重庆大学-冶金原理-第6章ppt

1、1氧化物还原的热力学条件氧化物还原的热力学条件氧化物的间接还原反应氧化物的间接还原反应 氧化物的直接还原反应氧化物的直接还原反应 金属热还原反应金属热还原反应铁的渗碳及含碳量铁的渗碳及含碳量 熔渣中氧化物的还原反应熔渣中氧化物的还原反应 高炉冶炼的脱硫反应高炉冶炼的脱硫反应 铁浴熔融还原反应铁浴熔融还原反应 41235678213141(MO)+B = M+(BO) JRTGGlnG G0RTlnaM a(BO)/(aB a(MO)=0510Si6在在CO2（或（或H2O）的氧势线以上的氧化物均能为）的氧势线以上的氧化物均能为 CO（或（或H2）所还原。是易还原的氧化物，如：）所还原。是易还原

2、的氧化物，如： CuO、ZnO、PbO、CoO、Fe2O3、MnO2、V2O5在在CO的氧势线以上的氧化物均能为固体的氧势线以上的氧化物均能为固体C还原，还原， 但不一定能为但不一定能为CO（或（或H2）所还原，是中等还原）所还原，是中等还原 性的氧化物，如：性的氧化物，如：Cr、V、Ni、Si的氧化物。的氧化物。仅能在高温下为固体碳还原的氧化物，是难还原仅能在高温下为固体碳还原的氧化物，是难还原 的氧化物，如的氧化物，如CaO、MgO、Al2O3。72MnO SiO2 TiO2NiO CuO Fe2O3FeO Fe3O48对于反应（）、（）、（）、（）：对于反应（）、（）、（）、（）： CO

3、COPPKCOCO%22 TfKCO1100%)4(4341) 1 (23570)3()2(3) 1 (2357024324332224324332COFeCOOFeCOOFeCOOFeCtCOFeCOFeOCOFeOCOOFeCOOFeCOOFeCt9例题例题 Fe2O3很容易被很容易被CO还原，还原， 平衡曲线基本上与横坐标重合。平衡曲线基本上与横坐标重合。反应（）（）（）曲线向上，放热反应反应（）（）（）曲线向上，放热反应 反应（）曲线向下，吸热反应。反应（）曲线向下，吸热反应。反应（）（）（）交于反应（）（）（）交于O点，点，O点自由度为点自由度为0。 TfKCO1100%101166

4、71288013对于反应（）对于反应（）、（）、（）、（）、（）、（）、（）： 22%22HOHPPKHOH TfKH1100%2)4(4341) 1 (23570)3()2(3) 1 (235702243243232222243243232OHFeHOFeOHOFeHOFeCtOHFeHFeOOHFeOHOFeOHOFeHOFeCt14Fe2O3很容易被很容易被H2还原，平衡曲线基本上与横坐标重合。还原，平衡曲线基本上与横坐标重合。反应反应(2)(3)(4)曲线向下，吸热反应曲线向下，吸热反应;反应反应(1)曲线向上，放热反应。曲线向上，放热反应。反应反应(2)(3)(4)相交于相交于O点，

5、点， O点自由度为点自由度为0。 (1)(2)(3)(4)15的还原能力的还原能力的还原能力的还原能力COHCtCOHCt22810810CO + H2O CO2 + H2 G = 30460 + 28.137T J/mol lg Kp = 1591 T 1.470 当当 810时，时， G0；当当 810时，时， G0FeO+COFe+CO2FeO+H2Fe+H2OFe3O4+CO3FeO+CO2Fe3O4+H23FeO+H2OFeO+COFe+CO2Fe3O4+CO3FeO+CO216178006518 的还原气体在直接还原炉内还原铁矿石，得到的还原气体在直接还原炉内还原铁矿石，得到1吨铁

6、。温度为吨铁。温度为750。求还原气体的最低用量。求还原气体的最低用量(m3)。19(1)气体在气相内的扩散，主要是通过边界层的扩散气体在气相内的扩散，主要是通过边界层的扩散 外扩散；外扩散；(2)气体在固相内的扩散（已还原层的扩散）气体在固相内的扩散（已还原层的扩散） 内扩散；内扩散；(3)界面化学反应；界面化学反应；(4)气体产物在固体内向外扩散；气体产物在固体内向外扩散；(5)气体产物在气相内向外扩散。气体产物在气相内向外扩散。20212280065 232425时间时间/min718304570还原率还原率/%20405773882627反应方程式反应方程式222COMCMOCOMCM

