高爐內(nèi)的還原過程

1、第三章 高爐內(nèi)的還原過程第一節(jié) 爐料的蒸發(fā)、揮發(fā)和分解一、水分的蒸發(fā)爐料中的水以吸附水和化合水兩種形式存在。吸附水存在于熱燒結礦以外的一切爐料中，吸附水一般在l05以下即蒸發(fā)。吸附水蒸發(fā)對高爐冶煉并無壞處，因為爐喉煤氣溫度通常大于200，流速也很高，爐料中的吸附水在爐料入爐后，下降不大的距離就會蒸發(fā)完，水的蒸發(fā)僅僅利用了煤氣的余熱，不會增加焦炭的消耗；同時因水分的蒸發(fā)吸熱，降低了煤氣溫度，對裝料設備和爐頂金屬結構的維護還帶來好處。此外，煤氣溫度降低，體積減 小，流速也因之降低，爐塵吹出量隨之減少。在實際生產(chǎn)中，往往因爐頂溫度過高，而向爐料或爐喉內(nèi)打水以降低煤氣溫度。二、碳酸鹽分解爐料中碳酸鹽主

2、要來自石灰石(CaC03)、白云石(MgC03)，有時也來自碳酸鐵(FeCO3)或碳酸錳(MnCO3)。1碳酸鹽的分解當爐料加熱時，碳酸鹽按FeCO3、MnC03、MgCO3、CaCO3的順序依次分解。碳酸鹽分解反應通式可寫成：MeCO3 = MeO十CO2一Q 反應式中Me代表Ca、Mg、Fe及Mn等元素。碳酸鹽的分解反應是可逆的，隨溫度升高，其分解壓力升高，即有利于碳酸鹽的分解。高爐冶煉最常見的碳酸鹽是作為熔劑用的石灰石。石灰石的分解反應為：CaC03CaO十CO242500×4.1868kJ 反應發(fā)生的條件是：當碳酸鈣的分解壓力(C02分壓)PCO2大于氣氛中C02的分壓PCO

3、2時，該反應才進行。CaCO3在高爐內(nèi)的分解溫度與爐內(nèi)總壓力和煤氣中C02分壓有關。據(jù)測定表明，石灰石在高爐內(nèi)加熱到700800開始分解，9001000達到化學沸騰。 石灰石的分解速度和它的粒度有很大關系。因為CaCO3的分解是由表及里，分解一定時間后，在表面形成一層石灰(CaO)層，妨害繼續(xù)分解生成的C02穿過石灰層向外擴散，從而影響分解速度。當大粒度分成若干小塊時，比表面積增加，在相同條件下，分解生成的石灰量增多，未分解部分減少，粉狀的石灰石在900左右即可分解完畢，而塊狀的要在更高的溫度下才能完全分解。粒度愈大，分解結束的溫度愈高。此外CaO層的導熱性差，內(nèi)部溫度要比表面溫度低；粒度愈大

4、，溫差愈大。因此，石灰石因塊度的影響，分解完成一直要到高溫區(qū)域。2碳酸鹽分解對高爐冶煉的影響及其對策 碳酸鹽在高爐內(nèi)若能在較高部位分解，它僅僅消耗高爐上部多余的熱量，但如前述CaCO3若在高溫區(qū)分解，必然影響到燃料的過多消耗。其影響可按以下分析進行估量：(1)CaCO3分解是吸熱反應，1kg CaCO3分解吸熱425×41868kJ，或者每分解出1kgC02吸熱956×41868kJ。(2) CaCO3在高溫區(qū)分解出的C02，一般有50以上與焦炭中的C發(fā)生氣化(溶損)反應：C02十C2CO一39600×41868kJkg分子 反應既消耗C又消耗熱量。因耗C而減少了

5、風口前燃燒的C量，(兩者在數(shù)量上是相當?shù)?即減少了C燃燒的熱量：C十1/202CO十29970x4.1868Ukg分子 兩項熱量之和為69570×41868kJkg分子，(3)CaCO3分解出的CO2沖淡還原氣氛，影響還原效果。綜上分析，CaCO3分解造成熱能損失，又影響還原和焦炭強度。據(jù)理論計算以及實踐經(jīng)驗表明，每增加100KG石灰石，多消耗焦炭30KG左右。為消除石灰石作熔劑的不良影響，可采取以下措施：a、生產(chǎn)自熔性(特別是熔劑性)燒結礦，使高爐少加或不加熔劑，實現(xiàn)熔劑搬家;b、縮小石灰石粒度，改善石灰石爐內(nèi)分解條件，使入爐熔劑盡可能在高爐內(nèi)較高部位完成分解；c、使用生石灰代替石

