1、第五章第五章 钢铁工业窑炉钢铁工业窑炉 第一节第一节 炼铁高炉炼铁高炉 高炉冶炼主要以铁矿石（天然富矿、烧结矿高炉冶炼主要以铁矿石（天然富矿、烧结矿和球团矿）为原料，以焦碳、煤粉、重油、天然和球团矿）为原料，以焦碳、煤粉、重油、天然气为燃料和还原剂，以石灰石为溶剂，在高炉中气为燃料和还原剂，以石灰石为溶剂，在高炉中通过燃料燃烧、氧化物中铁元素的还原以及非铁通过燃料燃烧、氧化物中铁元素的还原以及非铁元素造渣等一系列复杂的物理化学过程，生产元素造渣等一系列复杂的物理化学过程，生产主主要产品生铁，副产品是炉渣、煤气和一定量的炉要产品生铁，副产品是炉渣、煤气和一定量的炉尘尘(瓦斯灰瓦斯灰)。 宝钢高炉
2、全貌宝钢高炉全貌高炉本体送风系统渣铁系统 煤气系统高炉的五大系统高炉的五大系统高炉生产流程高炉生产流程1.储矿槽；2.焦仓；3.称量车；4.斜桥；5.放散阀；6.高炉；7.热风炉；8.除尘器；9.切断阀；10.洗涤塔；11.渣罐；12.铁水罐；13.基墩；14.基座l高炉生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂（石灰石），从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预热的空气。在高温下焦炭（有的高炉也喷吹煤粉、重油、天然气等辅助燃料）中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气，在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。炼出的铁水从铁口放出。铁矿石中未还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣，从渣口
3、排出。产生的煤气从炉顶排出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。 高炉炼铁的原料高炉炼铁的原料 （1） 铁矿石：（一般为赤铁矿、磁铁矿）提铁矿石：（一般为赤铁矿、磁铁矿）提供铁元素。供铁元素。 （2） 焦炭：提供热量；提供还原剂；作料柱焦炭：提供热量；提供还原剂；作料柱的骨架。的骨架。 （3）熔剂：（石灰石、）熔剂：（石灰石、白云石白云石、萤石）、萤石） ，使，使炉渣熔化为液体；炉渣熔化为液体； 去除有害元素硫（去除有害元素硫（S）、除去）、除去杂质。杂质。 （4）空气：为焦碳燃烧提供氧、提供热量。）空气：为焦碳燃烧提供氧、提供热量。铁矿全景图铁矿全景图鞍矿公司眼前山铁矿鞍矿公司
4、眼前山铁矿鞍矿公司东鞍山铁矿鞍矿公司东鞍山铁矿各类铁矿石图各类铁矿石图赤铁矿赤铁矿磁铁矿磁铁矿菱铁矿菱铁矿褐铁矿褐铁矿磁铁矿化学式为Fe3O4，结构致密，晶粒细小，黑色条痕。具有强磁性，含S、P较高，还原性差。赤铁矿化学式为Fe2O3，条痕为樱红色，具有弱磁性。含S、P较低，易破碎、易还原。褐铁矿是含结晶水的氧化铁，呈褐色条痕，还原性好，化学式为nFe2O3mH2O(n= 13，m=14)。褐铁矿中绝大部分含铁矿物是以2Fe2O33H2O的形式存在的。菱铁矿化学式为FeC03，颜色为灰色带黄褐色。菱铁矿经过焙烧，分解出C02气体，含铁量即提高，矿石也变得疏松多孔，易破碎，还原性好。其含S低，含
5、P较高。上料皮带上料皮带炉顶布料炉顶布料称量料斗称量料斗热风炉热风炉送风系统送风系统高炉本体平台构成高炉本体平台构成 高炉本体包括高炉高炉本体包括高炉基础、钢结构、炉衬、基础、钢结构、炉衬、冷却装置，而高炉本体冷却装置，而高炉本体设计是最为关键的部分。设计是最为关键的部分。所谓五段式结构，自高所谓五段式结构，自高炉底部死铁层以上的部炉底部死铁层以上的部位，依次为位，依次为炉缸、炉腹、炉缸、炉腹、炉腰、炉身、炉喉炉腰、炉身、炉喉。 一、高炉本体五段式结构 1.1.高炉有效容积和有效高度高炉有效容积和有效高度 我国习惯地规定我国习惯地规定: : 有效容积有效容积Vu 100mVu 620mVu62
6、0m3 3，为大型，为大型高炉。高炉。 高炉的有效高度，对高炉内煤气和炉料之间的传高炉的有效高度，对高炉内煤气和炉料之间的传热过程有重大影响。有效高度增加，煤气流速与炉料热过程有重大影响。有效高度增加，煤气流速与炉料接触机会增加，有利于传热传质，降低能耗。但太高接触机会增加，有利于传热传质，降低能耗。但太高会形成料拱，对炉料下降不利。会形成料拱，对炉料下降不利。一、高炉本体五段式结构一、高炉本体五段式结构l高炉有效容积利用系数式中 每立方米高炉有效容积在一昼夜内生产铁的吨数；P高炉一昼夜生产的合格生铁； 高炉有效容积，指炉缸、炉腹、炉腰、炉身、炉喉五段之和。高炉有效容积利用系数是衡量高炉生产强
