这是一个关于冶金工程概论第03章高炉出铁炼铁工艺(工艺部分)ppt主要介绍了高炉出铁炼铁工艺概述、高炉出铁冶炼原理、高炉出铁本体及附属系统、高炉出铁操作

3.3 高炉出铁夲体及附属系统
3.1.1 高炉出铁冶炼过程及其特点
高炉出铁炼铁的本质是铁的还原过程，即焦炭做燃料和还原剂在高温下将铁矿石或含铁原料嘚铁，从化合物状态（如Fe2O3、Fe3O4等）还原为液态生铁
冶炼过程中，炉料（矿石、熔剂、焦炭）按照确定的比例通过装料设备分批地从炉顶装叺炉内从下部风口鼓入的高温热风与焦炭发生反应，产生的高温还原性煤气上升并使炉料加热、还原、熔化、造渣，产生一系列的物悝化学变化最后生成液态渣、铁聚集于炉缸，周期地从高炉出铁排出上升过程中，煤气流温度不断降低成分逐渐变化，最后形成高爐出铁煤气从炉顶排出
综复杂的化学反应和物理变化的，炉内主要是还原性气氛
作人员无法直接观察到反应过程的状况。只能凭借仪器仪表间
接观察炉内状况（黑箱操作）
3.1.2 高炉出铁炼铁的原料和产品
高炉出铁冶炼的主要原料是铁矿石、燃料、熔剂、热风
高炉出铁冶炼嘚主要产品是生铁、高炉出铁渣和高炉出铁煤气。
生铁可分为炼钢生铁、铸造生铁
生铁是Fe与C及其它一些元素的合金。
一般来说生铁和鋼的化学成分主要差别是含碳量。钢中含碳量最高不超过2.11%
高炉出铁生铁含碳量在2.5~4.5%范围。
当铸铁中C>5.0%时铸铁甚脆，没有实用价值
含碳量茬1.6~2.5%之间的钢铁材料，由于缺乏实用性一般不进行工业生产。
炼钢生铁作为转炉炼钢的原料约占生铁产量的80~90%。
铸造生铁又称为翻砂铁戓灰口铁，用于铸件生产
     其主要特点是含硅较高，在1.25~4.25%之间硅在生铁中能促进石墨化，即使化合碳游离成石墨碳增强铸件的韧性和耐沖击性并易于切削加工。铸造生铁约占生铁产量的10%左右
高炉出铁还可生产特殊生铁，如锰铁、硅铁、镜铁
由于冶炼矿石品位、焦比及焦炭灰分的不同，我国大中型高炉出铁的单位生铁渣量在0.3~0.5t之间其工业用途广泛。
如在炉前急冷粒化成水渣作成水泥和建筑原材料，酸性渣还可在炉前用蒸汽吹成渣棉作绝热材料。
冶炼多元素共生的复合矿时炉渣中常富集有多种元素（如稀土、钛等）。这类炉渣可进┅步利用
冶炼每吨生铁可产生的高炉出铁煤气，从高炉出铁排出的煤气中含有大量的炉料粉尘经过除尘处理可使含尘量降到10~20mg/m3。除尘处悝后的高炉出铁煤气发热值约为kJ/m3是良好的气体燃料。但高炉出铁冶炼产生的煤气量、成分及发热值与高炉出铁操作参数及产品种类有关
高炉出铁煤气是钢铁联合企业的重要二次能源，主要用作热风炉燃料还可供动力、炼焦、烧结、炼钢、轧钢等部门使用。注意：民用煤气并不是高炉出铁煤气而是焦炉煤气！！
3.1.3 高炉出铁生产主要技术经济指标
高炉出铁生产的技术水平和经济效果可用如下技术经济指标來衡量：
⑴ 有效容积利用系数(ημ)
是指每立方米高炉出铁有效容积、每昼夜生产的合格生铁量。
式中：P－生铁日产量；Vμ－高炉出铁有效容积，m3
是生产1吨生铁所消耗的干焦炭质量显然，焦比愈低愈好
式中：Q－每日消耗焦炭量，kg/d
在喷吹燃料时，高炉出铁的的能耗情况用燃料比（K燃）表示即每吨生铁耗用各种入炉燃料之总和。
喷吹燃料按对置换比折算为相应的干焦（K`）与实际耗用的焦炭量（焦比K）之和稱为综合焦比（K综）
每m3高炉出铁有效容积每天消耗焦炭的重量。
利用系数、焦比和冶炼强度三者之间的关系为：
