2020/6/25,武漢科技大學講義朱誠意,62,（2）折算入爐焦比