高炉炼铁.ppt

1,高炉炼铁知识讲座,首钢技师学院杨彦娟,2,主要内容,高炉冶炼的基本原理高炉强化冶炼手段和方法高炉基本操作制度高炉炼铁新技术,3,第一讲高炉冶炼基本原理,一、炉料的蒸发、分解与气化二、高炉还原过程三、造渣与脱S四、风口前C的燃烧五、炉料与煤气运动六、高炉能量利用,4,一、炉料的蒸发、分解与气化,1.高炉炉内状况,5,（1）块状带矿焦保持装料时的分层状态，与布料形式及粒度有关，占BF总体积60左右（2001100℃）主要反应水分蒸发结晶水分解除CaCO3外的其它MCO3分解间接还原（还原度可达30-40％）碳素沉积反应（2COCCO2）,1.高炉炉内状况,6,（2）软熔带矿石层开始熔化与焦碳层交互排列，焦碳层也称“焦窗”，形状受煤气流分布与布料影响，可分为正V型，倒V型，W型，一般软熔带的上边界温度在1100℃左右，而下边界温度在1400-1500℃。主要反应Fe的直接还原Fe的渗碳CaCO3分解吸收S（焦碳中的S向渣、金、气三相分布）贝波反应CCO22CO脉石与低价铁氧化物和锰氧化物等形成液态初渣。,1.高炉炉内状况,7,（3）滴落带主要由焦碳床组成，熔融状态的渣铁穿越焦碳床主要反应Fe的渗CMn、Si、P、Cr的直接还原溶入直接还原元素Si、Mn、P、S炉渣由中间渣转向终渣。,1.高炉炉内状况,8,（4）回旋区C在鼓风作用下一面做回旋运动一面燃烧，是高炉热量发源地（C的不完全燃烧），高炉唯一的氧化区域。主要反应CO2CO2CO2C2CO（5）炉缸区渣铁分层存在，焦碳浸泡其中主要反应渣铁间脱S，Si、Mn等元素氧化还原,1.高炉炉内状况,9,2、炉料的蒸发、挥发与分解,装入炉内的炉料，除热烧结矿外，都含有一定水分，以吸附水和结晶水两种形式存在．吸附水依靠微弱的表面能力吸附在炉料颗粒表面及其孔隙表面的水,也叫物理水．结晶水与炉料中的氧化物化合成为化合物的水,也叫化合水．,10,吸附水的蒸发,吸附水在炉料加热到105℃时，激烈蒸发．吸附水在高炉上部就能全部蒸发完毕．吸附水蒸发吸收的是炉顶煤气的余热，不会引起焦比升高．吸附水蒸发的益处．降低煤气温度，对炉顶设备及金属结构的破损作用减弱．煤气体积缩小，煤气流速降低，炉尘吹出量减少．但吸附水含量的波动会影响配料称量的准确。,11,结晶水的分解,存在于褐铁矿2Fe2O3.3H2O和高岭土Al2O3.2H2O中．结晶水分解结晶水从200℃开始分解，到400～500℃激烈分解．结晶水分解完毕需要的时间与炉料颗粒大小有关．小料块比大料块的结晶水分解完毕的早．结晶水分解对冶炼影响．结晶水激烈分解，矿石易碎裂，产生大量粉末，使料柱透气性变坏，不利于高炉顺行．若1000℃时，结晶水尚未分解完，则分解出来的水汽与焦炭中的碳发生反应．碳水反应H2OC焦H2CO-Q是吸热反应，而且直接消耗碳，使焦比升高．,12,挥发分挥发,焦炭中挥发物的挥发焦炭中挥发分高低是评价焦炭质量的指标之一其它物质的挥发碱金属循环富集，恶化透气，造成炉瘤Zn循环富集，胀裂炉衬．造成炉瘤．Mn挥发Mn3O4，进入煤气，增加煤气清洗的困难．SiO挥发，恶化料柱的透气性．,13,碳酸盐的分解,碳酸盐主要由熔剂带入CaCO3，MgCO3矿石带入少量碳酸盐FeCO3，MnCO3,MnCO3,FeCO3,MgCO3分解温度较低，对高炉冶炼影响不大．