冶金概论3-高炉冶炼用原料(二).ppt

1、2.1 高炉炼铁用原料,第二章 高炉炼铁,几种常见的铁矿石：磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿。铁矿石评价指标：品位、脉石成分及数量、杂质元素含量、还原性、高温性能、强度和粒度、成分的稳定性。,二 铁矿石冶炼前的加工处理 1 烧结法及工艺过程 烧结过程料层变化；,1)烧结矿层：即成矿层，主要变化是液相凝固，析出新矿物，预热空气。表层受冷空气剧冷作用，温度低，矿物来不及析晶，故表层强度较差。 2)燃烧层：位于烧结矿层下面，燃料燃烧温度可达1100 1500。混合料软、熔融及形成液相，此层厚度为1550mm，它对烧结过程和烧结矿质量影响较大。料层过厚，透气性差，导致产量降低；料层过薄，烧结温度低，液相

2、不足，烧结矿固结不好，强度低。,3)预热干燥层：混合料被燃烧层下来的热废气干燥和预热。由于热交换进行迅速剧烈，故废气温度很快从1500降至60 70。此层主要反应是水分蒸发、结晶水及碳酸盐分解、矿石的氧化还原以及固相反应等。该层厚度为20 40mm。 4）过湿层（冷料层）：因上层废气中带入较多的水汽，进入冷料层温度降至露点以下时，水汽将会大量冷凝于料层中，形成过湿层，从而破坏混合料中已造好的小球，影响料层透气性。生产中采用预热混合料等办法来解决。,(2)烧结过程的主要反应,1)燃料燃烧反应：烧结所用的燃料主要是焦粉或无烟煤粉，它们含有大量的固定碳，在700时即可着火。烧结料中燃料同空气中氧气进

3、行氧化燃烧时放出大量热及CO2气体，是烧结过程一切物理化学反应的基础。 混合料层碳燃烧具有以下特点：,A 生产一吨烧结矿所需的1.3105 1.7105 kJ 热量中，有80% 90是燃烧燃料提供的。但燃料仅占混合料总量的3% 5，按体积计不到10，在料层中分布稀疏，为保证迅速完全燃烧，就需要有较大的空气过剩系数（1.41.5），其主要反应为： C+O2=CO2 B 在局部燃料较集中的地方或燃料颗粒较大时，会发生不完全燃烧，其反应为： 2C+O2=2CO,C 在高温条件下，还有可能产生CO2+C=2CO的反应。但由于燃烧层很薄，废气温度降低很快，故产生CO的反应受到一定限制。总的来说，烧结废气

4、中除N2外，以CO2为主，有少量的CO及自由氧。可以认为烧结过程是弱氧化性气氛，但在碳粒周围的局部区域属还原性气氛。,2）分解反应：烧结混合料中经常含有一些结晶水，在烧结加热至一定温度时进行分解。如褐铁矿中结晶水在250300时分解，脉石中高岭土(A12O32SiO22H2O)结晶水分解温度为500以上。结晶水分解吸热，因此在使用含结晶水的物料烧结时，应适当增加燃料用量。,当生产熔剂性烧结矿时，烧结料中常配入一定量的熔剂（白云石和石灰石），这些碳酸盐在烧结过程中达到一定温度时会发生分解反应，其反应式如下： CaCO3=CaO+CO2(750以上） MgCO3MgO+CO2（720）由于烧结过程

5、很短，为使碳酸盐完全分解，要求配入的熔剂粒度小于3mm。,3)还原与再氧化反应：在烧结过程中，靠近燃料颗粒处存在着还原性气体CO以及赤热的燃料粒，因此混合料中的铁、锰等氧化物将被还原：3Fe2O3+CO2Fe3O4+CO2Fe3O4+COFeO+CO2在远离燃料的混合料中，特别是在烧结矿层的冷却过程中，有Fe3O4和FeO的再氧化现象，如：2Fe3O41/2O23Fe2O33FeO1/2O2Fe3O4,4)去硫反应： 烧结过程是一个有效的脱硫过程，一般脱硫效率可达90以上。烧结料中硫以有机硫、硫化物和硫酸盐形态存在。有机硫在烧结过程中挥发或燃烧成SO2逸出，大部分硫化物通过氧化被脱除：2FeS

