《高炉炼铁技术》项目10任务10.1炉料下降与力学分析
钢铁冶金概论第二章 高炉炼铁-主要物理化学反应与操作工艺
（1）CaCO3在高炉中的分解吸热
CaCO3 ( s) CaO( s ) CO2 ( g ) 42500kcal
每100kg CaCO3分解吸收的热量是6kg焦炭燃烧产生 的热量。 （2）CaCO3在进入高温区分解产生的CO2，其中 50%参与焦炭溶损反应，该反应900℃开始，1000℃ 剧烈进行，大量吸热，降低焦炭热强度
高岭土（Al2O3· 2O）中的结晶水： 2H
400℃开始→500~600 ℃剧烈分解
大颗粒矿传热慢，尽管矿粒表面温度已达到剧烈 分解温度，但内部温度还很低，当内部温度达到 剧烈分解温度时，表面温度已很高，分解出来的 水会与焦炭反应。
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500~900 ℃
T> 900 ℃
C + 2H2O = CO2 + H2
这些碳酸盐分解 发生在低温区， 对高炉冶炼影响 不大
T沸1 720 ~ 780C T沸2 900C
3）白云石
MgCO3 CaCO3 ( s) MgO( s) CaCO3 ( s) CO2 ( g ) MgO( s) CaO( s) 2CO2 ( g )
4）碳酸铁
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T<1000°C
上缘T:1150~1200℃ 矿石开始软化收缩
下缘T: 1400°C,渣铁 开始熔融滴落 包括活性焦炭区 和呆滞区
鼓风T为1100~1300℃， 在风口前端形成回旋 区向炉缸中心延伸， 产生大量热量和CO， 产生空间使炉料下降
T为1400~1500°C
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(FeO) + C焦炭 = [Fe] + CO -36350kcal/kmol
高炉炼铁基本原理及工艺[1]
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罗玉强
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主要内容
高炉炼铁工艺流程 高炉主要技术经济指标 高炉冶炼原、燃料及熔剂 高炉冶炼基本原理与能量利用 高炉强化冶炼的手段与方法
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一、高炉炼铁工艺流程
高炉炼铁十字方针：高效、优质、低耗、长寿、环保。
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二、高炉主要技术经济指标
1、利用系数: η=P(高炉昼夜产铁量)/Vu (高炉有 效容积) t/m3.d 2、焦比 : K=Q(昼夜焦碳用量)/P(现主要核算综合 焦比) 3、冶炼强度: I=Q/Vu (反应焦碳的燃烧能力) P P K 4、透气性指数： V 4V BG 5、炉腹煤气指数： X BG D 2 4、休风率:计划外的检修时间占规定作业时间的百 分比(≤2%) 5、生铁成本：原料占80%± 6、一代炉龄：高炉点火开炉→停炉大修历经时间
2 B 2 T 1.7 BG
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三、高炉冶炼原、燃料及熔剂
1 炉料种类及质量评价
成分 磁
Fe3O4
理论含铁量 实际富矿含 最低工业品 % 铁% 位% 72.4 45~70 20~25
冶炼性能 P，S↑难 还原
赤
褐 菱
Fe2O3
n Fe2O3.mH2O FeCO3
70
55.2~66.1 48.2
55~60
20
（三）风口前C的燃烧
