鋼鐵冶金學(xué)煉鐵 部分課件

鋼鐵冶金學(xué)Ⅰ鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分學(xué)時(shí)：64目錄1緒論2鐵礦粉造塊3高爐冶煉過(guò)程的物理化學(xué)4高爐爐料和煤氣的運(yùn)動(dòng)5高爐能量利用6高爐工藝計(jì)算7高爐強(qiáng)化冶煉鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分1緒論一、鋼鐵工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位1、發(fā)展鋼鐵工業(yè)的條件2、鋼鐵材料的優(yōu)越性能

二、鋼鐵企業(yè)的煉鐵生產(chǎn)

從礦石到鋼材的生產(chǎn)可分為兩個(gè)流程。

1、高爐—轉(zhuǎn)爐—軋機(jī)“長(zhǎng)流程”主要流程2、直接還原或熔融還原—電爐—軋機(jī)“短流程”鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分三、高爐發(fā)展趨勢(shì)：大型化、矮胖型爐喉爐身爐腰爐腹?fàn)t缸死鐵層鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分四、高爐原料1、鐵礦石(燒結(jié)礦、球團(tuán)礦、天然塊礦

)基本定義：礦物：自然界存在的自然元素和化合物。礦石：可以提取有用物質(zhì)并獲取利潤(rùn)的礦物。脈石：不可以提取有用物質(zhì)或不能獲取利潤(rùn)的礦物。鐵礦石種類：赤鐵礦（Fe2O3），紅色；磁鐵礦（Fe3O4），黑色，有磁性；褐鐵礦（Fe2O3·nH2O），含有結(jié)晶水；菱鐵礦（FeCO3）碳酸鹽。評(píng)價(jià)指標(biāo)：（1）含鐵品位(TFe)；鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分（2）脈石成分(SiO2、Al2O3、CaO、MgO

)；（3）有害雜質(zhì)(S、P、F、As、K、Na、Pb、Zn、Cu)與有益元素（Mn、Cr、Ni、Co、V、Ti、Mo、Nb、稀土類等

）；（4）還原性（由好至壞依次為：褐鐵礦、菱鐵礦、赤鐵礦、磁鐵礦）；（5）強(qiáng)度與粒度（粒度上限決定還原性，下限決定于透氣性，一般為9—25mm

）；（6）化學(xué)成分和粒度的穩(wěn)定錳礦石評(píng)價(jià)：合金元素、與鐵性能相近、用于鐵合金和洗爐。

Mn高，比鐵品位更重要，難還原；

Fe低，Mn/Fe>10，因?yàn)镕e易還原；

S、P要低，因?yàn)殍F合金在后期加入鋼水中，不能再脫S和脫P(yáng)，要求P<0.2%；較高的強(qiáng)度和適宜的粒度。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分2、鐵礦石的準(zhǔn)備3、熔劑（石灰石、白云石）（1）破碎與篩分（網(wǎng)目：一英寸（24.5mm）長(zhǎng)度上的方孔數(shù)）；

（2）混勻（方法：平鋪直?。唬?）焙燒（目的是改變鐵礦石性能。主要有還原磁化焙燒、氧化焙燒、氯化焙燒）；（4）選礦（作用：提高品位，回收有用的元素，去除有害雜質(zhì)。方法主要有磁選、重選、浮選）（1）目的：降低熔點(diǎn)、脫硫。（2）分類：堿性、中性、酸性（理論分法）。（3）質(zhì)量要求：CaO、MgO高；S、P低；高強(qiáng)度和適宜粘度；比較高的活性。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分5、煉焦工藝（配煤、原煤、工藝過(guò)程、新工藝）6、煤粉（1）作用：發(fā)熱劑、還原劑、增碳劑、骨架作用（2）質(zhì)量要求：

C固高；A低；V適當(dāng)；S、P低；常溫強(qiáng)度高；高溫強(qiáng)度高；穩(wěn)定性好4、焦炭（1）噴吹煤粉的作用：發(fā)熱、還原（2）質(zhì)量要求：灰分低，C高；②S、P低，K、Na低；發(fā)熱值高；可磨性好；燃燒性和反應(yīng)性好；安全性高鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分3、爐渣2、煤氣（1）成分有Fe、C、Si、Mn、S、P等（2）分為煉鋼生鐵、鑄造生鐵（Si高S低）、鐵合金（3）鐵與鋼主要區(qū)別是C1、生鐵五、高爐產(chǎn)品（1）成分有CO、CO2、N2、H2、H2O（2）用途：熱風(fēng)爐、加熱爐、鍋爐房或自備發(fā)電廠的燃料。（1）成分有：CaO、MgO、SiO2、Al2O3、FeO、MnO等（2）用途：水泥、路基、建筑用材、絕熱材料。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分六、高爐輔助設(shè)備1、供料系統(tǒng)2、送風(fēng)系統(tǒng)3、除塵系統(tǒng)4、渣鐵處理系統(tǒng)5、燃料噴吹系統(tǒng)七、高爐冶煉的概況分為五帶:1、塊狀帶：間接還原分解反應(yīng)CaCO3=CaO+CO2

部分直接還原FeO+C=Fe+CO鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分2、軟熔帶：造渣CaO+SiO2+Al2O3=硅酸鹽滲碳反應(yīng)：3Fe+2CO=Fe3C+CO23、滴落帶：直接還原（FeO）+C=

（MnO）+C=

（

SiO2）

+C=

（

P2O5）

+C=4、風(fēng)口燃燒帶：2C+O2=2CO5、爐缸部分：脫硫反應(yīng)FeS+CaO+C=CaS+Fe+CO八、高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)1、有效容積：鐵口中心線至大鐘下降下沿或溜槽垂直下沿。Vu工作容積＝有效容積－爐缸容積鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分2、有效容積利用系數(shù)：高爐一晝夜每m3有效容積生產(chǎn)生鐵的量，t/m3d。

n=P/Vu3、焦比：每t生鐵所消耗的焦炭，kg/t。

K=Q/P4、煤比：每t生鐵所消耗的煤粉量，kg/t。5、綜合焦比＝焦比＋煤比×置換比6、冶煉強(qiáng)度：每天每m3容積消耗的焦炭量，t/m3。

I=Q/Vu=n×K

綜合冶煉強(qiáng)度=每天綜合焦炭消耗量/有效容積鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分7、生鐵合格率：生鐵化學(xué)成分符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的總量占生鐵總產(chǎn)量的百分?jǐn)?shù)。一級(jí)品：S＜0.03％；合格品：S＜0.07％；8、休風(fēng)率：休風(fēng)時(shí)間占日歷時(shí)間的百分比。9、高爐一代壽命（爐齡）：（1）兩次大修之間的時(shí)間，年。（2）單位體積的產(chǎn)鐵量，t/m3。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分2鐵礦粉造塊一、定義：鐵礦粉造塊是將不能直接入爐的金屬礦粉經(jīng)配料后用人工方法造成符合冶煉要求的礦塊。二、意義：擴(kuò)大了冶煉原料的來(lái)源，同時(shí)又改善了原料的質(zhì)量。三、目的：將粉料制成具有高溫強(qiáng)度的塊狀料；改善鐵礦石的冶金性能，使高爐冶煉指標(biāo)得到改善；去除某些有害雜質(zhì)，回收有益元素，達(dá)到綜合利用資源和擴(kuò)大鐵礦石原料資源。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分2.1鐵礦粉燒結(jié)一、燒結(jié)的作用：利用貧礦和粉礦；改善冶金性能；利用鋼鐵廠的廢棄物。二、燒結(jié)原料的質(zhì)量要求1、含鐵原料種類：精礦粉，富礦粉，高爐爐塵，轉(zhuǎn)爐爐塵，軋鋼皮等。質(zhì)量要求：S、P低，F(xiàn)eO高，粒度＜10mm。2、溶劑種類：石灰石；消石灰；生石灰；白云石；菱鎂石。質(zhì)量要求：CaO、MgO高；S、P低；粒度＜3mm，要有利于分解和礦化；高活性度；成分穩(wěn)定。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分3、燃料（1）點(diǎn)火氣體燃料：有高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、天然氣，一般采用高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣混合。

