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1、第二章还原过程2023/2/251第一页，本课件共有114页第三节第三节铁的直接还原和间接还原铁的直接还原和间接还原3.Directreductionandindirectreductionofiron第四节第四节非铁元素的还原非铁元素的还原4.Reductionofnon-ferreouselement第五节第五节生铁的形成生铁的形成5.Formationofpigiron第二页，本课件共有114页第第四四章章高炉内的还原过程高炉内的还原过程Chapter4ReductionprocessinBF第一节第一节炉料的蒸发、挥发和分解炉料的蒸发、挥发和分解1.Evaporation、volati
2、lizationanddecompoundingofcharging第三页，本课件共有114页炉料中的水以吸附水吸附水和化合水化合水两种形式存在。吸附水存在于热烧结矿以外的一切炉料中，吸附水一般在l05以下即蒸发。吸附水蒸发对高炉冶炼并无坏处，因为炉喉煤气温度通常大于200，流速也很高，炉料中的吸附水在炉料入炉后，下降不大的距离就会蒸发完，水的蒸发仅仅利用了煤气的余热，水的蒸发仅仅利用了煤气的余热，不会增加焦炭的消耗；同时因水分的蒸发吸热，降低了煤不会增加焦炭的消耗；同时因水分的蒸发吸热，降低了煤气温度，对装料设备和炉顶金属结构的维护还带来好处气温度，对装料设备和炉顶金属结构的维护还带来好处。
3、此外，煤气温度降低，体积减小，流速也因之降低，炉尘吹出量随之减少。在实际生产中，往往因炉顶温度过高，在实际生产中，往往因炉顶温度过高，而向炉料或炉喉内打水以降低煤气温度。而向炉料或炉喉内打水以降低煤气温度。一、水分的蒸发一、水分的蒸发Theevaporationofwater第四页，本课件共有114页炉料中的化合水，又称结晶水，以化合物的状态存在。褐铁矿(nFe203mH20)化合水最多，高岭土(A2032Si02.2H20)也含部分化合水。化合水只有在水化物分解后，水分才会蒸发。第五页，本课件共有114页第六页，本课件共有114页第七页，本课件共有114页炉料中碳酸盐主要来自石灰石(CaC0
4、3)、白云石(MgC03)，有时也来自碳酸铁(FeC()3)或碳酸锰(MnCO3)。1碳酸盐的分解碳酸盐的分解当炉料加热时，碳酸盐按FeCO3、MnC03、MgCO3、CaCO3的顺序依次分解。碳酸盐分解反应通式可写成：MeCO3=MeO十C02一Q反应式中Me代表Ca、Mg、Fe及Mn等元素。碳酸盐的分解反应是可逆的，随温度升高，其分解压力升高，即有利于碳酸盐的分解。二、碳酸盐分解二、碳酸盐分解Carbonatedecomposing第八页，本课件共有114页高炉冶炼最常见的碳酸盐是作为熔剂用的石灰石高炉冶炼最常见的碳酸盐是作为熔剂用的石灰石。石灰石的分解反应为：CaC03CaO十CO242
5、50041868kJ反应发生的条件是：当碳酸钙的分解压力(C02分压)PCO2大于气氛中C02的分压PCO2时，该反应才进行。CaCO3在高炉内的分解温度与炉内总压力和煤气中C02分压有关。据测定表明，石灰石在高炉内石灰石在高炉内加热到加热到700一一800开始分解，开始分解，9001000达到化达到化学沸腾。学沸腾。第九页，本课件共有114页石灰石的分解速度和它的粒度有很大关系石灰石的分解速度和它的粒度有很大关系。因为CaCO3的分解是由表及里，分解一定时间后，在表面形成一层石灰(CaO)层，妨害继续分解生成的C02穿过石灰层向外扩散，从而影响分解速度。当大粒度分成若干小块时，比表面积增加，
6、在相同条件下，分解生成的石灰量增多，未分解部分减少，粉状的石灰石在900左右即可分解完毕，而块状的要在更高的温度下才能完全分解。粒度愈大，分解结束的温度愈高。此外CaO层的导热性差，内部温度要比表面温度低；粒度愈大，温差愈大。因此，石灰石因块度的影响，分解完成一直要到高温区域。第十页，本课件共有114页2碳酸盐分解对高炉冶炼的影响及其碳酸盐分解对高炉冶炼的影响及其对策对策TheinfluenceofcarbonatedecomposingtoBFsmeltanditscountermeasure碳酸盐在高炉内若能在较高部位分解，它仅仅消耗高炉上部多余的热量，但如前述CaCO3若在高温区分解，必
