【钢铁百科】第一期——炼铁基础知识
  发布时间:2018年08月24日 点击数:

炼     铁

将金属铁从含铁矿物主要为铁的氧化物中提炼出来的工艺过程,主要有高炉法,直接还原法,熔融还原法,等离子法。从冶金学角度而言,炼铁即是铁生锈、逐步矿化的逆行为,简单的说,从含铁的化合物里把纯铁还原出来。实际生产中,纯粹的铁不常见。更多的是得到铁碳合金。

中文名:炼铁

外文名:ironsmelting

拼音:liàntiě

方法:高炉法,直接还原法

1.基本概述

拼音:liàntiě

 

炼铁

[ironsmelting] 将金属铁从含铁矿物(主要为铁的氧化物)中提炼出来的工艺过程,主要有高炉法,直接还原法,熔融还原法,等离子法。

高炉炼铁是指把铁矿石和焦炭,一氧化碳,氢气等燃料及熔剂(从理论上说把活动性比铁的金属和矿石混合后高温也可炼出铁来)装入高炉中冶炼,去掉杂质而得到金属铁(生铁)

其反应式为:

Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2(高温) (还原反应)

Fe3O4+4CO=3Fe+4CO2(高温)(还原反应)

C+O2=CO2(高温)

C+CO2=2CO(高温)

炉渣的形成:

CaCO3=CaO+CO2 (条件:高温)

CaO+SiO2=CaSiO3 (条件:高温)

2.化学原理

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(一般炉顶是由料钟与料斗组成,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(10001300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。

3.基本流程

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。

炉前操作

一、炉前操作的任务

1、利用开口机、泥炮、堵渣机等专用设备和各种工具,按规定的时间分别打开渣、铁口(现今渣铁口合二为一),放出渣、铁,并经渣铁沟分别流入渣、铁罐内,渣铁出完后封堵渣、铁口,以保证高炉生产的连续进行。

2、完成渣、铁口和各种炉前专用设备的维护工作。

3、制作和修补撇渣器、出铁主沟及渣、铁沟。

4、更换风、渣口等冷却设备及清理渣铁运输线等一系列与出渣出铁相关的工作。

高炉基本操作制度:

高炉炉况稳定顺行:一般是指炉内的炉料下降与煤气流上升均匀,炉温稳定充沛,生铁合格,高产低耗。

操作制度:根据高炉具体条件(如高炉炉型、设备水平、原料条件、生产计划及品种指标要求)制定的高炉操作准则。

高炉基本操作制度:装料制度、送风制度、炉缸热制度和造渣制度。

高炉

横断面为圆形的炼铁竖炉。用钢板作炉壳,壳内砌耐火砖内衬。高炉本体自上而下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸5部分。由于高炉炼铁技术经济指标良好,工艺简单,生产量大,劳动生产效率高,能耗低等优点,故这种方法生产的铁占世界铁总产量的绝大部分。高炉生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂(石灰石),从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预热的空气。在高温下焦炭(有的高炉也喷吹煤粉、重油、天然气等辅助燃料)中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气,在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧,从而还原得到铁。炼出的铁水从铁口放出。铁矿石中未还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣,从渣口排出。产生的煤气从炉顶排出,经除尘后,作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。高炉冶炼的主要产品是生铁,还有副产品高炉渣和高炉煤气。

高炉热风炉

  炼铁

  热风炉是为高炉加热鼓风的设备,是现代高炉不可缺少的重要组成部分。提高风温可以通过提高煤气热值、优化热风炉及送风管道结构、预热煤气和助燃空气、改善热风炉操作等技术措施来实现。理论研究和生产实践表明,采用优化的热风炉结构、提高热风炉热效率、延长热风炉寿命是提高风温的有效途径。

