冶金概论.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,第一篇 炼铁生产,一、,炼铁,定义,所谓炼铁,是指利用含铁矿石、燃料、熔剂等原燃料通过冶炼生产合格生铁的工艺过程。,0,概述,二、高炉炼铁的生产工艺,图,1,高炉本体和辅助设备系统,二、高炉炼铁的生产工艺,1,、高炉本体,高炉本体是炼铁生产的核心设备，包括炉基、炉壳、炉衬、冷却设备、炉顶装料设备等，整个冶炼过程是在高炉内完成的。,二、高炉炼铁的生产工艺,2,、辅助设备系统,五个辅助设备系统包括上料系统、送风系统、煤气净化系统、渣铁处理系统、喷吹燃料系统。,二、高炉炼铁的生产工艺,（,1,）上料系统,包括贮矿场、贮矿槽、焦炭仓、焦炭滚筛、称量漏斗、称量车等。,上料系统的任务是将高炉所需原燃料通过上料设备装入高炉内以供高炉冶炼用。,二、高炉炼铁的生产工艺,（,1,）上料系统,包括贮矿场、贮矿槽、焦炭仓、焦炭滚筛、称量漏斗、称量车等。,上料系统的任务是将高炉所需原燃料通过上料设备装入高炉内以供高炉冶炼用。,二、高炉炼铁的生产工艺,（,2,）送风系统,包括鼓风机、热风炉、热风弯管、直吹管等。,送风系统的任务是将风机送来的冷风经热风炉预热以后送进高炉内。,二、高炉炼铁的生产工艺,（,3,）煤气净化系统,包括上升管、下降管、重力除尘器、洗涤塔、文氏管、脱水器等。,煤气净化系统的任务是将高炉冶炼所产生的荒煤气进行净化处理，以获得合格的气体燃料。,二、高炉炼铁的生产工艺,（,3,）煤气净化系统,包括上升管、下降管、重力除尘器、洗涤塔、文氏管、脱水器等。,煤气净化系统的任务是将高炉冶炼所产生的荒煤气进行净化处理,以获得合格的气体燃料。,二、高炉炼铁的生产工艺,（,4,）渣铁处理系统,包括出铁场、泥炮、开口机、炉前吊车、铁水罐、铸铁机、渣罐等。,渣铁处理系统的任务是将炉内放出的渣、铁，按要求进行处理；,二、高炉炼铁的生产工艺,（,5,）喷吹燃料系统,包括煤粉收集罐、贮煤罐、喷吹罐、混合器和喷枪等。,喷吹燃料系统的任务是将按一定要求准备好的燃料喷入炉内，可代替部分昂贵的冶金焦，以降低冶炼成本，改善高炉操作指标。,二、高炉炼铁的生产工艺,3,、主要产品,高炉冶炼的主要产品是生铁，副产品是炉渣、煤气和一定量的炉尘等,（,1,）生铁,分为炼钢生铁和铸造生铁两大类，我国约,90%,以上的为炼钢生铁，其余的部分为铸造生铁。它们的主要区别是含,Si,量不同。,二、高炉炼铁的生产工艺,（,2,）炉渣,矿石中的脉石和熔剂、燃料灰分等熔化后组成炉渣，其主要成分为,CaO,、,MgO,、,SiO,2,、,Al,2,O,3,等。,炉渣常用作水泥原料及隔热、建材、铺路等材料。,我国大中型高炉的渣量一般在每吨铁,300,600,之间，地方小高炉的渣量大大超过此数值。,二、高炉炼铁的生产工艺,（,3,）煤气,煤气的化学成分为,CO,、,CO,2,、,H,2,、,N,2,及少量,CH,4,等。高炉冶炼每吨生铁大约产生煤气,1700,3000m,3,。,煤气经处理后，成为很好的气体燃料，除作为热风炉的燃料外，还可供炼钢、炼焦、轧钢厂均热炉以及烧锅炉等用户。,二、高炉炼铁的生产工艺,（,3,）煤气,高炉煤气是无色、无味的气体，有毒易爆炸。因此，在煤气区域工作，要特别注意防火和预防煤气中毒。,二、高炉炼铁的生产工艺,（,4,）,炉尘,炉尘是随高炉逸出的细粒炉料，经除尘处理后与煤气分离。,炉尘含,Fe,、,C,、,CaO,等有用物质，可作为烧结的原料，吨铁炉尘量为,10,100,。近年来日本用炉尘生产海绵铁成功，开辟了利用炉尘的新途径。,三、高炉生产主要技术经济指标,（,1,）高炉有效容积利用系数,u=,式中,u,每立方米高炉有效容积在一昼夜内生产合格生铁的吨数,P,高炉一昼夜生产的合格生铁；,Vu,高炉有效容积，指炉缸、炉腹、炉腰、炉身、炉喉五段之和。,三、高炉生产主要技术经济指标,（,2,）焦比,K=,式中,K,一吨生铁消耗的焦炭量；,Q,高炉一昼夜消耗的干焦量。,焦比是能耗的重要指标，它对生铁成本的影响最大。因此降低焦比和燃料比始终是高炉操作者努力的方向。目前我国喷吹高炉的焦比一般低于,450/t,。国外先进高炉焦比已小于,400/t,，燃料比约,450/t,。