河北联合大学钢铁冶金学炼铁 讲义Word文档下载推荐.docx
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n=P/Vu
3、焦比：
每t生铁所消耗的焦炭，kg/t。
K=Q/P
煤比：
每t生铁所消耗的煤粉量，kg/t。
综合焦比＝焦比＋煤比×
置换比。
4、冶炼强度：
每天每m3容积消耗的焦炭量，t/m3。
I=Q/Vu=n×
K
综合冶炼强度=每天综合焦炭消耗量/有效容积
5、生铁合格率：
生铁化学成分符合国家标准的总量占生铁总产量的百分数。
6、休风率：
休风时间占日历时间的百分比。
7、高炉一代寿命（炉龄）：
（1）两次大修之间的时间，年。
（2）单位体积的产铁量，t/m3。
第二部分铁矿石和熔剂
§
1铁矿石
一、基本定义：
矿物：
自然界存在的自然元素和化合物。
矿石：
可以提取有用物质并获取利润的矿物。
脉石：
不可以提取有用物质或不能获取利润的矿物。
二、矿石的种类：
赤铁矿（Fe2O3），红色；
磁铁矿（Fe3O4），黑色，有磁性；
褐铁矿（Fe2O3·
nH2O），含有结晶水；
菱铁矿（FeCO3）碳酸盐。
三、铁矿石的质量评价
（1）含铁品位（TFe），扣除CaO的品味；
（2）脉石成分（SiO2、Al2O3低，CaO、MgO高）；
（3）有害杂质（S、P、F、As、K、Na、Pb、Zn、Cu）与有益元素，（Mn、Cr、Ni、Co、V、Ti、Mo、Nb、稀土类等）；
（4）还原性（由好至坏依次为：
褐铁矿、菱铁矿、赤铁矿、磁铁矿）；
（5）强度与粒度（粒度上限决定还原性，下限决定于透气性，一般为9—25mm）；
（6）化学成分和粒度的稳定
四、我国铁矿石的特点
1、贫矿多2、复合矿多
五、锰矿石评价
合金元素、与铁性能相近、用于铁合金和洗炉。
1、Mn高，比铁品位更重要，难还原；
2、Fe低，Mn/Fe>
10，因为Fe易还原；
3、S、P要低，因为铁合金在后期加入钢水中，不能再脱S和脱P，要求P<
0.2%；
4、较高的强度和适宜的粒度。
2铁矿石准备处理
一、破碎与筛分
破碎比：
矿石进入破碎机的直径与出来的直径之比。
台时产量：
1台设备1小时的产量。
网目：
1英寸（2.54厘米）长度上的方孔数。
200目：
1英寸的筛网长度内有200个筛孔。
-200目：
直径比200目小的，在筛网下面的物料。
+200目：
直径比200目大的，在筛网上面的物料。
二、混匀
目的：
使原料的物质和化学性质均匀与稳定。
方法：
平铺直取。
铺料层数600层，层数越多，每层越薄，成分越均匀。
堆垛方式：
三角形、菱形
三、焙烧（目的是改变铁矿石性能。
）
主要有：
1、还原磁化焙烧
Fe2O3+CO=Fe3O4+CO2Fe2O3+H2=Fe3O4+H2O（十分容易）
磁化率：
TFe/FeO=2.33
2、氧化焙烧
2FeCO2+1/2O2=Fe2O3+2CO2
Fe2O3·
nH2O=Fe2O3+nH2O
作用：
提高含铁品味（10%），可去除30%-40%的硫。
3、氯化焙烧
去除有色金属、Cu、Pb、Zn沸点低
原料为CaCl2缺点：
腐蚀性强
四、选矿
1、提高品位，回收有用的元素；
2、去除有害杂质。
方法主要有磁选、重选、浮选
2高炉用溶剂
一、目的：
降低熔点、脱硫。
二、分类：
碱性、中性、酸性
三、质量要求：
1）CaO、MgO高；
