冶金概論3高爐冶煉用原料二

1、1)燒結(jié)礦層：即成礦層，主要變化是液相凝固，析出新礦物，預(yù)熱空氣。表層受冷空氣劇冷作用，溫度低，礦物來不及析晶，故表層強(qiáng)度較差。2)燃燒層：位于燒結(jié)礦層下面，燃料燃燒溫度可達(dá)1100 ～ 1500℃?；旌狭宪?、熔融及形成液相，此層厚度為15～50mm，它對燒結(jié)過程和燒結(jié)礦質(zhì)量影響較大。料層過厚，透氣性差，導(dǎo)致產(chǎn)量降低；料層過薄，燒結(jié)溫度低，液相不足，燒結(jié)礦固結(jié)不好，強(qiáng)度低。,3)預(yù)熱干燥層：混合料被燃燒層下來的熱廢氣干燥和預(yù)熱。由于熱

2、交換進(jìn)行迅速劇烈，故廢氣溫度很快從1500℃降至60 ～ 70℃。此層主要反應(yīng)是水分蒸發(fā)、結(jié)晶水及碳酸鹽分解、礦石的氧化還原以及固相反應(yīng)等。該層厚度為20 ～ 40mm。4）過濕層（冷料層）：因上層廢氣中帶入較多的水汽，進(jìn)入冷料層溫度降至露點(diǎn)以下時(shí)，水汽將會大量冷凝于料層中，形成過濕層，從而破壞混合料中已造好的小球，影響料層透氣性。生產(chǎn)中采用預(yù)熱混合料等辦法來解決。,(2)燒結(jié)過程的主要反應(yīng),1)燃料燃燒反應(yīng)：燒結(jié)所用的燃料主要是焦粉

3、或無煙煤粉，它們含有大量的固定碳，在700℃時(shí)即可著火。燒結(jié)料中燃料同空氣中氧氣進(jìn)行氧化燃燒時(shí)放出大量熱及CO2氣體，是燒結(jié)過程一切物理化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)。混合料層碳燃燒具有以下特點(diǎn)：,A 生產(chǎn)一噸燒結(jié)礦所需的1.3×105 ～ 1.7×105 kJ 熱量中，有80% ～ 90％是燃燒燃料提供的。但燃料僅占混合料總量的3% ～ 5％，按體積計(jì)不到10％，在料層中分布稀疏，為保證迅速完全燃燒，就需要有較大的空氣過剩系

4、數(shù)（1.4～1.5），其主要反應(yīng)為：C+O2=CO2B 在局部燃料較集中的地方或燃料顆粒較大時(shí)，會發(fā)生不完全燃燒，其反應(yīng)為：2C+O2=2CO,C 在高溫條件下，還有可能產(chǎn)生CO2+C=2CO的反應(yīng)。但由于燃燒層很薄，廢氣溫度降低很快，故產(chǎn)生CO的反應(yīng)受到一定限制。 總的來說，燒結(jié)廢氣中除N2外，以CO2為主，有少量的CO及自由氧?？梢哉J(rèn)為燒結(jié)過程是弱氧化性氣氛，但在碳粒周圍的局部區(qū)域?qū)龠€原性氣氛。,2）分解

5、反應(yīng)：燒結(jié)混合料中經(jīng)常含有一些結(jié)晶水，在燒結(jié)加熱至一定溫度時(shí)進(jìn)行分解。如褐鐵礦中結(jié)晶水在250～300℃時(shí)分解，脈石中高嶺土(A12O3·2SiO2·2H2O)結(jié)晶水分解溫度為500℃以上。結(jié)晶水分解吸熱，因此在使用含結(jié)晶水的物料燒結(jié)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加燃料用量。,當(dāng)生產(chǎn)熔劑性燒結(jié)礦時(shí)，燒結(jié)料中常配入一定量的熔劑（白云石和石灰石），這些碳酸鹽在燒結(jié)過程中達(dá)到一定溫度時(shí)會發(fā)生分解反應(yīng)，其反應(yīng)式如下：CaCO3=CaO+CO

