1、钢铁冶金原理钢铁冶金原理 内蒙古科技大学内蒙古科技大学材料与冶金学院冶金工程系材料与冶金学院冶金工程系第三章第三章 铁的还原铁的还原 自然界中铁不能以纯金属状态存在，绝大多数形成氧化物、硫化物及硫酸盐。常用的铁矿石有赤铁矿(Fe2O3)、磁铁矿(Fe3O4)、褐铁矿(nFe2O3.m H2O)、菱铁矿(FeCO3)4种。在炼铁过程中，这些矿物被还原成铁。地壳中铁的储量比较丰富，仅次于O、Si、Al而居于第4位。3.1.1 还原反应的热力学还原反应的热力学 Fe2O3、Fe3O4、FexO(x：0.87-0.95，含氧量25.60-23.26%)理论含铁量：铁矿石中含铁氧化物的含铁量。Fe2O3
2、：70%Fe3O4：72.4%还原难易程度：易难，Fe2O3Fe3O4FexO（温度、还原剂用量）1、铁氧化物的特性还原反应是由高级铁氧化物到低级铁氧化物的顺序逐级进行的。T570:Fe2O3Fe3O4FeOFeT570:T570:3、铁氧化物还原的热力学：10243320.4152131,23molTJGCOOFeCOOFeSS 1024316.4035380,3molTJGCOFeOCOOFeSS 10262.2422800,molTJGCOFeCOFeOSS(1)(2)(3)10243320.4152131,23molTJGCOOFeCOOFeSS 1024358.89382,4341m
3、olTJGCOFeCOOFeSST570:T1，%CO平0几乎与横轴重合，反应不可逆，Fe2O3很易还原。4条曲线把图面分成4个区，分别是Fe2O3、Fe3O4、FeO、Fe的稳定存在区。曲线的走向取决于反应的热效应放热T%CO平；吸热T%CO平1个吸热反应，3个放热反应，总热效应Fe2O3Fe是放热的。1024323240.7415547,23molTJGOHOFeHOFegSS 10224340.3035550,4341molTJGOHFeHOFeSS用H2还原铁氧化物：T570:(3)22%H OKH平平2100%1HK平对于各反应：1molH2参加还原生成1molH2OCO还原铁氧化物
4、，3个放热反应，1个吸热反应，总热效应为放热。H2还原铁氧化物，3个吸热反应，1个放热反应，总热效应为吸热。以各反应的%H2平T作图，得到气相平衡组成图。CO与H2还原的比较：2433COFeOCOOFeSS ,32243gSSOHFeOHOFe 2COFeCOFeOSS gSSOHFeHFeO22两组曲线交于810 高温有利于H2的还原，高炉中35%的H2参加还原，其中5%左右参加Fe3O4的还原，95%左右参加FeO的还原。平平COH%2平平COH%2T810,T天然矿；赤铁矿磁铁矿 1.molkJ1.molkJ，ED：8.4-212、还原温度：T，k，D，Ek：62.8-117.2T对k
5、的影响大于D，低温下，界面反应为限制性环节，高温下扩散为限制nTvv.0（n=0.75-3.0）性环节。在复合限制条件下，3、还原气体成分：H2的扩散系数D及化学反应k均大于CO，因而无论什么限制环节，煤气%H2含量高时，还原速率快。4、还原气体压力：P反应物气体浓度还原反应速率P对扩散速率的影响不大。3.2 碳的还原碳的还原 矿石的冶炼周期约为5-8h，其中1-2h完成从高级氧化物到浮氏体的气-固相还原反应，再用1-2h完成约一般浮氏体的气-固相还原过程，另一半浮氏体只能键入1000以上的高温区后，被固体碳直接还原。2233422,1000eeeexeCO HFCOCOF OF OF OC
6、TCFHH3.2.1 直接还原反应直接还原反应 全部还原出的铁量直接还原出的铁量dr1idrr消耗固体碳还原剂C的还原反应，成为直接还原反应。直接还原度直接还原度rd:直接还原所占的比例：从FexO中直接还原出的铁量占从铁氧化 物中还原出的总铁量的比例。直接还原反应发生的途径：2COFeCOFeOSS1029813190molJH COCCOS2210298165390molJH COFeCFeOSSS10298152200molJH直接还原反应的气相平衡曲线图（%CO平-T），可由间接还原及碳的气化曲线组合而成。特点：T710，碳气化生成的%CO大于各级铁氧化物还原需要的%CO，可发生各级铁氧化物的直接还原：Fe2O3Fe3O4FexOFe是Fe的稳定存在区的稳定存在区。680T710，碳气化产生的%CO大于Fe2O3Fe3O4、Fe3O4FexO所 需 的%C O，但 小 于 F e x O F e 所 需 的%C O，故 可 发 生Fe2O3Fe3O4FexO的还原，是FexO的稳定存在区的稳定存在区。T1000时，C气化才能显著发生，所以约1000是直接还原开始温度是直接还原开始温度，只存在FexOFe的直接还原。
