第二章__非高爐煉鐵理化基礎(chǔ)

1、復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)1 1、非高爐煉鐵的分類非高爐煉鐵的分類產(chǎn)品：直接還原、熔融還原產(chǎn)品：直接還原、熔融還原主體能源：煤基、氣基、電熱主體能源：煤基、氣基、電熱工藝模式：一段式、二段式、三段式等工藝模式：一段式、二段式、三段式等設(shè)備類型：豎爐、反應(yīng)罐、回轉(zhuǎn)窯、流化床等設(shè)備類型：豎爐、反應(yīng)罐、回轉(zhuǎn)窯、流化床等 2 2、直接還原直接還原以氣體燃料、液體燃料或非焦煤為能源，在鐵礦石（或以氣體燃料、液體燃料或非焦煤為能源，在鐵礦石（或鐵團(tuán)塊）呈固態(tài)的軟化溫度以下進(jìn)行還原獲得金屬鐵的鐵團(tuán)塊）呈固態(tài)的軟化溫度以下進(jìn)行還原獲得金屬鐵的方法。方法。 3 3、熔融還原熔融還原以非焦煤為能源，在高溫熔融狀態(tài)下進(jìn)行鐵氧化物還原

2、，以非焦煤為能源，在高溫熔融狀態(tài)下進(jìn)行鐵氧化物還原，渣鐵能完全分離，得到類似高爐的含碳鐵水，其目的在渣鐵能完全分離，得到類似高爐的含碳鐵水，其目的在于不使用焦炭。于不使用焦炭。2.1 氣基直接還原氣基直接還原（熱力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、冶金還原煤氣）（熱力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、冶金還原煤氣）2.2 煤基直接還原煤基直接還原（熱力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析）（熱力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析）2.3 熔融還原的動(dòng)力學(xué)分析熔融還原的動(dòng)力學(xué)分析第二章第二章 理化基礎(chǔ)理化基礎(chǔ)鋼鐵冶金生產(chǎn)流程n鐵碳合金鐵碳合金碳鋼碳鋼和和鑄鐵鑄鐵，是工業(yè)應(yīng)用最廣的合金。，是工業(yè)應(yīng)用最廣的合金。n含碳量為含碳量為0.0218% 2.11%的稱

3、的稱鋼鋼n含碳量為含碳量為 2.11% 6.69%的稱的稱鑄鐵鑄鐵。n鐵和碳可形成一系列穩(wěn)定化合物：鐵和碳可形成一系列穩(wěn)定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，都可作為，都可作為純組元看待。純組元看待。n含碳量大于含碳量大于Fe3C成分（成分（6.69%）時(shí)，合金太脆，已無(wú)實(shí)用價(jià)值。）時(shí)，合金太脆，已無(wú)實(shí)用價(jià)值。一、鐵碳合金的基本組織一、鐵碳合金的基本組織n是體心立方間隙固溶體。鐵素體的溶碳能力很低是體心立方間隙固溶體。鐵素體的溶碳能力很低,在在727時(shí)最大為時(shí)最大為0.0218%，室溫下僅為，室溫下僅為0.0008%。n鐵素體的組織為多邊形晶粒，鐵素體的組織為多邊形晶粒，性能與純鐵相似。

4、性能與純鐵相似。鐵素體鐵素體l 組元：組元：Fe、 Fe3Cl 相相l(xiāng) 鐵素體：鐵素體：l碳在碳在 -Fe中的固溶體稱中的固溶體稱鐵素鐵素體體, 用用F 或或 表示。表示。n 奧氏體奧氏體:n碳在碳在 -Fe中的固溶體稱中的固溶體稱奧氏體奧氏體。用。用A或或 表示。表示。n是面心立方晶格的間隙固溶體。溶碳能力比鐵素體大，是面心立方晶格的間隙固溶體。溶碳能力比鐵素體大，1148時(shí)最大為時(shí)最大為2.11%。727 時(shí)為時(shí)為0.77%l組織為不規(guī)則多面體晶粒，組織為不規(guī)則多面體晶粒，晶界較直。晶界較直。強(qiáng)度低、塑性強(qiáng)度低、塑性好好，鋼材熱加工都在鋼材熱加工都在 區(qū)區(qū)進(jìn)行進(jìn)行.l碳鋼室溫組織中無(wú)奧氏體

5、。碳鋼室溫組織中無(wú)奧氏體。奧氏體奧氏體n 滲碳體：滲碳體：即即Fe3C, 含碳含碳6.69%, 用用Fe3C或或Cm表示。表示。nFe3C硬度高、強(qiáng)度低硬度高、強(qiáng)度低( b 35MPa), 脆性大脆性大, 塑性幾乎為零塑性幾乎為零lFe3C是一個(gè)亞穩(wěn)相，在一定是一個(gè)亞穩(wěn)相，在一定條件下可發(fā)生分解：條件下可發(fā)生分解：Fe3C3Fe+C(石墨石墨), 該反應(yīng)該反應(yīng)對(duì)鑄鐵有重要意義。對(duì)鑄鐵有重要意義。l由于碳在由于碳在 -Fe中的溶解度很小，中的溶解度很小，因而因而常溫下碳在鐵碳合金中主常溫下碳在鐵碳合金中主要以要以Fe3C或或石墨石墨的形式存在。的形式存在。 鑄鐵中的石墨鑄鐵中的石墨鋼中的滲碳體鋼