6、211/2O2=Fe2O34SO22FeS7/2O2Fe2O32SO2生成的SO2排入大气，对环境污染严重。另外，在烧结过程中还能去除其它有害元素，如As、Pb、Zn、K、Na等。这些均为有毒气体，所以对烧结废气应作净化处理。,（3）烧结矿形成 烧结矿的成矿机理，包括烧结过程的固相反应、液相形成及结晶过程。在烧结料中主要矿物都是高熔点的，在烧结温度下大多不能熔化。当物料加热到一定温度时，各组分之间进行固相反应，生成熔点较低的新化合物，使它们在较低温度下生成液相，并将周围物料浸润和熔融。,然而，在烧结过程中并非全部混合料都熔化为液相，特别是粒度较大的往往来不及熔化，而被它周围的液相粘结起来。当燃

7、烧层移动后，被熔物温度下降，液相放出能量并结晶，液相冷凝固结形成多孔烧结矿。,烧结过程产生的基本液相：硅酸盐和铁酸盐体系的矿物，如FeO-SiO2（硅酸铁）、CaO-SiO2（硅酸钙）、CaO-Fe2O3（铁酸钙）、CaO-FeO-SiO2（铁钙橄榄石）等。是烧结矿成型的主要胶结物。,2 烧结矿分类及质量评价 （1）烧结矿分类 按碱度(R=CaO/SiO2)不同分为三类：A 酸性烧结矿（普通烧结矿）：R1；B 自熔性烧结矿：R=1.0 1.5，目前我国使用较多；C 熔剂性烧结矿（高碱度烧结矿）：R=2.0 4.0，常与酸性炉料配合使用，以保证高炉炉渣对碱度的要求。,对其质量评价指标主要有品位、

8、强度、化学成分、还原性、碱度、粒度、有害杂质含量及高温冶金性能等。 烧结矿质量对高炉冶炼有重大影响，改善其质量是“精料”的主要措施。,3 球团法及其过程 所谓球团生产就是将极细的精矿粉与添加剂混合后，在旋转着的造球机（圆盘式和圆筒式两种）上加水制成8 15mm的圆球。这种圆球经过干燥、焙烧成为强度很高的球团矿。(1)球团矿生产工艺 (P17 18，图2-6)(2)生球形成(P18，图2-7)(3)球团焙烧固结(4)球团焙烧设备,4 球团矿与烧结矿的比较,球团矿生产适合于使用细磨精矿粉。烧结矿主要依靠液相固结，而球团矿主要依据铁矿物的再结晶和结晶长大固结。 因而精矿品位越高、粒度越细、越有利于球

9、团生产。细精矿粉如用于烧结，料层透气性明显变差将影响烧结生产率。,球团矿由于粒度较均匀，含铁高，还原性好，其冶金性能和冶炼效果比烧结矿好。 由于球团生产率较烧结低，且耐热链箅条昂贵，所以单位产品基建投资费用比烧结高。 球团矿的热还原强度比烧结矿差。,5 其它含铁原料,含铁的“废弃”物料，加以利用，不仅可以扩大铁矿资源，增加生铁产量，降低生铁成本，而且有助于环境保护，变废为宝，充分利用自然资源。高炉炉尘、转炉炉尘、钢渣、轧钢皮、硫酸渣以及一些有色金属选矿后的高铁尾矿与冶炼后的高炉渣、电厂粉煤燃烧后的烟尘灰等。,（1）高炉炉尘是从高炉煤气系统中回收的副产品，由矿石和焦炭的粉末组成，其中含铁40%左

10、右，含碳10%20%和较多的CaO。其粒度较细，亲水性差。常用于烧结配料。 （2）氧气转炉炉尘是从氧气转炉的炉气中经除尘器回收的含铁粉料，含铁量较高，高达50%60%以上，主要成分有Fe3O4，还有16%30%的金属铁。粒度极细，可作为烧结或球团的辅助原料。,（3）轧钢皮是轧钢生产过程中，从炽热的钢锭或钢材表面剥落下来的氧化铁皮，含铁量很高，可达60%70%以上，主要以Fe3O4存在，也有少量金属铁。可作为烧结配料。 （4）其它铁屑料包括铸铁机和机械加工中的车削、锻造时产生的铁屑与钢屑，主要含水量有铁和少量的碳，可用于烧结配料。,（5）硫酸渣即黄铁矿烧渣，它是化工厂焙烧黄铁矿留下的残渣，含铁5

