【正文】 操作中的，γd常在0．4～0．5之間，有的甚至更高，均大于適宜的γd。所以，高爐煉鐵工作者的奮斗目標，仍然是降低γd，這是降低焦比的重要內容。發(fā)展間接還原，降低γd，降低焦比的基本途徑是：改善礦石的還原性，控制高爐煤氣的合理分布，采用氧煤強化冶煉新工藝。降低單位生鐵的熱量消耗的措施有：提高風溫，提高礦石品位，使用自熔性或熔劑性燒結礦，減小外部熱損失，降低焦炭灰分等。四、高爐內非鐵元素的還原高爐內除鐵元素之外，還有錳、硅、磷等其他元素的還原。根據(jù)各氧化物分解壓的大小，可知銅、砷、鈷、鎳在高爐內幾乎全部被還原；錳、釩、硅、鈦等較難還原，只有部分還原進入生鐵。1．錳的還原錳是高爐冶煉經常遇到的金屬，是貴重金屬元素。高爐內的錳由錳礦帶入，有的鐵礦石中也含有少量的錳。高爐內錳氧化物的還原與鐵氧化物的還原相似，也是由高級向低級逐級還原直到金屬錳，順序為：其中從Mn02到Mn0可通過間接還原進行還原反應，而Mn0是相當穩(wěn)定的化合物，分解壓力比Fe0小得多。所以，在高爐內Mn不可能由間接還原獲得，只能靠直接還原取得。Mn0開始直接還原的溫度約在11001200℃之間，此時Mn0已與脈石組成硅酸鹽初渣，故Mn是在液態(tài)初渣中由Mn0以直接還原形式還原而得：Mn0的直接還原是吸熱反應，由Mn0還原出來lkg錳比還原同等數(shù)量的鐵的熱量消耗要大一倍。因此高爐爐溫是錳還原的重要條件，其次適當提高爐渣堿度，增加Mn0的活度，也有利于錳的直接還原。還原出來的錳可溶于生鐵或生成Mn3C溶于生鐵。冶煉普通生鐵時，有40％～60％的錳進入生鐵，5％～l0％的錳揮發(fā)進入煤氣，其余進入爐渣。2．硅的還原生鐵中的硅主要來源于礦石和焦炭灰分中的Si02，Si02是穩(wěn)定的化合物，它的生成熱大，分解壓小，比Fe、Mn難還原。硅的還原只能在高爐下部高溫區(qū)(1300℃以上)以直接還原的形式進行： 由于Si02在還原時要吸收大量熱量，所以硅在高爐內只有少量被還原。還原出來的硅可溶于生鐵或生成FeSi再溶于生鐵。較高的爐溫和較低的爐渣堿度有利于硅的還原，以便獲得含硅較高的鑄造生鐵。由于硅的還原與爐溫密切相關，所以鐵水中的含硅量可作為衡量爐溫水平的標志。3．磷的還原 爐料中的磷以磷酸鈣[(CaO)3P205]的形態(tài)存在，有時也以磷酸鐵[(FeO)3P2058H20]的形態(tài)存在。磷酸鐵又稱藍鐵礦，藍鐵礦的結晶水分解后，形成多微孔的結構較易還原，反應式為： 磷酸鈣是很穩(wěn)定的化合物，它在高爐內首先進入爐渣。在1100～1300℃時用碳作還原劑還原磷，其還原率能達60％；當有Si02存在時，可以加速磷的還原： 磷雖難還原，反應吸熱量大，但在高爐冶煉條件下，全部被還原以Fe2P形態(tài)溶于生鐵。因此，降低生鐵中的含磷量的唯一途徑是控制爐料中的含磷量。4．鉛、鋅、砷的還原我國的一些鐵礦石含有鉛、鋅、砷等元素，這些元素在高爐冶煉條件下易被還原。還原出來的鉛，不溶于鐵，而且因密度大于鐵易沉積于爐底，滲入磚縫，破壞爐底；部分鉛在高爐內易揮發(fā)上升，遇到C02和H20將被氧化，隨爐料一起下降時又被還原，在爐內循環(huán)。還原出來的鋅，在爐內揮發(fā)、氧化、體積增大使爐墻破壞，或凝附于爐墻形成爐瘤。還原出來的砷，與鐵化合影響鋼鐵性能，使鋼冷脆，焊接性能大大降低。五、還原反應動力學鐵礦石的還原屬異相反應，各反應相之間有明顯的界面。根據(jù)動力學研究，被還原氣體包圍的鐵礦石，還原反應是由礦石顆粒表面向中心進行的，如圖3—3所示。 