礦熱爐的冶金原理礦熱爐生產(chǎn)的基本任務(wù)就是把金屬等有用元素從礦石或氧化物中提取出來(lái)。礦熱爐生產(chǎn)過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)主要是氧化物的還原反應(yīng)，同時(shí)也有元素的氧化反應(yīng)。礦熱爐生產(chǎn)的基本原理是基于選擇性氧化還原反應(yīng)熱力學(xué)，其本質(zhì)是所需元素的氧化物與還原劑反應(yīng)生成所需元素和還原劑中主要元素的氧化物。還原反應(yīng)的通式礦熱爐冶煉產(chǎn)品的品種十分繁雜，其冶煉方法也比較多樣。但從其根本上來(lái)說(shuō)，礦熱爐冶煉就是利用適當(dāng)?shù)倪€原劑，在一定溫度范圍內(nèi)，從含有所需元素氧化物的礦石中還原出所需元素的氧化還原過(guò)程。例如，冶煉電石、硅鐵、高碳錳鐵和高碳鉻鐵時(shí)，基本反應(yīng)式分別為CAO3CCACO2SI2CSI2CO2MNOCMNCO3C2CR3CO23以上產(chǎn)品在礦熱爐中用電熱法生產(chǎn)，都是以碳作還原劑，碳分別奪取了氧化物CAO、SI、MNO、中的氧而生成CO，元素CA、SI、MN、CR從各自的氧化物中被還223原出來(lái)，組成化合物或適當(dāng)?shù)暮辖稹Ｔ偃?，冶煉中低碳錳鐵和金屬鉻時(shí)，基本反應(yīng)式分別為2MNOSI2MNSI22AL2CR2323此時(shí)則分別用SI和AL作還原劑，冶煉方法也不同。生產(chǎn)中低碳錳鐵用硅質(zhì)還原劑，在精煉電爐中冶煉，采用電熱法和金屬熱法；生產(chǎn)金屬鉻用鋁質(zhì)還原劑，在筒式爐中冶煉，采用金屬熱法。盡管各種冶煉產(chǎn)品的生產(chǎn)方法不同、選用的還原劑性質(zhì)不同，但其冶煉實(shí)質(zhì)相同，可用一通式表達(dá)（21）式中礦石中含所需元素的氧化物；M所用的還原劑；ME所需提取的元素；還原劑被氧化后生成的新的氧化物。還原反應(yīng)的通式意味著，還原劑對(duì)氧的親和力大于被還原金屬對(duì)氧的親和力，這就是金屬氧化物還原的熱力學(xué)條件。由于各種元素在礦石中富集程度不同、存在狀態(tài)不一樣，冶煉過(guò)程就產(chǎn)生了區(qū)別。如果石灰和硅、錳、鉻礦中的有用元素含量較高、雜質(zhì)含量少，可將其直接入爐冶煉；如果所用金屬氧化物礦較貧且雜質(zhì)多，則需富集后才能冶煉，例如錳鐵比低而磷含量高的貧錳礦，必須先在高爐或電爐中冶煉，將礦石中的磷、鐵還原成高磷生鐵，使錳在爐渣中富集，用其生成的富錳渣代替部分或全部錳礦來(lái)進(jìn)行錳合金的冶煉；還有一些礦石，其中有用元素的含量很低，則必須先經(jīng)過(guò)選礦富集成精礦，對(duì)于多元素化合物共生礦還必須采用化學(xué)方法富集所需元素，然后才能用于冶煉生產(chǎn)；而有些多元素化合物共生礦例如釩鈦磁鐵礦則采取選擇性還原進(jìn)行冶煉生成或富集。在礦熱爐冶煉生產(chǎn)中，由于礦石帶入雜質(zhì)，大多數(shù)品種的冶煉需要采用有渣法。有渣法冶煉需在爐料中配入適當(dāng)?shù)娜蹌?，使礦石帶入的雜質(zhì)在冶煉過(guò)程中生成熔點(diǎn)低、堿度適宜且流動(dòng)性能良好的爐渣，出爐后便于爐渣與產(chǎn)品的分離操作。此時(shí)，冶煉者的主要任務(wù)是掌握好爐渣成分、熔點(diǎn)和流動(dòng)性等，通過(guò)對(duì)爐渣的控制來(lái)保證產(chǎn)品的成分及質(zhì)量，但其冶煉本質(zhì)仍然是金屬氧化物礦石被還原的過(guò)程。反應(yīng)的熱效應(yīng)當(dāng)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和物理變化時(shí)，放出或吸收的熱稱(chēng)為這個(gè)過(guò)程的熱效應(yīng)，用H表示。