,三、高炉生产主要技术经济指标,（,3,）综合焦比,指冶炼每吨生铁消耗干焦数量与其它辅助燃料折算成相应干焦数量的总和；,综合焦比,=,=,三、高炉生产主要技术经济指标,（,4,）冶炼强度,指冶炼每吨生铁消耗干焦数量与其它辅助燃料折算成相应干焦数量的总和；,I=,冶炼强度是指每立方米高炉有效容积消耗的焦炭总量，当高炉喷吹燃料时每昼夜每立方米高炉有效容积消耗的燃料折合总量，称为综合冶炼强度。,三、高炉生产主要技术经济指标,（,5,）休风率,休风率是指休风时间（日历时间扣除计划检修时间）占规定作业时间的百分数。休风率,=100%,休风率反映设备管理维护和高炉的操作水平。降低休风率是高炉增产节焦的重要途径，我国先进高炉休风率已降到,1%,以下。,三、高炉生产主要技术经济指标,（,6,）生铁合格率,化学成分符合国家标准的生铁为合格生铁。合格生铁占高炉总产量的百分数为生铁合格率，它是评价高炉产品质量的指标，即,生铁合格率,=100%,三、高炉生产主要技术经济指标,（,7,）炉龄,系指两代高炉大修之间高炉实际运行时间。衡量炉龄的另一个指标是每立方米炉容在一代炉龄内的累计产铁量。延长炉龄是高炉工作者的重要课题，现今高炉平均寿命可达,5000t/m,以上，日本君津,3,号高炉达,8000 t/m,的最高纪录。,四、高炉生产发展方向,总的发展方向是：节约能源、资源，提高设备效率，实现全方位自动化，加强环境保护，实现综合治理。,1,炼铁原料,高炉炼铁的主要原料是铁矿石、熔剂和燃料。,1.1,铁矿石和熔剂,1.1.1,铁矿资源及其特性,矿石是在目前的技术条件下能经济合理地从中提取金属、金属化合物或有用矿物的物质。,矿石又由有用矿物和脉石矿物所组成。,按其矿物组成主要分为四大类：磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿。,1.1,铁矿石和熔剂,1.1.1,铁矿资源及其特性,（,1,）磁铁矿,俗称黑矿，化学式为,Fe,3,O,4,，结构致密，晶粒细小，黑色条痕。强磁性，,S,、,P,含量较高，还原性差。,（,2,）赤铁矿,俗称红矿，化学式为,Fe,2,O,3,，樱红色条痕，具有弱磁性。,S,、,P,含量较低，易破碎、易还原。,1.1,铁矿石和熔剂,1.1.1,铁矿资源及其特性,（,3,）褐铁矿,褐铁矿是含结晶水的氧化物，呈褐色条痕，还原性好，化学式为,n Fe,2,O,3,mH,2,O(n=1,3,m=1,4),。其中绝大部分含铁矿物是以,2Fe,2,O,3,3H,2,O,的形式存在的。,1.1,铁矿石和熔剂,1.1.1,铁矿资源及其特性,（,4,）菱铁矿,它为碳酸盐铁矿石，化学式为,FeCO,3,，菱铁矿很容易被分解氧化成褐铁矿，一般含铁量不高，但受热分解出,CO,2,以后，不仅含铁量显著提高而且也变得多孔，还原性很好，其含,S,低，含,P,较高。,1.1,铁矿石和熔剂,1.1.2,高炉冶炼对铁矿石的要求,高炉冶炼对铁矿石的要求是：含铁量高，脉石少，有害杂质少，化学成分稳定，粒度均匀，具有良好的还原性及一定的机械强度等性能。,1.1,铁矿石和熔剂,1.1.2.1,铁矿石的成分,铁矿石主要由含铁矿物和脉石组成，铁矿石含铁量的高低用品位来表示，矿石品位是衡量铁矿石质量的主要指标。,工业上使用的铁矿石含铁量范围一般在,23%,70%,之间，铁矿石含铁量高有利于降低焦比和提高产量。,1.1,铁矿石和熔剂,1.1.2.1,铁矿石的成分,一般地说，直接入炉冶炼矿石的叫做富矿；由于含铁量较低，不能直接入炉冶炼要经过选矿处理的叫贫矿。,脉石成分绝大多数为酸性，,SiO,2,含量较高。,SiO,2,含量越高，需加入的石灰石也愈多，导致燃料消耗增多，引起焦比升高和产量下降。所以要求铁矿石中含,SiO,2,愈低愈好。,1.1,铁矿石和熔剂,1.1.2.1,铁矿石的成分,矿石中的有害元素主要有硫、磷、铅、锌等。,（,1,）硫,硫能使钢材具有热脆性。这是由于硫在钢中主要以,FeS,的形式存在，,FeS,和,Fe,组成的共晶体熔点为,985,。当钢锭被加热到,1250,1350,轧制或锻造时，晶界处的硫化物首先熔化，这样使钢材沿晶粒界面形成裂纹，造成钢的“热脆”。所以要求铁矿石中含硫愈低愈好。,1.1,铁矿石和熔剂,1.1.2.1,铁矿石的成分,（,2,）磷,磷使钢材具有冷脆性。随着含磷量的增加，钢的塑性和韧性降低，出现钢的脆性现象，当低温时更为严重，通称为冷脆性。铁矿石中的磷在选矿和烧结过程中不易除去，而在炼铁过程中磷又全部还原进入生铁，所以控制生铁含磷量的唯一途径就是控制原料的含磷量。因此，除少数高磷铸铁允许有较高的磷外，一般生铁含磷愈低愈好。