7、然影响到燃料的过多消耗。其影响可其影响可按以下分析进行估量按以下分析进行估量：(1)CaCO3分解是吸热反应分解是吸热反应，1kgCaCO3分解吸热42541868kJ，或者每分解出1kgC02吸热95641868kJ。第十一页，本课件共有114页(2)CaCO3在高温区分解出的在高温区分解出的C02，一般有，一般有50以上与以上与焦炭中的焦炭中的C发生气化发生气化(溶损溶损)反应：反应：C02十十C2CO一一3960041868kJkg分子分子反应既消耗反应既消耗C又消耗热量。因耗又消耗热量。因耗C而减少了风口前燃烧的而减少了风口前燃烧的C量量，(两者在数量上是相当的)即减少了C燃烧的热量：
8、C十1/202CO十29970 x4.1868Ukg分子两项热量之和为6957041868kJkg分子，第十二页，本课件共有114页(3)CaCO3分解出的分解出的CO2冲淡还原气氛，影响还原冲淡还原气氛，影响还原效果。效果。综上分析，综上分析，CaCO3分解造成热能损失，又影响还分解造成热能损失，又影响还原和焦炭强度。据理论计算以及实践经验表明，原和焦炭强度。据理论计算以及实践经验表明，每增加每增加100kG石灰石，多消耗焦炭石灰石，多消耗焦炭30kG左右。左右。为消除石灰石作熔剂的不良影响，可采取以下措为消除石灰石作熔剂的不良影响，可采取以下措施：施：a、生产自熔性、生产自熔性(特别是熔剂
9、性特别是熔剂性)烧结矿，使高炉少烧结矿，使高炉少加或不加熔剂，实现熔剂搬家加或不加熔剂，实现熔剂搬家;b、缩小石灰石粒、缩小石灰石粒度，改善石灰石炉内分解条件，使入炉熔剂尽可度，改善石灰石炉内分解条件，使入炉熔剂尽可能在高炉内较高部位完成分解；能在高炉内较高部位完成分解；c、使用生石灰代、使用生石灰代替石灰石作熔剂替石灰石作熔剂.第十三页，本课件共有114页高炉炼铁的主要目的，即是将铁矿石中铁高炉炼铁的主要目的，即是将铁矿石中铁和一些有用元素还原出来，所以还原过程和一些有用元素还原出来，所以还原过程是高炉冶炼最基本的物理化学反应。是高炉冶炼最基本的物理化学反应。第二节第二节铁氧化物还原的热力学
10、分析铁氧化物还原的热力学分析2.Reductivethermodynamicsanalyzingofironoxide第十四页，本课件共有114页一、铁氧化物还原条件一、铁氧化物还原条件Thedeoxidizingconditionofferriferousoxide在铁矿石中，主要是含铁氧化物，也有少量非铁氧化物如硅、锰等氧化物。在高炉冶炼中，铁几乎能全部被还原，而硅、锰只能部分被还原，这主要决定于还原反应的平衡状态，即热力学条件；也受达到平衡状态难易程度的影响，即动力学条件。所谓还原反应还原反应，是指利用还原剂夺取金属氧化物中的氧，使之变为金属或该利用还原剂夺取金属氧化物中的氧，使之变为金
11、属或该金属的低价氧化物的反应。金属的低价氧化物的反应。还原反应可表示为：MeO十BMe十BO反应得以进行，必须是还原剂B和氧的化学亲和力，大于金属Me和氧的化学亲和力。第十五页，本课件共有114页衡量金属或非金属与氧亲和力大小的尺度，可用元素与氧生成化衡量金属或非金属与氧亲和力大小的尺度，可用元素与氧生成化合物时，系统中自由能合物时，系统中自由能Z变化的大小来区别。变化的大小来区别。如Z负的绝对值越大，即自由能减少越多，该化合物越稳定。自由能随温度不同而变化，如图，可看出各种氧化物的生成自由能与温可看出各种氧化物的生成自由能与温度的关系度的关系。在一定温度下，各种氧化物都有一定的生成自由能，其
12、值愈小(即负的绝对值愈大)，该氧化物中的金属和氧的亲和力愈大此金属愈难还原；相反，氧化物的生成自由能愈大，该氧化物中的金属和氧的亲和力愈小，此金属则易还原。依此，依此，Cu、Ni比比Fe容易还原，而容易还原，而Mn、Si比比Fe则难则难还原还原。同时，与氧亲和力大的金属，可以作为还原剂，还原与氧亲和力小的金属氧化物。例如Al就可作为还原剂还原Ti；而且生成自由能越小的氧化物中的金属，作为还原剂时其还原能力越强。随着温度的升高，各种氧化物的生成自由能变大，即各种元素与氧的亲和力变小，则有利于元素的还原。第十六页，本课件共有114页高炉冶炼主要是以CO和C作为还原剂，还原区域的温度一般不大于150
