【湄津猫院】工业上的炼铁原理

原理：使一氧化碳和氧化铁发生还原反应。
化学方程式：3CO+Fe2O3===高温===2Fe+3CO2

高炉炼铁生产是冶金(钢铁)工业最主要的环节。高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并使炉喉料面保持一定的高度。焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构。矿石料在下降过程中逐步被还原、熔化成铁和渣，聚集在炉缸中，定期从铁口、渣口放出。高炉生产是连续进行的。一代高炉（从开炉到大修停炉为一代）能连续生产几年到十几年。本专题将详细介绍高炉炼铁生产的工艺流程，主要工艺设备的工作原理以及控制要求等信息。

高炉冶炼目的：将矿石中的铁元素提取出来，生产出来的主要产品为铁水。付产品有：水渣、矿渣棉和高炉煤气等。

高炉冶炼原理简介：
　　高炉生产是连续进行的。一代高炉（从开炉到大修停炉为一代）能连续生产几年到十几年。生产时，从炉顶（一般炉顶是由料种与料斗组成，现代化高炉是钟阀炉顶和无料钟炉顶）不断地装入铁矿石、焦炭、熔剂，从高炉下部的风口吹进热风（1000～1300摄氏度），喷入油、煤或天然气等燃料。装入高炉中的铁矿石，主要是铁和氧的化合物。在高温下，焦炭中和喷吹物中的碳及碳燃烧生成的一氧化碳将铁矿石中的氧夺取出来，得到铁，这个过程叫做还原。铁矿石通过还原反应炼出生铁，铁水从出铁口放出。铁矿石中的脉石、焦炭及喷吹物中的灰分与加入炉内的石灰石等熔剂结合生成炉渣，从出铁口和出渣口分别排出。煤气从炉顶导出，经除尘后，作为工业用煤气。现代化高炉还可以利用炉顶的高压，用导出的部分煤气发电。

一．煤的化学组成与分类
1．煤的化学组成
◆各种化合形式的有机物质。
这些有机物的组成元素有C、H、O、N和一部分S。
◆灰分。
煤中不能燃烧的矿物质统称为灰分，由SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、Na2O等矿物质组成。
根据灰分的来源，煤中的灰分分为原生灰分和再生灰分。
◆水分。
煤中的水分是有害成分。
煤中的水分以外部水分、吸附水分和结晶水三种形式存在。

2．煤的化学成分表示方法
煤的成分通常用各组成物的质量百分含量来表示。通常要用下述几种表示方法：
◆应用成分。将碳、氢、氧、氮、硫、灰分和水分在应用基中的质量百分含量定义为煤的应用成分，表示方法为在对应组成的右上角加标y，即：
Cy+Hy+Oy+Ny+Sy+Ay+Wy=100％
◆干燥成分。用不含水分的干燥基中的各组分百分含量来表示煤的化学组成，用这种方法表示的成分称为煤的干燥成分，表示方法为在相应组成的右上角加标g，即：
Cg+Hg+Og+Ng+Sg+Ag=100％
◆可燃成分。用C、H、O、N、S在可燃基中的百分含量来表示，称为可燃成分，表示方法为在对应组成的右上角加标r，即：
Cr+Hr+ Or +Nr+Sr=100％
◆煤的工业分析成分。将一定重量的煤加热到110℃，使其水分蒸发以测出水分的百分含量w，，再在隔绝空气的条件下，将煤样加热到850℃，并测出挥发分的百分含量V，，然后再将煤样通以空气，使固定碳全部燃烧，以便测出灰分的百分含量A，最后可确定出煤的固定碳百分含量为：
Cy=(100－(Wy+Ay+Vy))×100％

二．高炉喷吹用煤的性能要求
高炉喷煤对煤的性能要求：
1.煤的灰分越低越好，一般要求小于15％。
2.硫的质量分数越低越好，一般要求小于1．0％。
3.胶质层越薄越好，Y值应小于10mm，以免在喷吹过程中结焦堵塞喷枪和风口。
4.煤的可磨性要好，HGI值应大于50。
5.燃烧性和反应性要好。燃烧性和反应性好的煤允许大量喷吹，并允许适当放粗煤粉粒度，降低制粉能耗。
6.发热值越高越好。