7、O低温：高温：直接还原的两种组合方法直接还原的两种组合方法 方法一方法一28293031直接还原反应与间接还原反应的关系直接还原反应与间接还原反应的关系 当固体碳存在并过剩时，体系中当固体碳存在并过剩时，体系中C+CO2=2CO反应的平衡成分反应的平衡成分控制气相组成。即控制气相组成。即C+CO2=2CO是气相平衡成分的控制者。间是气相平衡成分的控制者。间接还原反应加上碳的气化反应就是直接还原反应。接还原反应加上碳的气化反应就是直接还原反应。方法二方法二32对于反应（对于反应（1 1）、（）、（2 2）、（）、（3 3）、（）、（4 4）, ,皆为皆为吸热反应吸热反应： COPK )4(COF

8、e43COFe41) 1 (COOFe2COFe3C570t)3(COFeCFeO)2(COFeO3COFe) 1 (COOFe2COFe3C570t43433243433233区区区43656710656710OFeCtFeOCtCFeCtAB) 4 (4341) 1 (23570) 3 () 2 (3) 1 (2357024324332224324332COFeCOOFeCOOFeCOOFeCtCOFeCOFeOCOFeOCOOFeCOOFeCOOFeCtA:FeO+CFe+CO B: Fe3O4+C3FeO+CO(5)FeOFeFe3O434C+CO2=2CO353637indirect

9、Melting loss of C beginIntensive melting loss of CIndirect + directDirect 8008001000100038项目项目直接还原直接还原rd间接还原间接还原ri1.还原反应形式还原反应形式FeO+C=Fe+COFeO+CO=Fe+CO22.还原剂碳素消耗还原剂碳素消耗12/56=0.214 kgC/kgFe1000(n=3.33), 0.7136 kgC685(nmin=2.52), 0.540 kgC3.热量消耗及碳素消耗热量消耗及碳素消耗吸热，吸热，2710 kJ0.2765 kgC放热，放热，244 kJ/kgFe4.压

10、力影响压力影响压力压力直接还原直接还原压力压力间接还原反应没有影响间接还原反应没有影响rd,ri，故高压有利于间接还原，故高压有利于间接还原5.温度影响（热力学方温度影响（热力学方面）面）高温区，高温区，800以上，升温有利以上，升温有利8001000以下，温度升高不利以下，温度升高不利6.总碳素消耗总碳素消耗0.214+0.2765 =0.4905 kgC/kgFe1000，0.7136 kgC/kgFe 685，0.540 kgC/kgFe(min)39 COSiOFeCSiOFes222242用两个反应组合：用两个反应组合： COFeCFeOss22221G 4222SiOFeSiOFe

11、Os2G21GGG COSiOFeCSiOFes222242992K 1037K2C+Fe2SiO4=2Fe+SiO2+2COC+FeO=Fe+CO757K2C+Fe2SiO4+2CaO=2Fe+Ca2SiO4+2CO40直接还原出金属直接还原出金属 生成碳化物生成碳化物 COMnCMnOCOSiCSiO222COVCOV32332COVCCOV32532COSiCCSiO232COCMnCMnO343341利用和氧亲和力强的金属去还原和氧亲和力弱的金利用和氧亲和力强的金属去还原和氧亲和力弱的金 属的氧化物，制取不含碳的纯金属或合金。属的氧化物，制取不含碳的纯金属或合金。常用的金属热还原法有：

12、硅热法、铝热法。常用的金属热还原法有：硅热法、铝热法。 222SiOMyxSiOMyyxMyxOAlAlOMyyx32313114243222SiOMyxSiOMyyxMyxOAlAlOMyyx323131144区区区43656710656710OFeCtFeOCtCFeCtAB) 4 (4341) 1 (23570) 3 () 2 (3) 1 (2357024324332224324332COFeCOOFeCOOFeCOOFeCtCOFeCOFeOCOFeOCOOFeCOOFeCOOFeCtA:FeO+CFe+CO B: Fe3O4+C3FeO+CO(5)FeOFeFe3O445得到的产物不

