鋼鐵冶金原理內(nèi)蒙古科技大學材料與冶金學院冶金工程系鋼鐵冶金原理內(nèi)蒙古科技大學1第三章鐵的還原第三章鐵的還原2自然界中鐵不能以純金屬狀態(tài)存在，絕大多數(shù)形成氧化物、硫化物及硫酸鹽。常用的鐵礦石有赤鐵礦(Fe2O3)、磁鐵礦(Fe3O4)、褐鐵礦(nFe2O3.mH2O)、菱鐵礦(FeCO3)4種。在煉鐵過程中，這些礦物被還原成鐵。地殼中鐵的儲量比較豐富，僅次于O、Si、Al而居于第4位?！?.1.1還原反應的熱力學Fe2O3、Fe3O4、FexO(x：0.87-0.95，含氧量25.60-23.26%)理論含鐵量：鐵礦石中含鐵氧化物的含鐵量。Fe2O3：70%Fe3O4：72.4%還原難易程度：易→難，F(xiàn)e2O3→Fe3O4→FexO（溫度、還原劑用量）1、鐵氧化物的特性自然界中鐵不能以純金屬狀態(tài)存在，絕大多數(shù)形成3還原反應是由高級鐵氧化物到低級鐵氧化物的順序逐級進行的。T>570℃:Fe2O3→Fe3O4→FeO→FeT<570℃:Fe2O3→Fe3O4→Fe(FeO不能穩(wěn)定存在)2、鐵氧化物還原的順序性⑴用CO還原鐵氧化物

T>570℃:3、鐵氧化物還原的熱力學：(1)(2)(3)還原反應是由高級鐵氧化物到低級鐵氧化物的順序逐級進行的。2、4T<570℃:(1)（4）

各反應的共同特點：1molCO參加還原，生成1mol的CO2氣體，反應前后氣體CO+CO2的總mol數(shù)相等。各反應達平衡時的CO%含量（體積）成為氣相平衡組成。T<570℃:(1)（4）各反應的共同特點：1mol5特點：以%CO平——T作圖，稱為氣相平衡組成圖。②反應⑵、⑶、⑷的平衡線在570℃相交，形成叉形，此點Fe、FexO、Fe3O4平衡共存。①k1>>1，%CO平≈0幾乎與橫軸重合，反應不可逆，F(xiàn)e2O3很易還原。③4條曲線把圖面分成4個區(qū)，分別是Fe2O3、Fe3O4、FeO、Fe的穩(wěn)定存在區(qū)。④曲線的走向取決于反應的熱效應放熱T↑→%CO平↑；吸熱T↑→%CO平↓1個吸熱反應，3個放熱反應，總熱效應Fe2O3→Fe是放熱的。特點：以%CO平——T作圖，稱為氣相平衡組成圖。②反應⑵、⑶6⑵用H2還原鐵氧化物：T<570℃:(1)（4）(1)(2)T>570℃:(3)⑵用H2還原鐵氧化物：T<570℃:(1)（4）(1)(2)7對于各反應：1molH2參加還原生成1molH2O①CO還原鐵氧化物，3個放熱反應，1個吸熱反應，總熱效應為放熱。H2還原鐵氧化物，3個吸熱反應，1個放熱反應，總熱效應為吸熱。以各反應的%H2平——T作圖，得到氣相平衡組成圖。⑶CO與H2還原的比較：②兩組曲線交于810℃

對于各反應：1molH2參加還原生成1molH2O①CO還原8高溫有利于H2的還原，高爐中35%的H2參加還原，其中5%左右參加Fe3O4的還原，95%左右參加FeO的還原。T>810℃,T<810℃,H2的還原能力大于COCO的還原能力大于H2。高溫有利于H2的還原，高爐中35%的H2參加還原，其9§3.1.2鐵氧化物還原的動力學將正在還原中的礦球急冷剖開，斷面分層結(jié)構(gòu)，表明還原反應時逐級進行的。為典型的氣-固相未反應核模型。因FexO→Fe最慢，一般只討論FexO→Fe一個未反應核模型。據(jù)此模型，礦石的性質(zhì)、煤氣成分、還原溫度對還過程有影響。1、礦石的性質(zhì)：礦物組成、結(jié)構(gòu)、氣孔率等因素對還原均有影響人造富礦>天然礦；赤鐵礦>磁鐵礦

