u 炼钢

第一章  概 述

一、钢铁工业发展简史

    1、我国炼铁工业的发展简史

◆早在2500年前的春秋、战国时期，就已生产和使用铁器，逐步由青铜时代过渡到铁器时代。

◆公元前513年，赵国铸的“刑鼎”。

◆1891年，清末洋务派首领张之洞首次在汉阳建造了两座日产lOO t生铁的高炉，迈出了我国近代炼铁的第一步。

◆之后，先后在鞍山、本溪、石景山、太原、马鞍山、唐山等地修建了高炉。

◆l943年是我国解放前钢铁产量最高的一年(包括东三省在内)，生铁产量180万t，钢产量90万t，居世界第十六位。

◆1949年，生铁年产量仅为25万t，钢年产量l5.8万t。

◆新中国成立后，我国于l953年生铁产量就达到了190万t，当时超过了历史最高水平。

◆1957年生铁产量达到了597万t，高炉利用系数达到了l．321，我国在这一指标上跨入世界先进行列(美国当时高炉利用系数为1.0)。

◆1958年生铁产量为l364万t。

◆1978年生铁产量突破了3000万t。

◆1988年生铁产量达到了6000万t。

◆1993年生铁产量为8000万t，跃居世界第二位。

◆1995年生铁产量为1亿t，居世界第一位。

◆1998年生铁产量为l．2亿t。

2、现代炼钢方法及其发展趋势

◆1855年英国冶金学家亨利·贝塞麦发明酸性空气底吹转炉炼钢方法。  

◆平炉炼钢法由于用重油、成本高、冶炼周期长、热效率低等致命弱点，已基本上被淘汰。

◆氧气转炉炼钢法以氧气顶吹转炉炼钢法为主，同时还有底吹氧气转炉炼钢法、顶底复合吹炼氧气转炉炼钢法。

◆l996年我国钢产量已达到一亿多吨，其中氧气转炉炼钢法所炼钢约占70％。

◆2005年我国粗钢产量已达到3.49亿吨，其中氧气转炉炼钢法所炼钢约占75％。

◆电炉炼钢法以交流电弧炉炼钢为主，同时也有少部分直流电弧炉炼钢、感应炉炼钢及电渣重熔等。

◆纵观国内外炼钢方法的发展，主要炼钢方法的总发展趋势是：转炉炼钢法大力发展，成为最主要的炼钢方法；电炉炼钢法稳步发展、长兴不衰；平炉炼钢法则被淘汰。

◆目前炼钢的生产流程主要有以下两种：

铁水→铁水预处理→氧气转炉→初炼钢水→炉外精炼→连铸机→连铸坯

废钢→电弧炉→初炼钢水→炉外精炼→连铸机→连铸坯

二、高炉冶炼产品

    高炉冶炼的主要产品是生铁，副产品是炉渣、煤气和一定量的炉尘(瓦斯灰)。

    1．生铁

◆生铁组成以铁为主，此外含碳质量分数为2．5％～4．5％，并有少量的硅、锰、磷、硫等元素。

◆生铁质硬而脆，缺乏韧性，不能延压成型，机械加工性能及焊接性能不好，但含硅高的生铁(灰口铁)的铸造及切削性能良好。

◆生铁按用途又可分为普通生铁和合金生铁。

◆普通生铁包括炼钢生铁和铸造生铁。

◆后者合金生铁主要是锰铁和硅铁。

◆我国现行生铁标准如下表所示。

表1-2铸造生铁国家标准(GB 718—82)

◆计算冶炼强度要扣除休风时间。

◆冶炼强度是表示高炉生产强化程度的指标。

◆冶炼强度取决于高炉所能接受的风量。鼓入高炉的风量越多，冶炼强度越高。

    利用系数、焦比和冶炼强度之间的关系(当休风时间为零、不喷吹燃料时)：

    4．生铁合格率

    合格生铁占高炉总产量的百分数为生铁合格率，即：

◆化学成分符合国家标准的生铁为合格生铁。

    ◆生铁合格率是评价高炉产品质量好坏的重要指标。

    5．休风率

    休风率是指休风时间占规定作业时间(日历时间扣除计划检修时间)的百分数，即：

◆休风率反映设备管理维护和高炉的操作水平。

◆降低休风率是高炉增产节焦的重要途径。

    6．生铁成本

生铁成本是指冶炼一吨生铁所需的费用，包括原料、燃料、动力、工资、车间经费等。

◆原燃料成本费占80％左右。

◆冶炼成本费占20％左右。

◆降低焦炭消耗是降低成本的重要内容。

    7．炉龄

高炉从开炉到停炉大修之间的时间，为一代高炉的炉龄。

◆延长炉龄是高炉工作者的重要课题。

◆大高炉炉龄要求达到10年以上，国外大型高炉炉龄最长已达20年

四、钢和生铁的主要区别

1.钢和生铁都是铁基合金，都含有碳、硅、锰、硫、磷5种元素。其主要区别见表1—3。

表1—3  钢和生铁的主要区别

 2.钢和生铁最根本的区别是含碳量不同。

    五、炼钢的基本任务

    炼钢的基本任务是：

    1.脱碳。在高温熔融状态下，把生铁中的碳氧化降低到所炼钢号的规格范围内。

    2.去磷和去硫。把生铁中的有害杂质磷和硫降低到所炼钢号的规格范围内。

3.去气和去非金属夹杂物。把熔炼过程中进入钢液中的有害气体及非金属夹杂物排除掉。

4.脱氧与合金化。把氧化熔炼过程中生成的对钢质有害的过量的氧从钢液中排除掉；同时加入合金元素，将钢液中的各种合金元素的含量调整到所炼钢号的规格范围内。

    5.调温。按照熔炼工艺的需要，适时地提高和调整钢液温度到出钢温度。

    6.浇注。把熔炼好的合格钢液浇注成一定尺寸和形状的钢锭或连铸坯，以便下一步轧制成钢材。

炼钢过程主要是氧化过程。

六　炼钢生产主要技术经济指标

1．年产量

式中  n——年内工作日(24h为一个工作日)；

           g——每炉金属料重量，t；

           a——合格钢锭收得率，％；

           T——每炉平均冶炼时间，h。

2．每炉钢产量

    3．作业率

式中  工作日(d)=日历时间(d)一停炉时间(d)。

    4．利用系数

    ◆转炉利用系数

指每公称吨位的容量每昼夜所生产的合格钢产量，即：

◆电炉利用系数

指每千千伏安变压器容量每昼夜所生产的合格钢锭量，即：

5．每炉钢冶炼时间

6．转炉炉龄(炉衬寿命)

7．按计划出钢率

8．钢锭合格率

9．钢锭收得率

10．原材料消耗

11．电炉电耗

12．

第二章　炼铁原燃料

 第五节       铁矿粉造块

铁矿粉造块目前主要有两种方法：烧结法和球团法。两种方法所获得的块矿分别为烧结矿和球团矿。

铁矿粉造块的目的：

◆综合利用资源，扩大炼铁用的原料种类。

◆去除有害杂质，回收有益元素，保护环境。

◆改善矿石的冶金性能，适应高炉冶炼对铁矿石的质量要求。

一、铁矿粉烧结生产

1.烧结的概念

将各种粉状含铁原料，配入适量的燃料和熔剂，加入适量的水，经混合和造球后在烧结设备上使物料发生一系列物理化学变化，将矿粉颗粒黏结成块的过程。

2. 烧结生产的工艺流程

目前生产上广泛采用带式抽风烧结机生产烧结矿。烧结生产的工艺流程如图2—4所示。主要包括烧结料的准备，配料与混合，烧结和产品处理等工序。

◆烧结原料的准备

    ①含铁原料

含铁量较高、粒度<5mm的矿粉，铁精矿，高炉炉尘，轧钢皮，钢渣等。

一般要求含铁原料品位高，成分稳定，杂质少。

②熔剂

要求熔剂中有效CaO含量高，杂质少，成分稳定，含水3％左右，粒度小于3mm的占90％以上。

在烧结料中加入一定量的白云石，使烧结矿含有适当的MgO，对烧结过程有良好的作用，可以提高烧结矿的质量。

③燃料

   主要为焦粉和无烟煤。

对燃料的要求是固定碳含量高，灰分低，挥发分低，含硫低，成分稳定，含水小于10％，粒度小于3mm的占95％以上。

对入厂烧结原料的一般要求见表2—2。

表2-2　入厂烧结原料一般要求

◆配料与混合

①配料

配料目的：获得化学成分和物理性质稳定的烧结矿，满足高炉冶炼的要求。

常用的配料方法：容积配料法和质量配料法。

容积配料法是基于物料堆积密度不变，原料的质量与体积成比例这一条件进行的。准确性较差。

质量配料法是按原料的质量配料。比容积法准确，便于实现自动化。

②混合

混合目的：使烧结料的成分均匀，水分合适，易于造球，从而获得粒度组成良好的烧结混合料，以保证烧结矿的质量和提高产量。

混合作业：加水润湿、混匀和造球。

根据原料性质不同，可采用一次混合或二次混合两种流程。

一次混合的目的：润湿与混匀，当加热返矿时还可使物料预热。

二次混合的目的：继续混匀，造球，以改善烧结料层透气性。

用粒度10～Omm的富矿粉烧结时，因其粒度已经达到造球需要，采用一次混合，混合时间约50s。

使用细磨精矿粉烧结时，因粒度过细，料层透气性差，为改善透气性，必须在混合过程中造球，所以采用二次混合，混合时间一般不少于2．5～3min。

我国烧结厂大多采用二次混合。

◆烧结生产

烧结作业是烧结生产的中心环节，它包括布料、点火、烧结等主要工序。

①布料

将铺底料、混合料铺在烧结机台车上的作业。

    当采用铺底料工艺时，在布混合料之前，先铺一层粒度为10～25mm，厚度为20～25mm的小块烧结矿作为铺底料，其目的是保护炉箅，降低除尘负荷，延长风机转子寿命，减少或消除炉箅粘料。

铺完底料后，随之进行布料。布料时要求混合料的粒度和化学成分等沿台车纵横方向均匀分布，并且有一定的松散性，表面平整。

目前采用较多的是圆辊布料机布料。

②点火　

点火操作是对台车上的料层表面进行点燃，并使之燃烧。

点火要求有足够的点火温度，适宜的高温保持时间，沿台车宽度点火均匀。

    点火温度取决于烧结生成物的熔化温度。常控制在1250±50℃。

    点火时间通常40～60s。  

点火真空度4～6kPa。

点火深度为10～20mm。

③烧结

准确控制烧结的风量、真空度、料层厚度、机速和烧结终点。

烧结风量：平均每吨烧结矿需风量为3200m³，按烧结面积计算为(70～90)m³／(cm²．min)。

真空度：决定于风机能力、抽风系统阻力、料层透气性和漏风损失情况。

料层厚度：合适的料层厚度应将高产和优质结合起来考虑。国内一般采用料层厚度为250～500mm。

    机速：合适的机速应保证烧结料在预定的烧结终点烧透烧好。实际生产中，机速一般控制在1.5～4m／min为宜。

    烧结终点的判断与控制：控制烧结终点，即控制烧结过程全部完成时台车所处的位置。中小型烧结机终点一般控制在倒数第二个风箱处，大型烧结机控制在倒数第三个风箱处。

    带式烧结机抽风烧结过程是自上而下进行的，沿其料层高度温度变化的情况一般可分为5层，各层中的反应变化情况如图2—5所示。点火开始以后，依次出现烧结矿层，燃烧层，预热层，干燥层和过湿层。然后后四层又相继消失，最终只剩烧结矿层。

图2-5烧结过程各层反应示意图

①烧结矿层

经高温点火后，烧结料中燃料燃烧放出大量热量，使料层中矿物产生熔融，随着燃烧层下移和冷空气的通过，生成的熔融液相被冷却而再结晶(1000—1100℃)凝固成网孔结构的烧结矿。

这层的主要变化是熔融物的凝固，伴随着结晶和析出新矿物，还有吸入的冷空气被预热，同时烧结矿被冷却，和空气接触时低价氧化物可能被再氧化。

②燃烧层

燃料在该层燃烧，温度高达1350～1600℃，使矿物软化熔融黏结成块。

该层除燃烧反应外，还发生固体物料的熔化、还原、氧化以及石灰石和硫化物的分解等反应。

③预热层

由燃烧层下来的高温废气，把下部混合料很快预热到着火温度，一般为400～800℃。

此层内开始进行固相反应，结晶水及部分碳酸盐、硫酸盐分解，磁铁矿局部被氧化。

④干燥层 

干燥层受预热层下来的废气加热，温度很快上升到100℃以上，混合料中的游离水大量蒸发，此层厚度一般为l0～30mm。

实际上干燥层与预热层难以截然分开，可以统称为干燥预热层。

该层中料球被急剧加热，迅速干燥，易被破坏，恶化料层透气性。

⑤过湿层

从干燥层下来的热废气含有大量水分，料温低于水蒸气的露点温度时，废气中的水蒸气会重新凝结，使混合料中水分大量增加而形成过湿层。

此层水分过多，使料层透气性变坏，降低烧结速度。

    烧结过程中的基本化学反应

    ①固体碳的燃烧反应

固体碳燃烧反应为：

反应后生成C0和C0₂，还有部分剩余氧气，为其他反应提供了氧化还原气体和热量。

燃烧产生的废气成分取决于烧结的原料条件、燃料用量、还原和氧化反应的发展程度、以及抽过燃烧层的气体成分等因素。

②碳酸盐的分解和矿化作用 

烧结料中的碳酸盐有CaC0₃、MgC0₃、FeC0₃、MnC0₃等，其中以CaC0₃为主。在烧结条件下，CaC0₃在720℃左右开始分解，880℃时开始化学沸腾，其他碳酸盐相应的分解温度较低些。

碳酸钙分解产物Ca0能与烧结料中的其他矿物发生反应，生成新的化合物，这就是矿化作用。反应式为：

CaCO₃+SiO₂=CaSiO₃+CO₂

CaCO₃+Fe₂O₃=CaO ·Fe₂O₃+ CO₂

如果矿化作用不完全，将有残留的自由Ca0存在，在存放过程中，它将同大气中的水分进行消化作用：

CaO+H₂O=Ca(OH)₂

使烧结矿的体积膨胀而粉化。

    ③铁和锰氧化物的分解、还原和氧化

    铁的氧化物在烧结条件下，温度高于l300℃时，Fe₂0₃可以分解：

Fe₃0₄在烧结条件下分解压很小，但在有Si0₂存在、温度大于1300℃时，也可能分解：

    二 、球团矿生产

1.球团矿的概念

把细磨铁精矿粉或其他含铁粉料添加少量添加剂混合后，在加水润湿的条件下，通过造球机滚动成球，再经过干燥焙烧，固结成为具有一定强度和冶金性能的球型含铁原料。

    2.球团矿生产迅速发展的原因：

◆天然富矿日趋减少，大量贫矿被采用。

铁矿石经细磨、选矿后的精矿粉，品位易于提高。

过细精矿粉用于烧结生产会影响透气性，降低产量和质量。

细磨精矿粉易于造球，粒度越细，成球率越高，球团矿强度也越高。

◆球团法生产工艺的成熟。

从单一处理铁精矿粉扩展到多种含铁原料。

生产规模和操作也向大型化、机械化、自动化方向发展。

技术经济指标显著提高。

球团产品也已用于炼钢和直接还原炼铁等。

◆球团矿具有良好的冶金性能：粒度均匀、微气孔多、还原性好、强度高，有利于强化高炉冶炼。

3.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，如图2-6所示。

第二章　炼铁原燃料

第四节　熔  剂

    一、熔剂的作用

熔剂在冶炼过程中的主要作用有：

1.使还原出来的铁与脉石和灰分实现良好分离，并顺利从炉缸流出，即渣铁分离。

2.生成一定数量和一定物理、化学性能的炉渣，去除有害杂质硫，确保生铁质量。

    二、熔剂的种类

    根据矿石中脉石成分的不同，高炉冶炼使用的熔剂，按其性质可分为碱性、酸性和中性三类。

1．碱性熔剂

常用的碱性熔剂有石灰石(CaC0₃)和白云石(CaC0₃·MgC0₃)。

    2．酸性熔剂

    作为酸性熔剂使用的有石英石(Si0₂)、均热炉渣(主要成分为2FeO、Si0₂)及含酸性脉石的贫铁矿等。

    3．中性熔剂

    高铝原料。如铁钒土和粘土页岩。

    三、对碱性熔剂的质量要求

对碱性熔剂的质量有如下要求：

    1.碱性氧化物(CaO+MgO)含量高，酸性氧化物(Si0₂+A1₂0₃)愈少愈好。或熔剂的有效熔剂性愈高愈好。

一般要求石灰石中Ca0的质量分数不低于50％，Si0₂+A1₂0₃的质量分数不超过3．5％。

    熔剂的有效熔剂性是指熔剂按炉渣碱度的要求，除去本身酸性氧化物含量所消耗的碱性氧化物外，剩余部分的碱性氧化物含量。可用下式表示：

当熔剂中与炉渣中Mg0含量很少时，计算式可简化为：

2.有害杂质硫、磷含量要少。

石灰石中一般硫的质量分数只有0．01％～0．08％，磷的质量分数为0．001％～0．03％。

    3.较高的机械强度，粒度要均匀，大小适中。

适宜的石灰石入炉粒度范围是：大中型高炉为20～50mm，小型高炉为l0～30mm。

当炉渣黏稠引起炉况失常时，还可短期适量加入萤石(CaF₂)，以稀释炉渣和洗掉炉衬上的堆积物。

第五节       高炉用燃料

焦炭是高炉冶炼的主要燃料。

    一、焦炭在高炉冶炼中的作用

1.发热剂。焦炭在风口前燃烧放出大量热量并产生煤气，煤气在上升过程中将热量传给炉料，使高炉内的各种物理化学反应得以进行。

2.还原剂。焦炭燃烧产生的C0及焦炭中的固定碳是铁矿石的还原剂。

3.料柱骨架。焦炭在料柱中占1/3～1/2的体积，尤其是在高炉下部高温区只有焦炭是以固体状态存在，它对料柱起骨架作用，高炉下部料柱的透气性完全由焦炭来维持。

4.渗碳剂。

5.炉料下降提供自由空间。

    二、高炉冶炼对焦炭质量的要求

    1．焦炭的化学成分

焦炭的化学成分常以焦炭的工业分析来表示。工业分析项目包括固定碳、灰分、硫分、挥发分和水分的含量。

    ◆固定碳含量尽量高，灰分尽量低。我国冶金焦炭灰分一般为11％～l4％。

    ◆硫含量低。

◆挥发分一般在0．7％～l．2％。

 焦炭中的挥发分是指在炼焦过程中未分解挥发完的H₂、CH₄、N₂等物质。

挥发分含量过高，说明焦炭的结焦程度差，生焦多，强度差；含量过低，则说明结焦程度过高，易碎。

◆水分含量稳定。

 焦炭中的水分是湿法熄焦时渗入的，通常为2％～6％。

    2．焦炭的物理性质

◆机械强度高。

 焦炭的机械强度是指焦炭的耐磨性和抗撞击能力。

机械强度不好的焦炭，在转运过程中和高炉内下降过程中破裂产生大量的粉末，进入初渣，使炉渣的黏度增加，增加煤气阻力，造成炉况不顺。

目前我国一般用小转鼓测定焦炭强度。

小转鼓是用钢板焊成的无穿心轴的密封圆筒，鼓内径和宽均为1000mm，内壁每隔90°焊角钢一块，共计4块。试验时，取粒度大于60mm 的焦炭30kg，放人转鼓内，转鼓以25r／min的速度旋转100转，即4min，倒出试样，用φ40mm和φl0mm的圆孔筛筛分，以大于40mm的焦炭占试样总量的百分比(以M40表示) 作为破碎强度指标，以小于l0mm的焦炭占试样总量的百分比(以M₁₀表示)作为耐磨强度指标。

M40愈大，Ml0愈小，表明焦炭的强度愈高。

一般要求M40≥72％，M_l0≤10％。

◆粒度均匀、粉末少。

大型高炉焦炭粒度范围为20～60mm，中小高炉用焦炭，其粒度分别以20～40mm和大于15mm 为宜。

    3．焦炭的化学性质

    焦炭的化学性质包括焦炭的燃烧性和反应性两方面。

◆     燃烧性好。

燃烧性是指焦炭在一定温度下与氧反应生成C0₂的速度，即燃烧速度。其反应式为：

C+0₂=C0₂

◆     反应性好。

反应性是指焦炭在一定温度下和C0₂作用生成C0的速度。反应式为：

C+C0₂=2CO

为了提高炉顶煤气中的CO₂含量，改善煤气利用程度，希望焦炭的反应性差些为好。

为了扩大燃烧带，使炉缸温度及煤气流分布更为合理，使炉料顺利下降，希望焦炭的燃烧性差些为好。

    三、炼焦生产工艺流程

    炼焦生产工艺流程如图2-2所示。

图2-2　炼焦生产工艺流程

    现代焦炭生产过程分为洗煤、配煤、炼焦和产品处理等工序。

 1.洗煤

◆原煤在炼焦之前，先进行洗选。

◆目的是降低煤中所含的灰分和去除其他杂质。

    2.配煤

◆将各种结焦性能不同的煤按一定比例配合炼焦。

◆目的是在保证焦炭质量的前提下，扩大炼焦用煤的使用范围，合理地利用国家资源，并尽可能地多得到一些化工产品。

    3.炼焦

第二章　炼铁原燃料

第一节　铁矿石及其分类

一、矿物、矿石和岩石

1. 矿物的概念及特点

地壳中的化学元素经过各种地质作用，形成的天然元素和天然化合物称为矿物。它具有较均一的化学成分和内部结晶构造，具有一定的物理性质和化学性质。

2.矿石和岩石的概念

◆矿石和岩石均由矿物所组成，是矿物的集合体。

◆矿石是在目前的技术条件下能经济合理地从中提取金属、金属化合物或有用矿物的物质。

◆矿石由有用矿物和脉石矿物所组成。能够被利用的矿物为有用矿物，目前尚不能利用的矿物为脉石矿物。

    二、铁矿石的分类及主要特性

    根据含铁矿物的主要性质和矿物组成，铁矿石分为磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿四种类型。

    1．磁铁矿

    磁铁矿化学式为Fe₃O₄，结构致密，晶粒细小，黑色条痕。具有强磁性，含S、P较高，还原性差。

    2．赤铁矿

赤铁矿化学式为Fe₂O₃，条痕为樱红色，具有弱磁性。含S、P较低，易破碎、易还原。

    3．褐铁矿

    褐铁矿是含结晶水的氧化铁，呈褐色条痕，还原性好，化学式为nFe₂O₃·mH₂O(n= 1～3，m=1～4)。褐铁矿中绝大部分含铁矿物是以2Fe₂O₃·3H₂O的形式存在的。

    4．菱铁矿

    菱铁矿化学式为FeC0₃，颜色为灰色带黄褐色。菱铁矿经过焙烧，分解出C0₂气体，含铁量即提高，矿石也变得疏松多孔，易破碎，还原性好。其含S低，含P较高。

各种铁矿石的分类及其主要特性列于表2-1。

表2—1　铁矿石的分类及其特性

第二节       高炉冶炼对铁矿石的要求

一、铁矿石品位高

铁矿石品位是指铁矿石的含铁量，以TFe％表示。

铁矿石品位高有利于降低焦比和提高产量。根据生产经验，矿石品位提高1％，焦比降低2％，产量提高3％。

从矿山开采出来的矿石，含铁量一般在30％～60％之间。

品位较高，经破碎筛分后可直接入炉冶炼的称为富矿。一般当含铁量大于70％～90％时方可直接入炉。

品位较低，不能直接入炉的叫贫矿。贫矿必须经过选矿和造块后才能入炉冶炼。

二、脉石成分愈低愈好

铁矿石的脉石成分绝大多数为酸性的，SiO₂含量较高。

铁矿石中Si0₂含量愈高，需加入的石灰石也愈多，生成的渣量也愈多，这样，将使焦比升高，产量下降。

脉石中含碱性氧化物(Ca0、MgO)较多的矿石，冶炼时可少加或不加石灰石，对降低焦比有利，具有较高的冶炼价值。

三、有害杂质少和有益元素的含量

1．有害杂质

矿石中的有害杂质是指那些对冶炼有妨碍或使矿石冶炼时不易获得优质产品的元素。主要有S、P、Pb、Zn、As、K、Na等。

    ◆硫

    硫在矿石中主要以硫化物状态存在。硫的危害主要表现在：

    ①当钢中的含硫量超过一定量时，会使钢材具有热脆性。

    ②对铸造生铁，会降低铁水的流动性，阻止Fe₃C分解，使铸件产生气孔、难于切削并降低其韧性。

    ③硫会显著地降低钢材的焊接性，抗腐蚀性和耐磨性。

    矿石中的含硫质量分数必须小于0.3％。

    ◆磷

磷以Fe₂P、Fe₃P形态溶于铁水。磷会造成钢的冷脆现象。由于磷在选矿和烧结过程中不易除去，在高炉冶炼中又几乎全部还原进入生铁。所以控制生铁含磷的惟一途径就是控制原料的含磷量。

◆铅和锌

    铅和锌常以方铅矿(PbS)和闪锌矿(ZnS)的形式存在于矿石中。

铅易渗入砖缝破坏炉底砌砖，甚至使炉底砌砖浮起。铅又极易挥发，在高炉上部被氧化成PbO，粘附于炉墙上，易引起结瘤。

一般要求矿石中的含铅质量分数低于0.1％。

锌在炉内被氧化成ZnO，部分ZnO沉积在炉身上部炉墙上，形成炉瘤，部分渗入炉衬的孔隙和砖缝中，引起炉衬膨胀而破坏炉衬。

矿石中的含锌质量分数应小于0．1％。

    ◆砷

砷会使钢材产生“冷脆”现象，并降低钢材焊接性能。

要求矿石中的含砷质量分数小于0．07％。

    ◆碱金属

    碱金属主要指钾和钠。一般以硅酸盐形式存在于矿石中。其危害主要为：①与炉衬作用生成钾霞石(K₂O·A1₂O₃·2SiO₂)，体积膨胀40％而损坏炉衬。

②与炉衬作用生成低熔点化合物，粘结在炉墙上，易导致结瘤。

③与焦炭中的碳作用生成插入式化合物(CK₈、CNa₈)体积膨胀很大，破坏焦炭高温强度，从而影响高炉下部料柱透气性。

    ◆铜

铜在钢材中具有两重性。当钢中含铜质量分数小于0.3％时能改善钢材抗腐蚀性。当超过0.3％时又会降低钢材的焊接性，并引起钢的“热脆”现象，使轧制时产生裂纹。

一般铁矿石允许含铜质量分数不超过0.2％。

    2．有益元素

矿石中有益元素主要指对钢铁性能有改善作用或可提取的元素。如锰(Mn)、铬(Cr)、钴(Co)、镍(Ni)、钒(V)、钛(Ti)等。当这些元素达到一定含量时，可显著改善钢的可加工性，强度和耐磨、耐热、耐腐蚀等性能。同时这些元素的经济价值很大，当矿石中这些元素含量达到一定数量时，可视为复合矿石，加以综合利用。

    四、铁矿石的还原性好

1.铁矿石的还原性概念

铁矿石的还原性是指铁矿石被还原性气体C0或H₂还原的难易程度。

2. 影响铁矿石还原性的因素

影响铁矿石还原的因素主要有矿物组成、矿物结构的致密程度、粒度和气孔率等。

磁铁矿结构致密，最难还原。

赤铁矿有中等的气孔率，比较容易还原。

褐铁矿和菱铁矿容易还原。

烧结矿和球团矿的气孔率高，其还原性一般比天然富矿的还要好。

    五、矿石的粒度适当、机械强度高和软化性好

    矿石的粒度是指矿石颗粒的直径。通常，入炉矿石粒度在5～35mm之间，小于5mm的粉末是不能直接人炉的。

铁矿石的机械强度是指矿石耐冲击、抗摩擦、抗挤压的能力。

    铁矿石的软化性包括铁矿石的软化温度和软化温度区间两个方面。软化温度是指铁矿石在一定的荷重下受热开始变形的温度；软化温度区间是指矿石开始软化到软化终了的温度范围。高炉冶炼要求铁矿石的软化温度要高，软化温度区间要窄。

    六、铁矿石各项指标相对稳定

铁矿石的各项理化指标保持相对稳定，才能最大限度地发挥生产效率。高炉冶炼要求成分波动范围:含铁原料TFe<±0．5％～l．0％；ω(SiO₂)<±0．2％～0．3％；烧结矿的碱度为±0．03～0．1。

第三节　铁矿石冶炼前的准备和处理

从矿山开采出来的铁矿石，一般要经过破碎、筛分、混匀、焙烧、选矿和造块等加工处理过程。

    一、破碎

1.破碎的分类

根据破碎的粒度，可分为粗碎、中碎、细碎和粉碎。

    ◆粗碎：从l300～500mm破碎到400～125mm；

    ◆中碎：从400～125mm破碎到100～25mm；

    ◆细碎：从l00～25mm破碎到25～5mm；

◆粉碎：从<5mm破碎到<lmm。

2.主要破碎设备

    对于天然铁矿石的粗、中、细碎作业，目前采用的主要破碎设备有颚式破碎机和圆锥式破碎机两大类，其工作原理如图2—1所示。

图2—1　破碎机的工作原理示意图

              (a)颚式破碎机；(b)圆锥式破碎机；(c)短锥式破碎机

二、筛分

1.筛分的概念

通过单层或多层筛面，将颗粒大小不同的混合料分成若干不同粒度级别的过程。

2.筛分的目的

◆筛除粉末。

◆将大于规定粒度上限的大块筛除进行再破碎。

◆对合格块度进行分级。

3.矿石的筛分设备

多采用振动筛。其筛分原理是利用筛网的上下垂直振动进行的。筛网的振动可达每分钟l500次左右，振幅达0．5～12mm，筛面与水平面成l0°～40°的倾角。

4.振动筛的特点

筛分效率高，单位面积产量大，筛孔不易堵塞，调整方便，适用粒度范围广。

    通常，矿石在破碎、筛分过程中通过皮带运输机将破碎机械与筛分机械联系起来，构成破碎筛分流程。

    三、混匀

混匀又称为中和。

1.     混匀的目的

稳定铁矿石的化学成分，从而稳定高炉操作，保持炉况顺行，改善冶炼指标。

2.矿石的混匀方法

按“平铺直取”的原则进行。所谓平铺，是根据料场的大小将每一批来料沿水平方向依次平铺，一般每层厚度为200-300mm，把料铺到一定高度。所谓直取，即取矿时，沿料堆垂直断面截取矿石。

    四、铁矿石的焙烧

1.铁矿石焙烧的概念

将铁矿石加热到低于软化温度200～300℃的一种处理过程。

2.焙烧的目的

◆改变矿石的矿物组成和内部结构。

◆去除部分有害杂质。

◆回收有用元素。

◆使矿石变得疏松，提高矿石的还原性。

3.焙烧的方法

氧化焙烧、还原磁化焙烧和氯化焙烧等。

    ◆氧化焙烧是铁矿石在氧化气氛条件下焙烧，主要用于去除褐铁矿中的结晶水，菱铁矿中的C0₂，并提高品位，改善还原性。

    ◆还原磁化焙烧是在还原气氛中进行，其作用是将弱磁性的赤铁矿及非磁性的黄铁矿转化为具有强磁性的磁铁矿，以便磁选。

五、铁矿石的选矿

1.选矿的目的

提高矿石品位。

   2.选矿方法

    ◆重力选矿法。根据矿物密度的不同，在选矿介质中具有不同的沉降速度而进行选矿。

    ◆磁力选矿法。磁力选矿法是利用矿物的磁性差别，在不均匀的磁场中，磁性矿物被磁选机的磁极吸引，而非磁性矿物则被磁极排斥，从而达到选别的目的。

    ◆浮游选矿法。浮游选矿法是利用矿物表面不同的亲水性，选择性地将疏水性强的矿物用泡沫浮到矿浆表面，而亲水性矿物则留在矿浆中，从而实现不同矿物彼此分离。

3.选矿后的产品

精矿、中矿和尾矿。

◆精矿是指选矿后得到的含有用矿物含量较高的产品。

◆中矿为选矿过程中间产品，需进一步选矿处理。

◆尾矿是经选矿后留下的废弃物。

第三章   高炉冶炼原理

第一节       炉料在炉内的物理化学变化

一、高炉炉内的状况

如图3—1所示，高炉炉内的状况可分为五个区域或称五个带：

    1.炉料仍保持装料前块状状态的块状带；

    2.矿石从开始软化到完全软化的软熔带；

    3.已熔化的铁水和炉渣沿焦炭之间的缝隙下降的滴落带；

    4.由于鼓风动能的作用，焦炭作回旋运动的风口带；

    5.风口以下，贮存渣铁完成必要渣铁反应的渣铁带。

2. 加快还原反应速度的措施

◆提高还原气体的浓度和还原温度。

◆使用粒度较小，气孔率较大的人造矿石。

    六、生铁的生成与渗碳过程

1.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。

2.渗碳过程

◆固体海绵铁发生如下渗碳过程：

◆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。

生铁的最终含碳量与生铁中合金元素的含量有着密切关系。能与碳生成碳化物的元素，有助于增加生铁中的含碳量；能与铁生成化合物的元素，促使生铁的含碳量降低

第三章   高炉冶炼原理

第四节  高炉风口区碳素的燃烧

第五节  炉料和煤气的运动

第四节  高炉风口区碳素的燃烧

一、燃料燃烧

1．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C0并放出热量。

◆由于鼓风中总含有一定的水蒸气，灼热的C与H₂0发生下列反应：

C+H₂0=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C0、H₂、N₂组成。

2．燃烧反应的作用

燃烧反应有以下几方面作用：

◆为高炉冶炼过程提供主要热源；

◆为还原反应提供C0、H₂等还原剂；

◆为炉料下降提供必要的空间。

二、回旋区及燃烧带

1. 回旋区的概念

风口前产生焦炭和煤气流回旋运动的区域称为回旋区。

在回旋区外围，有一层厚约l00～300mm的中间层，此层的焦炭既受高速煤气流的冲击作用，又受阻于外围包裹着的紧密焦炭，因此比较疏松，但又不能和煤气流一起运动。

2.燃烧带的概念

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。如图3-4所示。

图3-4风口前焦炭循环运动示意图

 (a)风口区域的垂直平面；(b)风口区域的水平截面

1─气流中心线；2─焦炭的中间层

三、影响燃烧带大小的因素

1.燃烧带大小的作用

决定着煤气在炉内的初始分布，对炉内煤气温度和炉缸温度分布，及高炉顺行都有影响。

当燃烧带沿水平方向上截面积越大，相邻两燃烧带之间的不活跃区越小时，炉缸工作越均匀。

2.影响燃烧带大小的因素

◆鼓风动能与下部调剂

下部调剂的作用是通过改变进风状态控制煤气流的初始分布，使整个炉缸温度分布均匀稳定，热量充沛，工作活跃。也就是控制适宜的燃烧带与煤气流的合理分布。

通过日常鼓风参数的调剂实现合适的鼓风动能，可达到控制燃烧带大小的目的。

调剂的鼓风参数有风温、风量、喷吹量、鼓风湿度、风口数目、风口直径。

◆燃烧反应速度

  一般情况下，燃烧反应速度快，燃烧反应可在较小的区域进行，使燃烧带缩小；反之，则燃烧带大。

◆炉缸料柱阻力

炉缸内料柱疏松，燃烧带则延长；反之，燃烧带则缩小。

◆焦炭的性质

焦炭的粒度、气孔度、反应性等对燃烧大小也有一定的影响。

第五节  炉料和煤气的运动

一、炉料运动

1.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。

2.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。

二、煤气运动

    1．煤气的体积与成分的变化

    煤气量取决于冶炼强度、鼓风成分、焦比等因素。炉缸煤气在高炉内上升过程中体积与成分如图3—5。由图可以看出，煤气的体积总量在上升过程中是增加的。

图3-5 高炉煤气上升过程中体积、成分的变化

◆C0

煤气上升过程中，CO在高炉下部高温区开始增加，煤气中的C0含量会相应减小。

①吸收Fe、Si、Mn、P等元素直接还原生成的C0。

②部分碳酸盐在高温区分解生成的C0₂与C作用生成C0。

③中温区，C0开始参加间接还原生成同体积的C0₂。

◆C0₂

C0₂在炉缸、炉腹部位几乎为零，从中温区开始增加。

①高温区C0₂是不稳定的。

②间接还原生成C0₂。

③碳酸盐分解生成C0₂。

◆H₂

高温区的H₂来源于风中H₂0_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的CH₄，但数量很少，变化不大。

    2．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。

◆高炉内热交换区域

高炉内热交换时，将高炉分为三个区域(如图3—6所示)：

图3-6  理想高炉的竖向温度分布图

1─煤气；2─炉料

今天就到这里吧，太多了，先上附件。

    ②在高炉下部区域，炉缸所具有的温度水平是反映炉缸热制度的重要参数。提高炉缸温度的措施有：提高风温，富氧鼓风等方面。

③在高炉上部和下部热交换区之间存在一个热交换达到平衡的空区，此区的特点是炉料与煤气的温差很小，该区煤气的温度对大量使用石灰石的高炉约为900℃，对大量使用烧结矿的高炉约为1000℃。

3．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，将妨碍高炉顺行。

三、影响△p的因素

1．煤气流的影响

◆煤气流速

随着煤气流速的增加，△p 迅速增加。

降低煤气流速能明显降低△p。

提高风量，煤气量增加，△p增加，不利于高炉顺行。

◆煤气温度

炉内温度升高，煤气体积膨胀，煤气流速增加，△p增大。

◆煤气压力

炉内煤气压力升高，煤气体积缩小，煤气流速降低，△p减少，有利于炉况顺行。

◆煤气的密度和黏度

降低煤气的密度和黏度能降低△p。

    2．原料的影响

◆粒度

从降低△p以有利于高炉顺行的角度看，增加原料的粒度是有利的，但是对矿石的还原反应不利。

◆孔隙度

入炉原料的孔隙度大，透气性好，△p将降低，有利于炉况的顺行。

    3．其他方面

◆装料制度：一切疏松边缘的装料制度，均能促进△p的下降，有利于顺行。

◆造渣制度：渣量少，成渣带薄，初渣黏度小都会使△p下降，有利于顺行。

第四章  高炉冶炼工艺

第一节  高炉基本操作制度

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。

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。

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。

一、炉缸热制度

1.炉缸热制度的概念

高炉炉缸所应具有的温度和热量水平。

炉温一般指高炉炉渣和铁水的温度，即“物理热”。一般铁水温度为1350～1550℃，炉渣温度比铁水温度高50～100℃。

生产中常用生铁含硅量的高低来表示高炉炉温水平，即“化学热”。

2.炉缸热制度的作用

直接反映炉缸的工作状态，稳定均匀而充沛的热制度是高炉稳定顺行的基础。

3.热制度的选择

◆根据生产铁种的需要，选择生铁含硅量在经济合理的水平。

冶炼炼钢生铁时，【Si】含量一般控制在0.3％～0.6％之间。冶炼铸造生铁时，按用户要求选择【Si】含量。且上、下两炉【Si】含量波动应小于0.1％。

◆根据原料条件选择生铁含硅量。

冶炼含钒钛铁矿石时，允许较低的生铁含硅量；用铁水的【Si】+【Ti】来表示炉温。

◆结合高炉设备情况。

如炉缸严重侵蚀时，以冶炼铸造铁为好。

◆结合技术操作水平与管理水平。

原燃料强度差、粉末多、含硫高、稳定性较差时，应维持较高的炉温；反之在原燃料管理稳定、强度好、粉末少、含硫低的条件下，可维持较低的生铁含硅量。

4.影响热制度的主要因素

◆原燃料性质变化

主要包括焦炭灰分、含硫量、焦炭强度、矿石品位、还原性、粒度、含粉率、熟料率、熔剂量等的变化。

矿石品位提高1％，焦比约降低2％，产量提高3％。

烧结矿中FeO含量增加l％，焦比升高l．5％。

矿石粒度均匀有利于透气性改善和煤气利用率提高。

焦炭含硫增加0．1％，焦比升高l．2％～2．0％；灰分增加l％，焦比上升2％左右。

随着高炉煤比的提高，还应充分考虑煤粉发热量、含硫量和灰分含量的波动对热制度的影响。

◆冶炼参数的变动

主要包括冶炼强度、风温、湿度、富氧量、炉顶压力、炉顶煤气CO₂含量等的变化。

调节风温可以很快改变炉缸热制度。

喷吹燃料会改变炉缸煤气流分布。

风量的增减使料速发生变化，风量增加，煤气停留时间缩短，直接还原增加，会造成炉温向凉。

装料制度如批重和料线等对煤气分布、热交换和还原反应产生直接影响。

◆设备故障及其他方面的变化

下雨等天气变化导致入炉原燃料含水量增加、入炉料称量误差等。

高炉炉顶设备故障，悬料、崩料和低料线时，炉料与煤气流分布受到破坏，大量未经预热的炉料直接进入炉缸，炉缸热量消耗的增加使炉缸温度降低，炉温向凉甚至大凉。

冷却设备漏水，导致炉缸热量消耗的增加使炉缸温度降低，造成炉冷直至炉缸冻结。

二.送风制度

1.送风制度的概念

在一定的冶炼条件下，确定合适的鼓风参数和风口进风状态。

2.适宜鼓风动能的选择

高炉鼓风所具有的机械能叫鼓风动能。适宜鼓风动能应根据下列因素选择：

◆原料条件

原燃料条件好，能改善炉料透气性，利于高炉强化冶炼，允许使用较高的鼓风动能。原燃料条件差，透气性不好，不利于高炉强化冶炼，只能维持较低的鼓风动能。

◆燃料喷吹量

高炉喷吹煤粉，炉缸煤气体积增加，中心气流趋于发展，需适当扩大风口面积，降低鼓风动能，以维持合理的煤气分布。但随着冶炼条件的变化，喷吹煤粉量增加，边缘气流增加。这时不但不能扩大风口面积，反而应缩小风口面积。因此，煤比变动量大时，鼓风动能的变化方向应根据具体实际情况而定。

◆风口面积和长度

在一定风量条件下，风口面积和长度对风口的进风状态起决定性作用。

风口面积一定，增加风量，冶强提高，鼓风动能加大，促使中心气流发展。为保持合理的气流分布，维持适宜的回旋区长度，必须相应扩大风口面积，降低鼓风动能。

◆高炉有效容积

在一定冶炼强度下，高炉有效容积与鼓风动能的关系见表4—1。

表4—1  高炉有效容积与鼓风动能的关系

高炉适宜的鼓风动能随炉容的扩大而增加。炉容相近，矮胖多风口高炉鼓风动能相应增加。

鼓风动能是否合适的直观表象见表4—2。

表4—2  鼓风动能变化对有关参数的影响

3.合理的理论燃烧温度的选择

风口前焦炭和喷吹燃料燃烧所能达到的最高绝热温度，即假定风口前燃料燃烧放出的热量全部用来加热燃烧产物时所能达到的最高温度，叫风口前理论燃烧温度。

理论燃烧温度的高低不仅决定了炉缸的热状态，而且决定炉缸煤气温度，对炉料加热和还原以及渣铁温度和成分、脱硫等产生重大影响。

适宜的理论燃烧温度，应能满足高炉正常冶炼所需的炉缸温度和热量，保证渣铁的充分加热和还原反应的顺利进行。理论燃烧温度过高，高炉压差升高，炉况不顺。理论燃烧温度过低，渣铁温度不足，炉况不顺，严重时会导致风口灌渣，甚至炉冷事故。