铁冶金学——第四章 高炉内物理化学反应2
冶金学院钢铁冶金学炼铁部分炼铁学第四章
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第4章：高炉中的传输现象
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炉料下降的条件
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第4章：高炉中的传输现象
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炉料下降的条件
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影响炉料下降的因素
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第4章：高炉中的传输现象
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影响炉料下降的因素
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第4章：高炉中的传输现象
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煤气沿高炉截面的分布
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第4章：高炉中的传输现象
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第4章：高炉中的传输现象
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欧根公式
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对欧根公式的分析
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第4章：高炉中的传输现象
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充液散料层的流体力学现象
铁冶金学——第四章 高炉内物理化学反应2
4.1 高炉炼铁还原热力学
4.3 造渣与脱硫
4.1 高炉炼铁还原热力学
4.3.3 高炉渣组成和性质及其对冶炼的影响 一、高炉渣的组成
高炉中凡没有或不能进入生铁的熔融物质都全部转入炉渣。
由表6-1可见，高炉渣主要由SiO2、Al2O3、CaO、MgO四种 组分组成。在用普通矿冶炼炼钢生铁的情况下，它们之和
4.3 造渣与脱硫
4.1 高炉炼铁还原热力学
三、炉渣性质及其对冶炼的影响 炉渣的性质及其化学成分密切相关，其中碱度对渣的性质 有很大影响。直接影响高炉冶炼的炉渣性质有熔化温度、 熔化性温度、粘度、稳定性和脱硫性能等。一般希望高炉 渣具有适宜的熔化性，较小的粘度，良好的稳定性和较高 的脱硫能力。炉渣的这些性质在冶金热力学和动力学中已 经讲过了，这里着重讨论它们对高炉冶炼的影响。
质基本稳定，变化不大。经风口区再氧化的铁及其它元素
在这里又可能还原到铁水中，使渣中FeO含量降低。铁水穿 过渣层和渣铁界面发生的脱硫反应使渣中CaS有所增加。一 般所说的高炉渣系指终渣。终渣对控制生铁成分，保证生
铁质量有重要影响。终渣应是预期的理想炉渣。若有不当，
应在实践中通过配料调整，使其达到适宜成分。
4.3 造渣与脱硫
4.1 高炉炼铁还原热力学
4.3.2 高炉造渣过程和软熔带的形成 现代高炉多用熔剂性熟料冶炼，基本上不直接加入熔剂。 由于在烧结（或球团）生产过程中熔剂已事先矿化成渣， 这就大大改善了高内造渣过程。 高炉渣按其形成过程有初渣、中间渣和终渣之分。 初渣是指在高炉的适当温度区域（软熔带，图6-2）刚开始 出现的液相炉渣；中间渣是指在处于滴落过程中成分、温 度在不断变化的炉渣（国外称炉腹渣）；终渣是指已经下 达炉缸，并周期的从炉内排出的炉渣。
2.高炉炼铁过程的物理化学变化2010
实际rd更小，0.4－0.6 rd↓0.1,焦比50Kg↓ 措施：高风温，喷吹，精料
不同rd下还原剂的耗C量
2.2.3 气固相还原反应的动力学
研究目的 发展间接还原，提高冶炼效率，降低燃料消耗 研究历史 二部理论
1926年苏联学者Байков提出： MO＝M+1/2O2 O2+CO(或H2)＝CO2(或H2O) 存在的问题：
分解
结晶水 强烈分解温度：400℃～600℃。 影响：一般不影响高炉过程，有20％可能进入高温 区（800℃） H2O+C＝H 2+CO
碳酸盐