6、灰石作熔劑.第二節(jié) 鐵氧化物還原的熱力學分析高爐煉鐵的主要目的，即是將鐵礦石中鐵和一些有用元素還原出來，所以還原過程是高爐冶煉最基本的物理化學反應。一、鐵氧化物還原條件在鐵礦石中，主要是含鐵氧化物，也有少量非鐵氧化物如硅、錳等氧化物。在高爐冶煉中，鐵幾乎能全部被還原，而硅、錳只能部分被還原，這主要決定于還原反應的平衡狀態(tài)，即熱力學條件；也受達到平衡狀態(tài)難易程度的影響，即動力學條件。所謂還原反應，是指利用還原劑奪取金屬氧化物中的氧，使之變?yōu)榻饘倩蛟摻饘俚牡蛢r氧化物的反應。還原反應可表示為：MeO十BMe十BO 反應得以進行，必須是還原劑B和氧的化學親和力，大于金屬Me和氧的化學親和力。 衡量金屬

7、或非金屬與氧親和力大小的尺度，可用元素與氧生成化合物時，系統(tǒng)中自由能Z變化的大小來區(qū)別。如Z負的絕對值越大，即自由能減少越多，該化合物越穩(wěn)定。自由能隨溫度不同而變化，如圖，可看出各種氧化物的生成自由能與溫度的關系。在一定溫度下，各種氧化物都有一定的生成自由能，其值愈小(即負的絕對值愈大)，該氧化物中的金屬和氧的親和力愈大此金屬愈難還原；相反，氧化物的生成自由能 愈大，該氧化物中的金屬和氧的親和力愈小，此金屬則易還原。依此，Cu、Ni比 Fe容易還原，而Mn、Si比Fe則難還原。同時，與氧親和力大的金屬，可以作為還原劑，還原與氧親和力小的金屬氧化物。例如Al就可作為還原劑還原Ti；而且生成自由能

8、越小的氧化物中的金屬，作為還原劑時其還原能力越強。隨著溫度的升高，各種氧化物的生成自由能變大，即各種元素與氧的親和力變小，則有利于元素的還原。高爐冶煉主要是以CO和C作為還原劑，還原區(qū)域的溫度一般不大于1500，在此條件下，CaO、A1203和MgO在高爐冶煉過程中不可能被還原。氧化物中的金屬(或非金屬)和氧親和力的大小，也可用氧化物的分解壓力大小來表示，即氧化物的分解壓力越小，元素和氧的親和力越大，該氧化物越穩(wěn)定。高爐內(nèi)常見氧化物的分解壓力如圖所示。由圖可知，鐵氧化物的分解壓力比其它一些氧化物大，F(xiàn)eO即比MnO和Si02易于還原。鐵的高價氧化物分解壓力更大，如Fe203在1375時的分解壓

9、力為002lMPa，在此溫度下。即使無還原劑，F(xiàn)e203也能熱分解，生成Fe3O4；而Fe3O4與FeO 的分解壓力比Fe203小得多，F(xiàn)eO要達到 3487時才能分解，高爐內(nèi)達不到這樣高的溫度，因此在高爐內(nèi)不能靠加熱分解以獲得鐵的低價氧化物直至金屬鐵，而需借助還原劑還原。 二、鐵氧化物還原順序鐵的氧化物主要以三種形態(tài)存在：Fe2O3（赤鐵礦）、Fe3O4（磁鐵礦）、FeO（浮士體）。還原順序是從高價鐵氧化物逐級還原成低價鐵氧化物，最后獲得金屬鐵。其還原順序為：Fe2O3Fe3O4FeOFe由于FeO在低于570 時是不穩(wěn)定的，所以還原情況是：當溫度大于570 時：Fe2O3Fe3O

10、4FeOFe當溫度低于570 時：Fe2O3Fe3O4Fe三、鐵氧化物的還原反應1用CO還原鐵氧化物 (1)反應特點。在實際生產(chǎn)中，CO能還原鐵的各級氧化物。當溫度大于570時，還原反應為：3Fe203十CO2Fe3O4十CO2十8870×4.1868kJ （1） 2Fe304十CO3FeO十C024990×4.1868kJ （2）FeO十COFe十CO2十3250×4.1868kJ （3）在溫度小于570時，由于FeO不能穩(wěn)定存在，F(xiàn)e304將被CO還原成金屬鐵，故反應為：3Fe203十CO = 2Fe304十C02十8870×4.1868KJ Fe3

11、04十CO3Fe十4C02十4100×4.1868kJ （4）上述諸反應的特點是：（1）從Fe2O3還原成Fe，除反應 （2） 為吸熱反應外，其余反應均為放熱反應；（2）Fe2O3分解壓力較大，可以被CO全部還原成Fe3O4；（3）除從Fe2O3還原成Fe3O4的反應為不可逆外，其余反應都是可逆的，反應進行的方向取決于氣相反應物和生成物的濃度。反應在一定溫度下達到平衡，其平衡常數(shù)KP為：KpPCO2/PCO = （%CO2）/（%CO）由于（C02）十（CO）=100%所以（CO）100/（1+Kp）f（T） 按Kp與溫度關系，上述各還原反應的平衡常數(shù)為：反應（1）：lgKp=272

