高爐冶煉工藝

高爐冶煉是把鐵礦石還原成生鐵的連續(xù)生產(chǎn)過程。鐵礦石、焦炭和熔劑等固體原料按規(guī)定配料比由爐頂裝料裝置分批送入高爐，并使爐喉料面保持一定的高度。焦炭和礦石在爐內(nèi)形成交替分層結(jié)構(gòu)。礦石料在下降過程中逐步被還原、熔化成鐵和渣，聚集在爐缸中，定期從鐵口、渣口放出。

鼓風機送出的冷空氣在熱風爐加熱到 800～1350以后，經(jīng)風口連續(xù)而穩(wěn)定地進入爐缸，熱風使風口前的焦炭燃燒，產(chǎn)生2000以上的熾熱還原性煤氣。上升的高溫煤氣流加熱鐵礦石和熔劑，使成為液態(tài)；并使鐵礦石完成一系列物理化學變化，煤氣流則逐漸冷卻。下降料柱與上升煤氣流之間進行劇烈的傳熱、傳質(zhì)和傳動量的過程。

下降爐料中的毛細水分當受熱到100～200即蒸發(fā)，褐鐵礦和某些脈石中的結(jié)晶水要到500～800才分解蒸發(fā)。主要的熔劑石灰石和白云石，以及其他碳酸鹽和硫酸鹽，也在爐中受熱分解。石灰石中[kg2]CaCO[kg2]和白云石中MgCO的分解溫度分別為900～1000和740～900。鐵礦石在高爐中于 400或稍低溫度下開始還原。部分氧化鐵是在下部高溫區(qū)先熔于爐渣，然后再從渣中還原出鐵。

焦炭在高爐中不熔化,只是到風口前才燃燒氣化,少部分焦炭在還原氧化物時氣化成CO。而礦石在部分還原并升溫到1000～1100時就開始軟化；到1350～1400時完全熔化；超過1400就滴落。焦炭和礦石在下降過程中，一直保持交替分層的結(jié)構(gòu)。由于高爐中的逆流熱交換,形成了溫度分布不同的幾個區(qū)域。

①區(qū)是礦石與焦炭分層的干區(qū)，稱塊狀帶，沒有液體；

②區(qū)為由軟熔層和焦炭夾層組成的軟熔帶，礦石開始軟化到完全熔化；

③區(qū)是液態(tài)渣、鐵的滴落帶，帶內(nèi)只有焦炭仍是固體；

④風口前有一個袋形的焦炭回旋區(qū)，在這里，焦炭強烈地回旋和燃燒，是爐內(nèi)熱量和氣體還原劑的主要產(chǎn)生地。

液態(tài)渣鐵積聚于爐缸底部,由于比重不同,渣液浮于鐵液之上,定時從爐缸放出鐵水出爐溫度一般為1400～1550，渣溫比鐵溫一般高30～70。

煤氣流沿高爐斷面合理均勻地分布上升，能改善煤氣與爐料之間的傳熱和傳質(zhì)過程，順利地完成加熱、還原鐵礦石和熔化渣、鐵等過程，達到高產(chǎn)、低耗、優(yōu)質(zhì)的要求。

高爐中鐵的還原 高爐中主要被還原的是鐵的氧化物:FeO(赤鐵礦),FeO（磁鐵礦）和FeO（浮氏體，從0.04到0.125）等。每得到1000公斤金屬鐵，通過還原被除去的氧量為：赤鐵礦429公斤,磁鐵礦382公斤,浮氏體（按FeO計算）286公斤。

主要還原劑 焦炭中的碳和鼓風中的氧燃燒生成的CO氣體，以及鼓風和燃料在爐內(nèi)反應(yīng)生成的H是高爐中的主要還原劑。約從400開始,氧化鐵逐步從高價鐵還原成低價鐵，一直到金屬鐵。

間接還原 氧化鐵由[kg2]CO[kg2]還原生成[kg2]CO[kg2]或由[kg2]H[kg2]還原生成HO的過程。還原順序為:[kg2]FeO─→FeO─→FeO─→Fe（低于570時，F(xiàn)eO不穩(wěn)定,還原順序為：FeO─→FeO─→Fe）。從圖2[Fe-O-C體系氣相平衡組成] 2100433B