質(zhì)量要求：發(fā)熱值高，點(diǎn)火溫度達(dá)到1100℃至1250℃；安全。（2）固體燃料：焦粉和煤粉質(zhì)量要求：質(zhì)量：A和V低；S和P低；粒度＜3mm。三、抽風(fēng)燒結(jié)過(guò)程

溫度分布見(jiàn)教材中的圖2-1(P33)。分為5層

1、燒結(jié)礦層：小于1100℃，空氣預(yù)熱；燒結(jié)礦冷卻；液相結(jié)晶固結(jié)。厚度逐漸增加，燒結(jié)完成時(shí)則全部都是。

2、燃燒層：700℃至1350℃或1500℃，厚度為15-80mm。燃料燃燒；軟熔；氧化；還原；分解等。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分3、干燥預(yù)熱層：露點(diǎn)至700℃，升溫速度快。水分蒸發(fā)；燃料加熱；固相反應(yīng)；結(jié)晶水分解。

4、過(guò)濕層：露點(diǎn)以下至露點(diǎn)。水汽重新凝結(jié)于混合料中，產(chǎn)生過(guò)濕，透氣性差。

5、混合料層和鋪底料。四、燒結(jié)過(guò)程的主要反應(yīng)1、固體燃料的燃燒（1）特征：

1）C少，稀而均勻。重量比3-5%；體積比10%左右。

2）傳熱條件好。“抽風(fēng)”

3）具有一定量的空氣過(guò)剩系數(shù)：α=實(shí)際耗氧/理論耗氧鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分

（2）燃燒過(guò)程：完全燃燒與不完全燃燒同時(shí)存在。

xC+yO2=nCO+mCO2

t<1200℃CO/CO2=1，一級(jí)反應(yīng)

t>1500℃CO/CO2=2，零級(jí)反應(yīng)燒結(jié)過(guò)程溫度實(shí)際處在1200℃-1500℃，CO/CO2=1-2之間，中間過(guò)渡狀態(tài)，燒結(jié)廢氣中CO和CO2共存。燒結(jié)廢氣成分為：CO、CO2

、N2、H2、O2

（3）燒結(jié)料層的氣氛條件：根據(jù)廢氣成分確定。

燒結(jié)過(guò)程中：自由氧為2-6%，是氧化性或弱氧化性氣氛。但在固體燃料表面附近，則是還原性氣氛?？梢哉f(shuō)，燒結(jié)過(guò)程宏觀上氧化性氣氛；微觀上有還原性氣氛。固體燃料粒度過(guò)大時(shí)，還原氣氛強(qiáng)，要求固體燃料粒度小于3mm>70%。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分（4）固體碳燃燒速度處于擴(kuò)散速度范圍內(nèi)固體燃料粒度增加，氣流速度提高，氣流中含氧增加，則料層溫度升高。2、分解反應(yīng)（1）結(jié)晶水分解：分解吸熱，增加燃料消耗。一般固溶體的水容易在120℃～200℃分解出來(lái)，以O(shè)H－存在。褐鐵礦：250℃至300℃分解。高嶺土（Al2O3·SiO2·2H2O）：400℃開(kāi)始分解，500℃至600℃大量分解，完成去除結(jié)晶水要到1000℃左右。（2）碳酸鹽分解及礦化作用

分解反應(yīng)：

CaCO3=CaO+CO2MgCO3=MgO+CO2鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分影響因素：1）燒結(jié)溫度：高有利于分解。

2）石灰石粒度：小有利于分解，要求小于3mm。

3）雜質(zhì)（Al2O3、SiO2、Fe2O3）：少有利于分解。

4）活性：高有利于分解。礦化作用：固化反應(yīng)，形成CaO·SiO2、CaO·Fe2O3等。如果沒(méi)有發(fā)生礦化作用，則會(huì)形成白點(diǎn)（CaO），CaO+H2O=Ca(HO)2體積膨脹，產(chǎn)生粉化。影響因素：1）燒結(jié)溫度：高有利于礦化。

2）石灰石粒度：小有利于分解，要求＜3mm。

3）礦粉粒度：小有利于分解。

4）活性：高有利于分解。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分（3）高價(jià)氧化物分解（P35）鐵和錳高價(jià)氧化物的分解壓較高。預(yù)熱層：MnO2、Mn2O3開(kāi)始分解。燃燒層：MnO2、Mn2O3沸騰分解；Fe2O3開(kāi)始分解。

Fe3O4和FexO的分解壓很小，在燒結(jié)條件下不可能分解。3、氧化還原反應(yīng)

燒結(jié)過(guò)程宏觀上是氧化氣氛，但也存在還原氣氛，尤其在配碳量比較高和燃料粒度比較大時(shí)比較明顯。（1）Fe2O3：在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)發(fā)生熱分解和還原。

3Fe2O3=2Fe3O4+1/2O2

熱分解

3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2

還原固相反應(yīng)形成CaO·Fe2O3系列，則難還原。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分

（2）Fe3O4：在燒結(jié)過(guò)程中分解難，但在1300℃--1350℃會(huì)發(fā)生下面的反應(yīng)。

2Fe3O4+3SiO2=3(2FeO·SiO2)+O2

在燒結(jié)過(guò)程中可以還原，

Fe3O4+CO=FeO+CO2900℃,平衡CO/CO2=3.47

同時(shí)也可以發(fā)生下面的反應(yīng)：

3Fe3O4+3SiO2+2CO=3(2FeO·SiO2)+2CO2，CaO存在，則不利于2FeO·SiO2的形成。在燒結(jié)過(guò)程中也可以氧化成Fe2O3：條件是料層透氣性好，配碳量比較低，氧化反應(yīng)是放熱反應(yīng)。

（3）FeO：在燒結(jié)過(guò)程中還原比較困難，只有在配碳量特別高時(shí)才有可能。在燒結(jié)過(guò)程中可以被氧化成Fe3O4，條件是料層透氣性好，配碳量比較低，供氧充足。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分

（4）錳氧化物：MnO2和Mn2O3易進(jìn)行熱分解；

Mn3O4不易進(jìn)行熱分解，但可還原成MnO；MnO不易還原。4、氣化反應(yīng)（有害雜質(zhì)的去除）

（1）S的去除。85-90％

S的存在狀態(tài)：1）有機(jī)S：含量一般比較低，僅在個(gè)別年輕煤中含量較高。

2）硫化物：如FeS2、FeS。

3）硫酸鹽：如FeSO4、CaSO4、BaSO4等，硫酸鹽在新鮮煤中含量極少，在氧化后的煤中含量比較高。

鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分

燒結(jié)過(guò)程脫硫是氧化脫硫，分解只是一小部分。硫化物脫硫的主要反應(yīng)有：

4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2

3FeS2+8O2=Fe3O4+6SO2

2FeS2=2FeS+S2S+O2=SO2

4FeS+7O2=2Fe2O3+4SO2

3FeS+5O2=Fe3O4+3SO2

1350℃以下，鐵氧化物以生成Fe2O3為主；1350℃以上，鐵氧化物以生成Fe3O4為主。上述反應(yīng)都是放熱反應(yīng)。

硫化物中的硫去除比較容易，硫酸鹽中的硫去除比較困難。但在Fe2O3和SiO2等存在的條件下，CaSO4、BaSO4分解變得容易。

CaSO4+Fe2O3=CaO·Fe2O3+SO2+1/2O2

吸熱

BaSO4+SiO2=CaO·SiO2+SO2+1/2O2

吸熱鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分

影響燒結(jié)過(guò)程脫硫的因素：

1）礦粉粒度：粒度細(xì)有利于脫硫，原因是有利于氧化，各類礦粉的粒度要求小于10mm。

2）礦石品位：品位高有利于脫硫，品位高則熔點(diǎn)高。

3）燒結(jié)礦堿度：堿度低有利于燒結(jié)脫硫，燒結(jié)脫硫的實(shí)現(xiàn)是S進(jìn)入廢氣，堿度高有利于形成CaS，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)脫硫。