来源： MnCO3，FeCO3，MgCO3，CaCO3 影响：MnCO3，FeCO3，MgCO3分解对高炉影响不大 CaCO350％～70％进入高温区分解，耗碳 CO2十C＝2CO
1—4Fe3O4十O2＝6 Fe2O3 2—6 FeO十O2＝2 Fe3O4 3—2 CO十O2＝2 CO2 4—2Fe十O2＝2FeO 5一C十O2＝CO2 6—2C十O2＝2CO 7—2H2十O2＝2H2O 8—3/2Fe十O2＝1/2 Fe3O4 Fe2O3最不稳定， Fe3O4次之，FeO最稳定 小于950K时，还原能力CO＞H2＞C，高于此温度情况相反 标准状态下，FeO不能被CO和H2还原
2.2 还原过程
2.2.1 铁的氧化物及其特性
Fe: 温度911℃:α -Fe 体 心立方 温度>911℃ β -Fe 面心立方(不锈钢) γ -Fe 体心立方 浮土体：Fe++缺位的晶体, 以 FexO表示, O=23.16－ 25.60%, 温度＜570℃时， FexO将分解为Fe3O4＋Fe Fe3O4: 理论含O量27.64%, 温度高于800℃时，也有溶 解O2，或Fe++缺位的现象。 Fe2O3 理论含O量为30.06%, ＞1457℃时 , Fe2O3→ Fe3O4十O2 (体积增大)
铁冶金学——第四章 高炉内物理化学反应1
式中：、——分别为B和Me与1molO2结合成氧化物的标准 生成自由能。
4.1.1 氧化物还原的一般原理
4.1 高炉炼铁还原热力学
图4-1例举了高炉中常见氧化物的标准生成自由能变化 （对1molO2而言）及其与温度的关系，可用它来判断 还原反应的方向和难易，并选择适宜的温度条件。图41中的各条线称为氧势线。氧势线位置愈低的氧化物， 其值愈小，愈难还原。凡是在铁氧势线以下的物质单质 都可用来还原铁氧化物。例如Si就可还原FeO。如果两 直线有交点，则交点温度即为开始还原温度。高于交点 温度，则是下面的单质能还原上面的氧化物；低于交点 温度，则反应逆向进行。如两直线在图中无交点，那么 下面的单质能还原上面的氧化物。
4.1 高炉炼铁还原热力学
4.1.2 铁氧化物的还原的一般规律
高炉下部铁氧化物的直接还原反应的进行取决于碳 的气化反应（4-13）和（4-15）的发展（即气化反 应的迟早和速率）。而碳的气化反应的发展则决定 于温度和焦炭本身的反应性。焦炭反应性愈好，碳 的气化反应可提前在较低的温度下进行，则直接还 原反应发展的早，进行的快，高炉内直接还原区扩 大。相反，焦炭反应性较差时，碳的气化反应需要 在更高的温度下进行，则直接还原反应发展的晚， 进行得慢，即直接还原区向高温区收缩。一般希望 适当扩大间接还原区，缩小直接还原区。因此，使 用反应性较差的焦炭反而有利。
4.1.1 氧化物还原的一般原理
4.1 高炉炼铁还原热力学
然而，还原剂的选择还必须适应大规模工业生 产的需要和经济效益的要求。显然在高炉中不 能用比铁昂贵的Al、Mg、Ca、Si、Mn来作为 还原剂。它们作为还原剂是不经济的。
C、CO和H2是高炉炼铁适宜的还原剂。它们由 原料带来，兼有热能和化学能的双重职能，焦
高炉炼铁的反应原理
高炉炼铁的反应原理高炉炼铁是指利用高炉设备进行铁矿石的还原冶炼，是铁矿石冶炼的主要方法之一。
在高炉内，铁矿石经过还原反应，最终得到铁水和炉渣两种产物。
高炉炼铁的反应原理涉及多种物理、化学过程，下面将详细介绍其反应原理。
首先，高炉炼铁的反应原理涉及到铁矿石的还原反应。
在高炉内，将煤焦炭和铁矿石一起投入，并加入空气进行燃烧。
在高炉内，煤焦炭经过燃烧产生的一氧化碳和二氧化碳，与铁矿石发生还原反应，将铁矿石中的氧气还原成铁。
还原反应的化学方程式如下：Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2。
其中，Fe2O3代表铁矿石，CO代表一氧化碳，Fe代表铁，CO2代表二氧化碳。
从化学方程式中可以看出，一氧化碳与铁矿石中的氧气发生反应，生成了铁和二氧化碳。
其次，高炉炼铁的反应原理还涉及到炉渣的生成。
在高炉内，煤焦炭燃烧产生的炉渣与铁矿石中的杂质发生化学反应，生成炉渣。
炉渣是一种硅酸盐，其主要成分是SiO2、Al2O3、CaO等。
炉渣的生成有利于将铁矿石中的杂质吸附在炉渣中，从而提高铁的纯度。
此外，高炉炼铁的反应原理还涉及到燃料的燃烧反应。
在高炉内，煤焦炭与空气进行燃烧，产生的热量用于提供高炉的热能。
燃料的燃烧反应主要是碳与氧气发生化学反应，生成二氧化碳和一氧化碳。
燃料的燃烧反应提供了高炉冶炼所需的高温热能。
综上所述，高炉炼铁的反应原理主要涉及到铁矿石的还原反应、炉渣的生成和燃料的燃烧反应。
通过这些物理、化学过程，铁矿石最终被还原成铁，并且炉渣将铁矿石中的杂质吸附，从而得到高纯度的铁水。