1.风口前C燃烧的意义 风口前C得燃烧占总C量的70%， 其燃烧的基本意义： （1）提供热量80% （2）提供还原剂 （3）影响炉料下降、软熔带形状、煤气利用、冶炼指标 2.燃烧带大小的控制—下部调剂 影响燃烧带大小的因素： ①C的燃烧速度（一般认为影响不大） ②布料状态（中心堆积，燃烧带小；中心疏松，燃烧带大） ③鼓风动能EK的大小
高炉炼铁基本原理与工艺
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2.铁的间接还原与直接还原
（1）间接还原：用CO、H2为还原剂还原铁的氧化物，产物CO2、 H2O的还原反应。 特点：放热反应 反应可逆 （2）直接还原：用C作为还原剂，最终气体产物为CO的还原反应。 特点：强吸热反应 反应不可逆 （3）直接、间接还原区域划分：取决于焦碳的反应性 低温区 ＜800℃基本为间接还原 中温区 800~1100℃共存 高温区 ＞ 1100℃全部为直接还原 （4）用直接还原度rd、间接还原度ri来衡量高炉C素利用好坏，评价 焦比。
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2. (助)熔剂
（1）作用： 形成低熔点易流动的炉渣、脱S（碱性熔剂） （2）种类：
使用条件及作用
碱性
酸性
铁矿中脉石为酸性氧化物，包括：石灰石、白云石、石灰
铁矿中脉石为碱性氧化物，主要为：SiO2（只在炉况失常 时使用——（Al2O3）≥18%或排碱时） 高Al熔剂，主要为：含Al2O3高的铁矿（只在降低炉渣流动 性时使用）
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五、高炉强化冶炼手段与方法
1.大风量 风量增加，炉内传热效果下降，ri降低，K 增加。风量应与还原性相适应 2.高风温 风温增加，传热推动力增加，但利用风温 的同时K势必降低，透气性将下降 3.富氧 富氧将使炉缸温度增加，但煤气总量下降， 不利于全厂能量平衡；富氧达到的效果与提高 风温相比，成本提高10倍。
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中性
3 焦碳
①主要作用：
作为高炉热量主要来源的60~80%，其它热风提供 提供还原剂C、CO 料柱骨架，保证透气性、透液性
②质量要求：
含炭量：C↑ 灰份:10%左右，灰分低可使渣量↓ 含S量：<0.6% 生铁中[S]80%±来源于焦碳 强 度：M40 (kangsuiqd)、M10 (lmqd) 粒度组成：均匀 60mm 左右的 >80% ，大于 80mm 的 <10% ，大于 80mm的<10% 成分稳定（特指水分）： 一般采用干熄焦 焦碳反应性： C+CO2=2CO开始反应的高低快慢→影响间接还原区的 范围从而影响焦比
高炉炼铁中的炉料预处理技术及其效益分析
《溶液》导学案一、学习目标1、理解溶液的概念，能区分溶液、悬浊液和乳浊液。
2、了解溶液的组成，能说出溶质和溶剂的概念。
3、掌握溶液质量分数的计算方法，并能进行简单的计算。
4、学会配制一定溶质质量分数的溶液。
二、学习重点1、溶液的概念、组成及特征。
2、溶液质量分数的计算。
3、配制一定溶质质量分数溶液的步骤和误差分析。
三、学习难点1、对溶液概念的准确理解。
2、溶液质量分数计算中的有关换算。
3、配制溶液时误差产生的原因分析。
四、知识梳理（一）溶液的概念1、定义：一种或几种物质分散到另一种物质里，形成均一、稳定的混合物，叫做溶液。
2、特征：（1）均一性：溶液各部分的性质完全相同。
（2）稳定性：只要外界条件（温度、溶剂量等）不变，溶液无论放置多久，溶质都不会从溶液中分离出来。
（3）混合物：溶液由溶质和溶剂组成，至少包含两种物质。
（二）溶液的组成1、溶质：被溶解的物质。
2、溶剂：能溶解其他物质的物质。