12、6/T十2.144 （5）反應（2）：lgKp1645/T十1.935 （6）反應（3）：lgKp429/T1.140 （7） 反應（4）：lgKp=2462/T0.997 （8）由(5)、(6)、(7)、(8)式，可計算出反應(1)至(4)的平衡常數(shù)。據(jù)此便能算出各反應平衡氣相中CO的濃度。由于各反應的Kp不同，因而平衡氣相中%CO也不相同。(2)溫度對反應的影響。各級鐵氧化物在不同溫度下，其平衡氣相成分是不相同的。將各種溫度下的平衡常數(shù)代入(%CO)100/（1+Kp）f(T) ，便可以計算出各個反應在不同溫度下的CO%，則可作出CO%t曲線圖。 曲線1、2、3、4，分別為反應(1)、(2

13、)、(3)和(4)的平衡氣相成分曲線。在570時，曲線2、3和4相交于一點。曲線將平衡圖分成四個區(qū)域，即Fe、FeO、Fe3O4和Fe2O3的穩(wěn)定區(qū)。在曲線1以下為Fe2O3穩(wěn)定區(qū)；曲線1、2和4之間為Fe3O4穩(wěn)定區(qū)；曲線2和3之間為FeO穩(wěn)定區(qū)；曲線3和4之上為Fe的穩(wěn)定區(qū)。不在曲線上的點，表明體系處在非平衡狀態(tài)，并且反應將向著該區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定存在的物質(zhì)方向轉(zhuǎn)化。例如，將Fe放在曲線2和3之間，在570的任一溫度下，氣相組成中C02含量均大于曲線3上平衡氣相中的C02含量，或者說氣相組成CO含量均小于平衡曲線3上的CO含量，所以反應(3)將向左進行，最終Fe會被氧化成FeO。 從圖也可看出，曲

14、線1、3、4向右上方傾斜，曲線2向下斜，表明前者為放熱反應，后者為吸熱反應。同時FeO十COFe十C02反應的平衡曲線位置最高，說明它達到平衡需要的CO%量最大，所以FeO最難還原。例如900時，用C060%，C0240%的煤氣不可能將FeO還原成Fe，但這一組成的煤氣完全可以將Fe304還原成FeO。煤氣上升過程中，CO將首先在高爐中下部把FeO還原成Fe，剩余的CO在繼續(xù)上升時，再將Fe04還原成FeO，最后將Fe203還原成Fe3O4，煤氣的化學能得到很好利用。衡量高爐內(nèi)CO利用程度的指標為CO利用率，即高爐內(nèi)參加間接還原反應的CO與爐內(nèi)CO總量之比值。一般表示為：COCO2/（CO2+

15、C）×100% 式中C02、CO分別為高爐爐頂煤氣中CO2和CO的百分含量。（3）碳的氣化反應及其對還原的影響 在高爐內(nèi)進行上述各級鐵氧化物的還原反應，是在有碳素存在的情況下進行的。而碳素在較高溫度下將發(fā)生氣化反應(又稱貝一波反應，溶損反應，C02的還原反應)：C02十C2CO39500×41868kJkg分子將C的氣化反應在不同溫度下達到平衡時的氣相組成，和CO%t平衡圖繪于同一圖 上，可得出鐵氧化物、碳氧化物和碳的平衡與溫度關系圖。由于反應體系中有過剩的碳存在，最終的氣相組成，總是要達到碳的氣化反應平衡曲線上，這必然對鐵氧化物還原反應產(chǎn)生影響。碳的氣化反應平衡曲線5，與

16、曲線2交于b點，交點對應溫度Tb647。此點表示反應：Fe3O4十CO3FeO十C02與反應C02十C2CO的平衡氣相成分相等，(氣相中CO40%，C0260%)，也即Fe3O4開始還原成FeO的溫度為647。當溫度低于647時，F(xiàn)e304不可能還原成FeO。因為在低于647的任一溫度下，碳的氣化反應平衡曲線，位于反應Fe3O4十4CO3Fe十4C02及反應Fe3O4十CO3FeO十C02平衡曲線之下，即氣相中CO的含量低于這二個反應平衡時的CO含量，F(xiàn)e或FeO都將被氧化成Fe3O4。曲線5與曲線3相交于a點，此交點相應的溫度為685。此點表示反應FeO十COFe十C02與C02十C2CO的

