炼铁原理与工艺(炉渣与脱硫)--课件

3.高炉炉渣与脱硫1.高炉炉渣的作用和造渣的意义 炉渣应具有合适的化学成分及良好的物理性能，在高炉内能熔融成液体，实现渣铁分离。应具有较强的脱硫能力，保证生铁质量。有利于高炉炉况顺行。炉渣成分具有调整生铁成分的作用。有利于保护炉衬，延长高炉寿命。1 1pptppt课件课件3.高炉炉渣与脱硫2.炉渣成分高炉炉渣主要由SiO2、Al2O3、CaO、MgO四种氧化物组成.铁种SiO2CaOAl2O3MgOR2炼钢铁30-3838-448-152-101.05-1.20铸造铁35-4037-4110-172-80.95-1.102 2pptppt课件课件3.高炉炉渣与脱硫炉渣碱度l二元碱度,三元碱度,四元碱度.m(CaO)/m(SiO2)的比值称为炉渣碱度，或二元碱度。把m（CaO+MgO）/m(SiO2)比值称为炉渣总碱度，或三元碱度。把m（CaO+MgO）/m（SiO2+Al2O3）称为炉渣全碱度，或四元碱度。3 3pptppt课件课件3.高炉炉渣与脱硫造渣制度(成分和碱度)的选择依据A.铁种B.炉渣性能-粘度小,熔化性高,稳定性好,(性能主要由炉渣成分和矿物组成决定)造渣制度实现方法是通过配矿来实现.4 4pptppt课件课件3.1高炉炉内的造渣过程1.高炉炉内的造渣过程初渣的生成 初渣是指炉身下部或炉腰处刚开始出现的液相炉渣.初渣生成包括固相反应、软化、熔融、滴落几个阶段。A.固相反应a)在高炉上部块状带发生各种物质的固相反应，形成部分低熔点化合物。固相反应主要是在脉石与熔剂之间或脉石与铁氧化物之间进行。b)当用生矿冶炼时，固相反应一是在矿块内部SiO2与FeO之间进行；二是在矿块表面处脉石或铁的氧化物与粘附在矿石表面的粉状CaO之间进行。c)当高炉全部使用熔剂性烧结矿或自熔性球团矿作原料时，固相反应已在烧结和球团焙烧过程中完成。5 5pptppt课件课件3.1高炉炉内的造渣过程B.矿石的软化a)矿石软熔是炉料中的化合物从固态转变为流动液相的一个过渡阶段.b)软化性能：开始软化温度；软化温度区间.c)一般矿石软化温度在7001200之间.C.初渣生成a)从矿石软化到熔融滴落就形成了初渣。b)由于矿石还原得到的FeO易与SiO2结合成低熔点硅酸铁，所以初渣中FeO含量较高。高炉内生成初渣的区域称为成渣带，亦称为软熔带。6 6pptppt课件课件3.1高炉炉内的造渣过程中间渣的变化A.成分变化随着温度升高，一方面初渣中FeO不断被还原而减少.SiO2和MnO的含量也由于硅和锰的还原进入生铁有所降低。B.炉渣的流动性随温度升高而增加.C.稳定性变化影响因素a)原料结构和成分b)炉温.7 7pptppt课件课件3.1高炉炉内的造渣过程终渣形成中间渣通过风口区,FeO含量降低.焦炭和喷吹燃料燃烧后的灰分参与造渣.Al2O3和SiO2增加.铁水穿过渣层和渣铁界面发生的脱硫反应使渣中CaS有所增加.终渣成分和性能基本稳定.通过配料调整使其达到适宜成分.8 8pptppt课件课件3.1高炉炉内的造渣过程小结:A.炉渣成分变化：a)在初渣中FeO，MnO较多，在炉腹以上达50%左右，到炉腹下部其含量下降到8%，说明这一带进行着大量直接还原。