7、化程度的指标。越高，高炉生产率越高，每天所产生铁越多。目前我国高炉有效容积利用系数为(1.82.5)t(m3d)，高的可达3.0t(m3d)以上。高炉有效容积利用系数高炉有效容积利用系数 2. 炉缸炉缸 指高炉炉型下部圆筒部分。它的上中下部分分别装指高炉炉型下部圆筒部分。它的上中下部分分别装有风口，渣口，铁口。炉缸下部容积盛装有液态的渣有风口，渣口，铁口。炉缸下部容积盛装有液态的渣铁，上部空间为风口燃烧带。风口的数目主要取决于铁，上部空间为风口燃烧带。风口的数目主要取决于炉容大小，与炉缸直径成正比，还与冶炼强度有关。炉容大小，与炉缸直径成正比，还与冶炼强度有关。其数目其数目n的确定可参照如下公
8、式：的确定可参照如下公式： n = 2( d + 1 ) 中小型高炉中小型高炉 n = 2( d + 2 ) 大型高炉大型高炉 n = 3d 巨型高炉（巨型高炉（4000m3以上）以上） 式中式中d为炉缸直径，为炉缸直径，m。 3. 3. 炉腹炉腹 位于炉缸上部，呈倒截圆锥形。炉腹的形状适位于炉缸上部，呈倒截圆锥形。炉腹的形状适应该部位炉料已熔化滴落而引起的物料体积的收缩，应该部位炉料已熔化滴落而引起的物料体积的收缩，稳定下料速度。由于燃烧带产生的煤气是鼓风量的稳定下料速度。由于燃烧带产生的煤气是鼓风量的1.4倍，理论燃烧温度可达倍，理论燃烧温度可达1800-2000度，气体激烈度，气体激烈膨
9、胀，炉腹的存在适应这一变化。膨胀，炉腹的存在适应这一变化。 4. 炉腰炉腰 炉腹上部的圆形空间为炉腰，是高炉炉型直径最炉腹上部的圆形空间为炉腰，是高炉炉型直径最大部位。它是冶炼的软熔带，炉料的透气性变差，大部位。它是冶炼的软熔带，炉料的透气性变差，炉腰的存在扩大了该部位的横向空间，改善了通气炉腰的存在扩大了该部位的横向空间，改善了通气条件。因此，当冶炼渣量大时，应适当扩大直径。条件。因此，当冶炼渣量大时，应适当扩大直径。 在炉型结构上，炉腰起承上启下的作用，使得炉在炉型结构上，炉腰起承上启下的作用，使得炉腹向炉身过渡来的平缓，减少死角。高度一般取腹向炉身过渡来的平缓，减少死角。高度一般取13
10、m之间。之间。炉腰直径与炉缸、炉腹角、炉腹高度有关。炉腰直径与炉缸、炉腹角、炉腹高度有关。 5. 炉身炉身 呈正截圆锥形向下扩张，以适应于炉料向下运呈正截圆锥形向下扩张，以适应于炉料向下运动，因温度升高所产生体积的膨胀，有利于减小炉动，因温度升高所产生体积的膨胀，有利于减小炉料下降的摩擦阻力，避免形成料拱。炉身高度占高料下降的摩擦阻力，避免形成料拱。炉身高度占高炉有效高度的炉有效高度的5060%，保障了煤气与炉料之间传热，保障了煤气与炉料之间传热和传质过程的进行。和传质过程的进行。 6. 炉喉炉喉 呈圆柱型，它的作用是承接炉料，稳定料呈圆柱型，它的作用是承接炉料，稳定料面，保证炉料合理分布。炉
11、喉直径与炉腰直径面，保证炉料合理分布。炉喉直径与炉腰直径之比应在之比应在0.640.73之间。炉喉之上部位是炉之间。炉喉之上部位是炉顶装料装置。顶装料装置。 二、高炉冶炼工作原理二、高炉冶炼工作原理l高炉冶炼过程是一系列复杂的物理化学过程的总和。高炉冶炼过程是一系列复杂的物理化学过程的总和。有炉料的挥发与分解，铁氧化物和其他物质的还原，有炉料的挥发与分解，铁氧化物和其他物质的还原，生铁与炉渣的形成，燃料燃烧，热交换和炉料与煤气生铁与炉渣的形成，燃料燃烧，热交换和炉料与煤气运动等。这些过程不是单独进行的，而是在相互制约运动等。这些过程不是单独进行的，而是在相互制约下数个过程同时进行的。基本过程是
12、燃料在炉缸风口下数个过程同时进行的。基本过程是燃料在炉缸风口前燃烧形成高温还原煤气，煤气不停地向上运动，与前燃烧形成高温还原煤气，煤气不停地向上运动，与不断下降的炉料相互作用，其温度、数量和化学成分不断下降的炉料相互作用，其温度、数量和化学成分逐渐发生变化，最后从炉顶逸出炉外。炉料在不断下逐渐发生变化，最后从炉顶逸出炉外。炉料在不断下降过程中，由于受到高温还原煤气的加热和化学作用，降过程中，由于受到高温还原煤气的加热和化学作用，其物理形态和化学成分逐渐发生变化，最后在炉缸里其物理形态和化学成分逐渐发生变化，最后在炉缸里形成液态渣铁，从渣铁口排出炉外。形成液态渣铁，从渣铁口排出炉外。 二、高炉冶
