钢铁冶金原理(炼铁部分)期末考试总结

名词解释脉石：铁矿石中除有含Fe的有用矿物外，还含有其它化合物，统称为脉石。焦比：冶炼每吨生铁消耗干焦或综合焦炭的千克数。熔剂：由于高炉造渣的需要，入炉料中常配有一定数量助熔剂，简称熔剂。有效容积利用系数：在规定的工作时间内，每立方米有效容积平均每昼夜生产的合格铁水的吨数。等于[t/（m3*d）]=合格生铁折合产量/有效容积×规定工作日休风率：高炉休风时间（不包括计划中的大中及小修）占规定工作时间的百分数。冶炼强度：冶炼过程强化的程度，干焦耗用量/有效容积×实际工作日直接还原：铁矿石还原剂为固态炭，产物为CO的反应。耦合反应：某个渣中的离子得到或失去电子成为铁液中不带电的中性原子与另一个铁中原子失去或得到电子而成为渣中离子的氧化还原反应成为耦合反应。熔化温度：理论上就是相图上液相线温度，或炉渣在受热升温过程中固相完全消失的最低温度。熔化性温度：炉渣可自由流动的最低温度粘度曲线与45切线的切点温度。长渣和短渣：温度降到一定值后，粘度急剧上的称为短渣；随温度下降粘度上升缓慢称为长渣。液泛现象：反应生成的气体穿过渣层，生成气泡，气泡稳定存在于渣层内，炉渣在焦块空隙之间产生类似沸腾现象的上下浮动。热交换的空区或热储备区：炉身中下部区间内，煤气与炉料的温差很小，大约只有50℃左右，是热交换及其缓慢的区域，成为热交换的空区或热储备区。水当量：表示单位时间内炉料和炉气流温度变化1℃是所吸收或放出的热量。上部调节：利用装料制度的变化一调节炉况称为上部调节。下部调节：调节风速，鼓风动能及喷吹量等送风制度方面参数一调节炉况称为下部调节。简答题1、高炉冶炼的过程主要目的是什么？答：用铁矿石经济而高效率的得到温度和成分合乎要求的业态生铁。高炉冶炼过程的特点是什么？答：在炉料与煤气逆流运动的过程中完成了多种错综复杂的交织在一起的化学反应和物理变化，且由于高炉是密封的容器，除去投入及产出外，操作人员无法直接观察到反应过程的状况，只能凭借仪器仪表间接观察。焦炭在高炉中的作用是什么？答：EQ\o\ac(○,1)提供冶炼所需热量;EQ\o\ac(○,2)作为氧化物还原所需的还原剂;EQ\o\ac(○,3)作为骨架，保证高炉内透气性;EQ\o\ac(○,4)铁水渗碳。高炉冶炼对焦炭质量的要求是什么？答：EQ\o\ac(○,1)要有足够的强度EQ\o\ac(○,2)固定C量高而灰分低EQ\o\ac(○,3)焦炭带入硫量低EQ\o\ac(○,4)挥发分的的质量分数为0.8%-1.2%EQ\o\ac(○,5)成分性能以及粒度的稳定性。铁矿粉造块的目的是什么？答：(1)将粉状料制成具有高温强度的块状料以适应高炉冶炼、直接还原等在流体力学方面的要求;(2)通过造块改善铁矿石的冶金性能，使高炉冶炼指标得到改善;(3)通过造块去除某些有害杂质，回收有益元素达到综合利用资源和扩大炼铁矿石原料资源。简答现在烧结生产的工艺流程。答：现代烧结生产时一种抽风烧结过程，即将铁矿粉、熔剂、燃料、代用品及返矿按一定比例组成混合料，配以适量水分，经混合及造球后，铺于带式烧结机的台车上，在一定负压下点火，整个烧结过程是在9.8~15.7KPa负压抽风下，自上而下进行的。烧结料过湿的危害？生产过程中避免过湿的措施？答：过湿会使料层透气性变坏，甚至可能使下层料变成稀泥状而恶化烧结条件措施：EQ\o\ac(○,1)适当控制混合料初始水分，加水造球以提高料层透气性为的是保证获得最高的生产率；EQ\o\ac(○,2)提高混合料的温度。