13、0，在此条件下，CaOCaO、A1203A1203和和MgOMgO在高在高炉冶炼过程中不可能被还原。炉冶炼过程中不可能被还原。第十七页，本课件共有114页第十八页，本课件共有114页氧化物中的金属(或非金属)和氧亲和力的大小，也可用氧化物的分解压力大小来表示，即氧化物的分解压力越小，元素和氧的亲和即氧化物的分解压力越小，元素和氧的亲和力越大，该氧化物越稳定。力越大，该氧化物越稳定。高炉内常见氧化物的分解压力如图所示。第十九页，本课件共有114页由图可知，铁氧化物的分解压力比其它一些氧化物大，FeO即比MnO和Si02易于还原。铁的高价氧化物分解压力更大，如Fe203在1375时的分解压力为00
14、2lMPa，在此温度下。即使无还原剂，Fe203也能热分解，生成Fe3O4；而Fe3O4与FeO的分解压力比Fe203小得多，FeO要达到3487时才能分解，高炉内达不到这样高的温度，因此在高炉内不能靠加热分解以获得铁的低价氧化物直至金属铁，而需借助还原剂还原。第二十页，本课件共有114页二、铁氧化物还原顺序二、铁氧化物还原顺序thedeoxidizeorderoftheferriferousoxide铁的氧化物主要以三种形态存在：Fe2O3（赤铁矿）、Fe3O4（磁铁矿）、FeO（浮士体）。还原顺序是从高价铁氧化物逐级还原成低价铁氧化物，最后获得金属铁。其还原顺序为：Fe2O3Fe3O4Fe
15、OFe由于FeO在低于570时是不稳定的，所以还原情况是：当温度大于当温度大于570时：时：Fe2O3Fe3O4FeOFe当温度低于当温度低于570时：时：Fe2O3Fe3O4Fe第二十一页，本课件共有114页第二十二页，本课件共有114页1。用。用CO还原铁氧化物还原铁氧化物(1)反应特点反应特点。在实际生产中，CO能还原铁的各级氧化物。当温度大于当温度大于570时，还原反应为：时，还原反应为：3Fe203十CO2Fe3O4十CO2十887041868kJ（1）2Fe304十CO3FeO十C02499041868kJ（2）FeO十COFe十CO2十325041868kJ（3）三、铁氧化物的还
16、原反应三、铁氧化物的还原反应Thereductionreactionoftheferriferousoxide第二十三页，本课件共有114页在温度小于在温度小于570时，由于时，由于FeO不能稳定存在，不能稳定存在，Fe304将被将被CO还原成金属铁，故反应为：还原成金属铁，故反应为：3Fe203十CO=2Fe304十C02十88704.1868KJFe304十CO3Fe十4C02十41004.1868kJ（4）第二十四页，本课件共有114页上述诸反应的特点是：上述诸反应的特点是：1)从从Fe2O3还原成还原成Fe，除反应，除反应（2）为吸热反应为吸热反应外，其余反应均为放热反应；外，其余反应
17、均为放热反应；2)Fe2O3分解压力较大，可以被分解压力较大，可以被CO全部还原全部还原成成Fe3O4；3)除从除从Fe2O3还原成还原成Fe3O4的反应为不可逆外，的反应为不可逆外，其余反应都是可逆的，反应进行的方向取决于气其余反应都是可逆的，反应进行的方向取决于气相反应物和生成物的浓度。相反应物和生成物的浓度。反应在一定温度下达到在一定温度下达到平衡，其平衡常数平衡，其平衡常数KP为为：KpPCO2/PCO=（%CO2）/（%CO）第二十五页，本课件共有114页由于(C02)十(CO)=100所以(CO)100/（1+Kp）f(T)按Kp与温度关系，上述各还原反应的平衡常数为：反应(1)：
18、lgKp=2726/T十2144(5)反应(2)：lgKp1645/T十1935(6)反应(3)：lgKp429/T1140(7)反应(4)：lgKp=2462/T0997(8)第二十六页，本课件共有114页由(5)、(6)、(7)、(8)式，可计算出反应(1)至(4)的平衡常数。据此便能算出各反应平衡气相中CO的浓度。由于各反应的Kp不同，因而平衡气相中CO也不相同。(2)(2)温度对反应的影响温度对反应的影响。各级铁氧化物在不同温度下，其平衡气相成分是不相同的。将各种温度下的平衡常数代入(CO)100/（1+Kp）f(T)，便可以计算出各个反应在不同温度下的CO，则可作出COt曲线图。曲线
19、1、2、3、4，分别为反应(1)、(2)、(3)和(4)的平衡气相成分曲线。在在570时，曲线时，曲线2、3和和4相交于一点相交于一点。曲线将平衡图分成四个区域，即曲线将平衡图分成四个区域，即Fe、FeO、Fe3O4和和Fe2O3的稳定区的稳定区。在曲线1以下为Fe2O3稳定区；曲线1、2和4之间为Fe3O4稳定区；曲线2和3之间为FeO稳定区；曲线3和4之上为Fe的稳定区。不在曲线上的点，表明体系处在非平衡状态，并且反应将向着该区域内稳定存在的物质方向转化。第二十七页，本课件共有114页例如例如，将Fe放在曲线2和3之间，在570的任一温度下，气相组成中C02含量均大于曲线3上平衡气相中的C