,1.1,铁矿石和熔剂,1.1.2.1,铁矿石的成分,（,3,）铅,少量的铅一般以硫化物状态存在，如方铅石（,PbS,）。其密度大于铁水，所以还原出来的铅沉积于炉底铁水层以下，渗入砖缝破坏炉底砌砖，甚至使炉底砌砖浮起。因此，要求铁矿石中含铅量愈少愈好，一般限制铁矿石中含铅不应超过,0.1%,。,1.1,铁矿石和熔剂,1.1.2.1,铁矿石的成分,（,4,）锌,高炉冶炼中的锌全部被还原，其沸点低，不熔于铁水，很容易挥发，在炉内又被氧化成,ZnO,，部分,ZnO,沉积在炉身上部炉墙上，形成炉瘤，部分渗入炉衬的孔隙和砖缝中，引起炉衬膨胀而破坏炉衬。要求矿石中的含锌质量分数应小于,0.1%,。,1.1,铁矿石和熔剂,1.1.2.1,铁矿石的成分,矿石中的有益元素主要是指对钢铁性能有改善作用或可提取的元素，如锰、铬、钴、镍、钒、钛等。,（,1,）锰,锰在钢中是有益元素，可以改善钢的机械性能，尤其是增加钢的硬度，还可以削弱硫的危害。锰与氧的亲和力比铁对氧的亲和力大，而且,MnO,不溶于钢水易上浮。因而锰就成为炼钢时必不可少的脱氧剂。另外，在烧结过程中加入含锰的粉矿还能够改善矿石的烧结作用。,1.1,铁矿石和熔剂,1.1.2.1,铁矿石的成分,（,2,）铬和镍,铬在铁矿石中常以,FeOCr,2,O,3,形式存在，铬在钢中是有益元素，可以增加钢的耐腐蚀能力及强度。钢中加入铬与镍可以制成镍铬不锈钢。一般冶炼过程中希望生铁中含铬,0.4%,0.6%,，这就要求生铁中的含铬量不大于,0.25%,。,1.1,铁矿石和熔剂,1.1.2.2,铁矿石的化学性质,铁矿石的化学性质主要指其还原性。,所谓铁矿石的还原性是指其被还原气体,CO,或,H,2,还原的难易程度。它是一项评价铁矿石质量的重要指标，还原性好有利于降低焦比。,影响铁矿石还原性的因素主要有矿物组成、矿物结构的致密程度、粒度和气孔率等。,1.1,铁矿石和熔剂,1.1.2.2,铁矿石的化学性质,一般因磁铁矿结构致密，最难还原。赤铁矿有中等的气孔率，比较容易还原。褐铁矿和菱铁矿容易还原，因为这两种矿石分别失去结晶水和去掉,CO,2,后，矿石气孔率增加。烧结矿和球团矿的气孔率高，其还原性一般比天然富矿的还要好。,1.1,铁矿石和熔剂,1.1.2.3,铁矿石的物理性质,主要包括矿石的粒度、机械强度和软化性。,矿石的粒度是指矿石颗粒的直径。它直接影响着炉料的透气性和传热、传质条件。通常，入炉矿石粒度在,5,35mm,之间，小于,5mm,的粉末是不能直接入炉的。粒度的确定应在保证良好透气性的前提下，尽可能的小。,1.1,铁矿石和熔剂,1.1.2.3,铁矿石的物理性质,矿石的机械强度是指矿石耐冲击、抗摩擦、抗挤压的能力。力求强度高一些，以避免冶炼过程中炉尘量增加后影响高炉透气性。,铁矿石的软化性包括铁矿石的软化温度和软化温度区间两个方面。软化温度是指铁矿石在一定荷重下受热开始变形的温度；软化温度区间是指矿石开始软化到软化终了的温度范围。高炉冶炼要求铁矿石的软化温度要高，软化温度区间要窄。,1.1,铁矿石和熔剂,1.1.3,铁矿石的准备和处理,为了获得精料，从矿山开采出来的原矿一般要经过破碎、筛分、混匀、焙烧、选矿、造块等准备处理加工。,1.1.3.1,破碎和筛分,破碎和筛分使铁矿石的粒度达到“小、净、匀”。,根据破碎的粒度，可分为粗碎、中碎、细碎和粉碎各段破碎的粒度范围见表,1-1,。,1.1,铁矿石和熔剂,1.1.3.1,破碎和筛分,表,1-1,各段破碎粒度范围,作业,给矿粒度，,mm,排矿粒度，,mm,粗碎,1000,100,中碎,100,30,细碎,30,5,粉碎,5,1,1.1,铁矿石和熔剂,1.1.3.1,破碎和筛分,破碎方式主要是机械破碎；,破碎设备有颚式破碎机和圆锥破碎机两大类。,破碎方法有：压碎、劈碎、折断和击碎等。,1.1,铁矿石和熔剂,1.1.3.1,破碎和筛分,入炉前必须经过筛分作业。一方面将粉末筛出，同时也要将大于规定粒度上限的大块筛出进行再破碎，以提高破碎机的工作效率；另一方面通过筛分可以按矿石粒度分级，分批装入高炉冶炼，有利于改善料柱的透气性，提高高炉生产技术经济指标。,矿石的筛分设备多采用振动筛。,1.1,铁矿石和熔剂,1.1.3.2,混匀,混匀的目的在于稳定铁矿石的化学成分，从而稳定高炉操作。矿石的混匀方法是按“平铺直取”的原则进行的。,所谓平铺，是根据料场的大小将每一批来料沿水平方向依次平铺，一般每层厚度为,200,300mm,把料铺到一定高度。