炼铁学教案.doc

第 二 次 课授课时间： 教学时间分配：复习旧课 5 分钟 讲授新课 95 分钟教学方法简介（此部分主要填写教师对一些新的教学方法的尝试，有则填，无则不填）课题： 第二节 炼铁用原料课前复习：钢铁含义、区别；钢铁工业在国民经济中具有的地位；现代钢铁生产工艺流程；炼铁所用原料。本次课要求：了解高炉使用喷吹燃料、使用熔剂情况； 理解并掌握高炉冶炼中焦炭所起的作用；熟悉高炉用焦炭质量要求；碱性熔剂化学成分与要求。掌握铁矿石化学成分、冶金性能及与高炉冶炼关系；高炉冶炼对铁矿石质量要求。授课内容： 一、铁矿石1矿物、岩石、矿石与铁矿石含义矿物是指地壳中的化学元素，经各种地质作用（自然的物理化学作用或生物作用）所形成的自然元素或化合物。它具有较均一的化学成分和内部结晶构造，因而具有一定的物理性质和化学性质。绝大多数矿物都是以天然化合物形态存在，如磁铁矿物（Fe3O4）、黄铁矿(FeS2)等。只有极少数为天然元素，如自然铜、石墨、自然硫等。矿石和岩石均由矿物所组成，是矿物的集合体。从组成上看矿石和岩石可以说是混合物。岩石状态呈固态。矿石是指在现有技术经济条件下能从中提炼出金属或有用矿物的物质。能够用来炼铁的矿石称为铁矿石。矿石是一个相对的概念，随着国民经济需要量的增长和科学技术的发展，有的岩石今后可能成为矿石而加以开采利用。按矿石中所能提取有用成分的多少，矿石可分为简单矿石和复合矿石。前者是只能从中提取一种有用成分的矿石，后者则可从中同时提取两种或两种以上有用成分的矿石。矿石由有用矿物和脉石矿物组成。能经济有效利用的矿物称为有用矿物，而目前不能经济有效利用的矿物称为脉石矿物。铁矿石：在现有的技术经济条件下能经济有效地能从中提炼出有用的铁金属或金属化合物的岩石。铁矿石中矿物组成分类：按冶炼过程有效性区分，铁矿石中的矿物可分为两大类型:(1)铁矿物； (2)脉石。2铁矿石的分类地壳中铁的贮量及铁矿石中铁的存在形态：铁在地壳中贮量占有4.2%，居第四位；而铁在铁矿石中是以铁主要是以氧化物形态而存在的。根据含铁矿物的主要性质，按其矿物组成，通常将铁矿石分为以下四大类：（1） 磁铁矿矿石主要含铁矿物为磁铁矿，化学式为Fe3O4，理论含铁量为72.4%，实际富磁铁矿石含铁量为4070%。结构致密、晶粒细小、颜色和条痕均为黑色。有强磁性、S、P含量高、还原性差。脉石成分主要为石英、硅酸盐与碳酸盐，是我国当前主要的矿种。在我国，磁铁矿石主要产于鞍山、本溪、冀东等地。有的磁铁矿矿石中还含有TiO2、V2O5等成分，当其含量高达一定程度时，称为钛磁铁矿或钒钛磁铁矿。此为复合磁铁矿石，可综合利用。我国攀枝花地区拥有十分丰富的钒钛磁铁矿矿石。（2） 赤铁矿矿石主要含铁矿物为赤铁矿，化学式为Fe2O3，理论含铁量为70%，实际富赤铁矿石含铁量为5560%。颜色、条痕均为樱红色，具有弱磁性。与磁铁矿相比，结构较软，较易破碎。S、P量一般较低。还原性好。脉石多为石英和硅酸盐。我国鞍山、宜化等地有相当的储量。赤铁矿矿石是地壳储量最丰富和目前开采量最大的一种矿石。（3） 褐铁矿矿石主要含铁矿物为结晶水的三氧化二铁，化学式可用mFe2O3nH2O(m=13，n=14)表示，理论含铁量为55.2%66.1%，实际富褐铁矿石含铁量为3755%。自然界中的褐铁矿石绝大部分以2Fe2O33H2O的形态存在。颜色为黑色到褐色，无磁性，有害杂质S、P、As含量一般较高，焙烧后还原性好。脉石主要为砂质粘土和石英等。在我国主要产于平定、云浮等地。