6、2(750℃以上） MgCO3＝MgO+CO2（720℃） 由于燒結(jié)過程很短，為使碳酸鹽完全分解，要求配入的熔劑粒度小于3mm。,3)還原與再氧化反應(yīng)： 在燒結(jié)過程中，靠近燃料顆粒處存在著還原性氣體CO以及赤熱的燃料粒，因此混合料中的鐵、錳等氧化物將被還原： 3Fe2O3+CO＝2Fe3O4+CO2

7、 Fe3O4+CO＝FeO+CO2 在遠(yuǎn)離燃料的混合料中，特別是在燒結(jié)礦層的冷卻過程中，有Fe3O4和FeO的再氧化現(xiàn)象，如： 2Fe3O4＋1/2O2＝3Fe2O3 3FeO＋1/2O2＝Fe3O4,4)去硫反應(yīng)： 燒結(jié)過程是一個(gè)有效的脫硫過程，一般脫硫效

8、率可達(dá)90％以上。燒結(jié)料中硫以有機(jī)硫、硫化物和硫酸鹽形態(tài)存在。有機(jī)硫在燒結(jié)過程中揮發(fā)或燃燒成SO2逸出，大部分硫化物通過氧化被脫除： 2FeS2＋11/2O2=Fe2O3＋4SO2 2FeS＋7/2O2＝Fe2O3＋2SO2 生成的SO2排入大氣，對環(huán)境污染嚴(yán)重。另外，在燒結(jié)過程中還能去除其它有害元素，如As、Pb、Zn、K、Na等。這些均為有毒氣體，所以

9、對燒結(jié)廢氣應(yīng)作凈化處理。,（3）燒結(jié)礦形成燒結(jié)礦的成礦機(jī)理，包括燒結(jié)過程的固相反應(yīng)、液相形成及結(jié)晶過程。 在燒結(jié)料中主要礦物都是高熔點(diǎn)的，在燒結(jié)溫度下大多不能熔化。當(dāng)物料加熱到一定溫度時(shí)，各組分之間進(jìn)行固相反應(yīng)，生成熔點(diǎn)較低的新化合物，使它們在較低溫度下生成液相，并將周圍物料浸潤和熔融。,然而，在燒結(jié)過程中并非全部混合料都熔化為液相，特別是粒度較大的往往來不及熔化，而被它周圍的液相粘結(jié)起來。當(dāng)燃燒層移動后，被熔物溫度下降

10、，液相放出能量并結(jié)晶，液相冷凝固結(jié)形成多孔燒結(jié)礦。,燒結(jié)過程產(chǎn)生的基本液相：硅酸鹽和鐵酸鹽體系的礦物，如FeO-SiO2（硅酸鐵）、CaO-SiO2（硅酸鈣）、CaO-Fe2O3（鐵酸鈣）、CaO-FeO-SiO2（鐵鈣橄欖石）等。是燒結(jié)礦成型的主要膠結(jié)物。,2 燒結(jié)礦分類及質(zhì)量評價(jià)（1）燒結(jié)礦分類按堿度(R=CaO/SiO2)不同分為三類： A 酸性燒結(jié)礦（普通燒結(jié)礦）：R<1； B 自熔性燒結(jié)礦：R=1

11、.0 ～ 1.5，目前我國使用較多； C 熔劑性燒結(jié)礦（高堿度燒結(jié)礦）：R=2.0 ～ 4.0，常與酸性爐料配合使用，以保證高爐爐渣對堿度的要求。,對其質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)主要有品位、強(qiáng)度、化學(xué)成分、還原性、堿度、粒度、有害雜質(zhì)含量及高溫冶金性能等。燒結(jié)礦質(zhì)量對高爐冶煉有重大影響，改善其質(zhì)量是“精料”的主要措施。,3 球團(tuán)法及其過程 所謂球團(tuán)生產(chǎn)就是將極細(xì)的精礦粉與添加劑混合后，在旋轉(zhuǎn)著的造球