所谓直取，即取矿时，沿料堆垂直断面截取矿石，这样可以同时截取许多层次的矿石，从而达到混匀的目的。,1.1,铁矿石和熔剂,1.1.3.3,焙烧,焙烧是对矿石进行热加工处理的一种方法。铁矿石焙烧是将铁矿石加热到比其熔化温度低,200,300,的一种加热过程。通过焙烧可以改变矿石的化学组成，除去有害杂质，回收有用元素，同时还可以使矿石变得疏松，提高矿石的还原性。,1.1,铁矿石和熔剂,1.1.3.4,选矿,选矿的目的主要是为了提高矿石品位。可得到三种产品：精矿、中矿、尾矿。,精矿是指选矿后得到的含有用矿物较高的产品；中矿为选矿过程中间产品，需进一步选矿处理；尾矿是经选矿后留下的废弃物。,目前常用的选别方法有：重力选矿法、磁力选矿法、浮游选矿法。,1.1,铁矿石和熔剂,1.1.4,熔剂,1.1.4.1,熔剂的作用,熔剂与脉石、灰分作用生成低熔点化合物和共熔体（即熔渣）。在使用碱性熔剂时，还可以去除有害杂质硫，改善生铁质量。,1.1,铁矿石和熔剂,1.1.4,熔剂,1.1.4.2,熔剂的种类,熔剂可分为碱性、酸性和中性熔剂三种。,（,1,）碱性熔剂 石灰石（,CaCO,3,）和白云石,(CaCO,3,MgCO,3,）,（,2,）酸性熔剂 石英（,SiO,2,）,（,3,）中性熔剂 高铝原料,1.1,铁矿石和熔剂,1.1.4,熔剂,1.1.4.3,高炉冶炼对碱性熔剂的要求,要求碱性熔剂中碱性氧化物（,CaO+MgO,）含量高，酸性氧化物,(SiO,2,+Al,2,O,3,）少。否则，冶炼单位生铁的熔剂消耗增加，渣量增大，焦比升高。另外，要求其有害杂质元素硫、磷含量要少；机械强度高，粒度要均匀适中。,1.2,燃料,现代高炉都使用焦炭作燃料。随着喷吹技术的发展，可以从风口喷吹燃料替代一部分焦炭，但只占全部燃料用量的,10%,30%(,个别达,40%),，其中主要是无烟煤粉，有的地方还使用天然气。,1.2.1,焦煤资源概述,焦炭是由采出的原煤经过洗煤、配煤、炼焦和产品处理等工序得到的高炉燃料。,从目前国内外已查明的煤资源来看，作为炼焦用煤的煤种所占比例小，不能满足生产需求，这是发展钢铁工业在能源问题上所遇到的很大困难，因此，强化高炉冶炼与降低焦比的研究有待于进一步的加强。,1.2,燃料,1.2.2,高炉冶炼对焦炭质量的要求,焦炭在高炉冶炼中主要作为发热剂，还原剂和料柱骨架。为了保证高炉炼铁过程顺利进行和获得好的技术经济指标，焦炭必须满足如下几方面的要求。,（,1,）含碳量高，灰分低；（,2,）含硫、磷杂质要少；,（,3,）化学成分要稳定,；,（,4,）挥发分含量要适合；,（,5,）机械强度高；（,6,）粒度均匀、粉末少；,（,7,）物理化学性质好。,1.2,燃料,2,铁矿粉造块,铁矿粉造块可综合利用资源，扩大炼铁用的原料种类，去除有害杂质，回收有益元素，保护环境。同时可以改善矿石的冶金性能，适应高炉冶炼对铁矿石的质量要求，使高炉冶炼的主要技术经济指标得到改善。,铁矿粉造块的方法目前主要有两种：烧结法和球团法，获得的块矿分别为烧结矿和球团矿。,我国铁矿石烧结的主要设备有带式烧结机、环式烧结机和步进式烧结机等，目前大小烧结机在,1000,台以上，年产烧结矿约,9,亿吨。,2.1,烧结生产,2.1.1,烧结基础知识,2.1.1.1,烧结的含义,烧结生产过程是把粉矿配入一定比例的熔剂和燃料，加入适量的水，经过混合后，在一定温度下烧结成高炉需要的原料（烧结矿）。,2.1,烧结生产,2.1.1.2,烧结厂主要技术经济指标,烧结厂的主要技术经济指标包括利用系数、作业率、质量合格率等。,（,1,）利用系数 每台烧结机每平方米有效抽风面积每小时的生产量称烧结机利用系数，单位为,t/(m,2,h),。它用台时产量与烧结机有效抽风面积的比值表示：,利用系数,=,2.1,烧结生产,2.1.1.2,烧结厂主要技术经济指标,（,2,）烧结机作业率 作业率是设备工作状况的一种表示方法，以运转时间占设备日历时间的百分数表示,设备作业率,=100,2.1,烧结生产,2.1.1.2,烧结厂主要技术经济指标,（,3,）质量合格率 烧结矿的化学成分和物理性能符合冶金部（,YB/T 421-2014,）标准要求的叫烧结矿合格品，不符合的烧结矿叫出格品。,质量合格率,=100,2.1,烧结生产,2.1.1.3,烧结矿的质量指标,（,1,）烧结矿的化学性质,烧结矿品位：指含铁量高低。,烧结矿碱度：一般用烧结矿中,m,（,CaO,）,/m,（,SiO,2,）的比值表示。