因此，提高還原氣體的濃度和還原溫度；使用粒度較小，氣孔率較大的人造礦石將改善還原條件，加快還原反應速度。圖33 礦球反應過程模型 六、生鐵的生成與滲碳過程 生鐵的生成，主要是滲碳和已還原的元素進入生鐵中，最終得到含F(xiàn)e、C、Si、Mn、P、S等元素的生鐵。礦石在加入高爐內即開始還原，在高爐爐身部位，就已有部分鐵礦石在固態(tài)時被還原成金屬鐵。這種鐵叫海綿鐵。當溫度升高到727℃以上時，固體海綿鐵發(fā)生如下滲碳過程：根據(jù)高爐解剖資料分析：經初步滲碳的金屬鐵在1400℃左右時，與熾熱的焦炭繼續(xù)進行固相滲碳，才開始熔化成鐵水，穿過焦炭滴入爐缸，熔化后的金屬鐵與焦炭接觸條件改善，滲碳反應加快：3Fe液+C焦=Fe3C液至爐腹處，生鐵的最終含碳質量分數(shù)4％左右。生鐵在滲碳的同時還溶入由直接還原得到的Si、Mn、P等元素，形成最終成分的生鐵。生鐵的最終含碳量與生鐵中合金元素的含量有著密切關系。Mn、Cr、V、Ti等元素由于能與碳生成碳化物，所以有助于增加生鐵中的含碳量。另外有一些元素如Si、P、S等能與鐵生成化合物，促進碳化物分解，阻止?jié)B碳，能促使生鐵的含碳量降低。冶煉錳鐵時，碳的質量分數(shù)可以達到7％；普通生鐵的含碳質量分數(shù)一般在4％左右。第三節(jié) 高爐爐渣與脫硫高爐生產過程中，鐵礦石中的鐵氧化物還原出金屬鐵；鐵礦石中的脈石和焦炭(燃料)中的灰分等與熔劑相互作用生成低熔點的化合物，形成非金屬的液相，即為爐渣。一、高爐渣的成分與作用1．高爐渣的成分高爐爐渣主要來源于礦石中的脈石、焦炭(燃料)中的灰分、熔劑中的氧化物、被侵蝕的爐襯等。組成爐渣的氧化物很多，高爐渣的主要成分有Si0Ca0、Al2OMg0、Mn0、Fe0、CaS、CaF2等。對爐渣性能影響較大且爐渣中含量最多的是Si0Ca0、Al20Mg0四種。爐渣中的各種氧化物可分為堿性氧化物和酸性氧化物兩大類。以堿性氧化物為主的爐渣稱堿性爐渣；以酸性氧化物為主的爐渣稱酸性爐渣。常用爐渣中堿性氧化物和酸性氧化物的質量百分數(shù)之比表示爐渣堿度(R)：實際生產中，由于Ca0和Si02的質量分數(shù)之和在爐渣中約占80％，而且這兩種物質分別代表爐渣成分中的強堿性和強酸性氧化物，所以高爐爐渣堿度一般用R=m(CaO)／m (Si02)表示。爐渣的很多物理化學性質與爐渣堿度有關。爐渣的堿度根據(jù)高爐原料和冶煉產品的不同，～。2．高爐渣的作用爐渣和生鐵是高爐冶煉生成的兩種產物。爐渣對生鐵的產量和質量有極其重要的影響。爐渣的具體作用如下：1)爐渣與生鐵互不溶解，且密度不同，因而使渣鐵得以分離，得到純凈的生鐵；2)渣鐵之間進行合金元素的還原及脫硫反應，爐渣起調整成分的作用；3)爐渣對高爐爐況順行、爐缸熱制度以及爐齡等方面也有很大影響。爐渣的上述作用是由爐渣的物理性能決定的，其物理性能包括：爐渣的黏度，爐渣的熔化性和穩(wěn)定性等，它們由爐渣的化學成分決定。 二、成渣過程 加入高爐內的爐料，與煤氣接觸，將發(fā)生如下變化： 1)焦炭在風口以上保持固態(tài)，直到風口處才完全燃燒，灰分進入爐渣。焦炭是料柱的骨架，對爐內透氣性影響很大。 2)石灰石在下降過程中，受熱后逐漸分解，到1000℃以上的區(qū)域分解完畢。分解生成的Ca0由于與礦石中脈石接觸不良，故初渣中Ca0很少，只有在滴落帶，大量初渣流過其表面時，才被溶解，參與造渣。 3)礦石在下降過程中，經歷了塊狀帶、軟熔帶、滴落帶、風口帶、渣鐵帶。礦石的軟化是由于在塊狀帶固相反應生成了低熔點的化合物，此時半熔融的含有很多已還原的鐵的“冰柱”沿焦炭縫隙流下，爐渣從冰柱中分離出來，為初渣。