煉鐵工藝介紹
2023年3月
無聊-313
煉鐵技術經過數百年的研究開發，現已形成高爐煉鐵系統和非高爐(熔融還原、直接還原)系統兩大系列。其中高爐煉鐵系統是目前國內外煉鐵的主流。xx煉鐵已經歷了40年風雨歷程，其技術不斷走向成熟，本文重點以xx本部高爐煉鐵系統為例對煉鐵工藝進行闡述。
1 高爐冶煉的基本理論
1.1 爐料還原過程
1.1.1 還原反應的基本理論
還原反應是高爐內最本質最基本的反應。除鐵的還原外高爐內還有少量的矽、錳、磷等元素的還原。爐料從高爐頂部裝入後就開始還原，直到下部爐缸（除風口區域），還原反應幾乎貫穿整個高爐冶煉的始終。
對金屬氧化物的還原反應可按下面通式表示：
meo+b=me+ bo
式中 meo—被還原的金屬氧化物；
me—還原得到的金屬；
b—還原劑，可以是氣體或固體，也可以是金屬，或非金屬；
bo—還原劑奪取金屬氧化物中的氧後被氧化得到的產物。
這是兼有氧化和還原的綜合反應。對金屬氧化物而言是被還原為金屬，而對還原劑
則是被氧化。
1.1.2 鐵氧化物的還原
高爐料中鐵的氧化物存在形態大致有fe2o3、fe3o4、fe2sio4、feco3、fes2等，但最後都是經feo的形態被還原成金屬fe。
各種鐵氧化物的還原順序相同於分解順序：fe2o3→fe3o4→feo→fe。可見，越在前面，還原越容易，越到後面，還原越困難。
高爐冶煉中還原劑有co、固體c、還有少量h2。高爐內進行的還原方式共有三種，即直接還原、間接還原和氫的還原（也可列為間接還原）。
1.2 生鐵的形成與滲碳過程
生鐵的形成過程主要是已還原出來的金屬鐵中逐漸溶入其它合金元素和滲碳的過程。在高爐上部有部分鐵礦石在固態時就被還原成金屬鐵，隨著溫度公升高逐漸有更多的鐵被還原出來。剛被還原出的鐵呈多孔的海綿狀，故稱海綿鐵。
這種早期出現的海綿鐵成分比較純，幾乎不含碳。海綿鐵在下降過程中，不斷吸收碳並熔化，最後得到含碳較高（一般為4%左右）的液態生鐵。
高爐內生鐵形成（除了矽、錳、磷和硫等元素的滲入或去除外）的主要特點是必須經過滲碳過程。生鐵的滲碳是沿著整個高爐高度上進行的，在滴落帶尤為迅速。生鐵的最終含碳量，還與生鐵中其它元素的含量有關，特別是si和mn。
1.3 爐料在高溫下的性狀變化及造渣過程
1.3.1 水分的蒸發和水化物的分解
爐料從爐頂裝入高爐後，在下降過程中受到上公升煤氣流加熱，首先水分蒸發。裝入高爐的爐料，除燒結礦等熟料之外，在焦炭及有些礦石中均含有較多的水分。爐料中的水分又分為吸附水（也稱物理水）和化合水（也稱結晶水）兩種。
存在於焦炭和礦石表面及孔隙中的吸附水加熱到105℃時就迅速乾燥和蒸發。高爐爐頂溫度很高（用冷料時為150～250℃，用熱的熟料時能達400～500℃），爐內煤氣流速度快，因此，吸附水在高爐上部很快蒸發。蒸發時消耗的熱量是高爐上部不能再利用的餘熱。
所以對焦比和爐況均沒什麼影響。相反，給高爐生產帶來一定好處。如吸附水蒸發時吸收熱量，使煤氣溫度降低，體積縮小，煤氣流速減小，使爐塵吹出量減少，爐頂裝置的磨損相應減弱。
有時（很少）為了降低爐頂溫度，還有意向焦炭加水。但吸附水的波動會影響配料稱量的準確，對焦炭尤其應予重視。
在爐料中以化合物存在的水叫結晶水，也叫化合水。這種含有結晶水的化合物也叫水化物。高爐料中的結晶水一般存在於褐鐵礦和高嶺土中，即粘土的主要組成物。
褐鐵礦中的結晶水在200℃左右開始分解，400～500℃時分解速度激增。高嶺土在400℃時開始分解，但分解速度很慢，到500～600℃時才迅速進行，結晶水分解除與溫度有關外，還與其粒度和氣孔度等有關。由於結晶水分解，使礦石破碎而產生粉末，爐料透氣性變壞，對高爐穩定順行不利。
部分在較高溫度分解出的水汽還可與焦炭中的碳素反應，消耗高爐下部的熱量。
1.3.2 揮發物的揮發
焦炭中一般含揮發物0.7～1.3%（按質量計），其主要成分是n2、co、co2等氣體。