,还原性：烧结矿的还原性可用其氧化度来表示。即根据烧结矿中的全铁和亚铁的含量计算出它的氧化度。,2.1,烧结生产,2.1.1.3,烧结矿的质量指标,（,2,）烧结矿的物理性质,转鼓指数：它是衡量烧结矿在常温状态下磨削和抗冲击能力的一个指标，转鼓指数越高烧结矿强度越好。,筛分指数：按取样规定在高炉矿槽下烧结矿入料车前取原始试样装入筛内进行筛分，筛下,0,5mm,部分与原始试样重的百分比，即为筛分指数，此值越小越好。,落下强度：它是表示烧结矿抗冲击能力的强度指标。,粒度组成：粒度均匀和尽可能将小于,5mm,粉末筛除。,2.1,烧结生产,2.1.2,烧结生产工艺,烧结生产工艺主要包括带烧、环绕和平烧等。,目前生产上广泛采用带式抽风烧结机生产烧结矿。主要包括烧结原料的准备和加工处理，配料，混合与制粒，烧结和产品处理等工序。烧结生产的工艺流程如图,2-1,所示。,2.1,烧结生产,2.1.2.1,烧结原料的准备,精矿粉是含铁贫矿经过细磨选矿处理后除去一部分脉石和杂质使含铁量提高的极细的矿粉。,烧结对熔剂的要求：碱性氧化物含量要高；,S,、,P,杂质要少；酸性氧化物含量,(SiO2+Al2O3),低，粒度和水分适宜。,烧结所用燃料主要为焦粉和无烟煤。对燃料的要求是固定碳含量高，灰分低，挥发分低，含硫低，成分稳定，含水小于,10,，粒度小于,3mm,占,95,以上。,2.1,烧结生产,2.1.2.2,配料,所谓配料就是根据高炉对烧结矿的产品质量要求及原料的化学性质，将各种原料、熔剂、燃料、代用品及返矿等按一定比例进行配加的工序。,目前国内常用的配料方法有两种，即容积配料法和重量配料法。,2.1,烧结生产,2.1.2.3,混合与制粒,混合制粒的目的：第一，将配料配好的各种物料以及后来加入的返矿进行混匀，得到质量比较均一的烧结料；,第二，在混合过程中加入烧结料所必须的水分，使烧结料为水所润湿；,第三，进行烧结料的造球，提高烧结料的透气性。,2.1,烧结生产,2.1.2.3,混合与制粒,我国烧结厂一般都采用两次混合工艺。,一次混合主要是将烧结料混匀，并起预热烧结料的作用。二次混合主要是对已润湿混匀的烧结料进行造球并补加水分。,2.1,烧结生产,2.1.2.4,烧结生产,一般烧结生产时，首先要在烧结机的台车炉篦上铺上一层较粗粒级的（,10,25mm,）的烧结料，这部分料被称为铺底料。,铺底料之后，紧接着就进行烧结混合料的布料。布料时，应使混合料在粒度、化学成分及水分等沿台车宽度均匀分布，并且具有一定的松散性。,2.1,烧结生产,2.1.2.4,烧结生产,为了使混合料内燃料进行燃烧和使表层烧结料粘结成块，烧结料的点火必须满足：,（,1,）有足够高的点火温度和点火强度。,（,2,）适宜的高温保持时间。,（,3,）沿台车方向点火均匀。,点火温度一般介于,1050,1200,，点火时间一般为,11.5min,。,2.1,烧结生产,2.1.2.4,烧结生产,带式烧结机抽风烧结过程是自上而下进行的，根据沿其料层高度温度变化的情况和其中发生的物理化学变化一般可分为,5,层，自上至下依次出现烧结矿层、燃烧层、预热层、干燥层和过湿层，然后后四层又相继消失，最终只剩烧结矿层。各层中的反映变化情况如图,2-2,所示。,2.1,烧结生产,2.1.2.4,烧结生产,图,2-2,烧结过程各层反应示意图,2.1,烧结生产,2.1.2.5,烧结矿的冷却与整粒,烧结矿在烧结机上烧成后从机尾卸下时其温度大约在,600,1000,，一般要将其冷却到,150,以下，原因：,（,1,）保护运输设备，使厂区配置紧凑；,（,2,）保护高炉炉顶设备及高炉矿槽；,（,3,）改善高炉、烧结厂的劳动条件；,（,4,）为烧结矿的整粒及分出铺底料创造了条件；,（,5,）为实现高炉生产技术现代化创造条件。,2.1,烧结生产,2.1.2.5,烧结矿的冷却与整粒,烧结矿的冷却方式很多，从方法上来分，有自然冷却和强制通风冷却两类；从冷却的地点和设备来分，有烧结机外冷却和烧结机上冷却两种。,烧结矿的整粒，就是对烧结矿进行破碎、筛分，控制烧结矿上、下限粒度，并按需要进行粒度分级，以达到提高烧结矿质量的目的。,2.1,烧结生产,2.1.3,烧结生产的主要设备,烧结生产的主要设备包括：配料设备，混料设备，烧结机本体及附属设备，烧结破碎筛分及冷却设备等。,2.1.3.1,配料设备,目前烧结生产配料设备主要是圆盘给料机，其结构如图,2-3,所示。圆盘给料机具有给料均匀，容易调节，运行平稳可靠，操作方便等优点。