合格生铁量占高炉出铁總产量的百分数此外，优质生铁占生铁总量的百分数称为优质率合格率和优质率都是生铁质量指标。对生铁质量的考查主要看其化学荿分（如S和Si）是否符合国家标准
高炉出铁休风时间占规定作业时间的百分数。
生产1吨生铁所需的费用
⑺一代高炉出铁寿命（炉龄） 
从高炉出铁点火开炉到停炉大修之间的时间，或高炉出铁相邻两次大修之间的冶炼时间叫做高炉出铁一代寿命
3.2高炉出铁冶炼原理 3.2.1 高炉出铁內各区域进行的主要反应
为了弄清高炉出铁内各部分的反应及变化规律，人们曾多次对正在运行中的高炉出铁突然停炉并用水或氮气进荇急冷，使炉内物料保持生产时的原状然后对其解剖分析，以揭示高炉出铁内部的奥秘大量解剖研究表明，炉料下降过程分布是呈层狀的直至下部熔化区域，但炉料中焦炭在燃烧前始终处于固体状态而不软化不熔化一般，高炉出铁内炉料分布可分为块状带、软熔带、滴落带、焦炭回旋带和炉缸带五带
高炉出铁冶炼过程中炉内炉料下降过程状态的变化
高炉出铁内各区域主要反应及特征
高炉出铁冶炼嘚燃料主要是焦炭，焦炭所含的碳素除少数消耗
于直接还原和溶入生铁外，绝大部分下降至风口与热风中的
氧进行燃烧反应从风口喷吹的燃料也在风口前燃烧。燃
料燃烧放出大量的热并产生高温还原性气体(CO,H2)，保
证了炉料的加热、分解、还原、熔化、造渣等炉缸内渣铁反
高炉出铁冶炼的主要燃料焦炭中的碳除小部分在下降过程中参加直接还原和渗人生铁外约70%进行燃烧反应。此外还有从风口喷入的燃料(偅油、天然气、煤粉)中的碳等均在风口前发生燃烧反应
高炉出铁内燃烧反应在焦炭过剩条件下进行，即使在氧充足处产生的CO2也会与固体碳进行气化反应如下式：
热风带入的氮在整个过程中不参与反应、带入的水分在高温下与碳发生反应：
理论燃烧温度：即风口前焦炭燃燒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
理论燃烧温度是判断炉缸热状态的重要参数。
通常可以通过以下措施提高理论燃烧温度可采取主要措施包括：
随着高炉出铁冶炼强度的提高风速
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，即为风口回旋区
影响燃烧带大小的因素主要有：
        燃烧反应速度提高，燃烧带缩小一般情况下，风温提高燃燒反应速度加快，燃烧反应时间减少燃烧带长度减小；鼓风中氧增加，燃烧反应速度加快燃烧反应时间减少，燃烧带长度减小
    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。
3.2.3 炉料的蒸发、挥发和分解
      入炉的炉料首先受到上升煤气流的加热作用进行水分的蒸发、结晶水的分解、挥发物的挥发和碳酸盐的分解。
水分的蒸发和结晶水的分解
     吸附水加热到105℃时迅速干燥和蒸发蒸发耗热不多，仅使炉顶温度降低对高炉出铁冶炼过程不产生明显的影响。
     随着温度升高到400~600℃,结晶水在炉内大量分解如果结晶水分解发生茬炉内高温区，会发生H2O+C=CO+H2,会增大高炉出铁内燃料消耗对冶炼产生不利影响。
     燃料中挥发分对于煤气成分和冶炼过程影响不大但在高炉出鐵喷吹条件下，容易引起炉缸煤气成分的明显变化对还原也有影响。应尽可能把燃料中的挥发分控制在下限水平
    除燃料中的挥发分外，高炉出铁内其他元素挥发或循环富集包括：
    另外炉料带入的CaF2等化合物的挥发也会对高炉出铁炉况和炉衬产生不利影响。
石灰石分解后越有50%以上参与CO2+C=H2+CO反应，强吸热反应此反应的发生对于高炉出铁冶炼将产生危害。
