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1、综合实验报告题目：研究高炉内炉料不同高度烧结矿对炉料中 Zn、Pb 的吸收指导教师：张芳班 级：08 冶金二班学 号：0861102206姓 名：李羿同 组 者：李智 孟祥明 赫振中 尹璀研究高炉内炉料不同高度烧结矿对炉料中 Zn、Pb 的吸收摘要通过改变高炉内温度，研究高炉内部料柱中不同高炉烧结矿对炉料中Zn、Pb的吸收率，考察烧结矿中Zn、Pb的赋存状态，揭示Zn在高炉冶炼中的变化规律。理论上Zn蒸汽和CO气体的扩散对活化能为 251.55kJ/ mol，Pb 蒸汽和CO气体的扩散对活化能为192.37J/ mol，为整个还原过程的控制步骤。烧结矿和石墨对锌、铅蒸气的吸附率在高炉冶炼温度条
2、件下都出现一峰值, 这一峰值分别出现1100在1 000 左右。理论上，的实验结果，表明烧结矿对Zn、Pb的吸收，不仅受到ZnO、PbO自身还原情况的影响，而且还收到高炉内部温度对烧结矿的影响。关键词：烧结矿、Zn、Pb、吸收率、变化规律一、实验目的：通过改变高炉内温度，研究高炉内部料柱中不同高度烧结矿对炉料中 Pb、Zn 的吸收率，考察烧结矿中 Pb、Zn 的赋存状态，揭示Pb、Zn 在高炉冶炼中的变化规律。2、实验原料：PbO、ZnO、石墨粉、烧结矿、氮气3、实验设备：筛子、二硅化钼高温炉、石墨坩埚、天平、扫描电镜、XRD 衍射分析仪高温炉结构图:扫描电镜结构示意图4、实验步骤：(1) 首
3、先通过筛分选择粒度 10mm 左右烧结矿(200g 左右)的作为实验原料；装入坩埚 1 中。(2) 将 PbO 或 ZnO 与石墨粉以 5:1(150g：30g)的比例进行混合，每次取 20g 加入坩埚 2(3) 为二硅化钼高温炉设置升温程序:炉子初始温度 50，250分钟升温至 800(每分钟 5),保温 30 分钟,以每分钟 4升至要求温度(1000、1100、1150、1200、1250、1300)，保温 120 分钟，按每分钟 4冷却至 800，停止加热。将装好原料的1 号和 2 号坩埚按顺序放入高温炉中进行反应，启动高温炉；进行反应。反应全程用 N2 保护，N2 流速为 2L/ mi
4、n，直至反应结束冷却到室温。(4) 将吸附反应结束的烧结矿从坩埚 2 中取出，取出的时候分别从上部、中部、底部三个位置分别取出适量试样，并将所有烧结矿采用天平进行称量，并记录其增重情况；(5) 通过扫描电镜对从不同高度取出的烧结矿对其中 Pb、Zn 的赋存状态进行观察，并进行能谱分析；(6) 通过 XRD 检测烧结矿中含 Pb、Zn 化合物的化学组成。5、实验结果与分析：（1）实验数据“烧结矿+ZnO+石墨粉”实验数据反应 1000 1100 1150 1200 1250 1300温度反应前矿质量（g）199.997 200.144 199.993 200.041 200.003 199.98
5、9反应物质量（g）20.001 20.012 20.007 19.994 20.013 19.993温度（上）989 1068 1142 1187 1239 1296温度（下）1003 1103 1152 1202 1253 1302上 31.476 34.702 36.57 33.589 68.182 52.793中上 32.770 43.877 46.73 39.159 41.326中 39.503 33.878 35.848 53.964中下 43.396 30.104 45.41 38.133 29.836下 47.220 30.834 48.56 37.318 40.027 66.2
6、59剩余 16.328 1.474 2.34 2.138 2.111 2.740吸收后 194.365 173.395 177.27 181.047 179.371 173.016差值 5.632 26.749 22.723 18.994 20.632 26.973“烧结矿+PbO+石墨粉”实验数据1100 1150 1200 1250 1300反应温度反应前矿质量（g）200.015 200反应物质量（g）20.008 20温度（上）1086温度（下）1101上 46.01 47.772 43.22 43.06中上 39.291中 52.94 69.39 57.24中下 50.297下 74
7、.50 40.408 50.50 56.06剩余 25.68 29.78吸收后 173.45 163.11 156.36差值 26.565（2）动力学模型（以 ZnO 为例）ZnO 还原的化学反应式为：ZnO(s)+CO = Zn(g)+CO2 (1)；还原率可通过检测样品 ZnO 的质量变化获得。即在某时刻 t，还原率 Y 为 Y =m/m0 (2)；式中:m0 为最大可能失重(mg)，在实验条件下为 100%；m为 t 时刻失重(mg) 。 设固体 ZnO 颗粒为均匀球状，原始半径为 r0，t 时刻半径为 r ,原始 ZnO 颗粒表面积为 S0 ，t 时刻未反应的 ZnO 表面积为 S ,
8、比表面积为 S*，(CO)为气相中 CO 的体积分数(%)，根据参考文献,动力学方程可表示为d m/ dt = -Sk(CO)*f (CO) (3) 式中: k(CO)为与 CO 浓度有关的速率常数；f( CO)为 CO 浓度的函数，S = S0(r/r0 )2 ,S0=m0 S* (m0 为初始 ZnO 质量)。而 r/r0=(1- Y)1/3 ,则 S = S0(1- Y)2/ 3 。 代入(3)式有:dm/dt =-m0S*k(CO)(1- Y)2/3 =m0K(1-Y)2/3 (4) 式中 : K 为反应速率常数(K = S*k(CO),为仅与 CO 浓度有关的常数),而 m0dY/d