11、0%左右，主要以Fe3O4形态存在。含硫高，并含有铜Cu、Pb、Zn、Co等有色金属和Au、Ag等贵金属。硫酸渣粒度较细。含铁较低的硫酸渣多用于水泥配料，含铁较高的硫酸渣主要作烧结或球团配料，用于高炉冶炼。,（6）钢渣是转炉所产生的炉渣，水淬处理后的粒化物。钢渣中含有一定量的铁和较多的碱性氧化物CaO、MgO，还含有较高的磷。用于烧结配料时，既可以回收铁，又可以取代部分石灰石和白云石。因钢渣中含有磷，烧结配料时钢渣的配比不能过高，以免影响生铁质量。,三 燃料,燃料是高炉冶炼不可缺少的基本原料之一，几乎所有高炉都使用焦炭作燃料。在高炉炼铁中，焦炭起三种作用：(1)提供冶炼所需的热量；(2)还原矿

12、石所需的还原剂；(3)在高温区，焦炭是唯一的固体物，是支撑料柱的骨架和使气流畅通的透气通路。,强度好的块状焦炭是高炉冶炼不可缺少的燃料。但因炼焦煤资源的匮乏，而且炼焦生产还给环境造成严重的污染。因此，向高炉喷吹补充燃料，特别是喷吹煤粉来替代部分焦炭，就是20世纪高炉炼铁技术进步最成功的一项。,所谓喷吹煤粉，就是将不能炼焦的煤磨成细粉，与鼓风一起通过风口喷入炉缸的燃烧带，如同焦炭一样，煤粉在燃烧带内与鼓风中的氧反应形成煤气并放出热量， 所以喷吹煤粉可以代替焦炭的还原剂和热源两个作用，但是不能代替焦炭的料柱骨架作用。目前世界各国的喷煤数量占单位生铁总燃料消耗的30% 50%。,高炉冶炼对焦炭质量的

13、要求衡量焦炭质量一般从其化学和物理性质两方面来分析，即固定碳（C固）、灰分（A）、挥发分（V）、水分（W）、硫(S)含量。焦炭的物理性质最主要的是机械强度、粒度和气孔率等。焦炭质量的好坏直接影响着高炉产量、质量及能耗（焦比）。,（1）固定碳和灰分焦炭中固定碳含量与灰分互为消长，灰分高则意味着含C量低。焦炭灰分增加1，焦比升高2，产量下降3。因此要求焦炭灰分尽量低。我国焦炭灰分一般在11% 15。焦炭中灰分来自原煤，因此炼焦前应洗煤，并进行合理配煤来降低灰分。,（2）硫焦炭带入的硫量占入炉料总硫量的80。因此，降低焦炭含硫量，对提高生铁质量极为重要。为保证生铁含硫低于国家标准(0.05%0.02

14、)，必须提高炉温和炉渣碱度，这就增加了燃料的消耗。实践证明，焦炭中含硫量提高0.1，焦比升高1.2% 2%。洗煤和合理配煤也是降低焦炭含硫的基本途径。,（3）挥发分炼焦过程中未分解挥发完的有机物，是鉴别焦炭成熟程度的主要标志，一般含量为0.8% 1.2。含量过高表明成熟程度差，强度不够，在冶炼过程中易碎裂产生粉末，影响料柱透气性。而含量过低，表明结焦过大，会形成裂纹多而脆，故要求挥发分适当。,（4）成分稳定焦炭成分与性能波动会导致高炉冶炼过程不稳定，特别是水分的波动会引起入炉焦炭重量波动，从而影响炉温，导致热制度波动。采用干法熄焦，使焦炭不含水分，根本上消除了水分波动的影响，同时还会改善焦炭强

15、度。,（5）强度与粒度焦炭在入炉前要经过多次转运，在炉内下降过程中受高温和炉料间的重力及摩擦力作用，如果强度不好，会破裂产生粉末，导致炉渣变得粘稠，料柱透气性恶化。测定焦炭强度常用转鼓试验。,M40称为焦炭的抗冲击强度（破碎强度） M10为焦炭的抗摩擦强度（磨损强度） 我国规定焦炭强度转鼓指标为：一级品M40为75%以上，M108.0；二级品：M40为64 68，M1011.5。 焦炭的粒度要求适中而均匀：大型高炉为40 60mm，中型高炉为25 40mm,小型高炉为15 25mm。,现代焦炭生产过程分为洗煤、配煤、炼焦、熄焦及煤气和化工产品回收处理等工序，生产工艺流程见图。,炼焦工艺：现代焦