常见的溶剂有水、酒精、汽油等。
水是最常用的溶剂，大多数溶液中的溶剂都是水。
（三）溶液的分类1、饱和溶液和不饱和溶液（1）饱和溶液：在一定温度下，向一定量溶剂里加入某种溶质，当溶质不能继续溶解时，所得到的溶液叫做这种溶质的饱和溶液。
（2）不饱和溶液：在一定温度下，向一定量溶剂里加入某种溶质，溶质还能继续溶解的溶液，叫做这种溶质的不饱和溶液。
2、浓溶液和稀溶液（1）浓溶液：溶质在溶剂中含量较多的溶液。
（2）稀溶液：溶质在溶剂中含量较少的溶液。
（四）溶液质量分数1、定义：溶液中溶质的质量与溶液质量之比。
2、计算公式：溶质质量分数＝溶质质量÷溶液质量×100%（五）配制一定溶质质量分数的溶液1、实验用品：托盘天平、量筒、烧杯、玻璃棒、药匙、胶头滴管等。
2、实验步骤：（1）计算：根据溶质质量分数的计算公式，计算所需溶质和溶剂的质量。
（2）称量：用托盘天平称量所需溶质的质量，用量筒量取所需溶剂的体积。
（3）溶解：将溶质和溶剂倒入烧杯中，用玻璃棒搅拌，使溶质完全溶解。
高炉冶炼基本原理第七-八章
f——总的阻力系数
f=f摩+f局f摩=φ（Re）f局=φ（Fa）
(2)埃根(Ergun)公式。内容比较全面，其表达式为：
（5）
式中 ω——煤气平均流速；
μ——气体的粘度；
ε——散料孔隙度；
ε=（1-γ堆/γ块）=Fα
γ堆为散料堆积密度；γ块为料块密度。
φ——形状系数，它等于等体积圆球表面积与料块表面积之比，或表示为散料粒度与圆球形状粒度不一致的程度，φ＜1；
第七章炉料与煤气运动及其分布
第一节 炉料的下降与力学分析
一、炉料的下降与力学分析炉料与煤气运动及其分布
炉料下降的必要条件是在高炉内不断存在着的促使炉料下降的自由空间。形成这一空间的因素有：
1．风口前燃料的燃烧，形成较大的参加直接还原的消耗，占缩小的总体积的11％～16％。
d0——料块的平均粒径。
式(5)对研究高炉冶炼过程中炉料的透气性、煤气管道的形成等很有意义。
该公式前一项代表层流，后一项代表紊流，一般高炉内非层流，故前一项为零，即
移项可得
生产高炉的煤气流速一般与风量Q成正比关系，当炉料没有显著变化时，φ、d0可认为是常数，料线稳定时H也是常数，所以 都归纳为常数K，可得：
6．在生产高炉上，影响Q有效因素更为复杂，如渣量的多少，成渣位置的高低，初成渣的流动性，炉料下降时的均匀程度以及炉墙表面的光滑程度等，都会造成P墙摩、P料摩的改变，从而影响炉料有效重量的变化而影响炉料顺行。
目前对高炉软熔带以下的高温区(即存在固、液相的混合区域)，有关炉料有效重量的直接数据还较少，尚待近一步研究。
P热风——热风压力；
P炉顶——炉顶煤气压力。
由于炉缸和炉喉处的煤气压力不便于经常测定，故近似采用P热风和P炉顶代替。
钢铁冶金学(炼铁学)王筱留—第二版题库1
6、常见的烧结矿显微结构有、、、
、。
7、是影响烧结矿质量的重要因素。
8、生球成型的机理主要是利用的特性。
9、铁矿粉球团过程包括生球成型和两个主要作业。成球过程分为三个阶段：
、和。
10、生球干燥的目的是、
。生球干燥由和两个过程组成。
3、简述高炉煤气流合理分布的标志。
4、简述高炉冶炼时炉料下降的原因。
作图回答
1、画出合理的煤气流分布曲线并阐述其特点。
2、画图分析正同装与倒同装、正分装与倒分装对高炉煤气流的影响状况。
回答分析
1、分析说明高炉料柱压差ΔP随冶炼强度变化的原因。
2、分析说明如何改善块状料带和软熔带的透气性。
3、写出高炉内炉料下降的力学条件表达式，分析改善下降条件的措施。
6、简述高炉冶炼对焦炭的质量要求。
7、简述炼焦工艺流程。
8、简述高炉冶炼对煤粉的质量要求。
9、
填空题：
1、高炉系统包括、、、、
、等主要系统。
2、高炉生产过程中应严格控制的关键性环节有、
、。
3、铁矿石的分类有、、、等类型。
4、铁矿石评价的要点有、、
、、、。
5、炼焦工艺过程中影响焦炭质量的环节大体上可分为、、
