冶金概论4高炉冶炼基本原理一课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2.5,高炉冶炼基本原理,高炉生产示意图,2.5 高炉冶炼基本原理 高炉生产示意图,1,通过国内外高炉解剖研究得到如,图2-14,(P35)所示的典型炉内状况。,高炉内炉料状态示意图,按炉料物理状态，高炉内大致可分为五个区域或称,五个带,：,1),块状带（固体炉料区）,：,炉料仍保持块状状态；,2),软熔带,：,矿石从开始软化到完全软化；,3),滴落带,：,铁水和炉渣沿焦炭之间缝隙下降；,4),风口带（焦炭回旋区）,：,焦炭作回旋运动；,5),渣铁带（炉缸带，渣铁贮存区）,：,贮存渣铁、完成渣铁反应。,通过国内外高炉解剖研究得到如图2-14(P35)所示的典型炉,2,一 炉料在炉内的物理化学变化,吸附水的蒸发,结晶水的分解,碳酸盐的分解,挥发分的挥发,还原过程,炉渣形成,碳素的燃烧,一 炉料在炉内的物理化学变化 吸附水的蒸发结晶水的分解碳酸盐,3,1 吸附水的,蒸发,焦炭如果用水熄焦，一般含有4%5%的水，高者可达10%。,天然矿石和熔剂虽为致密块状也会吸附一定量的水，特别是雨季。,炉料中的水份在有一定温度的炉顶煤气的作用下会逐渐升温直至沸腾而蒸发。,蒸发热值不大，仅仅使炉顶温度降低，对高炉冶炼过程不产生明显影响。,1 吸附水的蒸发 焦炭如果用水熄焦，一般,4,2 结晶水分解,结晶水在高炉内大量分解的温度：,400600。,分解反应如下：,褐铁矿：2Fe,2,O,3,3H,2,O=2Fe,2,O,3,+3H,2,O 400500,高岭土：A1,2,O,3,2SiO,2,2H,2,O=A1,2,O,3,2SiO,2,2H,2,O 500600,某些结晶水将在800 以上的区域才发生分解，反应为：H,2,O+C=H,2,+CO,这些反应都是吸热反应，消耗高炉内的热量。,2 结晶水分解 结晶水在高炉内大量分解的温度：400,5,3 碳酸盐的分解,碳酸盐种类：,白云石（CaCO,3,MgCO,3,），碳酸铁（FeCO,3,）和碳酸锰（MnCO,3,）：,一般在高炉上部分解完毕，对高炉冶炼影响不大。分解反应：,石灰石（CaCO,3,）：,分解温度较高约910，吸热反应，对高炉冶炼影响较大。,CaCO,3,=CaO+CO,2,178.5 kJ/mol,3 碳酸盐的分解碳酸盐种类：,6,4 挥发物的挥发,包括：,燃料挥发物,挥发，如焦炭及煤粉中的挥发分。,其它物质,挥发。如S、P、As、K、Na、Zn、Pb、Mn和SiO、PbO、K,2,O、Na,2,O等。,4 挥发物的挥发包括：燃料挥发物挥发，如焦炭及煤粉中的挥发,7,二 还原过程,2.1 基本概念,还原反应是高炉内最基本的化学反应,。,（1）,还原反应,还原反应通式：,MeO十XMeXO,常用还原剂：固体碳,C、CO、H,2,二 还原过程 2.1 基本概念还原反应是高炉内最基本的化,8,570,时：Fe,2,O,3,Fe,3,O,4,FeOFe,(2)铁氧化物还原顺序（P61）,由,高级向低级、逐级还原,：,2.2 铁氧化物的还原过程,t570时，,3Fe,2,O,3,+CO,=,2 Fe,3,O,4,+CO,2,+Q (1),Fe,3,O,4,+CO 3FeO+CO,2,-Q (3),FeO +CO Fe+CO,2,+Q (4),(1)用CO还原铁氧化物,570时：Fe2O3Fe3O4Fe(2)铁氧化物还原,9,2.2 铁氧化物的还原过程,1,0,50,2,3,4,570,60,1200,17,CO/%,温度/,1200,800,400,80,40,CO还原铁氧化物平衡相图,0,1300,78,2.2 铁氧化物的还原过程10,50234570,60120,10,平衡相图:,化学反应达到,平衡时,CO浓度,与,温度,关系,图。,CO浓度：,反应体系中,气相,（由CO和CO,2,组成的混合气体）中CO所占的,体积百分比,。