煉鐵篇-3 高爐煉鐵基礎(chǔ)理論

3.1.1鐵氧化物的還原冶金還原反應(yīng)就是用還原劑奪取金屬氧化物中的氧，使之還原成為金屬單質(zhì)或其低價(jià)氧化物的過(guò)程。對(duì)金屬氧化物的還原反應(yīng)可按下面通式表示：式中：MeO、Me——分別表示金屬氧化物及其還原得到的金屬；

B——表示還原劑；

BO——還原及奪取金屬氧化物中的氧而被氧化得到的產(chǎn)物3.1.1.1鐵氧化物還原的一般規(guī)律鐵氧化物的還原順序

t>570℃Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe

t<570℃Fe2O3→Fe3O4→Fe

t<570℃時(shí)，F(xiàn)eO不能穩(wěn)定存在，在低溫下分解：FeO→Fe3O4+αFe3.1高爐內(nèi)的還原過(guò)程鐵礦石從高價(jià)往低價(jià)逐級(jí)還原，當(dāng)一顆鐵礦石還原到一定程度后，外部形成了多孔的還原產(chǎn)物-鐵殼層，而內(nèi)部尚有一個(gè)未反應(yīng)核心。隨著反應(yīng)的推進(jìn)，這個(gè)核心逐漸縮小，直至完全消失。塊礦還原過(guò)程反應(yīng)主要由三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成：（1）外擴(kuò)散；（2）內(nèi)擴(kuò)散；（3）反應(yīng)界面的化學(xué)反應(yīng)。低、中溫區(qū)的還原反應(yīng)稱為間接還原，高溫區(qū)稱為直接還原。間接還原：用CO作還原劑的反應(yīng)主要在高爐內(nèi)小于800℃的區(qū)域進(jìn)行。用H2作還原劑的反應(yīng)主要在高爐內(nèi)800～1100℃的區(qū)域進(jìn)行。直接反應(yīng)：高溫與固體碳反應(yīng)。鐵礦石還原機(jī)理用CO作還原劑，t>570℃

3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2

;Fe3O4+CO=3FeO+CO2;

FeO+CO=Fe+CO2

用CO作還原劑，t<570℃

3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2

1/4Fe3O4+CO=3/4Fe+CO2

用H2作還原劑，t>570℃

3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2O;Fe3O4+H2=3FeO+H2O;

FeO+H2=Fe+H2O用H2作還原劑，t<570℃

3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2O;1/4Fe3O4+H2=3/4Fe+H2O高溫下表現(xiàn)為用固體碳還原氧化鐵——直接還原反應(yīng)

FeO+CO=Fe+CO2；CO2+C=2CO；FeO+C=Fe+CO3.1.1.2鐵氧化物還原的基本反應(yīng)間接還原生成的CO2是否與碳發(fā)生氣化反應(yīng)：如果生成的CO2不與C反應(yīng)，則此還原反應(yīng)稱間接還原反應(yīng)；如果生成的CO2與C反應(yīng)，則此還原反應(yīng)稱直接還原反應(yīng)。鐵礦石發(fā)生直接還原還是間接還原，決定于碳?xì)饣磻?yīng)的溫度，即

CO2+C=2CO的溫度。

在高爐內(nèi)由于煤氣流速很高，煤氣在高爐內(nèi)只停留幾秒鐘，碳?xì)饣磻?yīng)不能達(dá)到平衡，只有在：

750℃左右碳?xì)饣磻?yīng)才開始；

900~1000℃時(shí)反應(yīng)以較快速度進(jìn)行；

>1000℃高爐煤氣中幾乎不存在CO2。因此，在高爐內(nèi)：

750~800℃開始出現(xiàn)鐵的直接還原；

900~1000℃直接還原明顯進(jìn)行；

>1000℃全部進(jìn)行直接還原。3.1.1.2直接還原與間接還原3.1.2.1硅酸鐵的還原高爐內(nèi)的硅酸鐵主要來(lái)自高FeO的燒結(jié)礦以及高爐冶煉過(guò)程中被還原的FeO與SiO2作用生成的硅酸鐵。硅酸鐵難還原，它在爐缸內(nèi)進(jìn)行直接還原需要消耗大量的熱量，使?fàn)t缸溫度下降，甚至造成爐涼。其反應(yīng)過(guò)程為：