高炉炼铁的反应原理是高炉冶炼的基础，了解其原理有利于提高高炉冶炼的效率和质量。
(完整)炉料在高炉中的化学反应
【本章学习要点】本章学习炉料在高炉内的物理化学变化,高炉内铁氧化物的还原反应，高炉内非铁元素的还原，生铁的生成与渗碳过程，高炉炉渣的成分与作用，硫的分布情况，炉渣脱硫反应及其条件，高炉内燃烧反应的作用，影响燃烧带大小的因素，炉料和煤气运动情况。
第一节炉料在炉内的物理化学变化炉料从炉顶装入高炉后，自上而下运动。
被上升的煤气流加热，发生了吸附水的蒸发、结晶水的分解、碳酸盐的分解、焦炭中挥发分的挥发等反应。
图3-1 炉内的状况一、高炉炉内的状况通过国内外高炉解剖研究得到如图3—1所示的典型炉内状况。
按炉料物理状态，高炉内大致可分为五个区域或称五个带：1)炉料仍保持装料前块状状态的块状带；2)矿石从开始软化到完全软化的软熔带；3)已熔化的铁水和炉渣沿焦炭之间的缝隙下降的滴落带；4)由于鼓风动能的作用，焦炭作回旋运动的风口带；5)风口以下，贮存渣铁完成必要渣铁反应的渣铁带。
高炉解剖肯定了软熔带的存在。
软熔带的形状和位置对高炉内的热交换，还原过程和透气性有着极大的影响。
二、水分的蒸发与结晶水的分解在高炉炉料中，水以吸附水与结晶水两种形式存在。
1．吸附水吸附水也称物理水，以游离状态存在于炉料中。
常压操作时，吸附水一般在105℃以下即蒸发，高炉炉顶温度常在250℃左右，炉内煤气流速很快，因此吸附水在高炉上部就会蒸发完。
蒸发时消耗的热量是高炉煤气的余热。
所以不会增加焦炭的消耗。
相反，由于吸附水蒸发吸热，使煤气的温度降低，体积缩小，煤气流速降低，一方面减少了炉尘的吹出量，另一方面对装料设备和炉顶金属结构的维护还带来好处。
2．结晶水结晶水也称化合水，以化合物形态存在于炉料中。
高炉炉料中的结晶水一般存在于褐铁矿(nFe203·mH20)和高岭土(A1203·2Si02·2H20)中，结晶水在高炉内大量分解的温度在400～600℃，分解反应如下：这些反应都是吸热反应，消耗高炉内的热量。
三、挥发物的挥发挥发物的挥发，包括燃料挥发物的挥发和高炉内其他物质的挥发。
一 炉料在炉内的物理化学变化 §2.5 高炉冶炼基本原理
（4）喷吹燃料后，喷吹料柱压差普遍升 高，随喷吹量的增加而增加，下部压差增 加较多。
（5）喷吹后生铁含硫量降低，质量提高。
高炉喷吹燃料后，炉渣脱硫能力提高， 允许适当降低生铁含硅量。因此，喷吹更 适于冶炼低硫低硅生铁。
5 富氧鼓风
富氧鼓风工艺流程 1—冷风管；2—流量孔板；3—氧气插入管；4、8—压力表；5、10—截止阀； 6—氧气流量孔板；7—电磁快速切断阀；9—电动流量调节阀；11—放风阀
的F大于零。
显然，某处的F=0时，则该处的炉料 处于悬料状态。
因此，炉料不顺行的现象，不仅可能 在高炉上部或下部出现，也可能在某一截 面上的某一区域出现。
通常情况下，当炉型、原料和操作操 作制度一定时，Q有效变化不大，因此，F的 大小主要受到△P的影响。
△P是煤气流通过高炉料柱时的压力 损失，也即克服摩擦阻力和局部阻力而造 成的压力损失，可近似地看作上升煤气对 下降炉料的浮力。
焦炭作回旋运动；
主要发生碳素的燃烧，产生炉缸煤气，燃烧
释放的热量由炉缸煤气传递 。
（5） 炉缸区 炉缸区内汇集渣铁，进行最后的渣铁反应。
七 炉料下降条件
在高炉冶炼过程中，炉料在炉内的运 动是一个固体散状料的缓慢移动床。炉料 均匀而有节奏地顺利下降，是高炉顺行的 重要标志。
炉料下降的必要条件之一是高炉内必 须不断产生使其下降的自由空间。
量增多，气体粘度减小，煤气渗透能力提高。
（3）炉缸冷化，顶温升高，有热滞后现象。
炉缸冷化是指风口前理论燃烧温度（风口 前燃料燃烧产生的热量全部用于加热燃烧产物所
能达到的温度）降低。
热滞后现象是指高炉增加喷吹量后，由于
入炉总燃料量增加，炉温本应升高。但在喷吹之
初，炉缸温度不升反而暂时下降，过一段时间后， 炉缸温度才上升的一种现象。
炉料在高炉中的化学反应
【本章学习要点】本章学习炉料在高炉内的物理化学变化,高炉内铁氧化物的还原反应，高炉内非铁元素的还原，生铁的生成与渗碳过程，高炉炉渣的成分与作用，硫的分布情况，炉渣脱硫反应及其条件，高炉内燃烧反应的作用，影响燃烧带大小的因素，炉料和煤气运动情况。
第一节炉料在炉内的物理化学变化炉料从炉顶装入高炉后，自上而下运动。
被上升的煤气流加热，发生了吸附水的蒸发、结晶水的分解、碳酸盐的分解、焦炭中挥发分的挥发等反应。
图3-1 炉内的状况一、高炉炉内的状况通过国内外高炉解剖研究得到如图3—1所示的典型炉内状况。
按炉料物理状态，高炉内大致可分为五个区域或称五个带：1)炉料仍保持装料前块状状态的块状带；2)矿石从开始软化到完全软化的软熔带；3)已熔化的铁水和炉渣沿焦炭之间的缝隙下降的滴落带；4)由于鼓风动能的作用，焦炭作回旋运动的风口带；5)风口以下，贮存渣铁完成必要渣铁反应的渣铁带。
