【文章內(nèi)容簡介】 CO2，流量為 5L/min；反應(yīng)2h 后停止加熱，切斷 CO2改通 N2，流量為 2L/min，并將反應(yīng)器從爐內(nèi)取出，在室溫下冷卻至 100℃以下，停止通 N2，打開反應(yīng)器，取出焦樣稱量，以損失的焦炭質(zhì)量占反應(yīng)前焦樣總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)為焦炭反應(yīng)性指標(biāo)（記為 CRI）。將反應(yīng)后焦樣全部裝入Ⅰ型轉(zhuǎn)鼓內(nèi)（鼓體為普通光管制成，內(nèi)徑 130mm，長 700mm），以 20轉(zhuǎn) /min的轉(zhuǎn)速共轉(zhuǎn) 30min，總轉(zhuǎn)數(shù) 600 轉(zhuǎn)。然后取出焦樣篩分、稱重，以轉(zhuǎn)鼓后大于 10mm 粒級焦炭占反應(yīng)后殘余焦 炭的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度指標(biāo)（記為 CSR）。 下表是煉鐵廠 2020 年 1 月技術(shù)專業(yè)月報中的有關(guān)焦碳質(zhì)量的部分?jǐn)?shù)據(jù)。（空欄是因為原表中沒有數(shù)據(jù)） 成分 品名 燃料化學(xué)成分 水分 灰分 揮發(fā)分 S P 固定炭 M40 M10 自產(chǎn)焦（大塊） 自產(chǎn)焦（中塊） 外購焦 高爐實施噴煤技術(shù)以來，由于焦比大 幅下降，料柱骨架作用日顯突出，對焦炭的質(zhì)量要求也越來越高，尤其是焦炭的強(qiáng)度要求更高，以提高到達(dá)風(fēng)口時保持原始粒度的能力。要求如下： ? 更好的原始強(qiáng)度 (冷態(tài)機(jī)械強(qiáng)度 )和更均勻的原始粒度。 ? 更好的高溫強(qiáng)度 .通過改善反應(yīng)性 CRI 來提高反應(yīng)后強(qiáng)度 CSR。 ? 因為焦炭灰分對高爐冶煉過程特別是對焦炭質(zhì)量本身的全面影響，因此強(qiáng)調(diào)降低焦炭灰分。 guest1 第 16 頁 2020105 附錄：焦炭的技術(shù)要求見下表：（ GB/T 199694） 粒度（ mm） 指標(biāo) ＞ 40 ＞ 25 25~40 灰分， Ad% Ⅰ Ⅱ Ⅲ 不大于 ~ ~ 硫分， S% Ⅰ Ⅱ Ⅲ 不大于 0. 61~ ~ 機(jī)械強(qiáng)度 抗碎強(qiáng)度M25% Ⅰ Ⅱ Ⅲ 大于 ~ 88~ 按供需雙方協(xié)議 抗磨強(qiáng)度， M10% Ⅰ Ⅱ Ⅲ 不大于 揮發(fā)分 Vdaf%，不大于 水分含量， % 177。 177。 不大于 焦末含量， %，不大于 guest1 第 17 頁 2020105 第二章 高爐冶煉基本原理 第一節(jié) 高爐爐料 結(jié)構(gòu)和精料 高爐爐料結(jié)構(gòu)是指其原料構(gòu)成中 ,燒結(jié)礦、球團(tuán)礦和天然塊礦的配比組合，再加上對這種配比產(chǎn)生的綜合爐料性能評價。精料就是高爐原燃料質(zhì)量的優(yōu)化。精料是爐料結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)，精料技術(shù)是爐料結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)，精料技術(shù)發(fā)展推動了爐料結(jié)構(gòu)合理化。反過來，追求爐料結(jié)構(gòu)合理化不斷對原燃料品質(zhì)提出更新、更高的要求，促進(jìn)了精料技術(shù)的進(jìn)步。 高爐冶煉生產(chǎn)的日益強(qiáng)化，要求原、燃料的質(zhì)量更優(yōu)化。