4）燃料用量：恰當(dāng)則有利于脫硫。燃料多易形成還原性氣氛，硫負(fù)荷高，不利于燒結(jié)脫硫；燃料少燒結(jié)溫度低，同樣不利于脫硫。燒結(jié)脫硫發(fā)熱，1kgFeS2可代替0.3kg含C為80%的焦粉。

5）返礦用量：恰當(dāng)則有利于脫硫。改善料層透氣性，有利于燒結(jié)脫硫；液相量增加，不利于脫硫。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分(2)去As:

氧化去As，燒透是前提。As有毒。

2FeAsS+5O2==Fe2O3+As2O3+2SO2(3)脫F：

2CaF2+SiO2==2CaO+SiF4

CaO不利于去F；SiO2有利于去F；H2有利于去F。

F對(duì)人體有害、腐蝕設(shè)備。(4)Pb和Zn的去除燃料增加到10%至11%，脫鋅率可以達(dá)到20%。加入CaCl2，可以脫除90%左右的鉛和65%左右的鋅。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分5、水分的蒸發(fā)、分解和凝結(jié)（1）蒸發(fā)和凝結(jié)的條件是：蒸發(fā)：實(shí)際PH2O<P’H2O（飽和蒸汽壓）

凝結(jié)：實(shí)際PH2O>P’H2O（飽和蒸汽壓）（2）蒸發(fā)：

100℃時(shí)：P’H2O=0.1013MPa(1atm)

實(shí)際上：燒結(jié)料層中PH2O＝0.9atm，因此水汽化的沸騰溫度低于100℃。燒結(jié)過(guò)程中汽化在120℃至125℃完成的原因有：燒結(jié)過(guò)程傳熱速度快，燒結(jié)混合料快速加熱；分子水與固體顆粒之間的結(jié)合力大，不易去除。（3）凝結(jié)：水分的再分布，溫度是露點(diǎn)：PH2O=P’H2O

燒結(jié)過(guò)程中露點(diǎn)一般為50℃-60℃，消除水分凝結(jié)的措施是將混合料溫提高到露點(diǎn)以上。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分五、燒結(jié)過(guò)程中的固結(jié)1、固相反應(yīng)

定義：在一定的溫度條件下這種或那種離子克服晶格中的結(jié)合力，在晶格內(nèi)部進(jìn)行位置交換，并擴(kuò)散與之相接觸的鄰近的其它晶格內(nèi)進(jìn)行的反應(yīng)。開(kāi)始溫度=（0.8--0.9）T熔點(diǎn)。這時(shí)質(zhì)點(diǎn)具有可移動(dòng)性，并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。影響固相反應(yīng)的因素有：礦粉粒度；混勻程度；燃料用量；燒結(jié)氣氛。燒結(jié)過(guò)程中可能產(chǎn)生的固相反應(yīng)如P39表2-1鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分2、燒結(jié)過(guò)程中液相的生成這些液相就是粘結(jié)相，對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量和產(chǎn)量有非常重要的影響。（1）鐵氧（Fe-O）體系：鐵氧化物固溶體。高品位燒結(jié)礦的主要粘結(jié)相，脈石成分比較小。（2）FeO--SiO2體系：酸性燒結(jié)礦的主要粘結(jié)相。。

2FeO·SiO2

熔點(diǎn)：1205℃FeO·SiO2--FeO熔點(diǎn)：1177℃FeO·SiO2--SiO2

熔點(diǎn)：1178℃

特點(diǎn)：強(qiáng)度比較高；但還原性比較差。生成條件：比較低的堿度，有SiO2，比較高的溫度；還原性氣氛。工藝是燃料用量高。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分

燒結(jié)礦堿度與高爐爐渣堿度的區(qū)別和聯(lián)系:

燒結(jié)礦堿度＜高爐爐渣堿度：酸性（低堿度）燒結(jié)礦燒結(jié)礦堿度≈高爐爐渣堿度：自熔性燒結(jié)礦燒結(jié)礦堿度＞高爐爐渣堿度：高堿度（熔劑型）燒結(jié)礦（3）CaO--SiO2體系：熔劑性燒結(jié)礦的主要粘結(jié)相。

CaO·SiO2

熔點(diǎn)：1544℃CaO·SiO2--SiO2

熔點(diǎn)：1450℃3CaO·2SiO2

熔點(diǎn)：1460℃2CaO·SiO2

熔點(diǎn)：2130℃

特點(diǎn)：固相反應(yīng)生成能力強(qiáng)，反應(yīng)速度快。強(qiáng)度比較低；原因是2CaO·SiO2有相變問(wèn)題；不存在還原性問(wèn)題。830-850℃：α-2CaO·SiO2→γ-2CaO·SiO2

體積膨脹12%675℃：β-2CaO·SiO2→γ-2CaO·SiO2體積膨脹10%鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分應(yīng)控制或減少2CaO·SiO2的生成量和晶體轉(zhuǎn)變。生成條件：比較高的堿度，有CaO；高溫（生成的液相量是不多的）。（4）CaO--Fe2O3體系：熔劑性燒結(jié)礦的主要粘結(jié)相。

2CaO·Fe2O3

熔點(diǎn)：1449℃CaO·Fe2O3

熔點(diǎn)：1216℃CaO·2Fe2O3

熔點(diǎn)：1226℃特點(diǎn)：強(qiáng)度比較高；還原性比較好，最好的粘結(jié)相。生成條件：1）高堿度，CaO多。

2）低溫，因?yàn)楦邷兀?300℃以上）條件下Fe2O3會(huì)分解。

3）氧化性氣氛，固體燃料配量比較低。

4）SiO2含量比較低，因?yàn)镾iO2與FeO和CaO的結(jié)合力都比較大。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分

此外，針狀鐵酸鈣比片狀和柱狀鐵酸鈣的強(qiáng)度高，還原性好。發(fā)展針狀鐵酸鈣是燒結(jié)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，低溫?zé)Y(jié)就是這個(gè)目的。（5）CaO--FeO--SiO2體系：熔劑性燒結(jié)礦的主要粘結(jié)相。典型礦物：鐵鈣橄欖石：CaO·FeO·SiO2