1、高炉有效容积利用系数 2、焦比 3、煤比 4、生铁合格率 5、置换比
6、冶炼强度 7、燃烧强度 8、焦炭负荷 9、休风率 10、喷吹率 11、固相反应
12、落下实验 13、耐压实验 14、转鼓实验 15、熔滴性能测定 16、析碳反应
17、碳素溶解损失反应 18、间接还原 19、直接还原 20、耦合反应 21、硫负荷
、等，其中起着决定作用。
高炉炉料运动
若单位料层(1m3)中空隙率为 ，其中有 个表面积为 中空隙率为ε， 个表面积为A 若单位料层 中空隙率为 其中有N个表面积为 的粒子，假定其总体积与N个直径为 个直径为do的球形粒子相 的粒子，假定其总体积与 个直径为 的球形粒子相 等，即：
V
= 1− ε = N s
π
d 6
3 0
N =
6 (1 − ε )
影响P 影响 有效的因素
1 炉型
• 炉身角越小 炉腹角越大 炉墙平整时 炉墙对炉料的摩擦力越小，Ｐ 炉墙对炉料的摩擦力越小，Ｐ有效越大
• 矮胖炉型优越。因为ΔP随料柱高度降低而减小， P有效 ↑，利于顺行。 因为Δ 随料柱高度降低而减小， ，利于顺行。 随料柱高度降低而减小 顺行
2 燃烧带
风口燃烧带联成一片 燃烧带长度足够长
“死料柱”消失，炉料与炉料及炉 死料柱”消失， 死料柱 料与炉墙之间的摩擦力↓， 有效 料与炉墙之间的摩擦力 ， P有效 ↑
3 造渣制度 初渣、中间渣粘稠，使摩擦力增加。 初渣、中间渣粘稠，使摩擦力增加。 成渣带位置越高 成渣带越厚 炉渣的物理性质越差 渣量越大时 4 炉料堆比重 其他条件不变时，炉料堆比重越大，料柱的Ｐ 其他条件不变时，炉料堆比重越大，料柱的Ｐ有效↑ Ｐ摩↑，Ｐ有效↓
分析： ΔP与ε 的关系 与
∆P
1− ε
∝ ∝ ∝ ∝
ε3
图5.1 等球径球体不同堆积方式时的孔隙度
对于等径球形散料,ε与料排列状态有关； 对于等径球形散料 与料排列状态有关； 与料排列状态有关 与直径无关。 与直径无关。
正方体排列时的εmax=0.476， ， 正方体排列时的 单斜方体排列时εmin = 0.263。 单斜方体排列时 。 一般情况下，将等直径球任意混装在一起， 一般情况下，将等直径球任意混装在一起， ε ＝0.37～0.40 ～
高 炉 炼 铁 学
高炉炼铁学一、高炉：从上至下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸、死铁层。
发展趋势为：大型化、胖型二、高炉原料：1、铁矿石：烧结矿、球团矿、天然块矿2、熔剂：石灰石、白云石3、燃料：焦炭、煤粉4、空气：N2、O2三、高炉产品：1、生铁：成分有Fe、C、Si、Mn、S、P、V、Ti等。
分为炼钢生铁、铸造生铁（Si高S 低）、铁合金，铁与钢区别是C。
2、炉渣：成分有、CaO、MgO、SiO2、Al2O3、FeO、TiO2、MnO、V2O5等。
3、煤气：成分有CO、CO2、N2、H2、H2O四、高炉辅助设备：1、供料系统2、送风系统3、除尘系统4、渣铁处理系统5、燃料喷吹系统五、高炉冶炼的概况：分为五带1、块状带：间接还原、CaCO3=CaO+CO2、部分FeO+C=Fe+CO2、软熔带：CaO+SiO2+Al2O3=硅酸盐，渗碳反应：3Fe+2CO=Fe3C+CO23、滴落带：（FeO）+C=、（MnO）+C=、(SiO2)+C=、(P2O5)+C=4、风口燃烧带：2C+O2=2CO5、炉缸部分：脱硫反应：FeS+CaO=CaS+FeO，FeO+C=Fe+CO，FeS+CaO+C =CaS+ Fe+CO六、高炉技术经济指标：1、有效容积：铁口中心线至大钟下降下沿或溜槽垂直下，V u，工作容积2、有效容积利用系数：ηu=P/V u t/m3d，可达3以上。
3、焦比：K=Q/P，kg/t，最低250 kg/t左右。
综合焦比：燃料比：最低450 kg/t左右。