精料工藝是取得優(yōu)質(zhì)原材料的重要方法，可以概括為“六字方針”即“高、熟、穩(wěn)、小、勻、凈“。分述如下： 高 — 原料含 Fe 高，還原性高；焦炭 C 固 含量高；熔劑 CaO 含量高；原料和焦炭的機(jī)械強(qiáng)度高； 熟 — 盡量使用精熟料； 穩(wěn) — 原料的化學(xué)成分穩(wěn)定； 小、勻、凈 — 指平均粒度小、粒度均勻、小于下限的粉末篩除干凈。 精料是降低單位生鐵全部熱量消耗，充分利用爐內(nèi)煤氣熱能和化學(xué)能的基礎(chǔ)。對精料的要求一是質(zhì)量要好，二是成本要低。焦炭的質(zhì)量非常重要，提高焦炭質(zhì)量，擴(kuò)大配煤品種、比例等降低成本的實用技術(shù)也較多，如：完善巖相配煤，防止結(jié)焦性好的煤過分粉碎和弱粘結(jié)性硬煤不粉碎的分煤種破碎技術(shù)，利用廢焦油渣來做粘結(jié)劑增加型煤比例，以及鍍碳鍍膜技術(shù)等。例如：寶鋼巖相 配煤有 17 年，有效降低了焦炭灰分，當(dāng)焦炭灰分由 12%降低到 %后，不僅固定碳增加，還使反應(yīng)性 CSI﹤ 26%，反應(yīng)后強(qiáng)度﹥ 66%。燒結(jié)技術(shù)是發(fā)展低碳厚料層低溫?zé)Y(jié)和低硅燒結(jié)。 因而各高爐煉鐵廠根據(jù)各自的原料條件確定最經(jīng)濟(jì)的入爐配比。 我廠高爐爐料結(jié)構(gòu)的基本形式是“高堿度燒結(jié)礦 +酸性爐料”，酸性爐料為“球團(tuán)礦 +天然塊礦”。需要指出的是，高爐冶煉要取得好的技術(shù)指標(biāo)，決定因素還是礦石入爐品位。而決定生產(chǎn)高爐的爐料結(jié)構(gòu)的主要因素是煉鐵成本，即鐵前系統(tǒng)綜合經(jīng)濟(jì)效guest1 第 18 頁 2020105 益。 下表是煉鐵廠 2020 年 1 月生產(chǎn)計劃中的爐料結(jié) 構(gòu)： 料種 高爐類別 燒結(jié)礦（ %） 自產(chǎn)球（ %） 進(jìn)口球（ %） 進(jìn)口塊（ %） 國內(nèi)球（ %） 小高爐 66 22 10 0 2 大高爐 58 5 20 17 0 第二節(jié) 從高爐解剖看鐵礦石的還原 從解剖調(diào)查中初步肯定了高爐冶煉過程可分為五個區(qū)域，在爐料與煤氣流逆向運動過程中，熱交換、還原、熔化、渣鐵形成等反應(yīng)依次在五個區(qū)域中進(jìn)行，這五個區(qū)域一般稱為五帶或五層。 1．塊狀帶。爐內(nèi)料柱上部，礦石與焦炭始終保持著明顯的固態(tài)的層次緩緩下降，但層狀趨于水平，而且厚度也逐漸變薄。 2．軟熔帶。它是由許多固態(tài) 焦炭和黏結(jié)在一起的半熔的礦石層組成，焦炭礦石相間，層次分明，由于礦石呈軟熔狀，透氣性極差，煤氣主要是從焦炭層通過，像窗口一樣，此稱其為“焦窗”。 3．滴落帶。位于軟熔帶之下，熔化后的渣鐵象雨滴一樣穿過固態(tài)焦炭層而滴落。 4．風(fēng)口帶。焦炭在風(fēng)口前，由于鼓風(fēng)動能的作用在劇烈地回旋運動中燃燒，形成一個半空狀態(tài)的焦炭回旋區(qū)，這個區(qū)域是高爐中惟一存在的氧化性區(qū)域。 5．渣鐵帶。在爐缸下部，主要是液態(tài)渣鐵以及浸入其中的焦炭。鐵滴穿過渣層以及渣鐵界面最終完成必要的渣鐵反應(yīng)，得到合格生鐵。 第三節(jié) 軟熔帶的形成及其影響因 素 爐料在爐內(nèi)下降，經(jīng)過還原、軟化、熔化，逐步成為鐵水與爐渣滴落而積存于爐guest1 第 19 頁 2020105 缸，由于礦石從軟熔到滴落的狀態(tài)形成了軟熔帶。軟熔層與爐內(nèi)溫度相適應(yīng)而井然有序的分布著，其分布狀態(tài)以及在爐內(nèi)的位置，因原料的性質(zhì)不同、布料不同和高爐操作不同而變化。 