20、02含量，或者说气相组成CO含量均小于平衡曲线3上的CO含量，所以反应(3)将向左进行，最终Fe会被氧化成FeO。第二十八页，本课件共有114页第二十九页，本课件共有114页从图也可看出，曲线1、3、4向右上方倾斜，曲线2向下斜，表明前者为放热反应，后者为吸热反应。同时FeO十COFe十C02反应的平衡曲线位置最高，说明它达到平衡需要的CO量最大，所以FeO最难还原。例如900时，用C060，C0240的煤气不可能将FeO还原成Fe，但这一组成的煤气完全可以将Fe304还原成FeO。第三十页，本课件共有114页煤气上升过程中，煤气上升过程中，CO将首先在高炉中下部把将首先在高炉中下部把FeO还
21、还原成原成Fe，剩余的，剩余的CO在继续上升时，再将在继续上升时，再将Fe04还原成还原成FeO，最后将，最后将Fe203还原成还原成Fe3O4，煤气的化学能，煤气的化学能得到很好利用。得到很好利用。衡量高炉内CO利用程度的指标为CO利用率利用率，即高高炉内参加间接还原反应的炉内参加间接还原反应的CO与炉内与炉内CO总量之比总量之比值值。一般表示为：COCO2/(CO2+CO)100式中C02、CO分别为高炉炉顶煤气中CO2和CO的百分含量。第三十一页，本课件共有114页（3）碳的气化反应及其对还原的影响）碳的气化反应及其对还原的影响在高炉内进行上述各级铁氧化物的还原反应，是在有碳素存在的情况
22、下进行的。而碳素在较高温度下将发碳素在较高温度下将发生气化反应生气化反应(又称贝一波反应，溶损反应，又称贝一波反应，溶损反应，C02的还的还原反应原反应)：C02十十C2CO一一3950041868kJkg分子分子将C的气化反应在不同温度下达到平衡时的气相组成，和CO一t平衡图绘于同一图上，可得出铁氧化物、碳氧化物和碳的平衡与温度关系图。由于反应体系中有过剩的碳存在，最终的气相组成，总是要达到碳的气化反应平衡曲线上，这必然对铁氧化物还原反应产生影响。第三十二页，本课件共有114页碳的气化反应平衡曲线5，与曲线2交于b点，交点对应温度Tb647。此点表示反应：Fe3O4十CO3FeO十C02与反
23、应C02十C2CO的平衡气相成分相等，(气相中CO一40，C0260)，也即Fe3O4开始还原成FeO的温度为647。当温度低于647时，Fe304不可能还原成FeO。因为在低于647的任一温度下，碳的气化反应平衡曲线，位于反应Fe3O4十4CO3Fe十4C02及反应Fe3O4十CO3FeO十C02平衡曲线之下，即气相中CO的含量低于这二个反应平衡时的CO含量，Fe或FeO都将被氧化成Fe3O4。第三十三页，本课件共有114页第三十四页，本课件共有114页曲线5与曲线3相交于a点，此交点相应的温度为685。此点表示反应FeO十COFe十C02与C02十C2CO的平衡气相成分相等，(CO一59，
24、C0241)也即FeO开始还原成Fe的温度是685。同上分析，在高于685时，Fe3O4或FeO都将被还原成Fe。第三十五页，本课件共有114页如上分析，虽然铁氧化物还原的热力学条件与高炉实际不尽相同，但通过气相平衡分析，可以查出在一定温度下平衡气相中COC02比值，这样就可求出还原铁氧化物时，CO还原剂的需要量，这对计算理论碳素消耗是不可缺少的，同时，也是理论分析的重要依据。第三十六页，本课件共有114页2、用固体碳还原铁氧化物、用固体碳还原铁氧化物反应特点反应特点高炉内有过剩的固体碳存在，铁的各级氧化物也可被固体碳进行还原，而且也是按逐级还原程序进行，即：温度大于570时：3Fe203十C
25、2Fe3O4十CO一263004.1868kJFe3O4十C=3FeO十CO一445904.1868kJFeO十CFe十CO一363504.1868kJ第三十七页，本课件共有114页温度小于570时：Fe304十4C3Fe十4CO15364041868kJ上述反应有两个特点：上述反应有两个特点：(1)都是吸热反应，并直接消耗焦炭中的固定碳；都是吸热反应，并直接消耗焦炭中的固定碳；(2)反应是不可逆的。反应是不可逆的。由于碳与铁氧化物进行固相反应，接触面很小;而且在铁氧化物表面已被还原时，固体C也难以渗透扩散到矿石中心去进行还原。因此，碳与铁氧化物相互作用，在高炉内受到很大限制。第三十八页，本课