4、冶炼强度：I=Q/ V u t/m，ηu=I/K，综合冶炼强度：5、生铁合格率：一级品率6、休风率：有计划休风和非计划休风，应控制在2%以下。
7、高炉一代寿命：无中修，表示有日历时间（8至10 年）；单位容积产量（5000t/m3）第一章高炉用原燃料第一节高炉用燃料高炉燃料有焦炭和煤粉两种Ⅰ、焦炭一、焦炭的作用 1、发热剂；2、还原剂；3、骨架作用；4、渗碳剂二、焦炭的质量要求 1、C 高；2、灰分低：灰分中70%左右是SiO2和Al2O3，含量为11%至20%。
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冶炼强度I与料柱全压差ΔP的 关系
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[课堂小结]
本节课主要讲述了炉料的运动规律,介绍高炉炉料下 降的条件。什么是炉料的有效重量的概念，它与实际重 量的差别；影响炉料的有效重量的因素。及煤气压力损 失ΔP是如何形成的。
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[评价观测点]
• 1.能否正确介绍高炉炉料下降的条件。 • 2.能否正确介绍炉料的有效重量的概念，它与实际重量
W料——炉料本身的重量 P墙——炉料与炉墙之间摩擦力的垂直分量 P料——料块相对运动时，料块间摩擦力的垂直 分量 △ P——煤气通过料层时的总压差
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设：W效=W料－P墙－P料 （ 即炉料下降的有 效重量）
则：F= W效- △P F值愈大，W效较△P愈大，愈有利于炉料的顺行； W效≥△P时，将产生难 行或者悬料，就不利于炉料 的顺行。
• 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。
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10.1.2炉料下降的力学分析（充分条件）
F=(W料－P墙－P料)－△P 式中 F——决定炉料下降的力
结论：影响炉料顺行的因素基本可以分成影响W效和△P 两类。
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影响有效重力(W有效)的因素:
（1）高炉设计参数 （2）炉料的运动状态 （3）炉料的堆积密度 （4）其它
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炉料透气性的变化和矿块大 小（用计 算直径表示）的关系
8Hale Waihona Puke 影响ΔP的因素:（1）炉料间的空隙度 （2）炉料的形状系数 （3）渣鉄液的粘度、表面张力 （4）煤气流速 （5） 煤气的温度 （6） 煤气压力 （7）其它因素
高炉炼铁技术
项目10 ----炉料与煤气运动
任务10.1炉料下降与力学分析
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炉料的下降条件 必要（基本）条件: 在高炉内不断存在着的促使炉 料下降的自由空间。
充分条件:
F＝W有效 ＞ ΔP
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炉料运动（必要条件）
• 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。
的差别。 • 3.能否正确分析影响炉料的有效重量的因素。 • 4.能否正确介绍煤气压力损失ΔP是如何形成的。怎样降
低ΔP。
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