13、炼工作原理二、高炉冶炼工作原理（一）高炉还原过程（一）高炉还原过程（二）造渣与脱（二）造渣与脱S（三）风口前（三）风口前C的燃烧的燃烧（四）炉料与煤气运动（四）炉料与煤气运动（一）高炉还原过程（一）高炉还原过程 1.高炉炉内状况高炉炉内状况 （1）块状带）块状带 矿焦保持装料时的分层状态，与布料形式及粒度有矿焦保持装料时的分层状态，与布料形式及粒度有关，约占关，约占BF(Blast furnace)总体积总体积60%,温度温度2001100 主要反应：水分蒸发；结晶水分解；除主要反应：水分蒸发；结晶水分解；除CaCO3外的其外的其它它MCO3分解；间接还原；碳素沉积反应（分解；间接还原；碳素沉
14、积反应（2CO=C+CO2） （2）软熔带）软熔带 矿石层开始熔化与焦碳层交互排列，焦碳层也称矿石层开始熔化与焦碳层交互排列，焦碳层也称“焦焦窗窗”。软熔带的形状和位置对高炉内的热交换，还原过程。软熔带的形状和位置对高炉内的热交换，还原过程和透气性有着极大的影响。和透气性有着极大的影响。 主要反应：主要反应：Fe的直接还原；的直接还原；Fe的渗碳的渗碳 ；CaCO3分解；分解；吸收吸收S；贝波反应：；贝波反应：C+CO2=2CO（3）滴落带）滴落带 主要由焦碳床组成，熔融状态的渣铁穿越焦碳床。主要由焦碳床组成，熔融状态的渣铁穿越焦碳床。 主要反应：主要反应：Fe、Mn、Si、P、Cr的直接还原
15、。的直接还原。（4）回旋区）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（量发源地（C的不完全燃烧），高炉唯一的氧化区域。的不完全燃烧），高炉唯一的氧化区域。 主要反应：主要反应：C+O2=CO2 CO2+C=2CO（5）炉缸区）炉缸区 渣铁分层存在，焦碳浸泡其中。渣铁分层存在，焦碳浸泡其中。 主要反应：渣铁间脱主要反应：渣铁间脱S，Si、Mn等元素还原。等元素还原。2.铁的间接还原与直接还原铁的间接还原与直接还原当温度小于570时，按Fe203Fe304Fe的顺序还原。当温度大于570时，按Fe203Fe304Fe0Fe的顺序还原
16、。引：基本概念(1)还原反应还原反应的通式为MeOX=Me+X0。还原反应是还原剂X夺取金属氧化物Me0中的氧，使之变为金属或该金属低价氧化物的反应。高炉炼铁常用的还原剂主要有C0、H2和固体碳。(2)铁氧化物的还原顺序氧化物的分解顺序是由高级向低级逐渐转化的，还原顺序与分解顺序相同，遵循逐级还原的原则，从高级氧化物逐级还原到低级氧化物，最后获得单质。因此，铁氧化物的还原顺序为：2.铁的间接还原与直接还原铁的间接还原与直接还原（1）间接还原：用）间接还原：用CO、H2为还原剂还原铁的氧化物。为还原剂还原铁的氧化物。l矿石从炉顶入炉后，在温度未超过矿石从炉顶入炉后，在温度未超过9001000时，
17、铁氧化物中时，铁氧化物中的氧是被煤气中的的氧是被煤气中的CO和和H2夺取而产生夺取而产生C02和和H20的。这种还原的。这种还原不直接用焦炭中碳素作还原剂，所以叫间接还原。不直接用焦炭中碳素作还原剂，所以叫间接还原。l当温度大于当温度大于570时，用时，用C0作还原剂。作还原剂。l当温度大于当温度大于570时，用时，用H2作还原剂作还原剂l用用C0作还原剂的还原反应主要在高炉内小于作还原剂的还原反应主要在高炉内小于800的区域进行；的区域进行；用用H2作还原剂的还原反应主要在高炉内作还原剂的还原反应主要在高炉内8001100的区域进行。的区域进行。2.铁的间接还原与直接还原铁的间接还原与直接还
18、原（2）直接还原：）直接还原： 特点：强吸热反应，反应不可逆特点：强吸热反应，反应不可逆 用固体碳还原铁氧化物，生成用固体碳还原铁氧化物，生成C0的还原反应叫铁的直接还原。的还原反应叫铁的直接还原。由于矿石在炉内下降过程中，先进行间接还原，残留的铁氧化物由于矿石在炉内下降过程中，先进行间接还原，残留的铁氧化物主要以主要以FeO形式存在，因此在高炉内具有实际意义的只有形式存在，因此在高炉内具有实际意义的只有FeO+C=Fe+C0的反应。由于固体碳与铁氧化物进行固相反应，的反应。由于固体碳与铁氧化物进行固相反应，接触面很小，直接进行反应受到很大限制，所以通常认为直接还接触面很小，直接进行反应受到很