CaCO3分解温度较高，对冶炼影响较大．,14,CaCO3的分解对高炉冶炼的影响,CaCO3分解是吸热反应，消耗高炉热量．1KgCaCO3分解消耗1785KJ热量．降低了煤气还原能力，影响还原速度．CaCO3在低温区分解放出CO2进入煤气，降低了CO的浓度，冲淡了还原气氛在高温区分解出的CO2与焦炭发生反应，CO2C焦2CO是吸热反应，而且直接消耗焦炭，使焦比升高．,15,二、高炉还原过程,高炉冶炼用CO,H2和固体碳作还原剂．氧化物的还原顺序高炉冶炼条件下，各种氧化物由易到难的还原顺序．CuO→PbO→FeO→MnO→SiO2→Al2O3→MgO→CaO能被还原部分被还原不能被还原,16,直接还原与间接还原,（1）间接还原用CO、H2为还原剂还原铁的氧化物，产物为CO2、H2O的还原反应。特点放热反应、反应可逆（2）直接还原用C作为还原剂，最终气体产物为CO的还原反应。特点强吸热反应、反应不可逆（3）直接、间接还原区域划分取决于焦碳的反应性低温区＜800℃基本为间接还原中温区8001100℃共存高温区＞1100℃全部为直接还原（4）用直接还原度rd、间接还原度ri来衡量高炉C素利用好坏，评价焦比。,铁氧化物还原,（一）铁氧化物的还原顺序1、还原顺序铁的氧化物在还原时，是从高价铁氧化物逐级还原成低价氧化物，最后还原成金属铁．570℃时Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe570℃时，Fe2O3→Fe3O4→FeO分解压从大到小，还原性由易到难．570℃3Fe2O3CO2Fe3O4CO2QFe3O4CO3FeOCO2-QFeOCOFeCO2Q570℃3Fe2O3C2Fe3O4CO－QFe3O4C＝3FeOCO－QFeOCFeCO－Q685℃时，CO2C2CO反应向右进行，间接还原全部转换为两步式的直接还原，CO只起输氧的作用本身不消耗B.温度570℃3Fe2O3H22Fe3O4H2O－QFe3O4H2＝3FeOH2O－QFeOH2FeH2O－Q都是间接还原反应，不增加也不减少煤气的体积。2此反应有的放热，有的是吸热，但热效应值都不大。2.不同点1以H2作还原剂的反应是吸热反应，因此提高温度有利于还原进行，而CO的还原是以放热为主．2低于810℃,CO比H2的还原能力强高于810℃，H2比CO的还原能力强。,29,非铁元素的还原,（1）Mn的还原①一般规律MnO2→（550℃间还）→Mn2O3→（1100℃间还）→Mn3O4→（1000℃间还）→MnO→（1200℃直接还原）→Mn②Mn还原的特点间接还原放热大，使炉顶温度↑直接还原吸热大，使焦比↑③控制Mn还原的手段提高炉缸温度，会使Mn的挥发损失↑提高炉渣R生铁中保持一定[Si],30,（2）Si的还原①生铁中[Si]的要求制钢铁[Si]≤0.6铸造铁1.25≤[Si]≤4.25②Si还原的特点大量吸热全部直接还原K↑③Si还原的途径气化还原SiO2CSiO（g）COSiO（g）[C][Si]CO渣铁反应（SiO2）2[C][Si]2CO④控制Si还原的因素提高炉缸温度利于Si的还原↓炉渣R利于Si的还原,非铁元素的还原,31,（3）P的还原P100还原入铁，只有原料控P（4）含Ti矿的冶炼TiO2→Ti2O3→TiO→Ti→Ti（C，N）固熔体使炉渣粘稠,非铁元素的还原,三、造渣与脱硫,炉渣的来源矿石中的脉石SiO2,Al2O3燃料中的灰分SiO2,Al2O3熔剂中的氧化物CaO.MgO被侵蚀的炉衬．