铁水罐车

铁水罐车用于运送铁水,实现铁水在脱硫跨与加料跨之间的转移或放置在混铁炉下,用于高炉或混铁炉等出铁。

4.发展过程

我国炼铁始于春秋时代。那时候的炼铁方法是块炼铁,即在较低的冶炼温度下,将铁矿石固态还原获得海绵铁,再经锻打成的铁块。冶炼块炼铁,一般采用地炉、平地筑炉和竖炉3种。我国在掌握块炼铁技术的不久,就炼出了含碳2%以上的液态生铁,并用以铸成工具。战国初期,我国已掌握了脱碳、热处理技术方法,发明了韧性铸铁。战国后期,又发明了可重复使用的“铁范”(用铁制成的铸造金属器物的空腹器)。

西汉时期,出现坩埚炼铁法。同时,炼铁竖炉规模进一步扩大。1975年,在郑州附近古荥镇发现和发掘出汉代冶铁遗址,场址面积达12m2,发掘出两座并列的高炉炉基,高炉容积约50m3。西汉时期还发明了“炒钢法”,即利用生铁“炒”成熟铁或钢的新工艺,产品称为炒钢。同时,还兴起“百炼钢”技术。东汉(公元25220),光武帝时,发明了水力鼓风炉,即“水排”。我国古代水排的发明,大约比欧洲早1100多年。

汉代以后,发明了灌钢方法。《北齐书·綦母怀文传》称为“宿钢”,后世称为灌钢,又称为团钢。这是中国古代炼钢技术的又一重大成就。

据〈中华百科要览〉记载:中国是最早用煤炼铁的国家,汉代时已经试用,宋、元时期已普及。到明代(公元13681644)已能用焦炭冶炼生铁。在公元1415世纪之际,铁的产量曾超过2000万斤,折合约为1.2t。西方最先开始工业革命的英国,约晚两个世纪,才达到这个水平。

总的来看,中国古代钢铁发展的特点与其他各国不同。世界上长期采用固态还原的块炼铁和固体渗碳钢,而中国铸铁和生铁炼钢一直是主要方法。由于铸铁和生铁炼钢法的发明与发展,中国的冶金技术在明代中叶以前一直居世界先进水平。

19世纪下半叶清政府发展近代军事工业,制造枪炮、战舰,大量输入西方国家生产的钢铁。1867年进口钢约8250t1885年约9t1891年增加到170万担(13t)。进口钢逐渐占领了中国的市场,使传统的冶铁业难以维持生产,而国内钢铁消耗量又不断增加。因此近代钢铁工业的兴起就成为时代的需要。

1871(清同治十三年),直隶总督李鸿章、船政大臣沈葆桢请开煤铁,以济军需,上允其请,命于直隶磁州、福建、台湾试办。1875年,直隶磁州煤铁矿向英国订购熔铁机器,因运道艰远未能成交。此事表明,当时已开始注重举办新式钢铁事业。1886年,贵州巡抚潘蔚创办青厂,先用土炉,后从英国订购炼铁、炼钢设备,1888年安装完毕。终因清廷腐败,缺乏资金、煤和铁矿石,加上不善管理,无人精通技术,而于1893年停办。这是兴办近代钢铁厂的一次尝试。

5.事故预防

1、炼铁厂煤气中毒事故危害最为严重,死亡人员多,多发生在炉前和检修作业中。预防煤气中毒的主要措施是提高设备的完好率,尽量减少煤气泄漏;

2、在易发生煤气泄漏的场所安装煤气报警器

3、进行煤气作业时,煤气作业人员佩带便携式煤气报警器,并派专人监护;

4、炉前还容易发生烫伤事故,主要预防措施是提高装备水平,作业人员要穿戴防护服。原料场、炉前还容易发生车辆伤害和机具伤害事故;

5、烟煤粉尘制备、喷吹系统,当烟煤的挥发分超过10%时,可发生粉尘爆炸事故。为了预防粉尘爆炸,主要采取控制磨煤机的温度、控制磨煤机和收粉器中空气的氧含量等措施。目前,我国多采用喷吹混合煤的方法来降低挥发分的含量。