12、機(jī)（圓盤式和圓筒式兩種）上加水制成8 ～ 15mm的圓球。這種圓球經(jīng)過干燥、焙燒成為強(qiáng)度很高的球團(tuán)礦。 (1)球團(tuán)礦生產(chǎn)工藝 (P17 ～ 18，圖2-6) (2)生球形成(P18，圖2-7) (3)球團(tuán)焙燒固結(jié) (4)球團(tuán)焙燒設(shè)備,4 球團(tuán)礦與燒結(jié)礦的比較,①球團(tuán)礦生產(chǎn)適合于使用細(xì)磨精礦粉。 燒結(jié)礦主要依靠液相固結(jié)，而球團(tuán)礦主要依據(jù)鐵礦

13、物的再結(jié)晶和結(jié)晶長大固結(jié)。 因而精礦品位越高、粒度越細(xì)、越有利于球團(tuán)生產(chǎn)。 細(xì)精礦粉如用于燒結(jié)，料層透氣性明顯變差．將影響燒結(jié)生產(chǎn)率。,②球團(tuán)礦由于粒度較均勻，含鐵高，還原性好，其冶金性能和冶煉效果比燒結(jié)礦好。③由于球團(tuán)生產(chǎn)率較燒結(jié)低，且耐熱鏈箅條昂貴，所以單位產(chǎn)品基建投資費(fèi)用比燒結(jié)高。④球團(tuán)礦的熱還原強(qiáng)度比燒結(jié)礦差。,5 其它含鐵原料,含鐵的“廢棄”物料，加以利用，不僅可以擴(kuò)大鐵礦資源，增

14、加生鐵產(chǎn)量，降低生鐵成本，而且有助于環(huán)境保護(hù)，變廢為寶，充分利用自然資源?！　　「郀t爐塵、轉(zhuǎn)爐爐塵、鋼渣、軋鋼皮、硫酸渣以及一些有色金屬選礦后的高鐵尾礦與冶煉后的高爐渣、電廠粉煤燃燒后的煙塵灰等。,（1）高爐爐塵　　　是從高爐煤氣系統(tǒng)中回收的副產(chǎn)品，由礦石和焦炭的粉末組成，其中含鐵40%左右，含碳10%~20%和較多的CaO。其粒度較細(xì)，親水性差。常用于燒結(jié)配料。（2）氧氣轉(zhuǎn)爐爐塵　　　是從氧氣轉(zhuǎn)爐的爐氣中經(jīng)除塵器回收的含鐵粉料

15、，含鐵量較高，高達(dá)50%~60%以上，主要成分有Fe3O4，還有16%~30%的金屬鐵。粒度極細(xì)，可作為燒結(jié)或球團(tuán)的輔助原料。,（3）軋鋼皮　　　是軋鋼生產(chǎn)過程中，從熾熱的鋼錠或鋼材表面剝落下來的氧化鐵皮，含鐵量很高，可達(dá)60%~70%以上，主要以Fe3O4存在，也有少量金屬鐵?？勺鳛闊Y(jié)配料。（4）其它鐵屑料　　　包括鑄鐵機(jī)和機(jī)械加工中的車削、鍛造時(shí)產(chǎn)生的鐵屑與鋼屑，主要含水量有鐵和少量的碳，可用于燒結(jié)配料。,（5）硫酸渣　　

