高炉炼铁原理与工艺知识问答.

高炉炼铁原理与工艺知识问答1、高炉原料中的游离水对高炉冶炼有何影响？答：游离水存在于矿石和焦炭的表面和空隙里。

炉料进入高炉之后，由于上升煤气流的加热作用，游离水首先开始蒸发。

游离水蒸发的理沦温度是100℃，但是要料块内部也达到100℃，从而使炉料中的游离水全部蒸发掉，就需要更高的温度。

根据料块大小的不同，需要到100℃，或者对大块来说，甚至要达到200℃游离水才能全部蒸发掉。

一般用天然矿或冷烧结矿的高炉，其炉顶温度为100~300℃，因此，炉料中的游离水进入高炉之后，不久就蒸发完毕，不增加炉内燃料消耗。

相反，游离水的蒸发降低了炉顶温度，有利于炉顶设备的维护，延长其寿命。

另一方面，炉顶温度降低使煤气体积缩小，降低煤气流速，从而减少炉尘吹出量。

2、高炉原料中的结晶水对高炉冶炼有何影响？答：炉料中的结晶水主要存在于水化物矿石（如褐铁矿和高岭土）中间。

高岭土是黏土的主要成分，有些矿石中含有高岭土。

试验表明，褐铁矿中的结晶水从200℃开始分解，到400~500℃才能分解完毕。

高岭土中的结晶水从400℃开始分解，但分解速度很慢，到500~600℃迅速分解，全部除去结晶水要达到800~1000℃。

可见，高温区分解结晶水，对高炉冶炼是不利的，它不仅消耗焦炭，而且吸收高温区热量，增加热消耗，降低炉缸温度。

3、高炉内碳酸盐分解的规律如何？对高炉冶炼有何影响？答：炉料中的碳酸盐主要来自熔剂（石灰石或白云石），有时矿石也带入一少部分。

炉料中的碳酸盐在下降过程中逐渐被加热发生吸热分解反应。

它们的开始分解温度和激烈分解温度（即化学沸腾温度）是由各自的分解压（即分解反应达到平衡状态时分压）与高炉内煤气中分压和煤气的总压决定的。

碳酸盐的分压随温度升高而增大的，当分解压超过高炉内煤气的分压时，它们就开始分解，而分解压超过煤气的总压时就激烈分解，即化学沸腾。

由于高炉冶炼条件不同，不同高炉内的总压力和分压也有差别，碳酸盐在不同高炉内开始分解和化学沸腾分解温度也有差别。

碳酸盐分解一般都发生在低温区，对高炉冶炼无大影响。

而石灰石就不一样，它的开始分解温度在700℃以上，而沸腾分解温度在960℃以上，而且分解速度受到物料粒度影响很大，一方面是分解出的CO2向外扩散制约分解；另一方面反应生成的CaO的导热性很差，阻挡外部热量向中心部位传递，石灰石块中心不易达到分解温度，这样石灰石总有部分进入高温区分解。

此时分解反应产物CO2就会与焦炭发生碳素溶解损失反应,此反应是吸热反应。

这样进入高温区分解的CaCO3会消耗自身分解的热和部分分解出的CO2与C反应热，生产实践表明，高炉炼铁每使用100Kg石灰石，焦比要升高30~40Kg。

因此生产中要求去除高炉配料中的石灰石。

其途径是将石灰石加入烧结配料生产自熔性或高碱度烧结矿。

在用天然矿冶炼时，小高炉上可用生石灰代替石灰石；大高炉上控制其粒度在25~30mm 以改善石灰石分解条件。

4、什么是高炉炼铁的还原过程？使用什么还原剂？答：自然界中没有天然纯铁，在铁矿石中铁与氧结合在一起，成为氧化物，高炉炼铁就是要将矿石中的铁从氧化物中分离出来。

铁氧化物失氧的过程叫还原过程，而用来夺取铁氧化物中的氧并与氧结合的物质就叫还原剂。

凡是与氧结合能力比铁与氧结合能力强的物质都可以做还原剂，但从资源和价格考虑最佳还原剂是C、CO和H2，C来源于煤，将它干馏成焦炭作为高炉炼铁的主要燃料，煤磨成粉喷入高炉成为补充燃料。

