第三章高炉内的还原过程

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1、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。

2、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(CaC03)、白云石(MgC03)，有时也来自碳酸铁(FeCO3)或碳酸锰(MnCO3)。1．碳酸盐的分解当炉料加热时，碳酸盐按FeCO3、MnC03、MgCO3、CaCO3的顺序依次分解。碳酸盐分解反应通式可写成：MeCO3=MeO十CO2一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

3、盐是作为熔剂用的石灰石。石灰石的分解反应为：20CaC03＝CaO十CO2—42500×4.1868kJ反应发生的条件是：当碳酸钙的分解压力(C02分压)PCO2大于气氛中C02的分压PCO2时，该反应才进行。CaCO3在高炉内的分解温度与炉内总压力和煤气中C02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CaCO3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

4、C02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CaCO3若在高温区分解，必

5、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)CaCO3分解是吸热反应，1kgCaCO3分解吸热425×4．1868kJ，或者每分解出1kgC02吸热956×4．1868kJ。(2)CaCO3在高温区分解出的C02，一般有50％以上与焦炭中的C发生气化(溶损)反应：C02十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

6、热量之和为69570×4．1868kJ／kg分子，(3)CaCO3分解出的CO2冲淡还原气氛，影响还原效果。综上分析，CaCO3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.20第二节铁氧化物

7、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

8、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