2）S、P低；
3）高强度和适宜粘度；
4）比较高的活性。
第三部分高炉用燃料
1焦炭
一、作用：
发热剂、还原剂、增碳剂、骨架作用
二、质量要求：
1、C固高；
2、A低；
3、V适当；
4、S、P低；
5、常温强度高；
6、高温强度高；
7、稳定性好。
三、炼焦（配煤）
1、煤根据其挥发分分类：
炼焦煤和非炼焦煤，前者包括气煤，肥煤，主焦煤，瘦煤，后者包括无烟煤，贫煤，褐煤等
2、焦炭性能与原煤性能的关系：
1）S主要决定于混合煤中的S（脱去30%—40%）与温度与时间有关。
2）
3）
4）
+++++++++++++++++++
四、炼焦工艺
煤准备：
贮存、配料、炼焦—熄焦（干法熄焦N2；
湿法熄焦水）
2喷吹煤粉
一、喷吹煤粉的作用：
发热、还原
二、质量要求：
1、灰分低，C高；
2、S、P低，K、Na低；
3、发热值高；
4、可磨性好；
5、燃烧性和反应性好；
6、安全性高。
第四部分烧结原理
1抽风烧结过程
一、烧结的作用
1、利用贫矿和粉矿；
2、改善铁矿的冶金性能；
3、利用钢铁厂的废弃物。
二、烧结原料质量要求
1、含铁原料
种类：
精矿粉，富矿粉，高炉炉尘，转炉炉尘，轧钢皮等。
质量要求：
S、P低，FeO高，粒度＜10mm。
2、溶剂
石灰石；
消石灰；
生石灰；
白云石；
菱镁石。
CaO、MgO高；
S、P低；
粒度＜3mm，要有利于分解和矿化；
高活性度；
成分稳定。
3、燃料
（1）点火气体燃料：
有高炉煤气、焦炉煤气、天然气，一般采用高炉煤气与焦炉煤气混合。
质量要求：
发热值高，点火温度达到1100℃至1250℃；
安全。
（2）固体燃料：
焦粉和煤粉
质量：
A和V低；
S和P低；
粒度＜3mm。
三、抽风烧结过程
温度分布见教材中的图2-1（P33）。
分为5层
1、烧结矿层：
小于1100℃，空气预热；
烧结矿冷却；
液相结晶固结。
厚度逐渐增加，烧结完成时则全部都是。
2、燃烧层：
700℃至1350℃或1500℃，厚度为15-80mm。
燃料燃烧；
软熔；
氧化；
还原；
分解等。
3、干燥预热层：
露点至700℃，升温速度快。
水分蒸发；
燃料加热；
固相反应；
结晶水分解。
4、过湿层：
露点以下至露点。
水汽重新凝结于混合料中，产生过湿，透气性差。
5、混合料层和铺底料。
2烧结料中水分的蒸发、分解和凝结
（1）蒸发和凝结的条件是：
蒸发：
实际PH2O<
P’H2O（饱和蒸汽压）
凝结：
实际PH2O>
P’H2O（饱和蒸汽压）
（2）蒸发：
100℃时：
P’H2O=0.1013MPa（1atm）
实际上：
烧结料层中PH2O＝0.9atm，因此水汽化的沸腾温度低于100℃。
烧结过程中汽化在120℃至125℃完成
原因有：
1、烧结过程传热速度快，烧结混合料快速加热；
2、分子水与固体颗粒之间的结合力大，不易去除。
（3）凝结：
水分的再分布，温度是露点：
PH2O=P’H2O
烧结过程中露点一般为50℃-60℃，消除水分凝结的措施是将混合料温提高到露点以上。
（4）分解：
分解吸热，增加燃料消耗。
褐铁矿：
250℃至300℃分解。
高岭土（Al2O3·
SiO2·
2H2O）：
400℃开始分解，500℃至600℃大量分解，完成去除结晶水要到1000℃左右。
3碳酸盐分解及矿化作用
一、分解反应：
CaCO3=CaO+CO2MgCO3=MgO+CO2