鐵鈣方柱石：2CaO·FeO·2SiO2

鈣鐵輝石：CaO·FeO·2SiO2

特點(diǎn)：強(qiáng)度比較高；還原性比較差。生成條件：高堿度；高溫；還原性氣氛。（6）CaO--SiO2--TiO2體系：釩鈦磁鐵燒結(jié)礦的主要粘結(jié)相。特點(diǎn)：硬而脆，粉末比較多；還原性比較好。生成條件：釩鈦磁鐵礦。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分3、冷凝固結(jié)在燒結(jié)過(guò)程中，并非全部燒結(jié)料都熔化為液相，有些粒度大的原料還來(lái)不及熔化就被液相粘結(jié)起來(lái)，然后又急速冷卻，形成多孔的燒結(jié)礦。4、燒結(jié)礦的礦物組成及其結(jié)構(gòu)由含鐵礦物及脈石礦物兩大類組成的液相粘結(jié)在一起。（1）顯微鏡下觀察的結(jié)構(gòu)有：粒狀結(jié)構(gòu)、斑狀結(jié)構(gòu)、骸狀結(jié)構(gòu)、丹點(diǎn)狀共晶結(jié)構(gòu)及熔蝕結(jié)構(gòu)。（2）影響燒結(jié)礦質(zhì)量的因素：影響強(qiáng)度因素：燒結(jié)料礦化及液相發(fā)展程度；礦物組成中礦物和玻璃相的強(qiáng)度；冷凝過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。影響還原性的因素：礦物組成自身的還原性；礦物結(jié)構(gòu)。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分六、燒結(jié)料層的熱交換1、自動(dòng)蓄熱作用：定義是熱燒結(jié)礦將熱量傳給氣體，氣體溫度上升，然后氣體將熱量帶給下層燃燒帶，這種現(xiàn)象稱為自動(dòng)蓄熱作用。自動(dòng)蓄熱作用對(duì)燃料帶的溫度影響很大，可以提供燃燒帶全部熱量的40%以上。料層越厚，自動(dòng)蓄熱作用越強(qiáng)。2、垂直燒結(jié)速度：定義是燃燒帶（高溫區(qū)）向下移動(dòng)的速度。與料層內(nèi)的風(fēng)量（料層透氣性）成正比，是決定燒結(jié)礦產(chǎn)量的重要因素。垂直燒結(jié)速度過(guò)快：廢氣傳給物料的熱量不足，燒結(jié)溫度降低，燒結(jié)礦強(qiáng)度下降，燒結(jié)礦成品率下降，燒結(jié)礦產(chǎn)量下降。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分

垂直燒結(jié)速度過(guò)慢；燒結(jié)礦產(chǎn)量下降，顆粒內(nèi)部熱量多，但表面溫度低，液相生成量不足。3、高溫區(qū)的溫度水平?jīng)Q定于高溫區(qū)的熱平衡和氣流與物料間的傳熱條件。

Q1+Q2+Q3-Q4-Q5T=--------------------------------mcQ1：空氣顯熱，kJ。Q2：燒結(jié)過(guò)程中燃料燃燒放熱以及所發(fā)生的各種反應(yīng)的熱效應(yīng)總和，kJQ3：從燒結(jié)上層下來(lái)的廢氣中吸收的熱量，kJ。Q4：廢氣帶走的熱量，kJ；Q5：高溫區(qū)熱損失，kJm：高溫區(qū)物料重量，kg；C：燒結(jié)料比熱，kJ/kg.℃。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分

影響因素：配碳量增加，石灰石量減少，Q2增加，T升高；燒結(jié)過(guò)程越往下，Q3增加越多，T升高，抽風(fēng)燒結(jié)的特點(diǎn)；熱風(fēng)燒結(jié)，Q1增加，T升高。最好在燒結(jié)過(guò)程的前期供熱風(fēng)，因?yàn)榇藭r(shí)的Q3=04、高溫區(qū)的厚度高溫區(qū)是料層透氣性最差的一層。燃燒速度與傳熱速度的配合對(duì)高溫區(qū)的溫度和厚度有重要的影響。（1）燃燒速度<傳熱速度：廢氣傳入顆粒內(nèi)部的熱量增多，料層溫度水平降低，高溫區(qū)加厚。（2）燃燒速度>傳熱速度：廢氣傳入顆粒內(nèi)部的熱量減少，廢氣溫度升高，帶走的熱量增加，高溫區(qū)加厚。（3）燃燒速度≈傳熱速度：料層溫度最高，高溫區(qū)厚度最小。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分

（4）燃料粒度大，則燃燒速度下降，高溫區(qū)水平下降，高溫區(qū)厚度增加。（5）配碳量增加，高溫區(qū)水平升高，高溫區(qū)厚度增加。

七、燒結(jié)料層中的氣體流動(dòng)

氣體流動(dòng)阻力△P=f(ε、w、d、H),

垂直燒結(jié)速度取決于燒結(jié)料層在燒結(jié)過(guò)程中的透氣性，不是燒結(jié)料層的原始透氣性。燒結(jié)礦層：透氣性比較好。燃燒層有液相：△P最大，此層越薄越好。預(yù)熱干燥層：透氣性主要取決于干燥后混合料中小球的強(qiáng)度。過(guò)濕層：透氣性比較差。燒結(jié)點(diǎn)火后，燒結(jié)礦層未形成，△P升高，而后逐漸降低。氣流分布均勻，則垂直燒結(jié)速度均勻，燒結(jié)成品率升高。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分八、燒結(jié)生產(chǎn)工藝1、燒結(jié)配料（P51）采用重量法配料，根據(jù)配料計(jì)算。2、混勻與制粒一混的主要作用是混勻；二混的主要作用是造球制粒。影響混勻和制粒的因素：（1）原料性質(zhì)：粘性大，比重相差小，粒度差別小有利于混勻和造球。（2）水分含量和加水方法：適量、霧狀有利于混勻和造球。（3）工藝因素：傾角、轉(zhuǎn)速、填充率，混勻時(shí)間長(zhǎng)有利于混勻和造球。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分3、鋪底料：（1）作用：保護(hù)篦條；減少?gòu)U氣含塵量和除塵器負(fù)荷；增加有效抽風(fēng)面積和料層透氣性；改善廠區(qū)環(huán)境。

（2）方法：粒度自然偏析，偏析布料。但不能是大粒度的燃料；10-25mm的成品燒結(jié)或天然塊礦。4、布料：（1）要求：均勻（粒度、成分和水分）；具有一定的松散性，但不能太松。（2）理想布料是粒度上小下粗、碳上多下少。實(shí)現(xiàn)方法有雙層布料和偏析布料。偏析布料有磁輥、反射板和空氣吹風(fēng)。5、燒結(jié)料點(diǎn)火和燒結(jié)礦保溫點(diǎn)火溫度為1100℃至1300℃之間；點(diǎn)火時(shí)間為1分鐘左右。點(diǎn)火真空度適當(dāng)?shù)鸵恍?。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分

燒結(jié)礦保溫是減緩上層燒結(jié)礦的冷卻速度。6、燒結(jié)礦處理

破碎（單輥破碎）、篩分（固定條篩）、冷卻（帶式冷卻機(jī)和環(huán)形冷卻機(jī)）返礦返回?zé)Y(jié)機(jī)，小于5mm的比例應(yīng)小于5%。7、燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)能力

Q=60KΥBHVK：成品率%；Υ：堆比重；B：臺(tái)車寬；H：料層高；V：臺(tái)車速度；H=dtd：垂直燒結(jié)速度；t：燒結(jié)時(shí)間；D=f(料層透氣性)；透氣性指數(shù)=Q/F（H/ΔP）0.6;Q：抽風(fēng)量；F：抽風(fēng)面積；H：料層厚度；ΔP：負(fù)壓。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分8、改善燒結(jié)料層透氣性（1）適當(dāng)配加富礦粉，粒度粗。（2）加消石灰，有利于成球。

（3）加松料器。（4）提高料溫：蒸汽、熱返礦、生石灰，消除過(guò)濕現(xiàn)象。（5）新的布料裝置。9、增加有效風(fēng)量（1）降低漏風(fēng)率，主要是機(jī)頭和機(jī)尾。（2）經(jīng)常檢查，及時(shí)堵漏，定期檢修。10、改善燒結(jié)礦質(zhì)量（1）厚料層燒結(jié);（2）提高M(jìn)gO含量;（3）低溫?zé)Y(jié);（4）加B或P;（5）高堿度燒結(jié)礦;（6）合適的配C量;（7）配加蛇紋石;（8）配加螢石。

鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分2.2球團(tuán)礦生產(chǎn)一、粉礦成球