CO来自于C，在高炉内氧化形成，H2则存在于燃料中的有机物和挥发分，也来自于补充燃料的重油和天然气。

5、在高炉炼铁过程中铁矿石所含氧化物哪些可以被还原？哪些不能被还原？答：高炉炼铁选用碳作为还原剂，判断铁矿石中氧化物能否在高炉冶炼条件下被还原，就要较该氧化物中元素与氧的亲和力同碳与氧亲和力谁大谁小：前者大于后者就不能还原，前者小于后者则能还原。

判别元素与氧亲和力大小最常用的手段之一是氧化物的分解压po2和标准生成自由能△G。

所谓氧化物的分解压就是氧化物分解为元素和氧的反应达到平衡时氧的分压。

氧化物的分解压越大，元素与氧结合能力越小，氧化物的稳定性越小，就越易被还原剂还原，一般来说随温度升高分解压增大，氧化物变得越易还原。

所谓氧化物的标准生成自由能是热力学的函数之一，用作判断冶金过程中反应的方向及平衡状态的依据。

对大多数元素的氧化物来说，标准生成自由能的负值数越大，它的稳定性越高，越难还原。

一般来说随温度升高氧化物的自由能的负值数变小，即氧化物的稳定性变差，只有CO例外，随温度升高CO 的△G负值数变大，也就是CO 变得更稳定，即C与O2的结合能力越强，在高温下可以还原更多的氧化物，这也是CO作为还的优越性。

（1）极易被还原：Cu、 Ni 、Pb 、Co（2）较难被还原：.P 、Zn 、Cr 、Mn 、V 、Si 、Ti，但是P、 Zn是几乎100%被还原的，其余的只能部分被还原。

（3）完全不能还原：Mg、 Ca 、Al6、铁氧化物在高炉内的还原反应有哪些规律？答：规律如下：（1）还原顺序。

不论用何种还原剂，铁氧化物还原是由高级氧化物向低级氧化物到金属逐级进行的，顺序是：﹥570℃Fe2O3---Fe3O4---FeO---Fe﹤570℃Fe2O3---Fe3O4 ---Fe（2）用气体还原剂CO、H2还原时：Fe2O3是不可逆反应；Fe3O4和FeO是可逆反应；（3）上述诸还原反应中，只有FeO间接反应是放热反应，其余都是吸热反应。

7、什么叫铁的间接还原？什么叫铁的直接还原？答：用气体还原剂CO和H2还原铁氧化物的反应叫做间接还原，高炉内的CO是由焦炭和喷吹煤粉中C氧化而来的，间接还原是间接消耗C的反应。

由于Fe3O4和FeO的间接还原都是可逆反应，所以要过量还原剂保证反应的顺利进行，它们在高炉内块状带的中低温区进行。

用固体还原剂C还原铁氧化物的反应叫直接还原。

因为直接还原是不可逆反应，它不需要过量还原剂保证，但它们是大量的吸热反应，需要燃烧很多C放出热量来保证，它们在高炉内高温区进行。

在高炉内块状带内固体的铁矿石与焦炭接触发生直接还原的几率是很少的。

实际的直接还原是借助于碳素溶解损失反应、水煤气反应与间接还原反应叠加而实现的。

8、一氧化碳利用率和氢利用率？答：一氧化碳利用率是衡量高炉炼铁中气固相还原反应中CO转化为CO2程度的指标，也是评价高炉间接还原发展程度的指标。

氢利用率是衡量高炉炼铁中氢参与铁氧化物还原转化为H2O的程度的指标。

9、什么叫铁的直接还原度和高炉直接还原度？答：高炉内铁矿石还原过程中直接消耗碳产生CO反应都属于直接还原，直接还原度就是反映这类反应发展程度的标志，是衡量高炉能量利用的重要指标。

它有铁的直接还原度和高炉直接还原度两种表示方法：（1）铁的直接还原度rd 它是以高炉内高价铁氧化物还原到FeO时都是间接还原为前提。

从FeO还原到金属铁，部分是间接还原，其余是直接还原，铁的直接还原度定义为从FeO中以直接还原方式还原得到的铁量与全部被还原的铁量的比值。

（2）高炉直接还原度Rd 它是高炉内以直接还原方式夺取的氧量与还原中夺取的总氧量的比值。

10、高炉炼铁中铁的直接还原和间接还原发展程度与碳消耗有什么关系？答：在高炉炼铁过程中不可避免地既有铁的间接还原，也有铁的直接还原，两种还原各有特点：间接还原消耗热量少，但需要过量还原剂保证，因此作为还原剂消耗的碳多；直接还原相反，消耗热量多而消耗还原剂少。

高炉内碳的消耗（也就是燃料消耗）既要保证还原剂的需要，也要保证热量的需求。

而碳在氧化成CO时，既放出热量供冶炼需要，也成为间接还原的还原剂。

11、从铁氧化物中还原铁和从复杂化合物中还原铁有什么区别？答：高炉原料中的铁氧化物常与其他化合物结合形成复杂化合物，形成这些复杂化合物时放出热量，能位降低，因此，从这些化合物中还原铁要比从自由铁氧化物中还原铁困难，要消耗更多的热量。

12、铁矿石是如何被还原剂还原的？答：铁矿石与气体还原剂CO、H2间的还原反应是气固反应，根据铁氧化物还原的顺序性，还原过程中的单体矿石颗粒的断面呈层状结构以及没有进行反应的核心部分随反应过程的进行逐步缩小的事实，用还原过程中呈层状结构的矿石颗粒截面来说明还原的各个环节，各个环节进行的顺序如下：气体还原剂穿过边界层的外扩散；气体还原剂穿过产物层的内扩散；气体还原剂在反应界面吸附；界面化学反应；反应产生的氧化性气体解吸；反应产生的氧化性气体穿过产物层的内扩散；反应产生的氧化性气体穿过边界层的外扩散。

13、哪些因素影响铁矿石的还原速度？答：铁矿石还原速度的快慢，主要取决于煤气流和矿石的特性，煤气流特性主要是煤气温度、压力、流速和成分等，矿石特性主要是粒度、气孔度和矿物组成等。

（1）煤气中CO和H2的浓度。

提高煤气中CO和H2的浓度，既可以提高还原过程中的内外扩散速度，又可以提高化学反应速度，同时也增大了与平衡浓度的差值，从而可以加快铁矿石的还原速度。

（2）煤气温度。

表面化学反应速度和扩散速度皆随温度的升高而加快。

因此，高温对加速铁矿石的还原有利，尤其是扩大800~1000℃的间接还原区，对加速高炉内的还原过程是关键。

（3）煤气流速。

当反应处于外部扩散速度范围时，提高煤气流速对加快还原速度是非常有利的，这是因为提高煤气流速有利于冲散固体氧化物周围阻碍还原剂扩散的气体薄膜层，使还原剂直接到达氧化物表面。

但是，当气流速度提高到一定程度后（即超过临界速度），气体薄膜层完全冲走，随即反应速度受内扩散速度或界面反应速度的控制，此时进一步提高煤气流速就不再起加快还原速度的作用，而高炉内的煤气流速远超过临界速度，所以煤气速度对炉内矿石还原过程没有影响。

相反，由于气流速度过快而煤气利用率变坏，对高炉冶炼不利。

因此，煤气流速必须控制在适当的水平上。

（4）煤气压力。

提高煤气压力阻碍碳素溶损反应，使其平衡逆向移动，提高气相中CO2消失的温度，这就相当于扩大了间接还原区，对加快还原过程是有利的。

同时，从分子运动论的观点看来，提高煤气压力使气体密度增大，增加了单位时间内与矿石表面碰撞的还原剂分子数，从而加快还原反应。

但是，随着压力的提高，还原速度并不成比例地增加。

这是因为提高压力以后，还原产物CO2和H2O 的吸附能力也随之增加，阻碍还原剂的扩散，同时，由于碳素溶损反应的平衡逆向移动，气相中的CO2浓度增加，更接近CO间接还原的平衡组成，这些对铁氧化物的还原是不利的。

因此，提高压力对加快还原的作用是不明显的。

提高压力的主要意义在于降低压差，改善高炉顺行，为强化冶炼提供可能性。

（5）矿石粒度。

同一重量的矿石，粒度愈小，与煤气的接触面积愈大，煤气利用率愈高。

而对每一个矿粒来说，表面被还原的金属铁层厚度相同的情况下，粒度愈小，相对还原度愈大。