分離出來的初渣是自然堿度。隨后渣中(FeO)不斷還原進入鐵中，至滴落帶，爐渣以滴狀下落，渣中Fe0已降到2％～3％，當溫度達1400℃以上時，金屬鐵由于滲碳而熔點降低，也以滴狀下落。 滴落的初渣成分不斷變化，初渣開始是自然堿度，以后隨著Si02的還原，石灰石渣化并加入焦炭灰分，經過堿度波動之后形成終渣。成渣過程中，軟熔帶對爐內料柱透氣性影響很大，習慣上把這一帶叫成渣帶，成渣帶的厚薄、位置的高低和波動對高爐冶煉有很重要的影響。 三、生鐵去硫 硫是影響鋼鐵質量的重要因素，高爐中的硫來自礦石、焦炭和噴吹燃料，使用天然礦石冶煉時，熔劑也會帶入少量的硫。爐料中焦炭帶入的硫最多，占70％～80％。冶煉每噸生鐵由爐料帶入的總硫量稱硫負荷。 1．硫在煤氣、渣、鐵中的分配爐料帶入高爐內部的硫在冶煉過程中又全部轉入爐渣、生鐵、煤氣中。所以：若以lkg為計算單位，則上式可寫成式中　──每公斤鐵由爐料帶入的總硫量；──每公斤鐵隨煤氣揮發(fā)的硫量；n──每公斤鐵相對渣量；m(s)──爐渣中含硫量，%；m[s]──生鐵中含硫量，%。渣中含硫量與鐵中含硫量之比稱為硫的分配系數(shù)，用Ls表示。Ls=m(S)／m[S]代入上式得：由此可以看出，欲得到低硫生鐵應采取如下措施：降低硫負荷；增大硫的揮發(fā)量：加大渣量；增大硫的分配系數(shù)Ls。 由于實際生產中，一定的原料條件m(Sm)變化不大，且不提倡大渣量操作，而氣化去硫也僅占很少一部分。所以欲得到低[S]生鐵，只有提高爐渣的去硫能力。2．爐渣去硫在高爐操作中，一定的原料條件下，實際而有效地降低生鐵含硫的措施是提高高爐爐渣的脫硫能力，即提高硫在渣鐵間的分配系數(shù)Ls。除氣化去硫外，硫在高爐全部變成CaS和FeS。CaS不溶于生鐵而進入爐渣中，F(xiàn)eS則溶于生鐵，生鐵去硫主要是將溶于生鐵的FeS 變成不溶于生鐵的CaS，反應式如下：[FeS]+(CaO)=(CaS)+(FeO)生成的FeO在高溫下與焦炭作用：(FeO)+C=[Fe]+{CO}Q因此，總的脫硫反應可寫成：[FeS]+(CaO)+C=(CaS)+[Fe]+{CO}Q從上述脫硫反應式可以看到，要提高爐渣的脫硫能力必須具備以下條件：1)適當高的爐渣堿度。堿度高則Ca0多，對脫硫有利。2)要有足夠的爐溫。脫硫反應是吸熱反應，溫度高，則有利于反應的進行。3)黏度小?？墒股晌顲aS很快脫離反應的接觸面，降低(CaS)的濃度，促進反應的進行。3．爐外脫硫當爐料中含硫較高時，若操作不當，難免有時生鐵含硫超過規(guī)定標準，此時，可采用爐外脫硫的辦法，以保證生鐵的質量。目前高爐常用的爐外脫硫劑是蘇打粉(Na2C03)。出鐵時，用占鐵水質量l％的蘇打粉加入鐵水罐，脫硫效率可達70％～80％或更高。反應式為：Na2C03+FeS=Na2S+FeO+{C02}Q此外，爐外脫硫劑還有石灰、白云石、電石、復合脫硫劑等。為了滿足煉鋼對鐵水的要求，也可采用鐵水預處理技術。實際生產中，如果選擇合理的操作制度，保證充沛的爐溫，生鐵的含硫量是可以控制的。因為爐料中的硫大部分是由焦炭帶入的，所以降低焦比是控制入爐硫量，保證生鐵質量的有效措施。第四節(jié) 高爐風口區(qū)碳素的燃燒焦炭是高爐煉鐵的主要燃料。隨著噴吹技術的發(fā)展，煤、重油、天然氣等已代替部分焦炭作為高爐燃料使用。一、燃料燃燒1．燃燒反應焦炭中的碳除部分參加直接還原。進入生鐵和少量與H2反應生成CH4之外，有70％以上在風口前燃燒，高爐爐缸內的燃燒反應與一般的燃燒反應不同，它是在充滿焦炭的環(huán)境中進行，即空氣量一定而焦炭過剩的條件下進行的。 