26、件共有114页事实上在高温下，在高温下，C对铁氧化物还原，主要通过以下两步对铁氧化物还原，主要通过以下两步进行：进行：FeO十十CO=Fe十十CO2十十325041868kJ+C02十十C2CO一一2960041868KJFeO十十C=Fe十十CO一一3635041868kJ所以固体碳还原铁氧化物反应，只表示最终结果，所以固体碳还原铁氧化物反应，只表示最终结果，反应的实质仍是反应的实质仍是CO在起作用，最终消耗的是碳素。在起作用，最终消耗的是碳素。第三十九页，本课件共有114页反应反应FeO十十CFe十十CO的进行，决定于的进行，决定于C02十十C2CO反应的速度反应的速度。实验指出：C02与
27、C作用达到平衡，其速度是很慢的。650C时，大约需要12h；800C时需要9h；温度愈低，用固体碳进行还原愈难。由于高炉内煤气流速很高，在温度大于700730时，C02十C2CO反应有可能达到平衡，即FeO可用C进行还原。但因碳的气化反应速度很慢，C还原FeO的作用很小。只有在800850时，FeO被C还原才较明显；激烈地进行反应则在1100以上。用固体碳进行还原，还受用固体碳进行还原，还受C反应性的影响反应性的影响.当当C的反应性增加时，的反应性增加时，C的的还原能力提高。还原能力提高。此外，高炉内在400一600区间，CO在铁氧化物和海绵铁等接触剂作用下，将被分解并沉积出C黑；2COCO2
28、十C；析出的C颗粒极细又很活泼，它附在矿石表面和沉积在矿石气孔中，在540时能还原氧化铁：2COCO2十C十3960041868KJ+C十FeOFe十CO一3635041868KJFeO十COFe十C02十325041868kJ第四十页，本课件共有114页不难发现，碳黑也只是参与反应，实际消耗的还原剂仍是CO；而且碳黑的还原速度极低，故影响很小。但C的沉积对高炉衬砖却起破坏作用。高炉内C的还原作用，还表现在与液体渣中FeO的作用，以及渣铁界面上渣中FeO和铁水中的C作用：(FeO)十C焦Fe十CO(FeO)十Fe3C4Fe十CO上述反应的进行，减少了铁在碴中的损失。第四十一页，本课件共有114
29、页总的说来，固体碳对铁氧化物的还原作总的说来，固体碳对铁氧化物的还原作用方式多样，但用方式多样，但主要是通过主要是通过C02C02十十C C2CO2CO反应进行的反应进行的；直接进行反应的条件；直接进行反应的条件受限，数量不大。受限，数量不大。第四十二页，本课件共有114页3、用、用H2还原铁氧化物还原铁氧化物高炉在不喷吹燃料条件下，煤气中H2量一般在1825范围内，主要是鼓风中水分被C还原产生的。在喷吹煤粉、天然气等燃料时，煤气中H2浓度显著增加。H2和氧的亲和力很强，可夺取铁氧化物中的氧而作为还原剂。第四十三页，本课件共有114页1）还原反应的特点还原反应的特点用H2还原铁氧化物，仍然遵守
30、逐级还原规律：当温度大于570时3Fe203十H2Fe3O4十H20十521041868kJFe304十H23FeO十H2O一1519041868KJFeO十H2=Fe十H20一662041868KJ第四十四页，本课件共有114页当温度小于570时2Fe203十H2=2Fe304十H2O十521041868kJFe3O4十4H2=3FeO十4H20一3505041868kJ反应的平衡常数为：KpPH2O/PH2%H2O/%H2因为H2O十H2100所以H2100/1+Kpf(T)根据H2还原铁的各级氧化物的Kpf(T)关系，同样可得到下图：第四十五页，本课件共有114页第四十六页，本课件共有1
31、14页用用H2还原铁氧化物的特点还原铁氧化物的特点是：是：(1)反应的气相产物都是反应的气相产物都是H20；(2)各反应中唯各反应中唯3Fe203十十H22Fe304十十H20是不可逆反应，是不可逆反应，放热；其余各反应皆是可逆反应，吸热。放热；其余各反应皆是可逆反应，吸热。从H2%t平衡图可以得到：图中1、2、3、4条曲线分别表示H2的四个反应。H2一t平衡图，也和CO一t平衡图一样，四条平衡曲线区分出不同的稳定区。高于570时，平衡图也分为Fe3O4、FeO和Fe三个稳定存在区；小于570分为Fe304和Fe的稳定存在区。第四十七页，本课件共有114页如将如将CO一一t平衡图和平衡图和H2
