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高爐煉鐵21道經(jīng)典問答，值得學(xué)習(xí)！

發(fā)布日期:2018-04-11 來源:

1、什么是高爐煉鐵的還原過程？使用什么還原劑？

答：自然界中沒有天然純鐵，在鐵礦石中鐵與氧結(jié)合在一起，成為氧化物，高爐煉鐵就是要將礦石中的鐵從氧化物中分離出來。鐵氧化物失氧的過程叫還原過程，而用來奪取鐵氧化物中的氧并與氧結(jié)合的物質(zhì)就叫還原劑。凡是與氧結(jié)合能力比鐵與氧結(jié)合能力強(qiáng)的物質(zhì)都可以做還原劑，但從資源和價格考慮最佳還原劑是C、CO和H2，C來源于煤，將它干餾成焦炭作為高爐煉鐵的主要燃料，煤磨成粉噴入高爐成為補(bǔ)充燃料。CO來自于C，在高爐內(nèi)氧化形成，H2則存在于燃料中的有機(jī)物和揮發(fā)分，也來自于補(bǔ)充燃料的重油和天然氣。

2、在高爐煉鐵過程中鐵礦石所含氧化物哪些可以被還原？哪些不能被還原？

答：高爐煉鐵選用碳作為還原劑，判斷鐵礦石中氧化物能否在高爐冶煉條件下被還原，就要較該氧化物中元素與氧的親和力同碳與氧親和力誰大誰小：前者大于后者就不能還原，前者小于后者則能還原。判別元素與氧親和力大小最常用的手段之一是氧化物的分解壓po2和標(biāo)準(zhǔn)生成自由能△G。

所謂氧化物的分解壓就是氧化物分解為元素和氧的反應(yīng)達(dá)到平衡時氧的分壓。氧化物的分解壓越大，元素與氧結(jié)合能力越小，氧化物的穩(wěn)定性越小，就越易被還原劑還原，一般來說隨溫度升高分解壓增大，氧化物變得越易還原。

所謂氧化物的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能是熱力學(xué)的函數(shù)之一，用作判斷冶金過程中反應(yīng)的方向及平衡狀態(tài)的依據(jù)。對大多數(shù)元素的氧化物來說，標(biāo)準(zhǔn)生成自由能的負(fù)值數(shù)越大，它的穩(wěn)定性越高，越難還原。一般來說隨溫度升高氧化物的自由能的負(fù)值數(shù)變小，即氧化物的穩(wěn)定性變差，只有CO例外，隨溫度升高CO 的△G負(fù)值數(shù)變大，也就是CO 變得更穩(wěn)定，即C與O2的結(jié)合能力越強(qiáng)，在高溫下可以還原更多的氧化物，這也是CO作為還的優(yōu)越性。

（1）極易被還原：Cu、 Ni 、Pb 、Co

（2）較難被還原：.P 、Zn 、Cr 、Mn 、V 、Si 、Ti，但是P、 Zn是幾乎100%被還原的，其余的只能部分被還原。

（3）完全不能還原：Mg、 Ca 、Al

3、鐵氧化物在高爐內(nèi)的還原反應(yīng)有哪些規(guī)律？

答：規(guī)律如下：（1）還原順序。不論用何種還原劑，鐵氧化物還原是由高級氧化物向低級氧化物到金屬逐級進(jìn)行的，順序是：

﹥570℃ Fe2O3---Fe3O4---FeO---Fe

﹤570℃ Fe2O3---Fe3O4 ---Fe

（2）用氣體還原劑CO、H2還原時：Fe2O3是不可逆反應(yīng)；Fe3O4和FeO是可逆反應(yīng)；

（3）上述諸還原反應(yīng)中，只有FeO間接反應(yīng)是放熱反應(yīng)，其余都是吸熱反應(yīng)。

4、什么叫鐵的間接還原？什么叫鐵的直接還原？

答：用氣體還原劑CO和H2還原鐵氧化物的反應(yīng)叫做間接還原，高爐內(nèi)的CO是由焦炭和噴吹煤粉中C氧化而來的，間接還原是間接消耗C的反應(yīng)。由于Fe3O4和FeO的間接還原都是可逆反應(yīng)，所以要過量還原劑保證反應(yīng)的順利進(jìn)行，它們在高爐內(nèi)塊狀帶的中低溫區(qū)進(jìn)行。

用固體還原劑C還原鐵氧化物的反應(yīng)叫直接還原。因為直接還原是不可逆反應(yīng)，它不需要過量還原劑保證，但它們是大量的吸熱反應(yīng)，需要燃燒很多C放出熱量來保證，它們在高爐內(nèi)高溫區(qū)進(jìn)行。在高爐內(nèi)塊狀帶內(nèi)固體的鐵礦石與焦炭接觸發(fā)生直接還原的幾率是很少的。實際的直接還原是借助于碳素溶解損失反應(yīng)、水煤氣反應(yīng)與間接還原反應(yīng)疊加而實現(xiàn)的。