16、炭生产过程分为洗煤、配煤、炼焦、熄焦及煤气和化工产品回收处理等工序，生产工艺流程见图2-10。,(1)洗煤原煤在炼焦前洗选，目的是降低煤中灰分和洗除其它杂质。 (2)配煤可用于炼焦的煤主要有气煤、肥煤、焦煤和瘦煤等。配煤是将上述各种结焦性不同的煤经洗选后，按一定比例配合炼焦。目的是在保证焦炭质量的前提下，节约日趋减少的主焦煤，扩大炼焦用煤源，同时尽可能多的获得一些化工产品。,（3）炼焦将配好的煤料，装入炼焦炉的炭化室，在隔绝空气的条件下，由两侧燃烧室供热，随温度升高经干燥、预热、热分解、软化、半焦、结焦成具有一定强度的焦炭。煤结焦过程变化如下：A、干燥和预热 50 200，煤中水分蒸发和放出C

17、H4和CO2等气体；,B、热分解200 300，放出气体挥发物；C、软化300 500，产生胶质体；D、半焦500 800，析出大量液体焦油及气体挥发物，形成多孔状半焦；E、成焦900 1000，产生较大的体积收缩，并开始炭化最后形成焦炭。经过一个结焦周期（14 18 h），由推焦机把焦炭从炭化室推出。,（4）熄焦炽热的焦炭由熄焦车送去喷水熄焦、凉焦，或用CO2、惰性气体等逆流穿过红焦层进行热交换，焦炭冷却到200以下，惰性气体则升温至800左右，送到余热锅炉生产蒸汽，这就是干熄焦法。这种方法对环境污染小，焦炭质量高，同时可回收大量显热。我国上海宝山钢铁总厂采用干熄焦法。,（5）煤气和化工产品

18、回收炼焦过程不仅产出焦炭，同时还逸出高热值的煤气及其它可提取化工产品的原料,每1000kg干精煤约可获得冶金焦750kg，煤焦油（15 34）kg，氨（1.5 2.6）kg，粗苯（4.5 10）kg，焦炉煤气（290 350）m3。,四 熔剂矿石中的脉石与焦炭中的灰分，其主要成分是酸性氧化物，它们的熔点均较高（SiO2 1713,Al2O3 2050），在高炉冶炼条件下很难熔化， 为使其形成低熔点物质，需加入一定数量助熔剂（简称熔剂），以形成许多低熔点的化合物和共熔体，即所谓的炉渣，并能达到完全熔化，且具有良好的流动性，使渣铁容易分离。,熔剂按其性质可分为碱性和酸性两种。 高炉最常用的是碱性熔

19、剂，即石灰石和白云石等。当脉石中碱性氧化物含量较高时，则用酸性熔剂，常用的有硅石等。 为充分利用钢铁工业废弃物，有些高炉用高碱度的转炉钢渣代替碱性熔剂。,对熔剂的要求 有效成分含量高 对石灰石与白云石来说，即要求有效碱度高。 熔剂含有的碱性氧化物扣除其本身酸性氧化物造渣所需的碱性氧化物后，剩余的百分数称为有效碱度（有效熔剂性）。 可用下式表示：,(CaO+MgO)有效(CaO+MgO)熔剂-(Si02)熔剂R 式中 (CaO+MgO)有效有效碱度； (CaO+MgO)熔剂熔剂中Ca0和Mg0重量百分含量；(Si02)熔剂- 熔剂中SiO2重量百分含量；R炉渣碱度，(Ca0+Mg0)/SiO2。

20、(2)有害杂质硫、磷要低。 (3)粒度均匀、强度好、粉末少。,五 鼓风,鼓风是经风机压缩后具有很高压强的空气，在现代大高炉上鼓风压强可达0.4MPa以上。为了强化高炉冶炼和向高炉喷吹补充燃料，常将制氧机生产的氧气加入鼓风中，使鼓风的含氧量达到22%30%。风机出来的鼓风都要经热风加热到1000以上，然后送入高炉。,思考题：,1 什么是矿石的还原性？ 2 高炉炼铁过程对铁矿石还原性的要求是什么？ 3 铁矿石的评价指标？ 4 铁矿石通常分为哪几类？ 5 目前应用最广泛的粉矿造块方法？ 6 烧结过程中原料脱硫的机理？ 7 烧结生产的主要技术经济指标？,8 高炉用熔剂的种类及作用？ 9 目前国内高炉炼铁工艺主要使用的熔剂种类？ 10 焦炭在高炉冶炼中的作用？ 11 什么是焦炭的燃烧性？反应性？高炉炼铁过程对其有何要求？,