（4） 菱铁矿矿石主要含铁矿物为菱铁矿，化学式为FeCO3，理论含铁量为48.2%，实际富菱铁矿石含铁量为3040%。颜色为灰色带黄褐色，无磁性。菱铁矿矿石经过焙烧，分解出CO2气体，含铁量即提高，矿石也变得疏松多孔，易破碎，还原性好，S、P含量低。我国威远、新化等地有少量生产，储量不多。世界铁矿石资源丰富，8O% 富矿集中在巴西、澳大利亚、南非和印度 苏联铁矿石储量为1140亿吨， 占世界总储量32.6% ，但品位不高， 均需进行较复杂的选矿。澳大利亚国家矿产资源多产赤铁矿物，且多属于富矿。我国攀西地区及东北鞍山地区矿产资源主要产磁铁矿石，且多属贫矿。3对铁矿石的评价及高炉冶炼对铁矿石的质量要求评价铁矿石质量好坏指标主要有：含铁量（品位）；脉石成分、数量及分布；有害元素的含量；有益元素的含量；矿石的还原性；矿石的高温性能等。高炉冶炼对铁矿石质量要求指标主要有：含铁量（品位）；脉石成分、数量及分布；有害元素的含量；有益元素的含量；矿石的还原性；矿石的高温性能；粒度、气孔度；机械强度；软融性及以上各指标的相对稳定性等（1）含铁量（品位）单位质量的铁矿石中铁所占的重量称铁矿石的含铁量（又称为铁品位）。矿石品位基本上决定了铁矿石的价格。铁矿石品位高低对高炉冶炼的影响：1）铁矿石品位高低直接决定高炉铁产量。铁品位越高，则高炉产量越高，反之高炉产量越低；2）铁矿石品位高低影响高炉焦比，从而影响高炉冶炼成本。铁矿石品位高，则铁矿石中脉石成分数量就少，高炉冶炼中由脉石而产生的渣量则少，渣量少时渣熔化所消耗的热量就少，从而焦比就低。反之，焦比就高。（2）脉石成分、数量铁矿石中常见的脉石成分主要有：SiO2、CaO、MgO、 Al2O3等。在我国铁矿石中脉石主要是以SiO2形态存在，由于SiO2呈酸性，该种铁矿石脉石属于酸性脉石（酸性脉石：铁矿石中的脉石以酸性氧化物为主的脉石。碱性脉石：铁矿石中的脉石以碱性氧化物为主的脉石。）高炉冶炼中脉石的变化行为：铁矿石中的脉石与熔剂作用，形成低熔点化合物，熔化成液态渣，与液态铁分离。（3）有害元素、有益元素的含量有害元素含义：指铁矿石中含有的对高炉冶炼过程或冶炼产品生产的后序产品质量有危害的元素。铁矿石中有害元素包括：S、P（常见的）、Cu、Pb、Zn、As、K、Na等。其中S、P对钢质量有害，而Pb、Zn、As、K、Na等在高炉内易于还原而对高炉冶炼过程产生危害，它们可能在高炉冶炼过程产生炉瘤、或变成不溶于铁中的液态金属沉积入炉衬中。有害元素的处理方法：主要是在铁矿石入炉前的准备处理过程中采用一定的方法而将有害元素去除。有益元素：矿石中与铁伴生的可被还原并进入生铁，并能改善钢铁材料的元素。铁矿石中伴生的有益元素若达到单独分离提取程度，矿石可综合开发利用。（4）矿石的还原性含义：它是指矿石被气体还原剂还原的难易程度。矿石还原性好坏意义：矿石还原性愈好，则有利于降低高炉焦比，反之亦然。矿石还原性影响因素：主要有矿石的矿物组成、矿石的致密程度等因素。在四大类铁矿石中，赤铁矿的还原性较磁铁矿还原性好，而褐铁矿、菱铁矿经焙烧处理后，其还原性会得到改善。（5）矿石的软融性矿石的软融性包括软化温度和软化温度区间。矿石软化温度指矿石在一定荷重条件下加热至变形的温度。矿石加热软化是矿石融化的前提。矿石软化温度高，矿石在高炉冶炼中软化熔融后所带热量也高。软化温度区间指在一定荷重条件下加热开始变形至完全变形之间的温度区间。矿石在冶炼中处于软化温度区间时，矿石的气孔率会明显降低，不利于气体流过。一般高炉内矿石软化温度范围是高炉料柱透气性最差的地方。（6）矿石的粒度、气孔度高炉所用铁矿石理论上讲其形状制成球形最好。生产过程中铁矿石大小其近似球形的直径来表示，习惯上称为粒度。从矿石加热与还原要求看，入炉矿石粒度小些，但从矿石粒度大小对高炉透气性影响看，入炉矿石的粒度要求应大些，所以综合来看，入炉铁矿石的粒度选择在一定范围内。磁铁矿石入炉粒度一般要求在5mm40mm。实际生产中每一次入炉矿的粒度还应达到一定级别要求。（7）矿石的机械强度含义：它是指矿石在运输过程耐挤压、耐磨损、耐冲击的能力。矿石机械强度高低对高炉冶炼影响：矿石机械强度低，在运输过程中易产生粉沫，会恶化高炉料柱的透气性；反之有利于改善高炉料柱的透气性。（8）以上各项指标的稳定性二、熔剂熔剂又称为助熔剂。1高炉添加熔剂理由与作用理由主要是：入炉矿石中脉石成分及燃料中的灰分均呈酸性，或者说矿石中脉石或燃料中灰分主要成分均是SiO2。在高炉冶炼过程中若不添熔剂时，矿石中脉石成分及燃料中的灰分无法熔化，则不能与铁水分离，得不到纯净的铁水。熔剂作用：（1）熔剂与矿石中脉石成分及燃料中的灰分作用，生成低熔点化合物，在高炉冶炼过程熔化成液态渣，与生铁分离，以净化生铁。（2）通过控制熔剂添加数量，控制高炉冶炼中渣的数量与渣的性质，以利于在冶炼过程中去除有害杂质硫，以提高生铁质量。2 熔剂种类与要求根据矿石中脉石酸碱性，对应高炉使用熔剂种类可分为三大类：碱性熔剂、酸性熔剂和中性熔剂。生产中常用的种类是碱性熔剂。而碱性熔剂所用的主要又是石灰石、白云石等。石灰石化学成分主要有：CaO、MgO，其次有SiO2、Al2O3及有害杂质S、P等。高炉冶炼对碱性熔剂要求：（1）有效成分（一般指熔剂有效熔剂性）要高；（2）有害杂质S、P含量要低；（3）块度和机械强度要合适。熔剂的有效熔剂性含义：按高炉炉渣碱度要求，扣除熔剂本身酸性氧化物造渣所消耗的碱性氧化物外，熔剂中剩余的碱性氧化物的含量。三、高炉燃料燃料是高炉冶炼不可缺少的主要原料之一。现代高炉冶炼的原料以冶金焦为主。随着钢铁工业的发展，优质冶金焦的需用量日益增多，而从目前国内外已查明的煤炭资源看，作为冶金焦用的煤种所占的比例不大，不能满足生产飞跃发展的需要。为了节约焦炭的用量。合理充分地利用资源，已广泛发展非炼焦煤的炼焦技术和高炉喷吹技术，使高炉所用的燃料种类增多，。1焦炭作用焦炭是用炼焦煤在隔绝空气的条件下，经过高温干馏作用而形成。用于高炉冶炼时，作用如下：（1）起发热剂作用；（2）起还原剂作用；（3）起料柱骨架和改善料柱透气性作用；（4）生铁渗碳，作生铁一个组成成分。2高炉冶炼对焦炭质量的要求由于焦炭在高炉冶炼中起着上述四个方面作用，且它在高炉内占的数量很大，因此高炉要求焦炭的可燃性好、化学成分稳定、灰分低、固体碳高、硫磷有害杂质少、粒度均匀、机械强度好和具有足够的气孔率等。焦炭工业全分析成分包括：固定碳、灰分、挥发分、有害杂质和水分。固定碳是焦炭主要成分，其数量高低直接影响焦炭的发热值，此值越高，焦炭发热值越高，反之亦然。同时，焦炭起还原剂作用也由固定碳决定。因此要求焦炭固定碳含量要高。高炉入炉料中带入总硫量中，焦炭带入的硫量占到80%左右，又因硫对钢材是有害物质，在高炉冶炼中应尽量脱除，为减轻高炉冶炼脱硫任务，必须控制焦炭中的含硫量。焦炭的挥发分是指由炼焦过程产生被密封在焦炭中的含C、H、O等元素的有机物。一般要求在0.7%-1.2%。焦炭中的水分是由湿法熄焦时渗入的，一般为2%-5%。水分含量升高时，实际入炉的干焦量会，反之亦然，这样必然引起高炉炉温的波动。筛分组成是衡量焦炭粒度均匀性的指标。筛分组成-用8080、6060、4040的冲孔筛筛分，筛分后称量各级焦炭重量占总重量的百分数。