b)Al2O3在初渣中含量只有3%5%，下降过程中尤其到风口以后有所提高，说明燃料灰分中Al2O3参与造渣。c)初渣中只有MgO 5%6%，到炉缸前达11%，接近终渣成分，说明MgO是逐渐参与造渣的。d)初渣中碱金属氧化物较多，到炉缸时降低。这是因为在风口高温区时有部分被挥发，但在炉子中上部存在循环富集。9 9pptppt课件课件3.1高炉炉内的造渣过程B.炉缸内的化学反应：a)炉腹中部以上，生铁含碳不超过0.5%。进入炉缸之前渗碳完成80%以上，即大量渗碳反应是在高温区及炉缸附近进行的。b)风口部位的生铁含硫量超出成品铁含硫量的8倍以上，即大量的脱硫反应是在炉缸部位进行的。c)生铁中的硅、锰含量在进入炉缸之前均高于成品铁，说明风口带出现再氧化过程。1010pptppt课件课件3.2高炉炉渣的性质及其影响因素 对高炉生产有直接影响的炉渣性质是熔化性、黏度、稳定性和脱硫能力等。在高炉生产中为实现高产、优质、低耗就希望高炉渣具有适宜的熔化程度，较小的黏度，良好的稳定性和较高的脱硫能力。1111pptppt课件课件3.2高炉炉渣的性质及其影响因素1.炉渣的熔化性 熔化性是指炉渣熔化的难易程度。它可用熔化温度和熔化性温度两个指标来表示.熔化温度:是指固体炉渣加热时，炉渣固相完全消失，完全熔化为液相的温度，即液相线温度（或称熔点）.熔化性温度:熔化性温度是指炉渣从不能流动转变为能自由流动的温度。1212pptppt课件课件3.2高炉炉渣的性质及其影响因素熔化性温度可通过测定炉渣在不同温度下的黏度，然后画出黏度温度（t）曲线来确定。t曲线上的拐点所对应的温度.炉渣熔化性对高炉冶炼的影响a)对软熔带位置高低影响。b)对高炉炉缸温度的影响c)影响高炉内的热能消耗和热量损失对炉衬寿命的影响。1313pptppt课件课件3.2高炉炉渣的性质及其影响因素2.炉渣的黏度炉渣黏度是炉渣流动性的倒数，黏度低流动性好，反之亦然。F=Sdv/dxF流体流动时所克服的液体层间的内摩擦力；S两液体层间的接触面积；dv两液体间的速度差；dx两液体间的垂直距离；内摩擦比例系数，称为黏度。1414pptppt课件课件3.2高炉炉渣的性质及其影响因素黏度的物理意义:液体的黏度是一个常数。其物理意义是：在单位面积上，相距单位距离的两液体层之间，为维持单位速度差所必须克服的内摩擦力。黏度单位用Pas（帕秒）表示，1 Pas=1 Ns/m2，即F=1N，S=1 m2，dv=1 m/s，dx=1 m。过去使用泊（P）为单位，1 Pas=10 P通常高炉炉渣黏度范围为0.52Pas之间，最好在0.40.6Pas。1515pptppt课件课件3.2高炉炉渣的性质及其影响因素影响炉渣黏度的因素A.温度1616pptppt课件课件3.2高炉炉渣的性质及其影响因素B.炉渣成分的影响见课本75页相图.a)SiO2,b)CaO,c)AI2O3,MgO1717pptppt课件课件3.2高炉炉渣的性质及其影响因素炉渣的黏度对高炉冶炼的影响（1）黏度大小影响成渣带以下料柱透气性。（2）黏度影响炉渣的脱硫能力。（3）炉渣黏度影响放渣操作。（4）炉渣黏度影响高炉寿命。总之,对高炉的顺行,能耗,长寿均有影响.1818pptppt课件课件3.2高炉炉渣的性质及其影响因素3.