第二章-非高炉炼铁理化基础课件.ppt

1、1 1、非高炉炼铁的分类非高炉炼铁的分类产品：直接还原、熔融还原产品：直接还原、熔融还原主体能源：煤基、气基、电热主体能源：煤基、气基、电热工艺模式：一段式、二段式、三段式等工艺模式：一段式、二段式、三段式等设备类型：竖炉、反应罐、回转窑、流化床等设备类型：竖炉、反应罐、回转窑、流化床等 2 2、直接还原直接还原以气体燃料、液体燃料或非焦煤为能源，在铁矿石（或以气体燃料、液体燃料或非焦煤为能源，在铁矿石（或铁团块）呈固态的软化温度以下进行还原获得金属铁的铁团块）呈固态的软化温度以下进行还原获得金属铁的方法。方法。 3 3、熔融还原熔融还原以非焦煤为能源，在高温熔融状态下进行铁氧化物还原，以非焦

2、煤为能源，在高温熔融状态下进行铁氧化物还原，渣铁能完全分离，得到类似高炉的含碳铁水，其目的在渣铁能完全分离，得到类似高炉的含碳铁水，其目的在于不使用焦炭。于不使用焦炭。2.1 气基直接还原气基直接还原（热力学分析、动力学分析、冶金还原煤气）（热力学分析、动力学分析、冶金还原煤气）2.2 煤基直接还原煤基直接还原（热力学分析、动力学分析）（热力学分析、动力学分析）2.3 熔融还原的动力学分析熔融还原的动力学分析钢铁冶金生产流程n铁碳合金铁碳合金碳钢碳钢和和铸铁铸铁，是工业应用最广的合金。，是工业应用最广的合金。n含碳量为含碳量为0.0218% 2.11%的称的称钢钢n含碳量为含碳量为 2.11%

3、 6.69%的称的称铸铁铸铁。n铁和碳可形成一系列稳定化合物：铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，都可作为，都可作为纯组元看待。纯组元看待。n含碳量大于含碳量大于Fe3C成分（成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。）时，合金太脆，已无实用价值。一、铁碳合金的基本组织一、铁碳合金的基本组织n是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在在727时最大为时最大为0.0218%，室温下仅为，室温下仅为0.0008%。n铁素体的组织为多边形晶粒，铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。性能与纯铁相似。铁素体铁素体l 组元：

4、组元：Fe、 Fe3Cl 相相l 铁素体：铁素体：l碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称铁素铁素体体, 用用F 或或 表示。表示。n 奥氏体奥氏体:n碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称奥氏体奥氏体。用。用A或或 表示。表示。n是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148时最大为时最大为2.11%。727 时为时为0.77%l组织为不规则多面体晶粒，组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。晶界较直。强度低、塑性强度低、塑性好好，钢材热加工都在钢材热加工都在 区区进行进行.l碳钢室温组织中无奥氏体。碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体奥氏体

5、n 渗碳体：渗碳体：即即Fe3C, 含碳含碳6.69%, 用用Fe3C或或Cm表示。表示。nFe3C硬度高、强度低硬度高、强度低( b 35MPa), 脆性大脆性大, 塑性几乎为零塑性几乎为零lFe3C是一个亚稳相，在一定是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C(石墨石墨), 该反应该反应对铸铁有重要意义。对铸铁有重要意义。l由于碳在由于碳在 -Fe中的溶解度很小，中的溶解度很小，因而因而常温下碳在铁碳合金中主常温下碳在铁碳合金中主要以要以Fe3C或或石墨石墨的形式存在。的形式存在。 铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中的渗碳体n珠光体：珠光体：铁素体铁素

6、体与与Fe3C的机械混合物的机械混合物，用，用P表示。表示。l珠光体的组织特点是两相珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布呈片层相间分布,性能介性能介于两相之间。于两相之间。珠光体珠光体n 莱氏体：莱氏体： 与与Fe3C的机械混合物的机械混合物n高温莱氏体高温莱氏体：727 以上，奥氏体与渗碳体，以以上，奥氏体与渗碳体，以Le表示表示n低温莱氏体：低温莱氏体：727 以下，珠光体与渗碳体，以以下，珠光体与渗碳体，以Le表示表示n为蜂窝状为蜂窝状, 以以Fe3C为基，性能硬而脆。为基，性能硬而脆。莱氏体莱氏体2.1 气基直接还原2.1.1 热力学分析n铁氧化物包括： 浮士体（Wustite） Fe

