钢铁冶金原理铁还原课件

钢铁冶金原理内蒙古科技大学材料与冶金学院冶金工程系钢铁冶金原理内蒙古科技大学1第三章铁的还原第三章铁的还原2自然界中铁不能以纯金属状态存在，绝大多数形成氧化物、硫化物及硫酸盐。常用的铁矿石有赤铁矿(Fe2O3)、磁铁矿(Fe3O4)、褐铁矿(nFe2O3.mH2O)、菱铁矿(FeCO3)4种。在炼铁过程中，这些矿物被还原成铁。地壳中铁的储量比较丰富，仅次于O、Si、Al而居于第4位。§3.1.1还原反应的热力学Fe2O3、Fe3O4、FexO(x：0.87-0.95，含氧量25.60-23.26%)理论含铁量：铁矿石中含铁氧化物的含铁量。Fe2O3：70%Fe3O4：72.4%还原难易程度：易→难，Fe2O3→Fe3O4→FexO（温度、还原剂用量）1、铁氧化物的特性自然界中铁不能以纯金属状态存在，绝大多数形成3还原反应是由高级铁氧化物到低级铁氧化物的顺序逐级进行的。T>570℃:Fe2O3→Fe3O4→FeO→FeT<570℃:Fe2O3→Fe3O4→Fe(FeO不能稳定存在)2、铁氧化物还原的顺序性⑴用CO还原铁氧化物

T>570℃:3、铁氧化物还原的热力学：(1)(2)(3)还原反应是由高级铁氧化物到低级铁氧化物的顺序逐级进行的。2、4T<570℃:(1)（4）

各反应的共同特点：1molCO参加还原，生成1mol的CO2气体，反应前后气体CO+CO2的总mol数相等。各反应达平衡时的CO%含量（体积）成为气相平衡组成。T<570℃:(1)（4）各反应的共同特点：1mol5特点：以%CO平——T作图，称为气相平衡组成图。②反应⑵、⑶、⑷的平衡线在570℃相交，形成叉形，此点Fe、FexO、Fe3O4平衡共存。①k1>>1，%CO平≈0几乎与横轴重合，反应不可逆，Fe2O3很易还原。③4条曲线把图面分成4个区，分别是Fe2O3、Fe3O4、FeO、Fe的稳定存在区。④曲线的走向取决于反应的热效应放热T↑→%CO平↑；吸热T↑→%CO平↓1个吸热反应，3个放热反应，总热效应Fe2O3→Fe是放热的。特点：以%CO平——T作图，称为气相平衡组成图。②反应⑵、⑶6⑵用H2还原铁氧化物：T<570℃:(1)（4）(1)(2)T>570℃:(3)⑵用H2还原铁氧化物：T<570℃:(1)（4）(1)(2)7对于各反应：1molH2参加还原生成1molH2O①CO还原铁氧化物，3个放热反应，1个吸热反应，总热效应为放热。H2还原铁氧化物，3个吸热反应，1个放热反应，总热效应为吸热。以各反应的%H2平——T作图，得到气相平衡组成图。⑶CO与H2还原的比较：②两组曲线交于810℃

对于各反应：1molH2参加还原生成1molH2O①CO还原8高温有利于H2的还原，高炉中35%的H2参加还原，其中5%左右参加Fe3O4的还原，95%左右参加FeO的还原。T>810℃,T<810℃,H2的还原能力大于COCO的还原能力大于H2。高温有利于H2的还原，高炉中35%的H2参加还原，其9§3.1.2铁氧化物还原的动力学将正在还原中的矿球急冷剖开，断面分层结构，表明还原反应时逐级进行的。为典型的气-固相未反应核模型。因FexO→Fe最慢，一般只讨论FexO→Fe一个未反应核模型。据此模型，矿石的性质、煤气成分、还原温度对还过程有影响。1、矿石的性质：矿物组成、结构、气孔率等因素对还原均有影响人造富矿>天然矿；赤铁矿>磁铁矿