影响碳酸盐分解因素：
1）烧结温度：
高有利于分解。
2）石灰石粒度：
小有利于分解，要求小于3mm。
3）杂质（Al2O3、SiO2、Fe2O3）：
少有利于分解。
4）活性：
二、碳酸盐的矿化作用：
固化反应，形成CaO·
SiO2、CaO·
Fe2O3等。
如果没有发生矿化作用，则会形成白点（CaO），CaO+H2O=Ca（HO）2体积膨胀，产生粉化。
影响矿化作用的因素：
高有利于矿化。
小有利于分解，要求＜3mm。
3）矿粉粒度：
小有利于分解。
4烧结过程中固体碳的燃烧
一、固体碳燃烧的特征：
1）C少，稀而均匀。
重量比3-5%；
体积比10%左右。
2）传热条件好。
“抽风”
3）具有一定量的空气过剩系数：
α=实际耗氧/理论耗氧
二、固体碳的燃烧过程：
完全燃烧与不完全燃烧同时存在。
xC+yO2=nCO+mCO2
t<
1200℃CO/CO2=1，一级反应
t>
1500℃CO/CO2=2，零级反应
烧结过程温度实际处在1200℃-1500℃，CO/CO2=1-2之间，中间过渡状态，烧结废气中CO和CO2共存。
烧结废气成分为：
CO、CO2、N2、H2、O2
三、空气过剩系数
++++++++++++++++++++++++++++++
四、烧结料层的气氛条件：
根据废气成分确定。
烧结过程中：
自由氧为2-6%，是氧化性或弱氧化性气氛。
但在固体燃料表面附近，则是还原性气氛。
可以说，烧结过程宏观上氧化性气氛；
微观上有还原性气氛。
固体燃料粒度过大时，还原气氛强，要求固体燃料粒度小于3mm>
70%。
五、固体碳燃烧速度
处于扩散速度范围内
固体燃料粒度增加，气流速度提高，气流中含氧增加，则料层温度升高。
5烧结料层的热交换
1、自动蓄热作用：
定义是热烧结矿将热量传给气体，气体温度上升，然后气体将热量带给下层燃烧带，这种现象称为自动蓄热作用。
自动蓄热作用对燃料带的温度影响很大，可以提供燃烧带全部热量的40%以上。
料层越厚，自动蓄热作用越强。
2、垂直烧结速度：
定义是燃烧带（高温区）向下移动的速度。
与料层内的风量（料层透气性）成正比，是决定烧结矿产量的重要因素。
垂直烧结速度过快：
废气传给物料的热量不足，烧结温度降低，烧结矿强度下降，烧结矿成品率下降，烧结矿产量下降。
垂直烧结速度过慢；
烧结矿产量下降，颗粒内部热量多，但表面温度低，液相生成量不足。
3、高温区的温度水平
决定于高温区的热平衡和气流与物料间的传热条件。
Q1+Q2+Q3-Q4-Q5
T=--------------------------------
mc
Q1：
空气显热，kJ。
Q2：
烧结过程中燃料燃烧放热以及所发生的各种反应的热效应总和，kJ
Q3：
从烧结上层下来的废气中吸收的热量，kJ。
Q4：
废气带走的热量，kJ；
Q5：
高温区热损失，kJ
m：
高温区物料重量，kg；
C：
烧结料比热，kJ/kg.℃。
影响因素：
配碳量增加，石灰石量减少，Q2增加，T升高；
烧结过程越往下，Q3增加越多，T升高，抽风烧结的特点；
热风烧结，Q1增加，T升高。
最好在烧结过程的前期供热风，因为此时的Q3=0
4、高温区的厚度
高温区是料层透气性最差的一层。
燃烧速度与传热速度的配合对高温区的温度和厚度有重要的影响。
（1）燃烧速度<
传热速度：
废气传入颗粒内部的热量增多，料层温度水平降低，高温区加厚。