將錳礦（包括燒結(jié)礦）、焦炭、石灰、白云石按配比從爐頂加入高爐。鼓風機從高爐風口鼓入熱空氣與焦炭燃燒產(chǎn)生熱量，使爐料熔化，還原而成為爐渣與高碳錳鐵，定時從爐底排出。爐渣排入渣罐送沖渣池粒化，用作生產(chǎn)水泥及建筑材料的原料。高碳錳鐵送鑄錠間用鑄鐵機鑄錠。（見圖1）爐頂產(chǎn)生的荒煤氣含塵量高（30～50g/m），粒度細（85%<2μm），溫度高（350～600℃），粉塵易凝聚成硬塊，給荒煤氣凈化帶來很多困難?；拿簹鈴臓t頂經(jīng)重力除塵器、文氏管、電除塵凈化后，凈煤氣含塵量<10mg/m。部分煤氣用于熱風爐，其余作燃料。這種濕式除塵系統(tǒng)產(chǎn)生大量洗滌水，濁度高，含有氰化物（30～300 mg/t）、Mn、Pb、Zn、As、酚等有害物質(zhì)，要用水渣過濾法或生物化學法或亞硫酸鐵沉淀法等處理后，閉路循環(huán)使用，才能達到環(huán)保要求。

法國巴黎烏特羅錳鐵公司（SFPO）的錳鐵高爐的煤氣凈化系統(tǒng)是先用板式電除塵器除塵后再經(jīng)洗滌塔水洗（圖2）?；拿簹夂瑝m約30 g/m3，處理后凈煤氣含塵約1 mg/m3。生產(chǎn)1t高碳錳鐵產(chǎn)生的爐氣粉塵中，含有氰化物4.25kg，干式除塵系統(tǒng)除去94%（4.0kg）。重力除塵器和板式電除塵器收集的干灰，經(jīng)螺旋輸送機送入集灰室。從集灰室的四周通入冷風使氰燃燒后生成CO₂與N₂由排氣管排入大氣。除氰率可達100%。洗滌塔和洗氣機產(chǎn)生的污水含氰量為0.2 kg。經(jīng)過濾（塑料層）、蒸發(fā)塔揮發(fā)約90%，廢氣從塔頂煙囪排入大氣。余下約10%隨污水經(jīng)沉淀池沉淀后，循環(huán)使用。

高爐冶煉錳鐵的焦比高，負荷輕；煤氣量大，在爐身極易發(fā)展邊沿氣流；爐料吹損大；爐頂溫度高。初渣中MnO含量高，流動性好，對爐身中、下部耐火磚侵蝕快。由于上述特點和冶煉規(guī)律，錳鐵高爐的內(nèi)型與生鐵高爐相比是擴大爐喉；加大爐腹直徑使高爐有效高度和爐腰直徑比降低；實踐證明，無爐襯高爐（圖3）能適應(yīng)冶煉錳鐵的要求，可以得到較好的技術(shù)經(jīng)濟效益。所謂無爐襯高爐是指除承受高溫爐渣和鐵液的爐缸與爐底部分用磚砌外，爐腹、爐身的外殼用水噴淋或汽化冷卻。不砌耐火材料。錳鐵高爐的其他設(shè)備基本與煉鐵高爐相同，僅在一些參數(shù)和設(shè)備匹配上作適當修改。

1875年普爾塞爾（A.Pourcel）在法國泰爾努瓦（Terre Noire）的高爐內(nèi)煉出含有60%～80%Mn，6%～7%C的高碳錳鐵。20世紀初中國漢陽鐵廠在100t高爐內(nèi)冶煉鏡鐵。1937～1944年日商在天津建制鐵所冶煉錳鐵。中華人民共和國成立后，1949年陽泉鋼鐵廠用高爐冶煉鏡鐵和錳鐵。鞍山鋼鐵公司于1950年用試驗爐和臨近大修的高爐冶煉錳鐵。石景山鋼鐵廠、重慶鋼鐵廠與馬鞍山鋼鐵廠等都先后用高爐生產(chǎn)錳鐵和鏡鐵。新余鋼鐵廠于1960年開始冶煉錳鐵。