6.生产安全

1、炼铁安全生产的主要特点

炼铁是将铁矿石或烧结球团矿、锰矿石、石灰石和焦炭按一定比例予以混匀送至料仓,然后再送至高炉,从高炉下部吹入1000℃左右的热风,使焦炭燃烧产生大量的高温还原气体煤气,从而加热炉料并使其发生化学反应。在1100℃左右铁矿石开始软化,1400℃熔化形成铁水与液体渣,分层存于炉缸。之后,进行出铁、出渣作业。

炼铁生产所需的原料、燃料,生产的产品与副产品的性质,以及生产的环境条件,给炼铁人员带来了一系列潜在的职业危害。例如,在矿石与焦炭运输、装卸,破碎与筛分,烧结矿整粒与筛分过程中,都会产生大量的粉尘;在高炉炉前出铁场,设备、设施、管道布置密集,作业种类多,人员较集中,危险有害因素最为集中,如炉前作业的高温辐射,出铁、出渣会产生大量的烟尘,铁水、熔渣遇水会发生爆炸;开铁口机、起重机造成的伤害等;炼铁厂煤气泄漏可致人中毒,高炉煤气与空气混合可发生爆炸,其爆炸威力很大;喷吹烟煤粉可发生粉尘爆炸;另外,还有炼铁区的噪声,以及机具、车辆的伤害等。如此众多的危险因素,威胁着生产人员的生命安全和身体健康。

2、炼铁生产的主要安全技术

1)高炉装料系统安全技术

装料系统是按高炉冶炼要求的料坯,持续不断的给高炉冶炼。装料系统包括原料燃料的运人、储存、放料、输送以及炉顶装料等环节。装料系统应尽可能的减少装卸与运输环节,提高机械化、自动化水平,使之安全的运行。

(1)运人、储存与放料系统。大中型高炉的原料和燃料大多数采用胶带机运输,比火车运输易于自动化和治理粉尘。储矿槽未铺设隔栅或隔栅不全,周围没有栏杆,人行走时有掉入槽的危险;料槽形状不当,存有死角,需要人工清理;内衬磨损,进行维修时的劳动条件差;料闸门失灵常用人工捅料,如料突然崩落往往造成伤害。放料时的粉尘浓度很大,尤其是采用胶带机加振动筛筛分料时,作业环境更差。因此,储矿槽的结构应是永久性的、十分坚固的。各个槽的形状应该做到自动顺利下料,槽的倾角不应该小于50°,以消除人工捅料的现象。金属矿槽应安装振动器。钢筋混凝土结构,内壁应铺设耐磨衬板;存放热烧结矿的内衬板应是耐热的。矿槽上必须设置隔栅,周围设栏杆,并保持完好。料槽应设料位指示器,卸料口应选用开关灵活的阀门,最好采用液压闸门。对于放料系统应采用完全封闭的除尘设施。

(2)原料输送系统。大多数高炉采用料车斜桥上料法,料车必须设有两个相对方向的出入口,并设有防水防尘措施。一侧应设有符合要求的通往炉顶的人行梯。卸料口卸料方向必须与胶带机的运转方向一致,机上应设有防跑偏、打滑装置。胶带机在运转时容易伤人,所以必须在停机后,方可进行检修、加油和清扫工作。

(3)顶炉装料系统。通常采用钟式向高炉装料。钟式装料以大钟为中心,有大钟、料斗、大小钟开闭驱动设备、探尺、旋转布料等装置组成。采用高压操作必须设置均压排压装置。做好各装置之间的密封,特别是高压操作时,密封不良不仅使装置的部件受到煤气冲刷,缩短使用寿命,甚至会出现大钟掉到炉内的事故。料钟的开闭必须遵守安全程序。为此,有关设备之间必须连锁,以防止人为的失误。

