第三章高炉内的还原过程

第三章高炉内的还原过程

第一节炉料的蒸发、挥发和分解

一、水分的蒸发

炉料中的水以吸附水和化合水两种形式存在。吸附水存在于热烧结矿以外的一切炉料中，吸附水一般在l05℃以下即蒸发。吸附水蒸发对高炉冶炼并无坏处，因为炉喉煤气温度通常大于200℃，流速也很高，炉料中的吸附水在炉料入炉后，下降不大的距离就会蒸发完，水的蒸发仅仅利用了煤气的余热，不会增加焦炭的消耗；同时因水分的蒸发吸热，降低了煤气温度，对装料设备和炉顶金属结构的维护还带来好处。此外，煤气温度降低，体积减小，流速也因之降低，炉尘吹出量随之减少。在实际生产中，往往因炉顶温度过高，而向炉料或炉喉内打水以降低煤气温度。

二、碳酸盐分解

炉料中碳酸盐主要来自石灰石(CaC0

3)、白云石(MgC0

3

)，有时也来自碳酸铁(FeCO

3

)

或碳酸锰(MnCO

3

)。

1．碳酸盐的分解当炉料加热时，碳酸盐按FeCO

3、MnC0

3

、MgCO

3

、CaCO

3

的顺序依次

分解。碳酸盐分解反应通式可写成：

MeCO

3 = MeO十CO

2

一Q

反应式中Me代表Ca、Mg、Fe及Mn等元素。

碳酸盐的分解反应是可逆的，随温度升高，其分解压力升高，即有利于碳酸盐的分解。

高炉冶炼最常见的碳酸盐是作为熔剂用的石灰石。石灰石的分解反应为：

CaC0

3＝CaO十CO

2

—42500×4.1868kJ

反应发生的条件是：当碳酸钙的分解压力(C0

2分压)PCO

2

大于气氛中C0

2

的分压PCO

2

时，该反应才进行。

CaCO

3在高炉内的分解温度与炉内总压力和煤气中C0

2

分压有关。据测定表明，石灰

石在高炉内加热到700～800℃开始分解，900～1000℃达到化学沸腾。

石灰石的分解速度和它的粒度有很大关系。因为CaCO

3

的分解是由表及里，分解一

定时间后，在表面形成一层石灰(CaO)层，妨害继续分解生成的C0

2

穿过石灰层向外扩散，从而影响分解速度。当大粒度分成若干小块时，比表面积增加，在相同条件下，分解生成的石灰量增多，未分解部分减少，粉状的石灰石在900℃左右即可分解完毕，而块状的要在更高的温度下才能完全分解。粒度愈大，分解结束的温度愈高。此外CaO层的导热性差，内部温度要比表面温度低；粒度愈大，温差愈大。因此，石灰石因块度的影响，分解完成一直要到高温区域。

2．碳酸盐分解对高炉冶炼的影响及其对策

碳酸盐在高炉内若能在较高部位分解，它仅仅消耗高炉上部多余的热量，但如前述

CaCO

3

若在高温区分解，必然影响到燃料的过多消耗。其影响可按以下分析进行估量：

(1)CaCO

3分解是吸热反应，1kg CaCO

3

分解吸热425×4．1868kJ，或者每分解出1kgC0

2

吸热956×4．1868kJ。

(2) CaCO

3在高温区分解出的C0

2

，一般有50％以上与焦炭中的C发生气化(溶损)

反应：

C0

2

十C＝2CO一39600×4．1868kJ／kg分子

反应既消耗C又消耗热量。因耗C而减少了风口前燃烧的C量，(两者在数量上是相当的)即减少了C燃烧的热量：

C十1/202＝CO十29970x4.1868U／kg分子

两项热量之和为69570×4．1868kJ／kg分子，

(3)CaCO

3分解出的CO

2

冲淡还原气氛，影响还原效果。

综上分析，CaCO

3

分解造成热能损失，又影响还原和焦炭强度。据理论计算以及实践经验表明，每增加100KG石灰石，多消耗焦炭30KG左右。

为消除石灰石作熔剂的不良影响，可采取以下措施：

a、生产自熔性(特别是熔剂性)烧结矿，使高炉少加或不加熔剂，实现熔剂搬家;

b、缩小石灰石粒度，改善石灰石炉内分解条件，使入炉熔剂尽可能在高炉内较高部位完成分解；

c、使用生石灰代替石灰石作熔剂.

第二节铁氧化物还原的热力学分析

高炉炼铁的主要目的，即是将铁矿石中铁和一些有用元素还原出来，所以还原过程是高炉冶炼最基本的物理化学反应。

一、铁氧化物还原条件

在铁矿石中，主要是含铁氧化物，也有少量非铁氧化物——如硅、锰等氧化物。在高炉冶炼中，铁几乎能全部被还原，而硅、锰只能部分被还原，这主要决定于还原反应的平衡状态，即热力学条件；也受达到平衡状态难易程度的影响，即动力学条件。

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。

还原反应可表示为：

MeO十B＝Me十BO

反应得以进行，必须是还原剂B和氧的化学亲和力，大于金属Me和氧的化学亲和力。

衡量金属或非金属与氧亲和力大小的尺度，可用元素与氧生成化合物时，系统中自由能△Z变化的大小来区别。如△Z负的绝对值越大，即自由能减少越多，该化合物越稳定。自由能随温度不同而变化，如图，可看出各种氧化物的生成自由能与温度的关系。在一定温度下，各种氧化物都有一定的生成自由能，其值愈小(即负的绝对值愈大)，该氧化物中的金属和氧的亲和力愈大．此金属愈难还原；相反，氧化物的生成自由能愈大，该氧化物中的金属和氧的亲和力愈小，此金属则易还原。依此，Cu、Ni比 Fe容易还原，而Mn、Si比Fe则难还原。同时，与氧亲和力大的金属，可以作为还原剂，还原与氧亲和力小的金属氧化物。例如Al就可作为还原剂还原Ti；而且生成自由能越小的氧化物中的金属，作为还原剂时其还原能力越强。随着温度的升高，各种氧化物的生成自由能变大，即各种元素与氧的亲和力变小，则有利于元素的还原。

高炉冶炼主要是以CO和C作为还原剂，还原区域的温度一般不大于1500℃，在此

条件下，CaO、A1

20

3

和MgO在高炉冶炼过程中不可能被还原。