烧结赤铁矿非溶剂性烧结矿或磁铁矿溶剂性烧结矿时，应怎么样配碳，为什么？答：烧结赤铁矿非溶剂性烧结矿时，需要配较高的碳量，使Fe2O3还原或分解为Fe3O4后才能产生低熔点的铁橄榄石（2FeO.SiO2)。磁铁矿溶剂性烧结矿时，需要配低碳以保持较强的氧化性气氛，使Fe3O4氧化到Fe2O3，在固相中才能形成铁酸钙。在烧结矿物料时主要矿物都是高熔点的，为什么在烧结温度下可以生成液相？答：当物料加热到一定温度时，各组分之间有了固相反应，生成新的化合物，各新生化合物之间，原烧结料各组分之间，以及新生化合物与原组分之间存在低共熔点，使得它们在较底温度下生成液相，开始熔融。为全面衡量造块产品的性能和质量，应从哪几个方面进行检查？答：从化学成分，冷态物理机械性能，热态及还原条件下的物理机械性能，冶金性能和矿相鉴定等方面加以检查。在氧化铁逐渐还原的过程中，哪一个阶段最关键，为什么？答：随还原反应的推进，含氧高的高级氧化物转化为含氧量少的低级氧化物，还原反应越发困难表现为平衡气相成分中要求φ（co）的值越来越高。又由于FeO相对含O2量为70%，故FeO→Fe这一步骤是决定高炉生产率及耗碳量的关键。根据Si在高炉中的行为，冶炼低Si生铁的必要条件是什么？答：(1)控制Si源，这要从精料上下功夫，努力降低焦炭灰分和含Fe料中的SiO2量;(2)选择合适的炉渣碱度以降低渣中SiO2的活度，一般三元碱度应达到1.45—1.55，二元碱度高时取低值，低时则取高值;(3)选用有利于高温区下移的技术措施和操作制度，使炉缸有稳定的充足热量•，使铁水的物理热维持在较高水平;(4)精心操作，包括原燃料成分稳定，称量准确等。对炉渣性能的要求是什么？答：（1）有良好的流动性；（2）有参与所希望的化学反应的充分能力；（3）能满足允许煤气顺利通过及渣铁，渣气良好分离的力学条件；（4）稳定性好，不因冶炼条件的改变炉渣性能急剧恶化。形成泡沫渣的充分必要条件是什么？为什么？答：炉渣的σ/η值的降低时形成稳定的泡沫渣的充分必要条件。因为炉渣的表面张力(σ)小意味着生成渣中气泡耗能少，，即比较容易，而渣的粘度η大，一方面气泡薄膜比较强韧，另一方面气泡在渣层内上浮困难，生成的小气泡不易聚合或逸出渣层之外。焦炭在风口前的燃烧有哪两种装态？答：一是类似于炉箅上炭的燃烧，炭块是相对静止的，另一种是在剧烈的旋转运动中与氧反应而气化。采取哪些措施可以使燃烧带缩小？答：提高气相中的氧浓度，提高温度及其他加快扩散的措施都将使燃烧带缩小。简单比较高炉内煤气在上升过程中量与成分的变化？答：炉缸燃烧带形成的煤气量大于鼓风量，成分有CO、H2、N2；炉顶煤气量又比炉缸燃烧带形成的煤气量大，由于CO和溶剂分解出来的CO2以及碳素溶损反应使1molCO2或H2O反应生成2mol的CO或者CO+H2；煤气成分有CO、H2、N2、H2O、CO2。公式qh=d(ɣm-г)/4f'ξ'中，qh、ɣm、Ʈ分别表示什么，什么情况下会发生悬料？答：qh表示炉料的有效质量，ɣm表示散料的堆积密度，г表示没气了的压降梯度。当ɣ炉料的有效质量等于散料的堆积密度时，qh=0，此时发生悬料。就高炉内料柱总体来说，炉料下降的条件是什么？答：一是炉料的重力必须超过其运动中所遇到的阻力；二是炉料下部可连续提供空间。水当量的概念？炉料与炉气的水当量与炉高及温度变化的对应关系是什么？答：水当量表明单位时间内炉料和炉气流温度变化1℃时所吸收或放出的热量。炉气水当量基本为一常数，而炉料水当量在高温区有一突变并呈现一峰值。在低温区Ws<Wg,在高温区Ws>Wg,在中间的某个阶段Ws=Wg。