32、一一t平衡图合平衡图合并一起并一起，便能看出用CO和H2作还原剂的明显区别：1)由于H2的还原反应都是吸热反应，因此随温度升高，平衡气相中H2O含量增加，H2含量降低。这不同于用CO进行还原；第四十八页，本课件共有114页第四十九页，本课件共有114页2)用用CO和和H2还原还原Fe304与与FeO的平衡曲线，的平衡曲线，都相交于都相交于810，当温度小于810时，PH2O/PH2PCO2/PCO当温度等于810时，PH2O/PH2=PCO2/PCO当温度大于810时，PH2O/PH2PCO2/PCO这一特点说明这一特点说明H2的还原能力，随着温度的还原能力，随着温度的升高而不断提高。在温度大
33、于的升高而不断提高。在温度大于810时，时，H2的还原能力比的还原能力比CO强；温度小于强；温度小于810时，时，CO的还原能力则比的还原能力则比H2强。强。第五十页，本课件共有114页高炉冶炼条件下，用高炉冶炼条件下，用H2还原铁氧化物，还可促进还原铁氧化物，还可促进CO及及C还原铁氧化反应的加速进行。还原铁氧化反应的加速进行。在低温区，H2还原反应生成的H20蒸汽，可与CO作用：FeO十H2Fe十H20一662041868kJ+H2O十COH2十C02十987041868kJFeO十COFe十CO2十325041868Kj第五十一页，本课件共有114页在高温区，H2还原反应生成的H2O蒸汽
34、，可与C作用：FeO十H2Fe十H2066204，1868kJ+H20十CH2十CO一2973041868KJFeO十CFe十CO一2635041868KJ由以上反应可以看出，由以上反应可以看出，H2参加反应只起着传输媒介作参加反应只起着传输媒介作用，而最终消耗的还原剂是用，而最终消耗的还原剂是CO和和C。第五十二页，本课件共有114页反应H2O十COH2十C02十987041868kJ为水煤气反应，该反应是可逆的。当温度大于810时，反应向左进行；温度小于810时，反应向右进行。2)氢参加还原对碳素消耗的影响氢参加还原对碳素消耗的影响(1)氢还原降低了碳素消耗氢还原降低了碳素消耗。高炉喷吹燃
35、料后，尤其是HC高的燃料，H2含量大大提高。燃料中HC比愈高，生成的煤气含H2愈高。煤气中H2浓度增加，促进了H2还原的发展。第五十三页，本课件共有114页H2参加还原既减少了参加还原既减少了CO、C的消耗，又的消耗，又改善了改善了C()和和C的还原条件。的还原条件。椐生产实践统计，在入炉的总H2中，约有3050%的H2参加还原，余下的H2则随煤气逸出炉外。参加还原的H2主要是在高温区内，约占炉内参加还原H2量的85100%，而直接代替碳花园的H2又占H2量的80%以上，其余代替CO还原。第五十四页，本课件共有114页H2还原节约了热量消耗。从还原节约了热量消耗。从FeO十十CFe十十CO一一
36、2635041868KJ和和FeO十十H2Fe十十H2066204，1868kJ，二个反应可以得出，还原，二个反应可以得出，还原FeO时一公斤的时一公斤的H2不仅可代替不仅可代替6公斤的碳，而且还原等公斤的碳，而且还原等量的铁所需热量仅为碳还原的六分之一，从而大量的铁所需热量仅为碳还原的六分之一，从而大大减少了高炉下部热量消耗。大减少了高炉下部热量消耗。在燃烧带（在燃烧带（2000以上），有部分以上），有部分H2发生热分解发生热分解为为H，并吸收大量热量，并吸收大量热量，在离开燃烧带后又合成，在离开燃烧带后又合成为为H2并并放出热量放出热量，降低了燃烧焦点温度，有利，降低了燃烧焦点温度，有利于
37、炉缸温度均匀和炉况顺行。于炉缸温度均匀和炉况顺行。第五十五页，本课件共有114页从动力学分析，从动力学分析，H2和和H2O比比CO和和CO2的扩散能力强，的扩散能力强，H2的存在促进了的存在促进了还原过程和传热过程，有利于煤气能还原过程和传热过程，有利于煤气能的利用。的利用。（2）氢利用率）氢利用率H2:H2是指高炉内参加是指高炉内参加还原反应的还原反应的H2量与入炉总量与入炉总H2量之比值，量之比值，表示高炉内H2的利用程度。第五十六页，本课件共有114页H2的计算公式如下：H2=H2还/H2总100%=1V煤气（H2煤气+2CH4煤气）/H2总2/22.4100%式中，V煤气冶炼一吨生铁的