2.喷吹系统运行操作
◆喷煤正常工作状态的标志：
①喷吹介质高于高炉热风压力0.15 MPa。
②罐内煤粉温度烟煤小于70℃，无烟煤小于80℃。
③罐内氧浓度烟煤小于8％，无烟煤小于12％。
④煤粉喷吹均匀，无脉动现象。
⑤全系统无漏煤、无漏风现象。
⑥煤粉喷出在风口中心，不磨风口。
⑦电气极限信号反应正确。
⑧安全自动连锁装置良好、可靠。
⑨计量仪表信号指示正确。
◆收煤罐向贮煤罐装煤程序：
①确认贮煤罐内煤粉已倒净。
②开放散阀，确认贮煤罐内压力为零。
③开贮煤罐上部的下钟阀(硬连接系统)。
④开贮煤管路上部的上钟阀。
⑤煤粉全部装入贮煤罐。
⑥关上钟阀。
⑦关贮煤管路上部的下钟阀。
⑧关放散阀。
◆贮煤罐向喷煤罐装煤程序：
①确认喷煤罐内煤粉已快到规定低料位。
②关放散阀；关上钟阀。
③开贮煤罐下充压阀；开贮煤罐上充压阀。
④关贮煤罐上、下充压阀，开均压阀。
⑤开下钟阀。
⑥煤粉全部装入喷煤罐。
⑦关下钟阀；关均压阀。
⑧开贮煤罐放散阀。
⑨当下钟阀关不严时，开喷煤罐充压阀，待下钟阀关严后，关喷煤罐充压阀。
◆喷煤罐向高炉喷煤程序：
①联系高炉，确认喷煤量及喷煤风口，插好喷枪。
②开喷吹风阀。
③开喷煤管路上各阀门。
④开自动切断阀并投入自动。
⑤开喷煤罐充压阀，使罐压力达到一定的数值后，关喷煤罐充压阀。
⑥开喷枪上的阀门并关严倒吹阀。
⑦开下煤阀。
⑧开补压阀并调整到一定位置。
⑨检查各喷煤风口、喷枪不漏煤并且煤流在风口中心线。
⑩通知高炉已喷上煤粉。
◆ 喷射型混合器调节喷煤量的方法：
①喷枪数量。喷枪数量越多，喷煤量越大。
②喷煤罐罐压。喷煤罐内压力越高，则喷煤量越大。而且罐内煤量越少，在相同罐压下喷煤量越大。
③混合器内喷嘴位置及喷嘴大小。喷嘴位置稍前或稍后均会出现引射能力不足，煤量减少。喷嘴直径适当缩小，可提高气(空气)煤混合比，增加喷吹量。

◆流化床混合器调节喷煤量的方法：
①调节流化床气室流化风量。风量过大将使气(空气)煤混合比减少，喷吹量降低；但是风量过小，不起流化作用，影响喷吹量。
②调节煤量开度。通过手动或自动调节下煤阀开度大小来调节喷煤量。
③调节罐压。通过喷煤罐的压力来调节煤量。
对于流化罐混合器通常调节喷吹煤量的方法是向喷吹管路补气。
对于喷吹罐上出料多管路流化法，多采用向喷吹管路补气调节喷吹煤粉量。
◆倒罐操作步骤：
开备用罐充压阀，充压至一定值再关充压阀；关生产罐下煤阀；开备用罐喷吹阀、气路阀；关生产罐气路阀、喷吹阀；开备用罐下煤阀，用罐压调节到正常喷吹，开空罐的卸压阀，卸压至零位后再关上。再对空罐进行装煤作业。
◆停喷操作
停止喷吹的条件：
①高炉休风。
②高炉出现事故。
③炉况不顺，风温过低，高炉工长指令时。
④高炉大量减风，不能满足煤粉喷吹操作时。
⑤喷煤设备出现故障不能短期内恢复或压缩空气压力过低(正常值0.4～0.6 MPa)，接喷煤高压罐操作室停喷通知时。
停煤操作程序：
①高炉值班工长通知喷煤高压罐操作室(关下煤阀)停送煤粉或接到喷煤高压罐操作室其通知已停止送煤后，方可进行停喷操作，继续送压缩空气10 min左右。
②待喷吹风口煤股消失后，停风开始拔枪。拔枪时应首先关闭支管切断阀，迅速松开活接头，再拔出喷枪。
③喷煤高压罐罐内煤粉极少时，开泄压阀至常压，罐内煤粉多的，可不进行泄压操作。
在下列情况下可停煤不停风(但连续停风不允许超过2 h)：
①高炉慢风操作。
②放风坐料。
③喷煤设备发生短期故障。
④喷吹压缩空气压力低于正常压力停止送煤时。
喷煤罐短期(小于8 h)停喷操作程序：
①关下煤阀。
②根据高炉要求，拔出对应风口喷枪。
③根据高炉要求，停对应风口的喷吹风。