13、含碳或含碳量很低。得到的产物不含碳或含碳量很低。 强放热反应，一般情况下，不外加热源。强放热反应，一般情况下，不外加热源。 4647484950成分成分SiO2Al2O3CaOMgOMnOFeOCaSK2O+Na2O质量份数质量份数/%30408-1835-5012312.510-4, 以以SO42-存在存在10-6，以，以S2-存在存在pp2O77硫在炉渣中赋存形态硫在炉渣中赋存形态钢铁冶金中：钢铁冶金中：炼铁：炼铁：电炉炼钢还原期：电炉炼钢还原期：1614O10102pp98O10102pp硫在渣中主要硫在渣中主要以以S2-形态存在形态存在78 gSHSH22 gCSSC2 2 gCOSS

14、CO ggOHCaSCaOSH22 gCOCaSCaOCS2222 gCOCaSCaOCOS2 ggOHFeSFeOSH22 gCOFeSFeOCS22 gCOFeSFeOCOS279COFeCaSCCaOFeS)()()()(FeOCaSCaOFeS80)()(22OSOSCOSCOS)()(22 %)()(222222SfxOfxaaaaKSOOOsSSOOSS 1OfSbxS%2 222%SSOOSSfOxKSSLS + 2e =（S2-）(O2-) - 2e = O81温度：温度： 。，KTH0熔渣组成：熔渣组成： SLORCaOMgOMnO，、，、)(2SLOOAlSiO，、)(23

15、22SSLOFeOLOFeO)(2金属熔体中元素的影响：金属熔体中元素的影响： SSjSSSjSLfeLfe，00 222%SSOOSSfOxKSSLwj/w)()(22OSOS82脱硫的最佳热力学条件脱硫的最佳热力学条件高温高温高碱度高碱度低氧势（还原气氛）低氧势（还原气氛）铁（钢）水成分合适铁（钢）水成分合适高硫容渣高硫容渣8384例题例题85苏打苏打电石电石石灰石灰石灰石石灰石镁粉镁粉稀土合金稀土合金钙镁合金钙镁合金硅钙合金硅钙合金 COSNaSCCONa3)( 2232COSiOSNaSSiCONa2232)( 22CCaSSCaCS COCaSCSCaOS COCaSCSCaCOS3

16、 23 SMgSSMg SLaSSLa86直接加入出铁沟内（或出铁槽内），直接加入出铁沟内（或出铁槽内），冲入铁罐中。冲入铁罐中。喷入铁水包内喷入铁水包内 87物质在物质在相扩散到边界相扩散到边界 物质在边界层发生化学反应物质在边界层发生化学反应 生成物离开反应界面扩散到生成物离开反应界面扩散到相相 ccdtdnAJ1KcckdtdnAvc1ccdtdnAJ188高炉冶炼中理论高炉冶炼中理论Ls可达可达200以上，实际以上，实际30808990铁铁氧状态图氧状态图 9192如图为如图为CO还原还原Fe的各级氧化物平衡曲线图。的各级氧化物平衡曲线图。(1) 写出各曲线的平衡反应写出各曲线的平衡反

17、应; (2) 在图上各区域填上稳定存在的相在图上各区域填上稳定存在的相;(3)在图中在图中a点体系中放入点体系中放入Fe，保持，保持a点体系的温度及气相组成不点体系的温度及气相组成不变，分析体系中将有哪些反应发生？最终存在的是何物？变，分析体系中将有哪些反应发生？最终存在的是何物？ 93曲线曲线(1)：3 Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2 曲线曲线(2)：Fe3O4+CO=3FeO+CO2曲线曲线(3)：FeO+CO=CO2+Fe 曲线曲线(4)：1/4Fe3O4+CO=3/4Fe+CO2 见图见图 过过a点作等温线，交曲线点作等温线，交曲线(3)于点于点a，交，交曲线曲线(2)于点于点a，利用等温方程分析。，利用等温方程分析。 对于曲线对于曲线(3)：FeO+CO=Fe+CO2 aaCOCORTCOCORTG%ln%ln22 aaaaCOCOCOCO22%；22%aaCOCOCOCO0%ln%ln22aaCOCORTCOCORTG发生反应发生反应(3)的逆反应：的逆反应：Fe+CO2= FeO+CO，Fe被氧化