,CO平衡浓度：,化学反应达到,平衡时,CO浓度，即为,反应,开始浓度,。,平衡相图:CO浓度：CO平衡浓度：化学反应达到平衡时CO浓度,11,t570时：3Fe,2,O,3,+H,2,=2 Fe,3,O,4,+H,2,O+Q (5),Fe,3,O,4,+H,2,3FeO+H,2,O,-,Q (7),FeO +H,2,Fe+H,2,O,-,Q (8),5,6,7,8,1300，,0.5,400，,80,1300，,50,温度/,1200,800,400,图6 H,2,还原铁氧化物平衡相图,H,2,/%,80,40,0,570，,72,(2)用H,2,还原铁氧化物,t570时：3Fe2O3 +H2=2 Fe3O4,12,2）H,2,还原铁氧化物主要发生在高炉较高温区域（高炉,中部,）。,1)得到Fe,所需H,2,浓度高,（在高炉内，H,2,将铁氧化物还原成Fe很,困难,）。,用H,2,还原铁氧化物的特点：,2）H2还原铁氧化物主要发生在高炉较高温区域（高炉中部）。1,13,用固体碳还原铁氧化物反应：,FeO,+,C,=,Fe+CO,-Q,（9）,(3)用C还原铁氧化物,碳的直接还原反应特点：,1）反应,吸收,大量的热量，反应在,高温下才能发生,；,2）,金属铁可完全被还原出来,。,用固体碳还原铁氧化物反应：(3)用C还原铁氧化物碳的直接还,14,这是高炉炼铁的主要反应。铁矿石在下降过程中，从400开始就被CO和H,2,按Fe,2,O,3,Fe,3,O,4,FeOFe逐步从高价铁还原到低价铁，直到金属铁，,当矿石进入高温区（850,1000）后，又被固体碳还原。,2.3 直接还原与间接还原的比较,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,。,这是高炉炼铁的主要反应。铁矿石在下降过程中，从400,15,直接还原反应是不可逆的，虽然它还原单位铁所消耗的还原剂量少，但它是吸热反应，需要燃烧更多的焦炭来补偿反应的吸热量。,间接还原的特点之一是反应可逆。为使反应向我们所要求的方向-形成低价氧化铁和金属铁的方向进行，就要用过量的还原剂CO和H,2,。,直接还原反应是不可逆的，虽然它还原单位铁所消耗的,16,2.4非铁元素还原,铜、砷、钴、镍：在高炉内几乎全部被还原；,锰、钒、硅、钛等：较难还原，部分还原进入生铁。,(1)锰的还原,还原顺序,：MnO,2,Mn,2,O,3,Mn,3,O,4,MnOMn,在高炉内MnO不可能发生间接还原，,只能直接还原,，开始直接还原温度约,11001200,，此时已有初渣形成，因此是从初渣中还原。,MnOCMnCO287.19 kJ/mol,40,60的锰进入生铁，其余入渣,。,2.4非铁元素还原 铜、砷、钴、镍：在高炉内几乎全部被还原；,17,(2)硅的还原,比Fe、Mn难还原。只能在下部高温区（,1300以上,）直接还原：,还原时要吸收大量热，少量被还原。铁水中含硅量可,作为衡量炉温水平的标志,。,SiO,2,CSi2CO,628 kJ/mol,(2)硅的还原,18,(3)磷的还原,2Ca,3,(PO,4,),2,3SiO,2,10C3Ca,2,SiO,4,4P10CO,在10001300时用碳作还原剂还原磷，其还原率能达60；当有SiO,2,存在时，可以加速磷的还原。,还原出来的P溶入生铁中形成Fe,3,P，因此炉料中的P几乎全部还原进入生铁中。,(3)磷的还原2Ca3(PO4)23SiO210C,19,(4)硫的还原,各种炉料均可能带入硫，但从数量分析，焦炭中的硫是高炉内硫的主要来源。炉料中的硫70%80%是由焦炭带入的。焦炭的有机硫约有1/31/2到达风口前以S、SO,2,、H,2,S等形式挥发进入煤气。剩余的在风口前燃烧生成SO,2,，随即被固体碳还原成硫蒸汽。,挥发出高炉的硫只占气体硫的一部分，其余部分又会被软化半熔区和滴下带的渣和铁吸收，转入炉内。