高炉工艺]高炉冶炼过程.doc

高炉工艺]高炉冶炼过程
高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并使炉喉料面保持一定的高度。焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构。矿石料在下降过程中逐步被还原、熔化成铁和渣，聚集在炉缸中，定期从铁口、渣口放出。鼓风机送出的冷空气在热风炉加热到800～1350℃以后，经风口连续而稳定地进入炉缸，热风使风口前的焦炭燃烧，产生2000℃以上的炽热还原性煤气。上升的高温煤气流加热铁矿石和熔剂，使成为液态；并使铁矿石完成一系列物理化学变化，煤气流则逐渐冷却。下降料柱与上升煤气流之间进行剧烈的传热、传质和传动量的过程。下降炉料中的毛细水分当受热到100～200℃即蒸发，褐铁矿和某些脉石中的结晶水要到500～800℃才分解蒸发。主要的熔剂石灰石和白云石，以及其他碳酸盐和硫酸盐，也在炉中受热分解。石灰石中CaCO3和白云石中MgCO3的分解温度分别为900～1000℃和740～900℃。铁矿石在高炉中于400℃或稍低温度下开始还原。部分氧化铁是在下部高温区先熔于炉渣，然后再从渣中还原出铁。焦炭在高炉中不熔化,只是到风口前才燃烧气化,少部分焦炭在还原氧化物时气化成CO。而矿石在部分还原并升温到1000～1100℃时就开始软化；到1350～1400℃时完全熔化；超过1400℃就滴落。焦炭和矿石在下降过程中，一直保持交替分层的结构。由于高炉中的逆流热交换,形成了温度分布不同的几个区域。在图1中，①区是矿石与焦炭分层的干区，称块状带，没有液体；②区为由软熔层和焦炭夹层组成的软熔带，矿石开始软化到完全熔化；③区是液态渣、铁的滴落带，带内只有焦炭仍是固体；④风口前有一个袋形的焦炭回旋区，在这里，焦炭强烈地回旋和燃烧，是炉内热量和气体还原剂的主要产生地。液态渣铁积聚于炉缸底部,由于比重不同,渣液浮于铁液之上,定时从炉缸放出。铁水出炉温度一般为1400～1550℃，渣温比铁温一般高30～70℃。煤气流沿高炉断面合理均匀地分布上升，能改善煤气与炉料之间的传热和传质过程，顺利地完成加热、还原铁矿石和熔化渣、铁等过程，达到高产、低耗、优质的要求。高炉中铁的还原高炉中主要被还原的是铁的氧化物:Fe2O3(赤铁矿),Fe3O4（磁铁矿）和Fe1-yO（浮氏体，y从0.04到0.125）等。每得到1000公斤金属铁，通过还原被除去的氧量为：赤铁矿429公斤,磁铁矿382公斤,浮氏体（按FeO计算）286公斤。主要还原剂焦炭中的碳和鼓风中的氧燃烧生成的CO气体，以及鼓风和燃料在炉内反应生成的H2是高炉中的主要还原剂。约从400℃开始,氧化铁逐步从高价铁还原成低价铁，一直到金属铁。间接还原氧化铁由CO还原生成CO2或由H2还原生成H2O的过程。还原顺序为:Fe2O3─→Fe3O4─→FeO─→Fe（低于570℃时，FeO不稳定,还原顺序为：Fe2O3─→Fe3O4─→Fe）。从图2可看到各级氧化铁与气相的平衡关系。氧化铁还原的主要还原反应为：3Fe2O3+CO─→2Fe3O4+CO2+8870千卡Fe3O4+CO─→3FeO+CO2-4990千卡FeO+CO─→Fe+CO2+3250千卡以及3Fe2O3+H2─→2Fe3O4+H2O-1000千卡Fe3O4+H2─→3FeO+H2O-14860千卡FeO+H2─→Fe+H2O-6620千卡H2和CO同时作为还原剂存在时，受水煤气反应的制约：H2+CO2─→H2O+CO-9870千卡注：式内反应热从工程习惯按公斤分子计。直接还原在高温区（约850℃开始）因有大量焦炭存在,生成的CO2和H2O立即与焦炭反应,转化成CO和H2：CO2+C─→2CO-39600千卡H2O+C─→H2+CO-29730千卡所以从全过程看，可认为是由碳素直接还原氧化铁生成CO和铁：FeO+C─→Fe+CO-36350千卡这种高温还原叫做直接还原。因为直接还原比间接还原耗热大得多，所以在高炉内应尽可能提高中温区的间接还原率，以降低焦比和燃料比。影响还原速度的因素气体还原铁矿石的速度受到许多因素的影响：矿石的性质（例如粒度，气孔度，气孔表面积）,是难还原的磁铁矿还是易还原的褐铁矿,煤气的成分和流速以及还原温度等。气－固还原过程包括以下基本环节：①还原气体通过矿粒表面的气膜向矿石表面扩散；②还原气体通过已还原金属层向矿石内部扩散；③金属铁－浮氏体两相界面上的化学反应；④还原气体产物通过已还原金属层向外扩散；⑤还原气体通过附面气膜向外扩散。还原模式有两种：当矿石结构致密，还原金属层是自外表逐步向矿粒中心扩展，中心未反应的核心部分逐步缩小，可称为“未反应核”还原模式；如果矿石多孔疏松，内扩散十分容易，且粒径不大，则还原过程将同时在整个矿石内部环绕每一个氧化铁微晶进行氧化铁的气固还原反