高炉解剖肯定了软熔带的存在。
软熔带的形状和位置对高炉内的热交换，还原过程和透气性有着极大的影响。
二、水分的蒸发与结晶水的分解在高炉炉料中，水以吸附水与结晶水两种形式存在。
1．吸附水吸附水也称物理水，以游离状态存在于炉料中。
常压操作时，吸附水一般在105℃以下即蒸发，高炉炉顶温度常在250℃左右，炉内煤气流速很快，因此吸附水在高炉上部就会蒸发完。
蒸发时消耗的热量是高炉煤气的余热。
所以不会增加焦炭的消耗。
相反，由于吸附水蒸发吸热，使煤气的温度降低，体积缩小，煤气流速降低，一方面减少了炉尘的吹出量，另一方面对装料设备和炉顶金属结构的维护还带来好处。
2．结晶水结晶水也称化合水，以化合物形态存在于炉料中。
高炉炉料中的结晶水一般存在于褐铁矿(nFe203·mH20)和高岭土(A123·2Si02·2H20)中，结晶水在高炉内大量分解的温度在400～600℃，分解反应如下：这些反应都是吸热反应，消耗高炉内的热量。
三、挥发物的挥发挥发物的挥发，包括燃料挥发物的挥发和高炉内其他物质的挥发。
高炉炼铁的原理化学方程式
高炉炼铁的原理化学方程式
高炉炼铁是由人类发明开发出来的一种·炼铁工艺，主要用于将
铁矿石或者铁锰矿等有色金属精炼成可化学利用的铁。
在实际过程中，高炉的原理主要是氧化法。
即将铁矿石和炉料（煤等）加入高炉，在
高温环境下，通过炉料向铁矿石以氧气为介质，从而使得铁矿石与炉
料中的碳通过化学反应，形成铁和水（碳因燃烧而生成的），并且再
利用炉内某些部分产生的氮，氢，氧等气体，与铁氧化的二氧化碳形
成的酸，进行凝结和反应，使得铁矿石（Fe₂O₃）发生氧化还原反应，从而得到纯铁。
这个过程的化学方程式如下：铁矿石（Fe₂O₃）+炉料（C）--
＞Fe+3CO₂+炉渣（SiO₂）；3CO₂+N₂+H₂O--＞CO+2H₂O+CO₂；
2FeO+CO--＞2Fe+CO₂；2FeO+H₂--＞2Fe+H₂O；Fe₂O₃+3CO--＞
2Fe+3CO₂。
从化学方程式可以看出，在高炉炼铁过程中，首先将铁矿石和炉
料加入到高温环境下高炉炉内，铁矿石和炉料发生化学反应，形成铁
和碳的氧化物和炉渣，随后，炉内的碳氧化物和氮氢氧等气体发生反应，原始的铁矿石发生氧化还原反应，最终得到纯铁。
因此可以得出
结论：因为氧化法的精确比度和温度控制，使得高炉炼铁可以得到质
量较高的纯铁。
炼铁原理解析高炉内燃烧反应与炉渣生成的热力学分析
炼铁原理解析高炉内燃烧反应与炉渣生成的热力学分析炼铁是将铁矿石等原料在高温高压的条件下通过还原反应得到纯净铁的过程。
而高炉是炼铁的主要设备，其中内部的燃烧反应与炉渣生成是影响炼铁效率和产品质量的关键因素。
本文将对高炉内燃烧反应与炉渣生成的热力学分析进行详细解析。
一、高炉内燃烧反应高炉内的燃烧反应主要由燃料和空气的混合燃烧产生。
燃料通常使用焦炭，其中主要的燃烧反应是焦炭与空气中的氧气发生氧化反应，生成一氧化碳和二氧化碳。
这个反应的示意方程式为:C + O2 -> CO2C + 1/2O2 -> CO在高炉内部，由于高温和适量的还原剂存在，一氧化碳可以进一步与铁矿石中的氧化铁反应，得到纯净的金属铁。
这个反应示意方程式为:Fe2O3 + 3CO -> 2Fe + 3CO2燃烧反应不仅产生了炼铁所需的还原剂一氧化碳，还释放出大量的热能，提供了高炉内部升温和熔化矿石的能量。
二、炉渣生成的热力学分析在高炉内，炼铁过程中不可避免地产生大量的炉渣。
炉渣是由矿石中的非金属物质和燃料中的灰份等杂质在高温下熔化形成的。
炉渣的主要成分是氧化物和硅酸盐。
其中，炉渣中的主要氧化物包括SiO2、FeO、Al2O3等。
它们的生成需要满足化学反应的热力学条件，例如以下反应:SiO2 + 2C -> Si + 2CO2FeO + SiO2 -> Fe2SiO4这些反应在高温下进行，其产物成为固态的炉渣。
此外，炉渣中还含有一部分未完全熔化的矿石残渣和炭质杂质等。
炉渣的生成与燃烧反应有密切的关系，在高炉内有利于保护炉衬和促进燃料的燃烧。
炉渣对于炼铁过程具有重要作用。
首先，它能与金属铁形成液滴状，并与气体相分离，保护金属铁免受气体的侵蚀。
其次，炉渣中的某些成分能吸附铁矿石和冶金还原产物中的杂质，促进冶金反应的进行。
此外，炉渣还能降低金属铁的熔点，有利于金属铁的收集和流动。
因此，合理控制炉渣的生成和组成对于炼铁工艺的顺利进行和炼铁产品质量的提高至关重要。
高炉内的物理化学反应
【本章学习要点】本章学习炉料在高炉内的物理化学变化,高炉内铁氧化物的还原反应，高炉内非铁元素的还原，生铁的生成与渗碳过程，高炉炉渣的成分与作用，硫的分布情况，炉渣脱硫反应及其条件，高炉内燃烧反应的作用，影响燃烧带大小的因素，炉料和煤气运动情况。
