钢铁冶金（炼铁部分）重点 - 图文

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1.4.1 高炉炼铁工业流程及炉内主要过程

高炉系统

高炉本体、原燃料系统、上料系统、送风系统、渣铁处理系统、煤气净化系统

高炉过程特点

在炉料与煤气逆流运动的过程中完成了多种错综复杂地交织在一起的化学变化和物理变化，且由于高炉是一个密闭的容器，除去上料和排除产物外，只能凭借仪器、仪表间接观察。

高炉冶炼过程的主要目的

用铁矿石经济而高效率地得到温度和成分合乎要求的液态生铁。 ① 实现矿石中金属元素和氧元素的化学分离——还原过程；

② 实现已被还原的金属与脉石的机械分离——熔化与造渣过程； ③ 控制温度和液态渣铁之间的交互作用得到温度和化学成分合格的铁液。

1.4.1.2 生产过程中应严密控制的关键性环节

? A 送风条件

在保证顺行的前提下，鼓入炉内的风量越大则生产率越高；风口循环区在炉缸半径方向上大小适当，在圆周方向上分布均匀，以保证煤气分布合理；根据鼓风成分以及是否喷吹辅助燃料，调节鼓风温度以适应炉内状态的需要。

? B 软熔区的位置、形状、尺寸

软熔区起着煤气分配器的作用。其位置、形状及大小对顺行、产量、燃料消耗量及铁水成分影响很大。操作中应监测软熔区形态的变化，并及时调整，以保证高炉整体运行于最佳状态。

? C 固体炉料区的工作状态

决定单位生铁燃料消耗量的关键。要使该区达到较佳的工作状态，首先要严格要求入炉原料达到质量标准；其次要遵守炉顶装料制度并根据炉况变化随时调节焦炭及矿石在炉内的分布，使由软熔区上升的煤气完成合理的再分布；最后还要尽可能充分利用煤气的化学能（表现为炉顶逸出煤气的利用率高）和热能（炉顶温度低）。 1.4.2 含铁原料及其他辅助原料

? 1.4.2.1 铁矿石

地壳中的铁矿石贮量较丰富，按元素总量计占4.2%，仅次于氧、硅及铝居第四位。绝大多数以氧化物、硫化物或碳酸盐等形式存在。 凡在当前技术条件下，能够从中经济地提取出金属铁的岩石成为铁矿石。铁矿石中除含 Fe的矿物外，还含有其他化合物，统称为脉石。 A. 铁矿石的分类

1.赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、菱铁矿 ② 脉石的成分及分布

铁矿石中的脉石包括Al2O3、SiO2、CaO、MgO等金属氧化物，难以在高炉中被还原，最终以炉渣形式与金属分离。

冶炼工作中应根据铁矿石带入脉石的成分和数量配加适当的“助熔剂”，简称“熔剂”。

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矿石中Al2O3质量分数高将提高炉渣的熔点。

矿石中（ CaO + MgO ）质量分数较高时，可允许矿石品位略低。 矿石中脉石的结构和分布，对于贫矿有重要意义。如果含Fe矿物结晶颗粒粗大，在选矿过程中易于实现有用矿物的单体分离，以达到有效富集。相反则需消耗更多的能量。

此外，有用矿物和脉石的矿物结构决定了矿石的致密程度，影响矿石的机械强度及还原性。

元素 允许的质量分数% 危害及相关说明 S P ≤0.3 ≤0.3 0.03～0.18 0.2～1.2 0.05～0.15 0.15～0.6 Zn Pb Cu As Ti ≤0.1 ～0.2 ≤0.1 ≤0.2 ≤0.07 （TiO2）15～16 使钢产生“热脆”现象 酸性转炉生铁 碱性平炉生铁 碱性转炉生铁 普通铸造生铁 高磷铸造生铁 900℃挥发，上升冷凝于炉墙，烧结可去处50—60% 沉积于炉底，破坏砖衬；蒸气上升累积，破坏炉衬 少量可改善耐腐蚀性，过多使钢产生“热脆” 使钢“冷脆”，不易焊接 降低钢的耐磨性，使炉渣变粘易起泡 易挥发，循环累积，造成积瘤，降低矿石及焦炭强度 高温下气化，腐蚀金属，危害农作物及人体 使钢产生“冷脆”现象，冶炼及烧结过程中不能脱磷 K,Na F