反應(yīng)的熱效應(yīng)是一個(gè)重要的熱力學(xué)函數(shù)。它告訴我們物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和物理變化時(shí)所需要或放出的熱。在利用礦熱爐進(jìn)行鐵合金的生產(chǎn)中，爐內(nèi)的主要物質(zhì)和各相主要成分如表21所示。爐內(nèi)各相是互相聯(lián)系的，彼此進(jìn)行著物質(zhì)、熱量和能量的交換，因此，用熱效應(yīng)研究和分析反表21鐵合金爐內(nèi)使用的主要物質(zhì)和各相主要成分物質(zhì)名稱(chēng)主要成分爐內(nèi)的相空氣、氧氣、CO、爐氣熔劑、氧化物CAO、SI、MNO223爐渣鐵合金液FE、C、SI、MN、CR、P金屬耐火材料C、MGO固體應(yīng)進(jìn)行的可能性及金屬氧化物可還原性的順序，對(duì)冶金生產(chǎn)具有重要意義。在冶金生產(chǎn)過(guò)程的熱平衡計(jì)算中，熱效應(yīng)計(jì)算及結(jié)果也是重要內(nèi)容和主要依據(jù)。實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析表明，反應(yīng)的熱效應(yīng)可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)生成熱進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于反應(yīng)通式（21），在溫度為298K（25）時(shí)反應(yīng)的熱效應(yīng)可以用式（22）計(jì)算（22）式中生成物標(biāo)準(zhǔn)生成熱的代數(shù)和；反應(yīng)物標(biāo)準(zhǔn)生成熱的代數(shù)和。即在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，反應(yīng)的熱效應(yīng)等于生成物標(biāo)準(zhǔn)生成熱的代數(shù)和與反應(yīng)物標(biāo)準(zhǔn)生成熱的代數(shù)和之差。若ME和M都是穩(wěn)定單質(zhì)，它們的標(biāo)準(zhǔn)生成熱等于零，則式（22）可簡(jiǎn)化為（23）在任意溫度下反應(yīng)的熱效應(yīng)，可以利用基爾霍夫公式的積分式計(jì)算（24）式中生成物和反應(yīng)物相變前的比定壓熱容之差；反應(yīng)過(guò)程相變熱；生成物和反應(yīng)物相變后的比定壓熱容之差；T反應(yīng)溫度；相變溫度。各種物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成熱、比定壓熱容和相變熱，可以從有關(guān)的物理化學(xué)數(shù)據(jù)表中查得。將查得的數(shù)據(jù)代入式（24）即可算出反應(yīng)的熱效應(yīng)。反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化是一個(gè)重要的熱力學(xué)函數(shù)，用它可以判斷過(guò)程自動(dòng)進(jìn)行的方向，生產(chǎn)中可以創(chuàng)造條件使反應(yīng)沿著預(yù)期的方向進(jìn)行，以達(dá)到預(yù)期的目的。欲使反應(yīng)式（21）向冶煉需要的方向進(jìn)行，即向生成物ME的方向進(jìn)行，則反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化必須是負(fù)值，即KKK持等式成立，應(yīng)有即平衡時(shí)渣相中的小，合金液中大；渣相中的大，合金液中的小。