高炉冶炼基础讲课稿3.ppt

1、高炉炼铁工艺基础理论金永龙,现代炼铁的工艺： 高炉 直接还原 熔融还原,高炉炼铁的基本过程,高炉是一种竖炉型的逆流反应器 高炉内炉料经历：加热、分解、还原、软化、熔融、滴落、渣铁熔体分离 五个区域：,1 块状带（氧化物热分解、气体还原剂的间接还原）2 软熔带（后面详细讲解）3 滴落带（疏松区、死料柱）4 风口燃烧区（风口回旋区）5 渣铁贮存区,铁氧化物还原,间接还原：1100 还原剂：CO、H2、C 还原特点：高价铁氧化物向低价铁氧化物逐级变化 570 Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe 570 Fe2O3 Fe3O4 Fe,CO还原,570 Fe2O3+CO Fe3O4+CO2+37112

2、kJ Fe3O4+CO FeO+CO2 -20878kJ FeO+CO Fe+CO2+13598kJ 570 Fe2O3+CO Fe3O4+CO2+37112kJ Fe3O4+CO Fe+CO2+17154kJ,碳素溶损反应（贝波-反应）,CO2+C 2CO-165686kJ 特点：强吸热 1100 ，碳素溶损反应速度极快，使CO2不能存在。 对焦炭质量的影响：焦炭的反应性 对Fe-C-O系气相平衡的影响,H2的还原,570 3Fe2O3+ H2 2Fe3O4+H2O+21798kJ Fe3O4+ H2 3FeO+H2O -63555kJ FeO+ H2 Fe+H2O+27698kJ 570

3、3Fe2O3+ H2 2Fe3O4+H2O+21798kJ Fe3O4+ 4H2 3Fe+4H2O-146649kJ,其它反应,1000 H2O+C=H2+CO-124390kJ 大喷煤对焦炭质量的要求 810 达到平衡的水煤气反应 H2+CO2 H2O+CO-41162kJ 用H2还原铁氧化物，相当于用CO还原铁氧化物和水煤气反应二者的合成，所以H2还原相当于是对CO还原的催化，使反应中有较多的CO参加反应。 H2还原能力在810 以上大于CO的还原能力。,煤比增加对CO利用率的影响,为什么CO和H2的利用率不能达到100%,反应可逆，需要超过平衡组分浓度的过量还原剂 如FeO还原 FeO+

4、nCOFe+(n-1)CO+CO2 n=1+1/Kp,固体碳直接还原,FeO+CO=Fe+CO2+13598kJ +) CO2+C=2CO-165686kJ - FeO+C=Fe+CO-152088kJ 强吸热反应，高温有利；催化剂作用十分有效。,铁氧化物还原的动力学,还原机理 1）气相还原剂穿过边界层向铁矿物表面的外扩散，然后穿过还原产物层向反应界面的内扩散； 2）还原剂与铁氧化物发生界面化学反应； 3）还原产物通过还原产物层和边界层向气相扩散。,还原剂与铁氧化物界面化学反应机理,还原剂的表面吸附。H2的被吸附能力比CO强；N2也能被吸附，对还原过程不利； 吸附的还原剂与铁氧化物的晶格发生作

5、用，改变铁离子的价位； 通过离子扩散，使反应界面向未反应区推移。,还原反应速度,气相扩散 =D/X传质系数 D扩散系数 界面化学反应 一级反应速度 =C 反应速度常数,、D与温度的关系及对反应速度影响的范围,反应速度限制环节判别,反应速度决定于扩散或化学反应中最慢的环节。 反应过程范围判别： 被还原块矿中单位体积的空隙表面积； 为块矿中的体积气孔率； ro为块矿的半径。 S10为扩散范围；S0.1为动力学范围；S=0.110为过渡范围。,影响铁矿石还原的因素,还原剂的气相浓度 温度 煤气流速 煤气压力 矿石粒度、组成和孔隙度 煤气成分,直接还原度,铁的直接还原度：经直接还原途径从FeO中还原出

6、的铁量与被还原的全部铁量之比。rd 高炉直接还原度 高炉冶炼过程中，直接还原夺取的氧量（包括还原 Fe、Mn、Si、P等）与还原过程夺取的总氧量之比值。,直接与间接还原发展程度对还原剂消耗的影响,直接还原消耗的碳量与rd的关系 CF非铁元素直接还原消耗的碳量,间接还原反应消耗碳量与rd的关系,Fe3O4+n1CO3 FeO+(n1-1)CO+CO2 FeO+n2CO Fe+ +(n2-1)CO+CO2,作为发热剂的碳量消耗,qF、qz为鼓风带入热量和成渣热； Q为冶炼每吨铁的总热量消耗； FeL炉料中金属铁量； 9797每kg碳素燃烧生成CO时的发热量，kJ/kg； 23613每kg碳素燃烧生

7、成CO2和生成CO时的发热量差值，kJ/kg；,降低碳素消耗的措施,降低rd，发展间接还原，提高煤气利用率，使燃料比沿MK线下降； 降低总热量消耗，改善冶炼条件使MK线下降。,未反应核模型,还原反应过程,气体还原剂的外扩散还原剂内扩散还原气体吸附界面化学反应氧化气体脱附氧化气体内扩散氧化气体外扩散,未反应核模型浓度分布图,还原速率的数学模型,在低温下，界面反应阻力大，但随温度升高而减小。 还原初期内扩散阻力小，但很快随温度升高而占主要地位，高温尤为明显。 外扩散阻力在还原过程中比较小，不成为反应的限制性环节。,1 ：还原气体在主流中的浓度与平衡浓度差 ，即反应的推动力，s/mol 2 ：边界层扩散阻力， s/mol 3：内扩散阻力，s/mol 4：界面反应阻力，s/mRA RA:还原反应速率；mol/s; - 边界层传质系数； Deff - 在微孔中有效扩散系数；k- 反应速度常数； K反应平衡常数；ro -原始半径；r -未反应核半径。,提高还原速度的途径： 温度。 扩大8001100的中温还