现代冶金学-3.ppt

3 高炉炼铁基础理论 3 高炉炼铁基础理论 还原反应是高炉内的最基本反应。炉料从高炉顶部装入后就开始还原，直到下部炉缸，除风口回旋区外，几乎贯穿整个高炉冶炼的始终。 高炉内除铁的还原外，还有少量的硅、锰、磷等元素的还原。 3.1.1 氧化物还原的一般原理 冶金还原反应就是用还原剂夺取金属氧化物中的氧，使之还原成为金属单质或其低价氧化物的过程。对金属氧化物的还原反应可按下面通式表示： 式中：MeO、Me——分别表示金属氧化物和由金属氧化物 还原得到的金属； B、BO——分别表示还原剂和还原及夺取金属氧化物 中的氧而被氧化得到的产物。 3.1.1 氧化物还原的一般原理 这是一个兼有还原和氧化的综合反应。对金属氧化物而言被还原为金属，而对还原剂则是被氧化。 哪些物质可以充当还原剂夺取金属氧化物中的氧，决定于它们与氧的化学亲和力。凡是与氧亲和力比金属元素Me的亲和力大的物质，都可以做为该金属氧化物的还原剂。还原剂与氧的亲和力越大，夺取氧的能力越强，还原能力越强。 3.1.1 氧化物还原的一般原理 某物质与氧亲和力的大小，可用该物质氧化物的标准生成自由能衡量。氧化物标准生成自由能越小，说明该物质与氧亲合力大，氧化物稳定，不易还原，反之则相反。所以还原反应的必备条件是还原剂氧化产物的标准生成自由能小于金属氧化物的标准生成自由能，即： 式中：、——分别为B和Me与1molO2结合成氧化物的标准生成自由能。 3.1.2 其他元素的还原 3.1.2.1 硅酸铁的还原 3.1.2.2 锰的还原 矿球反应模型 4.4 炉内硫的还原及炉渣脱硫 脱硫是冶炼优质生铁的首要问题。研究脱硫先要了解硫在高炉内的行为。 一 高炉内硫的来源及分布规律 高炉中的硫来自入炉的各种原、燃料。表4-2列出了我国几个钢铁厂高炉硫负荷情况.硫负荷就是冶炼每吨生铁由炉料带入的总硫量。其中60~80%来自焦炭。 3.1.2 铁氧化物的还原的一般规律 高炉中的还原反应是在碳过剩的情况下进行的，而碳在较高的温度下会发生气化反应。 这一反应的存在，必然影响还原反应的进行，使得最终气相组成总是力图按碳的气化反应（图4-3曲线5）建立平衡 3.1.2 铁氧化物的还原的一般规律 曲线5与曲线2和曲线3分别相交于b点和a点（Tb=920K，即647℃；Ta=958K，即685℃）。这就是说，在有过剩碳存在的条件下，Fe3O4还原为FeO，FeO还原为Fe的开始温度已不是570℃，而分别是647℃和685℃。在b点，平衡气相成分相等（约40%CO）。当温度低于647℃时，Fe3O4不能还原成FeO。 3.1.2 铁氧化物的还原的一般规律 以上是从还原反应热力学方面来探讨的。实际上在高炉内温度低于685℃的上部区域已有金属铁还原出来。这主要是因为高炉内煤气流速极快，在炉内停留时间仅2~6秒，在这种情况下，各反应均不可能达到平衡。 此外，反应（4-13）一般要在1000℃以上才能较快进行，在较低温度下则进行很缓慢。实际高炉内CO/CO2远大于还原反应平衡气相中的CO/CO2，因而能满足还原反应的要求。 3.1.2 铁氧化物的还原的一般规律 用H2还原铁氧化物可进行类似的分析 : 由于反应（4-10）和（4-11）以及 t＜570℃时，反应Fe3O4+4H2=3Fe+4H2O，ΔGθ298=149.8kj/mol（图4-4曲线（4）），均为吸热反应，因此，随温度的升高，平衡气相中H2O含量均增加，而H2含量则降低，故图4-4中曲线（2）、（3）、（4）均向右下方倾斜，这是用H2与用CO还原不同之点。由此用CO和H2分别还原Fe3O4和FeO的平衡曲线2和（2），曲线3和（3）都相交于810℃。 3.1.2 铁氧化物的还原的一般规律 这说明H2的还原能力随着温度升高而增强。故在高炉下部高温区H2激烈地参与还原，对碳素消耗起着积极作用。 3.1.2 铁氧化物的还原的一般规律 在高温区的直接还原反应中，H2与CO类似，它的还原产物H2O（气）与CO还原FeO的产物CO2一样，立即与焦炭中的碳素作用，又生成H2和CO去参与还原。但无论H2还是CO的还原，最终都归结为消耗碳素的直接还原反应（4-14）。可见H2和CO在高温直接还原反应的条件下，起着中间媒介的作用，这种作用大大推动了碳素直接还原反应地进行。因为固态的铁氧化物与焦炭之间的直接反应是很困难的，浸在渣中的焦炭与FeO的直接还原也是有限的，所以消耗碳素的直接还原反应实际上是通过气相的CO和H2来进行的。 3.1.2 铁氧化物的还原的一般规律 高炉下部铁氧化物的直接还原反应的进行取决于碳的气化反应的发展（即气化反应的迟早和速率）。而碳的气化反应的发展则决定于温度和焦炭本身的反应性。焦炭反应性