高炉炼铁基础理论剖析优秀PPT.ppt
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1、高炉炼铁基础理论内容提要1、高炉内还原过程2、渗碳和生铁的形成3、造渣与脱硫1、高炉内还原过程1.1金属氧化物的还原 冶金还原反应就是用还原剂夺取金属氧化物中的氧,使之成为金属单质或其低价氧化物的过程。一般可表达为如下通式:Cu、Pb、Ni、Co、Fe 为易全部被还原的元素;Cr、Mn、V、Si、Ti 只能部分被还原;Al、Mg、Ca 不能被还原的。铁氧化物的还原过程依据其氧势或分解压大小,从高价到低价逐级进行:T5701、高炉内还原过程1.2铁氧化物的还原1.2.1 铁氧化物还原的一般规律1.2.2铁氧化物还原的基本反应在低温区和中温区,570 t1000,用CO还原:用H2还原:间接还原间
2、接还原特点1、除了Fe2O3Fe3O4之外,其余都为可逆反应,并在确定温度下达到平衡2、由于是可逆反应,还原剂不行能被全部利用,因此须要确定的浓度3、Fe2O3分解压力较大,可以全部被CO全部还原为Fe3O4,由于反应很简洁进行对冶炼过程无影响,一般不加以探讨CO间接还原反应的限度:从热力学可知,G主要是解决反应的可能性问题,而平衡常数K主要是解决反应的限度问题。对以上反应,平衡常数的计算方法如下:CO间接还原由图可看出,曲线a、c、d向上斜,曲线b向下斜,前者为放热反应,后者为吸热反应。而其中FeO的还原具有特殊的意义,因为FeO+COFeCO2反应的平衡曲线位置最高,说明它平衡要求的CO最
3、多,所以FeO最难还原。例如900时,用CO60的煤气(COCO2100)不行能将FeO还原成Fe,但完全可以将Fe3O4还原成FeO。依据煤气在炉内分布特点可知,FeO的还原主要产生在高炉的中下部,而Fe3O4还原成FeO,以及Fe2O3还原成Fe3O4主要在高炉的上部。依据高炉内煤气与炉料运动的特点,高温的CO在风口前端上升过程中首先把FeO还原为Fe,而剩余的CO也完全可以把Fe3O4还原成FeO。因此高炉的化学能利用率很高。H2间接还原上列反应平衡常数为:当温度低于810:PH2O/PH2PCO2/PCOH2与CO的还原相比有以下特点:(1)与CO还原一样,均属间接还原。反应前后气相体
4、积没有变更,即反应不受压力影响。(2)除Fe2O3,的还原外,Fe3O4、FeO的还原均为可逆反应。在确定温度下有固定的平衡气相成分,为了铁的氧化物还原彻底,都须要过量的还原剂。(3)反应为吸热过程,随着温度上升,平衡气相曲线向下倾斜,也即是H2的还原实力提高。(4)从热力学因素看810 以上时H2的还原实力高于CO还原实力,810 以下时,则相反。(5)从反应的动力学看,H2与其反应产物H2O的分子半径均比CO与其反应产物CO2的分子半径小,因而扩散实力强。以此说明不论在低温或高温下,H2还原反应速度都比CO还原反应速度快。(6)在高炉冶炼条件下,H2还原铁氧化物时,还可促进CO和C还原反应
5、的加速进行。因为H2还原时的产物H2O会同CO和CO2作用放出氧。而H2又重新被还原出来。接着参与还原反应。如此,H2在CO和C的还原过程中,把从铁氧化物中夺取的氧又传给了CO或C起着中间媒介传递作用。据统计。在入炉总H2量中,约有30%50%的H2参与还原反应并变为H2O,而大部分H2则随煤气逸出护外。如何提高H2的利用率,是改善还原强化冶炼的一个重要课题。实践表明,H2在高炉下部高温区域还原反应激烈,为在炉内参与还原H2量的85100,而干脆代替C还原的H2约占炉内参与还原H2量的80%以上,另一少部分则代替了CO的还原。在高温区,t1100 最终表现为用固体碳作还原剂的还原反应:干脆还原
6、用固体碳还原铁的氧化物干脆还原用固体碳还原铁的氧化物干脆还原 矿石在软化和熔化之前与焦炭的接触面积很小,反应的速度则很慢。所以干脆还原反应受到限制。在高温区进行的干脆还原事实上是通过下述两个步骤进行:第一步:通过间接还原 其次步:间接还原的气相产物与固体碳发生反应,干脆还原是以上两个步骤的最终结果。二步式的干脆还原不是在任何条件下都能进行。这是因为碳素溶损反应是可逆反应,只有该反应在高温下向右进行,干脆还原才存在(1)上述的探讨是在平衡状态下的结论,而高炉内由于煤气流速很大,煤气在炉内停留时间很短(26秒),煤气中CO的浓度又很高,故使还原反应未达到平衡。(2)碳的气化反应在低温下有利反应向左