一．軟熔帶的形狀 根據(jù)炊熔帶形狀和特點可分為三種： 1．倒 V 形：它的特點是中心溫度高，邊緣溫度低，煤氣利用好，對高爐冶煉過程的一系列反應(yīng)有著很好的影響。 2． V 形。它的特點是剛好與倒 V 形相反，邊緣溫度高，中心溫度低，煤氣利用不好，而且不利于爐缸一系列反應(yīng)，高爐操作中應(yīng)該 盡是避免它。 3． W 形：它的特點與效果都處于倒 V 形與 V 形之間。 二、影響軟熔帶的因素 根據(jù)高爐解體研究以及礦石的軟熔特性，軟熔形狀與爐內(nèi)等溫線相適應(yīng)，而等溫線和煤氣中的 CO2 分布曲線相對應(yīng)的，在高爐操作中爐頂煤氣 CO2 曲線主要由裝料制度來調(diào)節(jié)。其次是送風(fēng)制度的影響。因此，軟熔帶的形狀受兩個方面的影響，即裝料制度和送風(fēng)制度，前者屬于上部調(diào)節(jié)，后者屬于下部調(diào)節(jié)。例如正裝比例為主的高爐，一般是接近倒 V 形的軟熔帶，如果以倒裝為主或全倒裝的高爐，基本上屬于 V形軟熔帶，正裝倒裝都有一定比例的高爐，一般接近 W 形的軟熔帶。 三、軟熔帶對冶煉過程的影響 軟熔帶在高爐中下部起著煤氣再分布的作用，它的形狀與位置對高爐冶煉過程產(chǎn)生明顯的影響。 1．倒 V 形的軟熔帶 （ 1） .氣流穩(wěn)定，煤氣利用改善，爐頂溫度降低，混合煤氣中 C02 值升高，焦比降低。 （ 2） .中心煤氣流量多，邊緣煤氣流量少，溫度較低，對爐墻刷蝕較少。 （ 3） .順行得到改善，爐缸活躍，爐溫較高，風(fēng)、渣口破損少。 （ 4） .懸料次數(shù)減少。 2． V 形的軟熔帶 guest1 第 20 頁 2020105 （ 1） . 邊緣煤氣流量多，溫度較高，爐墻刷蝕破壞嚴(yán)重，縮短高爐壽命。 （ 2） .散失熱量多，爐頂溫度降高，焦比高。 （ 3） .煤氣能量利用差。 （ 4） .爐缸不少活躍，中心堆積，風(fēng)、渣口破損多。 3． W 形的軟熔帶 介于兩者之間。 第四節(jié) 鐵元素的還原及生鐵的形成 一、 還原反應(yīng)的基本原理 還原劑對氧的親和力必須大于被還原元素對氧的親和力。衡量各種元素對氧的親和力大小，常用這些元素氧化物的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能△ G0。 在高爐冶煉條件下： Cu、 Ni、 Co、 Fe 可以全部被還原； Cr、 Mn、 V、 Si、 Ti 部分被還原； Al、 Mg、 Ca 完全不被還原。 二、鐵氧化物的還原 由實驗和生產(chǎn)實踐得知，鐵氧化物是按下面還原順序 1．用 CO 還原： 高于 570℃時 3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2+37130KJ （ 3－ 1） Fe3O4+CO=3FeO+CO2— 20888KJ （ 3－ 2） FeO+CO=Fe+CO2+13605KJ （ 3－ 3） 低于 570℃時： 3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2+37130KJ （ 3－ 1） Fe3O4+4CO=3Fe+4CO2+17163KJ （ 3－ 2） guest1 第 21 頁 2020105 上述反應(yīng)有以下幾個特點： （ 5） 從 Fe2O 逐級還原成 Fe，除反應(yīng)式（ 3－ 2）為吸熱反應(yīng)外，其余反應(yīng)勻為放熱 反應(yīng)。 3 （ 2）氣相產(chǎn)物為 C02。在高爐這種以 CO 為還原劑，氣相產(chǎn)物為 CO2 的還原反應(yīng)均稱為間接還原。 （ 3）除反應(yīng)（ 3－ 1）式外，都是可逆反應(yīng)。