17、平衡氣相成分相等，(CO59%，C0241%)也即FeO開始還原成Fe的溫度是685。同上分析，在高于685時，F(xiàn)e3O4或FeO都將被還原成Fe。如上分析，雖然鐵氧化物還原的熱力學條件與高爐實際不盡相同，但通過氣相平衡分析，可以查出在一定溫度下平衡氣相中CO/C02比值，這樣就可求出還原鐵氧化物時，CO還原劑的需要量，這對計算理論碳素消耗是不可缺少的，同時，也是理論分析的重要依據(jù)。2用固體碳還原鐵氧化物反應特點：高爐內(nèi)有過剩的固體碳存在，鐵的各級氧化物也可被固體碳進行還原，而且也是按逐級還原程序進行，即：溫度大于570時：3Fe203十C2Fe3O4十CO26300×41868kJ

18、 Fe3O4十C = 3FeO十CO44590×41868kJ FeO十CFe十CO36350×41868kJ 溫度小于570時：Fe304十4C3Fe十4CO153640×41868kJ 上述反應有兩個特點：(1)都是吸熱反應，并直接消耗焦炭中的固定碳；(2)反應是不可逆的。由于碳與鐵氧化物進行固相反應，接觸面很小；而且在鐵氧化物表面已被還原時，固體C也難以滲透擴散到礦石中心去進行還原。因此，碳與鐵氧化物相互作用，在高爐內(nèi)受到很大限制。事實上在高溫下，C對鐵氧化物還原，主要通過以下兩步進行： FeO十CO=Fe十CO2十3250×4.1868kJ+CO

19、2十C2CO29600×4.1868KJFeO十C=Fe十CO36350×4.1868kJ所以固體碳還原鐵氧化物反應，只表示最終結果，反應的實質(zhì)仍是CO在起作用，最終消耗的是碳素。 反應FeO十CFe十CO的進行，決定于C02十C2CO反應的速度 。實驗指出：C02與C作用達到平衡，其速度是很慢的。650C時，大約需要12h；800C時需要9h；溫度愈低，用固體碳進行還原愈難。由于高爐內(nèi)煤氣流速很高，在溫度大于700730時，C02十C2CO反應有可能達到平衡，即FeO可用C進行還原。但因碳的氣化反應速度很慢，C還原FeO的作用很小。只有在800850時，F(xiàn)eO被C還原才較

20、明顯；激烈地進行反應則在1100以上。用固體碳進行還原，還受C反應性的影響.當C的反應性增加時，C的還原能力提高。此外，高爐內(nèi)在400600區(qū)間，CO在鐵氧化物和海綿鐵等接觸劑作用下，將被分解 并沉積出C黑；2COCO2十C；析出的 C顆粒極細又很活潑，它附在礦石表面和沉積在礦石氣孔中，在540時能還原氧化鐵： 2COCO2十C十39600×4.1868KJ+C十FeOFe十CO36350×4.1868KJFeO十COFe十C02十3250×4.1868kJ不難發(fā)現(xiàn)，碳黑也只是參與反應，實際消耗的還原劑仍是CO；而且碳黑的還原速度極低，故影響很小。但C的沉積對高爐

21、襯磚卻起破壞作用。高爐內(nèi)C的還原作用，還表現(xiàn)在與液體渣中FeO的作用，以及渣鐵界面上渣中FeO和鐵水中的C作用：(FeO)十C焦Fe十CO(FeO)十Fe3C4Fe十CO 上述反應的進行，減少了鐵在碴中的損失?？偟恼f來，固體碳對鐵氧化物的還原作用方式多樣，但主要是通過C02十C2CO反應進行的；直接進行反應的條件受限，數(shù)量不大。3用H2還原鐵氧化物高爐在不噴吹燃料條件下，煤氣中H2量一般在1.82.5范圍內(nèi)，主要是鼓風中水分被C還原產(chǎn)生的。在噴吹煤粉、天然氣等燃料時，煤氣中H2濃度顯著增加。H2和氧的親和力很強，可奪取鐵氧化物中的氧而作為還原劑。（1）還原反應的特點：用H2還原鐵氧化物，仍然遵

22、守逐級還原規(guī)律：當溫度大于570時3Fe203十H2Fe3O4十H20十5210×4.1868kJ Fe304十H23FeO十H2O15190×4.1868KJ FeO十H2=Fe十H206620×4.1868KJ 當溫度小于570時2Fe203十H2=2Fe304十H2O十5210×4.1868kJFe3O4十4H2=3FeO十4H2035050×4.1868kJ 反應的平衡常數(shù)為：Kp=PH2O/PH2 %H2O/%H2因為%H2O十H2100%所以%H2100/1+Kpf(T) 根據(jù)H2還原鐵的各級氧化物的Kpf(T)關系，同樣可得到下圖

