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1、【本章学习要点】本章学习炉料在高炉内的物理化学变化,高炉内铁氧化物的还原反应，高炉内非铁元素的还原，生铁的生成与渗碳过程，高炉炉渣的成分与作用，硫的分布情况，炉渣脱硫反应及其条件，高炉内燃烧反应的作用，影响燃烧带大小的因素，炉料和煤气运动情况。第一节 炉料在炉内的物理化学变化炉料从炉顶装入高炉后，自上而下运动。被上升的煤气流加热，发生了吸附水的蒸发、结晶水的分解、碳酸盐的分解、焦炭中挥发分的挥发等反应。 图3-1 炉内的状况一、高炉炉内的状况通过国内外高炉解剖研究得到如图31所示的典型炉内状况。按炉料物理状态，高炉内大致可分为五个区域或称五个带： 1)炉料仍保持装料前块状状态的块状带； 2)矿
2、石从开始软化到完全软化的软熔带； 3)已熔化的铁水和炉渣沿焦炭之间的缝隙下降的滴落带； 4)由于鼓风动能的作用，焦炭作回旋运动的风口带； 5)风口以下，贮存渣铁完成必要渣铁反应的渣铁带。 高炉解剖肯定了软熔带的存在。软熔带的形状和位置对高炉内的热交换，还原过程和透气性有着极大的影响。二、水分的蒸发与结晶水的分解在高炉炉料中，水以吸附水与结晶水两种形式存在。 1吸附水 吸附水也称物理水，以游离状态存在于炉料中。常压操作时，吸附水一般在105以下即蒸发，高炉炉顶温度常在250左右，炉内煤气流速很快，因此吸附水在高炉上部就会蒸发完。蒸发时消耗的热量是高炉煤气的余热。所以不会增加焦炭的消耗。相反，由于
3、吸附水蒸发吸热，使煤气的温度降低，体积缩小，煤气流速降低，一方面减少了炉尘的吹出量，另一方面对装料设备和炉顶金属结构的维护还带来好处。 2结晶水 结晶水也称化合水，以化合物形态存在于炉料中。高炉炉料中的结晶水一般存在于褐铁矿(nFe203mH20)和高岭土(A12032Si022H20)中，结晶水在高炉内大量分解的温度在400600，分解反应如下：这些反应都是吸热反应，消耗高炉内的热量。三、挥发物的挥发挥发物的挥发，包括燃料挥发物的挥发和高炉内其他物质的挥发。燃料中的挥发分存在于焦炭及煤粉中，焦炭中挥发分质量分数为0.7l.3。焦炭在高炉内到达风口前已被加热到l4001600，挥发分全部挥发。
4、由于挥发分数量少，对煤气成分和冶炼过程影响不大。但在高炉喷吹燃料的条件下，由于煤粉中挥发分含量高，则引起炉缸煤气成分的变化，对还原反应有一定的影响。除燃料中挥发物外，高炉内还有许多化合物和元素进行少量挥发(也称气化)，如S、P、As、K、Na、Zn、Pb、Mn和Si0、Pb0、K20、Na20等。这些元素和化合物的挥发对高炉炉况和炉衬都有影响。 四、碳酸盐的分解 炉料中的碳酸盐主要来自石灰石(CaC03)和白云石(CaC03MgC03)，有时也来自碳酸铁(FeC03)和碳酸锰(MnC03)。 其中MnC03、FeC03和MgC03的分解温度较低，一般在高炉上部分解完毕，对高炉冶炼影响不大，Ca
5、C03的分解温度较高约910，且是吸热反应，对高炉冶炼影响较大。CaC03的分解反应式为：CaC03=CaO+C02 178000kJ若部分石灰石来不及分解而进入高温区则石灰石分解生成的C02在高温区与焦炭作用：C02+C=2C0 165800kJ此反应既消耗热量又消耗碳素，使焦比升高。为此，目前多采用使用自熔性或熔剂性烧结矿，减少石灰石用量，缩小石灰石的粒度等措施来降低焦比。第二节 还原过程和生铁的形成高炉炼铁的目的，是将铁矿石中的铁和一些有用元素还原出来，所以还原反应是高炉内最基本的化学反应。 一、基本概念 1还原反应 还原反应的通式为MeOX=Me+X0。还原反应是还原剂X夺取金属氧化物