，ED：8.4-212、还原温度：T↑，k↑，D↑，Ek：62.8-117.2T对k的影响大于D，低温下，界面反应为限制性环节，高温下扩散为限制（n=0.75-3.0）性环节。在复合限制条件下，§3.1.2铁氧化物还原的动力学将正在还原103、还原气体成分：H2的扩散系数D及化学反应k均大于CO，因而无论什么限制环节，煤气%H2含量高时，还原速率快。4、还原气体压力：P↑→反应物气体浓度↑→还原反应速率↑→P对扩散速率的影响不大。§3.2碳的还原矿石的冶炼周期约为5-8h，其中1-2h完成从高级氧化物到浮氏体的气-固相还原反应，再用1-2h完成约一般浮氏体的气-固相还原过程，另一半浮氏体只能键入1000℃以上的高温区后，被固体碳直接还原。3、还原气体成分：§3.2碳的还原矿石的冶11§3.2.1直接还原反应

消耗固体碳还原剂C的还原反应，成为直接还原反应。

直接还原度rd:直接还原所占的比例：从FexO中直接还原出的铁量占从铁氧化物中还原出的总铁量的比例。直接还原反应发生的途径：§3.2.1直接还原反应消耗固体碳还原剂C的还原12直接还原反应的气相平衡曲线图（%CO平-T），可由间接还原及碳的气化曲线组合而成。直接还原反应的气相平衡曲线图（%CO平-T），可由间接还原及13特点：①T>710℃，碳气化生成的%CO大于各级铁氧化物还原需要的%CO，可发生各级铁氧化物的直接还原：Fe2O3→Fe3O4→FexO→Fe是Fe的稳定存在区。②680℃<T<710℃，碳气化产生的%CO大于Fe2O3→Fe3O4、Fe3O4→FexO所需的%CO，但小于FexO→Fe所需的%CO，故可发生Fe2O3→Fe3O4→FexO的还原，是FexO的稳定存在区。③T<680℃，碳气化生成的%CO只大于Fe2O3→Fe3O4所需的%CO，是Fe2O3→Fe3O4发生区，是Fe3O4的稳定存在区。④实际上高炉内C的气化反应达不到平衡，只有当T>1000℃时，C气化才能显著发生，所以约1000℃是直接还原开始温度，只存在FexO→Fe的直接还原。特点：①T>710℃，碳气化生成的%CO大于各级铁氧化物还14钢铁冶金原理内蒙古科技大学材料与冶金学院冶金工程系钢铁冶金原理内蒙古科技大学15第三章铁的还原第三章铁的还原16自然界中铁不能以纯金属状态存在，绝大多数形成氧化物、硫化物及硫酸盐。常用的铁矿石有赤铁矿(Fe2O3)、磁铁矿(Fe3O4)、褐铁矿(nFe2O3.mH2O)、菱铁矿(FeCO3)4种。在炼铁过程中，这些矿物被还原成铁。地壳中铁的储量比较丰富，仅次于O、Si、Al而居于第4位。§3.1.1还原反应的热力学Fe2O3、Fe3O4、FexO(x：0.87-0.95，含氧量25.60-23.26%)理论含铁量：铁矿石中含铁氧化物的含铁量。Fe2O3：70%Fe3O4：72.4%还原难易程度：易→难，Fe2O3→Fe3O4→FexO（温度、还原剂用量）1、铁氧化物的特性自然界中铁不能以纯金属状态存在，绝大多数形成17还原反应是由高级铁氧化物到低级铁氧化物的顺序逐级进行的。T>570℃:Fe2O3→Fe3O4→FeO→FeT<570℃:Fe2O3→Fe3O4→Fe(FeO不能稳定存在)2、铁氧化物还原的顺序性⑴用CO还原铁氧化物

