第一章高炉冶炼过程的物理化学课件.ppt

1、熔剂作用：熔剂作用：（1）与矿石中的脉石及焦炭灰分作用生成低熔点）与矿石中的脉石及焦炭灰分作用生成低熔点炉渣，达到渣铁分离的目的。炉渣，达到渣铁分离的目的。（2）造成具有一定碱度及流动性良好的炉渣，达）造成具有一定碱度及流动性良好的炉渣，达到脱硫的目的。到脱硫的目的。高炉内发生气化反应的物质有：高炉内发生气化反应的物质有：1）还原产物：）还原产物：P、As、K、Na、Pb 、Zn、S等；等；2）还原中间产物：）还原中间产物：SiO；3）高炉内新生化合物：）高炉内新生化合物：SiS、CS等；等；4）由炉料带入的）由炉料带入的CaF2。FeOFeFeFe3O4Fe2O3还原中的赤铁矿球还原中的赤铁

2、矿球 所以，平衡气相中%CO和%H2也仅是温度的函数，作平衡气相中%CO-T或% H2-T关系图，得“叉子曲叉子曲线线” 。Fe2O3（举例）（举例）FeOFe3O4（ Fe3O4+Fe=4FeO）即由于铁的扩散，造成了铁的高即由于铁的扩散，造成了铁的高级氧化物的还原。级氧化物的还原。+COCO2Fe还原反应在界面上进行在实验分析中，上述理论式中的：u 未反应核半径 ri不易测得；u 改用容易测得的还原度 f 来代替。还原反应还原反应的推动力的推动力 ：任一时刻从矿粒中还原出的氧量占初始矿粒含氧：任一时刻从矿粒中还原出的氧量占初始矿粒含氧量的百分数。量的百分数。若：矿粒内氧的分布均匀，含氧密度

3、为若：矿粒内氧的分布均匀，含氧密度为0，则，则 f 可表示可表示为：为：实验式实验式f30030030301343434rrrrrf影响铁矿石气固相间接还原速率的因素影响铁矿石气固相间接还原速率的因素（2）压力）压力 界面反应控制时界面反应控制时 P P，还原气体浓度，还原气体浓度，使，使 R R ； 扩散控制时扩散控制时 P P 对对 R R 无影响；无影响； 复合控制时复合控制时 RP RP 0.50.5复合控制复合控制影响铁矿石气固相间接还原速率的因素影响铁矿石气固相间接还原速率的因素 不利于间接还原反应的进行。影响铁矿石气固相间接还原速率的因素影响铁矿石气固相间接还原速率的因素（5）矿

4、物的物理化学性状）矿物的物理化学性状 矿石粒度l矿石粒度矿石粒度,比表面积比表面积，使还原气体与矿石接触面积，使还原气体与矿石接触面积，界面反应速度，界面反应速度；l矿石粒度矿石粒度, 产物层厚度产物层厚度，还原气体内扩散速度，还原气体内扩散速度。 矿石粒度大，产物层厚时，内扩散控制：矿石粒度大，产物层厚时，内扩散控制：R 矿石粒度小，界面反应控制：矿石粒度小，界面反应控制： R 复合控制时：复合控制时： R 01r201rnr01 气孔率气孔率 化学反应控制时，影响较小；化学反应控制时，影响较小； 内扩散控制时，内扩散控制时，RR （主要指与外部环境连通的开口微气孔的数量）（主要指与外部环境

5、连通的开口微气孔的数量）n 迷宫系数迷宫系数化学反应控制时，影响很小；化学反应控制时，影响很小；内扩散控制时，内扩散控制时，R （迷宫系数），（迷宫系数）， =lL，即：迷宫系数为，即：迷宫系数为 孔隙孔隙在直线方向上的长度（在直线方向上的长度（l）与沿孔隙实际的曲折路径的长度（）与沿孔隙实际的曲折路径的长度（L）之比）之比，1。n 脉石成分脉石成分u碱金属，如碱金属，如K2O、Na2O等，可作为还原反应的催化剂，对还原反应有等，可作为还原反应的催化剂，对还原反应有明显的促进作用。明显的促进作用。u硅铝氧化物，如硅铝氧化物，如SiO2、Al2O3等，与等，与FeO形成复杂化合物，使还原变得形成