6、Me0中的氧，使之变为金属或该金属低价氧化物的反应。高炉炼铁常用的还原剂主要有C0、H2和固体碳。 2铁氧化物的还原顺序 氧化物的分解顺序是由高级向低级逐渐转化的，还原顺序与分解顺序相同，遵循逐级还原的原则，从高级氧化物逐级还原到低级氧化物，最后获得单质。因此，铁氧化物的还原顺序为：当温度小于570时，按Fe203Fe304Fe的顺序还原。当温度大于570时，按Fe203Fe304Fe0Fe的顺序还原。二、高炉内铁氧化物的还原1用C0和H2还原铁氧化物矿石从炉顶入炉后，在温度未超过9001000时，铁氧化物中的氧是被煤气中的CO和H2夺取而产生C02和H20的。这种还原不直接用焦炭中碳素作还原
7、剂，所以叫间接还原。 当温度大于570时，用C0作还原剂当温度大于570时，用H2作还原剂用C0作还原剂的还原反应主要在高炉内小于800的区域进行；用H2作还原剂的还原反应主要在高炉内8001100的区域进行。 2用固体碳还原铁氧化物 用固体碳还原铁氧化物，生成C0的还原反应叫铁的直接还原。由于矿石在炉内下降过程中，先进行间接还原，残留的铁氧化物主要以FeO形式存在，因此在高炉内具有实际意义的只有FeO+C=Fe+C0的反应。由于固体碳与铁氧化物进行固相反应，接触面很小，直接进行反应受到很大限制，所以通常认为直接还原要通过气相进行反应，其反应过程如下：在上述反应中，虽然Fe0仍是与C0反应，但
8、气体产物C02在高炉下部高温区几乎100和碳发生气化反应，最终结果是直接消耗了碳素。CO只是从中起到了一个传递氧的作用。正因为碳的气化反应的存在和发展，使高炉内出现了间接还原和直接还原两种方式。如图32所示，直接还原一般在大于ll00的区域进行，8001100区域为直接还原与间接还原同时存在区，低于800的区域是间接还原区。图3-2直接还原和间接还原区域分布低于800区域；800-1100区域；高于1100区域 三、直接还原与间接还原的比较 1铁的直接还原度 巴甫洛夫假定，铁矿石在高炉内全部以间接还原的形式还原至Fe0，从Fe0开始以直接还原的形式还原的铁量与还原出来的总铁量之比，称为铁的直接
9、还原度，记作d。 2直接还原与直接还原的比较 间接还原是以气体为还原剂，是一个可逆反应，还原剂不能全部利用，需要有一定过量的还原剂。直接还原与间接还原相反，由于反应生成物C0随煤气离开反应面，而高炉内存在大量焦炭，所以可以认为直接还原反应是不可逆反应，lmol碳就可以夺取铁氧化物中1mol的氧原子，不需过量的还原剂。因此，从还原剂需要量角度看，直接还原比间接还原更能有利于降低焦比。间接还原大部分是放热反应，而直接还原是大量吸热的反应。由于高炉内热量收入主要来源于碳素燃烧，所以从热量的需要角度看，间接还原比直接还原更能有利于降低焦比。通过上述两方面的比较可以看到：高炉内全部直接还原(d=1)行程
10、和全部间接还原(d=0)行程都不是高炉的理想行程。只有直接还原与间接还原在适宜的比例范围内，维持适宜的d，才能降低焦比，取得最佳效果。 这一适宜的d为0203，而高炉实际操作中的，d常在0405之间，有的甚至更高，均大于适宜的d。所以，高炉炼铁工作者的奋斗目标，仍然是降低d，这是降低焦比的重要内容。发展间接还原，降低d，降低焦比的基本途径是：改善矿石的还原性，控制高炉煤气的合理分布，采用氧煤强化冶炼新工艺。降低单位生铁的热量消耗的措施有：提高风温，提高矿石品位，使用自熔性或熔剂性烧结矿，减小外部热损失，降低焦炭灰分等。四、高炉内非铁元素的还原高炉内除铁元素之外，还有锰、硅、磷等其他元素的还原。
