炼铁工艺设计讲座（蓝天CAD）.ppt

炼铁工艺设计讲座主讲人吴启常,2007年2月9日,人力资源部主办,内容,一、前言关于钢铁生产长短流程问题二、高炉设计三、熔融还原,宗旨少讲设计细节，多讲设计理念，把握技术方向。,讲座体系介绍,一、前言,1．关于钢铁生产长短流程问题1.1长流程以矿石和煤为原料。通过烧结或球团焦化，高炉或熔融还原炼钢连铸和轧钢等工序生产钢材的流程。,,喷煤,煤,焦化,高炉,铁水予处理,转炉炼钢,连铸,炉外精炼,轧钢,粉矿,烧结球团,块矿,煤,矿石,熔融还原,氧气,,,,,,,,,,,,,,成品,钢材,,,,,,,,,,工艺流程图,1.2短流程以废钢或海绵铁直接还原铁为原料通过电炉炼钢，连铸和轧钢等工序生产钢材的流程。,,前言,废钢,海绵铁,电炉炼钢,炉外精炼,连铸,轧钢,成品,钢材,,,,,,,,,长短流程的基本要素介绍,,长流程,优势,生产规模大,能量消耗少,成本低廉,,,劣势,,污染严重,所需的焦煤资源短缺,短流程,,条件,,充足的废钢来源,相对低廉的电价,海绵铁的作用,,补充废钢数量的不足,提高入炉原料的质量,注意直接还原对矿石质量的要求是极高的。它要求铁矿石的含铁品位应＞65～67，对其它有害元素都提出了极高的要求。,,直接还原及其未来发展,原料块矿或球团燃料和还原剂煤或天然气产品固态的海绵铁直接还原铁目前采用的生产流程Midrex法，HYLⅢ法，煤基回转窑法、转底炉法等,★直接还原在我国不太可能得到大幅度的发展（1）直接还原对矿石质量的要求极其苛刻；（2）在我国条件下，清洁能源短缺，不可能大量提供和使用气基直接还原所需要的天然气；（3）我国虽然煤炭资源丰富，由于煤基回转窑法的固有缺点，生产效率过低，单位投资远高于高炉流程；（4）转底炉法虽然克服了煤基回转窑法的固有缺点，情况会不会根本改观，有待观察。,,,二、高炉设计,高炉大型化是必然的趋势,2.1冶金工程师应掌握的基本概念2.1.1高炉冶炼过程,高炉冶炼过程的主要目的,,1要实现矿石中金属元素（主要为Fe）和氧元素的化学分离即还原过程。,2要实现已被还原金属与脉石的机械分离即熔化与造渣过程。,,最后得到温度和化学成份合格的液态铁水。,高炉冶炼原理,高炉冶炼过程是在炉料自上而下、煤气自下而上的相互紧密接触过程中完成的。低温的铁矿石在下降的过程中被煤气由外向内逐渐夺去氧而还原；同时又自高温煤气得到热量。矿石升到一定的温度界限时先软化，后熔融滴落，实现渣铁分离。已熔化的渣铁之间及与固态焦炭接触过程中，发生诸多反应，最后调整铁液的成分和温度达到终点。保证炉料均匀稳定的下降，控制煤气流均匀合理分布是高质量完成冶炼过程的关键。,高炉设计,高炉内各区分布示意,,1、块状带,,2、软熔带,,3、滴落带,,4、风口带,,5、渣铁贮存区,6、死料柱,,,高炉设计,1、块状带固体炉料软熔前所分布的区域。2、软熔带炉料从开始软化到熔化所占的区域。矿料熔结成为软熔层，两软熔层之间夹有焦炭层，多个软熔层和焦炭层构成完整的软熔带，其纵剖面可呈倒V形、V形和W形等。软熔带位置较高时，其占据空间高度也较小，焦炭层较多，允许冶炼强化但能耗较高；软熔带位置较低时，其占据的空间高度也小，而块状带则相应扩大，即增大了间接还原区，利于提高炉身效率，改善煤气利用。