16、　即黃鐵礦燒渣，它是化工廠焙燒黃鐵礦留下的殘?jiān)?，含鐵50%左右，主要以Fe3O4形態(tài)存在?！　　『蚋?，并含有銅Cu、Pb、Zn、Co等有色金屬和Au、Ag等貴金屬。硫酸渣粒度較細(xì)。　　　含鐵較低的硫酸渣多用于水泥配料，含鐵較高的硫酸渣主要作燒結(jié)或球團(tuán)配料，用于高爐冶煉。,（6）鋼渣　　　是轉(zhuǎn)爐所產(chǎn)生的爐渣，水淬處理后的?；铩！　　′撛泻幸欢康蔫F和較多的堿性氧化物CaO、MgO，還含有較高的磷?！　　∮糜跓Y(jié)配料時(shí)，既

17、可以回收鐵，又可以取代部分石灰石和白云石。因鋼渣中含有磷，燒結(jié)配料時(shí)鋼渣的配比不能過高，以免影響生鐵質(zhì)量。,三 燃料,燃料是高爐冶煉不可缺少的基本原料之一，幾乎所有高爐都使用焦炭作燃料。在高爐煉鐵中，焦炭起三種作用： (1)提供冶煉所需的熱量； (2)還原礦石所需的還原劑； (3)在高溫區(qū)，焦炭是唯一的固體物，是支撐料柱的骨架和使氣流暢通的透氣通路。,強(qiáng)度好的塊狀焦炭是高爐冶煉不可

18、缺少的燃料。但因煉焦煤資源的匱乏，而且煉焦生產(chǎn)還給環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。 因此，向高爐噴吹補(bǔ)充燃料，特別是噴吹煤粉來替代部分焦炭，就是20世紀(jì)高爐煉鐵技術(shù)進(jìn)步最成功的一項(xiàng)。,所謂噴吹煤粉，就是將不能煉焦的煤磨成細(xì)粉，與鼓風(fēng)一起通過風(fēng)口噴入爐缸的燃燒帶，如同焦炭一樣，煤粉在燃燒帶內(nèi)與鼓風(fēng)中的氧反應(yīng)形成煤氣并放出熱量， 所以噴吹煤粉可以代替焦炭的還原劑和熱源兩個(gè)作用，但是不能代替焦炭的料柱骨

19、架作用。 目前世界各國的噴煤數(shù)量占單位生鐵總?cè)剂舷牡?0%～ 50%。,高爐冶煉對焦炭質(zhì)量的要求 衡量焦炭質(zhì)量一般從其化學(xué)和物理性質(zhì)兩方面來分析，即固定碳（C固）、灰分（A）、揮發(fā)分（V）、水分（W）、硫(S)含量。焦炭的物理性質(zhì)最主要的是機(jī)械強(qiáng)度、粒度和氣孔率等。 焦炭質(zhì)量的好壞直接影響著高爐產(chǎn)量、質(zhì)量及能耗（焦比）。,（1）固定碳和灰分 焦炭中固定碳含量與灰分互為

20、消長，灰分高則意味著含C量低。 焦炭灰分增加1％，焦比升高2％，產(chǎn)量下降3％。因此要求焦炭灰分盡量低。 我國焦炭灰分一般在11%～ 15％。焦炭中灰分來自原煤，因此煉焦前應(yīng)洗煤，并進(jìn)行合理配煤來降低灰分。,（2）硫 焦炭帶入的硫量占入爐料總硫量的80％。因此，降低焦炭含硫量，對提高生鐵質(zhì)量極為重要。為保證生鐵含硫低于國家標(biāo)準(zhǔn)(0.05%～0.02％)，必須提高爐溫和爐渣堿度，

21、這就增加了燃料的消耗。 實(shí)踐證明，焦炭中含硫量提高0.1％，焦比升高1.2%～ 2%。洗煤和合理配煤也是降低焦炭含硫的基本途徑。,（3）揮發(fā)分 煉焦過程中未分解揮發(fā)完的有機(jī)物，是鑒別焦炭成熟程度的主要標(biāo)志，一般含量為0.8%～ 1.2％。 含量過高表明成熟程度差，強(qiáng)度不夠，在冶煉過程中易碎裂產(chǎn)生粉末，影響料柱透氣性。 而含量過低，表明結(jié)焦過大，會形成裂紋多而脆，故要求揮發(fā)分