5、一氧化碳利用率和氫利用率？

答：一氧化碳利用率是衡量高爐煉鐵中氣固相還原反應(yīng)中CO轉(zhuǎn)化為CO2程度的指標(biāo)，也是評價高爐間接還原發(fā)展程度的指標(biāo)。

氫利用率是衡量高爐煉鐵中氫參與鐵氧化物還原轉(zhuǎn)化為H2O的程度的指標(biāo)。

6、高爐內(nèi)爐渣是怎樣形成的？

答：高爐造渣過程是伴隨著爐料的加熱和還原而產(chǎn)生的重要過程——物態(tài)變化和物理化學(xué)過程。

（1）物態(tài)變化。鐵礦石在下降過程中，受上升煤氣的加熱，溫度不斷升高，其物態(tài)也不斷改變，使高爐內(nèi)形成不同的區(qū)域：塊狀帶、軟熔帶、滴落帶和下爐缸的渣鐵貯存區(qū)。

1）塊狀帶。在這里發(fā)生游離水蒸發(fā)、結(jié)晶水和菱鐵礦的分解、礦石的間接還原（還原度可達(dá)(30-40％）等現(xiàn)象。但是礦石仍保持固體狀態(tài)，脈石中的氧化物與還原出來的低級鐵和錳氧化物發(fā)生固相反應(yīng)，形成部分低熔點化合物，為礦石中脈石成分的軟化和熔融創(chuàng)造了條件。

2）軟熔帶。固相反應(yīng)生成的低熔點化合物在溫度提高和上面料柱重力作用下開始軟化和相互黏結(jié)，隨著溫度繼續(xù)升高和還原的進(jìn)行，液相數(shù)量增加，最終完全熔融，并以液滴或冰川狀向下滴落。這個從軟化到熔融的礦石軟熔層與焦炭層間隔地形成了軟熔帶。一般軟熔帶的上邊界溫度在1100℃左右，而下邊界溫度在1400-1500℃。在軟熔帶內(nèi)完成礦石由固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的變化過程以及金屬鐵與初渣的分離過程：還原出的金屬鐵經(jīng)部分滲碳而熔點降低，熔化成為液態(tài)鐵滴，脈石則與低價鐵氧化物和錳氧化物等形成液態(tài)初渣。

3）滴落帶。軟熔帶以下填滿焦炭的區(qū)域，在軟熔帶內(nèi)熔化成的鐵滴和匯集成渣滴或冰川流的初渣滴落入此帶，穿過焦柱而進(jìn)入爐缸。在此帶中鐵滴繼續(xù)完成滲碳和溶入直接還原成元素的Si、Mn 、P 、S等，而爐渣則由中間渣轉(zhuǎn)向終渣。

4）下爐缸渣鐵貯存區(qū)。這是從滴落帶來的鐵和渣積聚的地區(qū)，在這里鐵滴穿過渣層時和渣層與鐵層的交界面上進(jìn)行著渣鐵反應(yīng)，最突出的是Si氧化和脫硫。

（2）爐渣形成過程。塊狀帶內(nèi)固相反應(yīng)形成低熔點化合物是造渣過程的開始，隨著溫度的升高，低熔點化合物中呈現(xiàn)少量液相，開始軟化黏結(jié)，在軟熔帶內(nèi)形成初渣，其特點是FeO和MnO含量高，堿度偏低（相當(dāng)于天然礦和酸性氧化球團(tuán)自身的堿度），成分不均勻。從軟熔帶滴下后成為中間渣，在穿越滴落帶時中間渣的成分變化很大。FeO和MnO被還原而降低，熔劑的或高堿度燒結(jié)礦中的"%# 的進(jìn)入使堿度升高，甚至超過終渣的堿度，直到接近風(fēng)口中心線吸收隨煤氣上升的焦炭灰分，堿度才逐步降低。中間渣穿過焦柱后進(jìn)入爐缸積聚，在下爐缸渣鐵貯存區(qū)內(nèi)完成渣鐵反應(yīng)，吸收脫硫產(chǎn)生的CaS和Si氧化的SiO2等成為終渣。

7、爐渣的主要成分是什么？

答：爐渣成分來自以下幾個方面：

（1）礦石中的脈石；

（2）焦炭灰分；

（3）熔劑氧化物；

（4）被浸的爐襯；

（5）初渣中含有大量礦石中的氧化物。

對爐渣性質(zhì)起決定性作用的是前三項。脈石和灰分的主要成分是SiO2和Al2O3稱酸性氧化物；熔劑氧化物主要是CaO和MgO稱堿性氧化物。當(dāng)這些氧化物單獨存在時，其熔點都很高，高爐條件下不能熔化。只有它們之間相互作用形成低熔點化合物，才能熔化成具有良好流動性的熔渣。原料中加入熔劑的目的就是為了中和脈石和灰分中的酸性氧化物，形成高條件下能熔化并自由流動的低熔點化合物。爐渣的主要成分就是上述4種氧化物。用特殊礦石冶煉時，根據(jù)不同的礦石種類，爐渣中還會CaF2、TiO2、BaO、MnO等氧化物。另外，高爐渣中總是含有少量的FeO和硫化物。