，ED：8.4-212、還原溫度：T↑，k↑，D↑，Ek：62.8-117.2T對k的影響大于D，低溫下，界面反應為限制性環(huán)節(jié)，高溫下擴散為限制（n=0.75-3.0）性環(huán)節(jié)。在復合限制條件下，§3.1.2鐵氧化物還原的動力學將正在還原103、還原氣體成分：H2的擴散系數(shù)D及化學反應k均大于CO，因而無論什么限制環(huán)節(jié)，煤氣%H2含量高時，還原速率快。4、還原氣體壓力：P↑→反應物氣體濃度↑→還原反應速率↑→P對擴散速率的影響不大?！?.2碳的還原礦石的冶煉周期約為5-8h，其中1-2h完成從高級氧化物到浮氏體的氣-固相還原反應，再用1-2h完成約一般浮氏體的氣-固相還原過程，另一半浮氏體只能鍵入1000℃以上的高溫區(qū)后，被固體碳直接還原。3、還原氣體成分：§3.2碳的還原礦石的冶11§3.2.1直接還原反應

消耗固體碳還原劑C的還原反應，成為直接還原反應。

直接還原度rd:直接還原所占的比例：從FexO中直接還原出的鐵量占從鐵氧化物中還原出的總鐵量的比例。直接還原反應發(fā)生的途徑：§3.2.1直接還原反應消耗固體碳還原劑C的還原12直接還原反應的氣相平衡曲線圖（%CO平-T），可由間接還原及碳的氣化曲線組合而成。直接還原反應的氣相平衡曲線圖（%CO平-T），可由間接還原及13特點：①T>710℃，碳氣化生成的%CO大于各級鐵氧化物還原需要的%CO，可發(fā)生各級鐵氧化物的直接還原：Fe2O3→Fe3O4→FexO→Fe是Fe的穩(wěn)定存在區(qū)。②680℃<T<710℃，碳氣化產(chǎn)生的%CO大于Fe2O3→Fe3O4、Fe3O4→FexO所需的%CO，但小于FexO→Fe所需的%CO，故可發(fā)生Fe2O3→Fe3O4→FexO的還原，是FexO的穩(wěn)定存在區(qū)。③T<680℃，碳氣化生成的%CO只大于Fe2O3→Fe3O4所需的%CO，是Fe2O3→Fe3O4發(fā)生區(qū)，是Fe3O4的穩(wěn)定存在區(qū)。④實際上高爐內(nèi)C的氣化反應達不到平衡，只有當T>1000℃時，C氣化才能顯著發(fā)生，所以約1000℃是直接還原開始溫度，只存在FexO→Fe的直接還原。特點：①T>710℃，碳氣化生成的%CO大于各級鐵氧化物還14鋼鐵冶金原理內(nèi)蒙古科技大學材料與冶金學院冶金工程系鋼鐵冶金原理內(nèi)蒙古科技大學15第三章鐵的還原第三章鐵的還原16自然界中鐵不能以純金屬狀態(tài)存在，絕大多數(shù)形成氧化物、硫化物及硫酸鹽。常用的鐵礦石有赤鐵礦(Fe2O3)、磁鐵礦(Fe3O4)、褐鐵礦(nFe2O3.mH2O)、菱鐵礦(FeCO3)4種。在煉鐵過程中，這些礦物被還原成鐵。地殼中鐵的儲量比較豐富，僅次于O、Si、Al而居于第4位?！?.1.1還原反應的熱力學Fe2O3、Fe3O4、FexO(x：0.87-0.95，含氧量25.60-23.26%)理論含鐵量：鐵礦石中含鐵氧化物的含鐵量。Fe2O3：70%Fe3O4：72.4%還原難易程度：易→難，F(xiàn)e2O3→Fe3O4→FexO（溫度、還原劑用量）1、鐵氧化物的特性自然界中鐵不能以純金屬狀態(tài)存在，絕大多數(shù)形成17還原反應是由高級鐵氧化物到低級鐵氧化物的順序逐級進行的。T>570℃:Fe2O3→Fe3O4→FeO→FeT<570℃:Fe2O3→Fe3O4→Fe(FeO不能穩(wěn)定存在)2、鐵氧化物還原的順序性⑴用CO還原鐵氧化物