第一节炉料在炉内的物理化学变化炉料从炉顶装入高炉后，自上而下运动。
被上升的煤气流加热，发生了吸附水的蒸发、结晶水的分解、碳酸盐的分解、焦炭中挥发分的挥发等反应。
图3-1 炉内的状况一、高炉炉内的状况通过国内外高炉解剖研究得到如图3—1所示的典型炉内状况。
按炉料物理状态，高炉内大致可分为五个区域或称五个带：1)炉料仍保持装料前块状状态的块状带；2)矿石从开始软化到完全软化的软熔带；3)已熔化的铁水和炉渣沿焦炭之间的缝隙下降的滴落带；4)由于鼓风动能的作用，焦炭作回旋运动的风口带；5)风口以下，贮存渣铁完成必要渣铁反应的渣铁带。
高炉解剖肯定了软熔带的存在。
软熔带的形状和位置对高炉内的热交换，还原过程和透气性有着极大的影响。
二、水分的蒸发与结晶水的分解在高炉炉料中，水以吸附水与结晶水两种形式存在。
1．吸附水吸附水也称物理水，以游离状态存在于炉料中。
常压操作时，吸附水一般在105℃以下即蒸发，高炉炉顶温度常在250℃左右，炉内煤气流速很快，因此吸附水在高炉上部就会蒸发完。
蒸发时消耗的热量是高炉煤气的余热。
所以不会增加焦炭的消耗。
相反，由于吸附水蒸发吸热，使煤气的温度降低，体积缩小，煤气流速降低，一方面减少了炉尘的吹出量，另一方面对装料设备和炉顶金属结构的维护还带来好处。
2．结晶水结晶水也称化合水，以化合物形态存在于炉料中。
高炉炉料中的结晶水一般存在于褐铁矿(nFe203·mH20)和高岭土(A1203·2Si02·2H20)中，结晶水在高炉内大量分解的温度在400～600℃，分解反应如下：这些反应都是吸热反应，消耗高炉内的热量。
三、挥发物的挥发挥发物的挥发，包括燃料挥发物的挥发和高炉内其他物质的挥发。
炼铁原理探究高炉内氧化反应的热力学特性及其应用
炼铁原理探究高炉内氧化反应的热力学特性及其应用炼铁是一项重要的金属冶炼过程，通过高炉内的氧化反应，将铁矿石中的铁与氧发生反应，从而获得纯净的铁。
研究高炉内氧化反应的热力学特性对于提高炼铁工艺流程和冶金技术具有重要意义。
本文将探究高炉内氧化反应的热力学特性，并分析其在炼铁工业中的应用。
一、高炉内氧化反应的热力学特性高炉内的氧化反应主要包括还原反应和氧化反应两个方面。
还原反应是指将铁矿石中的氧化铁还原为金属铁的过程，而氧化反应则是指与空气中的氧气反应产生热量的过程。
在高炉中，这两种反应同时进行，相互促进，共同完成铁的提取。
在高炉内的还原反应中，铁矿石中的氧化铁与碳反应生成纯铁和CO2。
这个反应可以用如下的化学方程式表示：Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO↑该反应是一个放热反应，可以从中释放出大量的热能。
此外，还原反应会产生一定量的一氧化碳，并且该一氧化碳会继续参与氧化反应。
高炉内的氧化反应主要是铁矿石中的铁与空气中的氧发生反应。
氧化反应的两种典型反应是铁与氧的直接反应和CO与氧的间接反应。
反应方程式如下：2Fe + O2 → 2FeO2CO + O2 → 2CO2其中，氧化铁与一氧化碳之间的反应是一个快速进行的反应，而铁与氧的直接反应速率较慢。
通过研究高炉内氧化反应的热力学特性，可以明确反应过程中的热量变化和能量转化情况。
这有助于优化炼铁过程的能量利用效率，并提高炉渣的产出质量。
二、高炉内氧化反应的应用1. 提高炼铁效率研究高炉内氧化反应的热力学特性可以帮助优化炼铁工艺和提高炼铁效率。
通过控制反应过程中的温度、压力和反应速率等参数，可以实现炉渣的良好流动性和金属铁的高纯度。
此外，优化反应条件还可以减少能源消耗，提高炼铁的经济效益。
2. 改善炉渣特性炉渣是炼铁过程中产生的一种副产物，它具有降低铁的融点和粘度，以及吸收硫等杂质的作用。
通过研究高炉内氧化反应的热力学特性，可以调整反应条件，优化炉渣的成分和性质，提高其对金属铁和杂质的吸附能力。
钢铁冶金2PPT课件
4.2.3 烧结料层的废气组成及影响因素
(3)烧结料层中一般空气过剩系数较高(常为1.4～1.5)，故废 气中均含一定数量的氧。
一般来说，碳的燃烧在较低温度和氧含量较高的条件下，以 生成CO2为主；在较高温度和氧含量较低的条件下，以生成CO 为主。烧结废气中，碳的氧化物是以CO2为主，只含少量的CO。
图4－2 在烧结试验过程测得废气中的 氧气、二氧化碳和一氧化碳的变化
的氧化物、碳酸盐、硫化物的分解；
④ 燃烧带：燃料燃烧，液相熔体生成，
高温分解；
⑤ 干燥预热带：挥发，分解，氧化还原，
水分蒸发；
图4－1 烧结过程的解剖
⑥ 水分冷凝带：水汽冷凝。
1－烧结盘；2－炉篦；3－废气出口；
4－煤气点火器；5－铺底料
带式烧结机抽风烧结过程的分层性
烧结矿层
燃烧层
预热层 干燥层 湿料层 铺底料层
