高炉炼铁
(Blast Furnace Ironmaking)
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主要内容
高炉冶炼用原料(raw materials)
高炉炼铁原理
高炉结构及附属设备
高炉操作
钢铁生产的典型工艺（长流程）
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高炉冶炼用原料
主要原料
烧结(sintering)
球团(pelletizing)
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几个基本概念
1 矿物(Minerals)：地壳中具有均一内部结构、化学组成及一定物理、化学性质的天然化合物或自然元素称为矿物。其中能够为人类利用的称为有用矿物。
2 矿石(Ore)：在现代的技术经济条件下，能以工业规模从中提取金属、金属化合物或其它产品的矿物称为矿石。
3 矿石的品位(Ore grade)：矿石中有用成分的质量百分含量，称为该矿石的品位。
4 脉石(Gauge)：矿石中没有用的成分称为脉石，一般在冶炼过程中需要去除。
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5、富矿(high-grade ore)：含铁品位>50%的铁矿石
赤铁矿：理论含铁量70%
磁铁矿：理论含铁量%
菱铁矿：理论含铁量48 . 3%
褐铁矿：理论含铁量55 . 2~%
6、贫矿(lean ore)：实际含铁量低于理论含铁量70%的铁矿石称贫矿（必须经过选矿后使用）
7、块矿(lump ore)和粉矿(fine ore)
扣除CO2和结晶水
富矿
破碎、筛分
块矿(>5~10mm),上限
粉矿（<5mm）供烧结厂生产烧结矿
大中型高炉<45mm
中小型高炉<20~25mm
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8、精矿(ore concentrate)：贫矿经过破碎，细磨，并通过磁选或浮选得到的高品位细粉状矿石.
赤铁矿
细磨
-200目>60~80%
浮选
磁铁矿
细磨
-200目>60~80%
磁选
褐铁矿
先磁化焙烧
后细磨
磁选
菱铁矿
细磨
-200目>60~80%
浮选
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主要原料
高炉冶炼用的原料主要有铁矿石（天然富矿和人造富矿）、燃料(fuel)（焦炭和喷吹燃料）、熔剂(flux)（石灰石与白云石等）。
冶炼1t生铁大约需要~矿石，~焦炭(coke)，~熔剂。
高炉冶炼是连续生产过程，必须尽可能为其提供数量充足、品味高、强度好、粒度均匀粉末少、有害杂质少及性能稳定的原料。
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铁矿石
磁铁矿（Fe3O4）-magnettie
赤铁矿（Fe2O3）-hematite
褐铁矿（mFe2O3·nH2O）-limonite
菱铁矿（FeCO3）-siderite
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铁矿石处理工艺流程
矿石(ore)→破碎(crush)→筛分(screen)→富矿(high-grade ore)→混匀(mix)→高炉；
矿石→破碎→筛分→贫矿
(lean ore)→磨矿
(grinding)→筛分→选矿
→造块→人造富矿→高炉
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燃料
焦炭的作用：发热剂、还原剂及料柱骨架。
粒度：大型高炉 40~60mm；
中型高炉 25~40mm；
小型高炉 15~25mm；
喷吹燃料：
固体（无烟煤与烟煤粉）
液体（重油、煤焦油）
气体（天然气或焦炉煤气）
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熔剂
熔剂主要使用石灰石(calcite)
和白云石(dolomite)；
熔剂的要求：
有效成分含量高（CaO+MgO）；
有害杂质S、P低；
粒度均匀，强度好，粉末少。
熔剂的作用：
助熔，改善流动性，使渣铁容易分离；
脱硫（焦炭和矿石中S）。
烧结(sintering)
造块处理的必要性
烧结矿和球团矿优点
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烧结(sintering)
将各种粉状铁，配入适宜的燃料和熔剂，均匀混合，然后放在烧结机点火烧结。在燃料燃烧产生高温和一系列物理化学变化作用下，部分混合料颗粒表面发生软化熔融，产生一定数量的液相，并润湿其它未融化的矿石颗粒。冷却后，液相将矿粉颗粒粘结成块。这一过程叫是烧结，所的到的块矿叫烧结矿。
烧结
工艺
流程
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武钢三烧396m2鼓风环式冷却机
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烧结过程示意图
烧结料层有明显的分层，依次出现烧结矿层、燃烧层、预热和干燥
层、过湿层，然后又
相继消失，最后剩下
烧结矿层。
烧结矿层
燃烧层
预热和干燥层
过湿层
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400m2带式抽风烧结机
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烧结过程的主要反应
燃烧反应：C+O2，烧结废气中以CO2为主，存在少量CO，还有一些自由氧和氮。
2C+O2=2CO； C+O2=CO2
分解反应：
结晶水的分解：褐铁矿（mFe2O3·nH2O）
高岭土（Al2O3· 2SiO2·2H2O)
熔剂分解：CaCO3=CaO+CO2(750℃以上)
MgCO3=MgO+CO2(720℃)
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烧结过程的主要反应
还原与再氧化反应：Fe、Mn等
靠近燃料颗粒处：3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2;
Fe3O4+CO=3FeO+CO2;
远离燃料颗粒处：2Fe3O4+1/2O2=3Fe2O3;
3FeO+1/2O2=Fe3O4.