1、成球機(jī)理：加水潤(rùn)濕礦粉是鐵礦粉成球的基本條件，對(duì)水進(jìn)行研究。水在礦粉中的狀態(tài)：（1）吸附水：原因是新表面具有過(guò)剩能量。具有固體的性質(zhì)，不能在顆粒表面自由移動(dòng)。（2）薄膜水：結(jié)合力要差一些，可以在顆粒表面遷移。吸附水和薄膜水組成分子結(jié)合水，礦粉含水量達(dá)到最大分子結(jié)合水后，成球才明顯開(kāi)始。（3）毛細(xì)水：礦粉中超過(guò)分子水后才能形成，起作用的是毛細(xì)力。礦粉成球過(guò)程是在毛細(xì)力的作用下，礦粉顆粒被拉向水滴中心，形成小球。毛細(xì)水在礦粉成球中起主導(dǎo)作用。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分2、成球過(guò)程（1）形成母球：礦粉潤(rùn)濕，在機(jī)械力的作用下形成細(xì)小的毛細(xì)管。主要是水的潤(rùn)濕。（2）母球長(zhǎng)大：毛細(xì)管形狀和尺寸改變，過(guò)剩毛細(xì)水?dāng)D到母球的表面上，粘結(jié)上潤(rùn)濕程度比較低的礦粉。潤(rùn)濕和機(jī)械力同時(shí)作用。（3）母球壓實(shí)：停止加水潤(rùn)濕，在機(jī)械力的作用下，水分被擠出。擠出的水分被未充分潤(rùn)濕的礦粉吸收。機(jī)械力的作用。三個(gè)過(guò)程在造球機(jī)內(nèi)一起完成。

液體表面張力大、物料親水性強(qiáng)、液體密度小、毛細(xì)管直徑小，毛細(xì)力大，礦粉成球容易。（4）重力水：對(duì)造球不利。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分3、造球設(shè)備圓盤造球機(jī)、圓筒機(jī)4、影響造球過(guò)程的因素（1）原料性能：親水性強(qiáng)易成球，褐鐵礦最強(qiáng)，磁鐵礦最差；孔隙度大易成球；顆粒形狀：針狀和片狀好，球狀差。（2）原料粒度：粒度小，比表面積大，組成不均勻易成球，小于200目。（3）原料濕度：含水量大，生球大小不均勻，相互粘結(jié)，適宜的含水量。礦粉的水分應(yīng)低于造球適宜的水分，否則烘干。（4）添加劑：皂土（一般為0.5%至1.5%，實(shí)際3%左右）、消石灰、石灰石、生石灰、有機(jī)添加劑。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分

（5）工藝操作：加水加料原則：滴水成球，霧水長(zhǎng)大，無(wú)水壓緊。

造球時(shí)間：3至10分鐘設(shè)備指標(biāo)：圓盤造球機(jī)的轉(zhuǎn)速和傾角（傾角45至50度），園盤邊高和填充率適宜，底料和刮板要適宜。物料溫度：預(yù)熱混合料，50℃為宜。5、生球的質(zhì)量要求：焙燒和冶煉的要求。（1）粒度：均勻粒度，10-16mm。（2）抗壓強(qiáng)度：15-20N/個(gè)球。（3）落下強(qiáng)度：0.5m高自由落下大于4次。（4）比較高的爆裂溫度。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分二、球團(tuán)礦焙燒固結(jié)

1、生球干燥目的：提高強(qiáng)度，防止破裂。

破裂的原因：不均勻收縮。由表面水汽化和內(nèi)部水?dāng)U大散到表面的兩個(gè)過(guò)程組成，速度要適宜，防止生球破裂。干燥速度有計(jì)算公式，但多數(shù)是定性公式。干燥時(shí)生球的最低強(qiáng)度應(yīng)該能承受球?qū)拥膲毫透稍锝橘|(zhì)穿過(guò)球?qū)拥膲毫?。影響干燥的因素：?）球?qū)釉礁?，水冷凝越?yán)重，降低了下層生球的破裂溫度。（2）縮小生球尺寸有利于干燥過(guò)程。（3）生球孔隙度下降，妨礙生球內(nèi)部蒸汽的擴(kuò)散。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分2、再結(jié)晶固結(jié)理論：要保證球團(tuán)有足夠高機(jī)械強(qiáng)度和良好的冶金性能。磁鐵礦：（1）微晶鍵連接：氧化氣氛，低溫（900℃左右）條件下，焙燒磁鐵礦球團(tuán)時(shí)，表面首先產(chǎn)生Fe2O3微晶、長(zhǎng)大、連接。（2）Fe2O3再結(jié)晶：Fe3O4生球在強(qiáng)氧化性氣氛中繼續(xù)加熱到1100℃以上時(shí)，F(xiàn)e3O4完全氧化，并發(fā)生Fe2O3微晶再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大。（3）Fe3O4再結(jié)晶：Fe3O4生球在中性或強(qiáng)還原性氣氛中焙燒，當(dāng)溫度高于900℃時(shí)，生球中Fe3O4晶粒發(fā)生再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分（4）渣鍵連接：有SiO2

存在，則在還原或弱氧化性氣氛中焙燒，高于1100℃時(shí)：

Fe2O3+SiO2+CO==2FeO·SiO2+CO22FeO+SiO2==2FeO·SiO2赤鐵礦：（5）Fe2O3高溫再結(jié)晶：1300℃左右開(kāi)始，強(qiáng)度比較差。3、影響球團(tuán)焙燒固結(jié)的因素：（1）原料性能：磁鐵礦氧化放熱，焙燒溫度比較低，能耗低。石英在氧化性氣氛中不影響赤鐵礦球團(tuán)固結(jié)，在中性或還原性氣氛中會(huì)形成液相。長(zhǎng)石熔點(diǎn)低，可降低焙燒溫度，有利于液相粘結(jié)。皂土有利于球團(tuán)固結(jié)，形成液相。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分

消石灰和石灰石會(huì)使球團(tuán)礦的焙燒溫度區(qū)間變窄，易出現(xiàn)渣相粘結(jié)。

（2）精礦粒度和粒度組成：粒度細(xì)，比表面積大，氧化快而完全，有利于球團(tuán)造球和焙燒?？紫抖鹊停欣诒簾?。粒度大小不一，有利于焙燒。（3）焙燒溫度：提高焙燒溫度有利球團(tuán)固結(jié)，但最高溫度不能超過(guò)Fe2O3大量分解的溫度。一般為1200℃至1300℃，不低于1150℃，不高于1350℃。（4）升溫速度和高溫下保持時(shí)間：升溫速度過(guò)快，球團(tuán)強(qiáng)度下降。高溫下保持時(shí)間要足夠，因?yàn)樵俳Y(jié)晶和液相生產(chǎn)都需要時(shí)間。過(guò)長(zhǎng)：球團(tuán)熔化和粘結(jié)。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分

（5）焙燒氣體介質(zhì)特性磁鐵礦：氧化性氣氛最好，中性和還原性氣氛球團(tuán)礦強(qiáng)度低，還原性差。赤鐵礦：氧化性或中性氣氛中進(jìn)行焙燒；不能在還原性氣氛中進(jìn)行焙燒。氣氛根據(jù)O2含量劃分：O2>1.5%，氧化性氣氛。

O2=1-1.5%，中性氣氛。

O2<1%，還原性氣氛。（6）球團(tuán)礦尺寸：尺寸大，氧化過(guò)程進(jìn)行得慢而不完全。球團(tuán)氧化完成所需的時(shí)間與球團(tuán)的直徑的平方成正比。生球尺寸在對(duì)赤鐵礦球團(tuán)的焙燒影響更大，無(wú)內(nèi)部熱量。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分

三、球團(tuán)生產(chǎn)工藝

1、原料準(zhǔn)備：配料、混料和造球。目的是使化學(xué)成分、粒度組成、水分均勻?；炝虾团淞瞎に嚤容^簡(jiǎn)單，多采用混磨。造球采用：圓筒和圓盤

2、球團(tuán)礦焙燒：設(shè)備：豎爐、鏈篦機(jī)--回轉(zhuǎn)窯、帶式焙燒機(jī)