22、適當(dāng)。,（4）成分穩(wěn)定 焦炭成分與性能波動會導(dǎo)致高爐冶煉過程不穩(wěn)定，特別是水分的波動會引起入爐焦炭重量波動，從而影響爐溫，導(dǎo)致熱制度波動。 采用干法熄焦，使焦炭不含水分，根本上消除了水分波動的影響，同時(shí)還會改善焦炭強(qiáng)度。,（5）強(qiáng)度與粒度 焦炭在入爐前要經(jīng)過多次轉(zhuǎn)運(yùn)，在爐內(nèi)下降過程中受高溫和爐料間的重力及摩擦力作用，如果強(qiáng)度不好，會破裂產(chǎn)生粉末，導(dǎo)致爐渣變得粘稠，料柱透氣性惡化

23、。 測定焦炭強(qiáng)度常用轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)。,M40稱為焦炭的抗沖擊強(qiáng)度（破碎強(qiáng)度） M10為焦炭的抗摩擦強(qiáng)度（磨損強(qiáng)度） 我國規(guī)定焦炭強(qiáng)度轉(zhuǎn)鼓指標(biāo)為：一級品M40為75%以上，M10≤8.0％；二級品：M40為64 ～ 68％，M10≤11.5％。焦炭的粒度要求適中而均勻：大型高爐為40 ～ 60mm，中型高爐為25 ～ 40mm,小型高爐為15 ～ 25mm。,現(xiàn)代焦炭生產(chǎn)過程分為洗煤、配煤、煉焦、熄焦及煤氣和化工產(chǎn)品回

24、收處理等工序，生產(chǎn)工藝流程見圖。,,煉焦工藝：現(xiàn)代焦炭生產(chǎn)過程分為洗煤、配煤、煉焦、熄焦及煤氣和化工產(chǎn)品回收處理等工序，生產(chǎn)工藝流程見圖2-10。,,,(1)洗煤 原煤在煉焦前洗選，目的是降低煤中灰分和洗除其它雜質(zhì)。(2)配煤 可用于煉焦的煤主要有氣煤、肥煤、焦煤和瘦煤等。配煤是將上述各種結(jié)焦性不同的煤經(jīng)洗選后，按一定比例配合煉焦。目的是在保證焦炭質(zhì)量的前提下，節(jié)約日趨減少的主焦煤，擴(kuò)大煉焦用煤源，同時(shí)盡可

25、能多的獲得一些化工產(chǎn)品。,（3）煉焦 將配好的煤料，裝入煉焦?fàn)t的炭化室，在隔絕空氣的條件下，由兩側(cè)燃燒室供熱，隨溫度升高經(jīng)干燥、預(yù)熱、熱分解、軟化、半焦、結(jié)焦成具有一定強(qiáng)度的焦炭。煤結(jié)焦過程變化如下： A、干燥和預(yù)熱50 ～ 200℃，煤中水分蒸發(fā)和放出CH4和CO2等氣體；,B、熱分解 200 ～ 300℃，放出氣體揮發(fā)物； C、軟化 300 ～ 500℃，產(chǎn)

26、生膠質(zhì)體； D、半焦 500 ～ 800℃，析出大量液體焦油及氣體揮發(fā)物，形成多孔狀半焦； E、成焦 900 ～ 1000℃，產(chǎn)生較大的體積收縮，并開始炭化最后形成焦炭。經(jīng)過一個(gè)結(jié)焦周期（14 ～ 18 h），由推焦機(jī)把焦炭從炭化室推出。,（4）熄焦 熾熱的焦炭由熄焦車送去噴水熄焦、涼焦， 或用CO2、惰性氣體等逆流穿過紅焦層進(jìn)行熱交換，焦炭冷卻到200℃以下，