6、复杂化合物，使还原变得困难。困难。n 产物层物理状态产物层物理状态nFe2O3 Fe3O4n六方晶格六方晶格 立方晶格立方晶格 体积增大，易形成多孔层；体积增大，易形成多孔层；nFe3O4 FeO 晶格构造相似，易形成致密层。晶格构造相似，易形成致密层。n故还原性：故还原性：赤铁矿磁铁矿赤铁矿磁铁矿影响铁矿石气固相间接还原速率的因素影响铁矿石气固相间接还原速率的因素未反应核还原机理的局限性未反应核还原机理的局限性实验室条件下：实验室条件下：u 单一颗粒单一颗粒u 假定还原过程中气体成分、温度均不变假定还原过程中气体成分、温度均不变与高炉内实际逆流散料床的情况有明显区别与高炉内实际逆流散料床的情

7、况有明显区别。高炉内100%被还原的元素有： Cu、P、Ni （与Fe形成合金） Pb（比重大，沉积于炉底） Zn（挥发，参与循环）高炉内部分被还原的元素有： Mn 50%85% Si 5%10% v 75%85% Ti 2%5%高炉内不能被还原的元素有：Mg、 Ca、 AlMn的还原的还原MnMn的还原遵循由的还原遵循由MnMn的高级氧化物向低级氧化物逐级还原的的高级氧化物向低级氧化物逐级还原的原则。原则。 MnOMnO2 2 Mn Mn2 2O O3 3 Mn Mn3 3O O4 4 MnOMnO MnMn O O2 2% %：36.81 30.41 27.97 22.536.81 30.

8、41 27.97 22.5l 从从MnO2 Mn2O3 Mn3O4 ，比铁氧化物还原容易，用，比铁氧化物还原容易，用CO间接还原，且反应不可逆。但从间接还原，且反应不可逆。但从Mn3O4 MnO 是可逆是可逆的，需要过量的的，需要过量的CO才能保证还原反应的进行。才能保证还原反应的进行。l 在高炉炉身上部即可将在高炉炉身上部即可将Mn氧化物全部还原为氧化物全部还原为MnO，且，且为放热反应，故冶炼为放热反应，故冶炼MnFe合金的高炉炉顶温度高达合金的高炉炉顶温度高达500700。而。而MnO与与FeO 相比，更难还原，在高炉内无法相比，更难还原，在高炉内无法由间接还原完成，而只能为直接还原。由

9、间接还原完成，而只能为直接还原。影响影响Mn还原的因素分析还原的因素分析n（MnO）+ C = Mn + CO G0=6905050.20T )(%)(%MnOMnKAMnOMn MnO的还原是强吸热反应，冶炼锰铁的焦比一般为的还原是强吸热反应，冶炼锰铁的焦比一般为14002000kgt-p。LMn =Si的还原的还原 SiO2是较稳定的氧化物，在高炉中只能通过直是较稳定的氧化物，在高炉中只能通过直接还原，且还原率仅为接还原，且还原率仅为5%10%。Si的还原（过程）的还原（过程）还原，被铁水吸收还原，被铁水吸收氧化，进氧化，进入炉渣入炉渣Si的来源的来源影响影响Si还原的因素还原的因素LSi

10、 =Ti的还原的还原Ti的还原的还原P的还原的还原 炉料中的炉料中的P：磷灰石（磷灰石（3CaO P2O5）:为主为主 蓝铁矿（蓝铁矿（3FeO P2O5 8H2O） 2（3FeO P2O5 8H2O）+16 CO = 3Fe2P + P +16 CO2 +16H2O T 9501000 2（3FeO P2O5 8H2O）+16 C = 3Fe2P + P +16 CO2 +16H2O T 9501000 3CaO P2O5 + 5 C = 3CaO + 2P +5CO T开始开始 = 10001100 当当SiO2存在时，有利于存在时，有利于3CaO P2O5 的还原：的还原： 2（3CaO