23、： 用H2還原鐵氧化物的特點是：反應的氣相產(chǎn)物都是H20；各反應中唯3Fe203十H2 2Fe304十H20是不可逆反應，放熱；其余各反應皆是可逆反應，吸熱。從H2%t平衡圖可以得到：圖中1、2、3、4條曲線分別表示H2的四個反應。H2%t平衡圖，也和CO%t平衡圖一樣，四條平衡曲線區(qū)分出不同的穩(wěn)定區(qū)。高于570時，平衡圖也分為Fe3O4、FeO和Fe三個穩(wěn)定存在區(qū)；小于570分為Fe304和Fe的穩(wěn)定存在區(qū)。如將CO%t平衡圖和H2%t平衡圖合并一起，便能看出用CO和H2作還原劑的明顯區(qū)別：由于H2的還原反應都是吸熱反應，因此隨溫度升高，平衡氣相中H2O含量增加， H2含量降低。這不同于用C

24、O進行還原；用CO和H2還原Fe304與FeO的平衡曲線，都相交于810， 當溫度小于810時，PH2O/PH2PCO2/PCO當溫度等于810時，PH2O/PH2=PCO2/PCO當溫度大于810時，PH2O/PH2PCO2/PCO這一特點說明H2的還原能力，隨著溫度的升高而不斷提高。在溫度大于810時，H2的還原能力比CO強；溫度小于810時，CO的還原能力則比H2強。高爐冶煉條件下，用H2還原鐵氧化物，還可促進CO及C還原鐵氧化反應的加速進行。在低溫區(qū)，H2還原反應生成的H20蒸汽，可與CO作用： FeO十H2Fe十H20一6620×41868kJ+ H2O十COH2十C02十

25、9870×41868kJ FeO十COFe十CO2十3250×41868Kj在高溫區(qū)，H2還原反應生成的H2O蒸汽，可與C作用： FeO十H2Fe十H206620×4，1868kJ + H2O十CH2十CO29730×41868KJ FeO十CFe十CO26350×41868KJ由以上反應可以看出，H2參加反應只起著傳輸媒介作用，而最終消耗的還原劑是CO和C。 反應H2O十COH2十C02十9870×41868kJ為水煤氣反應，該反應是可逆的。當溫度大于810時，反應向左進行；溫度小于810時，反應向右進行。（2）氫參加還原對碳素消耗

26、的影響氫還原降低了碳素消耗。高爐噴吹燃料后，尤其是HC高的燃料， H2含量大大提高。燃料中H/C比愈高，生成的煤氣含H2愈高。煤氣中H2濃度增加，促進了H2還原的發(fā)展。H2參加還原既減少了CO、C的消耗，又改善了CO和C的還原條件。椐生產(chǎn)實踐統(tǒng)計，在入爐的總H2中，約有3050%的H2參加還原，余下的H2則隨煤氣逸出爐外。參加還原的H2主要是在高溫區(qū)內(nèi)，約占爐內(nèi)參加還原H2量的85100%，而直接代替碳花園的H2 又占H2量的80%以上，其余代替CO還原。H2還原節(jié)約了熱量消耗。從FeO十CFe十CO26350×4.1868KJ 和 FeO十H2Fe十H206620×4.1

27、868kJ，二個反應可以得出，還原FeO時一公斤的H2不僅可代替6公斤的碳，而且還原等量的鐵所需熱量僅為碳還原的六分之一，從而大大減少了高爐下部熱量消耗。從動力學分析，H2和H2O比CO和CO2的擴散能力強，H2的存在促進了還原過程和傳熱過程，有利于煤氣能的利用。氫利用率H2 : H2是指高爐內(nèi)參加還原反應的H2量與入爐總H2量之比值，表示高爐內(nèi)H2的利用程度。H2的計算公式如下： H2=H2還/H2總×100% =1V煤氣（H2煤氣+2CH4煤氣）/H2總× 2/22.4 ×100% 式中， V煤氣冶煉一噸生鐵的煤氣量，m3/t； H2煤氣、2CH4煤氣爐頂煤氣

28、中H2、CH4的百分含量，%； H2總入爐總H2量，kg/t。H2在高爐內(nèi)的利用率隨生產(chǎn)條件不同而異，無噴吹高爐H2利用率只有1/3，隨H2含量的增加， H2利用率也增加，但到一定程度后，再增加就不明顯，有時反而降低。第三節(jié) 鐵的直接還原和間接還原一、基本概念間接還原：凡是用CO（H2）作還原劑，其氣相產(chǎn)物為CO2（H2O）的還原反應。特點：主要為放熱反應，消耗的還原劑多熱量少。直接還原：凡是用C作還原劑，其氣相產(chǎn)物為CO 的還原反應。特點：吸熱反應，需要的還原劑少但需消耗大量熱量。二、高爐內(nèi)直接還原和間接還原的分布高爐內(nèi)進行直接還原或間接還原，取決于焦炭反應性的高低，和沿高爐高度上的溫度分布