（1）氧通过边界层扩散到固体碳的表面； （2）氧在碳粒表面吸附； （3）吸附的氧与碳发生化学反应； （4）反应产物的解吸； （5）反应产物由碳粒表面的边界层向气相中扩散。
为了建立碳粒燃烧速率方程，假设上述五个步骤中氧向碳 粒表面的扩散和氧与碳的化学反应两步的速率最小，这样整 个反应就被（1）、（3）两个步骤控制。
在烧结精矿时(-lmm，其中-0.074mm占30％)，试验表明焦 粉粒度0.5～3mm最好；
试验和生产实践证明，焦 粉中-0.5和+3mm粒级的存 在是不利的。
冶金概论4-高炉冶炼的基本原理(一)
CO 、H2、N2等。
风口前碳素的燃烧温度一般不低于 1500℃。焦炭中的碳除一部分参加直接还
原和渗入生铁外，约有70%的量在风口前
燃烧生成一氧化碳。
燃烧反应供给了高炉气体还原剂和热
量，并使炉缸下部腾出空间、为高炉炉料
下降创造了条件。
当鼓风以很高的速度(100~200m/s)从风口
鼓入高炉时，具有足够的动能吹动风口前的焦炭 块，形成一个比较疏松的袋形空间。
H2/ % 80
6
400，80
8
1300，50
570，72
40
5
7
1300，0.5 800
0
400
1200
温度/℃
图6 H2还原铁氧化物平衡相图
用H2还原铁氧化物的特点：
1) 得到Fe所需H2浓度高（在高炉内，H2将 铁氧化物还原成Fe很困难）。
2）H2还原铁氧化物主要发生在高炉较高
温区域（高炉中部）。
还原反应通式：MeO十X＝Me＋XO
常用还原剂：固体碳C、CO、H2
(2)铁氧化物还原顺序（P61）
由高级向低级、逐级还原： <570℃时：Fe2O3→Fe3O4→Fe
>570℃时：Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe 2.2 铁氧化物的还原过程
(1) 用CO还原铁氧化物
t<570℃时， 3Fe2O3 + CO = 2 Fe3O4 + CO2 +Q Fe3O4 + 4CO 3 Fe + 4CO2 + Q t>570℃时， 3Fe2O3 + CO = 2 Fe3O4 + CO2 +Q Fe3O4 + CO 3FeO + CO2 -Q FeO + CO Fe + CO2 +Q (4)
钢铁冶金学(炼铁)课件第4章
本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 128
防止高炉发生“液泛现象”的对策分析
有人通过化工喷淋塔的实验，找出一个
流体流量比（K） 液泛因子（f）
的对应关系
1
流体流量比
K
=
L G
⎜⎜⎝⎛
ρg ρl
⎟⎟⎠⎞ 2
液泛因子
f
= ω2 g
∗ FS ε3
∗ ρg ρl
∗η 0.2
高炉炉料的特性及在炉内的分布是不同的粒度即各种炉料各不相同，且分布也不均匀
密度
在炉内局部出现气流超过临界速度的状态是可能的
局部“管道行程”
本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 126
本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 127
S＝1－A料ε
＝
6 d0
对 1m3散料有N个球， N＝（6 1－ε）
πd
3 0
[球体积：
1 6
πd
3 0
，
料总体积（1－ε）]
1m3散料的表面积：
A料＝N
*πd
2＝（6 1－ε）
0
d0
故： S＝ 6 d0
即：S与d0成反比 （当炉料粒度越小
时，阻力就越大）
本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 119
煤气流速快
时，
出现煤气把渣铁托住而类似粥开锅时的“液泛现象”
“液泛现象”的危害
高度弥散在渣铁间的气泡，使煤气流阻力大大升高； 被煤气流吹起的渣铁，在上部较低温度区域，有重新 冷凝的危险； 渣铁的重新冷凝，一方面将导致料柱孔隙度降低，煤 气流动受阻。另一方面，可造成炉墙结厚、结瘤，破 坏高炉顺行。
冶金物化第四章
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2019/12/8
4.3三元系相图
引言
我们先用相律对三元系相图作以分析： 独立组元数为3，所以 F=C-P+1=4-P 若相数P＝1（至少），则最大自由度F=3； 若相数F＝0（至少），则最多相数P＝4。
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2019/12/8
4.3三元系相图
4.3.1三元系浓度三角形的性质 浓度三角形的构成：如图4-9所示。 在图中，各字母及线的意义如下： 等边三角形顶点A、B、C分别代表纯物质；A的对边BC代表A成分为零；自A点
R 1RD D 0