总体上何种传热方式是高炉内的主导传热方式？据此如何改善传热过程？又应考虑其他什么问题？答：对流传热是主要传热方式。改善办法有：增大煤气流速，使用粘度小的煤气，减小原料粒度等。还应考虑煤气的压降值，不得过大，以免影响顺行。下面几个符号各代表什么？它们之间的关系是怎样的？ηv、I、K.答：ηv=I/K，ηv表示有效容积利用系数，I表示冶炼强度，K表示焦比。高炉冶炼生产的目标是什么？答：在较长一代炉龄内生产出尽可能多的生铁，而且消耗要低，生铁质量要好，经济效益要高，概括起来就是“优质、低耗、高产、长寿、高效益”采用高风温操作，炉内料柱阻损是增加还是降低？什么原因？答：炉内料柱阻损增加，因为风温提高后，炉内煤气压升高，特别是炉子下部的压差会急剧上升，这将使炉内（尤其是炉腹部位）炉料下降的条件明显变坏。是高炉冶炼接受更高风温的条件有哪些？答：（1）提高矿石和焦炭的强度，特别是高温强度（2）提高炉顶煤气压力（3）喷吹燃料和在这之前鼓风加湿。富氧和高风温都能提高理论燃烧温度，降低炉顶温度，能否得出富氧可以代替加热鼓风的结论，为什么？答：不能，因为加热鼓风是给高炉冶炼带入了高温热量，而富氧不但没有带入热量，而且还因富氧后风量减小，高炉冶炼的热收入反而减少了。论述题 1、结合铁矿石在不同区域内的性状变化(固态，软熔或成渣)，阐述铁氧化物还原的全过程及不同形态下还原的主要特征。P5答：铁氧化物还原全过程：1）固体炉料区，反应：高价氧化物的还原和浮氏体的直接还原；主要特征：焦与矿呈交替分布，皆呈固体状态，以气固相反应为主。2）软熔区，反应：焦炭发生溶损反应（C+CO2=2CO），在固体炉料区未充分还原的矿石发生软化和熔融，主要进行直接还原反应及造渣；主要特征：为固-液-气间的多相反应，软熔的矿石层对煤气阻力很大，决定煤气流动及分布的是焦窗总面积及其分布。3）疏松焦炭区，反应：含FeO很高的初渣沿焦炭的空隙向下流动，FeO与焦炭之间发生直接还原反应，反应式(FeO)渣+C=Fe+CO,特征：由于铁液渣与焦炭表面接触良好，扩散阻力小，加之温度高，反应常数很大，反应速率很高。致使终渣中FeO含量小于0.5%，Fe的总回收率大于99.7%。2、可以采取哪些强化烧结过程的技术措施?P53答：（1）混合料预热；（2）加生石灰或消石灰；（3）热风烧结；（4）分层布料和双层烧结；5）偏析布料。3、为全面衡量造块产品的性能和质量，应从哪几个方面进行检查?P69答：为全面地衡量造块产品的性能和质量，应从化学成分、冷态物理机械性能、热态及还原条件下的物理机械性能、冶金性能和矿相鉴定等方面加以检查。4、写出析碳反应的表达式，分析其发生的热力学和动力学条件，说明其对高炉冶炼的影响。P78答：析碳反应表达式2CO=C+CO2它是碳素溶解损失的逆反应。从热力学角度分析，煤气中CO在上升过程中，当温度降到400-600`C时此反应即可发生;而从动力学条件分析，由于温度低，反应速度可能过于缓慢。但在高炉中由于存在催化剂——低温下还原生成新相、金属铁、以及催化能力稍差的FeO以及在(CO+H2)混合气中占20%左右的H2等，故高炉内仍有一定数量的析碳反应发生。此反应对高炉冶炼过程有不利影响:渗入炉身砖衬中的CO若析出碳素则可能因产生膨胀而破坏炉衬，渗入炉料中的CO发生反应则可能使炉料破碎、产生粉末阻碍煤气流等。通常，由于其量较少，对冶炼进程影响不大。5、由Ellingham图判断高于950K时FeO不可能被气体还原剂还原,这与实际不符，请解释原因。