38、煤气量，m3/t；H2煤气、2CH4煤气炉顶煤气中H2、CH4的百分含量，%；H2总入炉总H2量，kg/t。H2在高炉内的利用率随生产条件不同而异，无喷吹高炉H2利用率只有1/3，随H2含量的增加，H2利用率也增加，但到一定程度后，再增加就不明显，有时反而降低。第五十七页，本课件共有114页一一、基本概念、基本概念Basalconception二、高炉内直接还原和间接还原的分布二、高炉内直接还原和间接还原的分布The distributing of direct reduction and indirectreductioninBF三、直接还原度及其计算三、直接还原度及其计算Directred
39、uctionandaccount四、直接还原与间接还原比较四、直接还原与间接还原比较ThecompareofDirectreductionandindirect第三节第三节铁的直接还原和间接还原铁的直接还原和间接还原Directreductionandindirectreductionofiron第五十八页，本课件共有114页第三节第三节铁的直接还原和间接还原铁的直接还原和间接还原Directreductionandindirectreductionofiron一一、基本概念、基本概念Basalconception间间接接还还原原：凡凡是是用用CO（H2）作作还还原原剂剂，其其气气相相产产物物
40、为为CO2（H2O）的还原反应。）的还原反应。特点特点：主要为放热反应，消耗的还原剂多热量少主要为放热反应，消耗的还原剂多热量少。直直接接还还原原：凡凡是是用用C作作还还原原剂剂，其其气气相相产产物物为为CO的的还还原原反应反应。特点特点：吸热反应，需要的还原剂少但需消耗大量热量吸热反应，需要的还原剂少但需消耗大量热量。第五十九页，本课件共有114页二二、高高炉炉内内直直接接还还原原和和间间接接还还原原的的分分布布ThedistributingofdirectreductionandindirectreductioninBF高高炉炉内内进进行行直直接接还还原原或或间间接接还还原原，取取决决于于
41、焦焦炭炭反反应应性性的的高高低低，和和沿沿高高炉炉高高度度上上的的温温度度分分布布。焦焦炭炭反反应应性性好好，直直接接还还原原可可在在较较低低温温度度下下进进行行，间间接接还还原原区区就就相相对对缩缩小小；高高炉炉高高温温区区高高，直直接接还还原原发发生生区区域域扩扩大大，间间接接还还原原区区也也相相对对缩缩小小。反反之，则相反。之，则相反。第六十页，本课件共有114页间接还原从炉料加入高炉内就开始进行，随着炉料下降，温度升高，间接还原也愈发展，直到1100或更高温度区域，反应C02十C2CO激烈进行，使气相中CO2全部消失，则间接还原才终止；而直接还原则从碳的气化反应开始(约800)，直到1
42、100以上的高温区域才激烈进行，最终在炉缸内结束。第六十一页，本课件共有114页高炉直接和间接还原区，如图所示。在温度低于800的区域内，几乎全属间接还原区；800一1100的区域内，为间接还原与直接还原同时并存区；高于1100（或更高温度）的区域内几乎全为直接还原区。总之，直直接接还还原原与与间间接接还还原原区区的的分分布布，从从实实质质上上看看主主要要决决定定于于碳碳的的气气化化反反应应开开始始和和终终结结的的区区域域，该该反反应应开开始始进进行行的的部部位位愈愈低低，间间接接还还原原的的区区间间就就愈愈大大；反反之之，则则间间接接还还原原区区间间则则缩缩小小。风风温温水水平平高高，煤煤气
43、气分分布布合合理理，都都有有利利于于扩扩大大间间接接还还原原区。区。第六十二页，本课件共有114页三三、直直接接还还原原度度及及其其计计算算Directreduceddegreeanditscalculating.直直接接还还原原度度是是评评价价直直接接还还原原发发展展程程度度的的指指标标。直直接接还还原原度度愈愈高高，直直接接还还原原愈愈发发展展，高高炉炉燃燃料料消消耗耗愈愈高高。直直接接还还原原度度包包括括两两个个概概念念，即高高炉炉直直接接还还原原度和铁铁的的直直接接还还原度原度。在高炉冶炼过程中，除铁的氧化物被还原外，还有其他元素的氧化物被还原(如Si、Mn、P等的氧化物)。这些元素的
44、还原也主要是直接还原，如SiO2十2CSi十2CO一Q，MnO十CMn十COQ，P2O5十5C2P十5COQ等。反应的共同点是吸热，消耗C，生成CO等。第六十三页，本课件共有114页第六十四页，本课件共有114页此外，碳的气化反应，C和H20的反应，在本质上都同铁的直接还原相似，如发生在高温区，吸热，消耗了碳素而导至焦比升高等。因此，把把衡衡量量包包括括上上述述反反应应在在内内的的所所有有直直接接还还原原综综合合发发展展程程度度的的指指标标，称称为为高高炉炉直直接接还还原原度度。而仅限于评评价价铁铁氧氧化化物物直直接接还还原原发发展展程程度度的的指指标标，则则称称为为铁铁的的直直接接还还原原度