為了保持體系內(nèi)的平衡，A被還原出來(lái)的數(shù)量一定比B多，也就是說(shuō)分配用于還原AO的碳比分配用于還原BO的碳要多。由以上推導(dǎo)可得出如下結(jié)論1在多種氧化物中加入還原劑后，不管各種氧化物的穩(wěn)定性大小如何，它們都同時(shí)被還原；2還原劑并不是平均分配還原各氧化物，而是具有選擇性，根據(jù)各氧化物的穩(wěn)定性不同有不同的分配。氧化物的穩(wěn)定性越差，被還原出來(lái)的金屬數(shù)量就越多；反之，氧化物穩(wěn)定性越好，被還原出來(lái)的金屬數(shù)量就越少；3當(dāng)體系內(nèi)的還原劑數(shù)量逐步增加，不同氧化物逐步被還原，渣中氧化物數(shù)量不斷減少。但是，由于穩(wěn)定性差的氧化物比穩(wěn)定性好的氧化物減少的速度快，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，渣中穩(wěn)定性好的氧化物濃度大大高于穩(wěn)定性差的氧化物濃度，因此，穩(wěn)定性好的氧化物被還原的數(shù)量將大大增加，從而氧化物穩(wěn)定性好的元素也被還原出來(lái)。即還原劑的數(shù)量越多，難還原氧化物被還原的數(shù)量也越多；4溫度越高，金屬氧化物的穩(wěn)定性越差，越容易被還原。而它們的穩(wěn)定性差別也越小，因此各氧化物被還原的程度相差也就越小。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，爐料中都含有多種氧化物，因此冶煉過(guò)程就是還原劑對(duì)各種氧化物的選擇性還原過(guò)程。只要控制礦石中各氧化物的含量、適當(dāng)?shù)倪€原劑用量、合適的溫度和正確的操作，就能將需要的合金元素從礦石中還原出來(lái)，而將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還原，因此合金中都有一定數(shù)量的雜質(zhì)。例如，實(shí)踐已證明，用碳還原一種SI含量較高、磷和鐵含量也不低的錳礦石，若用2碳量和溫度不同，則可以得到不同的產(chǎn)品見(jiàn)表（22）。表22碳還原錳礦石的產(chǎn)品冶煉溫度用碳量氧化物氧化物還原開(kāi)始溫度得到的產(chǎn)品1300僅夠還原FE0和25FE0和25約600富錳渣和高磷生鐵1500還夠還原MNOMNO約1400高碳錳鐵1700還夠還原SI2SI約1650硅錳合金2000還夠還原23約2000硅錳鋁合金化學(xué)反應(yīng)速率反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化和平衡常數(shù)K，分別表示了反應(yīng)進(jìn)行的方向和限度，這是兩個(gè)重要的熱力學(xué)函數(shù)。然而熱力學(xué)只能指明反應(yīng)的可能性，而反應(yīng)的現(xiàn)實(shí)性需用反應(yīng)速率等動(dòng)力學(xué)函數(shù)來(lái)解決?；瘜W(xué)反應(yīng)速率通常用一個(gè)參與反應(yīng)的物質(zhì)的濃度隨時(shí)間的變化速率來(lái)表示，通式為式中C反應(yīng)物的濃度；N反應(yīng)的級(jí)數(shù)；反應(yīng)速率常數(shù)，與溫度、壓力、擴(kuò)散速度、相界面大小等因素有關(guān)。式中，負(fù)號(hào)表示反應(yīng)物濃度逐漸減少的方向，即當(dāng)用反應(yīng)物表示濃度時(shí)，前面加負(fù)號(hào)；當(dāng)用生成物表示濃度時(shí)，前而不加負(fù)號(hào)。化學(xué)反應(yīng)速率不僅與物質(zhì)的本性有關(guān)外，還與催化劑、濃度、壓力、溫度、擴(kuò)散速度和相界面大小等因索有關(guān)。例如，擴(kuò)散進(jìn)