29、。焦炭反應性好，直接還原可在較低溫度下進行，間接還原區(qū)就相對縮??；高爐高溫區(qū)高，直接還原發(fā)生區(qū)域擴大，間接還原區(qū)也相對縮小。反之，則相反。間接還原從爐料加入高爐內(nèi)就開始進行，隨著爐料下降，溫度升高，間接還原也愈發(fā)展，直到1100或更高溫度區(qū)域，反應C02十C2CO激烈進行，使氣相中CO2全部消失，則間接還原才終止；而直接還原則從碳的氣化反應開始(約800)，直到1100以上的高溫區(qū)域才激烈進行，最終在爐缸內(nèi)結束。高爐直接和間接還原區(qū)，如圖所示。在溫度低于800的區(qū)域內(nèi)，幾乎全屬間接還原區(qū)；8001100的區(qū)域內(nèi)，為間接還原與直接還原同時并存區(qū)；高于1100（或更高溫度）的區(qū)域內(nèi)幾乎全為直接還原

30、區(qū)。總之，直接還原與間接還原區(qū)的分布，從實質(zhì)上看主要決定于碳的氣化反應開始和終結的區(qū)域，該反應開始進行的部位愈低，間接還原的區(qū)間就愈大；反之，則間接還原區(qū)間則縮小。風溫水平高，煤氣分布合理，都有利于擴大間接還原區(qū)。三、直接還原度及其計算直接還原度是評價直接還原發(fā)展程度的指標。直接還原度愈高，直接還原愈發(fā)展，高爐燃料消耗愈高。直接還原度包括兩個概念，即高爐直接還原度和鐵的直接還原度。在高爐冶煉過程中，除鐵的氧化物被還原外，還有其他元素的氧化物被還原(如Si、Mn、P等的氧化物)。這些元素的還原也主要是直接還原，如SiO2十2CSi十2COQ，MnO十CMn十COQ，P2O5十5C2P十5COQ等

31、。反應的共同點是吸熱，消耗C，生成CO等。 此外，碳的氣化反應，C和H20的反應，在本質(zhì)上都同鐵的直接還原相似，如發(fā)生在高溫區(qū)，吸熱，消耗了碳素而導至焦比升高等。因此，把衡量包括上述反應在內(nèi)的所有直接還原綜合發(fā)展程度的指標，稱為高爐直接還原度。而僅限于評價鐵氧化物直接還原發(fā)展程度的指標，則稱為鐵的直接還原度。在實際生產(chǎn)中，較少使用高爐直接還原度，得到廣泛應用的是鐵的直接還原度。1鐵的直接還原度rd。即將高級鐵氧化物還原成低級鐵氧化物，全部作為間接還原；而直接還原則認為從FeO還原開始。因此，rd的定義是：由FeO直接還原的鐵量與全部鐵量之比，即： rd =Fe直/（Fe生鐵Fe料） 式中：Fe

32、直從FeO中直接還原的鐵量，kg/t； Fe生鐵、Fe料分別為生鐵中的鐵元素量和爐料帶入的金屬鐵量，kg/t。2、鐵的直接還原度rd的計算。從前面已知，從FeO還原成鐵（Fe還），其途徑可由C直接還原（Fecd）、CO 間接還原（FeCO）和H2還原（FeH2）而來。由此可得： Fe還= Fecd+ FeCO+ FeH2用rd、rCO、rH2分別表示鐵的直接還原度、CO的間接還原度和氫還原度，則rd=1rCO rH2=1FeCO/ Fe還FeH2/Fe還= Fecd/ Fe還（1）rCO的計算四、直接還原與間接還原比較高爐冶煉中，降低碳耗一直是人們最關心的問題。法國冶金學家格留涅爾從直接還原耗

33、熱，間接還原放熱的觀點出發(fā)，認為100的間接還原是高爐的理想行程。而英國冶金學家克利門茨則從直接還原少耗還原劑、間接還原要多耗還原劑出發(fā)，又認為100直接還原是高爐的理想行程。前者只注意到間接還原時碳的熱能利用，但忽視了化學能的消耗；相反，后者又只注意了碳的化學能利用，忽視了熱能的消耗。因此，結論都難免失之偏頗。事實上焦炭燃燒既發(fā)熱，又提供還原劑，而要完成冶煉過程，熱能和化學能的消耗，或者說直接還原和間接還原的發(fā)展，在一定的冶煉條件下，有一個合適的比值，在此比值下，高爐冶煉需要的熱能和化學能都能得到滿足，從而可望獲得最小的燃料消耗，這也就是最合適的高爐行程。1還原耗C量計算（1）CO間接還原消

34、耗C量：用CO還原鐵氧化物時，要保證還原反應能正向進行，必須有過量的CO以維持平衡時的CO2/CO比值。以FeO還原來講：FeO+n1CO=Fe+CO2+（n11）CO上式中，n1稱為過量系數(shù)，在平衡條件下：KP1=%CO2/%CO=1/（n11）因此，n1=1+1/KP1 n1隨溫度不同而變化，在630時，n1=2.33。即在630 的平衡條件下，還原1kg分子Fe，需2.33kg分子CO。由此，從FeO中還原出1kg鐵需C量為：n1×12/56=0.214n1=0.214×2.33=0.4986kg為了保證間接還原的進行，還原FeO后的氣體產(chǎn)物CO2+（n11）CO，在