3、滴落带渣、铁全部熔化滴落，穿过焦炭层下到炉缸区域。由于大量煤气通过，渣铁滴落时继续进行还原和渗炭等反应，是高温物理化学反应的主要区域。4、风口带风口前燃料燃烧的区域。焦炭燃烧时被高速气流带动形成回旋区，其大小和鼓风动能以及焦炭强度等因素直接有关，是高炉热能和气体还原剂的发源地，也是初始煤气流分布的起点。5、渣铁贮存区是形成最终渣、铁的区域。渣铁层相对静止，只有周期性放出渣铁时，才有较大扰动。6、死料柱为压实焦炭，焦炭与渣铁发生反应，此层相对呆滞。,,高炉设计,2.1.2高炉有效容积及其主要技术经济指标,国内外衡量高炉大小的指标,,1、高炉有效容积,2、内容积,3、工作容积,4、总容积,5、炉缸断面积或直径,,,我国和独联体国家多用,,,,日本和西方国家多用,,,高炉设计,高炉有效容积高炉有效容积为高炉有效高度内包容的的容积m3,●炼铁设计规范中规定料钟式高炉的有效高度是指大钟开启时底边线至出铁口中心线之间的垂直距离m。无料钟式高炉的有效高度是指高炉炉喉上沿至出铁口中心线之间的垂直距离m。●出铁口中心线的定义是以炉缸内型的轮廓线与出铁口通道中心线的交点为基准点引出的水平线。该水平线只与内型有关，而与出铁口处的砌体厚度和炉壳的尺寸无关。●无料钟式高炉的有效高度也有用零料线位置至出铁口中心线之间的垂直距离m来描述的，炼铁设计规范中定义高炉零料线位置即为炉喉上沿。,高炉内型图,,高炉设计,2有效容积利用系数每立方米有效容积，平均一昼夜生产的合格铁水的吨数,有效容积利用系数＝（一昼夜生铁产量/高炉容积，）t/m3d,3焦比及燃料比焦比冶炼每吨生铁消耗干焦的公斤数,,焦比＝干焦消耗量/生铁产量，kg/t,燃料比冶炼每吨生铁消耗干焦和喷吹燃料的总公斤数,燃料比＝（干焦消耗量喷吹燃料量）/生铁产量，kg/t,,高炉设计,4）冶炼强度每立方米有效容积，平均一昼夜燃烧的燃料量,冶炼强度（一昼夜燃烧的燃料量/高炉容积）,有效容积利用系数、焦比及冶炼强度之间存在以下的关系利用系数＝冶炼强度/燃料比）,5）燃烧强度为每平方米炉缸截面积上每昼夜﹙d﹚燃烧的干焦吨数,燃烧强度＝每昼夜燃烧的燃料量/炉缸断面积，t/（m2d）,,2.1.3铁矿石,高炉设计,1）铁矿石的分类炼铁生产使用的铁矿石中铁元素是以氧化物形态存在的。根据铁矿石中铁的氧化物的主要矿物形态，铁矿石分为赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿和菱铁矿等，各种铁矿石的主要特征列于下表。,,高炉设计,我国铁矿石的特点及问题解决我国已探明的铁矿资源中有两个极其不利的特点（1）矿石品位低，必须经过细磨细选才能获得较高品位的精矿（2）难冶炼的特殊矿石多,冶金难题的解决1）解决了低品位赤铁矿（无磁性的红矿）精选问题，达到了提铁降硅的目标，这样，使大片的鞍山和太原的尖山矿区的低品位的难选贫矿得到了良好的利用。2）钒钛磁铁矿高炉冶炼成功，使得诸如攀枝花矿、承德矿得到了充分的利用。