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高炉冶炼原理

2013-10-22 14:55阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/2799276835

第一节　炉料在炉内的物理化学变化
第二节　还原过程和生铁的形成

目的要求：
1.知道高炉炉内的状况和炉料在高炉内的物理化学变化；
2.掌握高炉内铁氧化物的还原反应；
3.掌握直接还原和间接还原；
4.掌握高炉内非铁元素的还原；
5.明白生铁的生成与渗碳过程。

重、难点：
1.高炉内铁氧化物的还原反应、直接还原和间接还原；
2.高炉内非铁元素的还原。


第一节 炉料在炉内的物理化学变化
一、高炉炉内的状况
如图3—1所示，高炉炉内的状况可分为五个区域或称五个带：
1.炉料仍保持装料前块状状态的块状带；
2.矿石从开始软化到完全软化的软熔带；
3.已熔化的铁水和炉渣沿焦炭之间的缝隙下降的滴落带；
4.由于鼓风动能的作用，焦炭作回旋运动的风口带；
5.风口以下，贮存渣铁完成必要渣铁反应的渣铁带。

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图3-1 炉内的状况
二、水分的蒸发与结晶水的分解
在高炉炉料中，水以吸附水与结晶水两种形式存在。
1．吸附水
◆吸附水也称物理水，以游离状态存在于炉料中。
◆吸附水蒸发吸热，一方面减少了炉尘的吹出量，另一方面对装料设备和炉顶金属结构的维护还带来好处。
2．结晶水
◆结晶水也称化合水，以化合物形态存在于炉料中。
◆炉料中的结晶水一般存在于褐铁矿(nFe203·mH20)和高岭土(A1203·2Si02·2H20)中。
◆结晶水在高炉内大量分解的温度在400～600℃，分解反应如下：

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这些反应都是吸热反应，消耗高炉内的热量。
三、挥发物的挥发
挥发物的挥发，包括燃料挥发物的挥发和高炉内其他物质的挥发。
1.燃料挥发物的挥发
挥发分存在于焦炭及煤粉中。
◆焦炭中挥发分质量分数为0.7％～l.3％。焦炭在高炉内到达风口前已被加热到l400～1600℃，挥发分全部挥发。由于挥发分数量少，对煤气成分和冶炼过程影响不大。
◆煤粉中挥发分含量高，引起炉缸煤气成分的变化，对还原反应有一定的影响。
2.高炉内其他物质的挥发
◆高炉内化合物，如Si0、Pb0、K20、Na20等和元素，如S、P、As、K、Na、Zn、Pb、Mn等进行少量挥发(也称气化)。
◆这些元素和化合物的挥发对高炉炉况和炉衬都有影响。
四、碳酸盐的分解
炉料中的碳酸盐主要来自石灰石(CaC03)和白云石(CaC03·MgC03)，有时也来自碳酸铁(FeC03)和碳酸锰(MnC03)。
1.MnC03、FeC03和MgC03的分解温度较低，一般在高炉上部分解完毕，对高炉冶炼影响不大。
2.CaC03的分解温度较高约910℃，且是吸热反应，对高炉冶炼影响较大。
◆CaC03的分解反应式为：
CaC03=CaO+C02 —178000kJ
◆部分石灰石来不及分解而进入高温区则分解生成的C02在高温区与焦炭作用：
C02+C=2C0 一165800kJ
此反应既消耗热量又消耗碳素，使焦比升高。
◆使用自熔性或熔剂性烧结矿，减少石灰石用量，缩小石灰石的粒度等措施可降低焦比。
第二节　还原过程和生铁的形成
一、基本概念
1．还原反应
◆还原剂夺取金属氧化物中的氧，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
◆遵循逐级还原的原则。
◆当温度小于570℃时，按Fe203→Fe304→Fe的顺序还原。
◆当温度大于570℃时，按Fe203→Fe304→Fe0→Fe的顺序还原。
二、高炉内铁氧化物的还原
1．用C0和H2还原铁氧化物
◆用C0和H2还原铁氧化物，生成C02和H2O还原反应叫间接还原。
◆用C0作还原剂的还原反应主要在高炉内小于800℃的区域进行。
◆用H2作还原剂的还原反应主要在高炉内800～1100℃的区域进行。
2．用固体碳还原铁氧化物
◆用固体碳还原铁氧化物，生成C0的还原反应叫直接还原。
◆在高炉内具有实际意义的只有FeO+C=Fe+C0的反应。
◆直接还原要通过气相进行反应，其反应过程如下：
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直接还原一般在大于ll00℃的区域进行，800～1100℃区域为直接还原与间接还原同时存在区，低于800℃的区域是间接还原区。
三、直接还原与间接还原的比较
1．铁的直接还原度
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γd。
2．间接还原与直接还原的比较
◆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。
◆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。
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γd（0.2～0.3），才能降低焦比，取得最佳效果。
3.发展间接还原，降低γd的基本途径：
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。4.降低单位生铁的热量消耗的措施：
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。
四、高炉内非铁元素的还原
1．锰的还原
◆高炉内锰氧化物的还原由高级向低级逐级还原直到金属锰，顺序为：
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◆从Mn02到Mn0可通过间接还原进行还原反应。
◆Mn0还原成Mn只能靠直接还原取得。
◆Mn0的直接还原是吸热反应。高炉炉温是锰还原的重要条件，其次适当提高炉渣碱度，增加Mn0的活度，也有利于锰的直接还原。
◆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40％～60％的锰进入生铁，5％～l0％的锰挥发进入煤气，其余进入炉渣。
2．硅的还原
◆硅的还原只能在高炉下部高温区(1300℃以上)以直接还原的形式进行：
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◆Si02在还原时要吸收大量热量，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FeSi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。
◆铁水中的含硅量可作为衡量炉温水平的标志。
3．磷的还原
◆磷酸铁[(FeO)3·P205·8H20]又称蓝铁矿，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：

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◆磷酸钙在高炉内首先进入炉渣，在1100～1300℃时用碳作还原剂还原磷，其还原率能达60％；当有Si02存在时，可以加速磷的还原：
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◆磷在高炉冶炼条件下，全部被还原以Fe2P形态溶于生铁。
4．铅、锌、砷的还原
◆还原出来的铅易沉积于炉底，渗入砖缝，破坏炉底；部分铅在高炉内易挥发上升，遇到C02和H20将被氧化，随炉料一起下降时又被还原，在炉内循环。
◆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。
◆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。
五、还原反应动力学
1. 反应过程模型
铁矿石的还原反应是由矿石颗粒表面向中心进行的，如图3—3所示。

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图3-3 矿球反应过程模型
2. 加快还原反应速度的措施
◆提高还原气体的浓度和还原温度。
◆使用粒度较小，气孔率较大的人造矿石。
六、生铁的生成与渗碳过程
1.生铁的生成
渗碳和已还原的元素进入生铁中，得到含Fe、C、Si、Mn、P、S等元素的生铁。
2.渗碳过程
◆固体海绵铁发生如下渗碳过程：

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◆在1400℃左右时，与炽热的焦炭继续进行固相渗碳。
◆熔化后的金属铁与焦炭发生渗碳反应：3Fe液+C焦=Fe3C液。
生铁的最终含碳量与生铁中合金元素的含量有着密切关系。能与碳生成碳化物的元素，有助于增加生铁中的含碳量；能与铁生成化合物的元素，促使生铁的含碳量降低。

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