,2.1,烧结生产,2.1.3.1,配料设备,图,2-3,烧结配料圆盘给料机,2.1,烧结生产,2.1.3.2,混料设备,现在国内烧结厂普遍采用的混料设备是圆筒混料机，其构造如图,2-4,所示。它是一个带有倾角的钢制回转圆筒，内衬是防磨衬板，筒内装有喷水嘴，以便供水。,具有构造简单，对原料适应性强，生产率高，运转可靠等优点。缺点是内衬粘料，振动较大。,2.1,烧结生产,2.1.3.2,混料设备,图,2-4,圆筒混料机,2.1,烧结生产,2.1.3.3,带式烧结机本体设备,国内外广泛采用的烧结设备是带式烧结机。带式烧结机的大小用有效抽风面积表示。,烧结机本体主要包括：传动装置、台车、真空箱等，其结构如图,2-5,所示。,2.1,烧结生产,2.1.3.3,带式烧结机本体设备,图,2,5,烧结机示意图,2.1,烧结生产,2.2.1,球团生产基础知识,2.2.1.1,球团的含义,球团是指把细磨铁精矿粉或其他含铁粉料添加少量添加剂混合后，在加水润湿的条件下，通过造球机滚动成球，再经过干燥焙烧，固结成为具有一定强度和冶金性能的球形含铁原料（球团矿）的过程。,2.2,球团矿生产,2.2.1.2,球团的分类,球团法是一种新型的造块方法，球团矿无论是在高炉、转炉或电炉中都能使用。,从固结原理上来分，可分为高温固结和低温固结法。按化学成分可以分为酸性球团、自熔性球团和含镁球团三种。,2.2,球团矿生产,2.2.2,球团生产工艺,球团矿生产的工艺流程一般包括原料的准备、配料、混合、干燥和焙烧、冷却、成品和返矿处理等工序，如图,2-6,所示。,2.2,球团矿生产,图,2-6,球团矿生产工艺流程,2.2.2.1,原料及准备,球团矿生产的原料主要是铁精矿粉，一般占造球混合料的,90,以上，因此精矿的质量如何，对生球、成品球团矿的质量起着决定性的作用。,球团生产对铁精矿的要求是：一定的粒度、适宜的水分和均匀的化学成分，这是生产优质球团矿的三项基本要求。,2.2,球团矿生产,2.2.2.1,原料及准备,（,1,）粒度 一定的细度是物料成球的必要条件。一般要求具有足够的,-0.044mm,粒级含量或,-0.074mm,粒级含量。,（,2,）水分 水分的控制和调节对造球是极其重要的。水分的波动不应超过,0.2,。,（,3,）化学成分国外对球团矿的要求是：,TFe,的波动,0.3,，,SiO,2,0.2,。国内至少应该控制：,TFe0.5,，,SiO,2,0.3,。,2.2,球团矿生产,2.2.2.2,配料与混合,为了获得化学成分和冶金性能稳定的球团矿，必须进行精确配料。配料的准确性首先是按工艺要求将精矿、熔剂和粘结剂按照给定的比例配合，送往造球工序，其次是根据造球的需要量均衡地供料。,混合的任务是将各种物料混合，使之成分均匀。一些特殊的混料设备还可以用来捣碎混合料中的大团块，改善成球性能。,2.2,球团矿生产,2.2.2.3,造球,成球过程大致可分为三个步骤：精矿粉成核、母球长大和生球密实。,国内常用的造球设备为圆筒造球机和圆盘造球机。,生球的尺寸控制般下限为,69mm,，上限为,1620mm,。,2.2,球团矿生产,2.2.2.4,生球的干燥与焙烧,生球干燥是防止生球开裂，提高球团矿产量，改善球团矿品质的必要工序，在生产中干燥生球使用的是冷却球团矿的余热或焙烧球团矿的废气余热。,合理的干燥制度是在保证生球不发生破裂的条件下，尽量提高干燥速度，以提高生产率和产品质量。,2.2,球团矿生产,2.2.2.4,生球的干燥与焙烧,生球焙烧对球团矿的冶金性能和机械强度起着决定性的作用。随着生球的矿物组成与焙烧制度不同，发生不同的固结反应，从而决定着焙烧后的球团矿的质量。,目前，球团矿的焙烧方法按设备分主要有三种：竖炉法、带式焙烧机法、链箅机,回转窑法。,2.2,球团矿生产,2.2.2.5,球团矿的质量指标,转鼓指数是指球团矿在常温状态下抵抗冲击和摩擦的综合能力。以,6.3mm,部分的重量百分数表示。它是球团质量鉴定的主要手段之一。,落下强度反应球团矿的抗冲击能力，即产品的耐转运的能力。,球团矿的抗压强度就是球团矿能够抵抗外来而不破裂时的最大压应力。,2.2,球团矿生产,3,炼铁原理与工艺,炼铁是从铁矿石到生铁的生产过程，现代炼铁主要是在高炉中进行。,经过处理的铁矿石、燃料和熔剂等按一定配比分批加入到高炉中在高温下进行冶炼。,高炉炼铁的主要产品是生铁，炉渣、煤气、和炉尘等是副产品。