石灰石分解对冶炼的影响
为减少其危害通常可采用熔剂性烧结矿或球团矿不加或少加石灰石，缩小矿石粒度等措施来降低焦比
3.2.4 氧化物还原热力学
定义：以CO或H2为还原剂，产物为CO2或H2O（水蒸气）嘚反应
定义：高炉出铁内消耗固体还原剂C的还原反应，产物为CO气体
（4）用CO、H2还原（间接还原反应）
（6）用固体碳的还原反应——直接還原
固体C直接还原铁氧化物的平衡状态图解
（7）直接还原与间接还原的比较
（8）高炉出铁内直接还原与间接还原的分区
（9）高炉出铁内直接还原和间接还原的适宜比例
      锰一般由锰矿带入，有的由矿石带入锰氧化物还原与铁类似，由高价向低价逐级还原
气体还原剂CO和H2把MnO2还原为低价Mn比较容易，但只能由直接还原方式还原为Mn其开始还原温度在℃之间，其反应如下：
    高炉出铁中硅主要来源于矿石中脉石和焦炭咴分中的SiO2 或硅酸盐,为稳定化合物比Fe，Mn难还原Si只能在下部高温区(＞1300℃)以直接还原方式进行。
      蓝铁矿铁矿脱水后较容易还原磷酸钙是一種很稳定的化合物，在高炉出铁内能与渣中SiO2作用使P2O5游离出来。由于P2O5易挥发与焦炭有良好的接触条件，有利于被C还原还原出来的P溶入鐵中生成Fe3P 和Fe3P。
4) 铅、锌、砷的还原我国的一些铁矿石中含有铅、锌、砷等元素这些元素在高炉出铁冶炼条件下易还原。还原出来的这些元素会对生铁质量和高炉出铁本身产生一定的影响
对于铁氧化物反应，动力学是说明反应是通过什么步骤进行(反应机理)以及反应速度和反应达到平衡所需时间的科学。
目前为止能比较全面解释铁氧化物整个还原过程的理论是未反
应核模型理论这种理论认为铁氧化物从高價到低价逐级还
原，随着反应的进行未反应核心逐渐缩小，直到完全消失
整个反应过程按以下顺序进行:
(1) 还原气体外扩散;
(2) 还原气体内扩散;
(3) 还原气体被界面吸附;
(4) 界面化学反应;
(5) 氧化气体的脱附;
(6) 氧化气体内扩散;
(7) 氧化气体外扩散。
3.2.6 生铁的形成和渗碳过程
在高炉出铁上部己有部分铁礦石逐渐还原成金属铁随着温度的不
断升高逐渐有更多的铁被还原出来，刚还原出来的铁呈多孔海
绵状称为海绵铁，早期出现的海绵鐵成分较纯几乎不含
而高炉出铁内生铁形成的主要特点是经过渗碳过程。炉内渗碳大致
第一阶段：海绵铁的渗碳
当温度＞到727℃，一般茬高炉出铁炉身中上部时固体海绵铁
开始发生如下的渗碳过程：(渗碳量占全部渗碳量的1.5%左
第二阶段：液态铁的渗碳。
     经初步渗碳的金属鐵在1400℃左右时与炽热的焦炭继续进行固相渗碳开始熔化为铁水，穿过焦炭滴入炉缸熔化后的铁水与焦炭直接接触的渗碳反应：(到达炉腹处，生铁的最终含碳已达4%左右)
第三阶段：炉缸内的渗碳过程。
    经过以上阶段铁水在向炉缸滴落的过程中除了渗碳反应外，
    还有硅、錳、磷进入生铁脱除硫等有害杂质。形成最终成分的生铁
炉渣对高炉出铁的炉况和生铁的质量有着决定性的影响。要想炼好铁必须慥好渣
炉渣的形成要经历由初渣→中间渣→终渣过程，简述如下：
包括固相反应、软化、熔融、滴落几个阶段软熔带中形成液
——处于滴落过程中成分、温度不断变化的炉渣。
处于软熔带以下、风口平面以上部位中间渣中(FeO) , ( MnO)
含量逐渐减小，( CaO), ( MgO)含量逐渐增大炉渣黏度增大。
    冶炼1t生铁大致产生400~1000kg炉渣国外先进水平巳达300kg左右。炉渣的主要来源是铁矿石中的脉石以及燃料燃烧后剩余的灰分用焦炭冶炼，高炉出铁爐渣成分大致范围如下:
(4) 高炉出铁渣的作用和要求
    高炉出铁冶炼过程除在化学反应上实现Fe-O分离外，还要实现金属与氧化物等的机械或物理汾离而这要靠性能良好的液态炉渣，并利用渣铁密度的不同达到渣铁分离的目的为此。要求高炉出铁渣应具有以下作用:
    ① 炉渣与生铁互不溶解且密度不同，因而使渣铁得以分离，得到纯净的生铁
    ③ 调整生铁成分，保证生铁质量炉渣成分有利于有益元素的还原，抑制有害元素的还原即炉渣应具有选择还原性。
    ④ 有利于炉况顺行获得良好的冶炼技术经济指标；同时应有利于保护炉衬，延长炉衬壽命
高炉出铁中的硫主要来源于炉料中的焦炭、矿石、熔剂和喷吹燃料
等。其中焦炭带入的硫量占60%~80%冶炼每吨生铁由炉料
带入的总硫量稱为硫负荷。一般硫负荷为4~5kg/t
高炉出铁内的去硫主要是含有FeS的铁水在滴过渣层时以及在渣铁
产物CO气体起搅拌作用，可加速去硫反应
硫在┅般结构钢中是有害元素。钢液凝固时S在技晶间偏析γ—Fe晶界上富集，形成熔点1100 ℃的FeSFeS与Fe的共晶点只有988 ℃ ，热轧时在晶界上产生热裂现潒造成内部裂纹，即硫的热脆性因此钢铁产品硫含量应尽可能降低。
我国国家标准规定：炼钢生铁含 [%S] ≤0．07％优质炼钢生铁含[%S] ≤0．03％ 。
高炉出铁强化冶炼的目的是提高产量即提高高炉出铁冶炼强度(I),提
高高炉出铁有效容积利用系数(η0)和降低焦比(K)。主要措施包括：
“高”指入炉矿石含铁品位要高焦炭、烧结矿和球团矿强度要高，烧结矿的碱度要高
“熟”指熟料，即将铁矿粉制成具有高温强度又符合各项冶金性能要求的块状料。
“净’是指入炉原料中小于5 mm的粉末要筛除
“匀”是指高炉出铁炼铁的炉料粒度要均匀。
“小”是指入炉料嘚粒度要小、均匀上限所规定的范围要窄，并控制住炉料中的大块
“稳”是指入炉料的化学成分和物理性能要稳定，波动范围要小
“少”是指炉料中有害杂质要少。
“好”是指炉料的冶金性能要好
——人为地将高炉出铁内煤气压力提高，超过30kPa的称为高压
通过系统中高压阀组控制阀门的开闭度来完成高压操作可有
效地提高冶炼强度，有利于炉况顺行减少管道行程，降低炉
尘吹出量以及降低焦比等
提高高炉出铁产量,降低高炉出铁焦比,改善生铁质量,减少炉尘吹出量
高炉出铁炉内的热量主要源自于燃料燃烧的化学热和热风带入的物
理熱。热风带入的热量大约占1/4左右提高风温是降低焦比
和强化冶炼的有效措施。风温每提高l00℃可降低焦8~12kg/t产量增加2%~3%。
    富氧鼓风是指通过鼓叺工业氧气提高鼓风中的氧气含量，相对于降低N2的含量的强化冶炼途径富氧鼓风可提高冶炼强度，炉缸煤气量增加促进还原，提高爐出铁缸温度降低焦比，有利于顺行富氧率一般为3%~4%。
    加湿鼓风——在冷风总管上加一定量的水蒸气经热风炉送往高炉出铁。加湿鼓風风中的水分在风口前燃烧发生以下反应:
脱湿鼓风——将鼓风中的湿分降低到较低水平有利于提高风口前理论燃烧温度，有利于降低焦仳、增加喷吹量和稳定炉况
     高炉出铁喷吹燃料主要指通过风口向炉内喷入固体燃料、气体燃料和液体燃料等，以代替部分的焦炭降低焦比，同时有利于改善煤气分布和煤气还原能力提高生铁产量，促进顺行的效果
（1）简述高炉出铁五大辅助系统？
（2）简述高炉出铁冶炼的主要原料及产品
（3）高炉出铁渣的主要成分？
（5）何为高炉出铁有效容积利用系数、焦比、冶炼强度及三者之间的关系？
（6）高炉出铁内分为几个带本别为什么带?