大型高炉要求焦炭粒度一般应大于40mm，中型高炉焦炭粒度应大于25mm。入炉焦炭是否均匀可用焦炭均匀性系数衡量，均匀性系数K按下式计算：焦炭的机械强度是指焦炭耐磨性能、抗冲击性能和抗压强度。要求焦炭的机械强度要高。焦炭的物理化学性质是指焦炭的可燃性好坏。它包括焦炭的燃烧性和反应性两个方面。一般要求焦炭的燃烧性要好。而焦炭的反应性好不利于焦炭燃烧性作用的发挥，一般在高炉内焦炭的反应发生在高炉的风口以上。单独从焦炭燃烧性考虑，应要求焦炭的反应性应差一些。但高温下，反应性好的焦炭其燃烧性也好，所以在高温下，要求焦炭的反应性和燃烧性要好。3其它燃料高炉上可用的其它燃料有热压型焦、冷压型焦、铁焦和喷吹燃料。喷吹用燃料有固体燃料煤粉、液体燃料重油和气体燃料天然气。目前大多数高炉喷吹固体燃料煤粉。各种喷吹燃料的理化性能。高炉使用喷吹燃料主要目的用喷吹燃料取代部分焦炭，即节焦，但不能完全取代焦炭。课后作业与思考题：1高炉冶炼中焦炭起何作用？2高炉冶炼对铁矿石质量有何要求？3铁矿石中脉石成分常见的有哪些？ 4高炉冶炼中熔剂有何作用？第 三 次 课授课时间： 教学时间分配：复习旧课 5 分钟 讲授新课 95 分钟教学方法简介（此部分主要填写教师对一些新的教学方法的尝试，有则填，无则不填）课题： 第二章 高炉冶炼过程的物理化学第一节 铁、非铁元素的还原本次课要求：了解高炉内炉料状态、软融带对高炉冶炼的影响、炉内水分的分解、石灰石分解过程；熟悉高炉内非铁元素的还原；掌握高炉内铁氧化物的还原过程；授课内容:一、高炉炉内变化概述高炉冶炼是个连续的生产过程，整个过程是从风口前燃料燃烧开始的。燃烧产生向上流动的煤气与下降的炉料相向运动。高炉内的一切均发生于煤气与炉料的相向运动和相互作用之中。高炉内的主要物理化学变化包括：炉料加热、蒸发、挥发和分解、氧化物的还原、炉料软熔、造渣、生铁的脱硫、生铁渗碳等。1高炉内炉料分布解剖高炉结果，获得高炉炉内炉料分布状态，高炉炉内炉料分布特点可分为五个带，如下：（1）块状带 该带内炉料明显地保持装料时的分层状态，没有液态的渣铁。随炉料下降其层状逐渐趋于水平，而且厚度逐渐变薄。（2）软熔带 该带内矿石从开始软化到完全熔化，它由许多固态焦炭层和粘结在一起的半融的矿石层组成。焦炭、矿石相间，层次分明。煤气主要从焦炭层中通过，象窗口一样（故可称为“焦窗”）。软融带的上方是软化线（即固相线），软融带的下沿是熔化线（即为液相线），它与矿石的软融温度是一致的。随着原料与操作条件的变化，软融带的形状与位置都随之改变。（3）滴落带 该带内是已熔化的渣铁穿过固体焦炭空隙，象雨滴一样滴落，故称为滴落带。在滴落带内焦炭长时间处于基本稳定状态的区域称为“中心呆滞区”（死料柱）。焦炭松动下降的区域称为活动性焦炭区。（4）风口带 风口前在鼓风动能的作用下焦炭作回旋运动的区域又称为“焦炭回旋区”，这个区域中心呈半空状态，该区内焦炭进行燃烧，是高炉内热量和气体还原剂的主要产生地，也是高炉内唯一存在的氧化性区域。（5）渣铁带 该带内主要是液体渣铁以及浸入其中的焦炭。在铁滴穿过渣层以及在渣铁界面时最终完成必要的渣铁反应，得到合格的生铁，并间断地从渣铁口排出炉外。2高炉各带内的功能（1）块状带的功能1）相向运动中完成的功能 固体在重力下下降，煤气在强制鼓风作用下上升。2）进行的热交换 上升的煤气对固体炉料进行预热和干燥。3）进行的反应 矿石间接还原、炉料蒸发、挥发。（2）软融带的功能1）相向运动中完成的功能 影响煤气流的分布。2）进行的热交换 上升的煤气对软化半融层进行传热熔解。