其中： R 1 －邻接两个相区边界的维数； R －相图的维数； D －从一个相区进入邻接相区后消失的相数； D －从一个相区进入邻接相区后新出现的相数。
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2019/12/8
4.3相图的基本规则
相区邻接规则的三个推论： 1）两个单相区相毗邻只能是一个点，且为极点。如图4-26所示。
L、L1、L2表示液态溶液；A、B表示固体纯组元； 、 、 表示固溶体（固 体溶液）；M、M1、M2表示A、B间形成的化合物。
二元相图划分： 从体系中发生的相变反应区分，可分为： 1．分解类 共晶反应－液相冷却时分为两个固相，此固相可以是纯组元，也可是固溶体
或化合物。 液态冷却到共晶温度时，发生如下六种类型反应：
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2019/12/8
rG
4.1二元系相图基本类型
G ～T 图及其应用（Ellingham图）
对元素M和氧的反应，可以写成如下标准反应形式（即所有元素都与1m olO2 反 应）：
2yxMO2
4、高炉冶炼基本原理-2
2022/1/13
王瑞祥
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第21页，共110页。
4.3 高炉的还原过程
高炉冶炼用CO,H2和固体碳C作还原剂．
氧化物的还原顺序： 高炉冶炼条件下，各种氧化物由易到难的还原顺
序． CuO→PbO→FeO→MnO→SiO2 →Al2O3→MgO→CaO
王瑞祥
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第9页，共110页。
4.1 .1 高炉中的基本现象和基本规律
软熔带对高炉冶炼的影响
软熔带对高炉中、下部起着煤的预
还原、生铁含硅量、煤气利用、炉缸温度与活跃程度以及对
炉衬的维护等。其中，倒V型（即：Λ）是目前公认的最佳软 熔带。
4.3.1 还原反应的基本原理
高炉冶炼过程基本上就是铁氧化物的还原
过程。金属氧化物的还原反应可以按下面 的通式来表示：
√ MeO+B=BO+Me ±Q
式中 MeO——金属氧化物；B——还原剂；
Me——金属元素； Q——反应热
。
2022/1/13
王瑞祥
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第24页，共110页。
4.3 高炉的还原过程
还原反应是高炉内的最基本反应。炉料从高炉顶 部装入后就开始还原，直到下部炉缸，除风口回旋 区外，几乎贯穿整个高炉冶炼的始终。
高炉内除铁的还原外，还有少量的硅、锰、磷
等元素的还原。
√所谓还原反应，是指利用还原剂夺取金属氧化物
中的氧，使之变为金属或该金属的低价氧化物的反 应。
2022/1/13
王瑞祥
若>1000℃时，结晶水尚未分解完，则分解出来
的水汽与焦炭中的碳发生反应．碳水反应 H2O+C 焦=H2+CO-Q 是吸热反应，而且直接消耗碳，使 焦比升高．
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4.3 造渣与脱硫
4.1 高炉炼铁还原热力学
4.3 造渣与脱硫
4.1 高炉炼铁还原热力学
一、初渣的生成 初渣的生成包括着固相反应、软化、熔融、低落几个阶段。
4.3 造渣与脱硫
4.1 高炉炼铁还原热力学
1、固相反应是初渣生成的孕育阶段 据实验室研究，把粉状CaO和SiO2按摩尔（mol）比值为1.0 的比例混合，置于1100℃的温度下（远低于软化温度）烧结， 可以发现混合物中有硅酸钙生成。温度升至1200℃时，绝 大多数混合物变成了化合物CaO·SiO2。这证明CaO和SiO2 发生了固相反应。此外，CaO、SiO2与Fe2O3，SiO2与FeO， CaO与Al2O3之间在较低温度下都能进行固相反应。事实上 在烧结、球团生产过程中已有固相反应进行。其生成的低
4.3 造渣与脱硫
4.1 高炉炼铁还原热力学
各种矿石有着不同的软化性能。它主要表现在两方面：一 是开始软化温度，二是软化温度区间。矿石在高炉内从开 始软化到熔化滴落，需要一段时间和空间（升温），这就 是所谓软化温度区间（见图6-1）。处于这段空间，即相当 于软熔带（见图6-2）内的矿石，软化、熔融成粘稠状，形 成软熔层（或融着层），并受到上部炉料的压力，因而矿 石之间的空隙度和矿石本身的气孔率大大降低，
4.3 造渣与脱硫
4.1 高炉炼铁还原热力学
4.3.1 造渣的目的和作用 矿石中的脉石和焦炭中的灰分多系SiO2、Al2O3等酸性氧化 物 ， 它 们 各 自 的 熔 点 都 很 高 （ SiO2—1713℃ ， Al2O3— 2050℃左右），不可能在高炉中熔化。即使它们有机会组 成较低熔点的化合物，其熔化温度仍然很高，（约
