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简介
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1.1 冶金基本概念 1.2 钢铁工业 钢铁冶炼 1.3 钢铁产品及副产品 1.4 钢铁工业能耗及能源 1.5 耐火材料 1.6 环境保护 1.7 小结 冶金是研究如何经济地从矿石或其它原料中提取金属或金属化合物，并采取各种加工方法制成具有一定性能的金属材料的科学。 黑色冶金： 是指以铁、鉻、锰三种金属元素作为主要开采、冶炼、压延对象的工业产业。 炉渣是炉料在冶炼过程中不能进到生铁和钢中的氧化物、硫化物等形成的熔融体。 其主要成分是CaO、MgO、SiO2、Al2O3、MnO、FeO、P2O5、CaS等。 根据冶炼方法的不同，钢铁生产产生的炉渣分为高炉渣和炼钢渣，按炉渣中含有不同的化学成分又可分为碱性渣和酸性渣。 钢铁生产中还能获得大量的可燃气体，高炉炼铁可产生高炉煤气，转炉炼钢可获得转炉煤气，炼焦时可得焦炉煤气等 煤气主要成分：CO、H2、CO2、N2、CH4 钢铁生产用能源 钢铁工业能耗 节能途径 节能途径 钢铁工业是能源消耗的大户，约占全国总能源消耗量的10～11％。 钢铁生产所用能源主要有煤炭、燃料油(重油)、天然气、电力等。 煤占钢铁生产中燃料消耗的70%，钢铁工业用煤量已超过煤炭总产量的15％。 煤在钢铁企业主要用来炼焦和自备电厂发 电、蒸汽机车烧煤、烧工业锅炉及部分窑 炉，少部分制成粉煤用于高炉喷吹及烧结生产。 我国钢铁工业的能源消耗中，钢铁冶炼是耗能最高的工序，占钢铁工业能耗的60～70％。其主要耗于炼铁系统，焦化、烧结、球团、炼铁等工序，占钢铁生产能耗的一半以上。 改进生产工艺及操作，更新和改造耗能高的设备。 降低能源损失（“废料”、煤气、热能、压力 能），减少生产工序。 回收利用散失热量。 加强企业能源管理，加强能源利用技术的研 究工作，提高操作技术水平，充分发挥现有设备能力，以节能为目标合理组织生产。 凡是耐火度高于1580℃，能在一定程度上抵抗温度骤变、炉渣侵蚀和承受高温荷重作用韵 无饥非金属材料，称为耐火材料。 耐火材料由耐火砂岩进入到现代科技产品，已 成为独立的生产行业，其产品的60～80％消 耗于冶金工业。 钢铁生产对耐火材料的要求是：耐火度高；能 抵抗温度骤变；抗熔渣、金属液等侵蚀能力 强；高温性能和化学稳定性好。 钢铁厂产生的各种污染物有： 大气污染物质、污水 固体废弃物 SOX：是通过原料、燃料中硫磺成分的燃烧而产生的。烧结工厂等为其主要发生源。 NOX：通过燃烧后发生。烧结工厂等为其主要发生源。 煤尘：通过燃烧后发生。烧结炉、各加热炉为 其发生源。 粉尘：从燃料原料的输送、处理过程，及储藏场中产生。炼铁、炼钢工程为其主要发生源。 钢铁工业用水主要是冷却水，其次是煤气洗涤水，以及冲洗设备、地面及除尘用水等。 污水中含有下列污染物： 固体悬浮物（SS）：从排气集尘、高温物质的直 接冷却等过程中产生。 油：由各种机械等所使用的油所发生的漏泄及冷轧工程使用轧制机的机油等原因而产生。 化学需氧量（COD）：从煤炭干馏时的氨水，及 冷轧、电镀废水中产生。 酸、碱：从冷轧工程的酸洗工程、电镀工程等的脱 脂工程中产生。 炉渣：从高炉、铁水预处理、转炉、电炉、二次精炼设备等的冶炼工程中产 生。 污泥：在各种水处理过程中产生。 灰尘：从各种干式集尘机中产生。 重点掌握内容： 火法冶金及其主要工序； 钢铁冶炼的任务； 钢铁生产长流程生产工艺； 耐火材料及其要求； 钢铁工业能源及能耗特点。 谢 谢 铁矿储量排在前5位的国家有：前苏联、澳大利亚、加拿大、巴西、印度，如下表： 将准备好的原料(细磨精矿或其他细磨粉状物料、添加剂等)，按一定比例经过配料、混匀制成一定尺寸的小球，然后采用干燥焙烧或其他方法使其发 生一系列的物理化学变化而硬化固结．这一过程即 为球团生产过程．其产品即为球团矿。 球团矿生产的工艺流程一般包括原料准备、配料、混合、造球、干燥和焙烧、冷却、成品和返矿处理等工序。 ② 物理性能 包括机械强度和粒度组成等。高炉要求烧结矿机械强度高，粉末少，粒度均匀。烧结矿粒度小于5mm的称之为粉末。粉末含量对高炉料柱透气性影响很大。粉末含量高，高炉透气性差，导致炉况不顺，可能引起崩料或悬料。反应机械强度的指标为：转鼓指数、抗磨指数、筛分指数。 目前武钢烧结矿的转鼓强度大约在79%～80%左右。 ③高温冶金性能 低温还原粉化率（RDI Reduction Degradation Index ）：是指烧结矿在高炉上部约500℃还原气氛下抗粉化的能力。 ＜3.15mm粒级越小越好。还原度（RI）：是指烧结矿在900 ℃还原气氛下被还原成Fe的能力。还原度越高越好。 高炉冶炼过程及特点 燃烧反应 还原反应 高炉炉渣与脱硫 炉料与煤气运动 高炉生产主要技术经济指标 用CO和H2还原铁氧化物，生成CO2和H2O还原反应叫间接还原。 用CO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。 用固体碳还原铁氧化物，生成CO的还原反应叫直接还原。 直接还原一般在大于1100℃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。 在高炉内具有实际意义的只有 FeO+C=Fe+CO的反应。 磷酸铁[(FeO)3·P2O5·8H2O]又称蓝铁矿，蓝铁矿结晶水分解后，形成多微孔的结构较易还原磷酸钙（主要存在形式）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SiO2存在时，可以加速磷的还原；磷在高炉冶炼条件下，全部被还原以Fe2P形态溶于生铁。 还原出来的铅（密度11.34g/cm3）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CO2和H2O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。 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。 渗碳过程 固体海绵铁发生渗碳过程：（渗C有限，不到1％） 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。 高炉炉渣是铁矿石中的脉石和焦炭(燃料)中的灰分等与熔剂相互作用生成低熔点的化合物，形成非金属的液相。 高炉炉渣的来源：矿石中的脉石、焦炭(燃料)中的灰分、熔剂中的氧化物、被侵蚀的炉衬等。 高炉炉渣的成分：氧化物为主，且含量最多的是SiO2、CaO、Al2O3、MgO。 炉渣中氧化物的种类：碱性氧化物、酸性氧化物和中性氧化物。以碱性氧化物为主的炉渣称碱性炉渣；以酸性氧化物为主的炉渣称酸性炉渣。 炉渣的碱度(R)：炉渣中碱性氧化物和酸性氧化物的质量百分数之比表示炉渣碱度：高炉炉渣碱度一般表示式：R=m(CaO)／m (SiO2)炉渣的碱度根据高炉原料和冶炼产品的不同，一般在1.0～1.3之间。 高炉炉渣的作用 分离渣铁，具有良好的流动性，能顺利排出炉外。 具有足够的脱硫能力，尽可能降低生铁含硫量，保证冶炼出合格的生铁。 具有调整生铁成分，保证生铁质量的作用。 保护炉衬，具有较高熔点的炉渣，易附着于炉衬 上，形成“渣皮”，保护炉衬，维持生产。 焦炭在风口处完全燃烧，灰分进入炉渣。 石灰石在下降过程中，分解的CaO在滴落带，被初渣溶解，参与造渣。 矿石在块状带固相反应生成了低熔点的化合物沿焦炭缝隙流下，分离出初渣。随后渣中(FeO) 不断还原进入铁中，至滴落带，炉渣以滴状下落，渣 中FeO已降到2％～3％。 滴落的初渣成分不断变化，初渣开始是自然碱度，以后随着SiO2的还原，石灰石渣化并加入焦炭灰分，经过碱度波动之后形成终渣。成渣过程中，软熔带对炉内料柱透气性影响很 大，习惯上把这一带叫成渣带。 硫的来源：矿石、焦炭、熔剂和喷吹燃料中的硫分。炉料中焦炭带入的硫最多，占70％～80％。 冶炼每吨生铁由炉料带入的总硫量称硫负荷。 硫在煤气、渣、铁中的分配： 炉料带入高炉内部的硫的分配：在冶炼过程中又全部转入炉渣、生铁、煤气中。 分配系数：渣中含硫量与铁中含硫量之比，用Ls表示。 降低生铁硫含量的措施：降低硫负荷；增大硫的挥发量；加大渣量；增大硫的分配系数Ls（提高高炉炉渣的脱硫能力）。 高炉是一个竖立圆筒形炉子，其内部工作空间形状称为高炉内型，即通过高炉中心线的剖面 轮廓。高炉内型一般由炉缸、炉腹、炉腰、炉身和炉喉五段组成。 炉型设计合理，能促进高炉冶炼指标的改善和延长高炉的使用寿命，故炉型是高炉最基本的 工艺参数。现代高炉向大型化发展，合理炉型总的趋势是矮胖化。 由热风炉送出的热风通过热风总管送到高炉，再经热风围管和送风支管，将热风均匀的分配到每个风 口，以便炉内焦炭和喷吹燃料进行燃烧。 热风围管由钢结构本体、耐火内衬、吊挂装置和下部电葫芦单轨梁组成。 风口装置主要由风口大套、中套和风口小套组成。 