3）进行的反应 矿石进行直接还原、渗碳、焦炭气化反应（3）滴落带的功能1）相向运动中完成的功能 固体、液体下降，煤气上升向回旋区供给焦炭。2）进行的热交换 上升的煤气使铁水、熔渣、焦炭升温，滴下的铁水、熔渣和焦炭进行热交换。3）进行的反应 非铁元素还原、脱硫、渗碳、焦炭气化反应。（4）风口带的功能 1）相向运动中完成的功能 鼓风使焦炭作回旋运动。2）进行的热交换 反应放热，使煤气温度上升。3）进行的反应 鼓风中的氧和蒸汽使焦炭燃烧。（5）渣铁带的功能1）相向运动中完成的功能 铁水、熔渣临时储存从静止的焦炭层内放出铁水和熔渣。2）进行的热交换 铁水、熔渣和静止的焦炭进行热交换。3）进行的反应 最终的渣铁反应。3软融带及其对高炉行程的影响（1）软融带的形状根据软融带的形状特点，一般可分为三种：1）倒V形 其特点是：中心温度高，边沿温度低，煤气利用好，而且对高炉冶炼过程一系列反应有着很好的影响。2）V形 其特点与前者相反，边沿温度高而中心温度低，煤气利用不好，而且不利于炉缸一系列反应。高炉操作者应尽量避免。3）W形 它的特点处于上述二者之间。（2）影响软融带形状的因素影响软融带形状的因素主要有：1）装料制度。可通过炉喉煤气 CO2曲线形状反映。采用正装为主的高炉，其软融带形状基本接近第倒V形。2）送风制度。 送风参数的改变可影响鼓风动能从而影响煤气的分布，进而影响软融带形状。送风温度高、风量大时，高炉炉内的软融带形状基本接近于倒V形。（3）软融带形状对高炉冶炼的影响各种形状的软融带对高炉冶炼的影响如下表1所示。表1 软融带形状对高炉冶炼的影响形状影响内容倒V形V形W形铁矿石预还原生铁脱硫生铁含硅煤气利用炉缸中心活跃炉墙维护有利有利有利利用好中心活跃有利不利不利不利不好不活跃不利中等中等中等中等中等中等二、炉料的蒸发、分解与挥发1水分蒸发炉料从炉顶装入高炉后，在下降过程中受到上升煤气流（炉顶温度一般可达到100200，有的甚至可达400500）加热，首先发生水分蒸发。装入高炉的炉料，除烧结矿外，在焦炭及有些矿石中均含有较多的水分。水的蒸发包括有：游离态水、结晶态水的蒸发。游离态水发蒸发对高炉可起一定作用，为：（1）蒸发吸收热量，使煤气温度降低，体积缩小，使煤气流速减小，从而有利于减小炉尘吹出量；（2）减小煤气对炉顶设备磨损，有利于保护炉顶设备。生产上应用：为了降低炉顶温度，还有意向入炉焦炭中加水。结晶水分解对高炉冶炼过程有一定的影响：（1）结晶水分解，使矿石破碎而产生粉末，使高炉料柱透气性变坏，对高炉稳定顺行不利；（2）部分结晶水在较高温度分解出的水汽可与焦炭中的碳素反应（碳-水气反应），消耗高炉下部热量，并消耗焦炭，同时减小风口前燃烧的碳量，使焦比增加；（3）碳-水气反应虽产生了还原性气体CO、H2，但因发生在高炉内较高部位，利用不充分，不能补偿其有害作用。2碳酸盐的分解当高炉使用石灰石熔剂或炉料含有碳酸盐时，碳酸盐在炉内分解条件：碳酸盐分解压大于高炉中CO2的分压，随着炉料的不断下降，温度升高，增加，但高炉内愈往下其CO2的分压则不断降低。碳酸盐可以在不同的部位开始分解。FeCO3、MnCO3及MgCO3分解容易，均可在高炉较高部位分解，它仅仅消耗高炉上部的多余热量。但CaCO3分解较难，大约在700才开始分解，而它的分解速度在一般情况下受生成的通过反应层向外扩散的控制，所以其分解反应速度受粒度影响较大，如果石灰石粒度大时，它完全可能有一部分CaCO3进入900以上的高温区分解，此时分解山来的CO2将与C发生溶解(溶损)反应： CO2+ C2CO-165528kJ，其结果不仅消耗了碳元素，而且要大量吸收高温区中十分宝贵的热量，对高炉能量利用不利，因此要尽量避免此种情况的发生。