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炼铁的原理是什么_炼铁的原理和方法

高炉炼铁工艺流程分为以下几部分:高炉炼铁工艺流程详解、高炉炼铁原理、高炉冶炼主要工艺设备简介、高炉炼铁用的原料、高炉炉本体主要组成部分介绍以及高炉操作知识。

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一、高炉炼铁工艺流程详解

高炉炼铁工艺流程详图如下图所示:

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二、高炉炼铁原理

炼铁过程实质上是将铁从其自然形态——矿石等含铁化合物中还原出来的过程。

炼铁方法主要有高炉法、直接还原法、熔融还原法等,其原理是矿石在特定的气氛中(还原物质CO、H2、C;适宜温度等)通过物化反应获取还原后的生铁。生铁除了少部分用于铸造外,绝大部分是作为炼钢原料。

高炉炼铁是现代炼铁的主要方法,钢铁生产中的重要环节。这种方法是由古代竖炉炼铁发展、改进而成的。尽管世界各国研究发展了很多新的炼铁法,但由于高炉炼铁技术经济指标良好,工艺简单,生产量大,劳动生产率高,能耗低,这种方法生产的铁仍占世界铁总产量的95%以上。

炼铁工艺是是将含铁原料(烧结矿、球团矿或铁矿)、燃料(焦炭、煤粉等)及其它辅助原料(石灰石、白云石、锰矿等)按一定比例自高炉炉顶装入高炉,并由热风炉在高炉下部沿炉周的风口向高炉内鼓入热风助焦炭燃烧(有的高炉也喷吹煤粉、重油、天然气等辅助燃料),在高温下焦炭中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气。原料、燃料随着炉内熔炼等过程的进行而下降,在炉料下降和上升的煤气相遇,先后发生传热、还原、熔化、脱炭作用而生成生铁,铁矿石原料中的杂质与加入炉内的熔剂相结合而成渣,炉底铁水间断地放出装入铁水罐,送往炼钢厂。同时产生高炉煤气,炉渣两种副产品,高炉渣铁主要矿石中不还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成,自渣口排出后,经水淬处理后全部作为水泥生产原料;产生的煤气从炉顶导出,经除尘后,作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。炼铁工艺流程和主要排污节点见上图。

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三、高炉冶炼主要工艺设备简介

高炉炼铁设备组成有:①高炉本体;②供料设备;③送风设备;④喷吹设备;⑤煤气处理设备;⑥渣铁处理设备。

通常,辅助系统的建设投资是高炉本体的4~5倍。生产中,各个系统互相配合、互相制约,形成一个连续的、大规模的高温生产过程。高炉开炉之后,整个系统必须日以继夜地连续生产,除了计划检修和特殊事故暂时休风外,一般要到一代寿命终了时才停炉。

高炉炼铁系统(炉体系统、渣处理系统、上料系统、除尘系统、送风系统)主要设备简要介绍一下。

1、高炉

高炉炉本体较为复杂,本文在最后附有专门介绍。

横断面为圆形的炼铁竖炉。用钢板作炉壳,壳内砌耐火砖内衬。高炉本体自上而下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹 、炉缸5部分。由于高炉炼铁技 术经济指标良好,工艺 简单 ,生产量大,劳动生产效率高,能耗低等优点,故这种方法生产的铁占世界铁总产量的绝大部分。高炉生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂(石灰石),从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预热的空气。在高温下焦炭(有的高炉也喷吹煤粉、重油、天然气等辅助燃料)中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气,在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧,从而还原得到铁。炼出的铁水从铁口放出。铁矿石中未还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣,从渣口排出。产生的煤气从炉顶排出,经除尘后,作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。高炉冶炼的主要产品是生铁 ,还有副产高炉渣和高炉煤气。

2、高炉除尘器

用来收集高炉煤气中所含灰尘的设备。高炉用除尘器有重力除尘器、离心除尘器、旋风除尘器、洗涤塔、文氏管、洗气机、电除尘器、布袋除尘器等。粗粒灰尘(>60~90um),可用重力除尘器、离心除尘器及旋风除尘器等除尘;细粒灰尘则需用洗气机、电除尘器等除尘设备。

3、高炉鼓风机

高炉最重要的动力设备。它不但直接提供高炉冶炼所需的氧气,而且提供克服高炉料柱阻力所需的气体动力。现代大、中型高炉所用的鼓风机,大多用汽轮机驱动的离心式鼓风机和轴流式鼓风机。近年来使用大容量同步电动鼓风机。这种鼓风机耗电虽多,但启动方便,易于维修,投资较少。高炉冶炼要求鼓风机能供给一定量的空气,以保证燃烧一定的碳;其所需风量的大小不仅与炉容成正比,而且与高炉强化程度有关、一般按单位炉容2.1~2.5m3/min的风量配备。但实际上不少的高炉考虑到生产的发展,配备的风机能力都大于这一比例。