,高炉炼铁的整个工艺过程从风口前碳素燃烧开始，燃烧产生的高温煤气与炉料相向运动和相互作用发生反应。,冶炼过程主要包括炉料的加热、蒸发、挥发和分解，氧化物的还原，炉料的软熔、造渣，生铁的脱硫、渗碳等。,高炉炼铁涉及气、固、液的多相流动，传热和传质等复杂物理化学变化。,3.1,炼铁原理,3.1.1,高炉内各区域的状况,通过国内外高炉解剖研究得到高炉炉内典型炉况如图,3-1,所示，按照炉料物理状态高炉炉内大致分为：块状带、软熔带、滴落带、风口带、渣铁带五个区域或称五个带。其中软熔带的位置、形状、尺寸对高炉顺行、产量、燃料消耗量及铁水成分影响很大。倒,V,型软熔带最好。,图,3-1,炉内炉况示意图 图,3-2,软熔带示意图,3.1.2,高炉内的燃料燃烧,3.1.2.1,燃料燃烧,高炉冶炼的主要燃料焦碳中的碳素除小部分在下降过程中参加直接还原和渗入生铁外，约,70%,左右进行燃烧反应。,此外还有从风口喷入的重油、天然气、煤粉中的碳素等均在风口前发生燃烧反应。,完全燃烧,:C+O,2,=CO,2,+4006600kJ,不完全燃烧,:C+O,2,=CO+117490 kJ,由于高炉内燃烧反应在焦碳过剩条件下进行，,O,2,充足处产生的,CO,2,也会与固体,C,进行气化反应：,CO,2,+C=2CO -165800 kJ,：,热风带入的水分高温下与碳反应：,H,2,O+C=H,2,+CO -124390 kJ,因此，炉缸反应最终产物是,CO,和,N,2,和还有少量,H,2,。,3.1.2.2,理论燃烧温度,理论燃烧温度,即风口前碳素燃烧所能达到的最高平均温度。也即炉缸煤气尚未与炉料参与热交换前的原始温度。,提高理论燃烧温度可采取的主要措施包括：,（,1,）提高鼓风温度。,（,2,）提高鼓风中氧气含量。,（,3,）降低鼓风湿度。,（,4,）减少喷吹量。,(5,）减少炉缸煤气体积。,3.1.2.3,回旋区和燃烧带,随着高炉冶炼强度提高和风速增大（,100,200m/s,）,焦碳在风口前随气流一起运动，形成一个非静止的、疏散的、近似球形的自由空间，称为风口回旋区。如图,3-3,所示。,在回旋区外围有一层厚,100,300mm,的中间层，此层焦炭既受高速煤气流的冲击作用又受阻于外围包裹的紧密焦炭，比较疏松，但又不能和煤气流一起运动。回旋区和中间层组成焦炭在炉缸内进行碳素燃烧反应的区域称为燃烧带。,燃烧带是高炉煤气的发源地，当燃烧带向高炉中心扩大时有利于高炉中心气流发展，当燃烧带缩小时有利于边缘气流发展。适当扩大燃烧带可缩小炉料呆滞区，扩大活跃区，有利于顺行，炉缸圆周分燃烧带连成环形（如图,3-4,所示），有利于高炉顺行，可以通过改变送风制度进行调剂。,图,3-3,风口前焦碳循环运动示意图 图,3-4,炉缸截面上燃烧带分布示意图,影响燃烧带大小的因素主要有：,（,1,）鼓风动能,指鼓风克服风口前料层阻力向炉缸中心扩大和穿透的能力，应控制合理。,（,2,）燃烧反应速度 燃烧反应速度提高，燃烧带缩小。一般情况下：风温提高,、,鼓风中,O,2,增加，燃烧反应速度加快，燃烧反应时间减少，燃烧带长度减小。,（,3,）炉缸料柱阻力,炉缸内料柱疏松，燃烧带延长；反之，燃烧带缩小。,（,4,）焦炭性质,焦炭粒度，气孔度、反应性等对燃烧带大小也有一定的影响。,3.1.3,煤气和炉料的运动,3.1.3.1,煤气的运动,风口前燃烧反应产生的高速上升煤气，带有大量的热，并含有高浓度的,CO,、,H,2,等气体是高炉内的主要还原剂，是高炉冶炼过程中热能和化学能的来源。煤气在上升过程中，穿过料层空隙，借传导、对流和辐射的方式将热量传给炉料，并参加一系列物理化学反应，随着热交换和还原反应进行，煤气在上升过程中的体积、成分、温度和压力均发生变化。,（,1,）煤气成分和体积的变化,图,3-5,高炉煤气上升过程中体积、成分变化图,（,2,）煤气上升过程中的温度变化,图,3-6,沿半径方向炉缸温度变化 图,3-7,理想高炉竖向温度分布图,高炉高度方向煤气成分和温度变化,图,3-8,高炉高度方向煤气成分和温度变化 图,3-9 11 m,高炉内各相及等温线分布,（,3,）煤气上升过程中的压力变化,图,3-10,本钢高炉煤气静压力分布,（,4,）影响的因素,=,缸,-,炉喉热风,-,炉顶。,主要可分为煤气流方面和原料方面。煤气流方面主要包括煤气流速、煤气温度和压力、煤气密度和粘度等。原料方面主要包括粒度、孔隙度等的影响。,3.1.3.2,炉料的运动,风口前焦炭的燃烧,，,渣铁排放，炉料在下降过程中小块填充于大块之间以及软熔等引起的体积缩小，为炉料下降提供了可能性。