（2）燃烧速度>
废气传入颗粒内部的热量减少，废气温度升高，带走的热量增加，高温区加厚。
（3）燃烧速度≈传热速度：
料层温度最高，高温区厚度最小。
（4）燃料粒度大，则燃烧速度下降，高温区水平下降，高温区厚度增加。
（5）配碳量增加，高温区水平升高，高温区厚度增加。
6烧结料层中的气体流动
气体流动阻力△P=f（ε、w、d、H）,
垂直烧结速度取决于烧结料层在烧结过程中的透气性，不是烧结料层的原始透气性。
烧结矿层：
透气性比较好。
燃烧层有液相：
△P最大，此层越薄越好。
预热干燥层：
透气性主要取决于干燥后混合料中小球的强度。
过湿层：
透气性比较差。
烧结点火后，烧结矿层未形成，△P升高，而后逐渐降低。
气流分布均匀，则垂直烧结速度均匀，烧结成品率升高。
7烧结过程中氧化还原反应
烧结过程宏观上是氧化气氛，但也存在还原气氛，尤其在配碳量比较高和燃料粒度比较大时比较明显。
1）Fe2O3：
在烧结过程中会发生热分解和还原。
3Fe2O3=2Fe3O4+1/2O2热分解
3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2还原
固相反应形成CaO·
Fe2O3系列，则难还原。
2）Fe3O4：
在烧结过程中分解难，但在1300℃--1350℃会发生下面的反应。
2Fe3O4+3SiO2=3（2FeO·
SiO2）+O2
在烧结过程中可以还原，
Fe3O4+CO=FeO+CO2900℃,平衡CO/CO2=3.47
同时也可以发生下面的反应：
3Fe3O4+3SiO2+2CO=3（2FeO·
SiO2）+2CO2，CaO存在，则不利于2FeO·
SiO2的形成。
在烧结过程中也可以氧化成Fe2O3：
条件是料层透气性好，配碳量比较低，氧化反应是放热反应。
（3）FeO：
在烧结过程中还原比较困难，只有在配碳量特别高时才有可能。
在烧结过程中可以被氧化成Fe3O4，条件是料层透气性好，配碳量比较低，供氧充足。
（4）锰氧化物：
MnO2和Mn2O3易进行热分解；
Mn3O4不易进行热分解，但可还原成MnO；
MnO不易还原。
（5）降低烧结矿中FeO的条件
1）
5）
8烧结过程中固相反应
1、固相反应2、液相反应3、冷凝结晶
影响固相反应的因素有：
矿粉粒度；
混匀程度；
燃料用量；
烧结气氛。
9烧结过程中液相的生成
这些液相就是粘结相，对烧结矿质量和产量有非常重要的影响。
（1）铁氧（Fe-O）体系：
铁氧化物固溶体。
高品位烧结矿的主要粘结相，脉石成分比较小。
（2）FeO--SiO2体系：
酸性烧结矿的主要粘结相。
。
2FeO·
SiO2熔点：
1205℃
FeO·
SiO2--FeO熔点：
1177℃
SiO2--SiO2熔点：
1178℃
特点：
强度比较高；
但还原性比较差。
生成条件：
比较低的碱度，有SiO2，比较高的温度；
还原性气氛。
工艺是燃料用量高。
烧结矿碱度与高炉炉渣碱度的区别和联系:
烧结矿碱度＜高炉炉渣碱度：
酸性（低碱度）烧结矿
烧结矿碱度≈高炉炉渣碱度：
自熔性烧结矿
烧结矿碱度＞高炉炉渣碱度：
高碱度（熔剂型）烧结矿
（3）CaO--SiO2体系：
熔剂性烧结矿的主要粘结相。
CaO·
1544℃
1450℃
3CaO·
2SiO2熔点：
1460℃
2CaO·
2130℃
固相反应生成能力强，反应速度快。
强度比较低；
