材料工程基础讲稿(I)

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1、4．高炉内的煤气分布从风口吹入的氧，燃烧生成CO，生成的气体是CO={21×2/((21×2)+79)}×100%=34.7%,N2=100%-34.7%=65.3%高温还原性气体——炉腹煤气(boshgas)。实际炉内的炉腹煤气，还含有直接还原(FeO、SiO2、MnO在炉下部的直接还原)发生的CO气体，所以CO含量稍高一些。炉腹煤气和氧化铁反应(FeO+CO=Fe+CO2,间接还原)生成CO2，在炉内焦炭层中经碳溶解反应(CO2+C=2CO)而直接变为CO。因此，这个范围的气体，在布德奥德平衡线和Fe-FeO平衡线中间部分的组成范围内，反复进行着CO→CO

2、2→CO反应，同时温度逐渐降低。其最理想的情况是，在1270K附近，气体组成接近Fe-FeO平衡值，还原反应也变得不活泼。因此，可以认为在热保持带的内侧存在化学保持带。图9-8表示了炉内气体的大致分布。气体由此再往上升，出于温度的下降，和布德奥德平衡线交叉，在这以上的范围里，由于碳沉积(2CO→C+CO2)反应和间接还原，CO2的量增加，但是由于低温其速度小，由炉顶排出时CO/CO2≈1。这时的煤气利用程度为：煤气利用率受操作法和矿石的还原性等影响，ηCO2=0.5-0.3左右。图9-9表示了在操作中的实际高炉里插入垂直探测器，调查高炉内的温度和气体的组成。：

3、在炉身中部稍稍往下，存在着温度为1300～1lOOK的温度变化小的热保持带和气体组成CO/CO2与Fe-FeO平衡线大体一致的化学保持带。把这一结果移入的Ellingham’sdiagram图，作为炉内气体的氧位变化表示如下。送风的全压是0.25MPa、富氧率为3%，富氧空气的氧位是RTln0.6，它通过图中所示的连接0点到外框PO2/atm轴上6×1O-1点的线段的附近而被加热，在风口的(a)点(约15OOK)入炉;在风口前的焦炭回旋运动区，由于碳过剩而急速燃烧，温度达2400K,所有的02(g)都变成CO(g)，到达2C+O2=2CO线上的(b)点(约24

4、00K);由于炉缸部几乎都是碳，所以开始时是通过2C+O2=2CO线的近旁，而进入矿石—焦炭层状带后，反复地进行矿石还原和碳溶解反应，婉蜒前行。进而在(c)点附近的1300～11OOK,气相和Fe-FeO平衡(化学保持带)，通过2Fe+O2=FeO线附近，温度逐渐降低。在1000～5OOK附近，反应速度也变慢，成为CO/CO2≈1。即气相通过(c)点到外框轴上CO/CO2=l/1点的线段的附近，在(d)点由炉顶排出。§9.5铁氧化物还原动力学铁氧化物还原是经过内、外扩散过程和界面化学反应等步骤完成的。1、铁氧化物还原过程铁矿石的易还原程度——还原性。气流中CO

5、（或H2）通过矿石周围的边界层向原料表面扩散→气体反应物CO（或H2）及气体生成物CO2（或H2O）通过固相还原层的裂纹和微孔扩散→导致铁、氧离子在固相还原层晶格结点和空位上的扩散和矿石内反应界面的结晶化学反应。包括：CO（H2）的吸附和CO2（H2O）的脱附及晶格的重建等。2、铁氧化物还原的两个主要环节1）气体还原剂或反应的气体产物的扩散速度；2）反应界面上的化学反应速度。这两个环节相互关联。当第一个环节慢时，还原速度受扩散速度的影响；同理，反应界面上的化学反应速度慢时，界面反应速度的影响；当两个环节都慢时，反应处于过渡速度范围。反应范围可由S准数判断：K’

6、=αKα—单位体积内的孔隙表面积；K—化学反应速度常数。D’=βDβ—矿块中的体积气孔率；D—扩散系数。R—固体反应半径S>10，反应处于扩散速度范围；<0.1，反应处于化学反应速度范围；S=0.1~10处于过渡速度范围。在相同冶炼条件下，随温度提高，反应逐渐由化学反应速度范围转入过渡和扩散速度范围。3、影响铁矿石还原速度的因素1）CO和H2的浓度CO和H2的浓度提高对两种反应速度都是加速的。2）温度扩大1000～1300K的中温区，加速还原过程。因为K=A·exp(-E/RT)，D=D0Tn3)煤气流速提高煤气流速加速还原速度，但超过一定值（临界流速）后速度

7、不再增加。煤气流速达临界值后，反应速度范围过渡到内部扩散速度范围或化学反应速度范围，因而，再增加流速也无助于加速还原。4）煤气压力①提高煤气压力，使碳的气化反应CO2+C=CO减缓，CO2的消失温度由800℃提高到1100℃左右，扩大了中温区，有利于加速扩散；②压力增加，提高煤气密度，增加了与矿石表面碰撞的分子数。5）矿石粒度矿石粒度减小，增加接触面积，有利于加速反应。但力度过小将影响透气率。6）矿物气孔率（孔隙度）和矿石组成矿物气孔率增加，提高还原速度。这也是大量使用团球矿和烧结矿的原因。矿石的组成与还原的难易程度有关。矿石的性质对还原的顺序为：球团矿→Fe

8、3O4→烧结矿→Fe2O3→FeO第十