一般是把需要的CaO尽量加入烧结矿或球团矿的原料中，使石灰石在炉外由CaCO3焙烧成CaO，其次，当必须加入石灰石时，应当尽量减小其粒度，中小型高炉也有加石灰(CaO)的。3 CO分解反应高炉中也可能产生某种程度的CO分解反应：2CO=CO2+C 此反应虽然是放热反应，但由于它发生在500-600的高炉上部地区放出的热量不能有效利用，而析出的烟碳(C)又有很大的活性，当它随炉料下降到高温区时，能促进反应：CO2十C2CO反应大量吸热，消耗高温区有效热量及碳素，其效果为增加直接还原。此外它析出的烟碳还堵塞料层通道，破坏原料的强度，而且也破坏炉衬。4挥发物的挥发包括焦炭中挥发物的挥发、其它挥发物的挥发。除焦炭物外，高炉内还含有许多化合物的元素进行挥发（也称为气化），其中包括可以在高炉内还原的元素，如S、P、As、K、Na、Zn、Pb、Mn以及还原中间产物如SiO、PbO、K2O、Na2O等。这些物质挥发对冶炼有影响：在高炉下部还原后气化，随煤气上升到高炉上部又冷凝，然后再随炉料下降到高温区又气化而形成循环。它们之中只有部分气化物质凝结成粉尘被煤气带出炉外或溶入渣铁后被带出炉外，而剩余部分则在高炉循环富集（也称循环积累）。有的积累常常妨碍高炉正常冶炼。如挥发的锌蒸汽渗入炉衬，在冷凝过程中被氧化成ZnO，体积增大，使炉衬胀裂。铅的积累则会破坏炉底，渗入砖缝使砖浮起。还原出的锰也有部分挥发随煤气上升至低温区，被氧化成极细的Mn3O4，随煤气逸出，增加了煤气清洗的困难。有部分沉积在炉料孔隙中，堵塞煤气的上升通道，导致炉子难行，甚至造成悬料和结瘤。在冶炼制钢铁时，焦比或炉温较低是地，Mn和SiO的挥发不多，对高炉和平影响不大。三、高炉内铁的存在形态及还原规律高炉料中铁的存在形态有：Fe2O3、Fe3O4、Fe2SiO4、FeCO3、FeS2等。根据铁氧化物的分解压与温度关系知，在高炉温度条件下，除Fe2O3不需要还原剂通过分解就可以得到Fe3O4外，其余铁氧化物必须要用还原剂还原夺取其中的氧，高炉廉价的还原剂是固体C及气体CO、H2。1用CO还原铁的氧化物用CO还原铁的氧化物属于铁的间接还原。用CO还原铁的氧化物反应式：t570时，3Fe2O3 + CO =2 Fe3O4 + CO2 +Q (1) Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 -Q (3) FeO + CO = Fe + CO2 +Q (4) 用CO还原铁氧化物的特点：1）反应式（1）外其余几个反应均为可逆反应，可逆反应开始所需CO浓度如图3-3所示。由图可见，可逆反应所需CO浓度较高，在高炉冶炼条件下，铁氧化物难以被CO全部还原成金属铁。若要用CO将铁氧化物全部还原成金属铁，则高炉内应保持相当高的CO浓度。2）用CO还原铁氧化物反应主要以放热为主，且热效应不高，所以铁氧化物被CO还原主要发生在高炉低温区域，即主要发生在高炉上部。3）用CO还原铁氧化物反应前后气体体积无变化，所以高炉冶炼过程中气体压力发生改变对此类还原反应无影响。2用H2还原铁的氧化物用H2还原铁的氧化物属于铁的间接还原。用H2还原铁的氧化物反应式：t570时， 3Fe2O3 + H2 =2 Fe3O4 + H2O +Q (1) Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O -Q (7) FeO + H2 = Fe + H2O -Q (8) 用H2还原铁氧化物的特点：1）除反应式（5）外其余几个反应均为可逆反应，可逆反应开始所需H2浓度如图3-4所示。