炉渣的稳定性 炉渣的稳定性是指炉渣的熔化性和黏度随其成分和温度变化而波动的幅度大小。有热稳定性和化学稳定性.热稳定性 判断炉渣热稳定性方法:A.依据t曲线转折点的缓急;B.炉渣的熔化温度与实际炉缸温度的差值1919pptppt课件课件3.2高炉炉渣的性质及其影响因素化学稳定性判断炉渣化学稳定性方法:根据四元渣系等熔化温度和等黏度图判断.合适渣碱度:1.001.20.4.炉渣表面张力()生成单位液面与气相的新的交界面所消耗的能量.金属质点质量大,金属键作用力大,表面张力大.炉渣中组分SiO2,TiO2,FeO,CaF2等表面张力较低.2020pptppt课件课件3.2高炉炉渣的性质及其影响因素泡沫渣:高炉内气体穿过渣层,气泡稳定存在于渣层内,形成泡沫渣.形成泡沫渣的条件:/值降低泡沫渣的危害2121pptppt课件课件3.2高炉炉渣的性质及其影响因素5.高炉渣的其他成分及其性能的影响FeO对酸性渣粘度降低MnO对碱性渣粘度降低CaF2显著降低渣的粘度和熔化温度TiO2提高渣的粘度,使渣自动变稠.BaO,和CaO相似 CaS,降低渣的粘度和熔化温度K2O和Na2O降低渣的粘度2222pptppt课件课件3.3炉渣结构及矿物组成1.熔融炉渣的结构分子结构理论 分子结构理论是在对固体炉渣的化学分析，岩相分析和X射线分析，以及状态图研究的基础上提出的。A.熔融炉渣是自由氧化物分子和由这些氧化物所形成的复杂化合物的分子所组成。B.复杂化合物由酸性氧化物和碱性氧化物相互作用生成。温度对自由氧化物浓度有影响。C.只有熔渣中的自由氧化物，才能参与金属的相互作用。认为炉渣是理想溶液。2323pptppt课件课件3.3炉渣结构及矿物组成离子结构理论 离子理论认为熔融炉渣不是由分子组成，而是由简单的和复杂的离子构成的。质点间的相互作用力是静电力，炉渣和金属相之间的作用是电化学性质。离子理论内容：A.构成熔渣的碱性氧化物，形成正离子和氧离子，如：Ca2+、Mg2+、Mn2+、Fe2+等和O2-B.正负离子间的结合是由离子之间的静电力决定的。静电力和离子半径大小呈负相关。2424pptppt课件课件3.3炉渣结构及矿物组成C.O/Si比不同时，一个Si2原子的剩余电荷数也不同，可以形成不同复杂程度的硅氧复合阴离子。（SiO44-）是硅氧复合阴离子中最简单的结构，为硅氧四面体。之间能形成网状结构。纯SiO2粘度很高。随着碱度下降（O/Si比下降），硅氧复合阴离子越来越复杂。2525pptppt课件课件3.3炉渣结构及矿物组成应用离子结构理论解释一些重要现象A.酸性渣在熔化后黏度仍较大，而碱性渣熔化后黏度很低。B.向酸性渣中加入碱性氧化物MeO能降低黏度。O/Si比增大。C.在一定温度下，炉渣的碱度升高超过一定值后，炉渣黏度反而增加。使熔化温度升高则液相中出现固体结晶颗粒，破坏了熔渣的均一性。D.炉渣中加入CaF2会大大降低炉渣的黏度。F-的作用相似于O2-作用，它可使硅氧复合离子团分解，变为简单的四面体，结构变小，黏度降低。2626pptppt课件课件3.3炉渣结构及矿物组成2.炉渣的矿物组成 高炉炉渣主要成分是CaO、SiO2、Al2O3、MgO，这些氧化物在不同条件下组成各种矿物，从而影响炉渣的性质。