原因是2CaO·
SiO2有相变问题；
不存在还原性问题。
830-850℃：
α-2CaO·
SiO2→γ-2CaO·
SiO2体积膨胀12%
675℃：
β-2CaO·
SiO2体积膨胀10%
应控制或减少2CaO·
SiO2的生成量和晶体转变。
比较高的碱度，有CaO；
高温（生成的液相量是不多的）。
（4）CaO--Fe2O3体系：
Fe2O3熔点：
1449℃
1216℃
2Fe2O3熔点：
1226℃
特点：
还原性比较好，最好的粘结相。
生成条件：
1）高碱度，CaO多。
2）低温，因为高温（1300℃以上）条件下Fe2O3会分解。
3）氧化性气氛，固体燃料配量比较低。
4）SiO2含量比较低，因为SiO2与FeO和CaO的结合力都比较大。
此外，针状铁酸钙比片状和柱状铁酸钙的强度高，还原性好。
发展针状铁酸钙是烧结发展的一个趋势，低温烧结就是这个目的。
（5）CaO--FeO--SiO2体系：
典型矿物：
铁钙橄榄石：
CaO·
FeO·
SiO2
铁钙方柱石：
2CaO·
2SiO2
钙铁辉石：
还原性比较差。
高碱度；
高温；
（6）CaO--SiO2--TiO2体系：
钒钛磁铁烧结矿的主要粘结相。
硬而脆，粉末比较多；
还原性比较好。
钒钛磁铁矿。
高碱度、高温。
10烧结矿成矿过程中液相的冷凝和结晶
、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、
11烧结过程中有害杂质的去除
（1）S的去除。
85-90％
S的存在状态：
1）有机S：
含量一般比较低，仅在个别年轻煤中含量较高。
2）硫化物：
如FeS2、FeS。
3）硫酸盐：
如FeSO4、CaSO4、BaSO4等，硫酸盐在新鲜煤中含量极少，在氧化后的煤中含量比较高。
烧结过程脱硫是氧化脱硫，分解只是一小部分。
硫化物脱硫的主要反应有：
4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2
3FeS2+8O2=Fe3O4+6SO2
2FeS2=2FeS+S2S+O2=SO2
4FeS+7O2=2Fe2O3+4SO2
3FeS+5O2=Fe3O4+3SO2
1350℃以下，铁氧化物以生成Fe2O3为主；
1350℃以上，铁氧化物以生成Fe3O4为主。
上述反应都是放热反应。
硫化物中的硫去除比较容易，硫酸盐中的硫去除比较困难。
但在Fe2O3和SiO2等存在的条件下，CaSO4、BaSO4分解变得容易。
CaSO4+Fe2O3=CaO·
Fe2O3+SO2+1/2O2吸热
BaSO4+SiO2=CaO·
SiO2+SO2+1/2O2吸热
影响烧结过程脱硫的因素：
1）矿粉粒度：
粒度细有利于脱硫，原因是有利于氧化，各类矿粉的粒度要求小于10mm。
2）矿石品位：
品位高有利于脱硫，品位高则熔点高。
3）烧结矿碱度：
碱度低有利于烧结脱硫，烧结脱硫的实现是S进入废气，碱度高有利于形成CaS，没有实现脱硫。
4）燃料用量：
恰当则有利于脱硫。
燃料多易形成还原性气氛，硫负荷高，不利于烧结脱硫；
燃料少烧结温度低，同样不利于脱硫。
烧结脱硫发热，1kgFeS2可代替0.3kg含C为80%的焦粉。
5）返矿用量：
改善料层透气性，有利于烧结脱硫；
液相量增加，不利于脱硫。
（2）去As:
氧化去As，烧透是前提。
As有毒。