11、 P2O5）+3 SiO2 +10 C = 3（2CaO SiO2）+4P +10CO P Fe2P、Fe3P高炉内有利于高炉内有利于P还原的条件还原的条件 SiO2的存在，可促进的存在，可促进P的还原。的还原。 从从3CaO P2O5中置换出的中置换出的P2O5易于挥发（易于挥发（300升升华），与华），与C相遇而被还原。相遇而被还原。 P可与可与Fe结合成稳定的化合物结合成稳定的化合物Fe2P、Fe3P。 高炉内的强还原气氛，利于高炉内的强还原气氛，利于P的还原。的还原。 长期冶炼实践表明，炉料中的长期冶炼实践表明，炉料中的P几乎全部还原几乎全部还原进入生铁，因此必须控制炉料的含进入生铁，

12、因此必须控制炉料的含P量，才能控制量，才能控制生铁的含生铁的含P量。量。炉缸内渣铁间耦合反应的特点炉缸内渣铁间耦合反应的特点n 当铁滴穿过渣层时，及在渣铁界面上，都会发生液态渣当铁滴穿过渣层时，及在渣铁界面上，都会发生液态渣铁间得失电子的氧化还原反应，将这些反应统称为铁间得失电子的氧化还原反应，将这些反应统称为耦合反应耦合反应。耦合反应的特点耦合反应的特点常见的耦合反应还有：常见的耦合反应还有：Si-Fe耦合：耦合： 2（FeO）+ Si = 2 Fe + （SiO2）Si-S耦合：耦合： 2（CaO）+ Si +2 S =2（CaS） +（SiO2）耦合反应平衡常数n1.4.1 造渣概述造渣

13、概述n1.4.2 炉渣的形成过程炉渣的形成过程n1.4.3 炉渣的理化性能炉渣的理化性能n1.4.4 炉渣脱硫与排碱炉渣脱硫与排碱1.4.1 造渣概述造渣概述铁矿石中的脉石和焦炭中的灰分铁矿石中的脉石和焦炭中的灰分 高炉冶炼对炉渣性能的要求高炉冶炼对炉渣性能的要求高炉渣的作用高炉渣的作用炉渣成分炉渣成分1.4.2 炉渣的形成过程炉渣的形成过程炉渣的形成过程炉渣的形成过程1.4.3 炉渣的理化性能炉渣的理化性能n对高炉冶炼过程有直接影响的性质：熔化性能（熔化温度对高炉冶炼过程有直接影响的性质：熔化性能（熔化温度、熔化性温度）、粘度、表面性质（表面张力、界面张力、熔化性温度）、粘度、表面性质（表面

14、张力、界面张力）、稳定性等。）、稳定性等。（1）熔化性能）熔化性能熔化温度熔化温度及及熔化性温度熔化性温度熔化性温度的确定熔化性温度的确定（2）粘度）粘度（流动性能）（流动性能）1600钢水粘度：钢水粘度：0.0020.003PaS影响炉渣粘度的因素影响炉渣粘度的因素 炉渣中其它组分炉渣中其它组分: :（3）炉渣的表面性质）炉渣的表面性质表面张力表面张力表表与与界面张力界面张力界界当临当当时，产生泡沫渣、液泛现象。时，产生泡沫渣、液泛现象。（4）炉渣的稳定性）炉渣的稳定性n 热稳定性热稳定性 定义：定义：当温度变化时，炉渣的熔化性、粘度等性质保 持相对稳定的能力。 判断依据：判断依据：-t 曲

