矿热炉的冶金原理

矿热炉的冶金原理矿热炉生产的基本任务就是把金属等有用元素从矿石或氧化物中提取出来。矿热炉生产过程中的化学反应主要是氧化物的还原反应，同时也有元素的氧化反应。矿热炉生产的基本原理是基于选择性氧化还原反应热力学，其本质是所需元素的氧化物与还原剂反应生成所需元素和还原剂中主要元素的氧化物。还原反应的通式矿热炉冶炼产品的品种十分繁杂，其冶炼方法也比较多样。但从其根本上来说，矿热炉冶炼就是利用适当的还原剂，在一定温度范围内，从含有所需元素氧化物的矿石中还原出所需元素的氧化还原过程。例如，冶炼电石、硅铁、高碳锰铁和高碳铬铁时，基本反应式分别为CAO3CCACO2SI2CSI2CO2MNOCMNCO3C2CR3CO23以上产品在矿热炉中用电热法生产，都是以碳作还原剂，碳分别夺取了氧化物CAO、SI、MNO、中的氧而生成CO，元素CA、SI、MN、CR从各自的氧化物中被还223原出来，组成化合物或适当的合金。再如，冶炼中低碳锰铁和金属铬时，基本反应式分别为2MNOSI2MNSI22AL2CR2323此时则分别用SI和AL作还原剂，冶炼方法也不同。生产中低碳锰铁用硅质还原剂，在精炼电炉中冶炼，采用电热法和金属热法；生产金属铬用铝质还原剂，在筒式炉中冶炼，采用金属热法。尽管各种冶炼产品的生产方法不同、选用的还原剂性质不同，但其冶炼实质相同，可用一通式表达（21）式中矿石中含所需元素的氧化物；M所用的还原剂；ME所需提取的元素；还原剂被氧化后生成的新的氧化物。还原反应的通式意味着，还原剂对氧的亲和力大于被还原金属对氧的亲和力，这就是金属氧化物还原的热力学条件。由于各种元素在矿石中富集程度不同、存在状态不一样，冶炼过程就产生了区别。如果石灰和硅、锰、铬矿中的有用元素含量较高、杂质含量少，可将其直接入炉冶炼；如果所用金属氧化物矿较贫且杂质多，则需富集后才能冶炼，例如锰铁比低而磷含量高的贫锰矿，必须先在高炉或电炉中冶炼，将矿石中的磷、铁还原成高磷生铁，使锰在炉渣中富集，用其生成的富锰渣代替部分或全部锰矿来进行锰合金的冶炼；还有一些矿石，其中有用元素的含量很低，则必须先经过选矿富集成精矿，对于多元素化合物共生矿还必须采用化学方法富集所需元素，然后才能用于冶炼生产；而有些多元素化合物共生矿例如钒钛磁铁矿则采取选择性还原进行冶炼生成或富集。在矿热炉冶炼生产中，由于矿石带入杂质，大多数品种的冶炼需要采用有渣法。有渣法冶炼需在炉料中配入适当的熔剂，使矿石带入的杂质在冶炼过程中生成熔点低、碱度适宜且流动性能良好的炉渣，出炉后便于炉渣与产品的分离操作。此时，冶炼者的主要任务是掌握好炉渣成分、熔点和流动性等，通过对炉渣的控制来保证产品的成分及质量，但其冶炼本质仍然是金属氧化物矿石被还原的过程。反应的热效应当物质发生化学反应和物理变化时，放出或吸收的热称为这个过程的热效应，用H表示。反应的热效应是一个重要的热力学函数。它告诉我们物质发生化学反应和物理变化时所需要或放出的热。在利用矿热炉进行铁合金的生产中，炉内的主要物质和各相主要成分如表21所示。炉内各相是互相联系的，彼此进行着物质、热量和能量的交换，因此，用热效应研究和分析反表21铁合金炉内使用的主要物质和各相主要成分物质名称主要成分炉内的相空气、氧气、CO、炉气熔剂、氧化物CAO、SI、MNO223炉渣铁合金液FE、C、SI、MN、CR、P金属耐火材料C、MGO固体应进行的可能性及金属氧化物可还原性的顺序，对冶金生产具有重要意义。在冶金生产过程的热平衡计算中，热效应计算及结果也是重要内容和主要依据。实验和统计分析表明，反应的热效应可以通过标准生成热进行计算，对于反应通式（21），在温度为298K（25）时反应的热效应可以用式（22）计算（22）式中生成物标准生成热的代数和；反应物标准生成热的代数和。即在标准状态下，反应的热效应等于生成物标准生成热的代数和与反应物标准生成热的代数和之差。若ME和M都是稳定单质，它们的标准生成热等于零，则式（22）可简化为（23）在任意温度下反应的热效应，可以利用基尔霍夫公式的积分式计算（24）式中生成物和反应物相变前的比定压热容之差；反应过程相变热；生成物和反应物相变后的比定压热容之差；T反应温度；相变温度。各种物质的标准生成热、比定压热容和相变热，可以从有关的物理化学数据表中查得。将查得的数据代入式（24）即可算出反应的热效应。反应的标准自由能变化反应的标准自由能变化是一个重要的热力学函数，用它可以判断过程自动进行的方向，生产中可以创造条件使反应沿着预期的方向进行，以达到预期的目的。欲使反应式（21）向冶炼需要的方向进行，即向生成物ME的方向进行，则反应的标准自由能变化必须是负值，即KKK持等式成立，应有即平衡时渣相中的小，合金液中大；渣相中的大，合金液中的小。为了保持体系内的平衡，A被还原出来的数量一定比B多，也就是说分配用于还原AO的碳比分配用于还原BO的碳要多。由以上推导可得出如下结论1在多种氧化物中加入还原剂后，不管各种氧化物的稳定性大小如何，它们都同时被还原；2还原剂并不是平均分配还原各氧化物，而是具有选择性，根据各氧化物的稳定性不同有不同的分配。氧化物的稳定性越差，被还原出来的金属数量就越多；反之，氧化物稳定性越好，被还原出来的金属数量就越少；3当体系内的还原剂数量逐步增加，不同氧化物逐步被还原，渣中氧化物数量不断减少。但是，由于稳定性差的氧化物比稳定性好的氧化物减少的速度快，当达到一定程度时，渣中稳定性好的氧化物浓度大大高于稳定性差的氧化物浓度，因此，稳定性好的氧化物被还原的数量将大大增加，从而氧化物稳定性好的元素也被还原出来。即还原剂的数量越多，难还原氧化物被还原的数量也越多；4温度越高，金属氧化物的稳定性越差，越容易被还原。而它们的稳定性差别也越小，因此各氧化物被还原的程度相差也就越小。实际生产时，炉料中都含有多种氧化物，因此冶炼过程就是还原剂对各种氧化物的选择性还原过程。只要控制矿石中各氧化物的含量、适当的还原剂用量、合适的温度和正确的操作，就能将需要的合金元素从矿石中还原出来，而将不需要的元素留在渣中。但不可避免的是其他氧化物也或多或少地被还原，因此合金中都有一定数量的杂质。例如，实践已证明，用碳还原一种SI含量较高、磷和铁含量也不低的锰矿石，若用2碳量和温度不同，则可以得到不同的产品见表（22）。表22碳还原锰矿石的产品冶炼温度用碳量氧化物氧化物还原开始温度得到的产品1300仅够还原FE0和25FE0和25约600富锰渣和高磷生铁1500还够还原MNOMNO约1400高碳锰铁1700还够还原SI2SI约1650硅锰合金2000还够还原23约2000硅锰铝合金化学反应速率反应的标准自由能变化和平衡常数K，分别表示了反应进行的方向和限度，这是两个重要的热力学函数。然而热力学只能指明反应的可能性，而反应的现实性需用反应速率等动力学函数来解决。化学反应速率通常用一个参与反应的物质的浓度随时间的变化速率来表示，通式为式中C反应物的浓度；N反应的级数；反应速率常数，与温度、压力、扩散速度、相界面大小等因素有关。式中，负号表示反应物浓度逐渐减少的方向，即当用反应物表示浓度时，前面加负号；当用生成物表示浓度时，前而不加负号。化学反应速率不仅与物质的本性有关外，还与催化剂、浓度、压力、温度、扩散速度和相界面大小等因索有关。例如，扩散进