钢铁工业窑炉课件.pptx
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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)。宝钢高炉全
2、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,从渣口排
3、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眼前山铁矿鞍矿公司东
4、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P较高。上料皮带上料皮
5、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 620mVu620m3 3,为大型,为大型高炉
6、。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化程度的指标。越高,高炉生产率越高
7、,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式:的确定可参照如下公式:n=2(d
8、+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
9、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 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
10、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
11、。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
12、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
13、(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
14、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。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
15、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。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
16、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,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。
17、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的区域进的区域进行。行。2.铁的间接还原与直接还原铁的间接还原与直接还原(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
18、,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
19、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
20、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
21、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)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
22、 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
23、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
24、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)
25、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
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