Fe2SiO4=2FeO+SiO2FeO+CO=Fe+CO2CO2+C=COFe2SiO4+2C=2Fe+2SiO2+2CO

高爐內(nèi)有CaO存在，它可以把硅酸鐵中的FeO置換成自由態(tài)并放出熱量，因而有利于硅酸鐵的還原，反應(yīng)為：

Fe2SiO4+2CaO=Ca2SiO4+2FeOFeO+C=Fe+COFe2SiO4+2CaO+2C=Ca2SiO4+2Fe+2CO措施：減少硅酸鐵入爐3.1.2其他元素還原3.1.2.2錳的還原Mn在鐵礦石中的存在方式：天然塊礦中MnO2、Mn2O3，燒結(jié)和球團(tuán)礦中MnO。錳氧化物還原與鐵氧化物類似，也是從高價(jià)到低價(jià)逐級(jí)還原的過(guò)程，以下是氧化錳的還原順序：

MnO2→MnO全部是用CO或H2間接還原反應(yīng)得到。

2MnO2+CO=Mn2O3+CO2+54180kcal(不可逆)

3Mn2O3+CO=3Mn3O4+CO2+40660kcal(不可逆)

Mn3O4+CO=3MnO+CO2+12400kcal(可逆)

MnO+C=Mn+CO–68640kcal(可逆)

Mn—O親和力＞＞Fe—O親和力，因此MnO比FeO難還原得多。高爐冶煉錳鐵有利措施：

（1）選擇正確原料：礦石含錳要高，含鐵、SiO2要低，這樣才能煉出高牌號(hào)（Mn>70%）的錳鐵；

（2）高風(fēng)溫和富氧鼓風(fēng)：由于錳還原耗熱量大，其焦比比冶煉普通生鐵高1.5~2倍，甚至更高。提高風(fēng)溫可以降低焦比，而且使高爐下部熱量充足，有利于錳還原。

（3）選擇合理的造渣制度：煉錳鐵時(shí)爐渣中含（MnO）=8~13%，有時(shí)高達(dá)20%，為提高錳收得率，應(yīng)降低渣量；提高回收率的另一途徑是提高爐渣堿度至1.25~1.5，減少渣中（MnO）量。

（4）足夠的爐缸溫度，減少錳的揮發(fā)。

3.1.2.2錳的還原3.1.2.2硅的還原SiO2是很穩(wěn)定的化合物，在2000℃以下SiO2不能被CO或H2還原，因此SiO2比MnO難還原得多。在高爐中，Si是由爐渣中的（SiO2）被焦炭直接還原產(chǎn)生：

（SiO2）+2C=[Si]+2CO上述反應(yīng)在1534℃才開始，還原1kgSi需消耗5360kcal，相當(dāng)于還原1kgFe消耗熱量（651kcal/kgFe）的8.2倍。因此，在高爐中只有少量的硅被還原出來(lái)。溫度越高，還原硅的量也就越多。高爐操作時(shí)往往用鐵水含硅量高低來(lái)代表爐溫水平的高低。

硅還原的特點(diǎn)：1）大量吸熱；2）逐級(jí)還原。t>1500℃，SiO2→SiO→Si；t<1500℃，SiO2→Si

硅還原的基本條件1）高的爐缸溫度和充足的熱儲(chǔ)備

生產(chǎn)實(shí)踐統(tǒng)計(jì)指出，爐缸溫度愈高，則生鐵含硅量愈高，代表被還原的硅愈多。爐渣溫度與含硅量基本是呈直線關(guān)系。

2）降低爐渣堿度

高堿度爐渣會(huì)降低了SiO2在渣中的活度，不利于Si還原。采用酸性渣操作，可以增大SiO2活度，促進(jìn)硅的還原。一般冶煉鑄造生鐵時(shí)的爐渣堿度比冶煉煉鋼生鐵時(shí)低0.05~0.1。3.1.2.2硅的還原磷酸鐵（藍(lán)鐵礦）：3FeO·P2O5·8H2O