在钒钛磁铁矿的高炉冶炼中，我们重点解决了渣铁畅的问题，因为在高炉高温强还原性气氛下，TiO2将被还原成熔点极高的TiC和TiN进入炉渣，使得炉渣变稠甚至不能流动，国外许多钒钛磁铁矿，都没有得到利用，我们30年前就解决了渣铁畅流和保证合格的生铁质量问题，直到现在，在国际上仍然属于先进水平。,2.1.4焦炭,高炉设计,作用,,1、在风口前燃烧，提供冶炼所需热量,2、为还原金属氧化物提供还原剂,3、在高温区，矿石软化熔融后，焦炭为炉内惟一以固态存在的物料，是支撑高达数十米料柱的骨架，同时又是风口前产生的煤气得以自下而上畅通流动的高透气性通路,4、铁水渗碳,我国冶金焦炭技术指标如右左所示,,高炉设计,2.2高炉精料入炉前的加工处理,这里指的料，不仅是铁矿石，还包括燃料。,精料的概念,,1、矿石的含铁品位要高，当前，我国先进高炉的入炉矿石品位已达到Tfe57～60还包含矿石入炉前的加工处理。焦炭和煤粉的含灰量和含硫量要低,2、具有足够高的强度（常温强度和还原强度）,3、良好的还原性能,高炉设计的工作内容,工作内容,原料场,合理的炉料结构以及人造富矿,整粒,,高炉设计的工作内容,1、原料场原料场的主要功能包括原料储存保证向高炉均衡供应原料，厂内必须有一定的原料储备；矿石混匀入炉原料成分稳定，即其成分的波动值很小，对改善高炉冶炼指标有很大的作用。为此，应在原料入厂后，对其进行中和、混匀处理。采用所谓“平铺切取”法。,2、合理的炉料结构以及人造富矿烧结矿和球团矿统称人造富矿。人造富矿的出现解决了精矿粉、富粉矿的利用问题,同时用人工手段改变矿石的冶炼性能,所以人造富矿优于天然富矿。在二十世纪八十年代世界炼铁原料中天然矿仅占27，人造富矿已高达73，进入二十一世纪，人造富矿的比例更高。,,,高炉设计的工作内容,3、整粒贯穿于从矿槽上料炉顶无料钟的设计中●矿、焦槽工艺设计的主要任务是储存一定量的矿石和焦炭，筛除烧结矿和焦炭粉末，配料称量，实现小粒度（10～25mm）焦的回收利用和烧结矿的分级入炉；原燃料及筛下物的运输；●碎焦回收设施目前已普遍采用回收10mm的筛下碎焦，与部分烧结矿混装入炉。据资料统计，与焦炭的置换率为1～1.1。●烧结矿分级入炉烧结矿分两种粒度分级入炉可以使入炉炉料粒度更加均匀，有利于改善炉料透气性。有利于延长高炉寿命及技术经济指标的改善。●高炉上料系统斜桥料车上料主胶带机上料无料钟炉顶,,高炉设计的工作内容,无料钟装料设备的优点,1.布料手段灵活，能实现环形、螺旋、扇形和定点四种布料方式。,2.由于采用小直径的密封阀密封，密封阀口上镶有高质量的硅胶圈，密封可靠，能保证高炉实现高压操作，最高压力可达0.25Mpa以上,3.维修方便，事故少，能提高高炉作业率,无料钟装料设备能使高炉生产达到节焦、增产和长寿的目的,,高炉设计的工作内容,无料钟炉顶有串罐和并罐两种,并罐无料钟示意图,串罐无料钟示意图,并罐式有两个罐可以互为备用，上料作业率较高，阀口过料少、磨损少,串罐式主要优点是布料均匀，不受两个口下料不均匀的影响。至于使用寿命，可以采用提高材料质量的措施来解决,,高炉设计,,2.3高炉炉体,中心课题延长高炉一代炉役寿命，建设一座高效长寿高炉,高冷炉却寿技命术的进延步长的，结是果,最早的高炉用耐火材料砌筑而没有冷却,70年代之后，软水密闭循环冷却技术，铁素体球墨铸铁冷却壁以及优质耐火材料得到广泛应用,90年代初期，炉身下部推广应用了铜冷却壁,,,,,高炉设计,●我国炼铁设计规范中对于高炉寿命提出的要求是一代炉役的设计寿命15年以上，一代炉龄产铁量超过10000t/m3。