3.喷吹系统的故障及处理
◆如突发性的断气、断电、防爆孔炸裂、泄漏严重、气缸电磁阀严重故障等，应立即切断下煤阀，根据情况通知高炉拔枪或向高炉送压缩空气。
◆过滤器堵塞时，关下煤阀进行吹粉排污，至压力正常时再开下煤阀送煤。若吹扫无效时，需打开过滤器检查清理污物。在处理过滤器堵塞时，应保持向高炉送压缩空气。
◆当喷吹管道堵塞时，关下煤阀，沿喷吹管路分段用压缩空气吹扫，并用小锤敲击，直至管道畅通为止。处理喷吹管堵塞要通知高炉拔枪。当罐压低于正常值(0.4～0.6 MPa) 时，应检查原因，是气源问题，还是局部泄漏造成，进行对症处理。
◆喷吹管过程中脉动喷吹、空吹、分配器分配不均现象。
出现脉动喷吹的原因是：煤粉过潮结块，粉中杂物多，混合器工作失常；给粉量不均以及分配器出口受阻等。处理方法：加强下罐体的流态；清除混合器流化床上面的杂物、调整流态化的空气量；检查并清除分配器内的杂物。
喷吹罐内只跑风不带煤，始端压力下降，载气量为正常喷吹的两倍至数倍，在悬空管道上敲击管壁时声音尖而响亮，手摸管壁特别是橡胶接管振感减弱。空吹是脉动喷吹的加剧。其原因与脉动喷吹相同，由于粉潮或粉中杂物多而引起的空吹较为普遍。更换喷嘴时，因喷嘴安装位置不妥引起喷吹故障比较少见，常被人忽视，且不能及时排除。
分配器分配不均的征兆是：各喷枪喷粉出现明显偏析，甚至出现空枪和脉动喷吹。其原因是粉中有杂物，煤粉结块或调节板的分配器调节不当，分配器已严重磨损；设备本身缺陷或喷吹管架设不合理及风机工况变化等。因设备缺陷的应拆除改造，操作者则应首先清理杂物，吹通喷吹管道及分配器；改变调节板角度，加强载气脱水。

五．喷吹烟煤的操作
1.系统气氛的控制
煤粉制备的干燥剂一般都是采用高炉热风炉废气或者是烟气炉废气的混合气等。
布袋的脉冲气源一般都是采用氮气，氮气用量应根据需要进行控制。
在制粉系统启动前，各部位的气体含氧量几乎都与大气相同，需先通入惰性气体或先透入热风炉废气，经数分钟后转入正常生产。喷吹罐补气风源，流态化风源一般使用氮气，喷吹载气一般使用压缩空气。操作者必须十分重视混合器、喷吹管、分配器以及喷枪的畅通。在条件具备的情况下，可用氮气作为载气进行浓相喷吹。处理煤粉堵塞和球磨机满煤应使用氮气，严禁使用压缩空气。
2.煤粉温度的控制
控制好各点的温度。
磨煤机出口干燥剂温度和煤粉温度不得超过规定值，且无升温趋势。
煤粉升温严重时应采取“灭火”或排放煤粉的措施。
防止静电火花。
3.喷吹烟煤操作要点
◆炉前喷吹的设施主要是分配器、喷枪和管路，要严防跑冒及堵塞煤粉。
◆经常与喷煤车间高压罐保持联系，做好送煤或停煤操作，及时处理喷吹故障。
◆至少每0.5 h检查风口一次，注意插枪位置、煤粉流股大小和煤粉燃烧状况，发现问题及时汇报工长并立即处理。五．喷吹烟煤的操作
1.系统气氛的控制
煤粉制备的干燥剂一般都是采用高炉热风炉废气或者是烟气炉废气的混合气等。
布袋的脉冲气源一般都是采用氮气，氮气用量应根据需要进行控制。
在制粉系统启动前，各部位的气体含氧量几乎都与大气相同，需先通入惰性气体或先透入热风炉废气，经数分钟后转入正常生产。喷吹罐补气风源，流态化风源一般使用氮气，喷吹载气一般使用压缩空气。操作者必须十分重视混合器、喷吹管、分配器以及喷枪的畅通。在条件具备的情况下，可用氮气作为载气进行浓相喷吹。处理煤粉堵塞和球磨机满煤应使用氮气，严禁使用压缩空气。
2.煤粉温度的控制
控制好各点的温度。
磨煤机出口干燥剂温度和煤粉温度不得超过规定值，且无升温趋势。
煤粉升温严重时应采取“灭火”或排放煤粉的措施。
防止静电火花。
3.喷吹烟煤操作要点
◆炉前喷吹的设施主要是分配器、喷枪和管路，要严防跑冒及堵塞煤粉。
◆经常与喷煤车间高压罐保持联系，做好送煤或停煤操作，及时处理喷吹故障。
◆至少每0.5 h检查风口一次，注意插枪位置、煤粉流股大小和煤粉燃烧状况，发现问题及时汇报工长并立即处理。