P81答：这主要是因为，此图的纵坐标为“标准生成自由能”△GΘ，即参加反应的气体皆规定为101.3kPa(标准状态)，或者说反应处于φ（CO2）∕φ（CO）=1φ（H2O）∕φ（H2）=1的气氛之下进行。而实际高炉气氛的氧化度低于此值，且在炉内位置越低φ（CO2）∕φ（CO）或φ（H2O）∕φ（H2）比值越小。在高于1000‘C左右的高温区内由于CO2、H2O不能稳定存在，（CO2）∕φ（CO）或φ（H2O）∕φ（H2）的值为0。在高炉中上部此比值约为1∕10～1∕5。在这种非标准的状态下氧化物的生成自由能△G与标准值△GΘ的关系应为△G=△GΘ+RTln（pCO2∕pCO）或△G=△GΘ+RTln（pH2O∕pH2），由于pCO2∕pCO（pH2O∕pH2）＜1，故式中右端第二项为负值，即△G＜△GΘ。据此对图进行校正，则H2→H2O及CO→CO2两条生成自由能的线应以曲线与纵轴交点为轴顺时针旋转。而由Fe生成FeO的线由于生产中二者也接近于纯态固相，无需对生成自由能线进行校正。则FeO生成自由能值高于CO2和H2O，即说明了可被CO或H2所还原。6.何谓“间接”与“直接”还原？各在平衡状态，还原剂消耗量和反应的热效应等方面有何特点?P85答：若还原剂为气态的CO或H2，产物为CO2或H2O，称为间接还原；若还原剂为固态的C，产物为CO则称为直接还原。间接还原直接还原还原剂气体固体平衡状态可逆不可逆热效应放热强吸热耗碳量0.71350.4917.试比较两种气态还原剂CO和H2的特点。P85答：水煤气置换反应：CO+H2O=CO2+H2△HΘ298=-41325J∕mol若反应平衡，Kp=1,lgKp=0,则Te=1083K=810‘C。说明810‘C，CO和H2的夺氧达到平衡。1）高于810‘C，H2的还原性比CO强；低于810‘C时则相反。2）由于水煤气反应的存在，使H2有促进还原的作用，相当于CO还原反应的催化剂。3）H2也可直接参与还原反应，且由于H2的分子半径小，渗透能力强，扩散速度快，比反应速度值大，故在高炉中H2的利用率总是高于CO。4）H2是清洁还原剂，用H2作还原剂可实现绿色生产。8、根据公式m[Mn]/m[MnO]╳Pco=1.07╳10-2KMn╳γ（MnO）分析提高Mn的回收率可采取的办法。P99答：提高Mn的回收率即提高Mn的分配比m[Mn]/m[MnO]的方法如下：(1)提高炉温，使平衡常数值KMn增大，同时提高反应速率，使实际的分配比尽量接近平衡值；(2)提高炉渣碱度，因为(Mn0)为碱性组分，渣中碱性物增多可提高Mn0在渣中的活度系数γ（MnO）；(3)提高生铁平[Si]量，可促使渣铁接触时由于[Si]氧化为(Si02)发生相应的耦合反应（MnO）还原为[Mn]。9、根据Si在高炉内的行为，冶炼低硅生铁的必要条件是什么？P99(1)控制Si源，这要从精料上下功夫，努力降低焦炭灰分和含Fe料中的SiO2量;(2)选择合适的炉渣碱度以降低渣中SiO2的活度，一般三元碱度应达到1.45—1.55，二元碱度高时取低值，低时则取高值;(3)选用有利于高温区下移的技术措施和操作制度，使炉缸有稳定的充足热量·，使铁水的物理热维持在较高水平;(4)精心操作，包括原燃料成分稳定，称量准确等。10、从公式ω[S]=0.1(S料-S气)/(1+0.001Ls*Q渣)分析欲得到低ω[S]应采取的措施有哪些？并分析各种措施的有效性。P121答：（1）降低硫负荷；（2）增大硫的挥发量；（3）加大渣量；（4）增大硫的分配系数Ls。a.