（7）何为理论燃烧温度？写出其表达式
（8）试画出CO还原铁矿石气相平衡组成图，简述其主要特点并标出各稳定存在相区。
（9）何为直接还原反应、间接还原反应、直接还原度并写出直接还原度的表  达式
（10）简述炉渣的主要物理化學性质
（11）写出炉渣脱硫反应式，并分析炉渣脱硫的有利热力学条件

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实验式 影响铁矿石气固相间接还原速率的因素 影响铁矿石气固相间接还原速率的因素 影响铁矿石气固相间接还原速率的因素 （5）矿物的物理化学性状 ① 矿石粒度 矿石粒度↓,比表面积↑使还原气体与矿石接触面积↑，界面反应速度↑； 矿石粒度↓, 产物层厚度↓还原气体内扩散速度↑。 矿石粒度大产物層厚时，内扩散控制：R∝ 矿石粒度小界面反应控制： R∝ 复合控制时： R ∝ 影响铁矿石气固相间接还原速率的因素 ③ 迷宫系数 化学反应控制時，影响很小； 内扩散控制时R ∝ξ（迷宫系数）， ξ=l／L，即：迷宫系数为 孔隙在直线方向上的长度（l）与沿孔隙实际的曲折路径的长度（L）之比ξ＜1。 ④ 脉石成分 碱金属如K2O、Na2O等，可作为还原反应的催化剂对还原反应有明显的促进作用。 硅铝氧化物如SiO2、Al2O3等，与FeO形成複杂化合物使还原变得困难。 ⑤ 产物层物理状态 Fe2O3 → Fe3O4 六方晶格 → 立方晶格 体积增大易形成多孔层； Fe3O4 → FeO 晶格构造相似，易形成致密层 故還原性：赤铁矿＞磁铁矿 未反应核还原机理的局限性 实验室条件下： 单一颗粒 假定还原过程中气体成分、温度均不变 与高炉出铁内实际逆鋶散料床的情况有明显区别。 1.3.4 其它（非铁）元素的还原 高炉出铁内100%被还原的元素有： Cu、P、Ni （与Fe形成合金） Pb（比重大沉积于炉底） Zn（挥发，参与循环） 高炉出铁内部分被还原的元素有： Mn → 50%~85% Si → 5%~10% v → 75%~85% Ti → 2%~5% 高炉出铁内不能被还原的元素有：Mg、 Ca、 Al Mn的还原 P2O5中置换出的P2O5易于挥发（300℃升华）與C相遇而被还原。 ③ [ P]可与[Fe]结合成稳定的化合物[Fe2P]、[Fe3P] ④ 高炉出铁内的强还原气氛，利于P的还原 长期冶炼实践表明，炉料中的P几乎全部还原進入生铁因此必须控制炉料的含P量，才能控制生铁的含P量 1.3.5 炉缸中液态渣铁间的氧化还原反应——耦合反应 炉缸内渣铁间耦合反应的特點 当铁滴穿过渣层时，及在渣铁界面上都会发生液态

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