由图可见，可逆反应所需H2浓度较高，在高炉冶炼条件下，铁氧化物难以被H2全部还原成金属铁。若要用H2将铁氧化物全部还原成金属铁，则高炉内应保持相当高的H2浓度。2）用H2还原铁氧化物反应主要以吸热为主，且热效应不高，所以铁氧化物被H2还原主要发生在高炉较高温区域，即主要发生在高炉中部。3）用H2还原铁氧化物反应前后气体体积无变化，所以高炉冶炼过程中气体压力发生改变对此类还原反应无影响。3用固体碳还原铁氧化物用固体碳还原铁氧化物属于铁的直接还原。铁的直接还原反应式：t570时，3Fe2O3 + C =2 Fe3O4 + CO -Q (9) Fe3O4 + C = 3FeO + CO -Q (11) FeO + C = Fe + CO -Q (12) 用固体碳还原铁氧化物的反应均为吸热反应，反应热效应相当高，所以用固体碳还原铁氧化物的反应发生在高炉内高温区域。由于实际生产中高炉上部已存在CO、H2，它们可将铁氧化物还原至FeO及Fe，主要成为Fe，所以实际生产中用固体碳还原铁氧化物主要是FeO被固体碳还原。用固体碳还原铁氧化物有实际意义的反应式应是反应式（12）。用固体碳还原铁氧化物的反应发生在高炉内高温区域。实际生产中用固体碳还原铁氧化物主要是FeO被固体碳还原。由于高炉内装料特点，矿石中的FeO与焦炭中的碳接触面积不大，FeO + C = Fe + CO反应速度较慢，反应实质如下：FeO + CO = Fe + CO2 +Q (4) C + CO2 = 2CO -Q (13)FeO + C = Fe + CO -Q四、 碳的气化反应碳的气化反应式：碳的气化反应又称为布都阿尔反应，或碳的溶损反应。碳的气化反应特点：1）反应为吸热反应，热效应较大。开始反应温度为750，完全反应温度为1100。2）反应为可逆反应，且反应前后有气体体积变化，从而气压改变会影响碳的气化反应，气压提高有助于向左进行，反之亦然。由上述碳的气化反应特点，可知用固体碳还原铁氧化物开始温度为750，铁的直接还原真正发生在高炉高温区域（t1100）根据上述铁氧化物被还原剂还原特点可知，不同还原铁氧化物发生在不同区域。上部主要为CO间接还原、中间为H2与C共存还原区，下部为C还原区。五、直接还原与间接还原的比较1直接还原度直接还原度指高炉直接还原生成铁量与以还原方式还原出来总铁量之比值。直接还原度表示方法：（1）铁的直接还原度rd 假定铁的高级氧化物还原到低级氧化物全部为间接还原。则从FeO中以直接还原方式还原出来的铁量与FeO中还原出来的总铁量之比值称为铁的直接还原度，用rd表示。其计算式： rd =Fe直/（Fe生铁-Fe料）式中：Fe直-FeO以直接还原方式还原出来的铁量；Fe生铁-生铁中的含铁量；Fe料-炉料中带入的金属铁量。（2）铁的间接还原度ri 铁氧化物被CO、H2夺取的氧量与铁氧化物转入煤气中的全部氧量之比值，称铁的间接还原度，用ri表示。rd与ri关系为：rd+ri=1 rd =1-ri六、 锰的还原锰是高炉冶炼中常遇到的金属，高炉有时也炼镜铁和锰铁。原料中锰氧化物形式有：MnO2、Mn2O3、Mn3O4、MnO。高炉内锰的还原也是从高价向低价逐级进行的。锰还原顺序为：MnO2 Mn2O3 Mn3O4 MnO Mn锰氧化物还原难易情况为：由于MnO2和Mn2O3 分解压都比较大，在1atm时，Mn2O3的分解温度为565，Mn2O3的分解温度为1090。