气化反应：脱硫85％～95％。
FeS2+11/2O2=Fe2O3+4SO2
2FeS+7/2O2=Fe2O3+2SO2
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烧结矿的形成
烧结矿形成机理
是一种由多种矿物组成的复合体。由含铁矿物和脉石矿物组成的液相粘结在一起组成。
含铁矿物有磁铁矿、方铁矿（或浮氏体）、赤铁矿
粘结相主要有铁橄榄石、钙铁橄榄石、硅灰石、硅酸二钙、硅酸三钙、铁酸钙、钙铁灰石及少量反应不全的游离石英和石灰。
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烧结厂巡视
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烧结机
世界上90%以上烧结矿由抽风带式烧结机生产，其主要设备为烧结台车。
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球团
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。
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圆盘造球机
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竖炉球团矿生产的工艺流程
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高炉炼铁原理
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
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高炉冶炼过程及特点
现代高炉生产过程是一个庞大的生产体系，除高炉本体外，还有供料、送风、煤气净化除尘、喷吹燃料和渣铁处理等系统。
高炉炼铁的本质
传质过程：矿石中的O2- O2-
进入煤气中，实现铁与氧的分离
传热过程：煤气携带的热量传给炉料，使炉料熔化成渣铁，实现渣铁分离
O2-(矿）＋CO ￫ CO2
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高炉生产工艺流程
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高炉结构
高炉是由耐火材料砌筑而成竖式圆筒形炉体，外有钢板制成炉壳加固密封，内嵌冷却器保护，炉子自上而下依次分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹和炉缸五部分。炉缸部分设有风口、铁口和渣口，炉喉以上为装料装置和煤气封盖及导出管。
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高炉炉内炉料状况及反应
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燃烧反应
炉顶加入的焦炭，其中风口前燃烧的碳量约占入炉总碳量的65%～75%，是在风口前与鼓风中的O2燃烧，17～21％参加直接还原反应，10％左右溶解进入铁水。
燃烧反应的作用：
为高炉冶炼过程提供主要热源；
为还原反应提供CO、H2等还原剂；
为炉料下降提供必要的空间。
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燃烧反应
燃烧反应的机理一般认为分两步进行：
风口前碳素的燃烧只能是不完全燃烧，生成CO并放出热量。
由于鼓风中总含有一定的水蒸气，灼热的C与H2O发生下列反应：
C+H2O=CO+H2 -124390kJ
实际生产中的条件下，风口前碳素燃烧的最终产物由CO、H2、N2组成。
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回旋区及燃烧带
回旋区：风口前产生焦炭和煤气流回旋运动的区域称为回旋区。
回旋区和中间层组成焦炭在炉缸内进行燃烧反应的区域称为燃烧带。
实践中常以CO2降至1～2％的位置定为燃烧带界限。大型高炉的燃烧带长度在1000～1500mm左右。
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还原反应
基本概念
高炉内铁氧化物的还原
高炉内非铁元素的还原
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基本概念
还原反应
还原剂夺取金属氧化物中的氧，使之变为金属或该金属低价氧化物的反应。
高炉炼铁常用的还原剂主要有CO、H2和固体碳。
铁氧化物的还原顺序
遵循逐级还原的原则。
当温度小于570℃时，按Fe2O3→Fe3O4→Fe的顺序还原。
当温度大于570℃时，按Fe2O3→Fe3O4 →FeO→Fe的顺序还原。
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高炉内铁氧化物的还原
用CO和H2还原铁氧化物
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
用固体碳还原铁氧化物，生成CO的还原反应叫直接还原。
在高炉内具有实际意义的只有FeO+C=Fe+CO的反应。
直接还原要通过气相进行反应，其反应过程如下：
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。
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高炉内非铁元素的还原
锰的还原
硅的还原
磷的还原
铅、锌、砷的还原
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锰的还原
高炉内锰氧化物的还原由高级向低级逐级还原直到金属锰，顺序为：
从MnO2到MnO可通过间接还原进行还原反应。MnO还原成Mn只能靠直接还原取得。
MnO的直接还原是吸热反应。高炉炉温是锰还原的重要条件，其次适当提高炉渣碱度，增加MnO的活度，也有利于锰的直接还原。
还原出来的锰可溶于生铁或生成Mn3C溶于生铁。
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硅的还原
硅的还原只能在高炉下部高温区(1300℃以上)以直接还原的形式进行：
SiO2+2C＝Si＋2CO -628297kJ
SiO2在还原时要吸收大量热量，硅在高炉内只有少量被还原。
还原出来的硅可溶于生铁或生成FeSi再溶于生铁。
较高的炉温和较低的炉渣碱度有利于硅的还原。
铁水中的含硅量可作为衡量炉温水平的标志。
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磷的还原
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，反应式为：
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。
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铅、锌、砷的还原
还原出来的铅（密度
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。
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生铁的生成与渗碳过程
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。
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高炉炉渣与脱硫
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。
高炉炉渣的成分
高炉炉渣作用
成渣过程
生铁去硫
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高炉炉渣的成分
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～之间。
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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。
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成渣过程
（1）焦炭在风口处完全燃烧，灰分进入炉渣。
（2）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。
（3）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％。
（4）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。
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生铁去硫
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。
炉渣去硫
炉渣去硫反应： [FeS]+(CaO)=(CaS)+(FeO)
生成的FeO在高温下与焦炭作用： (FeO)+C=[Fe]+{CO}-Q
总的脱硫反应可写成： [FeS]+(CaO)+C=(CaS)+[Fe]+{CO}-Q
炉外脱硫
高炉常用的炉外脱硫剂是苏打粉(Na2CO3)。反应式为： Na2CO3+FeS=Na2S+FeO+{CO2}-Q
还有石灰、白云石、电石、复合脱硫剂等。
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炉料与煤气运动
炉料运动
煤气运动
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炉料运动
炉料在炉内下降的基本条件：高炉内不断形成促使炉料下降的自由空间。
形成炉料下降的自由空间的因素
焦炭在风口前燃烧生成煤气。
炉料中的碳素参加直接还原。
炉料在下降过程中重新排列、压紧并熔化成液相，体积缩小。
定时放出渣铁。
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煤气运动
煤气的体积的变化
煤气的成分的变化
煤气的温度的变化
煤气的压力的变化
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煤气的体积的变化
煤气量取决于冶炼强度、鼓风成分、焦比等因素。
煤气的体积
总量在上升
过程中是增
加的。
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煤气成分的变化
CO：煤气上升过程中，CO在高炉下部高温区开始增加，煤气中的CO含量会相应减小。
CO2：在炉缸、炉腹部位几乎为零，从中温区开始增加。
H2：来源于风中H2O汽和焦炭中的有机H2和喷吹燃料中的挥发H2，上升过程中由于参加间接还原和生成CH4，含量逐渐减少，但由于炉料中结晶水和碳作用生成部分H2，又可适量增加煤气中H2的含量。
N2：鼓风带入的N2，焦炭中的有机N2和喷吹燃料中的挥发N2，在上升过程中不参加任何反应，绝对量不变。
CH4：高温时少量焦炭与H2作用生成CH4，上升过程中又加入焦炭挥发分中CH4，但数量很少，变化不大。
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炉内热交换现象：炉缸煤气在上升过程中把热量传递给炉料，温度逐渐降低；而炉料在下降过程吸收煤气的热量，温度逐渐上升。
煤气温度的变化
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压头损失(△p)的表示式
△p =P炉缸-P炉喉
压头损失△p的作用
增加到一定程度时，将妨碍高炉顺行。
煤气压力的变化
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高炉生产主要技术经济指标
有效容积利用系数（ŋV）：高炉每立方米有效容积每天生产的合格铁水量（t/m3·d）
入炉焦比（K）：冶炼一吨生铁消耗的焦炭量（kg/t）
ηV=
高炉每天的合格生铁量P
高炉有效容积Vu
K =
每天装入高炉的焦炭量
高炉每天出铁量
煤比（或油比）：冶炼一吨生铁消耗的煤粉量或重油（kg/t）
燃料比＝焦比＋煤比（或油比）
冶炼强度：高炉每立方米有效容积每天消耗的（干）焦炭量（焦比一定的情况下）