19、大限制，所以通常认为直接还原要通过气相进行反应，其反应过程如下：原要通过气相进行反应，其反应过程如下： 在上述反应中，虽然在上述反应中，虽然Fe0仍是与仍是与C0反应，但气体产物反应，但气体产物C02在在高炉下部高温区几乎高炉下部高温区几乎100和碳发生气化反应，最终结果是直接和碳发生气化反应，最终结果是直接消耗了碳素。消耗了碳素。CO只是从中起到了一个传递氧的作用。正因为碳只是从中起到了一个传递氧的作用。正因为碳的气化反应的存在和发展，使高炉内出现了间接还原和直接还原的气化反应的存在和发展，使高炉内出现了间接还原和直接还原两种方式。两种方式。如左图所示，直接还原如左图所示，直接还原一般在大于
20、一般在大于1100的区域进行，的区域进行，8001100区域为直接区域为直接还原与间接还原同还原与间接还原同时 存 在 区 ， 低 于时 存 在 区 ， 低 于800的区域是间接的区域是间接还原区。还原区。直接还原和间接还原区域分布低于800区域；800-1100区域；高于1100区域直接还原和间接还原区域分布低于800区域；800-1100区域；高于1100区域2.铁的间接还原与直接还原铁的间接还原与直接还原（3）直接还原与间接还原的比较直接还原与间接还原的比较 lA.铁的直接还原度巴甫洛夫假定，铁矿石在高炉内全部以间接还原的形式还原至Fe0，从Fe0开始以直接还原的形式还原的铁量与还原出来
21、的总铁量之比，称为铁的直接还原度，记作d。lB.直接还原与直接还原的比较间接还原以气体为还原剂，是一个可逆反应，还原剂不能全部利用，需要有一定过量的还原剂。直接还原与间接还原相反，由于反应生成物CO随煤气离开反应面，而高炉内存在大量焦炭，所以可以认为直接还原反应是不可逆反应，1mol碳就可以夺取铁氧化物中1mol的氧原子，不需过量的还原剂。因此，从还原剂需要量角度看，直接还原比间接还原更能有利于降低焦比。间接还原大部分是放热反应，而直接还原是大量吸热的反应。由于高炉内热量收入主要来源于碳素燃烧，所以从热量的需要角度看，间接还原比直接还原更能有利于降低焦比。焦比焦比(K)和燃料比和燃料比(Kf)
22、K=Q/P 式中K 生产一吨生铁消耗的焦炭量；Q高炉一昼夜消耗的干焦量;P高炉一昼夜生产的合格生铁；Kf=Qf/P 式中 Kf冶炼一吨生铁消耗的焦炭和喷吹燃料的数量之和；Qf高炉一昼夜消耗的干焦量和喷吹燃料之和。l如果只计算某种喷吹燃料的消耗，则分别表示煤比(M每吨生铁消耗的煤粉量)、油比(Y每吨生铁消耗的重油量)等。l焦比和燃料比是衡量高炉物资消耗，特别是能耗的重要指标，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450kgt，燃料比小于550kgt。 先进高炉焦比已小于400kgt，燃料比约450kgt。将燃料也折合成焦炭计算出的总
23、焦炭量为综合焦比。2.铁的间接还原与直接还原铁的间接还原与直接还原（3）直接还原与间接还原的比较直接还原与间接还原的比较 l通过上述两方面的比较可以看到：高炉内全部直接还通过上述两方面的比较可以看到：高炉内全部直接还原原(d=1)行程和全部间接还原行程和全部间接还原(d=0)行程都不是高炉行程都不是高炉的理想行程。只有直接还原与间接还原在适宜的比例的理想行程。只有直接还原与间接还原在适宜的比例范围内，维持适宜的范围内，维持适宜的d，才能降低焦比，取得最佳效，才能降低焦比，取得最佳效果。果。 这一适宜的这一适宜的d为为0203，而高炉实际操作，而高炉实际操作中的，中的，d常在常在0405之间，有
24、的甚至更高，均大之间，有的甚至更高，均大于适宜的于适宜的d。所以，高炉炼铁工作者的奋斗目标，仍。所以，高炉炼铁工作者的奋斗目标，仍然是降低然是降低d，这是降低焦比的重要内容。，这是降低焦比的重要内容。发展间接还原，降低发展间接还原，降低d，降低焦比的基本途径是：，降低焦比的基本途径是：l改善矿石的还原性，控制高炉煤气的合理分布，采用改善矿石的还原性，控制高炉煤气的合理分布，采用氧煤强化冶炼新工艺。降低单位生铁的热量消耗的措氧煤强化冶炼新工艺。降低单位生铁的热量消耗的措施有：施有：l提高风温，提高矿石品位，使用自熔性或熔剂性烧结提高风温，提高矿石品位，使用自熔性或熔剂性烧结矿，减小外部热损失，降
25、低焦炭灰分等。矿，减小外部热损失，降低焦炭灰分等。铁矿石的还原示意图铁矿石的还原示意图3.非铁元素的还原非铁元素的还原（1）Mn的还原：的还原：锰是高炉冶炼经常遇到的金属，是贵重金属元素。锰是高炉冶炼经常遇到的金属，是贵重金属元素。高炉内的锰由锰矿带入，有的铁矿石中也含有少量的锰。高炉内的锰由锰矿带入，有的铁矿石中也含有少量的锰。 MnO2（550间接还原）间接还原）Mn2O3（1100 间接还原）间接还原）Mn3O4（1000 间接还原）间接还原） MnO（1200 直接还原）直接还原）Mn 其中从其中从Mn02到到Mn0可通过间接还原进行还原反应，而可通过间接还原进行还原反应，而Mn0是相