焦炭到達風口前，被加熱到1400～1600℃時，揮發物全部揮發。由於揮發物的量少，對煤氣成分和冶煉過程影響不大。但在高爐噴吹燃料的條件下，特別是大量噴吹含揮發物較高的煤粉時，將引起爐缸煤氣成分的明顯變化，對還原也有影響。
另外在焦炭揮發物揮發時，使焦炭碎化而產生粉末，影響爐缸工作。為此要求煉焦生產中應適當提高焦餅的中心溫度，盡可能把焦炭揮發物控制在下限水平。
除焦炭揮發物外，爐內還有許多化合物和元素進行少量揮發（也稱氣化）。其中包括可以在高爐內還原的元素，如s、p、as、k、na、zn、pb、mn以及還原的中間產物如sio、pbo、k2o、nao等。這些物質在高爐下部還原後氣化，隨煤氣上公升到高爐上部又冷凝，然後再隨爐料下降到高溫區又氣化而形成迴圈。
它們之中只有部分氣化物質凝結成粉塵被煤氣帶出爐外或溶入渣鐵後被帶到爐外，而剩餘部分則在爐內迴圈富集（也稱迴圈積累）。有的積累常常妨礙高爐正常冶煉。如揮發的鋅蒸汽滲入爐襯，在冷凝過程中被氧化成zno，體積增大，使爐襯脹裂。
鉛的積累則會破壞爐底，滲入磚縫使磚浮起。
1.4 高爐內的成渣過程
1.4.1 初成渣的生成
初渣生成包括固相反應、軟化、熔融、滴落幾個階段。
（1）固相反應在高爐上部的塊狀帶發生游離水的蒸發、結晶水或菱鐵礦的分解，礦石產生間接還原（還原度可達30～40%）。同時，在這個區域發生各物質的固相反應，形成部分低熔點化合物。固相反應主要是在脈石與熔劑之間或脈石與鐵氧化物之間進行。
（2）礦石的軟化（在軟熔帶） 由於固相反應形成低熔點化合物，在進一步加熱時開始軟化。同時由於液相的出現改善了礦石與熔劑間的接觸條件，繼續下降和公升溫，液相不斷增加，最終軟化熔融，進而成流動狀態。礦石的軟化到熔融流動是造渣過程中對高爐行程影響較大的乙個環節。
各種不同的礦石具有不同的軟化效能。礦石的軟化效能表現在兩個方面：一是開始軟化的溫度，二是軟化的溫度區間。
很明顯，礦石開始軟化的溫度愈低，則高爐內液相初渣出現得愈早；軟化溫度區間愈大，則增大阻力的塑性料層愈厚。
（3）初渣生成從礦石軟化到熔融滴落就形成了初渣。初成渣中feo含量較高。礦石愈難還原，則初渣中的feo 就愈高，一般在10%以下，少數情況高達30%，流動性也欠佳。
初渣形成的早與晚，在高爐內位置的高低，都對高爐順行影響較大。高爐內生成初成渣的區域稱軟熔帶（過去亦叫成渣帶）。
1.4.2 終渣形成
初渣在下降過程中，其成分與效能再一次的變化（鹼度與粘度降低）後趨於穩定。此外在風口區被氧化的部分鐵及其它元素將在爐缸中重新還原進入鐵水，使渣中feo含量有所降低。當鐵流或鐵滴穿過渣層和渣鐵介面進行脫硫反應後，渣中cas將有增加。
最後從不同部位和不同時間集聚到爐缸的爐渣相互混勻，形成成分和性質穩定的終渣，定期排出爐外。通常所指的高爐渣均係指終渣。終渣對控制生鐵的成分，保證生鐵的質量有重要影響。
終渣的成分是根據冶煉條件經過配料計算確定的。在生產中若發現不當，可通過配料調整，使其達到適宜成分。
1.5 高爐煤氣從爐缸到爐頂的運動
高爐煤氣在風口前燃燒帶內形成後，在爐缸與爐頂壓力差的推動之下向上運動。燃燒帶的大小決定著煤氣流初始分布狀況，煤氣流穿過料柱向上運動的特點之一就是盡量沿阻力小的途徑流動，因此上公升過程中，哪部分阻力小，煤氣量就多，相反阻力大的地方，煤氣量就少。爐缸煤氣是沿著軟熔帶與滴落帶之間的下落焦炭的疏鬆區向爐子中心區上公升。
也有部分穿過軟熔帶根部與爐牆間的焦炭層向邊緣流動。這初始分布取決於燃燒帶的大小以及燃燒帶上方兩側爐料的透氣性。燃燒帶小、邊緣焦炭多、礦石少時，初始煤氣向邊緣流得多；而中心加焦，邊緣礦石多，燃燒帶向中心伸展時，初始煤氣向中心流得多。
煤氣上公升穿過滴落帶，其中既有透氣良好的焦炭，還有向下滴落的液體爐渣和鐵，它們的流動互相影響。向下流動的渣鐵佔據了部分焦炭的空隙，特別是有部分爐渣滯留在其中（其值約為0.04），使滴落帶的!