高炉生产过程中因故障临时检修或计划检修需要停止送风称休风。 超过8小时称长期休风，8小时以下的称短期休风。 短期休风时应将高炉本体与管道系统完全切断，休风期间应向高炉炉顶及煤气管道内通入蒸汽。 长期休风时应在停炉前关闭炉顶蒸汽，点燃炉 顶煤气，停风堵严风口，然后再继续通蒸汽，使煤气管道与大气相通，靠自然抽力驱净煤气。 高炉一代寿命终结需要大修时就要停炉，停炉要做到安全、出净残铁，以便拆卸抢修。 停炉时一定从炉底预先做好的残铁口放尽残铁。 停炉方法： 焦炭填充法：停炉开始时装湿焦块，并经炉顶喷水，直到小焦块下降到风口平面时停止送风，继续喷水至焦炭熄灭。 空料线喂水法：停炉一开始停止装料，从炉顶喷水，待料面达风口平面上1~2m停止送风，继续喷水至焦炭熄灭。 热制度就是根据冶炼条件所炼生铁品种的需要，在争取最低焦比的前提下，选择并控制均匀稳定 而热量充沛的炉温。炉温高低通常用渣铁温度（铁水1350～1500℃，炉渣温度一般高50～100 ℃ ）表示或用铁水含硅量表示。 目前我国大多数高炉生铁含硅0.4%～0.5%，铁水温度为1450～1500℃。 送风制度是指在一定的冶炼条件下，维持适宜的鼓风数量、质量和风口状态。具体来说，包 括风量、热风温度与压力、鼓风湿度与含氧量、风口数目、风口直径和风口长度(伸入炉缸内的长度)、是否喷吹燃料等。 送风制度的选择，应综合考虑生产任务，风机 能力，热风温度水平，原燃料的数量和质量等 客观条件，确定适宜的冶炼制度，然后根据高 炉冶炼行程的征兆，运用下部调剂的原则来选 择适宜的风口面积和风口长度，使煤气流在炉 缸的初始分布达到合理。 所谓造渣制度，通常就是根据高炉的原料和冶炼的生铁品种等条件，选择一个流动性、粘 度、熔化性温度和脱硫、排碱能力等性能适宜的终渣成分。 造渣制度包括造渣过程和终渣性能的控制，造渣制度应根据冶炼条件和生铁品种确定。而炉渣性能是选择造渣制度的依据。 装料制度是指炉料装入方法。包括装入顺序、批重大小及料线高低等。 其主要作用是通过改变装料方法，变更炉料在炉喉料面的分布，来控制煤气流的分布，达到既充分利用煤气的热能和化学能，又能保证炉料的顺利下降，为高炉稳定使用大风打开两条合理的煤气通路。 出渣出铁制度化，首先及时出净渣铁，保持炉缸渣铁在合适水平，保证炉缸工作正常进行。 其次是规定出渣出铁时间表以便按序工作。在正常情况下，一座大型高炉出铁次数增加到10～15次，每次出铁30～45分钟，多铁口 转换，以至连续出铁。 重点掌握内容： 高炉炼铁原料及作用、烧结及过程； 高炉结构、高炉内区域及进行反应、直接还原和 间接还原、高炉炉渣作用、生铁去硫、高炉生产 主要技术经济指标： 高炉有效容积、炉顶装料装置、热风炉炉型及原理； 高炉特殊操作、炉温。 直接还原的发展在70年代能源危机后受到了阻碍，研究和开发不以天然气和石油为能源的熔融还原成了冶金工作者新的非高炉炼铁法课题。熔融还原方法是在高于渣铁熔点下进行的反应，其产品是含碳液态生铁。熔融还原优点是以煤炭为主要能源，对矿石品位要求不象直接还原那样严格。熔融还原主要问题是需要大量氧气或电能，能耗较高。 我国直接还原技术发展现状 有自主产权、适应我国资源条件的熔融还原作为高炉炼铁的补充在我国存有一定的生存和发展空间。 需要组织国内技术力量， 组织跨学科、跨行业的联合开发和技术攻关，开发有自主产权、适应我国资源条件的熔融还原技术。 总结世界直接还原铁的发展历史、我国五十多年直接还原 铁技术开发的经验和教训，鉴于直接还原竖炉具有能耗低，CO2、硫化物排放少，单机生产能力大，在产品热出料、热装电炉时可大幅度降低炼钢能耗等特点，煤制气——竖炉将是我国发展直接还原铁生产的主导工艺。 我国天然气资源短缺，但非结焦煤煤炭资源丰富，煤制 气是我国推荐的清洁利用煤炭能源的方法，是我国化工行业 成熟的常规技术，有长期工业化生产的经验；利用成熟的煤 制气技术制备还原气，在资源、技术、经济上均是可行、可 靠的。 我国铁矿资源中～50%磁铁矿通过精选（TFe＞69.5%， SiO2＜2.0%）—氧化球团可以生产满足竖炉要求的直接还原 铁专用球团，生产成本远低于进口价格。利用我国的铁矿资 源为直接还原铁提供原料，通过小型工业化生产证明技术上 可行，经济合理。 熟悉直接还原法、熔融还原法大致工作原理; 理解并掌握直接还原法、熔融还原法含义、产品及其用途 (重点)； 了解非高炉炼铁发展背景、几种典型直接还原法、熔融还原法工艺过程。 谢 谢
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