磷酸鈣（磷石灰）：3CaO·P2O5

磷酸鐵比較容易還原，磷酸鐵脫水后，900℃用CO或700℃用H2就能還原出P，到1100~1300℃時(shí)，還原進(jìn)行很完全：

2Fe3(PO4)2+16H2=3Fe2P+P+16H2Ot>700℃2Fe3(PO4)2+16CO=3Fe2P+P+16COt>900℃

磷酸鈣是很穩(wěn)定的化合物，它在高爐內(nèi)首先進(jìn)入爐渣，被渣中的SiO2置換出P2O5，再被直接還原：

2Ca3(PO4)2+3SiO2=3Ca2SiO4+2P2O5

2P2O5+10C=4P+10CO2Ca3(PO4)2+3SiO2+10C=3Ca2SiO4+4P+10CO

3.1.2.4磷的還原還原1kgP需吸熱5471kcal/kg熱量（與還原1kgSi的吸熱量相近）。但在高爐條件下，磷的還原十分有利，能全部被還原進(jìn)入鐵水。（1）礦石中含磷量一般不高，對(duì)爐缸溫度影響不大；（2）爐內(nèi)有大量的碳，渣中有過(guò)量的SiO2，P可以溶解在鐵中。由于磷能全部還原進(jìn)入生鐵中，因此必須規(guī)定礦石的磷含量：

煉鋼生鐵1級(jí)P≤0.15%

鑄造生鐵1級(jí)P≤0.06%3.1.2.4磷的還原直接還原與間接還原比較1）直接還原度(Rd)間接還原度(Ri)

Rd＋Ri=1Rd包括鐵、硅、錳、磷以及其他一切形式的直接還原，在實(shí)際生產(chǎn)中，通常只計(jì)算鐵的直接還原度rdrd=1，稱高爐全部直接還原行程；rd=0，稱高爐全部間接還原行程。

2）比較①?gòu)倪€原反應(yīng)碳素消耗來(lái)看

直接還原反應(yīng)是不可逆反應(yīng)：FeO+C=Fe+CO，還原出1kmolFe（56kg），需要消耗1kmol（12kgC）；間接還原反應(yīng)是可逆反應(yīng)：FeO+nCO?Fe+CO2+(n-1)CO，還原出1kmolFe（56kg），需要消耗nkmolC（12nkgC）

結(jié)論：從碳消耗看，發(fā)展直接還原有利。3.1.3直接還原與間接還原②從熱量消耗來(lái)看

直接還原：FeO+C=Fe+CO–147763kJ/56kgFe間接還原：FeO+CO=Fe+CO2+22781kJ/56kgFe

結(jié)論：從熱量消耗看，發(fā)展間接還原有利綜合考慮兩方面因素對(duì)焦比的影響，理論計(jì)算認(rèn)為，當(dāng)rd=0.2~0.3時(shí)，高爐能獲得最低焦比。