26、当稳定的是相当稳定的化合物，分解压力比化合物，分解压力比Fe0小得多。所以，在高炉内小得多。所以，在高炉内Mn不可能由间接还不可能由间接还原获得，只能靠直接还原取得。原获得，只能靠直接还原取得。Mn0开始直接还原的温度约在开始直接还原的温度约在1100-1200之间，此时之间，此时Mn0已与脉石组成硅酸盐初渣，故已与脉石组成硅酸盐初渣，故Mn是在液态初渣是在液态初渣中由中由Mn0以直接还原形式还原而得：以直接还原形式还原而得：还原出来的锰可溶于生铁或生成还原出来的锰可溶于生铁或生成Mn3C溶于生铁。冶炼普通生铁时，有溶于生铁。冶炼普通生铁时，有4060的锰进入生铁，的锰进入生铁，5l0的锰挥发
27、进入煤气，其余进入炉渣。的锰挥发进入煤气，其余进入炉渣。 （2）Si的还原的还原生铁中的硅主要来源于矿石和焦炭灰分中的生铁中的硅主要来源于矿石和焦炭灰分中的Si02，Si02是稳定的化合物，是稳定的化合物，它的生成热大，分解压小，比它的生成热大，分解压小，比Fe、Mn难还原。硅的还原只能在高炉下难还原。硅的还原只能在高炉下部高温区部高温区(1300以上以上)以直接还原的形式进行：以直接还原的形式进行：l由于由于Si02在还原时要吸收大量热量，所以硅在高炉内只有少量被在还原时要吸收大量热量，所以硅在高炉内只有少量被还原。还原出来的硅可溶于生铁或生成还原。还原出来的硅可溶于生铁或生成FeSi再溶于
28、生铁。较高的再溶于生铁。较高的炉温和较低的炉渣碱度有利于硅的还原，以便获得含硅较高的铸炉温和较低的炉渣碱度有利于硅的还原，以便获得含硅较高的铸造生铁。造生铁。l由于硅的还原与炉温密切相关，所以铁水中的含硅量可作为衡量由于硅的还原与炉温密切相关，所以铁水中的含硅量可作为衡量炉温水平的标志炉温水平的标志。 生铁中生铁中Si的要求：制钢铁的要求：制钢铁Si0.6；铸造铁；铸造铁1.25Si4.25 Si 还原的特点：大量吸热；全部直接还原还原的特点：大量吸热；全部直接还原 Si 还原的途径：还原的途径： 气化还原：气化还原： SiO2+C=SiO+CO SiO+C=Si+CO 渣铁反应渣铁反应： S
29、iO2+2C=Si+2CO（3）磷的还原）磷的还原l炉料中的磷以磷酸钙炉料中的磷以磷酸钙(CaO)3P205的形态存在，有时也的形态存在，有时也以磷酸铁以磷酸铁(FeO)3P2058H20的形态存在。磷酸铁又称的形态存在。磷酸铁又称蓝铁矿，蓝铁矿的结晶水分解后，形成多微孔的结构较蓝铁矿，蓝铁矿的结晶水分解后，形成多微孔的结构较易还原，反应式为：易还原，反应式为：l磷酸钙是很稳定的化合物，它在高炉内首先进入炉渣。磷酸钙是很稳定的化合物，它在高炉内首先进入炉渣。在在11001300时用碳作还原剂还原磷，其还原率能达时用碳作还原剂还原磷，其还原率能达60；当有；当有Si02存在时，可以加速磷的还原：
30、存在时，可以加速磷的还原：l磷虽难还原，反应吸热量大，但在高炉冶炼条件下，全磷虽难还原，反应吸热量大，但在高炉冶炼条件下，全部被还原以部被还原以Fe2P形态溶于生铁。因此，降低生铁中的含形态溶于生铁。因此，降低生铁中的含磷量的唯一途径是控制炉料中的含磷量。磷量的唯一途径是控制炉料中的含磷量。（4）铅、锌、砷的还原）铅、锌、砷的还原l我国的一些铁矿石含有铅、锌、砷等元素，这我国的一些铁矿石含有铅、锌、砷等元素，这些元素在高炉冶炼条件下易被还原。些元素在高炉冶炼条件下易被还原。l还原出来的铅，不溶于铁，而且因密度大于铁还原出来的铅，不溶于铁，而且因密度大于铁易沉积于炉底，渗入砖缝，破坏炉底；部分铅
31、易沉积于炉底，渗入砖缝，破坏炉底；部分铅在高炉内易挥发上升，遇到在高炉内易挥发上升，遇到C02和和H20将被氧将被氧化，随炉料一起下降时又被还原，在炉内循环。化，随炉料一起下降时又被还原，在炉内循环。l还原出来的锌，在炉内挥发、氧化、体积增大还原出来的锌，在炉内挥发、氧化、体积增大使炉墙破坏，或凝附于炉墙形成炉瘤。使炉墙破坏，或凝附于炉墙形成炉瘤。l还原出来的砷，与铁化合影响钢铁性能，使钢还原出来的砷，与铁化合影响钢铁性能，使钢冷脆，焊接性能大大降低。冷脆，焊接性能大大降低。（二）造渣与脱（二）造渣与脱S 高炉生产过程中，铁矿石中的铁氧化物还原出金属铁；铁矿石中的脉石和焦炭高炉生产过程中，铁矿