,●高炉寿命的薄弱环节是炉底、炉缸部位和炉身下部。,,高炉设计,炉底炉缸结构,能够适应高炉长寿要求的三类高炉结构,大块炭砖结构小块炭砖结构陶瓷杯结构,,炉底炉缸结构,高炉设计,1大块炭砖结构日本及我国的许多高炉都采用这种型式的炉底、炉缸结构。,,这种结构的特点是全面改善耐火材料质量，炉缸和炉底上部区域侧墙采用具有高导热率18kcal/mh℃的大块炭砖砌筑，而炉底部位用≥8kcal/mh℃的微孔或超微孔大块炭砖砌筑）。炉底上部用优质陶瓷质耐火材料砌筑。冷却型式炉底水冷；炉底和炉缸侧壁冷却壁或喷淋冷却。,炉底炉缸大块炭砖结构方案及其温度场,,高炉设计,炉底炉缸结构,2小块炭砖结构,,它的特点在于用热压小块炭砖取代炉缸和炉底上部区域侧墙的大块炭砖，以避免这一部位的炭砖出现环裂。其它部位的砌砖和冷却方式都是一样的。我国本钢、首钢和宝钢等都有采用这种结构型式的高炉。热压小块炭砖的供应商是UCAR。,炉底炉缸热压小块炭砖结构方案及其温度场,,3陶瓷杯结构陶瓷杯结构由法国人发明,高炉设计,炉底炉缸结构,,它的特点是在大块炭砖结构的基础上再在炉缸内部砌筑一层高质量的陶瓷质材料。这一结构的出发点是利用陶瓷质材料的低导热性能、将1150℃铁水凝固线及800870℃化学侵蚀线尽可能压往炉内，以防止大块炭砖的环裂。此外由于陶瓷质材料热阻大，有利于降低铁水的热损失。,炉底炉缸陶瓷杯结构方案及其温度场,,炉腹、炉腰和炉身下部结构,高炉设计,炉腹、炉腰和炉身的寿命不取决于耐火材料，而是取决于冷却设备长期可靠的工作，延长炉身下部寿命的根本出路在于建立一个在高炉冶炼条件下无过热的冷却体系。,无过热的冷却体系在高炉冶炼条件变化时，该冷却体系可以保证冷却设备的最高工况温度均不会超过它的允许使用温度。,,高炉设计,●二十世纪八十年代以前，我国高炉采用的工业水开路循环和普通灰冷却壁冷却系统远未达到无过热状态。●至20世纪末，我国许多高炉在这一部位采用了软水密闭循环冷却系统、球墨铸铁冷却壁和优质耐火材料，炉身寿命得到了相应的延长，但是也没有达到无过热状态。原因球墨铸铁冷却壁本体材料的导热系数低，水管表面的防渗碳涂层所形成的气隙层，使得冷却壁的整体热阻很大。这样便造成在高炉工作条件下本体温度较高。●自从德国MANGHH公司1979--1988年在HambornNo.4高炉试用铜冷却壁获得成功以后，人们发现铜冷却壁是一种在高炉冶炼条件下不会出现过热的冷却设备。它具有极高的工作可靠性。原因热阻小，工作温度低。轧制铜板的导热率高，其值380W/m℃。约比球墨铸铁高9.5倍。而且铜冷却壁不铸入水管，消除了气隙热阻。这样，便降低了冷却壁本体的温度和相应的温度应力，有利于形成能够保护冷却壁自身的渣皮。,炉腹、炉腰和炉身下部结构,,,高炉设计,炉腹、炉腰和炉身下部结构,首钢2号高炉铜冷却壁实际温度记录,但由于炉况波动出现渣皮脱落时，能在热面上迅速建立起新渣皮。首钢2号高炉的数据（下页图）表明，在铜冷却壁上渣皮重建的过程只不过20分钟左右的时间。