,(4)硫的还原,20,进入生铁中的硫以FeS的形式存在。FeS既可溶于渣，也可溶于生铁。在一定冶炼条件下，降低生铁中硫含量，提高生铁质量最有效措施为提高炉渣脱硫能力。,炉渣脱硫是利用渣中碱性氧化物将生铁中的硫转变成只溶于渣而不溶于生铁的矿化物的过程。炉渣脱硫能力高低一般用,L,S,表示，,L,S,值越高，则渣脱硫能力越强。,炉渣脱硫反应为：,FeS+(CaO)+C=(CaS)+Fe+CO,Q,进入生铁中的硫以FeS的形式存在。FeS既可溶,21,三 高炉炉渣,1 高炉炉渣的组成与作用,铁矿石中的铁氧化物还原出金属铁，其中的,脉石,和焦炭(燃料)中,灰分,等与熔剂相互作用生成,低熔点化合物,，即形成液态炉渣。,组成炉渣的氧化物很多，主要成分有,SiO,2,、CaO、A1,2,O,3,、MgO、MnO、FeO、CaS、CaF,2,等。,含量最多的是SiO,2,、CaO、A1,2,O,3,、MgO四种,。,炉渣碱度一般在1.01.3。,三 高炉炉渣1 高炉炉渣的组成与作用 铁矿石,22,2 高炉炉渣的作用,（1）使铁与杂质分离：由于炉渣具有熔点低、密度小和不溶于生铁的特点，所以高炉冶炼过程中渣、铁得以分离并从而获得纯净的生铁，这就是高炉造渣过程的基本作用。,（2）控制生铁成分：渣铁之间进行合金元素的还原及脱硫反应，起着控制生铁成分和质量的作用。比如高碱度渣能促进脱硫反应，有利于锰的还原，从而提高生铁质量；SiO,2,含量高的炉渣促进硅的还原，从而控制生铁含硅量等。,2 高炉炉渣的作用 （1）使铁与杂质分离：由于炉渣具有,23,2 高炉炉渣的作用,（3）初渣的形成造成了高炉内的软熔带和滴落带，对炉内煤气流分布及炉料的下降都有很大的影响。因此，炉渣的性质和数量，对高炉操作直接产生作用。,（4）具有较高熔点的炉渣容易附着在炉墙上形成“渣皮”，起保护炉衬的作用。但如炉渣熔点过低或粘度过小，将会慢慢侵蚀炉衬，起破坏性作用。因此，炉渣成分和性质直接影响高炉寿命。,2 高炉炉渣的作用 （3）初渣的形成造成了高炉内的软熔带,24,3 高炉炉渣的形成,在对高炉炼铁的研究中，通常将高炉渣分为初渣、中间渣、终渣(或称末渣)。,造渣过程是物料尚处在固体状态下就开始的。,脉石与从高价氧化物还原出来的 FeO和MnO等形成低熔化点的矿物，在一定的温度下软化和熔融成,初渣,。,3 高炉炉渣的形成 在对高炉炼铁的研究中,25,初渣在滴落过程中不断与煤气和焦炭接触，连续发生化学反应，逐渐失去FeO和MnO，同时吸收焦炭灰分及上升煤气中所携带的物质。,也是吸收熔剂中的CaO、MgO。随着成分的变化，炉渣的熔点逐步升高，但它进入了高温区，有足够的热量对它加热，保证它透过炉内的焦炭区，而汇集在炉缸中，在铁液的上面形成渣层。,由于风口区是氧化性气氛，所以炉渣通过风口时成分又发生一次变化，这种成分不断发生变化的炉渣称为,中间渣,。,初渣在滴落过程中不断与煤气和焦炭接触,26,通过风口水平面聚集在炉缸中的渣称为,终渣,。,炉渣进入炉缸，在铁液上面逐渐形成增厚的渣层，在铁液穿过及渣铁层间界面时，进行着脱硫等各种反应，调整生铁成分，直至成为终渣，积累到一定数量定期排出炉外。,通过风口水平面聚集在炉缸中的渣称为终渣。,27,四 生铁形成,刚从铁矿石还原出来的金属铁呈固体多孔状，几乎不含碳，称为海绵铁。它的熔化温度很高，在1500以上。,随着炉料从还原地带向下方运动，煤气中CO分解形成的碳黑具有很高的活性，它附着或沉积在海绵铁表面的孔隙里，使其渗C，形成铁的碳化物。,四 生铁形成 刚从铁矿石还原出来的金属铁呈固,28,随着碳的渗入，海绵铁的熔化温度降低；在到达高炉内的软化熔融带时，海绵铁由固体转变为铁滴。在液态铁滴穿过焦炭区时，渗入的碳量继续增加，最终达到饱和状态。炼钢生铁的含碳量可达5%。,生铁形成过程中，还伴随着有害元素硫，磷等的去除。,渗碳,和已还原的元素溶入铁中，最终得到含Fe、C、Si、Mn、P、S等元素的生铁。,铁渗碳,：,3Fe,固或液,2C=Fe,