钢铁冶金概论2高炉炼铁

2015/9/24

本章内容

第二章 高炉炼铁 (Blast Furnace Ironmaking)

2.1 2.2 2.3 2.4

高炉冶炼原料 高炉结构及附属设备 高炉炼铁原理 高炉操作

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2.1 高炉冶炼原料

2.1.1 主要原料 2.1.2 烧结(sintering) 2.1.3 球团(pelletizing)

首钢秘鲁铁矿区开采现场

澳大利亚铁矿

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2.1.1主要原料-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单质 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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2.1.1 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，铁品位>55%）、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1.6~2.0t矿石， 0.4~0.6t焦炭(coke)，0.2~0.4t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、品位高、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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2.1.1 主要原料

1）铁矿石

按矿物组成分为：  赤铁矿（Fe2O3）：理论含铁量70% 。储量和 开采量占首位。  磁铁矿（Fe F 3O4）：理论含铁量 ） 理论含铁量72.4% 72 4%。 TFe/FeO7.0为假象赤 铁矿。  菱铁矿（FeCO3）：理论含铁量48 . 3%  褐铁矿（nFe2O3·mH2O）：理论含铁量55 . 2~66.1%

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磁铁矿（Fe3O4）-magnetite 赤铁矿（Fe2O3）-hematite

褐铁矿（mFe2O3·nH2O）-limonite

菱铁矿（FeCO3）-siderite

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按矿物中铁含量高低分为：  富矿(high-grade ore)：铁品位>理论品位的 70%。  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）。 的铁矿石称贫矿（必须经过选矿后使用） 块矿(lump ore)和粉矿(fine ore)：  块矿：粒度10~45mm的富矿  粉矿：粒度小于8~10mm的富矿

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富矿

破碎、筛分

粉矿（5~10mm)上限 中小型高炉

破碎、细磨，

浮选 磁选

粉状精矿 尾矿

贫矿

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铁矿石处理工艺流程

细磨 磁铁矿 -200目>60~80% 细磨 菱铁矿 -200目>60~80% 浮选 褐铁矿 磁选 细磨 赤铁矿 -200目>60~80% 先磁化焙烧 后细磨 磁选 浮选

 矿石(ore)→破碎(crush)→筛分 (screen)→富矿(high-grade ore)→混匀 (mix)→高炉； 烧结矿 矿石→破碎→筛分→贫矿

破碎 筛分 贫矿  矿石 (lean ore)→磨矿 (grinding)→筛分→选矿 →造块→人造富矿→高炉

人造富矿

球团矿

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2.1.2主要原料

2）燃料

焦炭

 焦炭的作用：1）热源；2）料柱骨架；3）还原剂；4） 生铁形成过程中渗碳的碳源。 含碳高、强度好 大型高炉 40~60mm； 有一定块度且块度均匀 高炉对 中型高炉 25 25~ 40mm； 焦炭要求 有合适的反应性 小型高炉 15~25mm；

焦炭来源及特征

1.炼焦 煤在焦炉内隔绝空气、加热到1000℃左右、可获得焦炭、 化学产品和煤气的过程（又称高温干馏、炼焦）. 2 焦炭：是在高温下（隔氧）由煤经过干馏后所得到的固体 2. 焦炭 是在高温下（隔氧）由煤经过干馏后所得到的固体 产品。

粒度

灰分、杂质低 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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无烟煤粉

3.焦炭特点：呈黑灰色块状，有光泽、燃烧时烟气少，具有 不粘结、不结块、低硫、低灰、坚硬、耐磨、耐压、富于气 孔性等。

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炼焦原料：

煤化程度(由低至高) 泥煤→褐煤→长焰煤→气煤→肥煤→焦煤→瘦煤→贫煤→无烟煤 烟煤 泥煤：植物向煤转变的过渡产物，水分达85%~95%。 褐煤 ：变质程度只比泥炭高，在隔绝空气加热时不产生胶 质体，也没有黏结性，不能单独炼成焦炭。 长焰煤：是烟煤中煤化程度最低的煤。高沸点的液态产物 少，胶质层厚度小于5mm，因此结焦性能很差，在普通焦炉 中不能炼出合格的焦炭。

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气煤：煤化程度比长焰煤高，在热解过程中，生成了较 多的胶质体，但黏度小，流动性大，其热稳定性差，容易 分解。 肥煤：属于中等变质程度的煤。肥煤产生的胶质体数量 最多，并具有良好的流动性能，且热稳定性能也好。 肥 煤黏结性最强 是我国炼焦煤的基础煤种之 煤黏结性最强，是我国炼焦煤的基础煤种之一。 无烟煤：煤化程度最高，燃烧时无烟，挥发分最低，硬 度最高。

炼焦煤 气煤 肥煤 焦煤 瘦煤

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炼焦设备：

炼焦主体设备为焦炉，焦炉主要部分构成（三大室） ①炭化室 煤隔绝空气干镏的地方，焦炭形成的场所。 ②燃烧室 是煤气燃烧的地方，煤气与空气在其中混合燃烧， 产生的热量传给炉墙，间接加热炭化室中煤料，对其 进行高温干馏。 ③蓄热室 回收燃烧室废气的热量来预热空气和贫煤气的地 方。

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2.1.1主要原料

3）熔剂

石 灰 石

 熔剂主要使用石灰石(calcite) 和白云石(dolomite)；  熔剂的要求： 白  有效成分含量高（CaO+MgO）； 云 石  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）。

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2.1.2 烧结(sintering)矿生产

 烧结矿生产的必要性

在自然界中，能直接用于高炉冶炼的富矿越来越少， 使得人们不得不开采贫矿（含铁品位25～40%），但贫 矿直接入炉是不经济的，仍须经过选矿提高其品位。 要选矿，必须对矿石进行破碎研磨，因此铁矿粉选矿 后粒度组成不符合高炉冶炼的要求，必须经过造块后 方可用于冶炼。

2.1.2 烧结(sintering)矿生产

 烧结过程

1）原材料 • 含铁物料：（1）精矿粉均矿；（2）粉矿和破碎粉均矿；（3）二次含 铁原料，如高炉除尘灰、轧钢皮 • 熔剂：消石灰、石灰石粉、白云石粉、蛇纹石粉 • 燃料：焦粉或无烟煤粉（5%~7%） 2）烧结 将粉状铁矿粉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。所的到的块矿叫 烧结矿。

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精矿、粉矿 （0~10mm）

石灰石、白云石 （80~0mm） 破 筛 碎 分 3~0mm 配 料

碎焦、无烟煤 （25~0mm） 破 碎 3~0mm 皮 带

瓦斯灰、 轧钢皮 （10~0mm）

 烧结矿的优点 烧结矿属人造矿石，与天然矿石相比有许 多优点，通常含铁量高，粒度组成均匀，气孔 率大 成分稳定 还原性能好 另外 含碱性 率大，成分稳定，还原性能好。另外，含碱性

烧结 工艺及 设备

>3mm

一次混 料：均 匀成分

水 水蒸汽

一 次 混 料（混匀） 二 次 混 料（制粒） 布 烧 除 尘 料 结 点火器 机 破 碎

制粒：3~5mm松散球料 提高料温：提高温度到 露点以上，避免料层下 部水蒸气凝结

烟道灰

熔剂，高炉造渣性能好，具有良好的冶金性能。

灰 尘

高炉使用烧结矿，可提高产量，降低燃料消耗。

抽 风 烟 筒 排 放

筛 分 冷 却 整 粒 高炉矿槽

热返矿

冷返矿

冷返矿

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高

炉

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带 式 抽 风 烧 结 机

铺底料 布料 点火器

400m2带式抽风烧结机

除 尘 器 降 尘 管

单辊破碎机

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水 封

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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。

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： 含铁矿物的分解：褐铁2Fe2O3·3H2O O=2Fe 2Fe2O3+3H2O 2FeCO3+1/2O2=Fe2O3+2CO2 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.

 固相反应

2Fe3O4+SiO2=2FeO·SiO2+2Fe2O3 CaO+Fe2O3=CaO·Fe2O3 2CaO+Fe2O3=2CaO·Fe2O3 2CaO+SiO2= 2CaO·SiO2 2MgO+SiO2= 2MgO·SiO2 2CaO+FeO+SiO2= 2CaO·FeO·SiO2 CaO+MgO+SiO2= CaO·MgO·SiO2

 脱硫反应：脱硫85％～95％。 FeS2+11/2O2=Fe2O3+4SO2 2FeS+7/2O2=Fe2O3+2SO2

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固相反应生成新的低熔点复杂化合物，化合物与化合物之 间形成熔点更低的共熔体，为燃烧层液相形成创造条件。

矿物名 熔点（℃） SiO2 1730 CaO 2570 MgO 2799 Al2O3 2042 Fe2O3 1565 Fe3O4 1597

 烧结矿的组成 是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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

烧结矿质量指标

烧结矿质量对高炉冶炼有重大影响，对其质量评价指

② 物理性能(包括机械强度和粒度组成)

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6.3mm的称之为粉末。粉末含量对高炉料柱

标主要有化学成分、物理性能、冶金性能等。 ① 化学成分 高炉要求烧结矿化学成分稳定 波动小 有害杂质少 高炉要求烧结矿化学成分稳定，波动小，有害杂质少。 主要包括TFe、FeO、S、碱度（CaO/SiO2）。 目前高炉使用高碱度烧结矿要求TFe>55%～56%左右， R>1.60 。

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 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。

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2.1.3 球团生产

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粒级越少越好。 还原度（RI）：是指烧结矿在900 ℃还原气氛下被还原 成Fe的能力 以900 ℃被CO还原失去氧的质量与还原前 成Fe的能力，以900 氧化铁中总氧量之比表示。还原度越高越

好。 ④软熔-滴落性能 烧结块在荷重条件下的软化开始温度TA，软化终了温 度TS和滴落开始温度Tm。用来模拟高炉内软熔带形成 与矿石性能之间的关系。

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 高炉炼铁使用的球团矿TFe>60%,粒度均匀 （9~15mm）、抗压强度高（150~200N)、还原 性好的氧化球团。  球团生产过程：将准备好的原料 球团 产 程 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．其产品即 为球团矿。

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球团矿生产工艺流程

铁精矿 膨润土 配 料

燃烧煤气

混匀（圆筒混料机） (精矿过湿时) 造球（圆盘造球机）

品种 巴西球团 国产球团 国产球团 烧结矿 南非块矿 巴西块矿 海南块矿 TFe 65.81 63.21 64.20 56.33 63.26 66.62 52.17 FeO 1.61 0.17 1.88 7.80 0.76 4.23 1.1 CaO 0.47 1.22 1.33 10.22 1.33 0.70 0.35 SiO2 3.67 6.01 3.66 5.37 2.49 7.94 13.3 MgO 0.73 0.48 1.59 2.45 0.53 0.23 0.02 Al2O3 0.49 0.76 1.51 2.23 1.51 1.11 0.8 0.05 0.52 0.08 0.27 0.15 0.03 0.023 0.03 MnO S R 0.13 0.20 0.36 1.90 0.53 0.09 0.03

返 矿

生球过筛（辊轴筛） 布料（移动布料机） 焙烧固结（竖炉）

(经链板机)

球团矿生产工艺流程 一般包括：原料准备、 配料、混合、造球、 干燥和焙烧 冷却 干燥和焙烧、冷却、 成品和返矿处理等工 序。

筛分（振动筛）

φ9~16mm

返 矿

(送烧结)

成品球团矿

(送高炉)

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生产球团矿的原料

(1) 磁铁精矿粉: TFe=60~69% (Fe3O4理论品位72.4%) 粒度-200目(0.074mm)>70~80% （2）粘结剂：膨润土(SiO266.7%, Al2O328.3%, H2O5%): 添加量0.5~2.5% 粘结剂的作用: (1) 吸收水分 (2) 改善精矿粉造球性能 (3) 提高生球强度 (4) 提高生球爆裂温度

混料、造球

圆盘造球机

精矿粉与黏结剂在圆筒混料机 中均匀混合后，在圆盘造球机 上完成造球作业。 生料球经皮带输送至辊轴筛， 生料球经皮带输送至辊轴筛 筛除直径偏小的不合格生球。

滚轴筛对生料求进行过筛

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焙烧固结设备-竖炉

生球 炉口布料 干燥带 氧化带 （400~650 ℃，水分蒸发） (950 1000 ℃， (950~1000 ℃ Fe F 3O4→Fe F 2 O3)

优点：结构简单，对材质无特殊要求 缺点：单炉产量低，只适用于磁精粉球团 焙烧 由于竖炉内气体流难控制，焙烧不均匀造 成球团矿质量不均匀

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高温焙烧带 (1150~1300 ℃，新生态Fe2O3 晶体再结晶长大，形成强大 晶桥，球团强度提高） 冷却带 熟球 竖炉尺寸及气流分布

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950℃氧化: 保持足够氧化时间, 使整个 球团充分氧化 1150~1250℃长

大: Fe2O3晶体再结晶 长大, 球团强度迅速提高 ≮1100℃: 温度低于1100℃, Fe2O3再结 晶缓慢,球团强度差 ≯ 1300℃: 温度高于1300℃,Fe2O3开 始分解

若升温过快, 外层Fe2O3迅 速长大, 阻碍O2向中心扩散, 形 成分层结构,球团强度差.

竖炉生产对生球质量的要求 (1) 粒度要求: 9~15 mm (2) 抗压强度: >0.8~1.0kg/个 (3) 落下次数: >3次 (0.5m高度自由落到钢板上至破裂

Fe2O3 Fe3O4

的次数) (4) 爆裂温度: > 650℃

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球团焙烧设备链篦机-回转窑

链篦机：生球干燥预热 回转窑：焙烧 链篦机-回转窑球团厂 冷却剂：冷却 缺点：易结圈

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原料适应性强 与竖炉相比 优点 不产生球团粉碎 球团充分固结 球团质量均匀

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带式焙烧机

2.2 高炉炼铁

2.2.1 2.2.2 2.2.2 2.2.3 224 2.2.4 2.2.5 高炉炼铁基本概念 高炉炼铁工艺设备 燃烧反应 还原反应 高炉炉渣与脱硫 炉料与煤气运动

鼓风干燥 抽风干燥 预热

焙烧 均热

二冷 一冷 鼓风 冷却

优点：操作简单，控制方便，可以处理各种矿石，生产能力大 缺点：上下层质量不均，台车易损，需要高温合金，流程复杂

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2.2.1高炉炼铁基本概念 高炉炼铁原料

酸性炉料 20~30% 氧化球团 保证高炉炉渣碱度 CaO/SiO2=1~1.25 天然块矿(生矿) 1t生铁消耗矿石 1.5~1.7t

2.2.1高炉炼铁基本概念 高炉炼铁产品

铁水

1450~1550 ℃， 含Fe、C(3.7~4.3%,饱和） 、P、S、Si、Mn 炼钢生铁 w[Si]

碱性炉料: 高碱度烧结矿 （70~80%） 熔剂石灰石 高炉炼铁原料 燃料

铸造生铁

w[Si] ≧1.25%

焦炭 （4点作用） 250~350kg/t生铁 粉煤 （热源、还原剂） 150~250kg/t生铁

3 （1100~1300 ℃高压鼓风） 1400~1700m /t生铁

高炉炼铁产品

高炉煤气

1800~2000kg/t生铁

CO 20% 20%~26% 26%；CO216%~22% 16% 22%； N2 54~60%； H2 3%，CH4 0.8%；发热值2900~4200 J/m3

鼓风

高炉渣

组成：SiO2,CaO,Al2O3,MgO,FeO,MnO,S 碱度：1.05~1.25

250~400kg/t生铁

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2.2.1高炉炼铁基本概念 高炉內型

 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。  V1~V5分别为五部分的容积，高炉有效容 积Vu≈V1+V2+V3+V4+V5, 有效容积代表高 炉的大小或生产能力