4.3 造渣与脱硫
4.1 高炉炼铁还原热力学
3、初渣生成。从矿石软化到熔融滴落就形成了初渣。由于 矿石还原得到的FeO易与SiO2结合成低熔点的硅酸铁，所以 初渣中总是含有较高的FeO，矿石越难还原，初渣中FeO就 越高。这是初渣与终渣在化学成分上的最大差别。 高炉内生成初渣的区域过去称为成渣带，现在叫做软熔带。 根据近年来高炉解剖研究，在矿石完全熔化滴落之前，在 软熔带内仍基本上维持着焦、矿分层的状态，只是固态的 矿石层变成了软熔层（融着层）。高炉料柱结构和软熔带 的分布如图6-2所示。
4.3 造渣与脱硫
4.1 高炉炼铁还原热力学
4.3.2 高炉造渣过程和软熔带的形成 现代高炉多用熔剂性熟料冶炼，基本上不直接加入熔剂。 由于在烧结（或球团）生产过程中熔剂已事先矿化成渣， 这就大大改善了高内造渣过程。 高炉渣按其形成过程有初渣、中间渣和终渣之分。 初渣是指在高炉的适当温度区域（软熔带，图6-2）刚开始 出现的液相炉渣；中间渣是指在处于滴落过程中成分、温 度在不断变化的炉渣（国外称炉腹渣）；终渣是指已经下 达炉缸，并周期的从炉内排出的炉渣。
4.2 渗碳和生铁的形成
4.1 高炉炼铁还原热力学
当然，渗入铁中的碳，可与铁形成Fe3C，也可以其它形式存 在。
4.2 渗碳和生铁的形成
4.1 高炉炼铁还原热力学
由于渗碳，铁的熔点降低，随着炉料下降，温度升高，海 绵铁逐渐熔化为液体，铁液向下滴落，与焦炭接触良好， 加速了渗碳过程的进行。
渗碳过程在炉腹中大量发生，在炉缸中继续进行。随着铁 水的形成和滴落，Si、Mn、P等元素的还原溶入铁液中，加 上渗碳作用，使各种元素溶在一起，最终形成了Fe-C及其 它元素的合金—生铁。
4.3 造渣与脱硫
4.1 高炉炼铁还原热力学
透气性变差，对气流的阻力很大。显然，矿石开始软化温 度愈低，初渣出现的愈早，软熔带位置就愈高；而软化温 度区间愈大，则软熔层愈宽，对气流的阻力愈大，对高炉 顺行不利。所以一般希望矿石的开始软化温度要高，软化 区间要窄。这样软熔带位置较低，软熔层较窄，对高炉顺 行有利。一般说来矿石软化温度波动在700～1200℃之间。 矿石软化性能可通过高温荷重软化实验装置来测定。矿样 软化体积收缩使压杆下降的距离，可从千分表指针移动距 离来读出，如图6-1所示。
4.3 造渣与脱硫
4.1 高炉炼铁还原热力学
此外，加熔剂造渣还有调节炉渣成分，使之具有保证生铁 质量所需的性能。例如造碱性渣脱硫，调节炉渣碱度控制 硅、锰的还原等。总之，炉渣必须具有促进有益元素和抑 制有害元素还原的职能。 显然，炉渣和生铁是高炉内同时形成的一对孪生产品，要 炼好铁，必须造好渣，就像造好渣才能炼好钢一样，这是 钢铁生产长期实践经验的总结。 可见，造渣就是加入熔剂同脉石和灰分相互作用，并将不 进入生铁的物质溶解、汇集成渣的过程。熔剂性质的选择 应针对脉石和灰分的性质而定。
铁冶金学
第四章 高炉内物理化学反应
4.1 高炉炼铁还原热力学 4.2 渗碳和生铁的形成 4.3 造渣与脱硫
4.2 渗碳和生铁的形成
4.1 高炉炼铁还原热力学
生铁的形成是伴随着铁的还原和不断渗碳以及其它元素还 原进入铁中的过程。高炉炉身下部取样表明，试样中有圆 珠 状 （ 说 明 已 熔 化 ） 金 属 铁 （ 含 1.5~4.0%C ） 和 海 绵 铁 （<1.0%）存在。这证明渗碳过程在海绵铁状态时就开始了。 海绵铁的渗碳过程可能是由于活泼的海绵铁与CO接触作用， 促进其分解。CO分解析出活性很大的碳黑（烟碳），并吸 附在海绵铁表面上，同时不断扩散溶入铁中，使铁渗C。其 反应过程可表示为：
1545℃），在高炉中只能形成一些非常粘稠的物质，造成 渣、铁不分，难于流动。因此，必须加入助熔物质，如石
灰石、白云石等作为熔剂。
4.3 造渣与脱硫
4.1 高炉炼铁还原热力学
尽 管 熔 剂 中 的 CaO 和 MgO 自 身 的 熔 点 也 很 高 （ CaO— 2570℃，MgO—2800℃），但它们能同SiO2、Al2O3结合成 低熔点（<1400℃）化合物，在高炉内足以熔化，形成流动 性良好的炉渣，按相对密度与铁水分开（铁水相对密度 6.8~7.8，炉渣2.8~3.0），达到渣铁分离流畅，高炉正常生 产的目的。
熔点化合物为软化和生成液相的初渣打下了基础（见第三
章第三节）。
4.3 造渣与脱硫
4.1 高炉炼铁还原热力学
2、矿石软化。随着炉料的下降，炉内温度升高，固相反应 生成的低熔点化合物首先出现微小的局部熔化，这就是软 化的开始。液相的出现改善了各种矿物的接触条件，继续 下降和升温，使液相不断增多，最终软化下来变成了熔融、 流动状态。可见软化是矿石从固态变成液态的一个过渡阶 段，是造渣过程中对高炉顺行很有影响的一个环节。