容易被CO还原，其反应可认为是不可逆反应，如下：2MnO2 + CO =Mn2O3 +CO2 +226690kJ (1)3Mn2O3 + CO =2Mn3O4 +CO2 +170120kJ (2)Mn3O4可认为是可逆反应：Mn3O4 + nCO =3MnO +(n-1)CO2 +51880kJ (3)在1127以下，Mn3O4没有Fe3O4稳定，即是说，Mn3O4比Fe3O4易还原。气流中只有极少量的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只能发生直接还原，其反应实质与FeO的直接还原实质相同。还原1kg的锰耗热为5222kJ，比直接还原1kg的铁耗热（2720kJ/kgFe）约高1倍，即比铁难还原。所以高温是锰还原的首要条件。在实际生产中锰的还原情况：渣中的MnO被C还原得到Mn。碱性渣操作有利于锰的还原，相反酸性渣对锰的还原不利。锰还原特点：1）逐级还原；2）还原需要高温；3）碱性渣有利于锰的还原；4）锰由渣中还原出来。七、硅的还原不同铁种硅含量要求不同。一般炼钢生铁含硅量应小于1%。目前有些高炉冶炼低硅炼钢生铁，其含硅量已降低至0.2%0.3%，甚至0.1%或者更低。对铸造生铁则要求含硅量在1.25%-4.0%，对硅铁合金要求含硅量愈高愈好。但高炉条件炼出的硅一般不大于20%。（更高含硅的硅铁在电炉中冶炼）。高炉炼生铁时，硅会发生少量还原。其还原所用的物质SiO2主要来自于铁矿石中的脉石和焦炭中的灰分的SiO2，特殊情况下高炉变可加入硅石。SiO2性能：SiO2是比较稳定的化合物，其分解压很低，生成热很大。所以硅比铁和锰还难还原。SiO2只有在高温下（且已入渣液中呈液态）靠固体碳直接还原。Si还原反应式：SiO2 + 2C = Si + 2CO -627980kJ (1)还原1kg的硅耗热为22430kJ，比直接还原1kg的铁耗热（2720kJ/kgFe）约高8倍，是还原1kg锰耗热的4.3倍，所以比铁和锰难还原。高温也是硅还原的首要条件。由此，实际生产中，高炉炉温常用生铁硅含量高低来衡量。在实际生产中高炉内硅的还原实质情况：硅的还原的顺序是逐级进行的。在1500以下还原顺序为：SiO2Si，1500以上还原顺序为：SiO2 SiOSi。SiO特性：蒸气压高，在高炉内被还原出来后即可挥发为气体。硅还原特点：1）逐级还原；2）还原需要温度高；3）酸性渣有利于硅的还原；4）渣中还原。高炉冶炼中硅还原的几个有利条件：1)SiO挥发；2）还原的Fe的存在可改善硅的还原等。八、磷的还原炉料中存在形态：主要以磷酸钙（又称磷灰石）形态存在，有时也以磷酸铁（又称蓝铁矿）存在。所以磷的还原即是从上述物质中被还原出来的。蓝铁矿首先发生脱水变化，然后脱水后的磷酸铁温度低于9501000可被CO还原，其还原反应式如下：2(FeO)3P2O5 + 16CO = 3Fe2P + P +16CO2 (8)温度高于950-1000时可被固体碳还原，其反应如下：2(FeO)3P2O5 + 16C = 3Fe2P + P +16CO (9)磷灰石是较难还原的，它在高炉首先进入炉渣，被炉渣中的SiO2的置换成自由态的P2O5，再进行直接还原，其还原反应如下：2(CaO)3P2O5 + 3SiO2 = 3Ca3SiO4 + 2P2O5 (10)2P2O5 + 10C =4P + 10CO (11) 还原出1kgP耗热为22892kJ，反应要吸收大量的热。磷属于难还原元素，在高炉条件下磷一般能全部还原。磷在生铁