27、惰性氣體則升溫至800℃左右，送到余熱鍋爐生產(chǎn)蒸汽，這就是干熄焦法。 這種方法對環(huán)境污染小，焦炭質(zhì)量高，同時(shí)可回收大量顯熱。我國上海寶山鋼鐵總廠采用干熄焦法。,（5）煤氣和化工產(chǎn)品回收 煉焦過程不僅產(chǎn)出焦炭，同時(shí)還逸出高熱值的煤氣及其它可提取化工產(chǎn)品的原料,每1000kg干精煤約可獲得冶金焦750kg，煤焦油（15 ～ 34）kg，氨（1.5 ～ 2.6）kg，粗苯（4.5 ～ 10）kg，焦?fàn)t煤

28、氣（290 ～ 350）m3。,四 熔劑 礦石中的脈石與焦炭中的灰分，其主要成分是酸性氧化物，它們的熔點(diǎn)均較高（SiO2 1713℃,Al2O3 2050℃），在高爐冶煉條件下很難熔化， 為使其形成低熔點(diǎn)物質(zhì)，需加入一定數(shù)量助熔劑（簡稱熔劑），以形成許多低熔點(diǎn)的化合物和共熔體，即所謂的爐渣，并能達(dá)到完全熔化，且具有良好的流動性，使渣鐵容易分離。,熔劑按其性質(zhì)可分為堿性和酸性兩種。高爐最常用的是堿性熔劑，即石灰石和白云石等。當(dāng)

29、脈石中堿性氧化物含量較高時(shí)，則用酸性熔劑，常用的有硅石等。為充分利用鋼鐵工業(yè)廢棄物，有些高爐用高堿度的轉(zhuǎn)爐鋼渣代替堿性熔劑。,對熔劑的要求有效成分含量高對石灰石與白云石來說，即要求有效堿度高。熔劑含有的堿性氧化物扣除其本身酸性氧化物造渣所需的堿性氧化物后，剩余的百分?jǐn)?shù)稱為有效堿度（有效熔劑性）?？捎孟率奖硎荆?(CaO+MgO)有效＝(CaO+MgO)熔劑-(Si02)熔劑R式中 (CaO+MgO)有效—有效堿度；(Ca

30、O+MgO)熔劑—熔劑中Ca0和Mg0重量百分含量； (Si02)熔劑- 熔劑中SiO2重量百分含量； R—爐渣堿度，[(Ca0+Mg0)/SiO2]。(2)有害雜質(zhì)硫、磷要低。 (3)粒度均勻、強(qiáng)度好、粉末少。,五 鼓風(fēng),鼓風(fēng)是經(jīng)風(fēng)機(jī)壓縮后具有很高壓強(qiáng)的空氣，在現(xiàn)代大高爐上鼓風(fēng)壓強(qiáng)可達(dá)0.4MPa以上。為了強(qiáng)化高爐冶煉和向高爐噴吹補(bǔ)充燃料，常將制氧機(jī)生產(chǎn)的氧氣加入鼓風(fēng)中，使鼓風(fēng)的含氧量達(dá)到22%～30%。

31、 風(fēng)機(jī)出來的鼓風(fēng)都要經(jīng)熱風(fēng)加熱到1000℃以上，然后送入高爐。,思考題：,1 什么是礦石的還原性？2 高爐煉鐵過程對鐵礦石還原性的要求是什么？3 鐵礦石的評價(jià)指標(biāo)？4 鐵礦石通常分為哪幾類？5 目前應(yīng)用最廣泛的粉礦造塊方法？6 燒結(jié)過程中原料脫硫的機(jī)理？7 燒結(jié)生產(chǎn)的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)？,精品課件！,精品課件！,8 高爐用熔劑的種類及作用？9 目前國內(nèi)高爐煉鐵工藝主要使用的熔劑種類？10 焦炭在高爐冶煉中的作