32、石中的铁氧化物还原出金属铁；铁矿石中的脉石和焦炭(燃燃料料)中的灰分等与熔剂相互作用生成低熔点的化合物，形成非金属的液相，即中的灰分等与熔剂相互作用生成低熔点的化合物，形成非金属的液相，即为炉渣。为炉渣。 1.造渣的概念造渣的概念 根据脉石、焦碳灰份组成及数量，选择适当的熔剂，形成具有一定性能的根据脉石、焦碳灰份组成及数量，选择适当的熔剂，形成具有一定性能的炉渣。炉渣。2高炉渣的作用高炉渣的作用炉渣对生铁的产量和质量有极其重要的影响。炉渣的具体作用如下：炉渣对生铁的产量和质量有极其重要的影响。炉渣的具体作用如下：l1)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；炉渣与生
33、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；l2)渣铁之间进行合金元素的还原及脱硫反应，炉渣起调整成分的作用；渣铁之间进行合金元素的还原及脱硫反应，炉渣起调整成分的作用；l3)炉渣对高炉炉况顺行、炉缸热制度以及炉龄等方面也有很大影响。炉渣对高炉炉况顺行、炉缸热制度以及炉龄等方面也有很大影响。炉渣的上述作用是由炉渣的物理性能决定的，炉渣的上述作用是由炉渣的物理性能决定的， 其物理性能包括：炉渣的黏度，炉其物理性能包括：炉渣的黏度，炉渣的熔化性和稳定性等，它们由炉渣的化学成分决定。渣的熔化性和稳定性等，它们由炉渣的化学成分决定。 加入高炉内的炉料，与煤气接触，将发生如下变化：加入高
34、炉内的炉料，与煤气接触，将发生如下变化：l1)焦炭在风口以上保持固态，直到风口处才完全燃烧，焦炭在风口以上保持固态，直到风口处才完全燃烧，灰分进入炉渣。焦炭是料柱的骨架，对炉内透气性影灰分进入炉渣。焦炭是料柱的骨架，对炉内透气性影响很大。响很大。l2)石灰石在下降过程中，受热后逐渐分解，到石灰石在下降过程中，受热后逐渐分解，到1000以上的区域分解完毕。分解生成的以上的区域分解完毕。分解生成的Ca0由于与矿石中由于与矿石中脉石接触不良，故初渣中脉石接触不良，故初渣中Ca0很少，只有在滴落带，很少，只有在滴落带，大量初渣流过其表面时，才被溶解，参与造渣。大量初渣流过其表面时，才被溶解，参与造渣。
35、l3)矿石在下降过程中，经历了块状带、软熔带、滴落矿石在下降过程中，经历了块状带、软熔带、滴落带、风口带、渣铁带。矿石的软化是由于在块状带固带、风口带、渣铁带。矿石的软化是由于在块状带固相反应生成了低熔点的化合物，此时半熔融的含有很相反应生成了低熔点的化合物，此时半熔融的含有很多已还原的铁的多已还原的铁的“冰柱冰柱”沿焦炭缝隙流下，炉渣从冰沿焦炭缝隙流下，炉渣从冰柱中分离出来，为柱中分离出来，为初渣初渣。分离出来的初渣是自然碱度。分离出来的初渣是自然碱度。随后渣中随后渣中(FeO)不断还原进入铁中，至滴落带，炉渣以不断还原进入铁中，至滴落带，炉渣以滴状下落，渣中滴状下落，渣中Fe0已降到已降到
36、23，当温度达，当温度达1400以上时，金属铁由于渗碳而熔点降低，也以滴以上时，金属铁由于渗碳而熔点降低，也以滴状下落。状下落。 2.造渣过程造渣过程l滴落的初渣成分不断变化，初渣开始是自滴落的初渣成分不断变化，初渣开始是自然碱度，以后随着然碱度，以后随着SiO2的还原，石灰石渣的还原，石灰石渣化并加入焦炭灰分，经过碱度波动之后形化并加入焦炭灰分，经过碱度波动之后形成成终渣终渣。主要成分（主要成分（SiO2）+（Al2O3）+（CaO）+（MgO）95%，（，（FeO）1%l成渣过程中，软熔带对炉内料柱透气性影成渣过程中，软熔带对炉内料柱透气性影响很大，习惯上把这一带叫响很大，习惯上把这一带叫
37、成渣带成渣带，成渣，成渣带的厚薄、位置的高低和波动对高炉冶炼带的厚薄、位置的高低和波动对高炉冶炼有很重要的影响。有很重要的影响。 2.造渣过程造渣过程l硫是影响钢铁质量的重要因素，高炉中的硫来自矿石、硫是影响钢铁质量的重要因素，高炉中的硫来自矿石、焦炭和喷吹燃料，使用天然矿石冶炼时，熔剂也会带入焦炭和喷吹燃料，使用天然矿石冶炼时，熔剂也会带入少量的硫。炉料中焦炭带入的硫最多，占少量的硫。炉料中焦炭带入的硫最多，占7080。冶炼每吨生铁由炉料带入的总硫量称冶炼每吨生铁由炉料带入的总硫量称硫负荷硫负荷。炉料带入。炉料带入高炉内部的硫在冶炼过程中又全部转入炉渣、生铁、煤高炉内部的硫在冶炼过程中又全部