,,,,高炉设计,炉腹、炉腰和炉身下部结构,首钢2号高炉铜冷却壁渣皮重建的过程,热承载能力大。根据计算，在高炉高温区域内，其热流密度达到500kW/m2,其最高温度也只有250℃。在此温度条件下，轧制铜板的金相组织没有相变，抗拉强度还维持在较高的水平上（＞80MPa）。,,高炉设计,我国高炉普遍采用的炉身下部结构有三种,（1）密集式布置的铜冷却板结构（2）铜冷却板与球墨铸铁冷却壁相结合的结构（3）铜冷却壁结构,,高炉设计,1密集式布置的铜冷却板结构荷兰HoogovensNo.7高炉，宝钢No.1、2高炉等用此结构。,,密集式布置的铜冷却板结构,,高炉设计,2铜冷却板与球墨铸铁冷却壁相结合的结构,,板壁水平相间布置形式,这种冷却结构在我院设计的高炉上应用是成功的，本钢No.4高炉1070m3唐钢No.3高炉2560m3、天铁No.4高炉720以及南钢No.5高炉350m3都获得了令人满意的效果。,,高炉设计,3铜冷却壁结构德国MAN、GHH是最早研制铜冷却壁的公司。最初研制的铜冷却壁采用轧制厚铜板钻孔焊接而成，含铜量大于99.95。1979年8月在蒂森HambornNo.4高炉的炉身下部试用。该高炉至1988年7月停炉。高炉在使用铜冷却壁的9年内共产生铁1422.7万吨。停炉后的测试表明，铜冷却壁的状态良好。冷却壁的肋高60mm在不同部位上仅侵蚀掉0～3mm不等。他们按铜冷却壁的侵蚀速率0.3mm/年推断，其使用寿命可达30～50年。随后他们又于1988年在RuhrotNo.6高炉的炉腰和炉身下部各试用了一块铜冷却壁。由于在高炉上采用铜冷却壁获得了令人满意的结果，目前已为各国炼铁界认可。90年代以来，为了大幅度延长高炉炉身寿命，铜冷却壁已得到推广应用。,,高炉设计,,2.4高风温长寿热风炉●有关热风炉的基本概念热风炉是高炉鼓风的加热装置。提高高炉鼓风温度可以获得良好的经济效益，它不仅可以降低高炉生产的燃料比，而且还可以提高喷煤量，应该特别指出的是这两方面的效益是可以兼得的。,我们目前的目标风温1250℃，寿命25～30年,热风炉的操作为2座燃烧，一座送风，轮流作业。,,高炉设计,我们目前的目标风温1250℃，寿命25～30年,●我们的风温目标是怎样确定的,两个技术问题,,,1、高温热量的供给,2、避免热风炉炉壳出现晶间应力腐蚀,,高炉设计,晶间应力腐蚀现象,出现条件,,1、高温下形成了NOX和SOX,2、钢壳在高应力的状态下工作,,高炉设计,●我们的技术对策困难高温热量的供给问题目标要用100的高炉煤气作为热风炉燃料，获得1200～1250℃高风温途径通过预热的途径，提高煤气和助燃空气的温度，以增加物理热来补偿化学热的不足目前的局限其中有许多问题需要解决，炼铁界的认识也极不统一，我们必须以传热学的理论知识，深入研究，掌握正确的技术方向,,高炉设计,●目前在设计中实施的两种办法1、辅助热风炉法用2个小热风炉去预热助燃空气优点该法预热温度高，保证主热风炉获得1250℃的高风温是没有问题的缺点（1）热风炉系统的热效率低（2）一次投资高（3）占地面积较大，在寸土如金的老热风炉上难于实施,,高炉设计,2、高废气温度综合预热法重点解决如下问题（1）强化热风炉的换热过程，减小拱顶温度与送风温度之间的差值（2）提高提高废气温度，对煤气和助燃空气进行预热，为热风炉提供必要的高温热源（3）建立能够适应高风温长寿热风炉要求的热风管道系统（4）建立功能完善的热风炉自动控制系统,,高炉设计,●关于热风炉的型式问题从热风炉内气流分布的角度出发，我的意见对于大型高炉来说，应该走德国人的路，即一座高炉配置3座外燃式热风炉。