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由实验和生产实践得知,铁氧化物是按下面还原顺序
1.用CO还原:
高于570℃时
3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2+37130KJ (3-1)
Fe3O4+CO=3FeO+CO2—20888KJ (3-2)
FeO+CO=Fe+CO2+13605KJ (3-3)
低于570℃时:
3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2+37130KJ (3-1)
Fe3O4+4CO=3Fe+4CO2+17163KJ (3-2)
上述反应有以下几个特点:
(1) 从Fe2O逐级还原成Fe,除反应式(3-2)为吸热反应外,其余反应匀为放热
反应。3
(2)气相产物为C02。在高炉这种以CO为还原剂,气相产物为CO2的还原反应均称为间接还原。
(3)除反应(3-1)式外,都是可逆反应。在一定温度、压力下反应向右或向左进行,取决于气相反应物和生成物的浓度,当CO浓度高于生成物CO2的浓度时,反应向右进行;当CO浓度低于生成物CO2的浓度时,反应向左进行。所以用CO还原铁的氧化物时,气相中含必须含有一部分CO与生成物CO2相平衡,不参加反应,其过量部分才参加反应。平衡所需的CO愈多,CO利用程度愈高。所以CO可能利用的最大限度取决于反应平衡的气相成分。把生成物气相成分与反应物气相成分之比,称为平衡常数,可用下式表示:
KP=Pco2/Pco=CO2%/CO%
因为(CO2%)+(CO%)=100%
所以(CO%)=100/(1+KP) (3-4)
2.温度对反应的影响
不同铁氧化物在不同温度下平衡气相成分是不同的,用(3-4)式可求得在不同温度下,各铁氧化物还原反应平衡时,气相中CO的百分含量,可绘出图3-1
2.用固定碳还原
焦碳从炉顶装入,直到风口始终以固体状态存在。到风口才被鼓入的热风燃烧。生成煤气并产生大量的热,提供高炉冶炼所需的热量,所以焦炭既是还原剂,又是发热剂。矿石中铁氧化物不可能在高炉上部全部还原,总有一部分下到高温区进行最后还原-直接还原。
(1)还原反应的特点
根据铁氧化物还原的顺序,用固体碳的还原反应有
高于570℃时
3Fe2O3+C=2Fe3O4+CO-108982KJ (3-5)
Fe3O4+C=3FeO+CO2—194393KJ (3-6)
FeO+C=Fe+C-152190KJ (3-7)
低于570℃时:
3Fe2O3+C=2Fe3O4+CO-108982KJ (3-8)
Fe3O4+4C=3Fe+4CO-64309KJ (3-9)
上述反应有下面两个特点:
(1)都是吸热反应,并且直接消耗焦碳中的固定碳。
(2)反应物没有气相,反应产物有气相,所以,反应是不可逆的。
高炉中用固体碳作还原剂,生成的气相产物为CO的还原反应统称为直接还原。
3.用H2还原铁氧化物
高炉冶炼过程中除CO和固体C外,还有燃料带入及鼓风水分分解等产生的氢气。在没有喷吹燃料的高炉煤气中,一般含H2量只占1.8%-2.5%,当高炉喷吹煤粉后,煤气中的H2浓度随喷吹燃料的和种类及喷吹数量而变化。
4.复杂化合物中的铁氧化物还原
高炉炉料中的铁氧化物常与其它氧化物结合成复杂的化合物,例如烧结矿中的硅酸铁(Fe2SiO4),熔剂性烧结矿中的铁酸盐(CaO.Fe2O),钒钛磁铁矿中的钛铁矿(FeTiO3)等。这此复杂的还原首先必须分解成自由的铁氧化物,而再被还原剂还原,因此,还原比较困难,常常会消耗更多的燃料。
(1)硅酸铁的还原
由于硅酸铁结构致密,还原性差。当用CO或H2还原,需在900℃左右开始,而且还原速度很慢,基本上都是直接还原,其反应式为:
当用CO还原时:
Fe2SiO4=2FeO+SiO2 -47520KJ (3-10)
2FeO+ 2CO=2Fe+2CO2 +27214K (3-11)
将3-10与3-11两式相加得:
Fe2SiO4+2CO=2Fe+SiO2+2CO2 -20306KJ (3-12)
3当有固体碳存在时:
Fe2SiO4=2FeO+SiO2 -47520KJ (3-13)
2FeO+ 2CO=2Fe+2CO2 +27214K (3-14)
2CO2+2C=4CO -33159KJ (3-15)
将3-13、3-14与3-15三式相加得:
Fe2SiO4+2C=2Fe+SiO2+2CO -351900KJ (3-16)
在比较反应式3-7和反应式(3-16)的热效应可知,从硅酸盐中还原FeO比还原自由的FeO要多消耗热量419KJ/公斤铁。
其次,硅酸铁的熔点低,流动性好,未经预热和还原就被熔化,而流入炉缸后进入炉渣。由于炉渣中有CaO存在,而CaO与SiO2的结合力比FeO较大,能将FeO置换出来,于是还原反应式变为:
Fe2SiO4+2CaO=2Fe+Ca2SiO4 +91858KJ (3-16)
2FeO+ 2C=2Fe+2CO -304380KJ (3-17)
将上两式相加得:
Fe2SiO4+2CaO+C=2Fe+CaSiO4+2CO -212522KJ (3-18)
可见,有CaO存在时,还原硅酸铁的热量有所降低。但这种还原是在炉缸中进行,要消耗炉缸中的热量,会使炉缸中的温度降低。所以,高炉冶炼不希望含有Fe2SiO4高的原料。特别是一些中小高炉,由于风温不高,炉缸热储备少,炉渣中过多的Fe2SiO4还原会造成“炉凉”和炉况不顺,以及生铁含S升高等现象。一些使用土烧结矿的中小高炉常出现这种情况。若使用较高碱度的烧结矿、球团矿及采用高风温和碱性渣操作等有利于Fe2SiO4的还原。
(责任编辑:zgltw)