11、根据各氧化物分解压的大小，可知铜、砷、钴、镍在高炉内几乎全部被还原；锰、钒、硅、钛等较难还原，只有部分还原进入生铁。1锰的还原锰是高炉冶炼经常遇到的金属，是贵重金属元素。高炉内的锰由锰矿带入，有的铁矿石中也含有少量的锰。高炉内锰氧化物的还原与铁氧化物的还原相似，也是由高级向低级逐级还原直到金属锰，顺序为：其中从Mn02到Mn0可通过间接还原进行还原反应，而Mn0是相当稳定的化合物，分解压力比Fe0小得多。所以，在高炉内Mn不可能由间接还原获得，只能靠直接还原取得。Mn0开始直接还原的温度约在1100-1200之间，此时Mn0已与脉石组成硅酸盐初渣，故Mn是在液态初渣中由Mn0以直接还原形式还原
12、而得：Mn0的直接还原是吸热反应，由Mn0还原出来lkg锰比还原同等数量的铁的热量消耗要大一倍。因此高炉炉温是锰还原的重要条件，其次适当提高炉渣碱度，增加Mn0的活度，也有利于锰的直接还原。还原出来的锰可溶于生铁或生成Mn3C溶于生铁。冶炼普通生铁时，有4060的锰进入生铁，5l0的锰挥发进入煤气，其余进入炉渣。2硅的还原生铁中的硅主要来源于矿石和焦炭灰分中的Si02，Si02是稳定的化合物，它的生成热大，分解压小，比Fe、Mn难还原。硅的还原只能在高炉下部高温区(1300以上)以直接还原的形式进行： 由于Si02在还原时要吸收大量热量，所以硅在高炉内只有少量被还原。还原出来的硅可溶于生铁或生
13、成FeSi再溶于生铁。较高的炉温和较低的炉渣碱度有利于硅的还原，以便获得含硅较高的铸造生铁。由于硅的还原与炉温密切相关，所以铁水中的含硅量可作为衡量炉温水平的标志。3磷的还原 炉料中的磷以磷酸钙(CaO)3P205的形态存在，有时也以磷酸铁(FeO)3P2058H20的形态存在。磷酸铁又称蓝铁矿，蓝铁矿的结晶水分解后，形成多微孔的结构较易还原，反应式为： 磷酸钙是很稳定的化合物，它在高炉内首先进入炉渣。在11001300时用碳作还原剂还原磷，其还原率能达60；当有Si02存在时，可以加速磷的还原： 磷虽难还原，反应吸热量大，但在高炉冶炼条件下，全部被还原以Fe2P形态溶于生铁。因此，降低生铁中
14、的含磷量的唯一途径是控制炉料中的含磷量。4铅、锌、砷的还原我国的一些铁矿石含有铅、锌、砷等元素，这些元素在高炉冶炼条件下易被还原。还原出来的铅，不溶于铁，而且因密度大于铁易沉积于炉底，渗入砖缝，破坏炉底；部分铅在高炉内易挥发上升，遇到C02和H20将被氧化，随炉料一起下降时又被还原，在炉内循环。还原出来的锌，在炉内挥发、氧化、体积增大使炉墙破坏，或凝附于炉墙形成炉瘤。还原出来的砷，与铁化合影响钢铁性能，使钢冷脆，焊接性能大大降低。五、还原反应动力学铁矿石的还原属异相反应，各反应相之间有明显的界面。根据动力学研究，被还原气体包围的铁矿石，还原反应是由矿石颗粒表面向中心进行的，如图33所示。 因此
15、，提高还原气体的浓度和还原温度；使用粒度较小，气孔率较大的人造矿石将改善还原条件，加快还原反应速度。图3-3 矿球反应过程模型 六、生铁的生成与渗碳过程 生铁的生成，主要是渗碳和已还原的元素进入生铁中，最终得到含Fe、C、Si、Mn、P、S等元素的生铁。矿石在加入高炉内即开始还原，在高炉炉身部位，就已有部分铁矿石在固态时被还原成金属铁。这种铁叫海绵铁。当温度升高到727以上时，固体海绵铁发生如下渗碳过程：根据高炉解剖资料分析：经初步渗碳的金属铁在1400左右时，与炽热的焦炭继续进行固相渗碳，才开始熔化成铁水，穿过焦炭滴入炉缸，熔化后的金属铁与焦炭接触条件改善，渗碳反应加快：3Fe液+C焦=Fe3C液至炉腹处，生铁的最终含碳质量分数4