Al2O3炉渣的主要成分SiO2,Al2O3,CaO,MgO,炉渣碱度,碱度炉渣中的碱性氧化物和酸性氧化物的比值．二元碱度R2＝CaO／SiO2，一般为1.0～1.2之间．三元碱度R3＝CaO＋MgO／SiO2，一般为1.3左右四元碱度R4＝CaO＋MgO／SiO2＋Al2O3,炉渣的作用,炉渣具有熔点低，比重小，不熔于铁的特点，使渣铁分离，得到纯净的生铁。去除生铁中的硫，并有利于选择或抑制Si，Mn的还原，起控制生铁成分的作用。炉渣的生成形成了高炉内的软熔带和滴落带，影响煤气流分布及炉料的下降。炉渣附在炉墙上，形成渣皮，起保护炉衬的作用。,35,初渣由软化前沿至熔化前沿生成，初渣内含FeO较多（一般10％以下）生矿成分不均匀，软熔区间大操作困难酸性烧结矿成分较均匀，但初渣为酸性碱性烧结矿成分可预定，存在一定CaO，流动性好中间渣初渣向下温度升高，（FeO）被还原，并吸收CaO，R↑终渣主要成分（SiO2）（Al2O3）（CaO）（MgO）＞95，（FeO）＜1,成渣过程,炉渣性能,炉渣的熔化性熔化性表示炉渣熔化的难易程度．炉渣熔化性常用熔化温度和熔化性温度来表示。熔化温度定义指过热的液体炉渣开始凝固的温度或炉渣加热时固体完全消失的温度熔化温度是炉渣熔化性的标志之一熔化温度只表明炉渣加热时固体完全消失的温度，不等于炉渣自由流动温度,37,CaO-FeO-SiO2熔渣三元状态图,38,四元炉渣相图CaO-MgO-SiO2-Al2O3,39,三元相图,纵坐标温度底面等边三角形（成分）,40,三元相图实物图,41,等边浓度三角形,三元相图成分表示法,B,C,A,←A,,三个顶点代表三个纯组元,三个边上的点二元组分的成分点,内部任意一点三元组分的成分点,,O,42,,,确定O点的成分,1）过O作A角对边的平行线,2）求平行线与A坐标的截距得组元A的含量,,,,,3）同理求组元B、C的含量,三元相图成分表示法,43,课堂练习,1.确定I点的成分,,,,A60,B30,C10,44,2.标出A75B10C15的组元点,,,,,课堂练习,45,,,,,思考,三元相图空间任意一点的成分及温度如何确定,在空间图上不容易准确画出、读出三元状态图中点、线、面的位置，采用平面投影图代替,,46,等温截面图,等温截面水平方向与温度轴相垂直,等温截面图一系列等温截面在平面上的投影，标出温度线,,,,,,,,,,,,47,等温截面图特点,同一等温线上熔点相同离顶点越近，熔点越高两等温线间可通过插入法求出疏密程度与相图液相曲线的陡缓有关弯曲方向与相图液相曲线的凹凸有关,48,CaO-FeO-SiO2熔渣三元状态图,偏CaO顶角处熔点最高；SiO2角温度线较密，说明有大范围的硅酸盐分熔区；在两者之间是炼钢温度1600℃以下的两个液相区，一个是从组成点开始伸向FeO角方向，熔点随FeO含量的升高而降低；另一个是从组成点开始，熔点也随FeO含量的升高而降低，但最低温度仍在1300℃以上，转炉炼钢熔渣成分就在此区域内变化。这个相图中共晶点是一个三元化合物，熔点约1200℃。FeO含量较高是炉渣容易渣化的主要原因。