综合考虑炉渣的黏度（主要从O/Si值判断）、熔化温度和脱硫能力等性能，符合高炉渣冶炼要求的成分范围是：四元系炉渣为黄长石，镁蔷薇辉石（C3MS2）和钙镁橄榄石（CMS）的初晶区。三元系炉渣为假硅灰石（CS），硅钙石（C3S2）和铝方柱石（C2AS）的初晶区。（见图3-18）。2727pptppt课件课件3.3炉渣结构及矿物组成相图等碱度线做法：目的：了解在一定高炉渣系条件下炉渣的熔化温度，粘度，和矿物组成。以图3-5为例2828pptppt课件课件3.4高炉内的脱硫1.硫的危害2.硫的来源和存在形式及去向 硫来源于原燃料,在炉料中以硫化物，硫酸盐和有机硫的形态存在,硫的去向是炉渣和煤气.3.硫在高炉内的循环循环的物质是气态硫化物(SO2,H2S,SO3)和硫蒸气.少量气态化合物是硫化铁,它是被氧化,硫酸盐被碳还原和硫酸盐和SiO2作用生成的.大量的是硫蒸气,它是焦炭中的有机硫在风口区氧化后又被碳还原.循环区域是和碱金属循环一样.在在风口平面到1000左右的高温区间，在滴落带出现最高值。2929pptppt课件课件3.4高炉内的脱硫4.硫在煤气,渣,铁中的分配S料=S挥+S铁+S渣S料=S挥+S+n（S）LS=()/S=（S料-S挥）/1+nLS 3030pptppt课件课件3.4高炉内的脱硫5.降低生铁含硫的途径 降低炉料带入的总硫量改善炉渣脱硫能力提高煤气带走的硫量3131pptppt课件课件3.4高炉内的脱硫6.炉渣的脱硫能力炉渣脱硫热力学(分子理论)FeS+（CaO）+C=（CaS）+Fe+CO-14122 kJ 高炉内脱硫(分子理论)特点:A.（FeO）低,比炼钢脱硫效率高.B.其次是高温有得于脱硫,C.第三是渣中的(CaO)有得于脱硫.3232pptppt课件课件3.4高炉内的脱硫炉渣脱硫热力学(离子理论)S+2e=(S2-)(O2-)-2e=O S+(O2-)=(S2-)+O 以上反应是渣铁界面进行的.反应后进入生铁中的氧与生铁中的碳化合成CO，并从生铁中排出.3333pptppt课件课件3.4高炉内的脱硫高炉内脱硫(离子理论)特点分析:NO2-是炉渣中氧的负离子,O-铁中的氧离子.rO2-O2-的活度系数.rO-O2-的活度.3434pptppt课件课件3.4高炉内的脱硫A.凡是使渣中(O2-)或者(NO2-)增加的氧化物，均使LS增大而利于脱硫。炉渣碱度升高对脱硫有利.B.铁水中的O愈低，则LS愈高，当炉渣中Fe2+浓度增加时，促使O增大,不利于脱硫.因为发生反应（Fe2+）+（O2-）=Fe+OA.减小炉渣中S2-的活度系数rS2-有利于脱硫。增加硫在铁水中活度系数rS，则有利于脱硫。(见图3-20).Mn元素的影响除外.3535pptppt课件课件3.4高炉内的脱硫炉渣脱硫动力学 S+2e=(S2-)(O2-)-2e=OO+C=COS+（O2-）+C=（S2-）+CO 从上面反应可知:3636pptppt课件课件3.4高炉内的脱硫A.(O2-)从炉渣内部向渣铁界面扩散和(S2-)从渣铁界面向炉渣内部扩散的速度.B.生铁中硫原子S从生铁内部向渣铁界面扩散的速度.C.在渣铁界面之间(S2-)和(O2-)的转移速度.D.转移至生铁中的氧原子O与生铁中的碳原子C反应的速度.3737pptppt课件课件3.4高炉内的脱硫研究表明，脱硫反应离子在炉渣中的扩散过程(A)是脱硫反应的限制环节。