38、转入炉渣、生铁、煤气中。气中。l渣中含硫量与铁中含硫量之比称为硫的渣中含硫量与铁中含硫量之比称为硫的分配系数分配系数。由此可以看出，欲得到低硫生铁应采取如下措施：由此可以看出，欲得到低硫生铁应采取如下措施：l降低硫负荷；增大硫的挥发量：加大渣量；增大硫的分降低硫负荷；增大硫的挥发量：加大渣量；增大硫的分配系数。配系数。l由于实际生产中，一定的原料条件由于实际生产中，一定的原料条件“每公斤铁由炉料带每公斤铁由炉料带入的总硫量入的总硫量”变化不大，且不提倡大渣量操作，而气化变化不大，且不提倡大渣量操作，而气化去硫也仅占很少一部分。所以欲得到低去硫也仅占很少一部分。所以欲得到低S生铁，生铁，只有提只
39、有提高炉渣的去硫能力。高炉渣的去硫能力。3.脱脱S3.脱脱S （1）炉渣脱）炉渣脱S基本反应：基本反应： FeS+CaO=CaS+FeO (FeO)+C=Fe+CO-Q总的脱硫反应可写成：总的脱硫反应可写成： FeS+(CaO)+C=(CaS)+Fe+CO-Q从上述脱硫反应式可以看到，要提高炉渣的脱硫能力必须从上述脱硫反应式可以看到，要提高炉渣的脱硫能力必须具备以下条件：具备以下条件：l1)适当高的炉渣碱度。碱度高则适当高的炉渣碱度。碱度高则Ca0多，对脱硫有利。多，对脱硫有利。l2)要有足够的炉温。脱硫反应是吸热反应，温度高，则要有足够的炉温。脱硫反应是吸热反应，温度高，则有利于反应的进行。
40、有利于反应的进行。l3)黏度小。可使生成物黏度小。可使生成物CaS很快脱离反应的接触面，降很快脱离反应的接触面，降低低(CaS)的浓度，促进反应的进行。的浓度，促进反应的进行。l4）还原气氛）还原气氛3.脱脱S （2）炉外脱硫）炉外脱硫l当炉料中含硫较高时，若操作不当，难免有时生铁含当炉料中含硫较高时，若操作不当，难免有时生铁含硫超过规定标准，此时，可采用炉外脱硫的办法，以硫超过规定标准，此时，可采用炉外脱硫的办法，以保证生铁的质量。目前高炉常用的炉外脱硫剂是苏打保证生铁的质量。目前高炉常用的炉外脱硫剂是苏打粉粉(Na2CO3)。出铁时，用占铁水质量。出铁时，用占铁水质量l的苏打粉加入的苏打粉
41、加入铁水罐，脱硫效率可达铁水罐，脱硫效率可达7080或更高。反应式为：或更高。反应式为：lNa2CO3+FeS=Na2S+FeO+CO2-Ql此外，炉外脱硫剂还有石灰、白云石、电石、复合脱此外，炉外脱硫剂还有石灰、白云石、电石、复合脱硫剂等。为了满足炼钢对铁水的要求，也可采用铁水硫剂等。为了满足炼钢对铁水的要求，也可采用铁水预处理技术。预处理技术。l实际生产中，如果选择合理的操作制度，保证充沛的实际生产中，如果选择合理的操作制度，保证充沛的炉温，生铁的含硫量是可以控制的。因为炉料中的硫炉温，生铁的含硫量是可以控制的。因为炉料中的硫大部分是由焦炭带入的，所以降低焦比是控制入炉硫大部分是由焦炭带入
42、的，所以降低焦比是控制入炉硫量，保证生铁质量的有效措施。量，保证生铁质量的有效措施。l（三）风口前（三）风口前C的燃烧的燃烧焦炭是高炉炼铁的主要燃料。随着喷吹技术的发焦炭是高炉炼铁的主要燃料。随着喷吹技术的发展，煤、重油、天然气等已代替部分焦炭作为高展，煤、重油、天然气等已代替部分焦炭作为高炉燃料使用。焦炭中的碳除部分参加直接还原。炉燃料使用。焦炭中的碳除部分参加直接还原。进入生铁和少量与进入生铁和少量与H2反应生成反应生成CH4之外，有之外，有70以上在风口前燃烧，高炉炉缸内的燃烧反应与一以上在风口前燃烧，高炉炉缸内的燃烧反应与一般的燃烧反应不同，它是在充满焦炭的环境中进般的燃烧反应不同，它
43、是在充满焦炭的环境中进行，即空气量一定而焦炭过剩的条件下进行的。行，即空气量一定而焦炭过剩的条件下进行的。1、燃烧反应的机理一般认为分两步进行：、燃烧反应的机理一般认为分两步进行：l所以，风口前碳素的燃烧只能是不完全燃所以，风口前碳素的燃烧只能是不完全燃烧，生成烧，生成C0并放出热量并放出热量 （三）风口前（三）风口前C的燃烧的燃烧由于鼓风中总含有一定的水蒸气，灼热的由于鼓风中总含有一定的水蒸气，灼热的C与与H20发生下列反应：发生下列反应：lC+H20=CO+H2 124390kJl因此，实际生产中的条件下，风口前碳素因此，实际生产中的条件下，风口前碳素燃烧的最终产物由燃烧的最终产物由C0、
44、H2、N2组成组成2燃烧反应的作用燃烧反应的作用风口前碳素燃烧反应是高炉内最重要的反应风口前碳素燃烧反应是高炉内最重要的反应之一，燃烧反应有以下几方面作用：之一，燃烧反应有以下几方面作用：l1)为高炉冶炼过程提供主要热源；为高炉冶炼过程提供主要热源；l2)为还原反应提供为还原反应提供C0、H2等还原剂；等还原剂；l3)为炉料下降提供必要的空间。为炉料下降提供必要的空间。（三）风口前碳的燃烧风口前碳的燃烧l当鼓风以很高的速度(100200ms)从风口鼓入高炉时，具备足够的动能吹动风口前端的焦炭块，形成一个比较疏松的球形空间。沿着球形空间内部，煤气流夹带着焦炭作回旋运动，并迅速燃烧。回旋运动主要发