,49,CaO-SiO2-Al2O3三元炉渣相图,,50,,1.0,,,CaO-SiO2-Al2O3三元炉渣相图,,1.2,,0.8,相图分析,109m/s。,147,高炉炉体维护,对炉体各部位炉衬进行监测人工监测水温差；设置一定数量的测温装置，直接掌握相应部位内衬的温度、侵蚀情况。冷却设备破损漏水要及时发现，及时进行处理。在相应部位插入冷却棒（柱形铸铜冷却器），压入硬质耐火泥，可维持高炉正常生产。进行喷补炉衬散状耐火材料喷补（有普通喷补、长枪喷补和遥控喷补3种方法）；对炉皮发红，煤气串通严重的部位，炉缸冷却壁水温差高的部位可以进行灌浆。,148,高炉操作维护,保证冷却设备的高质量安装合理开炉操作开炉时使用铁分低、渣量大的炉料，以生产大量炉渣，很快形成渣皮，保护炉衬，防止煤气流的冲刷。实行快速达产，是不利于炉衬水从蒸发，砖衬逐渐膨胀定位，是不利于高炉长寿。改善炉料质量炉料转鼓强度高，粒度均匀，含有害杂质少，冶金性能好,149,高炉操作维护,科学布料，控制边缘煤气流发展无料钟炉顶设备可以实现大矿批、正分装，中心加焦，定点布料等方式上料。高炉炉役后期，充分利用好上下部调剂相结合的手段，使用可以促进延长高炉寿命的操作手段进行工作。进行钒钛矿护炉为使高炉能继续保持正常生产，在烧结矿中加入3％左右的钒钛磁铁精粉，或使用5～7kg/t钒钛块矿入炉，就可以产生护炉的效果。,150,钒钛矿护炉的机理,TiO2在高炉内可还原成为TiC、TiN及其连接固熔体Ti（CN）。由于Ti的碳、氮化物熔化温度很高，纯TiC为3150℃、TiN为2950℃，Ti（CN）固熔体的熔点也很高，它们对炉缸、炉底的内衬均起到保护作用。,151,由烧结、球团、焦化以及高炉各工序组成的炼铁过程,占钢铁联合企业总能耗的78，同时产生大量粉尘、废气和废水。污染物排放占三分之二，高炉工序能耗占59，生产1t钢要排放2.0tCO2，1.95kgSO2，320kg的炉渣，约30～50g的粉尘。,二、炼铁节能与环保,152,能耗高原燃料工序能耗高,原燃料质量差,结构不理想。与国外先进水平相比,我国烧结及球团工序能耗标煤平均要高出约20kg/t烧结矿和球团矿的冶金性能较差,焦炭的灰分高,焦炭高温冶金性能差热风温度低,煤比低,二次能源利用率低污染严重高炉出铁场的粉尘未得到治理。高炉尘泥和回收的超细粉尘的利用率较低。未对烧结烟气的SO2和NOx排放进行任何处理传统的焦炉,尤其是小焦炉和土焦炉,污染依然严重。,炼铁节能和环保方面存在的主要问题,153,炼铁节能和环保技术,在原料准备工序坚持以“优质低耗”为核心低硅烧结矿生产技术，可以显著降低高炉渣量。高硅铁精矿的现状,应选择进口低硅粉矿搭配使用。降低烧结矿的硅含量会引起烧结矿的低温还原粉化率RDI升高、转鼓强度降低以及利用系数下降等。采取强化制粒、偏析布料、提高烧结矿碱度、适当增加MgO含量、低温烧结等措施。,154,炼铁节能和环保技术,在原料准备工序坚持以“优质低耗”为核心提高球团矿品位（提高精矿的品位，降低澎润土的用量）加强精矿的细磨控制制粒前的精矿水分使用有机粘结剂等。球团烧结、小球烧结新工艺，降低了固体燃耗,155,炼铁节能和环保技术,在原料准备工序坚持以“优质低耗”为核心烧结废热回收技术，预热点火煤气、热风点火、热风烧结、生产蒸汽或余热发电等。