在德国，内容积大于2500M3高炉清一色配置了3座外燃式热风炉。但是，这一意见是不少人反对的。,,高炉设计,2.5富氧高风温喷煤高炉富氧鼓风始于上一世纪初，但是它在高炉上被广泛采用只是在往风口喷吹燃料技术发展起来之后。高炉喷吹燃料后，冶炼行程的突出变化是风口前燃烧带的温度降低和炉腹煤气量增加。按其影响程度来排序喷吹天然气最大；重油次之；煤粉最小。而富氧鼓风不仅强化了燃烧过程，提高了燃烧带温度，而且减少了炉腹煤气量，这样便有效地補偿了喷吹燃料给高炉行程带来的负面影响。因此，高炉在喷吹燃料的同时采用富氧鼓风将会得到更加良好的效果。,,高炉设计,高炉采用富氧鼓风给高炉生产带来以下好处1、提高生产效率，增加生铁产量；2、提高风口燃烧带的温度，增加喷煤量；3、提高高炉煤气发热值，有利于提高风温，由此又可以进一步提高喷煤量。,,三、熔融还原,能源介质煤和氧气主要产品铁水和热值较高的煤气已经投入工业试验或工业生产的流程有COREX,HISMELT,FINEX和ROMELT,,三、熔融还原,几种熔融还原流程简单概况,Corex和Romelt属于极端流程。Corex流程炉料的预还原率达到93，而二次燃烧率0，Romelt流程的炉料的预还原率为0，而二次燃烧率等于60～70，其它流程居于二者之间。,,三、熔融还原,3.1Corex流程（见图12）,,三、熔融还原,缺陷,（1）要求使用块状的含铁原料；（2）由于它为了减少操作的难度，采用了预还原度高（～93）的炉料进入熔融气化炉。这样它就要求有数量大（≥1700m3/thm）,氧化度低[（CO2H2O）/CO2H2OCOH2]＜5的煤气进入预还原炉。最终的输出煤气的发热值达～7500kJ/m3,过大的二次能源（～12GJ/thm）需要加于利用而使人感到烦恼。,,三、熔融还原,为了利用二次能源奥钢联提出了以下两个方案,●输出煤气发电方案●输出煤气生产海绵铁方案,,三、熔融还原,●输出煤气发电方案,,三、熔融还原,●输出煤气生产海绵铁方案,,三、熔融还原,3.2Romelt流程,Romelt流程是俄罗斯莫斯科钢铁学院Ромец教授提出的流程。1984年在Новолибицк钢铁厂第二转炉车间建成了一套30104t/a的试验装置。Romelt熔融还原流程的工艺流程示意图如下,,三、熔融还原,3.2Romelt流程,Romelt流程的特点●它所走的工艺路线与Corex相比，处于另一个极端，进入熔池的炉料预还原率为0，而二次燃烧率达到6070；●由此带来的是炉膛内的温度达1520℃，炉役寿命过短（75天）；●输出的煤气量大（2015m3/thm），发热值低（3320kJ/m3）,它只能以余热锅炉来回收这些煤气的物理热和化学热。对于30104t/a的装置需要装备200t/h的余热锅炉。,,,