15、线上转折点的急缓程度。n 化学稳定性化学稳定性 定义定义：当化学成分变化时，炉渣的粘度、熔化性等性质保持相对稳定的能力。 判断依据：判断依据：等粘度曲线、等熔化性温度曲线的疏密程度。越稀疏，稳定性越好。1.4.4 炉渣脱硫与排碱炉渣脱硫与排碱（1）炉渣脱硫）炉渣脱硫硫在高炉内的分配平衡硫在高炉内的分配平衡分析影响生铁含分析影响生铁含S量的因素量的因素高炉内炉渣脱硫反应的热力学高炉内炉渣脱硫反应的热力学脱硫离子反应式脱硫离子反应式Q影响炉渣脱硫的热力学因素分析影响炉渣脱硫的热力学因素分析 实际上高炉内脱硫反应受渣铁氧势和C、Si、Mn耦合反应综合控制：高炉内炉渣脱硫的动力学分析高炉内炉渣脱硫的动

16、力学分析提高炉渣脱硫速率的措施提高炉渣脱硫速率的措施（2）炉渣排碱）炉渣排碱K、Na走向走向510%被煤气带走80%被炉渣带出高炉（酸性渣排碱更多）510%在炉内循环K、Na循环富集对高炉冶炼的危害循环富集对高炉冶炼的危害降低降低K、Na循环危害的措施循环危害的措施燃烧反应燃烧反应鼓风中的鼓风中的O2：C+O2=CO或或CO2 CO2+C=2CO鼓风中的鼓风中的H2O：C+H2O=CO+H2 高炉中存在着大量的、过剩的C，故风口前燃烧反应的主要产物为CO。燃烧带燃烧带燃烧带燃烧带风口前燃烧，风口前燃烧，75%焦炭焦炭直接还原直接还原渗碳渗碳碳气化碳气化 风口喷吹的燃料（煤粉、重油、天然气等）风

17、口喷吹的燃料（煤粉、重油、天然气等）要先吸热分解，然后再燃烧。要先吸热分解，然后再燃烧。燃烧带煤气成分及作用燃烧带煤气成分及作用l 炉缸煤气成分：炉缸煤气成分：CO、少量、少量H2及风中大量的及风中大量的N2。l 风口燃烧带的作用：风口燃烧带的作用： 提供热源； 提供还原剂CO； 提供炉料下降的空间。影响燃烧带大小的因素影响燃烧带大小的因素（1）鼓风动能）鼓风动能E ：表示鼓风的穿透能力：表示鼓风的穿透能力鼓风动能鼓风动能E的影响的影响影响燃烧带大小的因素影响燃烧带大小的因素n（2）燃烧反应速度）燃烧反应速度v燃烧带内生成的炉缸煤气的组成及其计算燃烧带内生成的炉缸煤气的组成及其计算 炉缸煤气组

18、成的计算炉缸煤气组成的计算（1）以燃烧每千克碳为单位：）以燃烧每千克碳为单位： 2C+O2=2CO（2）以燃烧每）以燃烧每Nm3鼓风为单位鼓风为单位燃烧带理论燃烧温度及其影响因素燃烧带理论燃烧温度及其影响因素nT理理定义：定义：焦炭在风口前燃烧所产生的炉缸煤气的平均温度，焦炭在风口前燃烧所产生的炉缸煤气的平均温度， 即即炉炉 缸煤气未同炉料进行热交换的原始温度。缸煤气未同炉料进行热交换的原始温度。n生铁的形成由生铁的形成由FeFe的还原、不断渗碳及其它元素还原构成。的还原、不断渗碳及其它元素还原构成。n在高炉上部的低温区，还原出的在高炉上部的低温区，还原出的FeFe呈固态多孔状，叫海绵铁。呈固

19、态多孔状，叫海绵铁。n由于析碳反应由于析碳反应2CO=CO2CO=CO2 2+C+C在低温下易进行，析出炭黑；在低温下易进行，析出炭黑；n还原出的海绵铁对上述析碳反应有催化作用；还原出的海绵铁对上述析碳反应有催化作用；n析出的碳与海绵铁发生渗碳反应：析出的碳与海绵铁发生渗碳反应：3Fe+C=Fe3Fe+C=Fe3 3C C；n反应平衡时，海绵铁中最高含反应平衡时，海绵铁中最高含C C量可高达量可高达1.5%1.5%；n由于海绵铁渗碳后，熔点不断下降，逐渐熔化成液态铁水；由于海绵铁渗碳后，熔点不断下降，逐渐熔化成液态铁水；n当铁滴下落与焦炭相遇，发生液态铁水的渗碳反应，在炉腹中铁当铁滴下落与焦炭