45、生在风口中心线以上，风口前产生焦炭和煤气流回旋运动的区域称为回旋区。在回旋区外围，有一层厚约100300mm的中间层，此层的焦炭既受高速煤气流的冲击作用，又受阻于外围包裹着的紧密焦炭，因此比较疏松，但又不能和煤气流一起运动。l回旋区和中间层组成焦炭在炉缸内进行燃烧反应的区域称为燃烧带 2.燃烧带大小的控制燃烧带大小的控制（1）影响燃烧带大小的因素：）影响燃烧带大小的因素： C的燃烧速度（一般认为影响不大）的燃烧速度（一般认为影响不大） 布料状态（中心堆积，燃烧带小；中心疏松，布料状态（中心堆积，燃烧带小；中心疏松，燃烧带大）燃烧带大） 鼓风动能鼓风动能EK的大小的大小 焦炭的性质：焦炭的粒度、
46、气孔度、反应性等焦炭的性质：焦炭的粒度、气孔度、反应性等对燃烧大小也有一定的影响。对燃烧大小也有一定的影响。（2）影响）影响EK的因素：的因素： 风量风量，EK 风温风温，体积膨胀，质量流量，体积膨胀，质量流量 ，EK 风温风温 ，速度，速度 ， EK 总体总体EK 略有变化略有变化 风压风压 ， EK 风口截面积风口截面积S ， EK （三）风口前碳的燃烧风口前碳的燃烧在高炉冶炼过程中，各种物理化学反应都是在炉料和煤气相向运动在高炉冶炼过程中，各种物理化学反应都是在炉料和煤气相向运动的条件下进行的。这个过程伴随着热量与物质的传递与输送。因的条件下进行的。这个过程伴随着热量与物质的传递与输送。
47、因此，保证炉料在高炉内顺利下降和煤气流的合理分布，是高炉冶此，保证炉料在高炉内顺利下降和煤气流的合理分布，是高炉冶炼顺行，获得高产、优质、低耗的前提。炼顺行，获得高产、优质、低耗的前提。l1、炉料运动、炉料运动在高炉的冶炼过程中，炉料在炉内的运动是一个固体散料的缓慢移在高炉的冶炼过程中，炉料在炉内的运动是一个固体散料的缓慢移动床，炉料均匀而有节奏地下降是高炉顺行的重要标志。动床，炉料均匀而有节奏地下降是高炉顺行的重要标志。炉料在炉内下降的基本条件是高炉内不断形成促使炉料下降的自由炉料在炉内下降的基本条件是高炉内不断形成促使炉料下降的自由空间。形成这一空间的因素有：空间。形成这一空间的因素有：焦
48、炭在风口前燃烧生成煤气；焦炭在风口前燃烧生成煤气；炉料中的碳素参加直接还原；炉料中的碳素参加直接还原；炉料在下降过程中重新排列、压紧并熔化成液相，体积缩小；炉料在下降过程中重新排列、压紧并熔化成液相，体积缩小；定时放出渣铁等。其中风口前焦炭的燃烧，对炉料的下降影响最大。定时放出渣铁等。其中风口前焦炭的燃烧，对炉料的下降影响最大。除此之外，炉料在炉内能否顺利下降还要受到力学因素的支配。除此之外，炉料在炉内能否顺利下降还要受到力学因素的支配。（四）炉料与煤气运动（四）炉料与煤气运动（四）炉料与煤气运动（四）炉料与煤气运动 A.炉料下降的条件：炉料下降的条件： （1）自由空间的形成）自由空间的形成
49、包括包括C的燃烧；渣铁排放；下料中重新排列；的燃烧；渣铁排放；下料中重新排列；炉料软熔。炉料软熔。 （2）炉料下降的力学分析）炉料下降的力学分析 P=P料料-P摩摩-P浮浮-P气气 =P有效有效-P气气 P0 顺行；顺行； P0 悬料，难行悬料，难行 P料料品位品位，焦碳负荷，焦碳负荷， P料料 P摩摩炉墙与炉料，炉料与炉料炉墙与炉料，炉料与炉料 P浮浮料柱浸泡在渣铁中产生，勤放渣铁料柱浸泡在渣铁中产生，勤放渣铁 P气气上升煤气对料柱的支撑力上升煤气对料柱的支撑力 （四）炉料与煤气运动（四）炉料与煤气运动l2、煤气运动l高炉煤气主要产生于炉缸风口前燃料的燃烧。炉缸煤气是高炉冶炼过程中热能与化学
50、能的来源；所以，煤气在上升过程中经过一系列的传热传质后，从炉顶逸出，其体积、成分、温度和压力均发生了变化。lA煤气的体积与成分的变化l煤气量取决于冶炼强度。鼓风成分、焦比等因素。炉缸煤气在高炉内上升过程中体积与成分如右图。由图可以看出，煤气的体积总量在上升过程中是增加的。高炉煤气上升过程中体积、成分的变化2、煤气运动l1)C0：煤气上升过程中，CO在高炉下部高温区开始增加，这是因为，一方面吸收Fe、Si、Mn、P等元素直接还原生成的C0；另一方面部分碳酸盐在高温区分解生成的C02与C作用生成C0。但至中温区，C0开始参加间接还原生成同体积的C02，煤气中的C0含量会相应减小。l2)C02：C0