35、上升過程中，必須滿足Fe3O4還原成FeO所需的還原劑量，即：1/3Fe3O4+ CO2+（n11）CO=FeO+4/3CO2+（n14/3）CO同理可得：n2=4/3（1/KP2+1）上式中n2表示還原Fe3O4的過量系數(shù)，注意與還原FeO過量系數(shù)n1的區(qū)別。當n1=n2 時，F(xiàn)e3O4與FeO的還原耗C量均可得到滿足。按FeOC體系平衡氣相組成與溫度的關系，可求出鐵氧化物間接還原所需的過量還原劑量n1、n2（見下表與圖）從以上圖表可知，要滿足二個反應所需的還原劑量，還原劑過量系數(shù)n應取n1、n2中的較大值。當溫度為630時，對應n1=n2=2.33，此時為還原劑的最小消耗量。當n確定后，就

36、可按下式計算CO間接還原耗C量：Ci=12/56n（1rd）×（F生Fe料）當n=2.33時的間接還原最低耗C量為：Ci=12/56×2.33（1rd）×（F生Fe料） =0.4986（1rd）×（F生Fe料）（2）直接還原耗C量Cd：由反應FeO+C=Fe=CO 可得：Cd=12/56rdFe還=0.214rd×（Fe生Fe料）2作為發(fā)熱劑的C耗C熱：從高爐熱平衡可推導出作為發(fā)熱劑的C耗C熱為：從上式可知，當冶煉條件一定時，作為發(fā)熱劑的碳素消耗量與直接還原度rd成正比，rd越高，消耗的碳素越多。3、降低C耗分析。從以上比較可以看出，直接還原和

37、間接還原各有其特點，還原出相同數(shù)量的鐵，以消耗還原劑論，間接還原耗碳多于直接還原；從熱效應看，直接還原又比間接還原多耗熱(碳)。在什么情況下，可以獲得最低的碳素消耗，即是以下討論的中心問題。在一定冶煉條件下，由Ci、Cd和C熱計算式，可以計算出全部間接還原、直接還原的碳耗，以及作為發(fā)熱劑的碳耗總量，據(jù)此，可繪出直接還原度和碳素消耗關系圖。橫坐標表示直接還原度rd，而間接還原度ri1rd，rd十ri1(100)若考慮H2還原時，應扣除rH2?？v坐標表示碳素消耗，以AOBF和CBGE線段分別表示間接還原和直接還原的碳素消耗，MOK線表示作為發(fā)熱劑的碳素消耗。EF線以下為溶解于生鐵和生成甲烷的碳量，

38、這部分碳量基本上保持不變。從圖可作出如下分析：（1）作為還原劑的碳耗。直接還原與間接還原的碳素消耗線交于B點，在B點右側，作為還原劑耗碳為BC線，是直接還原消耗的碳，在反應時生成的CO能滿足間接還原需要；在B點左側，還原劑耗碳為AOB 線，如在O點對應的還原劑耗碳為OI，其中直接還原耗碳為GI，間接還原耗碳為OG。總的還原劑碳耗為AOBC線。此時B點的還原劑碳耗即為最低碳耗；而對應的rd即為碳素消耗最低時的直接還原度。（2）同時滿足還原和發(fā)熱時的碳耗。高爐內(nèi)碳素消耗不僅滿足還原需要，也要滿足發(fā)熱需要。因此，總碳耗沿AOK線變化，低于此線的碳素消耗不能完成冶煉過程。O點右側，OK線以下表示供熱不

39、足；O點左側A0線以下，還原劑碳素不足。O點為理論最低碳素消耗點，對應的直接還原度為適宜的直接還原度rd。（3）熱量消耗對rd影響。熱量消耗MOK線隨單位生鐵耗熱多少而變動。當熱量消耗增多時，MOK線上移，熱量消耗減少時，則MOK線下移。而MOK線上移時，rd向左挪動，若移到AD線的A點，則rdO，即為100%間接還原，這時，碳耗為該條件下最低的，但仍然是很高的。當MOK線下移到MOK線時，rd增加，但碳耗卻下降。因此，適宜的直接還原度升高或降低，并不能說明碳素消耗的升高或降低，它還受到熱量消耗的影響。目前，高爐生產(chǎn)實際的直接還原度，大于適宜的直接還原度rd，在這種情況下，高爐焦比主要取決于熱