超大型高炉 ：Vu＞3000m3 大型高炉：Vu＞1500~2500m3 中型高炉 ：Vu＞600~1000m3 小型高炉：Vu＞ 300m3以下

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V5

V4 V3 V2 V1

第一座超大型高炉 1985年9月15日建 成投产的宝钢1号 高炉

4063m3。

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宝钢4号高炉 4 747m3

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武钢 6号高炉 3200m3

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450m3高炉

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2.2.1高炉炼铁基本概念 高炉生产主要技术经济指标

(1)有效容积利用系数（ŋu）：高炉每立方米有效容积每天生 产的铁水量（t/m3·d）,大型/超大型达2.5~2.8 t/m3·d

ηu=

高炉每天的合格生铁量P 高炉有效容积Vu

(2)入炉焦比（K）：冶炼一吨生铁消耗的焦炭量（kg/t）

K= 每天装入高炉的焦炭量 高炉每天出铁量

50m3小高炉

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（3）煤比（或油比）：冶炼1t生铁向高炉喷吹的煤粉量或重 油（kg/t）

M= 每天喷入高炉的煤粉量 高炉每天出铁量

(6)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） 高炉每天消耗的焦炭量

I=

燃料比＝焦比＋煤比（或油比）

大型/超大型燃料比在470~520kg/t 470 520k /t生铁，喷煤量 生铁 喷煤量150~250kg/t 150 250k /t生铁

高炉的有效容积

(4)喷煤率：煤比占燃料比的比值，%，我国大型和超大型高炉

喷煤率达35%~50%。

(7) 综合冶炼强度：将喷入的粉煤折算成相应数量的焦炭后计算的冶炼 强度。 每天喷入高炉的煤粉量×置换比+每天装入高炉的焦炭量 高炉有效容积

(5)综合焦比：将喷入的粉煤折算成相应数量的焦炭后计算 的焦比。 每天喷入高炉的煤粉量×置换比+每天装入高炉的焦炭量

K∑ = 高炉每天出铁量

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I∑ =

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铁 种 牌 号

炼钢生铁 炼04 L04 ≤0.45 一组 二组 三组 特级 一级 二级 三级 特类 一类 二类 三类 炼08 L08 >0.45~0.85 ≤0.4 ＞0.4 ~1.0 ＞1.0~2.0 ≤0 10 ≤0.10 ＞0.10~0.15 ＞0.15~0.25 ＞0.25~0.40 ≤0.02 ＞0.02~0.03 ＞0.03~0.05 ＞0.05~0.07 炼10 L10 >0.85~1.25

（8）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。 （9）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=

高炉休风时间 规定的日历作业时间

×100%

休风率反映高炉操作及设备维护的水平。 （10）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。

我 国 生 铁 产 品 国 家 标 准

代 号 w (Si)

w (Mn)

w (P)

w (S)

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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]

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高炉 炼铁系统︵高炉本体和辅助系统︶

2.2.2 高炉炼铁工艺设备

钢结构 炉衬 冷却设备 送风装置

高炉本体

高炉炼铁 工艺设备 附属系统

炉顶装料设备 装料 备 热风炉 喷煤设备 除尘设备 渣铁处理系统

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64 武 汉

2.2.2 高炉炼铁工艺设备-高炉本体

 高炉本体是高炉炼铁的核心设备，现代大型和超大型 一代炉炉龄可达15~20年。 高炉是一个竖立圆筒形炉子，高炉内型一般由炉缸、 炉腹、炉腰、炉身和炉喉五段组成。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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 高炉主体由钢结构（炉体支撑结构、炉壳）、炉衬（耐 火材料）、冷却设备（冷却壁、冷却板）、送风装置 （热风围管、支管、直吹管、风口）及检测仪器设备组 成。

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2.2.2 高炉炼铁工艺设备-高炉本体

钢结构

（1）炉体支撑结构采用大框架自立式机构：大小料斗、 旋转布料器的重量由炉壳支撑，上升管、大小钟和受料漏 斗等重量通过炉顶框架支承在炉顶平台。对于无料钟炉顶， 旋转溜槽、中心喉管等重量由炉壳支撑，料罐、受料漏斗、 密封阀 上升管通过炉顶框架支承在炉顶平台 炉顶平台 密封阀、上升管通过炉顶框架支承在炉顶平台，炉顶平台 所有重量通过大框架传递给基础。 优点：风口平台宽敞、炉前操作方便、立于风口平台机械 化。 （2）炉壳：高强度钢板焊接，起承重、密封煤气和固定 冷却器的作用