下降，影響了煤氣流運動，嚴重時還會出現「液泛」現象。
當煤氣流到軟熔帶的下邊界處時，由於軟熔帶內礦石層的軟熔，其空隙極少，煤氣主要通過焦炭層（焦窗）而流動，煤氣流在這裡產生了橫向運動，由於軟熔帶的形狀、位置和厚薄的不同，穿過的煤氣在方向和數量都有差別，所以軟熔帶成為高爐煤氣的二次分配器。從煤氣流分布來說，倒v 形比w形的好，因為在倒v形時煤氣由內圓向外圓流動比較順暢；而在w形時，既有內圓向外圓的流動，又有外圓向內圓的流動，會產生煤氣流的衝突，不利於煤氣的分布。
由於高爐塊狀帶料柱是由分層的礦石和焦炭組成，它們的透氣阻力差別很大，而且高爐的截面積從下往上逐漸縮小，料麵又是按爐料堆角向中心傾斜，煤氣在這類不等截面、不等高度和透氣阻力差別很大的料層間向上運動，不斷地改變著方向，實際上在塊狀帶內形成了偏向中心的之字形流動。到達爐頂煤氣流的分布常用爐喉料麵以下水平截面上的分布來表示。常用的是通過煤氣中co2 曲線、十字測溫的爐喉溫度曲線以及紅外線熱影象儀測定給出料麵等溫線，分色的溫度區帶等來判斷。
1.6 高爐內的渣鐵液體運動
1.6.1 爐缸內渣鐵液體運動的特點
環流運動，造成爐底與爐缸的角部耐火磚受沖刷而被嚴重侵蝕，即形成蒜頭狀侵蝕，降低了高爐壽命。為克服這種缺陷，在設計上加大了死鐵層厚度，改進爐底爐缸結構（例如陶瓷杯），提高耐火材料的質量（微孔碳磚）；在生產操作上控制出鐵速度，出淨渣鐵、減少出完從軟熔帶滴落下來的渣鐵液滴經歷曲折的路徑進入爐缸匯集，一般認為燃燒帶形成的高溫煤氣具有較大的浮力，它使滴落的液滴改變流向。液滴與煤氣進入倒v形軟熔帶穿越焦窗時，發生轉向邊緣的橫向流動，將液滴推向邊緣，落到迴旋區上方的液滴則被煤氣甩向迴旋區周邊再繼續向下流動，由於液滴與煤氣流接觸良好，兩者熱交換也好，所以渣鐵進入爐缸時加熱得充分，使爐缸熱量充足而且均勻。
而煤氣通過v形軟熔帶時卻相反，向中心偏流的煤氣流將液滴推向中心，使液滴直接穿過死料柱進入爐缸，這樣液滴被煤氣加熱的程度差，會出現渣溫低，鐵溫高而含si和s都高的現象。
已積聚在下爐缸的渣鐵運動是在出渣鐵時發生的。在中小型高爐和少數1000m3級高爐上只有乙個鐵口，當鐵口開啟後，鐵水和下渣向鐵口流動，出現兩種情況：在渣鐵數量積聚量足夠多時，焦炭被渣鐵浮起，在爐底與焦塔間形成貫通的鐵液池，鐵水可高速穿過爐缸到達鐵口；另一種情況是焦塔下部浸埋在渣鐵中，其底部呈向下凸起的球狀深入鐵水，這樣中心部位焦炭多、邊緣焦炭少或沒有焦炭，鐵水流向鐵口時大部分沿爐缸壁做環流運動，造成爐底與爐缸的角部耐火磚受沖刷而被嚴重侵蝕，即形成蒜頭狀侵蝕，降低了高爐壽命。
為克服這種缺陷，在設計上加大了死鐵層厚度，改進爐底爐缸結構（例如陶瓷杯），提高耐火材料的質量（微孔碳磚）；在生產操作上控制出鐵速度，出淨渣鐵、減少出完鐵後爐缸內殘留渣鐵量等。
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