2FeAsS+5O2==Fe2O3+As2O3+2SO2
（3）脱F：
2CaF2+SiO2==2CaO+SiF4
CaO不利于去F；
SiO2有利于去F；
H2有利于去F。
F对人体有害、腐蚀设备。
（4）Pb和Zn的去除
燃料增加到10%至11%，脱锌率可以达到20%。
加入CaCl2，可以脱除90%左右的铅和65%左右的锌。
（5）P在烧结过程中不能脱除
第五部分烧结工艺
1、烧结配料（P51）
采用重量法配料，根据配料计算。
2、混匀与制粒
一混的主要作用是混匀；
二混的主要作用是造球制粒。
影响混匀和制粒的因素：
（1）原料性质：
粘性大，比重相差小，粒度差别小有利于混匀和造球。
（2）水分含量和加水方法：
适量、雾状有利于混匀和造球。
（3）工艺因素：
倾角、转速、填充率，混匀时间长有利于混匀和造球。
3、铺底料：
（1）作用：
保护篦条；
减少废气含尘量和除尘器负荷；
增加有效抽风面积和料层透气性；
改善厂区环境。
（2）方法：
粒度自然偏析，偏析布料。
但不能是大粒度的燃料；
10-25mm的成品烧结或天然块矿。
4、布料：
（1）要求：
均匀（粒度、成分和水分）；
具有一定的松散性，但不能太松。
（2）理想布料是粒度上小下粗、碳上多下少。
实现方法有双层布料和偏析布料。
偏析布料有磁辊、反射板和空气吹风。
5、烧结料点火和烧结矿保温
点火温度为1100℃至1300℃之间；
点火时间为1分钟左右。
点火真空度适当低一些。
烧结矿保温是减缓上层烧结矿的冷却速度。
6、烧结矿处理
破碎（单辊破碎）、筛分（固定条筛）、冷却（带式冷却机和环形冷却机）
返矿返回烧结机，小于5mm的比例应小于5%。
7、烧结机生产能力
Q=60KΥBHV
K：
成品率%；
Υ：
堆比重；
B：
台车宽；
H：
料层高；
V：
台车速度；
H=dtd：
垂直烧结速度；
t：
烧结时间；
D=f（料层透气性）；
透气性指数=Q/F（H/ΔP）0.6;
Q：
抽风量；
F：
抽风面积；
料层厚度；
ΔP：
负压。
8、改善烧结料层透气性
（1）适当配加富矿粉，粒度粗。
（2）加消石灰，有利于成球。
（3）加松料器。
（4）提高料温：
蒸汽、热返矿、生石灰，消除过湿现象。
（5）新的布料装置。
9、增加有效风量
（1）降低漏风率，主要是机头和机尾。
（2）经常检查，及时堵漏，定期检修。
10、改善烧结矿质量
（1）厚料层烧结;
（2）提高MgO含量;
（3）低温烧结;
（4）加B或P;
（5）高碱度烧结矿;
（6）合适的配C量;
（7）配加蛇纹石;
（8）配加萤石。
第六部分球团原理
1铁矿粉成球
一、粉矿成球
1、成球机理：
加水润湿矿粉是铁矿粉成球的基本条件，对水进行研究。
水在矿粉中的状态：
（1）吸附水：
原因是新表面具有过剩能量。
具有固体的性质，不能在颗粒表面自由移动。
（2）薄膜水：
结合力要差一些，可以在颗粒表面迁移。
吸附水和薄膜水组成分子结合水，矿粉含水量达到最大分子结合水后，成球才明显开始。
（3）毛细水：
矿粉中超过分子水后才能形成，起作用的是毛细力。
矿粉成球过程是在毛细力的作用下，矿粉颗粒被拉向水滴中心，形成小球。
毛细水在矿粉成球中起主导作用。
液体表面张力大、物料亲水性强、液体密度小、毛细管直径小，毛细力大，矿粉成球容
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