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2.2.2 高炉炼铁工艺设备-高炉本体

钢结构

（1）炉体支撑结构采用大框架自立式机构：大小料斗、 旋转布料器的重量由炉壳支撑，上升管、大小钟和受料漏 斗等重量通过炉顶框架支承在炉顶平台。对于无料钟炉顶， 旋转溜槽、中心喉管等重量由炉壳支撑，料罐、受料漏斗、 密封阀 上升管通过炉顶框架支承在炉顶平台 炉顶平台 密封阀、上升管通过炉顶框架支承在炉顶平台，炉顶平台 所有重量通过大框架传递给基础。 优点：风口平台宽敞、炉前操作方便、立于风口平台机械 化。 （2）炉壳：高强度钢板焊接，起承重、密封煤气和固定 冷却器的作用

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2.2.2 高炉炼铁工艺设备-高炉本体

炉衬

炉身上部 耐磨 抗热震破坏和 碱金属侵蚀 抗高FeO F O初渣侵蚀 铁水机械冲刷， 耐火砖差热膨 胀

炉身上部碳化硅和优质 硅酸盐耐火材料为主 中部以抗碱金属能力强 的碳化硅砖或高导热碳 砖为主 下部以高导热的石墨质 炭砖为主

2.2.2 高炉炼铁工艺设备-高炉本体

冷却设备

冷却设备的作用是降低炉衬温度，提高炉衬材料抗机械、 化学和热生产的侵蚀能力。 冷却壁 冷却设备 冷却板 风口

（紧贴炉衬，冷却面积大） 插入炉衬中，对炉衬的冷却深度大，并对炉 插入炉衬中 对炉衬的冷却深度大 并对炉 衬有一定的支

托作用） （鼓风进入炉缸的入口，风口由纯铜制造， 风口区域是高炉温度最高的区域1100~1300 ℃，风口环流水道内流速达8~14m/s)

炉身下部和炉腰 炉腹 炉缸 炉底

送风装置

包括热风围管、支管、直吹管、风口大套、风口二套和小套，热风围 管与热风炉的热风总管相连，热风胃管上均匀分布着数十套送风支管， 直吹管将送风支管和风口小套紧密连接在一起。

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热风围管及风口

 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

2.2.2 高炉炼铁工艺设备-附属设备

2.2.2.1 2.2.2.2 2.2.2.3 2.2.2.4 2.2.2.5 原料供应系统 炉顶装料装置 送风系统 煤气净化系统 渣铁处理系统

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送风支管

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2.2.2.1 原料供应系统

皮带上料↓

2.2.1.2 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双钟炉顶装料 （中小型高炉）和溜槽式（亦称无钟式） 炉顶装料（大型、超大型高炉）。

上料系统↑

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无料钟炉顶

双钟式炉顶装料

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

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； 卸料 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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无料钟炉顶装料设备——串罐式

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溜槽布料

2.2.2.3 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。  热风炉肩负着向高炉输送温度1100~1300 ℃的热风。  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、切炉期和送风期 三个过程。一般一座

内燃式热风炉外观

高炉有3~4座热风炉。

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蓄热式热风炉结构

（1）燃料期：煤气和助燃空气经燃烧器混合后在燃烧室内 燃烧产生大量热量。高温烟气在通过蓄热式格子砖时将热 量存储在格子砖中。当拱顶温度和烟道废气温度达到规定 值，燃烧期结束。 （2）换

炉：关闭燃烧阀和烟道阀，打开冷风阀和热风阀， 完成燃烧期向送风期过渡。 （3）送风期：冷风从蓄热室下部进入，在向上流动通过格 子砖，格子砖释放存储的热量加热冷风，冷风变为热风从 热风总管送往高炉。当拱顶温度下降到规定值时，送风期 结束。 送风期开始阶段的风温高于后期风温，实际生产实践中 在初期兑入部分冷风，之后逐渐减少，直至关闭混风阀， 以保持整个送风期内风温恒定不变。