40、量消耗一一嚴格地說取決于熱量消耗的碳素與直接還原所耗碳素之和，而不決定于間接還原的碳素消耗量。因此，一切降低熱量消耗的措施均能降低焦比。同時，由于rdrd，所以高爐工作者奮斗目標仍然是降低rd，這是當前降低焦比的重要內(nèi)容。降低直接還原度，包括改善CO和H2的還原作用，主要措施有：改善礦石的還原性，控制高爐煤氣的合理分布，采用綜合噴吹技術，(如富氧、高風溫與噴吹燃料配合)，噴吹高溫還原性氣體等。降低熱量消耗的主要措施有：提高風溫、提高礦石品位，降低焦炭灰分，減少渣量，使用熔劑性燒結礦、球團礦、基本做到高爐內(nèi)不加或少加石灰石，增加生鐵產(chǎn)量以減少單位生鐵熱量損失，采用合適的冷卻制度，降低休風率等。第

41、四節(jié) 非鐵元素的還原一般生鐵中除含F(xiàn)e、C外還含有少量Si、Mn及S、P等，如冶煉復合礦石，還涉及V、Ti、Zn、Pb、Cu、Ni、Co等元素的還原。因此，了解非鐵元素在高爐冶煉條件下的還原過程是非常必要的。根據(jù)氧化物生成自由能大小，可以看出在高爐冶煉條件下，銅、砷、鈷、鎳等元素極易還原，而錳、硅、釩、鈦等元素則較難還原。一、錳的還原高爐內(nèi)錳的還原，也是從高價氧化物逐級還原到低級氧化物，即： MnO2Mn 2O3Mn 3O4MnOMn從MnO2到MnO的還原在高爐內(nèi)很容易被CO或H2還原MnO是相當穩(wěn)定的，高爐內(nèi)只能在高溫下由直接還原進行，同時吸收大量熱量。 MnO+C=Mn+CO68640&

42、#215;4.18kJ從MnO直接還原出1kgMn要比直接還原1kg鐵多消耗約一倍的熱量，所以高溫是錳還原的重要條件。但高溫下錳易揮發(fā)，在高爐上部又被氧化成Mn3O4后隨煤氣逸出。在冶煉煉鋼生鐵時，Mn有510%被煤氣帶出，4060%進入生鐵，其余進入爐渣。由于煉鋼技術的進步，在冶煉煉鋼生鐵是無需加錳礦。用高爐冶煉錳鐵或鏡鐵時，為提高錳的回收率，要做到以下：1.要求錳礦含Mn高，含F(xiàn)e低，S、P和SiO2等要少；2.高風溫、高富氧；3.合適的造渣制度，要有較高的堿度和適當高的Al2O3含量。二、硅的還原脈石和焦炭灰分中的SiO2是相當穩(wěn)定的化合物，在高爐內(nèi)只有少量SiO2高溫下被C直接還原成硅

43、。 SiO2+2C=Si+2CO150090×4.18kJ還原1kg硅是還原1kg鐵所需熱量的8倍多，是還原1kg錳的4倍多。因此，硅的還原是相當困難的，而且需要消耗大量熱量。研究表明，硅的還原也存在逐級進行： SiO2SiOSi還原出來的中間產(chǎn)物SiO極易揮發(fā)，在1890時其蒸汽壓可達98066.5Pa，改善了和C的接觸條件，有利于硅的 還原。高爐內(nèi)硅還原途徑之一：在風口帶焦炭灰分中的SiO2與焦炭中C反應生成SiO，SiO隨煤氣上升過程中被鐵液吸收并與C反應生成Si： SiO2+C焦=SiOg+CO SiOg+C=Si+CO SiO2+2C=Si+2CO氣態(tài)SiO隨煤氣上升，與C

44、反應的動力學條件很好，這是高爐內(nèi)Si還原的主要途徑。未被還原的SiO被煤氣帶到高爐上部，被CO2重新氧化，凝結為SiO2微粒，隨爐料下降或隨煤氣逸出爐外。部分SiO沉積在爐料孔隙之間，惡化爐料透氣性，嚴重時會導致爐料難行甚至結瘤。硅還原的途徑之二：從液態(tài)渣中直接還原出Si： （SiO2）+2C=Si+2CO該反應可能發(fā)生在渣鐵之間或渣焦之間進行，與途徑一比較反應速度要慢得多。在高爐冶煉條件下由于Fe的存在，F(xiàn)e與Si能形成穩(wěn)定化合物FeSi并放出大量熱量，從而改善了硅的還原。（SiO2）+Fe+2C=FeSi+2CO132490×4.18KJ高爐解體研究表明，在爐料熔化之前，硅在鐵中的含量極低，到爐腹處硅含量達到最大，通過風口帶后硅含量又降低。（見圖）冶煉不同品種的生鐵，對硅的含量有不同的要求。因此研究加快及控制硅的還原條件對高爐生產(chǎn)具有重要意義。高爐冶煉條件下既能冶煉煉鋼生鐵（要求硅含量低為好）和鑄造生鐵（硅含量1.254.0%） ，也能冶煉含硅量小于20%的低硅合