3、其它球團(tuán)生產(chǎn)方法：（1）冷固結(jié)球團(tuán)：水泥法和碳酸鹽球團(tuán)固結(jié)法（2）金屬化球團(tuán)法（3）有色金屬氧化物氯化揮發(fā)球團(tuán)法鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分四、球團(tuán)礦和燒結(jié)礦的比較1、原料條件：球團(tuán)細(xì)，-325目要大于70%，比表面積為1500-2000cm2/g

燒結(jié)粗，-150目要小于20%，原料適應(yīng)性強(qiáng)。2、生產(chǎn)設(shè)備投資和管理費(fèi)用生產(chǎn)設(shè)備投資球團(tuán)高。加工費(fèi)用球團(tuán)略高，但按含鐵量比較球團(tuán)稍低。球團(tuán)的燃料費(fèi)用低于燒結(jié)礦，但動(dòng)力費(fèi)用要高于燒結(jié)礦。3、冶金性能（1）球團(tuán)礦粒度均勻，冷態(tài)強(qiáng)度高，運(yùn)輸和貯存粉末少。球團(tuán)礦有還原膨脹現(xiàn)象，高溫冶金性能不太理想。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分

球團(tuán)膨脹的原因：膨脹小于20%異常膨脹

Fe2O3→

Fe3O4

→

→

→

→→

FeO

六面體立方體鐵胡須立方體正常膨脹一般小于20%，異常膨脹可以達(dá)100%至200%或更大，原因主要是形成鐵胡須。降低球團(tuán)礦還原膨脹的措施：適當(dāng)提高球團(tuán)礦中SiO2含量，形成渣鍵；適當(dāng)提高球團(tuán)礦的堿度，生產(chǎn)自熔性球團(tuán)礦；提高焙燒溫度。（2）燒結(jié)礦有低溫還原粉化現(xiàn)象燒結(jié)礦深度還原和高溫還原性能比較好，軟熔性能比較好。但燒結(jié)礦也有低溫還原粉化問(wèn)題。RDI，原因與球團(tuán)礦還原膨脹的原因基本相同。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分4、高爐冶煉效果：球團(tuán)礦與燒結(jié)礦無(wú)明顯差異。5、環(huán)境狀況：球團(tuán)工藝可以減少灰塵量、SO2和NOx。五、高爐合理的爐料結(jié)構(gòu)合理標(biāo)準(zhǔn)：1、資源量大，要穩(wěn)定。

2、取消石灰石入爐。

3、比較高的熟料率。

4、良好的冶金性能。合理的爐料結(jié)構(gòu)是相對(duì)的，一般認(rèn)為高堿度燒結(jié)礦配加酸性球團(tuán)礦是合理的爐料結(jié)構(gòu)。但堿度差不能太大，球團(tuán)礦配比也應(yīng)控制在40%以內(nèi)。六、球團(tuán)工藝的改進(jìn)：

1、自熔性球團(tuán)礦

2、內(nèi)燃性或多孔性球團(tuán)礦鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分2.3燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的質(zhì)量檢驗(yàn)一、冷態(tài)物理機(jī)械性能落下強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度二、熱態(tài)及還原條件下的性能1、熱爆裂性能2、還原條件下的冶金性能低溫還原粉化性能、荷重軟化性能、還原膨脹性能鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分3高爐冶煉過(guò)程中的物理化學(xué)3.1蒸發(fā)、分解與氣化一、蒸發(fā)吸附水蒸發(fā)。耗熱不多，對(duì)高爐影響不大。二、結(jié)晶水分解燒結(jié)已述。補(bǔ)充：結(jié)晶水析出過(guò)晚現(xiàn)象。T＞800℃時(shí)，發(fā)生反應(yīng)H2O+C=H2+CO。耗熱增加，消耗C固，產(chǎn)生的CO氣體不能被充分利用。分解比例：20-50％。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分三、碳酸鹽分解高爐加熔劑或爐料中存在碳酸鹽時(shí)，T升高，則發(fā)生分解，耗熱增加。主要不利影響：CaCO3分解，消耗碳素，吸收熱量。四、析C反應(yīng)煤氣中CO在上升過(guò)程中T下降到400－600℃時(shí)，發(fā)生反應(yīng)2CO=CO+C

不利影響：破壞爐襯，加劇爐料粉化。五、氣化反應(yīng)在高爐內(nèi)氣化的物質(zhì)有還原元素P、As、K、Na、Pb、Zn和S；還原中間產(chǎn)物SiO、Al2O和PbO；化合物SiS、CS和CaF2等。少部分隨煤氣逸出，一部分被爐渣吸收，一部分在上升過(guò)程中隨T降低而凝聚，形成“循環(huán)累積”，造成爐料難行、懸料及結(jié)瘤等。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分

解決方法：提高爐頂溫度、增加煤氣量、降低爐渣堿度、提高渣量。3.2高爐內(nèi)的還原過(guò)程一、鐵氧化物還原的熱力學(xué)1、鐵氧化物還原的規(guī)律：逐級(jí)還原

t>570℃，F(xiàn)e2O3→Fe3O4→FeO→Fet<570℃，F(xiàn)e2O3→Fe3O4→Fe，F(xiàn)eO不存在。

Fe2O3赤鐵礦，六方晶格，剛玉型菱型晶格。還原容易。

Fe3O4

磁鐵礦，立方晶格，還原比較困難。Fe2O3·FeOFeO浮氐體，立方晶格，不穩(wěn)定，F(xiàn)exO（x<1.0），還原困難。復(fù)雜鐵氧化物：CaO·Fe2O3

、2FeO·SiO2、CaO·FeO·SiO2、FeO·TiO2

及褐鐵礦、菱鐵礦先分解后還原。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分2、鐵氧化物還原的基本反應(yīng)（1）還原劑：CO、H2、C；主要是C和CO。（2）用CO、H2還原時(shí)的叉字曲線。aa′b′bdd′cc′%/xT/℃Fe2O3Fe3O4FeOFe●●●●●T＜570℃：

a.Fe2O3+CO→Fe3O4+CO2

+a′Fe2O3+H2→Fe3O4+H2O+b.Fe3O4+CO→Fe+CO2

+b′Fe3O4+H2→Fe+H2O-T＞570℃：

a.Fe2O3+CO→Fe3O4+CO2

+a′Fe2O3+H2→Fe3O4+H2O+c.Fe3O4+CO→FeO+CO2-c′Fe3O4+H2→FeO+H2O-d.FeO+CO→Fe+CO2

+d′FeO+H2→Fe+H2O-鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分

圖示出了鐵氧化物還原對(duì)氣氛的要求，共分四個(gè)區(qū)域：Fe2O3、Fe3O4、FeO、Fe。1）關(guān)鍵點(diǎn)：T＝570℃2）T＜810℃：CO還原曲線在H2的下方。CO還原能力大于H2，即CO還原時(shí)的熱力學(xué)氣體利用率高于H2。

T＞810℃，，H2還原曲線在CO的下方。H2還原能力大于CO，即H2

還原時(shí)的熱力學(xué)氣體利用率高于CO。3）反應(yīng)后加+，說(shuō)明為放熱反應(yīng)，圖中曲線為上升趨勢(shì)，T升高使熱力學(xué)利用率下降；下降曲線為吸熱反應(yīng)，T升高使熱力學(xué)利用率升高。4）反應(yīng)b、d、b′、d′的曲線趨勢(shì)正好相反，說(shuō)明CO和H2兩種還原氣體的熱力學(xué)規(guī)律正好相反。5）C參加還原反應(yīng)的平衡分析。T＜685℃，得不到Fe。T＝647℃，C還原Fe3O4生成FeO的關(guān)鍵溫度。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分二、直接還原和間接還原1、概念：直接還原：用C還原，生成CO，高溫、吸熱，決定于碳的氣化反應(yīng)，1100℃左右。間接還原：用CO或H2還原，生成CO2，低溫、放熱（H2吸熱），決定于礦石的還原性能。

