高炉炼铁原理与工艺知识问答.docx

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高炉炼铁原理与工艺知识问答

高炉炼铁原理与工艺知识问答

1、高炉原料中的游离水对高炉冶炼有何影响？

答：

游离水存在于矿石和焦炭的表面和空隙里。

炉料进入高炉之后，由于上升煤气流的加热作用，游离水首先开始蒸发。

游离水蒸发的理沦温度是100℃，但是要料块内部也达到100℃，从而使炉料中的游离水全部蒸发掉，就需要更高的温度。

根据料块大小的不同，需要到100℃，或者对大块来说，甚至要达到200℃游离水才能全部蒸发掉。

一般用天然矿或冷烧结矿的高炉，其炉顶温度为100~300℃，因此，炉料中的游离水进入高炉之后，不久就蒸发完毕，不增加炉内燃料消耗。

相反，游离水的蒸发降低了炉顶温度，有利于炉顶设备的维护，延长其寿命。

另一方面，炉顶温度降低使煤气体积缩小，降低煤气流速，从而减少炉尘吹出量。

2、高炉原料中的结晶水对高炉冶炼有何影响？

答：

炉料中的结晶水主要存在于水化物矿石（如褐铁矿和高岭土）中间。

高岭土是黏土的主要成分，有些矿石中含有高岭土。

试验表明，褐铁矿中的结晶水从200℃开始分解，到400~500℃才能分解完毕。

高岭土中的结晶水从400℃开始分解，但分解速度很慢，到500~600℃迅速分解，全部除去结晶水要达到800~1000℃。

可见，高温区分解结晶水，对高炉冶炼是不利的，它不仅消耗焦炭，而且吸收高温区热量，增加热消耗，降低炉缸温度。

4、什么是高炉炼铁的还原过程？

使用什么还原剂？

答：

自然界中没有天然纯铁，在铁矿石中铁与氧结合在一起，成为氧化物，高炉炼铁就是要将矿石中的铁从氧化物中分离出来。

铁氧化物失氧的过程叫还原过程，而用来夺取铁氧化物中的氧并与氧结合的物质就叫还原剂。

凡是与氧结合能力比铁与氧结合能力强的物质都可以做还原剂，但从资源和价格考虑最佳还原剂是C、CO和H2，C来源于煤，将它干馏成焦炭作为高炉炼铁的主要燃料，煤磨成粉喷入高炉成为补充燃料。

CO来自于C，在高炉内氧化形成，H2则存在于燃料中的有机物和挥发分，也来自于补充燃料的重油和天然气。

5、在高炉炼铁过程中铁矿石所含氧化物哪些可以被还原？

哪些不能

被还原？

答：

高炉炼铁选用碳作为还原剂，判断铁矿石中氧化物能否在高炉冶炼条件下被还原，就要较该氧化物中元素与氧的亲和力同碳与氧亲和力谁大谁小：

前者大于后者就不能还原，前者小于后者则能还原。

判别元素与氧亲和力大小最常用的手段之一是氧化物的分解压po2和标准生成自由能△G。

所谓氧化物的分解压就是氧化物分解为元素和氧的反应达到平衡时氧的分压。

氧化物的分解压越大，元素与氧结合能力越小，氧化物的稳定性越小，就越易被还原剂还原，一般来说随温度升高分解压增大，氧化物变得越易还原。

所谓氧化物的标准生成自由能是热力学的函数之一，用作判断冶金过程中反应的方向及平衡状态的依据。

对大多数元素的氧化物来说，标准生成自由能的负值数越大，它的稳定性越高，越难还原。

一般来说随温度升高氧化物的自由能的负值数变小，即氧化物的稳定性变差，只有CO例外，随温度升高CO的△G负值数变大，也就是CO变得更稳定，即C与O2的结合能力越强，在高温下可以还原更多的氧化物，这也是CO作为还的优越性。