45、度。在实际生产中，较少使用高炉直接还原度，得到广泛应用的是铁的直接还原度。第六十五页，本课件共有114页1铁铁的的直直接接还还原原度度rd:即即将将高高级级铁铁氧氧化化物物还还原原成成低低级级铁铁氧氧化化物物，全全部部作作为为间间接接还还原原；而而直直接接还还原原则则认认为为从从FeO还还原原开开始始。因此，rd的的定定义义是是：由由FeO直接还原的铁量与全部铁量之比直接还原的铁量与全部铁量之比，即：rd=Fe直直/（Fe生铁生铁Fe料料）式中，Fe直从FeO中直接还原的铁量，kg/t；Fe生铁、Fe料分别为生铁中的铁元素量和炉料带入的金属铁量，kg/t。第六十六页，本课件共有114页2、铁的
46、直接还原度、铁的直接还原度rd的计算的计算从前面已知，从FeO还原成铁（Fe还），其途径可由C直接还原（Fecd）、CO间接还原（FeCO）和H2还原（FeH2）而来。由此可得：Fe还=Fecd+FeCO+FeH2用rd、rCO、rH2分别表示铁的直接还原度、CO的间接还原度和氢还原度，则rd=1rCOrH2=1FeCO/Fe还FeH2/Fe还=Fecd/Fe还（1）rCO的计算的计算第六十七页，本课件共有114页第六十八页，本课件共有114页第六十九页，本课件共有114页第七十页，本课件共有114页四、直接还原与间接还原比较四、直接还原与间接还原比较Thecompareofdirectred
47、uctionandindirect高炉冶炼中，降低碳耗一直是人们最关心的问题。法国冶金学家格留涅尔从从直直接接还还原原耗耗热热，间间接接还还原原放放热热的的观观点点出出发发，认认为为100的的间间接接还还原原是是高高炉炉的理想行程的理想行程。而英国冶金学家克利门茨则从从直直接接还还原原少少耗耗还还原原剂剂、间间接接还还原原要要多多耗耗还还原原剂剂出出发发，又又认认为为100直直接接还还原是高炉的理想行程原是高炉的理想行程。第七十一页，本课件共有114页前者只只注注意意到到间间接接还还原原时时碳碳的的热热能能利利用用，但但忽忽视视了了化化学学能能的的消消耗耗；相相反反，后后者者又又只只注注意意了
48、了碳碳的的化化学学能能利利用用，忽忽视视了了热热能能的的消消耗耗。因此，结论都难免失之偏颇。事实上焦焦炭炭燃燃烧烧既既发发热热，又又提提供供还还原原剂剂，而而要要完完成成冶冶炼炼过过程程，热热能能和和化化学学能能的的消消耗耗，或或者者说说直直接接还还原原和和间间接接还还原原的的发发展展，在在一一定定的的冶冶炼炼条条件件下下，有有一一个个合合适适的的比比值值，在在此此比比值值下下，高高炉炉冶冶炼炼需需要要的的热热能能和和化化学学能能都都能能得得到到满满足足，从从而而可可望望获获得得最最小小的的燃燃料料消消耗耗，这这也也就就是是最最合合适适的的高炉行程。高炉行程。第七十二页，本课件共有114页1、
49、还原耗、还原耗C量计算量计算（1）CO间接还原消耗间接还原消耗C量量：用CO还原铁氧化物时，要保证还原反应能正向进行，必须有过量的CO以维持平衡时的CO2/CO比值。以FeO还原来讲：FeO+n1CO=Fe+CO2+（n11）CO上式中，n1称为过量系数，在平衡条件下：称为过量系数，在平衡条件下：KP1=%CO2/%CO=1/（n11）因此，n1=1+1/KP1n1随温度不同而变化随温度不同而变化，在630时，n1=2.33。即在630的平衡条件下，还原1kg分子Fe，需2.33kg分子CO。由此，从FeO中还原出1kg铁需C量为：n112/56=0.214n1=0.2142.33=0.498
50、6kg第七十三页，本课件共有114页为了保证间接还原的进行，还原为了保证间接还原的进行，还原FeOFeO后后的气体产物的气体产物COCO2 2+（n n1 1 1 1）COCO，在上，在上升过程中，必须满足升过程中，必须满足FeFe3 3O O4 4还原成还原成FeOFeO所所需的还原剂量需的还原剂量，即：1/3Fe3O4+CO2+（n11）CO=FeO+4/3CO2+（n14/3）CO第七十四页，本课件共有114页同理可得：n2=4/3（1/KP2+1）上式中n2表示还原表示还原Fe3O4的过量系数，注的过量系数，注意与还原意与还原FeO过量系数过量系数n1的区别。的区别。当当n1=n2时，