④ 有益元素含量 Cr、Ni、V Nb ⑤ 矿石还原性

矿石在炉内被煤气还原的难易程度称为“还原性”。易于还原的矿石可降低碳素消耗。矿石的还原性与其结构有关。 ⑥ 矿石的高温性能

矿石在受热及被还原的过程中及还原后应保持足够强度而不至破碎，以免粉矿堵塞气流通道。

矿石软化熔融温度区间不宜过宽，一方面可保持炉内有良好的透气性，另一方面可使矿石在软熔前达到较高的还原度，以减少高温直接还原度，降低能源消耗。 C. 国外铁矿石分布及成分 D. 矿石入炉前的加工处理

“平铺切取”法 （中和、混匀处理）

天然富矿 破碎——筛分

矿石粒度的下限为8mm，大可至20——30mm，小于5mm的称为“粉末”，不能入炉。

低品位矿 破碎——筛分——选矿（磁选、重力选、浮选等）

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粉矿造块工艺：烧结工艺、球团工艺 1.4.2.2 熔剂 常用碱性熔剂：石灰石（CaCO3）、白云石[Ca(Mg)CO3] 质量要求：① 有效成分含量高（有效熔剂） ② S、P等有害杂质含量低

[ω(CaO ) + ω(MgO)] 有效= [ω(CaO ) + ω(MgO)] -ω(SiO2)×R * 炉料结构变化对熔剂加入的影响 特殊熔剂：萤石（CaF2）、均热炉渣（FeO）主要用于洗刷炉墙上的粘结物或炉缸堆积以及炉况不顺时造成低熔点、低粘度的炉渣。 1.4.3 高炉燃料

? 1.4.3.1 焦炭

焦炭在高炉内的作用：

① 在风口前燃烧，提供冶炼所需热量；

② 固体C及其氧化产物CO，是氧化物的还原剂；

③ 在高温区，矿石软化熔融后，焦炭是炉内唯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上而下畅通流动的高透气性通路；

④ 铁水渗碳。

（即：热量提供者、还原剂提供者、透气性骨架、渗碳剂） A. 高炉冶炼对焦炭的质量要求 ⑴ 强度：（转鼓指数） ⑵ 固定C及灰分含量

焦炭含灰分高则含碳量低。灰分增加必须配加数量与灰份相当的碱性氧化物以造渣。 焦炭含灰分量增加时，高炉实际渣量将以比灰分量两倍的比率增长。 此外，灰份高对焦炭强度有害。

焦炭灰分的质量分数每增加1%，焦比升高2%，高炉产量下降3%。

* 焦炭中灰分的质量分数主要是由原煤灰分的质量分数及炼焦前最经济的洗煤工艺条件决定的。

⑶ 硫：焦炭带入的硫占冶炼单位生铁所需原料总硫量的80%左右 冶炼每吨生铁的炉料带入的总硫量称为“硫负荷”。

焦炭中的质量分数每提高0.1%，高炉焦比升高1.2%~2.0%。

一类焦 S≤0.6% 二类焦 0.6%＜S≤0.8% 三类焦 0.8%＜S≤1.0% ⑷ 挥发分含量

挥发分在焦炭中残留较高，则说明干馏时间短，不能构成结晶完善程度好、强度足够高的焦炭。挥发分过低，会形成小而结构脆弱的焦炭。 ⑸ 成分和性能的稳定性及粒度

成分和性能：铁矿石（中和、混匀） 焦炭（提高炼焦工艺）

粒度：有两方面的因素对焦炭的平均粒度提出不同要求。一是缩小粒度（从提高焦炭成品率，降低成本的经济因素方面考虑；从冶炼过程考虑，加速炉内传热传质）。二是增大粒度（从软熔带透气性考虑）

处理这一矛盾的原则：在保证高炉操作顺行的前提下，尽量采用小粒度的焦炭，焦炭粒度比矿石大3~5倍为最佳。

⑹ 反应性

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高炉用焦炭希望较低的反应性，以保障高炉良好的透气性。 B. 炼焦工艺

干燥——预热（50~200℃）——热分解（200~300 ℃ ）—— 软化（300~500 ℃ ）——固化为半焦（500~800 ℃ ）—— 成焦（900~1000 ℃ ）

炼焦工艺过程中影响焦炭质量的环节大体上可分为洗煤、配煤、焦炉操作及熄焦等，其中配煤起着决定作用。

洗煤的目的在于降低原煤中的灰分及硫的质量分数。配煤中最重要的是控制混合煤料的胶质层厚度。

熄焦炭操作：水熄焦、气熄焦 C. 型焦

1.4.3.2 煤粉

高炉对煤粉的质量要求：

① 灰分含量低，固定碳含量高； ② 含硫量低； ③ 可磨性好； ④ 粒度细； ⑤ 爆炸性弱：

⑥ 燃烧性和反应性好。 1.4.3.2 煤粉

高炉对煤粉的质量要求：

① 灰分含量低，固定碳含量高； ② 含硫量低； ③ 可磨性好； ④ 粒度细； ⑤ 爆炸性弱：

⑥ 燃烧性和反应性好。

高炉冶炼需要煤粉有较好的反应性。煤粉自风口喷入炉内后，需在极短的时间内燃烧而转变为气体并释放出热量。如果煤粉在风口内不能大部分气化，剩余部分将随煤气一同上升，一方面影响喷煤效果，另一方面大量未燃烧的煤粉会使料柱透气性变差，甚至影响炉况顺行。 1.4.3.3 气体燃料