（1）极易被还原：

Cu、Ni、Pb、Co

（2）较难被还原：

.P、Zn、Cr、Mn、V、Si、Ti，但是P、Zn是几乎100%被还原的，其余的只能部分被还原。

（3）完全不能还原：

Mg、Ca、Al

6、铁氧化物在高炉内的还原反应有哪些规律？

答：

规律如下：

（1）还原顺序。

不论用何种还原剂，铁氧化物还原是由高级氧化物向低

级氧化物到金属逐级进行的，顺序是：

﹥570℃  Fe2O3---Fe3O4---FeO---Fe

﹤570℃  Fe2O3---Fe3O4---Fe

（2）用气体还原剂CO、H2还原时：

Fe2O3是不可逆反应；Fe3O4和FeO是可逆反应；

（3）上述诸还原反应中，只有FeO间接反应是放热反应，其余都是吸热反应。

7、什么叫铁的间接还原？

什么叫铁的直接还原？

答：

用气体还原剂CO和H2还原铁氧化物的反应叫做间接还原，高炉内的CO是由焦炭和喷吹煤粉中C氧化而来的，间接还原是间接消耗C的反应。

由于Fe3O4和FeO的间接还原都是可逆反应，所以要过量还原剂保证反应的顺利进行，它们在高炉内块状带的中低温区进行。

用固体还原剂C还原铁氧化物的反应叫直接还原。

因为直接还原是不可逆反应，它不需要过量还原剂保证，但它们是大量的吸热反应，需要燃烧很多C放出热量来保证，它们在高炉内高温区进行。

在高炉内块状带内固体的铁矿石与焦炭接触发生直接还原的几率是很少的。

实际的直接还原是借助于碳素溶解损失反应、水煤气反应与间接还原反应叠加而实现的。

8、一氧化碳利用率和氢利用率？

答：

一氧化碳利用率是衡量高炉炼铁中气固相还原反应中CO转化为CO2程度的指标，也是评价高炉间接还原发展程度的指标。

氢利用率是衡量高炉炼铁中氢参与铁氧化物还原转化为H2O的程度的指标。

9、什么叫铁的直接还原度和高炉直接还原度？

答：

高炉内铁矿石还原过程中直接消耗碳产生CO反应都属于直接还原，直接还原度就是反映这类反应发展程度的标志，是衡量高炉能量利用的重要指标。

它有铁的直接还原度和高炉直接还原度两种表示方法：

（1）铁的直接还原度rd  它是以高炉内高价铁氧化物还原到FeO时都是间接还原为前提。

从FeO还原到金属铁，部分是间接还原，其余是直接还原，铁的直接还原度定义为从FeO中以直接还原方式还原得到的铁量与全部被还原的铁量的比值。

（2）高炉直接还原度Rd  它是高炉内以直接还原方式夺取的氧量与还原中夺取的总氧量的比值。

10、高炉炼铁中铁的直接还原和间接还原发展程度与碳消耗有什么关系？

答：

在高炉炼铁过程中不可避免地既有铁的间接还原，也有铁的直接还原，两种还原各有特点：

间接还原消耗热量少，但需要过量还原剂保证，因此作为还原剂消耗的碳多；直接还原相反，消耗热量多而消耗还原剂少。

高炉内碳的消耗（也就是燃料消耗）既要保证还原剂的需要，也要保证热量的需求。

而碳在氧化成CO时，既放出热量供冶炼需要，也成为间接还原的还原剂。

11、从铁氧化物中还原铁和从复杂化合物中还原铁有什么区别？

答：

高炉原料中的铁氧化物常与其他化合物结合形成复杂化合物，形成这些复杂化合物时放出热量，能位降低，因此，从这些化合物中还原铁要比从自由铁氧化物中还原铁困难，要消耗更

多的热量。

12、铁矿石是如何被还原剂还原的？

答：

铁矿石与气体还原剂CO、H2间的还原反应是气固反应，根据铁氧化物还原的顺序性，还原过程中的单体矿石颗粒的断面呈层状结构以及没有进行反应的核心部分随反应过程的进行逐步缩小的事实，用还原过程中呈层状结构的矿石颗粒截面来说明还原的各个环节，各个环节进行的顺序如下：

气体还原剂穿过边界层的外扩散；气体还原剂穿过产物层的内扩散；气体还原剂在反应界面吸附；界面化学反应；反应产生的氧化性气体解吸；反应产生的氧化性气体穿过产物层的内扩散；反应产生的氧化性气体穿过边界层的外扩散。

13、哪些因素影响铁矿石的还原速度？

答：

铁矿石还原速度的快慢，主要取决于煤气流和矿石的特性，煤气流特性主要是煤气温度、压力、流速和成分等，矿石特性主要是粒度、气孔度和矿物组成等。

（1）煤气中CO和H2的浓度。

提高煤气中CO和H2的浓度，既可以提高还原过程中的内外扩散速度，又可以提高化学反应速度，同时也增大了与平衡浓度的差值，从而可以加快铁矿石的还原速度。

（2）煤气温度。

表面化学反应速度和扩散速度皆随温度的升高而加快。

因此，高温对加速铁矿石的还原有利，尤其是扩大800~1000℃的间接还原区，对加速高炉内的还原过程是关键。

（3）煤气流速。

当反应处于外部扩散速度范围时，提高煤气流速对加快还原速度是非常有利的，这是因为提高煤气流速有利于冲散固体氧化物周围阻碍还原剂扩散的气体薄膜层，使还原剂直接到达氧化物表面。