目前實(shí)際rd=0.4~0.7，即決定于高爐的熱量消耗。因此，目前高爐節(jié)焦的方向：

①降低直接還原度rd↓：提高礦石還原性、縮小礦石粒度、爐料順行；增加噴煤（H2）；

②減少熱量消耗Q↓：提高礦石品位、降低焦炭灰份、[Si]↓；

③提高風(fēng)溫（風(fēng)溫↑—焦比↓—S、渣量↓）3.1.3直接還原與間接還原生鐵的生成：滲碳和已還原的元素進(jìn)入生鐵中，得到含F(xiàn)e、C、Si、Mn、P、S等元素的生鐵滲碳過(guò)程：1）海綿鐵滲碳（CO在低溫下析出的炭黑滲碳）吸附在海綿鐵上的CO分解析出碳黑，析出的碳黑向海綿鐵內(nèi)部擴(kuò)散，使海綿鐵滲碳。滲碳量占1.5%。2）液態(tài)生鐵滲碳（從軟融帶到滴落帶）礦石進(jìn)入軟融帶后，已經(jīng)形成的海綿鐵軟化滴落形成鐵滴，鐵滴在滴落的過(guò)程中與焦炭直接接觸導(dǎo)致滲碳。由于液體狀態(tài)下鐵滴與焦炭接觸條件得到改善，加快了滲碳過(guò)程，到爐腹時(shí)金屬鐵中已含有4%左右的碳了，這與最終生鐵的含碳量差不多，因此液態(tài)生鐵滲碳是生鐵碳的主要階段。3）爐缸內(nèi)滲碳這一階段只進(jìn)行少量滲碳，滲碳量一般不超過(guò)0.1~0.5%。3.2滲碳和生鐵的形成3.3.1造渣的目的和作用造渣：造渣就是加入熔劑同脈石和灰分相互作用，并將不進(jìn)入生鐵的物質(zhì)熔解、匯集成渣的過(guò)程。高爐造渣的基本任務(wù)：調(diào)整好爐渣中堿性成分和酸性成分的比例，（1）爐渣具有較低的熔點(diǎn)和良好的流動(dòng)性，能順利從渣、鐵口流出；（2）使?fàn)t渣具有一定的脫硫能力，并能在一定程度上控制Si、Mn、K、Na還原。

3.3造渣與脫硫造渣物之間的固相反應(yīng)→礦石軟化和熔融→初渣滴落→中間渣→終渣

初渣生成：1）固相反應(yīng)；2）礦石軟化；

3）初渣

中間渣：在風(fēng)口水平以上、軟熔帶以下正在滴落過(guò)程中的爐腹渣，其成分和物化性質(zhì)都在不斷變化中。正常冶煉時(shí)，由于溫度不斷升高，中間渣的流動(dòng)性逐漸變好。但當(dāng)高爐操作不穩(wěn)定時(shí)，中間渣容易凍結(jié)，造成下部懸料。終渣：進(jìn)入爐缸的熔渣最終完成脫硫、還原，并吸收全部焦炭灰份形成終渣。一般所說(shuō)的高爐渣系指終渣，終渣對(duì)控制生鐵成分，保證生鐵質(zhì)量有重要影響。

3.3.2高爐造渣過(guò)程3.3.3高爐渣對(duì)冶煉的影響3.3.3.1高爐渣的組成①礦石中的脈石：主要是酸性的SiO2和Al2O3，少量的堿性成分CaO和MgO②焦炭灰分：主要是酸性的SiO2(占50%左右)和Al2O3。③熔劑：石灰石、白云石分解出的CaO和MgO3.3.3.2爐渣堿度及其表示二元堿度：w(CaO)/w(SiO2)三元堿度：w(CaO+MgO)/w(SiO2)四元堿度：w(CaO+MgO)/w(SiO2+Al2O3)實(shí)際生產(chǎn)中常用二元堿度。通常，我們把R2>1的爐渣稱為堿性渣，R2<1的爐渣稱為酸性渣。冶煉煉鋼生鐵時(shí)，高爐渣二元堿度通常在0.95~1.25之間。直接影響高爐冶煉的爐渣性質(zhì)有熔化溫度、溶化性溫度、黏度、穩(wěn)定性和脫硫性。一般對(duì)高爐渣有如下幾點(diǎn)要求：

黏度小，流動(dòng)性好，渣鐵分離好；具有良好的脫硫能力能促進(jìn)或阻止某些元素的還原，這主要通過(guò)控制爐渣堿度來(lái)實(shí)現(xiàn)。A爐渣的熔化性熔化性就是爐渣融化的難易程度，它可以用熔化溫度和熔化性溫度來(lái)表示。熔化溫度：多元系熔化溫度是指液相線溫度，或過(guò)熱熔體開始結(jié)晶的溫度，也是爐渣加熱時(shí)晶體完全消失的溫度。熔化性溫度：熔體從不能流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟茏杂闪鲃?dòng)的溫度（>熔化溫度）3.3.3.3爐渣性質(zhì)及其對(duì)冶煉的影響B(tài)爐渣的粘度（1）物理意義：爐渣粘度是指流速不同的兩個(gè)液層間的內(nèi)摩擦系數(shù)；（2）高爐冶煉對(duì)爐渣粘度要求高爐正常冶煉時(shí)，爐渣粘度一般為3~10泊P（