6、中的滲碳體n珠光體：珠光體：鐵素體鐵素體與與Fe3C的機(jī)械混合物的機(jī)械混合物，用，用P表示。表示。l珠光體的組織特點(diǎn)是兩相珠光體的組織特點(diǎn)是兩相呈片層相間分布呈片層相間分布,性能介性能介于兩相之間。于兩相之間。珠光體珠光體n 萊氏體：萊氏體： 與與Fe3C的機(jī)械混合物的機(jī)械混合物n高溫萊氏體高溫萊氏體：727 以上，奧氏體與滲碳體，以以上，奧氏體與滲碳體，以Le表示表示n低溫萊氏體：低溫萊氏體：727 以下，珠光體與滲碳體，以以下，珠光體與滲碳體，以Le表示表示n為蜂窩狀為蜂窩狀, 以以Fe3C為基，性能硬而脆。為基，性能硬而脆。萊氏體萊氏體2.1 氣基直接還原2.1.1 熱力學(xué)分析n鐵氧化物

7、包括： 浮士體（Wustite） Fe1-yO或FexO 磁鐵礦（Magnetite）Fe3O4 赤鐵礦（Hematite） Fe2O3n鐵氧化物還原的順序：nFe2O3的還原可以認(rèn)為是不可逆的； Fe3O4及FeO需要更多的煤氣量平衡； FeOnCOFeCO2（n1）CO 還原每摩爾FeO時(shí)CO增加的比值為：一般形式：分級(jí)還原：總的煤氣量按FeO平衡氣相成分計(jì)算即可。三種氧化物同時(shí)還原：總煤氣量分別為還原需要的總和，煤氣量明顯增加，顯然VgVg。煤氣還原反應(yīng)的最大利用率為：2.1.2 動(dòng)力學(xué)分析動(dòng)力學(xué)條件決定還原速度1）微粒模型 粒度很小的礦石還原過(guò)程以擬均相反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行。適用于粒徑dP60

8、%)。3）未反應(yīng)核模型 按反應(yīng)界面自外向礦石核心推進(jìn)的機(jī)理導(dǎo)出。目前應(yīng)用最廣泛，適用于有一定粒度（2mm）及一定孔隙率（Vg時(shí)，CO+H2或N2及CO2H2O實(shí)際煤氣耗量；nVR28.7，一般的還原煤氣都可以脫硫。每M3煤氣可脫硫Ms：2)海綿鐵的滲碳分兩個(gè)步驟：n表面析碳 （主要）n固相擴(kuò)散 擴(kuò)散速度： 式中：Ds固相擴(kuò)散系數(shù)； ED擴(kuò)散活化能； AD有關(guān)系數(shù)；dx海綿鐵粒徑。 T，促進(jìn)CH4析碳及DS，海綿鐵C； CH4，海綿鐵C。2.1.3.3 冶金還原煤氣的制造n制氣反應(yīng)：裂化CH4。n冶金還原煤氣的要求：氧化度低；CH4及H2S含量少；N2適量；一定的溫度。n冶金還原煤氣的制造特點(diǎn)：

9、氧化度低（900，CO100，CO20，則：則有：即鐵礦石“直接”還原速度。一般情況下， 是碳還原的限制性環(huán)節(jié)，其受動(dòng)力學(xué)控制，所以溫度、碳的反應(yīng)活性及配碳量是影響碳還原反應(yīng)的最重要因素。n溫度。 溫度，還原速度。n煤的反應(yīng)性。還原速度與煤的反應(yīng)性成正比。n配碳量。n氣化反應(yīng)的觸媒效應(yīng)。Li、Na、K、Fe等。n還原碳與鐵礦石的接觸緊密程度。2.3 熔融還原的動(dòng)力學(xué)分析液態(tài)FeO可以直接被焦炭中的碳還原，反應(yīng)式為：液態(tài)FeO也可能被預(yù)先溶于鐵中C還原，反應(yīng)式為：對(duì)（c）有：對(duì)（c）有： 實(shí)驗(yàn)證明：碳“直接還原”的限制性環(huán)節(jié)是FeO被CO還原（反應(yīng)a）。其反應(yīng)過(guò)程可能受下列三個(gè)步驟控制： 1）空

10、間到反應(yīng)表面的氣體擴(kuò)散； 2）反應(yīng)面上的化學(xué)反應(yīng)； 3）液相間反應(yīng)界面的液體擴(kuò)散。 其中只有1、2兩個(gè)步驟可能形成反應(yīng)（a）的限制性步驟令反應(yīng)（a）的速度：式中：A反應(yīng)界面： FeOFeO的摩爾量； oFeO原始FeO的摩爾量第一步氣相擴(kuò)散速度：式中：p*CO平衡時(shí)CO分壓； poCO初始時(shí)CO分壓。第二步化學(xué)反應(yīng)速度：由鐵液中Fe1，反應(yīng)平衡時(shí)：得：又：動(dòng)態(tài)平衡時(shí)， 由 得：帶入總反應(yīng)速度式得：上式也適用于H2還原FeO時(shí)得還原速率表達(dá)式。對(duì)于純FeO還原則FeO1，有其中kg可由Sherwood準(zhǔn)數(shù)（ ）求出，Sh值可由經(jīng)驗(yàn)公式給出： 實(shí)際中可按化學(xué)反應(yīng)的速度來(lái)衡量和分析熔融還原過(guò)程中的FeO還原過(guò)程。 CO還原純FeO時(shí)反應(yīng)速率： 當(dāng)爐渣中(FeO)40%，（FeO）含量對(duì)還原不產(chǎn)生影響，即還原速度與（FeO）含量無(wú)關(guān)。低（FeO）時(shí)：式中： ； 三價(jià)鐵的摩爾量； 二價(jià)鐵的摩爾量。結(jié)論：n液態(tài)FeO還原的控制步驟是FeO與CO的