第三章钢铁冶金原理铁还原

3Fe2O3 S H 2 2Fe3O4 S H 2O g , G 15547 74.40TJ mol
0
1
(1)
1 3 Fe3O4 S H 2 Fe S H 2 O, G 0 35550 30.40TJ mol 1 4 4
2、铁氧化物还原的顺序性 还原反应是由高级铁氧化物到低级铁氧化Fe3O4→FeO→Fe
T<570℃:
Fe2O3→Fe3O4→Fe(FeO不能稳定存在)
3、铁氧化物还原的热力学： ⑴用CO还原铁氧化物 T>570℃:
3Fe2O3 S CO 2Fe3O4 S CO2 , G 0 52131 41.0TJ mol1
Fe3O4 S CO 3FeOS CO2 , G0 35380 40.16TJ mol1
(1) (2) (3)
FeOS CO FeS CO2 , G0 22800 24.62TJ mol1
T<570℃:
3Fe2O3 S CO 2Fe3O4 S CO2 , G 0 52131 41.0TJ mol1
K
%CO2平 %CO平
100 %CO平 = f (T ) 1 K
%CO2平 1 %CO平 %CO平 = = K K
以%CO平——T作图，称为气相平衡组成图。 特点： ①k1>>1，%CO平≈0 几乎与横轴重合，反应不可逆， Fe2O3很易还原。 ②反应⑵、⑶、⑷的平衡线在 570℃相交， 形成叉形，此点 Fe 、 FexO 、 Fe3O4 平衡 共存。
(1) （4）
1 3 Fe 3O4 S CO Fe S CO2 , G 0 9382 8.58TJ mol 1 4 4
CO+CO2的总mol数相等。 各反应达平衡时的CO%含量（体积）成为气相平衡组成。
各反应的共同特点： 1molCO 参加还原，生成 1mol 的 CO2 气体，反应前后气体
（4）
对于各反应：1molH2参加还原生成1molH2O
K
% H 2O平 % H 2平
% H 2平
100 1 K
以各反应的%H2平——T作图，得到气相平衡组成图。 ⑶CO与H2还原的比较： ①CO还原铁氧化物，3个放热反应，1个吸热反应，总热效应为放热。 H2还原铁氧化物，3个吸热反应，1个放热反应，总热效应为吸热。 ②两组曲线交于810℃
③4条曲线把图面分成4个区，分别是Fe2O3、Fe3O4、FeO、Fe的稳定存在区。
④曲线的走向取决于反应的热效应 放热T↑→%CO平↑；吸热T↑→%CO平↓ 1个吸热反应，3个放热反应，总热效应Fe2O3→Fe是放热的。
⑵用H2还原铁氧化物： T>570℃:
3Fe2O3 S H 2 2Fe3O4 S H 2O g , G 0 15547 74.40TJ mol1
kJ .m ol1
，ED：8.4-21
kJ .m ol1
T对k的影响大于D，低温下，界面反应为限制性环节，高温下扩散为限制
性环节。在复合限制条件下，
v v0 .T n
（n=0.75-3.0）
3、还原气体成分： H2的扩散系数D及化学反应k均大于CO，因而无论什么限制环节，煤气% H2含量高时，还原速率快。 4、还原气体压力： P↑→反应物气体浓度↑→还原反应速率↑→P对扩散速率的影响不大。 §3.2 碳的还原
钢铁冶金原理
内蒙古科技大学 材料与冶金学院冶金工程系
第三章
铁的还原
地壳中铁的储量比较丰富，仅次于O、Si、Al而居于第4位。 自然界中铁不能以纯金属状态存在，绝大多数形成氧化物、硫化物及硫 酸盐。常用的铁矿石有赤铁矿 (Fe2O3) 、磁铁矿 (Fe3O4) 、褐铁矿 (nFe2O3.m H2O)、菱铁矿(FeCO3)4种。在炼铁过程中，这些矿物被还原成铁。 §3.1.1 还原反应的热力学 1、铁氧化物的特性 • Fe2O3、Fe3O4、FexO(x：0.87-0.95，含氧量25.60-23.26%) • 理论含铁量：铁矿石中含铁氧化物的含铁量。 • Fe2O3：70% Fe3O4：72.4% • 还原难易程度：易→难， Fe2O3→Fe3O4→FexO（温度、还原剂用量）
H2的还原能力大于CO
T<810℃,
%H 2 平 %CO平
CO的还原能力大于H2。
高温有利于H2的还原，高炉中35%的H2参加还原，其中5%左右参加 Fe3O4的还原，95%左右参加FeO的还原。
§3.1.2 铁氧化物还原的动力学 将正在还原中的矿球急冷剖开，断面分层结构，表明还原反应时逐级进 行 的 。 为 典 型 的 气 - 固 相 未 反 应 核 模 型 。 因 FexO→Fe 最 慢 ， 一 般 只 讨 论 FexO→Fe一个未反应核模型。据此模型，矿石的性质、煤气成分、还原温度 对还过程有影响。 1、矿石的性质： 矿物组成、结构、气孔率等因素对还原均有影响 人造富矿>天然矿；赤铁矿>磁铁矿 2、还原温度： T↑，k↑，D↑，Ek：62.8-117.2
Fe3O4 S CO 3FeOS CO2
Fe3O4 S H 2 3FeOS H 2O g ,
FeOS H 2 FeS H 2O g
FeOS CO FeS CO2
T>810℃,
%H 2 平 %CO平
矿石的冶炼周期约为 5-8h，其中1-2h完成从高级氧化物到浮氏体的气 - 固 相还原反应，再用1-2h完成约一般浮氏体的气-固相还原过程，另一半浮氏体 只能键入1000℃以上的高温区后，被固体碳直接还原。
(1) (2) (3)
Fe3O4 S H 2 3FeOS H 2O g , G0 71940 73.62TJ mol1
FeOS H 2 FeS H 2O g , G0 2343016.16TJ mol1
T<570℃: