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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