2)供水与供电安全技术

高炉是连续生产的高温冶炼炉,不允许发生中途停水、停电事故。特别是大、中型高炉必须采取可靠的措施,保证安全供电、供水。

(1)供水系统安全技术。高炉炉体、风口、炉底、外壳、水渣等必须连续给水,一旦中断便会烧坏冷却设备,发生停产的重大事故。为了安全供水,大中型高炉应采取以下措施:供水系统设有一定数量的备用泵;所有泵站均设有两路电源;设置供水的水塔,以保证柴油泵启动时供水;设置回水槽,保证在没有外部供水情况下维持循环供水;在炉体、风口供水管上设连续式过滤器;供、排水采用钢管以防破裂。

(2)供电安全技术。不能停电的仪器设备,万一发生停电时,应考虑人身及设备安全,设置必要的保安应急措施。设置专用、备用的柴油机发电组。

计算机、仪表电源、事故电源和通讯信号均为保安负荷,各电器室和运转室应配紧急照明用的带铬电池荧光灯。

3)煤粉喷吹系统安全技术

高炉煤粉喷吹系统最大的危险是可能发生爆炸与火灾。

为了保证煤粉能吹进高炉又不致使热风倒吹入喷吹系统,应视高炉风口压力确定喷吹罐压力。混合器与煤粉输送管线之间应设置逆止阀和自动切断阀。喷煤风口的支管上应安装逆止阀,由于煤粉极细,停止喷吹时,喷吹罐内、储煤罐内的储煤时间不能超过812h。煤粉流速必须大于18m/s。罐体内壁应圆滑,曲线过渡,管道应避免有直角弯。

4)高炉安全操作技术

(1)开炉的操作技术。开炉工作极为重要,处理不当极易发生事故。开炉前应做好如下工作:进行设备检查,并联合检查;做好原料和燃料的准备;制定烘炉曲线,并严格执行;保证准确计算和配料。

(2)停炉的操作技术。停炉过程中,煤气的一氧化碳浓度和温度逐渐增高,再加上停炉时喷入炉内水分的分解使煤气中氢浓度增加。为防止煤气爆炸事故,应做好如下工作:处理煤气系统,以保证该系统蒸汽畅通;严防向炉内漏水。在停炉前,切断已损坏的冷却设备的供水,更换损坏的风渣口;利用打水控制炉顶温度在400℃~500℃之间;停炉过程中要保证炉况正常,严禁休风;大水喷头必须设在大钟下。设在大钟上时,严禁开关大钟。

5)高炉维护安全技术

高炉生产是连续进行的,任何非计划休风都属于事故。因此,应加强设备的检修工作,尽量缩短休风时间,保证高炉正常生产。

为防止煤气中毒与爆炸应注意以下几点:

(1)在一、二类煤气作业前必须通知煤气防护站的人员,并要求至少有2人以上进行作业。在一类煤气作业前还须进行空气中一氧化碳含量的检验,并佩带氧气呼吸器;

(2)在煤气管道上动火时,须先取得动火票,并做好防范措施;

(3)进入容器作业时,应首先检查空气中一氧化碳的浓度,作业时,除要求通风良好外,还要求容器外有专人进行监护。

3.炼铁生产事故的预防措施和技术

炼铁厂煤气中毒事故危害最为严重,死亡人员多,多发生在炉前和检修作业中。预防煤气中毒的主要措施是提高设备的完好率,尽量减少煤气泄漏;在易发生煤气泄漏的场所安装煤气报警器;进行煤气作业时,煤气作业人员佩带便携式煤气报警器,并派专人监护。

炉前还容易发生烫伤事故,主要预防措施是提高装备水平,作业人员要穿戴防护服。原料场、炉前还容易发生车辆伤害和机具伤害事故。

烟煤粉尘制备、喷吹系统,当烟煤的挥发分超过10%时,可发生粉尘爆炸事故。为了预防粉尘爆炸,主要采取控制磨煤机的温度、控制磨煤机和收粉器中空气的氧含量等措施。目前,我国多采用喷吹混合煤的方法来降低挥发分的含量。

来源:中国钢铁培训网

 

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