7、进行。但反应在低温下反应速度都很慢,反应达不到平衡状态,所以气相中CO成分在低温下远远高于其平衡气相成分。故在高炉中除在风口前的燃烧区域为氧化区域外,都是较强的还原气氛。铁的氧化物则易被还原成Fe。(3)685是在压力为0.1M Pa前提获得,而实际高炉内的CO%+CO2%=40片左右,即PCO+PCO20.04MPa。外界压力降低,碳的气化反应平衡曲线应向左移动,故交点应低于685 (4)碳的气化反应不仅与温度、压力有关,还与焦炭的反应性有关。据测定,一般冶金焦炭在800 时起先气化反应,到1100时激烈进行。此时气相中CO几乎达100而CO2几乎为零。这样可认为高炉内低于800的低温区不存
8、在碳的气化反应也就不存在干脆还原,故称间接还原区域。大于1100 时气相中不存在有CO2,也可认为不存在间接还原,所以把这区域叫干脆还原区。而在8001100 的中温区为二者还原反应都存在的区域。综上所述,有碳的气化反应存在。铁氧化物稳定存在区域发生变更,由主要依据煤气成分而变为以温度界限划分。但高炉内的实际状况又与以上分析不相符。在高炉内低于685 的低温区,已见到有Fe被还原出来,其主要缘由有以下几方面:高炉内的干脆还原除了以上提到的两步反应方式外。在下部的高温区还可通过以下方式进行:一般只有0.20.5的Fe进入炉渣中。如遇炉况失常渣中Fe较多,造成干脆还原增加,而且由于大量吸热反应会引
9、起炉温猛烈波动。铁的困难化合物与非铁元素的还原一、铁的困难化合物的还原 高炉料中的铁氧化物常常与其它氧化物结合成困难的化合物,例如烧结矿中的硅酸铁nFeOmSiO2,自熔性烧结矿中的铁酸盐(nCaOmFe2O3),钒钛磁铁矿中的钛铁矿(FeOTiO2)等。这些困难化合物的还原过程,首先必需分解成自由的铁氧化物,而后再被还原剂还原,因此还原比较困难,会消耗更多的燃料碳素)。1、硅酸铁的还原用CO或H2还原Fe2SiO4,要在800900 以上才能起先,而且还原速度很慢。硅酸铁在高炉中属难还原物质。这是因为一方面含硅酸铁的炉料结构致密,气孔率小。另方面硅酸铁熔点低而流淌性好。它在高炉上部未充分还原
10、即行熔化,并较快地流到高温区域炉缸,所以硅酸铁主要是在高炉下部干脆与固体碳接触进行还原,同时消耗大量的热量。其反应式如下:用CO还原:有固体C存在时:在高炉条件下,如有CaO存在,有助于Fe2SiO4的还原,因为CaO可将Fe2SiO4中的FeO置换出来,使其成为自由氧化物,并放出热量。其反应式为:2、钛磁铁矿中铁的还原 通常钛磁铁矿都很致密,高炉又不行能用粉未进行冶炼,因此钛磁铁矿的还原都是在900以上的区域内进行,都是通过C进行干脆还原,其反应式为:或还原1kgFe需热185600/563314kJ/kg,这比Fe2Si4还原1kgFe的耗热还多。二、非铁元素的还原1.锰的还原高炉内锰氧化
11、物的还原也是从高价向低价逐级进行的 气体还原剂(CO,H2)把高价锰氧化物还原到低价MnO是比较简洁的,因为MnO2和Mn2O3,的分解压都比较大。在PO2=0.1MPa时,MnO2分解温度为565,Mn2O3分解温度为1090 ,其反应可认为是不行逆反应,如下:在1400K以下Mn3O4没有Fe3O4稳定,即是说,Mn3O4比Fe3O4易还原。MnO是相当稳定的化合物,其分解压比FeO分解压小得多。在1400的纯CO的气流中,只能有极少量的MnO被还原,平衡气相中的CO2只有0.03,由此可见,高炉内MnO不能由间接还原进行。MnO的干脆还原也是通过气相反应进行的,反应式如下:由于MO在还原
12、之前已进入液态炉渣。在11001200 时,能快速与炉渣中SiO2,结合成MnSiO3,此时要比自由的MnO更难还原。MnSiO3与Fe2SiO4的还原相类似,当渣中CaO高时,可将MnO置换出来,还原变得简洁些。高炉冶炼锰铁应留意的几点:(1)锰矿含锰要高,含铁要低,P,S,SiO2等含量愈低愈好,这样才能炼出高牌号的锰铁。(2)运用高风温顺富氧鼓风。由于锰的还原耗热多,其焦比要高出炼一般生铁的1.52倍,甚至更高。提高风温可以降低焦比,而且使高炉下部热量足够,有利锰的还原。(3)选择合理的造渣制度。炼锰铁时炉渣中含(MnO)813,有时高达20,为了提高锰的回收率,应削减渣量。提高锰回收率
13、的另一途径是提高炉渣的碱度到1.251.50,这可以削减渣中(MnO)的量,另外高碱度炉渣熔点高,也有助于提高炉缸温度。为了保证炉渣的流淌性,可适当加些萤石,或把渣中MgO提高到10%左右。(4)为削减锰的挥发,可将炉温限制适当Si1.01.7,Si太低则炉温不足,不利Mn的还原,太高时则挥发的锰量太多,回收率也低,且增加煤气清洗的困难。(5)接受二步法炼锰铁。运用贫锰矿或铁锰矿时高炉难于炼得高锰、低磷、低硫等高质量锰铁,为解决这一问题可接受二步法炼锰铁。第一步:在高炉一般冶炼温度下,把锰矿先炼成含(MO)高的富锰渣。Fe与P等均进入生铁中。其次步:再将高锰渣加入高炉或送到电炉中进行冶炼,最终
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