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2.2.2.4 喷煤设备

喷煤目的：优质焦炭资源不足，喷粉煤可替代部分焦炭， 合理利用煤炭资源，同时可以降低生铁生产成本。

2.2.2.5 煤气净化系统

高炉排出煤气为高压荒煤气，含尘10~20g/m3,作为二次 资源利用前，需将含尘浓度降低至10mg/m3以下。

操作步骤：高炉的磨煤、喷煤车间设在热风炉附近。原 煤经中速磨干燥细磨后，通过气力输送到煤粉仓，再倒 入喷吹罐，通过混合器将将粉煤输送到高炉炉前的分配 器。每个高炉设两个分配器，一个给单号风口输送煤粉， 一个给双号风口输送煤粉。

得到瓦斯灰

湿法除尘

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

2.2.2.6 渣铁处理系统

高炉出铁按对角线原则操作， 如对于设有4个出铁口的大型高 炉，按1,3,2,4顺序除铁。

高炉出铁

重力除尘

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文氏除尘

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渣铁分离器

熔渣被高压水冲成水渣。

高炉每次有1个出铁口 出铁，出铁口打开后， 渣铁从铁口流入主沟， 通过撇渣器渣铁分离， 铁水通过摆动溜槽流入 铁水罐，渣子经渣沟流 入水渣处理系统。 入水渣处理系统

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转鼓脱水法工艺流程

水渣经脱水转鼓脱水。

2.3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

O (矿）＋CO ￫ CO2 2 2 传质过程：矿石中的 传质过程 矿石中的O2O2进入煤气中，实现铁与氧的分离。 传热过程：风口鼓风与焦炭和粉煤燃烧产生的煤气携 带的热量传给炉料，使炉料熔化成渣铁，实现渣铁分 离。

2-

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

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高炉生产工艺流程

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2.3.1

高 炉 内 炉 料 分 布 状 态

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块状带 T

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2.3.2 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：

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。  燃烧带 燃烧带：回旋区及其外围 回旋区及其外围 100~200mm的焦炭疏松层。 实践中常以CO2降至1～2％的 位置定为燃烧带界限。  燃烧带是焦炭燃烧的主要场所。 大型高炉的燃烧带长度在 1000～1500mm左右。

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C+O2 =CO 2  400660kJ C+CO 2 =2CO  165686kJ

(1) (2)

(1)+(2)则： 2C+O 2C O 2 =2CO 2CO  294974kJ (3)

 风口前碳素的燃烧是不完全燃烧，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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2.3.3 还原反应

2.3.3.1 基本概念 2.3.3.2 高炉内铁氧化物的还原 2.2.3.3 高炉内非铁元素的还原

2.3.3.1基本概念

 还原剂 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。 FeO只有在温度高于570 ℃的区域才能稳定 存在。 • 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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2.3.3.2 高炉内铁氧化物的还原

用CO还原铁氧化物

 用CO还原铁氧化物，生成CO2还原反应叫间接还原。  间接还原反应属可逆反应，煤气中必须有过量的CO才 能保证氧化铁还原反应正常进行下去。

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。  高炉内T>900~1000 ℃时，间接还原产生的CO2不 能稳定存在，发生焦炭熔损反应： C+CO2=2CO △G=170544-174.3T J/mol  温度高于1000 ℃，发生直接还原反应如下

该反应通过气相的CO 和H2来进行，CO和H2 起到中间媒介的作用， 最终归结为消耗碳素的 直接还原反应

用H2还原铁氧化物 原铁氧化物

T>810 ℃时，H2还原能力大于CO。 T

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 直接还原反应为强吸热反应。  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。

2.3.3.3 高炉内非铁元素的还原

直接还原度（rd）

铁矿石中氧化铁进入高炉内发生的还原反应按如下规律进行：

Fe2O3 间接还原 Fe3O4 间接还原 FeO 间接还原 直接还原 Fe

高炉内非铁元素还原主要是Si、Mn、P的还原。

由于SiO2、P2O5、MnO比FeO还原困难，这些氧化物还原只能在 高炉下部高温区(1300℃以上)以直接还原的形式进行： 非铁元素还原均为强吸热反应； 磷在高炉冶炼条件下，全部被还原以 磷在高炉冶炼条件下 全部被还原以Fe F 2P形态溶于生铁。 形态溶于生铁 铁矿石中Mn可被还原40%~60%进入铁水中 较高的炉温和较低的炉渣碱度有利于硅的还原。 还原出来的硅可 溶于生铁或生成FeSi再溶于生铁。 目前高炉冶炼生铁中Si含量控制在0.4%~0.6%低硅生铁控制在 0.2%~0.3%。

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100

FeO还原为FeO的反应有三种形式：

间接： 氢还原： 直接： FeO+CO=Fe+CO2 FeO+H2=Fe+H2O FeO+C=Fe+CO

直接还原度是以直接还原方 式得到的金属铁量与直接、 间接和氢还原得到的总铁量 之比

高炉炼铁的总热量主要消耗于直接还原反应的吸热和渣铁熔化并过热所需 热量。高于热收于来源于风口前燃料燃烧和鼓风带入的物理热，因此降低 铁的直接还原度，可降低高炉燃料比（焦比）。目前高炉的直接还原度为。 0.4~0.6.

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10 0

铁水主要成分：C、Si、Mn、P、S、

FeO + C = Fe + CO – 650kcal/kgFe MnO + C = [Mn] + CO – 1248kcal/kgMn SiO2+ 2C = [Si] + 2CO – 5360 kcal/kgSi

2Ca3(PO4)2+3SiO2+10C = 3Ca2SiO4+4[P] +10CO–5471kcal/kg P

2.3.3.4渗碳与生铁形成

 渗碳过程 固体海绵铁在下降过程中发生渗碳过程：

• 第一阶段：炉身中上部（

元素 铁 锰 磷

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收得率 99.7% 40~60% （炼钢生铁） 70%（铸造生铁） 100%

101

• •

第二

阶段：液态铁的渗碳，铁滴与焦炭直接接触，形成Fe3C，到炉腹 时，渗碳量达4%左右。 第三阶段：炉缸内渗碳过程，一般渗碳量只0.1%~0.5%。

 生铁的生成

已还原出来的金属铁中逐渐溶入其他合金元素和渗碳的过程，得到含 Fe、C、Si、Mn、P、S等元素的生铁。 10 1

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10 2

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2.3.4 造渣与脱硫

 造渣目的

造渣就是加入熔剂同铁矿石中的脉石和焦炭(燃料)中的灰分等 相互作用，并将不进入生铁中的物质溶解，汇集成渣的过程。 高炉渣熔点低、密度小和不溶于铁水。

 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，含量最多的是SiO2、CaO、 Al2O3、MgO。  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=w(CaO)／w (SiO2)  根据高炉原料和冶炼产品的不同，炉渣的碱度一般在1.0～ 1.25之间。

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 造渣作用

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 中，至滴落带，炉渣以滴状下落，渣中 ％。 （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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2.3.4.2 生铁脱硫

硫的来源：矿石、焦炭、熔剂和喷吹燃料中的硫分。

烧结矿：CaO、 SiO2、MgO、Al2O3、S 球团矿、块矿： SiO2、Al2O3、S 焦炭、煤粉：SiO2、Al2O3、S

炉料中焦炭带入的硫最多，占70％～80％。

硫负荷：冶炼每吨生铁由炉料带入的总硫量。

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2.3.5 炉料与煤气运动

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

2.2.5.1 炉料运动 2.2.5.2 煤气运动

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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2.3.5.1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。

2.3.5.2 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。  煤气的总体 积在上升过程 中是增加的 中是增加的。

如：通常鼓风时， 炉缸煤气量是鼓风 量的1.21倍；炉顶 煤气是风量的1.35 倍。

煤气成分的变化

 CO：CO在高炉下部高温区开始增加，上升过程中，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：来源于鼓风中水蒸汽和焦炭中的有机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， 量逐渐减少，但由于炉料中结晶水和碳作用生成部分 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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煤气温度的变化

 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。

煤气压力的变化

 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 增加到 定程度时，将妨碍高炉顺行。 将妨碍高炉顺行

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第二章 小结

炉顶煤气温度：200~250 ℃ 炉顶煤气压力：2~2.5kg/cm2 炉顶煤气成分： CO：20~26%、 CO2：16~22%、 N2：54~60%、 H2：~3%、 CH4：~0.8%。

重点掌握内容： 高炉炼铁原料及作用、烧结及过程； 炼焦及球团原料及工艺过程和设备 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 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；

   

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