炉渣的黏度是影响生铁脱硫的主要因素之一。炉渣黏度愈小，离子扩散的阻力愈小，扩散速度愈大，脱硫系数LS愈大。实际高炉中脱硫反应并未达到平衡。通常平衡时的LS是200至少渣平衡时的LS不会低于150。3838pptppt课件课件3.4高炉内的脱硫影响炉渣脱硫的因素A.炉渣化学成分R2:和Ls正相关,影响大MgO:和Ls正相关(小于20%时),影响较大.对碱性渣作用显著.MnO:在酸性渣中改善脱硫.其余无影响或负影响.AL2O3:负相关,FeO:和Ls呈负相关,影响大.对碱性渣作用(降低脱硫能力)显著.酸性渣作用较小(能显著降低酸性渣粘度).3939pptppt课件课件3.4高炉内的脱硫B.生铁成分 和炉渣成分相比作用要小.硅、碳、磷等元素使rS增大，因而使LS升高；相反，铜等元素使rS减小，因而使LS降低。C.温度:正相关性D.炉渣粘度:负相关性E.其它因素:炉缸工作是否活跃,煤气流分布和利用是否合理.4040pptppt课件课件3.5生铁的炉外脱硫1.炉外脱硫的目的 为了保证高炉冶炼获得质量合格的生铁.为了向炼钢提供优质低硫生铁.炉外脱硫比在炼钢过程中脱硫，无论从热力学条件或工艺原理方面都合理许多，经济上也是合算的.4141pptppt课件课件3.5生铁的炉外脱硫2.炉外脱硫剂A.苏打FeS+Na2CO3+C=Na2S+Fe+CO2+CO-Q特点:a)脱硫后C,Si,Mn降低b)有回硫现象.Na2S和SiO2,FeO反应生成FeS.c)苏打利用率低,工作环境不好d)价格高.所以逐渐被其它方法取代.4242pptppt课件课件3.5生铁的炉外脱硫B.石灰FeS+CaO+C=CaS+Fe+CO-Q特点:a)脱硫效率高90-95%b)要求石灰杂质(SiO2、CO2、H2O)少.c)脱硫效率和加入方法,粒度存在关系.所以运用广泛.4343pptppt课件课件3.5生铁的炉外脱硫C.电石CaC2+FeS=CaS+2C+Fe 特点:a)脱硫能力强b)不降低铁水温度c)电石吸水产生爆炸气体,不安全d)价格高在我应用不高.4444pptppt课件课件3.5生铁的炉外脱硫D.金属镁Mg气+S=MgS固+Q特点:a)生铁的脱硫率主镁的用量,镁的利用率正相关性.b)脱硫形成的MgS稳定,密度低,易进入渣中.c)脱硫热损小,铁水温度不降低.d)效率高,能使硫达到0.005%,镁熔化和沸腾温度低,在生产、运输、贮存和使用中存在很多安全隐患.(熔点651，汽化点（沸点）1105，金属镁锭燃点在600左右，粉料燃点在400以下，粒度越小，燃点越低。一般讲切削颗粒镁在倒搬时产生的粉尘燃点在320左右。)4545pptppt课件课件几种脱硫剂效率和消耗比较4646pptppt课件课件3.5生铁的炉外脱硫3.脱硫方法A.直接加入法.B.喷吹法.C.机械搅拌法.D.摇包法和回转炉法E.镁脱硫法(镁焦法,粉状镁法,粒状镁法,镁锭法)4747pptppt课件课件3.5生铁的炉外脱硫脱硫的关键:尽可能地减少高炉出铁时进入铁罐的炉渣.脱硫后及时从铁罐中扒除脱硫形成的渣，这两点是提高生铁炉外脱硫效果关键所在。4848pptppt课件课件炉外脱硫生产实例4949pptppt课件课件