ŋV=I/K
M =
每天喷入高炉的煤粉量
高炉每天出铁量
I =
高炉每天消耗的焦炭量
高炉的有效容积
生铁合格率：生铁化学成分符合国家标准的总量占生铁总量的指标。
休风率：高炉休风时间（不包括计划大、中、小修）占日历工作时间的百分数。
规定的日历作业时间=日历时间-计划大中修及封炉时间
休风率反映高炉操作及设备维护的水平。
生铁成本：生产每吨合格生铁所需原料、燃料、材料、动力、人工等一切费用的总和，单位：元/tFe。
炉龄（高炉一代寿命）：即从高炉点火开始到停炉大修之间实际运行的时间或产铁量。炉龄长，产铁多，经济效益高。
休风率=
高炉休风时间
规定的日历作业时间
×100%
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铁 种
炼钢生铁
牌 号
炼04
炼08
炼10
代 号
L04
L08
L10
w (Si)
≤
>~
>~
w (Mn)
一组
二组
三组
≤
＞ ~
＞~
w (P)
特级
一级
二级
三级
≤
＞~
＞~
＞~
w (S)
特类
一类
二类
三类
≤
＞~
＞~
＞~
铁水温度在1450~1550℃。按照Si含量的不同，将高炉铁水分为炼钢生铁(w [Si]<%)
和铸造生铁(w [Si]≥%)。炼钢生铁中C含量在~%之间。
我国生铁产品国家标准
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高炉结构及附属设备
高炉本体
高炉附属系统
马钢2500m3高炉
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高炉本体
高炉内型
炉顶装料装置
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高炉内型
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。
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高炉有效容积：由高炉出铁口中心线所在水平面到料线零位水平面之间的容积。用Vu表示。
巨型高炉：>4000m3
大型高炉：>620m3
中型高炉：255~620m3
小型高炉：<100m3
高炉内型
高炉内型
高炉内型
高炉内型对压差的影响
高炉内型对燃料比的影响
高炉内型对应力场的影响
高炉内型对炉身处管道行程的影响
高炉内型对炉身处管道行程的影响
高炉内型对炉身处管道行程的影响
炉腰对边缘应力场的影响
炉型对炉缸状况的影响
炉型对炉缸状况的影响
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炉顶装料装置
高炉炉顶装料设备的作用是按冶炼要求，向炉内合理布料，同时要严密封住炉内荒煤气不逸出炉外。
常用的炉顶装料设备主要有钟式炉顶和溜槽式（亦称无钟式）炉顶。
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钟式炉顶
1—旋转布料器；
2—煤气封盖；
3—均压室；
4—大料钟；
5—大料斗；
6—小料钟；
7—受料斗
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无钟炉顶
1—带式上料机；
2—旋转料罐；
3—驱动电动机；
4—托盘式料门；
5—上密封阀（放散）；
6—密封料罐 ；
7—卸料漏斗；
8—料流调节阀；
9—下密封阀（均压）；
10—波纹管；
11—眼睛阀；
12—气密箱；
13—溜槽
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溜槽布料
无钟炉顶
无钟炉顶
无钟炉顶
无钟炉顶
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高炉附属设备
原料供应系统
送风系统
煤气净化系统
渣铁处理系统
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皮带上料↓
上料系统↑
原料供应系统
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送风系统
高炉送风系统包括高炉鼓风机、冷风管路、热风炉、热风管路、风口以及管路上的各种阀门等。
蓄热式热风炉由拱顶、
燃烧室和蓄热室等几
部分构成。蓄热式热
风炉呈周期性工作，
一个工作周期有燃烧
期、送风期和切炉期
三个过程。一般一座
高炉有三至四座热风炉。
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蓄热式热风炉结构
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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。
热风围管及风口
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煤气净化系统
1—高炉；2—重力除尘器；3 — 洗涤塔；
4—文氏管；5—调压阀组；6—脱水器
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重力除尘和文氏除尘
重力除尘
文氏除尘
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渣铁处理系统
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渣铁分离器
1—水渣沟;2—水渣槽及放散筒;3—分配器;4—脱水转鼓;5—鼓内胶带运输机 6—鼓外胶带运输机;7—水渣成品贮存槽;8—集水斗;9—冷却水池;10—泵站 11—脱水转鼓的细筛网;12—轴向刮板;13—吹扫用压缩空气;14—冲洗水
转鼓脱水法工艺流程
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武钢
5号
高炉出铁场平面布置
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第二章 小结
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；
热风炉的工作原理