降低烧结漏风率，加强对机头机尾两端的密封和滑道的密封。干熄焦技术,156,炼铁节能和环保技术,高炉节能技术高炉大喷煤技术强调高炉的精料、提高风温及改善高炉操作,重视制粉和喷吹系统的技术改造,提高产量、降低制粉能耗和加工成本。（配加较软好磨的烟煤；放宽煤粉粒度，增加产量；使用高效粗粉分离器；收粉系统用一次大布袋直接收粉；浓相输送及喷吹技术；高效长寿喷枪；喷煤监测技术）高风温技术,157,炼铁节能和环保技术,高炉节能技术顶压发电技术TRT将高炉煤气管网中流动煤气的压力能转换成电能的一种设备，降低设备投资和提高发电效率。通过采取提高高炉炉顶压力、适当增加煤气发生量、优化高炉喷煤的配煤技术和对发电设备进行特殊维护等措施，使高炉余压发电效率明显提高。能够完全避免回收过程中的二次污染，而且还可以实现资源的有效回收利用。变高炉煤气湿法除尘为干法除尘，可以明显提高煤气温度，从而大幅增加煤气的可回收余能，增加TRT的发电能力，同时也可节约水资源，减少废水污染。,158,炼铁节能和环保技术,高炉节能技术高炉低硅冶炼高炉煤气干式除尘干式除尘可回收煤气显热,消除煤气洗涤造成的水污染,是一项有效的节能和环保技术。炉顶煤气温度和湿度的控制、布袋检漏以及电除尘电场控制和排灰等。高炉喷吹废塑料高分子碳氢化合物,是高炉炼铁的良好还原剂和发热剂。消除“白色污染”、改善社会环境,159,炼铁节能和环保技术,高炉环保技术烧结烟气脱硫（碱性脱硫）粉尘的综合利用加强烧结配加粉尘高炉用粉尘冷固结球团技术开发高炉喷吹粉尘技术,高锌粉尘的脱锌技术,回收有用金属,提高粉尘利用率。降低系统CO2排放量,160,三、高炉专家系统,专家系统ＥＳ专家系统是指在某些特定的领域内，具有相当于人类专家的知识和经验，以及解决专门问题的能力的计算机程序系统。,161,三、高炉专家系统,专家系统ＥＳ专家系统是指在某些特定的领域内，具有相当于人类专家的知识和经验，以及解决专门问题的能力的计算机程序系统。专家系统的特点知识信息处理知识利用系统知识推理能力咨询解释能力,162,人工智能高炉冶炼专家系统20世继80年代，开始将人工智能和专家系统引入高炉领域，按高炉操作专家所具备的知识进行集合和归纳，通过推理作出判断，并提出处理措施，从而形成人工智能管理冶炼专家系统。1989年首钢与北京科技大学开发了人工智能高炉冶炼专家系统，在2号高炉实施.,三、高炉专家系统,163,专家系统的基本结构,三、高炉专家系统,由数据库、知识库、推理机和解释系统四部分组成高炉系统检测到的数据，送到上机位，部分数据经过滤波处理，大量数据根据需要按偏差，极差、平均、加权等不同方式加工，或按一定公式计算，形成组合变量。,164,三、高炉专家系统,人工智能高炉冶炼专家系统,165,四、其它炼铁新技术,166,1氧气高炉,氧气高炉定义氧气高炉炼铁工艺是用全氧鼓风操作取代传统的预热空气鼓风操作的高炉炼铁工艺。由于高炉喷煤量超过焦炭消耗量以及炉顶煤气循环利用，这一工艺可以看作是以氧气和煤粉为主要能源的炼铁新技术。,167,氧气高炉的技术优点,大大减轻环境污染、且能够提供清洁能源生产率大幅度提高超高喷煤量，低焦比发展间接还原，降低直接还原。改善炉顶煤气质量软熔带的变化炉顶煤气循环利用高炉冶炼过程全面优化,,168,氧气高炉的技术关键,169,根据高炉上部喷吹的煤气种类分