燃燒反應的機理一般認為分兩步進行：所以，風口前碳素的燃燒只能是不完全燃燒，生成C0并放出熱量。由于鼓風中總含有一定的水蒸氣，灼熱的C與H20發(fā)生下列反應：C+H20=CO+H2 —124390kJ因此，實際生產中的條件下，風口前碳素燃燒的最終產物由C0、HN2組成。2．燃燒反應的作用風口前碳素燃燒反應是高爐內最重要的反應之一，燃燒反應有以下幾方面作用：1)為高爐冶煉過程提供主要熱源；2)為還原反應提供C0、H2等還原劑；3)為爐料下降提供必要的空間。二、回旋區(qū)及燃燒帶當鼓風以很高的速度(100～200m／s)從風口鼓入高爐時，具備足夠的動能吹動風口前端的焦炭塊，形成一個比較疏松的球形空間。沿著球形空間內部，煤氣流夾帶著焦炭作回旋運動，并迅速燃燒。回旋運動主要發(fā)生在風口中心線以上，風口前產生焦炭和煤氣流回旋運動的區(qū)域稱為回旋區(qū)。在回旋區(qū)外圍，有一層厚約l00～300mm的中間層，此層的焦炭既受高速煤氣流的沖擊作用，又受阻于外圍包裹著的緊密焦炭，因此比較疏松，但又不能和煤氣流一起運動。 回旋區(qū)和中間層組成焦炭在爐缸內進行燃燒反應的區(qū)域稱為燃燒帶。如圖34所示。 三、影響燃燒帶大小的因素燃燒帶的大小決定著煤氣在爐內的初始分布，對爐內煤氣溫度和爐缸溫度分布，及高爐順行都有影響。當燃燒帶沿水平方向上截面積越大，相鄰兩燃燒帶之間的不活躍區(qū)越小時，爐缸工作越均勻。圖34風口前焦炭循環(huán)運動示意圖(a)風口區(qū)域的垂直平面；(b)風口區(qū)域的水平截面1─氣流中心線；2─焦炭的中間層影響燃燒帶大小的有以下各因素：1．鼓風動能與下部調劑下部調劑的作用是通過改變進風狀態(tài)控制煤氣流的初始分布，使整個爐缸溫度分布均勻穩(wěn)定，熱量充沛，工作活躍。也就是控制適宜的燃燒帶與煤氣流的合理分布。為此，要通過日常鼓風參數(shù)的調劑實現(xiàn)合適的鼓風動能，以達到控制燃燒帶大小的目的。經常調劑的鼓風參數(shù)有風溫、風量、噴吹量、鼓風濕度等。此外，風口數(shù)目、風口直徑等也影響鼓風動能的大小。2．燃燒反應速度 一般情況下，燃燒反應速度快，燃燒反應可在較小的區(qū)域進行，使燃燒帶縮??；反之，則燃燒帶大。3．爐缸料柱阻力爐缸內料柱疏松，燃燒帶則延長；反之，燃燒帶則縮小。4．焦炭的性質焦炭的粒度、氣孔度、反應性等對燃燒大小也有一定的影響。第五節(jié) 爐料和煤氣的運動在高爐冶煉過程中，各種物理化學反應都是在爐料和煤氣相向運動的條件下進行的。這個過程伴隨著熱量與物質的傳遞與輸送。因此，保證爐料在高爐內順利下降和煤氣流的合理分布，是高爐冶煉順行，獲得高產、優(yōu)質、低耗的前提。一、爐料運動在高爐的冶煉過程中，爐料在爐內的運動是一個固體散料的緩慢移動床，爐料均勻而有節(jié)奏地下降是高爐順行的重要標志。爐料在爐內下降的基本條件是高爐內不斷形成促使爐料下降的自由空間。形成這一空間的因素有：焦炭在風口前燃燒生成煤氣；爐料中的碳素參加直接還原；爐料在下降過程中重新排列、壓緊并熔化成液相，體積縮?。欢〞r放出渣鐵等。其中風口前焦炭的燃燒，對爐料的下降影響最大。除此之外，爐料在爐內能否順利下降還要受到力學因素的支配。二、煤氣運動 高爐煤氣主要產生于爐缸風口前燃料的燃燒。爐缸煤氣是高爐冶煉過程中熱能與化學能的來源；所以，煤氣在上升過程中經過一系列的傳熱傳質后，從爐頂逸出，其體積、成分、溫度和壓力均發(fā)生了變化。 1．煤氣的體積與成分的變化 煤氣量取決于冶煉強度。鼓風成分、焦比等因素。爐缸煤氣在高爐內上升