高炉煤气、焦炉煤气、天然气

1.4.4 耐火材料 钢铁工业耐火材料消耗占所有工业耐火材料消耗量的40%~50%。 耐火材料分类：~

按耐火度分类：① 普通耐火材料（1580~1770 ℃ ）；② 高级耐火材料（1770~2000 ℃ ）；③ 特殊耐火材料（＞2000 ℃ ） 按化学特性分类：① 酸性耐火材料，以SiO2质为主；② 碱性耐火材料，以CaO、MgO质为主；③ 中性耐火材料，以Al2O3、Cr2O3、C质为主

按制造工艺和成品形态分类：① 定性耐火材料（如耐火砖）；②不定性耐火材料（如固体散状料，耐火泥、耐火泥浆、耐火纤维等）

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1.4.4.1 高炉砌体用耐火材料 高炉常用耐火材料：高级粘土砖、高铝砖、碳砖、SiC砖、喷涂泥浆等。 高炉用耐火材料基本原则：耐磨损、耐冲击（炉喉部位耐材）；耐磨损（炉身上部砖衬）；抗碱金属腐蚀（炉身中下部砖衬）；抗炉渣冲刷及侵蚀（炉腹以下砖衬、堵口泥以及铁水沟的铺垫材料）、导热及抗铁水渗透（炉底砖）。

1.4.4.2 热风炉用耐火材料 硅砖，要求SiO2＞93%，一般用SiO2 ＞96%的原硅石，假如“矿化剂”和“结合剂”，经成型后烧制而成。

耐火材料技术是冶金炉长寿的关键性技术。 1.4.4.3 几种重要的不定型耐火材料 A 铁口炮泥 B 喷补泥浆

C 制作及铺垫撇渣器及铁水沟的材料 D 绝热材料 分类：（1） 600 ~ 900 ℃ 低温绝热材料

（2） 900 ~ 1200 ℃ 中温绝热材料 （3） ＞1200 ℃ 高温绝热材料 1.4.5 高炉产品 1.4.5.1 生铁

生铁是Fe与C及其他少量元素（Si、Mn、P、S等）组成的合金，其C的质量分数随其他元素的含量而变，但处于化学饱和状态，通常C%的范围为2.5%~5.0%。 生铁质硬而脆，有较高的耐压强度，但抗张强度低。生铁无延展性，无可焊性，但当C%下降至2.0%以下时，上述性能有极大改善。 生铁分类：炼钢生铁、铸造生铁 1.4.5.2 铁合金

铁合金多用矿热炉生产，少量高碳或稀土铁合金可用高炉冶炼。 高炉冶炼常见品种：锰铁 硅铁 稀土硅铁

炼钢生铁里的碳主要以碳化铁的形态存在，其断面呈白色，通常又叫白口铁。这种生铁性能坚硬而脆，一般都用做炼钢的原料。

铸造生铁中的碳以片状的石墨形态存在，它的断口为灰色，通常又叫灰口铁。由于石墨质软，具有润滑作用，因而铸造生铁具有良好的切削、耐磨和铸造性能。但它的抗位强度不够，故不能锻轧，只能用于制造各种铸件，如铸造各种机床床座、铁管等。 球墨铸铁里的碳以球形石墨的形态存在，其机械性能远胜于灰口铁而接近于钢，它具有优良的铸造、切削加工和耐磨性能，有一定的弹性，广泛用于制造曲轴、齿轮、活塞等高级铸件以及多种机械零件。 1.4.5.3 高炉煤气 高炉冶炼每吨生铁产生的煤气量随焦比水平的差异及鼓风含氧量的不同差别很大，煤气成分也差别很大。先进的高炉能够充分地利用煤气的化学能和热能。

高炉冶炼生铁过程CO的利用率可超过50%，即煤气中ψ(CO)＜21%，而ψ(CO2)稍高。高炉冶炼铁合金时煤气中ψ(CO2)几乎为零。

高炉煤气用途：热风炉、焦炉、轧钢加热炉、自备发电厂等的燃料。

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