20、相遇，发生液态铁水的渗碳反应，在炉腹中铁水大量渗碳，液态铁水含水大量渗碳，液态铁水含C C可达可达4%4%左右。左右。n随着铁水渗碳及其它元素的还原，最终形成生铁。随着铁水渗碳及其它元素的还原，最终形成生铁。第一章第一章 复习题复习题n1. 试比较三种炼铁工艺的优缺点。试比较三种炼铁工艺的优缺点。n2. 简述高炉冶炼过程的特点及三大主要过程。简述高炉冶炼过程的特点及三大主要过程。n3. 画出高炉系统组成图，并说明各系统的作用。画出高炉系统组成图，并说明各系统的作用。n4. 归纳高炉炼铁对铁矿石的质量要求。归纳高炉炼铁对铁矿石的质量要求。n5. 何谓石灰石的有效熔剂性？何谓石灰石的有效熔剂性？n

21、6. 石灰石分解对高炉冶炼产生哪些影响？石灰石分解对高炉冶炼产生哪些影响？n7. 试述焦炭在高炉炼铁中的三大作用及其质量要求。试述焦炭在高炉炼铁中的三大作用及其质量要求。n8. 何谓何谓“间接间接”与与“直接直接”还原？在平衡状态、还原剂消耗量及反还原？在平衡状态、还原剂消耗量及反应的应的 热效应等方面各有何特点？热效应等方面各有何特点？ 9. 何谓何谓“巴甫洛夫直接还原度巴甫洛夫直接还原度d”？n10. 试比较两种气体还原剂试比较两种气体还原剂CO和和H2在高炉还原过程中的特点。在高炉还原过程中的特点。n11. 从从“未反应核模型未反应核模型”以及逆流散料床的还原特点出发，如何改善气以及逆流

22、散料床的还原特点出发，如何改善气 固相还原过程的条件，提高反应速率，以促进间接还原的发展？固相还原过程的条件，提高反应速率，以促进间接还原的发展？n12. 何谓矿粒的何谓矿粒的“还原度还原度f ”，并写出其计算公式。，并写出其计算公式。n13. 何谓何谓“耦合反应耦合反应”？其基本原理是什么？其基本原理是什么？n14. 风口前碳的燃烧在高炉过程中所起的作用是什么？风口前碳的燃烧在高炉过程中所起的作用是什么？n15. 造渣在高炉冶炼过程中起何作用？造渣在高炉冶炼过程中起何作用？n16. 何谓何谓“熔化温度熔化温度” 及及“熔化性温度熔化性温度”？在高炉冶炼中是否熔化温度？在高炉冶炼中是否熔化温度

23、越低越低 越好，为什么？越好，为什么？n17. 何谓炉渣的何谓炉渣的“粘度粘度”？以液态炉渣的微观结构理论，解释炉渣碱度？以液态炉渣的微观结构理论，解释炉渣碱度对对 粘度的影响规律。粘度的影响规律。 18. 何谓熔渣的稳定性？判断熔渣稳定性的依据是什么？何谓熔渣的稳定性？判断熔渣稳定性的依据是什么？n19. 炉渣表面张力或界面张力过小，会对冶炼过程造成哪些危害？炉渣表面张力或界面张力过小，会对冶炼过程造成哪些危害？n20. 何谓硫负荷？何谓硫负荷？n 21. 与炼钢过程比较，高炉冶炼存在哪些对脱硫反应有利的条件？与炼钢过程比较，高炉冶炼存在哪些对脱硫反应有利的条件？n 22. K、Na循环富集对高炉冶炼有哪些危害？循环富集对高炉冶炼有哪些危害？n 23. 已知风中含已知风中含O223%，含，含H2O蒸气蒸气2%，试计算在风口前燃烧带内，试计算在风口前燃烧带内 100m3 鼓风所产生的煤气量及成分。鼓风所产生的煤气量及成分。