降低硫负荷是得到低硫生铁最有效的手段，硫负荷的主要来源是焦炭，因为洗煤及炼焦过程无明显去硫效果，故原煤含硫量基本上仍保留在焦炭中。b.气化硫量决定于很多因素，如硫存在的原始形态、炉内的温度分布、炉料及炉渣的碱度、渣量等。使用低渣量酸性渣、提高炉温以及加大硫挥发反应的区域以及增大煤气量等皆可增大气化硫量。但上述措施有些是不现实的，有些是得不偿失的，还有些是有不利作用的。故气化硫量可挖掘的潜力是极其有限的。c.增大吨铁渣量与上述增大气化硫量的要求相矛盾，此外，大渣量意味着多消耗溶剂，多消耗热量，降低生产率，而且随焦比升高入炉硫量反而增大。d.在高炉操作中，实际而有效地降低生铁硫含量的措施是提高硫在渣铁间的分配系数Ls，以充分发挥炉渣吸收硫的能力。11、硫在渣铁间的分配系数与炼钢过程比较，高炉冶炼的条件对炉渣去硫反应的利弊如何？P123答：炼钢与炼铁过程相比，钢渣的温度及碱度比铁渣高，应对炉渣脱硫有利，但钢水中[C],[Si],[Mn]等含量很低，一方面使与之平衡的钢渣中（FeO）含量较高；另一方面降低了硫在钢液中的活度系数γ’S，使得钢渣与钢水间的Ls值比炼铁过程中的Ls值低很多，故高炉冶炼对除硫最有利。12、根据公式Ls=f（Ks*γ[s]*渣氧势*以碱度为代表的渣的成分），分析提高Ls的途径，并与炼钢过程比较，高炉冶炼的条件对炉渣去硫反应的利弊如何？P123答：提高Ls的途径：（1）提高温度；（2）提高碱度，以增大γ(CaO)及ω(CaO)值；（3）渣氧势低，表现为ω(FeO)低；（4）提高铁液中硫的活度系数γ’S。利弊同上：炼钢与炼铁过程相比，钢渣的温度及碱度比铁渣高，应对炉渣脱硫有利，但钢水中[C],[Si],[Mn]等含量很低，一方面使与之平衡的钢渣中（FeO）含量较高；另一方面降低了硫在钢液中的活度系数γ’S，使得钢渣与钢水间的Ls值比炼铁过程中的Ls值低很多，故高炉冶炼对除硫最有利。13、简单说明高炉内煤气在上升过程中量与成分的变化。P137答：炉缸燃烧带形成的煤气量大于鼓风量。这是由于风中1mol的氧燃烧碳后形成2mol的CO，以及风中1mol的水蒸气与碳反应形成2mol的（CO+H2）造成的。煤气量比鼓风量大的程度与风中含氧和湿度有关。一般无富氧条件下V煤气=（1.25～1.35）V风。炉顶煤气量比炉缸燃烧带形成的煤气量又大，是因为直接还原产生的CO和溶剂分解出的CO2以及碳素融损反应使1mol的CO2或H2O反应成2mol的CO或CO+H2。因此炉顶煤气量与鼓风量的比值进一步增大，一般情况下这一比值为1.4～1.45。14、高炉发生悬料的机理？（P147P150）答：炉料下降的条件：（1）其自身重力（G料）必须超过其运动中所遇到的阻力，有效质量qh==0时，发生悬料。（2）炉料下部可连续提供空间。当高炉某一局部炉料正常下降的条件遭到破坏时，会出现管道、难行、甚至停止下行——悬料等现象。a.块状带的悬料。如果料层中某一局部由于升华物冷凝，碳素沉积反应或由于碱金属蒸汽的强烈作用而强度下降，产生了大量的粉末，造成局部料层空隙度小，阻力因子增大。当△P/H增大到（△P/H）＞γm，有效质量qh==0时，炉料停止下降，即发生悬料。b.下部悬料：高炉软熔带以下出现了液相，这时产生悬料原因有两方面。一是由于热制度的波动引起软熔带位置的变化，已经软化的矿料再次凝固，时散料层空隙度急剧下降，从而使△P/H上升而悬料；另一方面是液泛现象，液态渣铁或由于数量过多，或由于粘度过大，被气流滞留在焦炭层中，极大地增加了气流的阻力。也可能有部分渣