7、1-yO或FexO 磁铁矿（Magnetite）Fe3O4 赤铁矿（Hematite） Fe2O3n铁氧化物还原的顺序：nFe2O3的还原可以认为是不可逆的； Fe3O4及FeO需要更多的煤气量平衡； FeOnCOFeCO2（n1）CO 还原每摩尔FeO时CO增加的比值为：一般形式：分级还原：总的煤气量按FeO平衡气相成分计算即可。三种氧化物同时还原：总煤气量分别为还原需要的总和，煤气量明显增加，显然VgVg。煤气还原反应的最大利用率为：2.1.2 动力学分析动力学条件决定还原速度1）微粒模型 粒度很小的矿石还原过程以拟均相反应机理进行。适用于粒径dP60%)。3）未反应核模型 按反应界面自外

8、向矿石核心推进的机理导出。目前应用最广泛，适用于有一定粒度（2mm）及一定孔隙率（Vg时，CO+H2或N2及CO2H2O实际煤气耗量；nVR28.7，一般的还原煤气都可以脱硫。每M3煤气可脱硫Ms：2)海绵铁的渗碳分两个步骤：n表面析碳 （主要）n固相扩散 扩散速度： 式中：Ds固相扩散系数； ED扩散活化能； AD有关系数；dx海绵铁粒径。 T，促进CH4析碳及DS，海绵铁C； CH4，海绵铁C。2.1.3.3 冶金还原煤气的制造n制气反应：裂化CH4。n冶金还原煤气的要求：氧化度低；CH4及H2S含量少；N2适量；一定的温度。n冶金还原煤气的制造特点：氧化度低（900，CO100，CO20

9、，则：则有：即铁矿石“直接”还原速度。一般情况下， 是碳还原的限制性环节，其受动力学控制，所以温度、碳的反应活性及配碳量是影响碳还原反应的最重要因素。n温度。 温度，还原速度。n煤的反应性。还原速度与煤的反应性成正比。n配碳量。n气化反应的触媒效应。Li、Na、K、Fe等。n还原碳与铁矿石的接触紧密程度。2.3 熔融还原的动力学分析液态FeO可以直接被焦炭中的碳还原，反应式为：液态FeO也可能被预先溶于铁中C还原，反应式为：对（c）有：对（c）有： 实验证明：碳“直接还原”的限制性环节是FeO被CO还原（反应a）。其反应过程可能受下列三个步骤控制： 1）空间到反应表面的气体扩散； 2）反应面上

10、的化学反应； 3）液相间反应界面的液体扩散。 其中只有1、2两个步骤可能形成反应（a）的限制性步骤令反应（a）的速度：式中：A反应界面： FeOFeO的摩尔量； oFeO原始FeO的摩尔量第一步气相扩散速度：式中：p*CO平衡时CO分压； poCO初始时CO分压。第二步化学反应速度：由铁液中Fe1，反应平衡时：得：又：动态平衡时， 由 得：带入总反应速度式得：上式也适用于H2还原FeO时得还原速率表达式。对于纯FeO还原则FeO1，有其中kg可由Sherwood准数（ ）求出，Sh值可由经验公式给出： 实际中可按化学反应的速度来衡量和分析熔融还原过程中的FeO还原过程。 CO还原纯FeO时反应速率： 当炉渣中(FeO)40%，（FeO）含量对还原不产生影响，即还原速度与（FeO）含量无关。低（FeO）时：式中： ； 三价铁的摩尔量； 二价铁的摩尔量。结论：n液态FeO还原的控制步骤是FeO与CO的反应；n反应速度受温度影响最大，气氛中CO及CO2分压也影响较大；n还原速度与碳的反应性无关；n液态（FeO）与还原反应气体的反应界面状态对还原速度有强力影响。本章重点n掌握直接还原和熔融还原的还原反应；n了解直接还原和熔融还原的动力学模型，掌握影响还原速度的因素；n理解冶金还原煤气的作用及机理；了解冶金还原煤气的制造；谢 谢