T>570℃:3、铁氧化物还原的热力学：(1)(2)(3)还原反应是由高级铁氧化物到低级铁氧化物的顺序逐级进行的。2、18T<570℃:(1)（4）

各反应的共同特点：1molCO参加还原，生成1mol的CO2气体，反应前后气体CO+CO2的总mol数相等。各反应达平衡时的CO%含量（体积）成为气相平衡组成。T<570℃:(1)（4）各反应的共同特点：1mol19特点：以%CO平——T作图，称为气相平衡组成图。②反应⑵、⑶、⑷的平衡线在570℃相交，形成叉形，此点Fe、FexO、Fe3O4平衡共存。①k1>>1，%CO平≈0几乎与横轴重合，反应不可逆，Fe2O3很易还原。③4条曲线把图面分成4个区，分别是Fe2O3、Fe3O4、FeO、Fe的稳定存在区。④曲线的走向取决于反应的热效应放热T↑→%CO平↑；吸热T↑→%CO平↓1个吸热反应，3个放热反应，总热效应Fe2O3→Fe是放热的。特点：以%CO平——T作图，称为气相平衡组成图。②反应⑵、⑶20⑵用H2还原铁氧化物：T<570℃:(1)（4）(1)(2)T>570℃:(3)⑵用H2还原铁氧化物：T<570℃:(1)（4）(1)(2)21对于各反应：1molH2参加还原生成1molH2O①CO还原铁氧化物，3个放热反应，1个吸热反应，总热效应为放热。H2还原铁氧化物，3个吸热反应，1个放热反应，总热效应为吸热。以各反应的%H2平——T作图，得到气相平衡组成图。⑶CO与H2还原的比较：②两组曲线交于810℃

对于各反应：1molH2参加还原生成1molH2O①CO还原22高温有利于H2的还原，高炉中35%的H2参加还原，其中5%左右参加Fe3O4的还原，95%左右参加FeO的还原。T>810℃,T<810℃,H2的还原能力大于COCO的还原能力大于H2。高温有利于H2的还原，高炉中35%的H2参加还原，其23§3.1.2铁氧化物还原的动力学将正在还原中的矿球急冷剖开，断面分层结构，表明还原反应时逐级进行的。为典型的气-固相未反应核模型。因FexO→Fe最慢，一般只讨论FexO→Fe一个未反应核模型。据此模型，矿石的性质、煤气成分、还原温度对还过程有影响。1、矿石的性质：矿物组成、结构、气孔率等因素对还原均有影响人造富矿>天然矿；赤铁矿>磁铁矿

，ED：8.4-212、还原温度：T↑，k↑，D↑，Ek：62.8-117.2T对k的影响大于D，低温下，界面反应为限制性环节，高温下扩散为限制（n=0.75-3.0）性环节。在复合限制条件下，§3.1.2铁氧化物还原的动力学将正在还原243、还原气体成分：H2的扩散系数D及化学反应k均大于CO，因而无论什么限制环节，煤气%H2含量高时，还原速率快。4、还原气体压力：P↑→反应物气体浓度↑→还原反应速率↑→P对扩散速率的影响不大。§3.2碳的还原矿石的冶炼周期约为5-8h，其中1-2h完成从高级氧化物到浮氏体的气-固相还原反应，再用1-2h完成约一般浮氏体的气-固相还原过程，另一半浮氏体只能键入1000℃以上的高温区后，被固体碳直接还原。3、还原气体成分：§3.2碳的还原矿石的冶25§3.2.1直接还原反应

消耗固体碳还原剂C的还原反应，成为直接还原反应。

直接还原度rd:直接还原所占的比例：从FexO中直接还原出的铁量占从铁氧化物中还原出的总铁量的比例。直接还原反应发生的途径：§3.2.1直接还原反应消耗固体碳还原剂C的还原26直接还原反应的气相平衡曲线图（%CO平-T），可由间接还原及碳的气化曲线组合而成。直接还原反应的气相平衡曲线图（%CO平-T），可由间接还原及27特点：①T>710℃，碳气化生成的%CO大于各级铁氧化物还原需要的%CO，可发生各级铁氧化物的直接还原：Fe2O3→Fe3O4→FexO→Fe是Fe的稳定存在区。②680℃<T<710℃，碳气化产生的%CO大于Fe2O3→Fe3O