T>570℃:3、鐵氧化物還原的熱力學：(1)(2)(3)還原反應是由高級鐵氧化物到低級鐵氧化物的順序逐級進行的。2、18T<570℃:(1)（4）

各反應的共同特點：1molCO參加還原，生成1mol的CO2氣體，反應前后氣體CO+CO2的總mol數(shù)相等。各反應達平衡時的CO%含量（體積）成為氣相平衡組成。T<570℃:(1)（4）各反應的共同特點：1mol19特點：以%CO平——T作圖，稱為氣相平衡組成圖。②反應⑵、⑶、⑷的平衡線在570℃相交，形成叉形，此點Fe、FexO、Fe3O4平衡共存。①k1>>1，%CO平≈0幾乎與橫軸重合，反應不可逆，F(xiàn)e2O3很易還原。③4條曲線把圖面分成4個區(qū)，分別是Fe2O3、Fe3O4、FeO、Fe的穩(wěn)定存在區(qū)。④曲線的走向取決于反應的熱效應放熱T↑→%CO平↑；吸熱T↑→%CO平↓1個吸熱反應，3個放熱反應，總熱效應Fe2O3→Fe是放熱的。特點：以%CO平——T作圖，稱為氣相平衡組成圖。②反應⑵、⑶20⑵用H2還原鐵氧化物：T<570℃:(1)（4）(1)(2)T>570℃:(3)⑵用H2還原鐵氧化物：T<570℃:(1)（4）(1)(2)21對于各反應：1molH2參加還原生成1molH2O①CO還原鐵氧化物，3個放熱反應，1個吸熱反應，總熱效應為放熱。H2還原鐵氧化物，3個吸熱反應，1個放熱反應，總熱效應為吸熱。以各反應的%H2平——T作圖，得到氣相平衡組成圖。⑶CO與H2還原的比較：②兩組曲線交于810℃

對于各反應：1molH2參加還原生成1molH2O①CO還原22高溫有利于H2的還原，高爐中35%的H2參加還原，其中5%左右參加Fe3O4的還原，95%左右參加FeO的還原。T>810℃,T<810℃,H2的還原能力大于COCO的還原能力大于H2。高溫有利于H2的還原，高爐中35%的H2參加還原，其23§3.1.2鐵氧化物還原的動力學將正在還原中的礦球急冷剖開，斷面分層結(jié)構(gòu)，表明還原反應時逐級進行的。為典型的氣-固相未反應核模型。因FexO→Fe最慢，一般只討論FexO→Fe一個未反應核模型。據(jù)此模型，礦石的性質(zhì)、煤氣成分、還原溫度對還過程有影響。1、礦石的性質(zhì)：礦物組成、結(jié)構(gòu)、氣孔率等因素對還原均有影響人造富礦>天然礦；赤鐵礦>磁鐵礦

，ED：8.4-212、還原溫度：T↑，k↑，D↑，Ek：62.8-117.2T對k的影響大于D，低溫下，界面反應為限制性環(huán)節(jié)，高溫下擴散為限制（n=0.75-3.0）性環(huán)節(jié)。在復合限制條件下，§3.1.2鐵氧化物還原的動力學將正在還原243、還原氣體成分：H2的擴散系數(shù)D及化學反應k均大于CO，因而無論什么限制環(huán)節(jié)，煤氣%H2含量高時，還原速率快。4、還原氣體壓力：P↑→反應物氣體濃度↑→還原反應速率↑→P對擴散速率的影響不大?！?.2碳的還原礦石的冶煉周期約為5-8h，其中1-2h完成從高級氧化物到浮氏體的氣-固相還原反應，再用1-2h完成約一般浮氏體的氣-固相還原過程，另一半浮氏體只能鍵入1000℃以上的高溫區(qū)后，被固體碳直接還原。3、還原氣體成分：§3.2碳的還原礦石的冶25§3.2.1直接還原反應

消耗固體碳還原劑C的還原反應，成為直接還原反應。

直接還原度rd:直接還原所占的比例：從FexO中直接還原出的鐵量占從鐵氧化物中還原出的總鐵量的比例。直接還原反應發(fā)生的途徑：§3.2.1直接還原反應消耗固體碳還原劑C的還原26直接還原反應的氣相平衡曲線圖（%CO平-T），可由間接還原及碳的氣化曲線組合而成。直接還原反應的氣相平衡曲線圖（%CO平-T），可由間接還原及27特點：①T>710℃，碳氣化生成的%CO大于各級鐵氧化物還原需要的%CO，可發(fā)生各級鐵氧化物的直接還原：Fe2O3→Fe3O4→FexO→Fe是Fe的穩(wěn)定存在區(qū)。②680℃<T<710℃，碳氣化產(chǎn)生的%CO大于Fe2O3→Fe3O