Fe2O3→FeO全部間接還原；FeO→Fe一部分間接還原，一部分直接還原。2、直接還原度的表示和計(jì)算

Fe直

Fe直

rd=-------------------==--------------定義式

Fe生—Fe料

Fe全鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分rd=1—rco—rH2=1—ri,ri=Fe間/Fe全Fe間=（56/12）C間，F(xiàn)eO+CO=Fe+CO2

(56/12)[(C焦+C燃-C鐵-C塵)(CO2/(CO+CO2+CH4))-(12/44)CO2熔+揮-(12/160)Fe2O3-(12/87)MnO2rco=-------------------------------------------------------------------------------------------------

Fe生-Fe料

式中：44為CO2的分子量。

FeH2(56/2)H2還αrH2=--------=----------------------Fe全

Fe生-Fe料式中：α，高爐下部參與還原FeO的H2的百分?jǐn)?shù)，一般α≥85%。H2還=H2總-H2煤氣鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分一般情況下，氫在高爐內(nèi)的利用率η為30%至50%，即：H2還=(30-50)%H2總所以：

（56/2）［H2燃+(2/18)(H2O風(fēng)+H2O噴)］ηH2αrH2=--------------------------------------------------------------Fe生-Fe料式中：H2燃：入爐各種燃料帶入的H2量，kg/t鐵。

H2O風(fēng)、H2O噴：分別為鼓風(fēng)和噴吹物含水量，kg/t鐵。

ηH2=30%-50%，α=85%鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分rd的簡(jiǎn)易計(jì)算法：C氧-C風(fēng)-CSi+Mn+P-C石灰石

rd=---------------------------------(12/56)(Fe生-Fe料)式中:C氧=C焦+C煤-C生-C塵氧化的總碳量，kg/t-生鐵。

CSi+Mn+P：Si、Mn、P直接還原消耗的碳量，kg/t-生鐵。

C石灰石：石灰石分解CO2與C作用所消耗的碳，kg/t-生鐵。

C風(fēng)：風(fēng)口區(qū)燃燒的碳量，kg/t-生鐵。按C、N2平衡原理算出鼓風(fēng)消耗量來(lái)計(jì)算，煤氣分析要準(zhǔn)確。3、高爐直接還原度Rd

定義：高爐冶煉過(guò)程中，直接還原奪取的氧量O直與還原過(guò)程奪取的總氧量O總的比值，用Rd表示。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分O直

0.5CO+CO2-βN2-0.5CO20.5(CO+CO2)-βN2Rd=----------=-------------------------------=--------------------------O間+O直

0.5CO+CO2-βN20.5CO+CO2-βN2

CO、CO2、N2煤氣中相應(yīng)組成的含量。

0.21(1-f)+0.5fβ：氧氮比，β=--------------------（f：空氣中水分含量，％）

0.79(1-f)鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分三、直接還原和間接還原對(duì)燃料比的影響

1、還原劑的碳量消耗

(1)直接還原：FeO+C==Fe+COCd=(12/56)rd(Fe生-Fe料)=0.214rd(Fe生-Fe料)(2)間接還原：FeO+CO==Fe+CO2Ci=(12/56)ri(Fe生-Fe料)n=0.214(1-rd)(Fe生-Fe料)nn：過(guò)剩系數(shù)由于Fe3O4和FeO的間接還原是可逆的，反應(yīng)平衡時(shí)的氣相組成中CO/CO2保持有一定的比例，為了使還原反應(yīng)不斷進(jìn)行下去，必須使氣相CO濃度超過(guò)平衡濃度才行。即CO過(guò)剩才行。此時(shí)，Ci為理論上的最低需求量。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分(3)n的計(jì)算

高爐為一逆流反應(yīng)器，F(xiàn)eO來(lái)自爐子上部Fe3O4的間接還原，而還原Fe3O4的氣相成分則來(lái)自爐子下部還原FeO后的氣相組成。因此該氣相組成應(yīng)滿足Fe3O4還原所需CO過(guò)剩量的要求。

FeO+n1CO==Fe+CO2+(n1-1)CO

Kp1=%CO2/%CO=1/(n1-1)(根據(jù)△G°計(jì)算Kp1值即可求得)n1=1+(1/Kp1)=1+(%CO/%CO2)=f(T)

=100/%CO2鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分

例：700℃時(shí)：平衡%CO2=40%，%CO=60%，則n1=2.5,還原FeO后的煤氣再上升還原Fe3O4

1/3Fe3O4+CO2+(n1-1)CO==FeO+4/3CO2+(n1-4/3)COKp1=%CO2/%CO=(4/3)/(n1-4/3)Kp2=(4/3)/(n2-4/3)

＝＝＞(4/3)/(n1-4/3)＝1/(n2-1)

n2=(4/3)×(1+1/Kp2)=f(T)2、發(fā)熱劑的碳量消耗

直接還原：還原劑消耗碳量少，發(fā)熱劑消耗碳量多。間接還原：還原劑消耗碳量多，發(fā)熱劑消耗碳量少。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分熱消耗Q=熱收入=QCO2+QCO+Q風(fēng)+Q渣式中：QCO2：生成CO2產(chǎn)生的熱量。QCO2=CCO2×qCO2，qCO2=33390J/kg-CQCO：生成CO產(chǎn)生的熱量。QCO=CCO×qCO，qCO=9791J/kg-CQ風(fēng)：鼓風(fēng)帶入高爐的熱量。

Q渣：成渣熱。

CCO2：生成CO2的碳。

CCO：生成CO的碳。Q-23599(1.5-rd)(Fe生-Fe料)×0.214C熱=--------------------------------------------

9791+q風(fēng)+q渣鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分式中：Q：高爐內(nèi)的熱消耗。

q風(fēng)：鼓風(fēng)的熱容。

q渣：成渣物質(zhì)的熱容。

Q、rd升高，則C熱也升高。見(jiàn)圖5-2(P193)

提高品位，降低消耗，則CBD曲線向下平移。3、降低燃料比的措施(1)減少熱量消耗Q。包括提高品位、降低渣量、降低焦炭和煤中的灰分、降低鼓風(fēng)中的水分，減少石灰石的加入量。

(2)提高q風(fēng)，即提高風(fēng)溫。

(3)降低rd，rd降低0.1，則燃料比降低50kg/t。包括生產(chǎn)高還原性的燒結(jié)礦和球團(tuán)礦、改善高爐操作、富氧鼓風(fēng)。

(4)噴吹燃料，發(fā)熱。

(5)改善氫的利用。rH2升高則rd降低。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分

氫還原的特點(diǎn)：1)810℃以上還原能力比CO強(qiáng)2)吸熱3)原子半徑小，擴(kuò)散能力強(qiáng)，是3.74倍。4)導(dǎo)熱性能好，為CO的7至10倍。5)粘度系數(shù)小，有利于降低壓差。

6)溫度很高會(huì)發(fā)生分解，

H2==2H△H=436±4kJ/mol2000℃以上激烈的吸熱反應(yīng)。限制溫度升高，又起到均勻爐缸溫度的作用。H2是很好的還原劑，但高爐中很少使用。因?yàn)镠2生成H2O(氣)，而H2O(氣)＋C→水煤氣鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分氫利用率及其計(jì)算