六.喷煤生产安全措施
1.安全注意事项
喷煤生产安全注意事项：
◆上班时劳保用品必须穿戴齐全。
◆严格执行岗位责任制及技术操作规程。
◆插拔喷枪操作时，应站在安全位置，不得正面对着风口。
◆喷枪插入后，迅速将喷枪固定好，以防喷枪退出伤人。
◆上班时不准在风口下面取暖或休息，预防煤气中毒。
◆处理喷煤管道时，上下梯子脚要踩稳，防止滑跌。
◆拔喷枪时应把枪口向上，严禁带煤粉和带风插拔喷枪。
◆经常查看风口喷吹煤粉是否正常，保证煤粉能喷在风口中心，防止风口磨损。发现断煤、结焦、吹管发红、跑风等情况时，立即报告工长并及时处理。
2．煤气事故的抢
◆煤气中毒。
将中毒者迅速及时地救出煤气危险区域，抬到空气流通的地方，解除阻碍呼吸的衣物，并注意保暖。
中毒轻微者，如出现头痛、恶心呕吐等症状，可直接送往附近的卫生所急救。
中毒较重者，如失去知觉、口吐白沫等症状，应通知煤气防护站和卫生所赶到现场抢救。中毒者未恢复知觉之前，不得送往较远医院急救，送往就近医院抢救时，途中应采取有效的急救措施，并有医护人员护送。
◆煤气着火事故。
煤气设施着火时，应逐渐降低煤气压力，通入大量蒸汽或氮气，但设施内煤气压力最低不得小于100 Pa。
直径小于或等于100 mm的管道起火可直接关闭煤气阀灭火。
◆煤气爆炸事故。
发生煤气爆炸事故后，应立即切断煤气来源，迅速将残余煤气处理干净，如因爆炸引起着火应按以上处理。

高炉炉况判断
常见的炉况判断方法：直接判断法和利用仪器仪表进行判断。
一．直接观测法
1.看出铁
主要看铁中含硅与含硫情况。
◆看火花判断含硅量
①冶炼铸造生铁时：
当[Si]大于2.5％时，铁水流动时没有火花飞溅；
当[Si]为2.5％～l.5％时，铁水流动时出现火花，但数量少，火花呈球状；
当[Si]小于1．5％时，铁水流动时出现的火花较多，跳跃高度降低，呈绒球状火花。
②冶炼炼钢生铁时：
当[Si]为1．0％～0．7％时，铁水流动时火花急剧增多，跳跃高度较低；
当[Si]小于0．7％时，铁水表面分布着密集的针状火花束，非常多而跳得很低，可从铁口一直延伸到铁水罐。
◆看试样断口及凝固状态判断含硅量
看断口
①冶炼铸造铁时：
当[Si]为1.5％～2.5％时，模样断口为灰色，晶粒较细；
当[Si]大于2.5％时，断口表面晶粒变粗，呈黑灰色；
当[Si]大于3.5％时，断口逐渐变为灰色，晶粒又开始变细。
②冶炼炼钢生铁时：
当[Si]小于l.0％时，断口边沿有白边；
当[Si]小于0.5％时，断口呈全白色；
当[Si]为0.5％～l.0％时，为过渡状态，中心灰白，[Si]越低，白边越宽。
看凝固状态
铁水注入模内，待冷凝后，可以根据铁模样的表面情况来判断。
当[Si] 小于1.0％时，冷却后中心下凹，生铁含[Si]越低，下凹程度越大；
当[Si]为1.0％～l.5％时，中心略有凹陷；
当[Si]为1.5％～2.0％时，表面较平；
当[si]大于2.0％以后，随着[Si]的升高，模样表面鼓起程度越大。
◆用铁水流动性判断含硅量
①冶炼铸造生铁时：
当[Si]为1.5％～2.0％时，铁水流动性良好，但比炼钢铁黏些；
当[Si]大于2.5％时，铁水变黏，流动性变差，随着[Si]的升高黏度增大。
②冶炼炼钢生铁时：
铁水流动性良好，不粘沟。
◆生铁含[S]的判断
①看铁水凝固速度及状态：
当[S]小于0.04％时，铁水很快凝固；
当[S]在0.04％～0.06％时，稍过一会儿铁水即凝固，生铁含[S]越高，凝固越慢，含[S]越低，凝固越快；
当[S]在0.03％以下时，铁水凝固后表面很光滑；
当[S]在0.05％～0.07％时，铁水凝固后表面出现斑痕，但不多；
当[S]大于0.1％时，表面斑痕增多，[S]越高，表面斑痕越多。
②看铁水表面油皮及样模断口：
当[S]小于0.03％时，铁水流动时表面没有油皮；
当[S]大于0.05％时，表面出油皮；
当[S]大于0.1％时，铁水表面完全被油皮覆盖。
③将铁水注入铁模，并急剧冷却，打开断口观察：
当[S]大于0.08％时，断口呈灰色，边沿呈白色；
当[S]大于0.1％时，断口为白口，冷却后表面粗糙，如铁水注入铁模，缓慢冷却，则边沿呈黑色。