9、t=dm/dt,则 dY/dt=(-m0/m0)K(1-Y)2/3 (5) 由时间从 0 到 t 和质量 m0 到 m 积分(5)式得:K=3m0/ m0t(1- Y1/3) (6)Y=1- Km0t/(3m0)3 (7)根据 F.Habashi , k(CO)与 C(CO)的关系可表示为lnk(CO)=m+nln( CO) (8) 式中：为反应幂级数；为常数。利用实验数据求得 k(CO)。恒温下 CO 还原 ZnO 的反应活化能为 251.55kJ/mol,与 CO 浓度反应产物锌蒸汽和 CO2 无关,这说明还原过程为化学反应所控制。还原反应速度主要取决于还原温度,随温度的升高，应速度显著加
10、快。同理恒温下 CO 还原 PbO 的反应活化能为 192.37J/mol。（3）扫描电镜分析1)ZnO 扫描结果:以 1150为例 上部各物质比例：CO ： Al2O3： SiO2 : CaO : FeO : Zn200 : 10 : 12 : 1 : 10 : 300中部各物质比例：Al2O3： SiO2 : CaO : FeO : Zn30 : 36 : 5 : 26 : 36下部各物质比例：CO ： Al2O3： SiO2 : CaO : FeO : Zn100 : 1 : 3 : 90 : 240 : 290(4)实验结果分析本实验在高温炉中主要发生以下反应：FeO +C = Fe
11、+COFe2O3+ 3C =2Fe +3COZnO(s)+CO = Zn(g)+CO2PbO(s)+CO = Pb(g)+CO2由于全程通入保护气，故不发生氧化反应。依据实验数据，烧结矿和混合物经高温炉加热后差值大于10%，观察石墨坩埚烧损严重，猜想烧结矿和混合物与坩埚接触部分发生了还原反应:ZnO(s)+C(s)Zn(g)+CO(g), ZnO(s)+CO(g)Zn(g)+CO2(g),PbO(s)+C(s)Pb(g)+CO(g), PbO(s)+CO(g)Pb(g)+CO2(g), CO2(s)+C(s)2CO(g).2)最佳反应温度石墨与氧化锌的混合粉末在氮气氛下加热还原的还原率随时间的
12、变化情况见图1。在反应时间1800s内和各反应温度条件下 ,还原率随反应时间 的增加而提高 ,在反应温度为 1100时还原率随时间的变化最大。在反应时间达到 1800s时 1100的还原率最高 ,达到 71% ；其余1050、1000、950下的还原率较低分别为27%、15%、7%。随CO/CO 2值得增大，还原速度速度随之增加。在反应时间为1800s的条件下，当CO/CO 2=1时还原率约为70%；当CO/CO 2值增加到2.5、5.0、10时，达到100%还原率的时间分别为1440s、960s、720s。温度对烧结矿吸附铅蒸气的影响如图所示。从图2 中可以看出: 烧结矿对铅蒸汽的吸附与温度
13、有很大的关系。低于600的区域, 随着温度的升高吸附量略有升高; 在600 1000 区域, 随着温度的升高吸附量急剧升高, 从600的0.62 % 增加到1 000的14.09 %; 温度超过1000后吸附量又急剧下降, 在1200时为0.48 % 。由此可见, 铅在高炉中的聚集和循环主要在800 1200之间进行, 铅对烧结矿冶金性能的影响也主要发生在此温度段。随着吸附温度的升高, 烧结矿吸附的铅量先增大后减小; 小于600 的区域, 随着温度的升高吸附量略有升高; 在600 1000 区域, 随着温度的升高吸附量急剧升高, 从600的0. 39 %增加到1000 的11. 25 %; 温
14、度超过1000 后吸附量又急剧下降, 在1200时为0. 56 %。由此可见, 高炉使用烧结矿比例升高, 高炉煤气排铅率也会升高。随着吸附温度的升高, 焦炭吸附铅蒸气的速度加快, 焦炭中的铅量提高; 当吸附温度达到1000左右时, 焦炭吸附铅蒸气的速度达到最高( w (PbO) = 5.30 % ) ; 再提高吸附温度, 焦炭中的铅量有降低趋势( 1200时w ( PbO ) 降到3.20 %)。由此可见,高炉内焦炭吸附铅蒸气的反应在1 000左右大量发生, 与烧结具有相同的规律。但是焦炭吸附铅的数量在同一温度下比烧结矿低得多, 在800 1200之间吸附铅量比起烧结矿变化幅度小。6.实验结论
15、：(1) 含铁炉料和焦炭对锌、铅蒸气的吸附率在高炉冶炼温度条件下都出现一峰值, 这一峰值分别出现在1100、1000左右。（2）高温炉还原熔炼在以石墨做还原剂时，固体C的还原氧化物的固-固或固-液反应，与用CO还原的气-固或气-液反应相比，前者反应速度缓慢，因为固体C的还原反应一开始后，就被反应产物隔开，固-固（液）之间的扩散几乎不再发生。对于烧结块和石墨的高温炉还原条件，相互接触更为有限，固体C的还原作用微弱，实际上是靠CO来起还原作用。在高温下，CO比CO2更稳定，在CO+CO2的混合气体中占优势，随着温度升高这种优势更加增长，只要有固体C存在就可以提供大量的CO作为还原剂。（3）在所有反应温度条件下,反应初期的质量变化很快,在经过很快的质量变化后,反应进行得非常缓慢。如在反应温度为1 100 条件下,反应时间为480 s 时减重达40 %左右,之后在4803 600s反应期间中的质量却只增加了7 %左右。实验中