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5、铁水罐车

铁水罐车用于运送铁水,实现铁水在脱硫跨与加料跨之间的转移或放置在混铁炉下,用于高炉或混铁炉等出铁。

四、高炉炼铁用的原料

高炉冶炼用的原料主要由铁矿石、燃料(焦炭)和熔剂(石灰石)三部分组成。

通常,冶炼1吨生铁需要1.5-2.0吨铁矿石,0.4-0.6吨焦炭,0.2-0.4吨熔剂,总计需要2-3吨原料。为了保证高炉生产的连续性,要求有足够数量的原料供应。

因此,无论是生铁厂家还是钢厂采购原料的工作是尤其重要。

生铁的冶炼虽原理相同,但由于方法不同、冶炼设备不同,所以工艺流程也不同。下面分别简单予以介绍。

高炉生产是连续进行的。一代高炉(从开炉到大修停炉为一代)能连续生产几年到十几年。生产时,从炉顶(一般炉顶是由料种与料斗组成,现代化高炉是钟阀炉顶和无料钟炉顶)不断地装入铁矿石、焦炭、熔剂,从高炉下部的风口吹进热风(1000~1300摄氏度),喷入油、煤或天然气等燃料。装入高炉中的铁矿石,主要是铁和氧的化合物。在高温下,焦炭中和喷吹物中的碳及碳燃烧生成的一氧化碳将铁矿石中的氧夺取出来,得到铁,这个过程叫做还原。铁矿石通过还原反应炼出生铁,铁水从出铁口放出。铁矿石中的脉石、焦炭及喷吹物中的灰分与加入炉内的石灰石等熔剂结合生成炉渣,从出铁口和出渣口分别排出。煤气从炉顶导出,经除尘后,作为工业用煤气。现代化高炉还可以利用炉顶的高压,用导出的部分煤气发电。

生铁是高炉产品(指高炉冶炼生铁),而高炉的产品不只是生铁,还有锰铁等,属于铁合金产品。锰铁高炉不参加炼铁高炉各种指标的计算。高炉炼铁过程中还产生副产品水渣、矿渣棉和高炉煤气等。

高炉炼铁的特点:规模大,不论是世界其它国家还是中国,高炉的容积在不断扩大,如我国宝钢高炉是4063立方米,日产生铁超过10000吨,炉渣4000多吨,日耗焦4000多吨。

目前国内单一性生铁厂家,高炉容积也已达到500左右立方米,但多数仍维持在100-300立方米之间,甚至仍存在100立方米以下的高耗能高污染的小高炉,其产品质量参差不齐,公布分散,不具有其规模性,更不能与国际上的钢铁厂相比。

附:高炉炉本体的主要组成部分

炼铁的原理是什么_炼铁的原理和方法

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高炉炉壳:现代化高炉广泛使用焊接的钢板炉壳,只有极少数最小的土高炉才用钢箍加固。炉壳的作用是固定冷却设备,保证高炉砌体牢固,密封炉体,有的还承受炉顶载荷。炉壳除承受巨大的重力外,还要承受热应力和内部的煤气压力,有时要抵抗崩料、坐料甚至可能发生的煤气爆炸的突然冲击,因此要有足够的强度。炉壳外形尺寸应与高炉内型、炉体各部厚度、冷却设备结构形式相适应。

炉喉:高炉本体的最上部分,呈圆筒形。炉喉既是炉料的加入口,也是煤气的导出口。它对炉料和煤气的上部分布起控制和调节作用。炉喉直径应和炉缸直径、炉腰直径及大钟直径比例适当。炉喉高度要允许装一批以上的料,以能起到控制炉料和煤气流分布为限。

炉身:高炉铁矿石间接还原的主要区域,呈圆锥台简称圆台形,由上向下逐渐扩大,用以使炉料在遇热发生体积膨胀后不致形成料拱,并减小炉料下降阻找力。炉身角的大小对炉料下降和煤气流分布有很大影响。

炉腰:高炉直径最大的部位。它使炉身和炉腹得以合理过渡。由于在炉腰部位有炉渣形成,并且粘稠的初成渣会使炉料透气性恶化,为减小煤气流的阻力,在渣量大时可适当扩大炉腰直径,但仍要使它和其他部位尺寸保持合适的比例关系,比值以取上限为宜。炉腰高度对高炉冶炼过程影响不很显著,一般只在很小范围内变动。

炉腹:高炉熔化和造渣的主要区段,呈倒锥台形。为适应炉料熔化后体积收缩的特点,其直径自上而下逐渐缩小,形成一定的炉腹角。炉腹的存在,使燃烧带处于合适位置,有利于气流均匀分布。炉腹高度随高炉容积大小而定,但不能过高或过低,一般为3.0~3.6m。炉腹角一般为79~82 ;过大,不利于煤气流分布;过小,则不利于炉料顺行。