但是，当气流速度提高到一定程度后（即超过临界速度），气体薄膜层完全冲走，随即反应速度受内扩散速度或界面反应速度的控制，此时进一步提高煤气流速就不再起加快还原速度的作用，而高炉内的煤气流速远超过临界速度，所以煤气速度对炉内矿石还原过程没有影响。

相反，由于气流速度过快而煤气利用率变坏，对高炉冶炼不利。

因此，煤气流速必须控制在适当的水平上。

（4）煤气压力。

提高煤气压力阻碍碳素溶损反应，使其平衡逆向移动，提高气相中CO2消失的温度，这就相当于扩大了间接还原区，对加快还原过程是有利的。

同时，从分子运动论的观点看来，提高煤气压力使气体密度增大，增加了单位时间内与矿石表面碰撞的还原剂分子数，从而加快还原反应。

但是，随着压力的提高，还原速度并不成比例地增加。

这是因为提高压力以后，还原产物CO2和H2O的吸附能力也随之增加，阻碍还原剂的扩散，同时，由于碳素溶损反应的平衡逆向移动，气相中的CO2浓度增加，更接近CO间接还原的平衡组成，这些对铁氧化物的还原是不利的。

因此，提高压力对加快还原的作用是不明显的。

提高压力的主要意义在于降低压差，改善高炉顺行，为强化冶炼提供可能性。

（5）矿石粒度。

同一重量的矿石，粒度愈小，与煤气的接触面积愈大，煤气利用率愈高。

而对每一个矿粒来说，表面被还原的金属铁层厚度相同的情况下，粒度愈小，相对还原度愈大。

因此，缩小粒度能提高单位时间内的相对还原度，从而加快矿石的还原速度。

另一方面，缩小矿石粒度，缩短了扩散行程和减少了扩散阻力，从而加快了还原反应。

但是，粒度缩小到一定程度以后，固体内部的扩散阻力愈来愈小，最后由扩散速度范围转入化学反应速度范围，此时进一步缩小粒度也就不再起加快还原的作用。

这一粒度称为临界粒度。

高炉条件下的临界粒度约为3-5mm。

另外，粒度过小会恶化料柱透气性，不利于还原反应。

比较合适的粒度对大高炉来说是10-25mm。

（6）矿石气孔度和矿物组成。

气孔度是影响矿石还原性的主要因素之一。

气孔度大而分布均匀的矿石还原性好，因为气孔度大，矿石与煤气接触面积大，同时，也减少了矿石内部的扩散阻力。

组成矿石的矿物中，硅酸铁是影响还原性的主要因素，铁以硅酸铁的形态存在时就难还原。

14、生铁生成过程中渗碳反应是如何进行的？

答：

生铁的形成过程主要是已还原出来的金属铁溶入其他合金元素和渗碳过程。

高炉炉身中的铁矿石一部分在固体状态下就被还原成了金属铁，叫做海绵铁。

取样分析表明，炉身上部出现的海绵铁中已经开始了渗碳过程。

不过低温下出现的固体海绵铁是以的形态存在的，所以它溶解的碳很少，最多可达0.002％。

随着温度超过736℃α铁转变为奥氏体，溶解碳的能力大大提高。

CO分解产生的炭黑（粒度极小的固体碳）非常活泼，它也参加铁氧化物的还原反应，同时与已还原生成的固体铁发生渗碳反应。

CO的分解在）450-600℃范围内最有利，因此炉身上部就可能按上述反应进行渗碳过程。

不过由于固体状态下接触条件不好和海绵铁本身溶解碳的能力很弱，所以固体金属铁中的含碳量是很低的。

根据高炉解剖资料分析，矿石在高炉内随着温度的升高，由固相区块状带经过半熔融状态的软熔带进入液相滴落带。

矿石进入软熔带以后，矿石还原度可达70％，出现致密的金属铁和炉渣成分的熔解聚合。

再提高温度达到1300-1400℃时，含有大量FeO的初渣从矿石机体中分离出去，焦炭空隙中形成金属铁的“冰柱”。

此时金属铁仍属固体。

温度继续提高至1400℃以上，“冰柱”经炽热焦炭的固相渗碳，熔点降低，才熔化为金属铁滴，穿过焦炭空隙流入炉缸。

由于液体状态下与焦炭的接触条件改善，加快了渗碳过程，生铁含碳立即增加到2％以上，到炉腹处的金属铁中已含有4％左右的碳了，与最终生铁成分中的含碳量相差不多。

总之，生铁的渗