在一定溫度、壓力下反應(yīng)向右或向左進(jìn)行，取決于氣相反應(yīng)物和生成物的濃度，當(dāng) CO 濃度高于生成物 CO2 的濃度時，反應(yīng)向右進(jìn)行；當(dāng) CO 濃度低于生成物 CO2 的濃度時，反應(yīng)向左進(jìn)行。所以用 CO 還原鐵的氧化物時，氣相中含必須含有一部分 CO 與生成物 CO2 相平衡，不參加反應(yīng)，其過量部分才參加反應(yīng)。平衡所需的 CO 愈多， CO 利用程度愈高。所以 CO 可能利用的最大限度取決于反應(yīng)平衡的氣相成分。把生成物氣相成分與反應(yīng)物氣相 成分之比，稱為平衡常數(shù)，可用下式表示： KP＝ Pco2/Pco=CO2%/CO% 因為（ CO2%）＋（ CO%）＝ 100% 所以（ CO%）＝ 100/(1+KP) (34) 不同鐵氧化物在不同溫度下平衡氣相成分是不同的，用 (34)式可求得在不同溫度下，各鐵氧化物還原反應(yīng)平衡時，氣相中 CO 的百分含量，可繪出圖 3－ 1 2．用固定碳還原 焦碳從爐頂裝入，直到風(fēng)口始終以固體狀態(tài)存在。到風(fēng)口才被鼓入的熱風(fēng)燃燒。生成煤氣并產(chǎn)生大量的熱，提供高爐冶煉所需的熱量， 所以焦炭既是還原劑，又是發(fā)熱劑。礦石中鐵氧化物不可能在高爐上部全部還原，總有一部分下到高溫區(qū)進(jìn)行最后還原－直接還原。 （ 1）還原反應(yīng)的特點 根據(jù)鐵氧化物還原的順序，用固體碳的還原反應(yīng)有 高于 570℃時 3Fe2O3+C=2Fe3O4+CO－ 108982KJ （ 3－ 5） Fe3O4+C=3FeO+CO2— 194393KJ （ 3－ 6） guest1 第 22 頁 2020105 FeO+C=Fe+C－ 152190KJ （ 3－ 7） 低于 570℃時： 3Fe2O3+C=2Fe3O4+CO－ 108982KJ （ 3－ 8） Fe3O4+4C=3Fe+4CO－ 64309KJ （ 3－ 9） 上述反應(yīng)有下面兩個特點： （ 1）都是吸熱反應(yīng)，并且直接消耗焦碳中的固定碳。 （ 2）反應(yīng)物沒有氣相，反應(yīng)產(chǎn)物有氣相，所以，反應(yīng)是不可逆的。 高爐中用固體碳作還原劑，生成的氣相產(chǎn)物為 CO 的還原反應(yīng)統(tǒng)稱為直接還原。 3．用 H2 還原鐵氧化物 高爐冶煉過程中除 CO 和固體 C 外，還有燃料帶入及鼓風(fēng)水分分解等產(chǎn)生的氫氣。在沒有噴吹燃料的高爐煤氣中，一般含 H2 量只占 %－ %，當(dāng)高爐噴吹煤粉后，煤氣中的 H2 濃度隨噴吹燃料的和種類及噴吹數(shù)量而變化。 4．復(fù)雜化合物 中的鐵氧化物還原 高爐爐料中的鐵氧化物常與其它氧化物結(jié)合成復(fù)雜的化合物，例如燒結(jié)礦中的硅酸鐵（ Fe2SiO4），熔劑性燒結(jié)礦中的鐵酸鹽（ ） ,釩鈦磁鐵礦中的鈦鐵礦（ FeTiO3） 等。這此復(fù)雜的還原首先必須分解成自由的鐵氧化物，而再被還原劑還原，因此，還原比較困難，常常會消耗更多的燃料。 （ 1）硅酸鐵的還原 由于硅酸鐵結(jié)構(gòu)致密，還原性差。當(dāng)用 CO 或 H2 還原，需在 900℃左右開始，而且還原速度很慢，基本上都是直接還原，其反應(yīng)式為： 當(dāng)用 CO 還原時： Fe2SiO4＝ 2FeO＋ SiO2 47520KJ (310) 2FeO+ 2CO=2Fe+2CO2 ＋ 27214K (311) 將 3－ 10 與 3－ 11 兩式相加得： Fe2SiO4＋ 2CO＝ 2Fe+SiO2+2CO2 20306KJ (312) 3當(dāng)有固體碳存在時： Fe2SiO4＝ 2FeO＋ SiO2 47520KJ (313) guest1 第 23 頁 2020105 2FeO+ 2CO=2Fe+2CO2 ＋ 27214K (3