H2還

H2O煤理論上：

ηH2=-------

--=----------------×100%H2總

H2煤+H2O煤

公式不準(zhǔn)確，原因是H2O煤包括了爐料吸附水，分析不準(zhǔn)。

(2/22.4)V煤(H2煤+2CH4煤)計(jì)算式：

ηH2=[1------------------------------------------]×100%H2風(fēng)+H2燃+H2晶+H2焦上式中：

V煤：1噸生鐵的煤氣量，m3/t。

H2煤、CH4煤：煤氣成分。

H2風(fēng)、H2燃、H2晶、H2焦：鼓風(fēng)、燃料、結(jié)晶水、揮發(fā)分中H2的重量。即入爐總氫量，Kg/t。當(dāng)100%熟料時(shí)，H2晶=0鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分1)噴吹燃料。煤氣中H2含量升高，ηH2也升高；當(dāng)H2含量達(dá)到一定值時(shí)，ηH2不變。2)生產(chǎn)高還原性的燒結(jié)礦和球團(tuán)礦。3)富氧鼓風(fēng)4)提高爐缸溫度提高氫利用率ηH2和ηCO的關(guān)系(ηH2：H2利用率，ηCO：CO利用率)CO2+H2=CO+H2O水煤氣反應(yīng)

PCO×PH2OKp=-------------------810℃時(shí),Kp=1PCO2×PH2

鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分PH2OPCO2

得：

Kp=------=--------×Kp→ηH2＝ηCO×KpPH2

PCO

即ηH2升高，ηCO也升高。四、鐵氧化物還原的動(dòng)力學(xué)1、鐵氧化物還原的動(dòng)力學(xué)模型未反應(yīng)核模型2、加速鐵礦石還原的條件(1)改善鐵礦石條件

1)提高孔隙度，增加小氣孔。

2)縮小礦石粒度，下限取決于料層透氣性。

3)發(fā)展合理的礦物組成。Fe2O3比Fe3O4好，原因是Fe2O3還原到Fe3O4時(shí)會(huì)發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，體積膨脹，產(chǎn)生氣孔。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分4)提高礦石的軟化溫度。

5)礦石中的雜質(zhì)：堿性氧化物促進(jìn)還原，酸性抑制還原。

6)還原過(guò)程中的體積變化，適當(dāng)，過(guò)大不利于透氣性。

(2)控制煤氣流條件

1)煤氣成分：提高CO、H2含量。CO、H2含量升高，有利于還原，N2含量高不利于還原，它是載熱體。

2)煤氣溫度：升高溫度有利于還原，但有反常現(xiàn)象。一是400℃-600℃，CO=CO2+C，碳黑沉積，堵塞氣孔。二是900℃-1100℃，礦石軟化，堵塞氣孔。

3)煤氣流速，有利于外擴(kuò)散。提高煤氣流速對(duì)還原速度無(wú)影響，煤氣利用降低，焦比升高。

4)煤氣壓力：CO2+C=CO煤氣壓力升高，抑制直接還原的開(kāi)始，擴(kuò)大了間接還原區(qū)，有利于反應(yīng)。

5)氣流分布：均勻有利于還原。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分五、難還原物質(zhì)和非鐵元素的還原1、硅酸鹽的還原（1）2FeO·SiO2的特點(diǎn)：熔點(diǎn)低，1150℃-1250℃，間接還原困難；結(jié)構(gòu)致密，氣孔率低，內(nèi)擴(kuò)散困難。（2）2FeO·SiO2的來(lái)源：高FeO燒結(jié)礦，高SiO2燒結(jié)礦，低堿度燒結(jié)礦。（3）還原反應(yīng)：Fe2SiO4+2C=2Fe+SiO2+2CO,直接還原，強(qiáng)吸熱反應(yīng)。（4）改善還原：提高爐渣堿度；提高爐缸溫度。因此：要生產(chǎn)高堿度、高還原性、低FeO的燒結(jié)礦。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分2、Mn的還原（1）高爐內(nèi)Mn的分配。Mn是難還原元素，不能完全還原。煉鋼生鐵：生鐵：40-50%，爐渣：<40%，煤氣：5-10%

鑄造生鐵：生鐵：50-60%，爐渣：<30%，煤氣：5-10%

錳鐵：生鐵：70-80%，爐渣：<10%，煤氣：8-20%

煉鋼生鐵對(duì)Mn含量不作要求。（2）Mn氧化物的還原規(guī)律。

COCOCOCMnO2→Mn2O3→Mn3O4→MnO→MnH2H2H2MnO2→Mn2O3→Mn3O4比較容易還原，比相應(yīng)的鐵氧化物容易還原。

Mn3O4→MnO可逆反應(yīng)，需過(guò)量的CO才能進(jìn)行。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分MnO→Mn要比FeO→Fe困難得多，只能用C還原，1400℃以上。MnO+C=Mn+CO強(qiáng)吸熱反應(yīng)。提高溫度有利于Mn的還原。煉錳鐵的焦比達(dá)到1000kg/t左右，是煉鋼生鐵的1.5至2倍。

MnO與SiO2結(jié)合成MnSiO3（熔點(diǎn)為1291℃）比MnO更難還原。進(jìn)入爐渣中。

(MnO)+C=[Mn]+CO（3）影響Mn還原的因素：足夠高的爐缸溫度。高風(fēng)溫、富氧、焦比高；提高爐渣堿度。會(huì)導(dǎo)致?tīng)t渣粘度升高，添加一些MgO、MnO等堿性物質(zhì)，降低爐渣粘度；高品位。Fe、SiO2、S、P低。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分3、硅的還原(1)生鐵對(duì)Si的要求:

煉鋼生鐵：要求[Si]<0.6%，部分條件下0.2-0.3%。

鑄造生鐵：要求[Si]=1.25%至4%。鐵水流動(dòng)性硅鐵：要求[Si]高，但高爐冶煉的硅鐵[Si]<20%。原因是Si比Mn更難還原。(2)硅還原規(guī)律：

SiO2比較穩(wěn)定，還原只能直接還原。（SiO2）+C=[Si]+2CO△G0=596400-394.28TJ/mol1400℃-1500℃，Si開(kāi)始還原，[Si]升高1%，則焦比提高40至50kg/t。生鐵中的[Si]平衡濃度與鐵水溫度有近似直線關(guān)系，溫度升高，則[Si]提高，1500℃時(shí)，生鐵中的[Si]平衡濃度為3.3%。[Si]代替爐溫有依據(jù)，但不完全準(zhǔn)確。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分(3)Si還原的途徑：

1）氣相還原：(SiO2)=SiOg+1/2O2SiOg+[C]=[Si]+COSiOg+C焦=[Si]+CO

動(dòng)力學(xué)條件非常優(yōu)越，高爐解剖發(fā)現(xiàn)風(fēng)口以上Si含量很高。

2）渣相還原：(SiO2)+2C=[Si]+2CO(4)Si還原的條件：

1）足夠高的爐缸溫度。高風(fēng)溫、富氧。爐溫高則難行，SiO揮發(fā)。焦比高，硅鐵焦比是煉鋼生鐵焦比的2至2.5倍，鑄造生鐵焦比比煉鋼生鐵焦比高5%至30%。

2）降低爐渣堿度，酸性渣，SiO2的活度高。

3）選擇原料，渣量大，焦炭灰分高。鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分4、P的還原

(1)存在形式：(CaO)3P2O5磷酸鈣和(FeO)3P2O5

蘭鐵礦。1200℃以上開(kāi)始還原：

(CaO)3P2O5+10C+3SiO2=(CaO)3SiO2+4P+10COSiO2和Fe的存在有利于P的還原。

(2)P還原100%進(jìn)入生鐵原因：1)SiO2和Fe的存在，有利于P的還原。

2)P氣化，促進(jìn)還原反應(yīng)進(jìn)行，化工回收。

3)P2O5揮發(fā)，同C的接觸條件好。

4)高爐內(nèi)是強(qiáng)還原氣氛圍，高堿度爐渣，可去掉20%至30%的P。

(3)高P鐵礦的利用：選礦、燒結(jié)和高爐冶煉都難去P.1)冶煉部分鑄造鐵。