高炉冶炼基础讲课稿3.ppt

高炉炼铁工艺基础理论金永龙,现代炼铁的工艺高炉直接还原熔融还原,高炉炼铁的基本过程,高炉是一种竖炉型的逆流反应器高炉内炉料经历加热、分解、还原、软化、熔融、滴落、渣铁熔体分离五个区域,1块状带（氧化物热分解、气体还原剂的间接还原）2软熔带（后面详细讲解）3滴落带（疏松区、死料柱）4风口燃烧区（风口回旋区）5渣铁贮存区,铁氧化物还原,间接还原1100℃还原剂CO、H2、C还原特点高价铁氧化物向低价铁氧化物逐级变化570℃Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe570℃Fe2O3CO→Fe3O4CO237112kJFe3O4CO←→FeOCO2-20878kJFeOCO←→FeCO213598kJ1100℃，碳素溶损反应速度极快，使CO2不能存在。对焦炭质量的影响焦炭的反应性对Fe-C-O系气相平衡的影响,H2的还原,570℃3Fe2O3H2→2Fe3O4H2O21798kJFe3O4H2←→3FeOH2O-63555kJFeOH2←→FeH2O27698kJ1000℃H2OCH2CO-124390kJ大喷煤对焦炭质量的要求810℃达到平衡的水煤气反应H2CO2←→H2OCO-41162kJ用H2还原铁氧化物，相当于用CO还原铁氧化物和水煤气反应二者的合成，所以H2还原相当于是对CO还原的催化，使反应中有较多的CO参加反应。H2还原能力在810℃以上大于CO的还原能力。,煤比增加对CO利用率的影响,为什么CO和H2的利用率不能达到100,反应可逆，需要超过平衡组分浓度的过量还原剂如FeO还原FeOnCO→Fen-1COCO2n11/Kp,固体碳直接还原,FeOCOFeCO213598kJCO2C2CO-165686kJ---------------------------------------------------FeOCFeCO-152088kJ强吸热反应，高温有利；催化剂作用十分有效。,铁氧化物还原的动力学,还原机理1）气相还原剂穿过边界层向铁矿物表面的外扩散，然后穿过还原产物层向反应界面的内扩散；2）还原剂与铁氧化物发生界面化学反应；3）还原产物通过还原产物层和边界层向气相扩散。,还原剂与铁氧化物界面化学反应机理,还原剂的表面吸附。H2的被吸附能力比CO强；N2也能被吸附，对还原过程不利；吸附的还原剂与铁氧化物的晶格发生作用，改变铁离子的价位；通过离子扩散，使反应界面向未反应区推移。,还原反应速度,气相扩散βD/△X传质系数D扩散系数界面化学反应一级反应速度νκCκ反应速度常数,κ、D与温度的关系及对反应速度影响的范围,反应速度限制环节判别,反应速度决定于扩散或化学反应中最慢的环节。反应过程范围判别α被还原块矿中单位体积的空隙表面积；ε为块矿中的体积气孔率；ro为块矿的半径。S10为扩散范围；S0.1为动力学范围；S0.110为过渡范围。,影响铁矿石还原的因素,还原剂的气相浓度温度煤气流速煤气压力矿石粒度、组成和孔隙度煤气成分,直接还原度,铁的直接还原度经直接还原途径从FeO中还原出的铁量与被还原的全部铁量之比。rd高炉直接还原度高炉冶炼过程中，直接还原夺取的氧量（包括还原Fe、Mn、Si、P等）与还原过程夺取的总氧量之比值。,直接与间接还原发展程度对还原剂消耗的影响,直接还原消耗的碳量与rd的关系CF非铁元素直接还原消耗的碳量,间接还原反应消耗碳量与rd的关系,Fe3O4n1CO←→3FeOn1-1COCO2FeOn2CO←→Fen2-1COCO2,作为发热剂的碳量消耗,qF、qz为鼓风带入热量和成渣热；Q为冶炼每吨铁的总热量消耗；FeL炉料中金属铁量；9797每kg碳素燃烧生成CO时的发热量，kJ/kg；23613每kg碳素燃烧生成CO2和生成CO时的发热量差值，kJ/kg；,降低碳素消耗的措施,降低rd，发展间接还原，提高煤气利用率，使燃料比沿MK线下降；降低总热量消耗，改善冶炼条件使MK线下降。,未反应核模型,还原反应过程,气体还原剂的外扩散→还原剂内扩散→还原气体吸附→界面化学反应→氧化气体脱附→氧化气体内扩散→氧化气体外扩散,未反应核模型浓度分布图,还原速率的数学模型,在低温下，界面反应阻力大，但随温度升高而减小。还原初期内扩散阻力小，但很快随温度升高而占主要地位，高温尤为明显。外扩散阻力在还原过程中比较小，不成为反应的限制性环节。,1还原气体在主流中的浓度与平衡浓度差，即反应的推动力，s/mol2边界层扩散阻力，s/mol3内扩散阻力，s/mol4界面反应阻力，s/mRARA还原反应速率；mol/s;β-----边界层传质系数；Deff---在微孔中有效扩散系数；k---反应速度常数；K反应平衡常数；ro---原始半径；r---未反应核半径。,提高还原速度的途径温度。扩大800－1100℃的中温还原区；煤气的性质。a.提高煤气中CO、尤其是H2的浓度；b.提高煤气流速；c.提高压力，保证炉况顺行；改善矿石的还原性。a.缩小矿石粒度,b.提高矿石孔隙度；c.矿物组成矿物的易还原顺序赤铁矿－铁酸钙－磁铁矿－铁（钙铁橄榄石,