炉缸:高炉燃料燃烧、渣铁反应和贮存及排放区域,呈圆筒形。出铁口、渣口和风口都设在炉缸部位,因此它也是承受高温煤气及渣铁物理和化学侵蚀最剧烈的部位,对高炉煤气的初始分布、热制度、生铁质量和品种都有极重要的影响。

炉底:高炉炉底砌体不仅要承受炉料、渣液及铁水的静压力,而且受到1400~4600℃的高温、机械和化学侵蚀、其侵蚀程度决定着高炉的一代寿命。只有砌体表面温度降低到它所接触的渣铁凝固温度,并且表面生成渣皮(或铁壳),才能阻止其进一步受到侵蚀,所以必需对炉底进行冷却。通常采用风冷或水冷。目前我国大中型高炉大都采用全碳砖炉底或碳砖和高铝砖综合炉底,大大改善了炉底的散热能力。

炉基:它的作用是将所集中承担的重量按照地层承载能力均匀地传给地层,因而其形状都是向下扩大的。高炉和炉基的总重量常为高炉容积的10~18倍(吨)。炉基不许有不均匀的下沉,一般炉基的倾斜值不大于0.1%~0.5%。高炉炉基应有足够的强度和耐热能力,使其在各种应力作用下不致产生裂缝。炉基常做成圆形或多边形,以减少热应力的不均匀分布。

炉衬:高炉炉衬组成高炉的工作空间,并起到减少高炉热损失、保护炉壳和其它金属结构免受热应力和化学侵蚀的作用。炉衬是用能够抵抗高温作用的耐火材料砌筑而成的。炉衬的损坏受多种因素的影响,各部位工作条件不同,受损坏的机理也不同,因此必须根据部位、冷却和高炉操作等因素,选用不同的耐火材料。

炉喉护板:炉喉在炉料频繁撞击和高温的煤气流冲刷下,工作条件十分恶劣,维护其圆筒形状不被破坏是高炉上部调节的先决条件。为此,在炉喉设置保护板(钢砖)。小高炉的炉喉保护板可以用铸铁做成开口的匣子形状;大高炉的炉喉护板则用100~150mm厚的铸钢做成。炉喉护板主要有块状、条状和变径几种形式。变径炉喉护板还起着调节炉料和煤气流分布的作用。

高炉解体

为了在操作技术上能正确处理高炉冶炼中经常出现的复杂现象,就要切实了解炉内状况。在尽量保持高炉的原有生产状态下停炉、注水冷却或充氮冷却后,对从炉喉的炉料开始一直到炉底的积铁所进行的细致的解体调查,称为高炉解体调查。它虽不能完全了解高炉生产的动态情况,但对了解高炉过程、强化高炉冶炼很有参考价值。

高炉冷却装置

高炉炉衬内部温度高达1400℃,一般耐火砖都要软化和变形。高炉冷却装置是为延长砖衬寿命而设置的,用以使炉衬内的热量传递出动,并在高炉下部使炉渣在炉衬上冷凝成一层保护性渣皮,按结构不同,高炉冷却设备大致可分为:外部喷水冷却、风口渣口冷却、冷却壁和冷却水箱以及风冷(水冷)炉底等装置。

高炉灰

也叫炉尘,系高炉煤气带出的炉料粉末。其数量除了与高炉冶炼强度、炉顶压力有关外,还与炉料的性质有很大关系。炉料粉末多,带出的炉尘量就大。目前,每炼一吨铁约有 10~100kg的高炉灰。高炉灰通常含铁40%左右,并含有较多的碳和碱性氧化物;其主要成分是焦末和矿粉。烧结料中加入部分高炉灰,可节约熔剂和降低燃料消耗。

高炉基本操作制度

1、炉前操作的任务

① 利用开口机、泥炮、堵渣机等专用设备和各种工具,按规定的时间分别打开渣、铁口,放出渣、铁,并经渣铁沟分别流入渣、铁罐内,渣铁出完后封堵渣、铁口,以保证高炉生产的连续进行。

② 完成渣、铁口和各种炉前专用设备的维护工作。

③ 制作和修补撇渣器、出铁主沟及渣、铁沟。

④ 更换风、渣口等冷却设备及清理渣铁运输线等一系列与出渣出铁相关的工作。

2、高炉炉况稳定顺行:一般是指炉内的炉料下降与煤气流上升均匀,炉温稳定充沛,生铁合格,高产低耗。

3、操作制度:根据高炉具体条件(如高炉炉型、设备水平、原料条件、生产计划及品种指标要求)制定的高炉操作准则。

4、高炉基本操作制度:装料制度、送风制度、炉缸热制度和造渣制度。

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