,炉料能否顺利下降取决于护料下降的力学条件。决定炉料下降的力,(,),可表达为：,=,炉料,墙摩,料摩,当,0,时，炉料下降；当,0,高炉难行或悬料；,0,超过一定的值炉料会被吹出。,3.1.4,炉料的蒸发、挥发和分解,3.1.4.1,水分的蒸发和结晶水的分解,水分以吸附水和结晶水两种形式存在。,吸附水也称物理水，加热到,105,时就迅速干燥和蒸发。减少了炉尘的吹出量，同时对炉顶装料设备和炉顶设备维护带来好处。,结晶水也称化合水，一般存在于褐铁矿（,nFe,2,O,3,mH,2,O,）和高岭土,(Al,2,O,3,2SiO,2,2H,2,O),中，即粘土的主要成分。随着温度的升高到,400,600,，结晶水在炉内大量分解。,3.1.4.2,挥发物的挥发,挥发物的挥发包括燃料,（,焦碳,、,煤粉,）,中挥发物的挥发和高炉内其他物质的挥发，包括：,（,1,）还原产物：,S,、,P,、,As,、,K,、,Na,、,Zn,、,Pb,、,Mn,等；,（,2,）还原中间产物：,SiO,、,PbO,、,K,2,O,、,Na,2,O,等；,（,3,）高炉内新生化合物：,SiS,、,CS,等；,另外炉料带入的,CaF,2,等这些元素和化合物的挥发也会对高炉炉况和炉衬产生影响。,3.1.4.3,碳酸盐的分解,主要以,CaCO,3,、,MgCO,3,、,MnCO,3,、,FeCO,3,等形式存在，并以熔剂,CaCO,3,为主。,CaCO,3,分解温度较高在高炉内的开始分解温度为,740,，化学沸腾温度,960,，其反应式为：,CaCO,3,=CaO+CO,2,-,178000 kJ,目前，,CaCO,3,粒度,25,40mm,有,50%,70%,进入,900,以上高温区分解，会发生碳的气化反应,（约,有,50%,以上,CO,2,参加贝,波反应,）,，危害：反应耗热，反应消耗碳素使焦比大大升高，产物,CO,2,冲淡了还原气氛。为减少其危害通常可采取：采用熔剂性烧结矿或球团矿，不加或少加石灰，缩小矿石粒度等措施来降低焦比。,3.1.5,还原反应,还原反应是高炉内的主要反应，还原反应所需要的热量约占炉内总热量的,50%,左右。,3.1.5.1,还原的基本原理,还原反应的基本通式：,MeO+X=Me+XO,式中,MeO,被还原金属氧化物；,X,还原剂；,Me,还原产物；,XO,氧化产物。,高炉炼铁常用的还原剂主要是,CO,、,H,2,和固体,C,。,3.1.5.2,铁氧化物的还原,高炉内的铁氧化物主要有,Fe,2,O,3,、,Fe,3,O,4,、,FeCO,3,、,Fe,2,SiO,4,、,FeS,2,等但最后都是经,FeO,形态被还原成金属,Fe,。,（,1,）各种铁氧化物的还原与分解顺序：,3Fe,2,O,3,2Fe,3,O,4,6FeO 6Fe,失氧量,/%0 11.1 33.3 100,从上面可看出：一半以上的氧是从,FeO Fe,，所以,FeO,的还原意义重大。,T,570,，还原顺序为：,Fe,2,O,3,Fe,3,O,4,Fe,。,T,570,还原顺序为：,Fe,2,O,3,Fe,3,O,4,FeO Fe,。,（,2,）间接还原反应,矿石在高炉内在温度不超过,900,1000,的高炉中上部，铁氧化物中的氧是被煤气,CO,和,H,2,夺取而生成,CO,2,和,H,2,O,，此反应称为间接还原反应。,用,CO,作还原剂：,T,570,3Fe,2,O,3,+CO=2Fe,3,O,4,+CO,2,+27130 kJ,Fe,3,O,4,+CO=3Fe+CO,2,+17160 kJ,T,570,3Fe,2,O,3,+CO=2Fe,3,O,4,+CO,2,+27130 kJ,Fe,3,O,4,+CO=3FeO+CO,2,-20890kJ,FeO+CO=Fe+CO,2,+13600 kJ,H,2,作还原剂：,T,570,3Fe,2,O,3,+H,2,=2Fe,3,O,4,+H,2,O +21800kJ,Fe,3,O,4,+4 H,2,=3Fe+4H,2,O -146650 kJ,T,570,3Fe,2,O,3,+H,2,=2Fe,3,O,4,+H,2,O +21800 kJ,Fe,3,O,4,+H,2,=FeO+H,2,O -63570kJ,FeO+H,2,=Fe+H,2,O -27700kJ,当,H,2,和,CO,的还原能力研究表明：,在低温区,T,810,