1、什么是高爐煉鐵的還原過程？使用什么還原劑？

答：自然界中沒有天然純鐵，在鐵礦石中鐵與氧結(jié)合在一起，成為氧化物，高爐煉鐵就是要將礦石中的鐵從氧化物中分離出來。鐵氧化物失氧的過程叫還原過程，而用來奪取鐵氧化物中的氧并與氧結(jié)合的物質(zhì)就叫還原劑。凡是與氧結(jié)合能力比鐵與氧結(jié)合能力強(qiáng)的物質(zhì)都可以做還原劑，但從資源和價(jià)格考慮最佳還原劑是C、CO和H2，C來源于煤，將它干餾成焦炭作為高爐煉鐵的主要燃料，煤磨成粉噴入高爐成為補(bǔ)充燃料。CO來自于C，在高爐內(nèi)氧化形成，H2則存在于燃料中的有機(jī)物和揮發(fā)分，也來自于補(bǔ)充燃料的重油和天然氣。

 

2、在高爐煉鐵過程中鐵礦石所含氧化物哪些可以被還原？哪些不能被還原？

答：高爐煉鐵選用碳作為還原劑，判斷鐵礦石中氧化物能否在高爐冶煉條件下被還原，就要較該氧化物中元素與氧的親和力同碳與氧親和力誰大誰?。呵罢叽笥诤笳呔筒荒苓€原，前者小于后者則能還原。判別元素與氧親和力大小最常用的手段之一是氧化物的分解壓po2和標(biāo)準(zhǔn)生成自由能△G。

所謂氧化物的分解壓就是氧化物分解為元素和氧的反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)氧的分壓。氧化物的分解壓越大，元素與氧結(jié)合能力越小，氧化物的穩(wěn)定性越小，就越易被還原劑還原，一般來說隨溫度升高分解壓增大，氧化物變得越易還原。

所謂氧化物的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能是熱力學(xué)的函數(shù)之一，用作判斷冶金過程中反應(yīng)的方向及平衡狀態(tài)的依據(jù)。對(duì)大多數(shù)元素的氧化物來說，標(biāo)準(zhǔn)生成自由能的負(fù)值數(shù)越大，它的穩(wěn)定性越高，越難還原。一般來說隨溫度升高氧化物的自由能的負(fù)值數(shù)變小，即氧化物的穩(wěn)定性變差，只有CO例外，隨溫度升高CO 的△G負(fù)值數(shù)變大，也就是CO 變得更穩(wěn)定，即C與O2的結(jié)合能力越強(qiáng)，在高溫下可以還原更多的氧化物，這也是CO作為還的優(yōu)越性。

（1）極易被還原：Cu、 Ni 、Pb 、Co

（2）較難被還原：.P 、Zn 、Cr 、Mn 、V 、Si 、Ti，但是P、 Zn是幾乎100%被還原的，其余的只能部分被還原。

（3）完全不能還原：Mg、 Ca 、Al

 

3、鐵氧化物在高爐內(nèi)的還原反應(yīng)有哪些規(guī)律？

答：規(guī)律如下：（1）還原順序。不論用何種還原劑，鐵氧化物還原是由高級(jí)氧化物向低級(jí)氧化物到金屬逐級(jí)進(jìn)行的，順序是：

 

﹥570℃  Fe2O3---Fe3O4---FeO---Fe

 

﹤570℃   Fe2O3---Fe3O4 ---Fe

 

（2）用氣體還原劑CO、H2還原時(shí)：Fe2O3是不可逆反應(yīng)；Fe3O4和FeO是可逆反應(yīng)；

 

（3）上述諸還原反應(yīng)中，只有FeO間接反應(yīng)是放熱反應(yīng)，其余都是吸熱反應(yīng)。

 

4、什么叫鐵的間接還原？什么叫鐵的直接還原？

答：用氣體還原劑CO和H2還原鐵氧化物的反應(yīng)叫做間接還原，高爐內(nèi)的CO是由焦炭和噴吹煤粉中C氧化而來的，間接還原是間接消耗C的反應(yīng)。由于Fe3O4和FeO的間接還原都是可逆反應(yīng)，所以要過量還原劑保證反應(yīng)的順利進(jìn)行，它們?cè)诟郀t內(nèi)塊狀帶的中低溫區(qū)進(jìn)行。

 

用固體還原劑C還原鐵氧化物的反應(yīng)叫直接還原。因?yàn)橹苯舆€原是不可逆反應(yīng)，它不需要過量還原劑保證，但它們是大量的吸熱反應(yīng)，需要燃燒很多C放出熱量來保證，它們?cè)诟郀t內(nèi)高溫區(qū)進(jìn)行。在高爐內(nèi)塊狀帶內(nèi)固體的鐵礦石與焦炭接觸發(fā)生直接還原的幾率是很少的。實(shí)際的直接還原是借助于碳素溶解損失反應(yīng)、水煤氣反應(yīng)與間接還原反應(yīng)疊加而實(shí)現(xiàn)的。

 

5、一氧化碳利用率和氫利用率？

答：一氧化碳利用率是衡量高爐煉鐵中氣固相還原反應(yīng)中CO轉(zhuǎn)化為CO2程度的指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)高爐間接還原發(fā)展程度的指標(biāo)。

 

氫利用率是衡量高爐煉鐵中氫參與鐵氧化物還原轉(zhuǎn)化為H2O的程度的指標(biāo)。

 

6、高爐內(nèi)爐渣是怎樣形成的？

答：高爐造渣過程是伴隨著爐料的加熱和還原而產(chǎn)生的重要過程——物態(tài)變化和物理化學(xué)過程。

 

（1）物態(tài)變化。鐵礦石在下降過程中，受上升煤氣的加熱，溫度不斷升高，其物態(tài)也不斷改變，使高爐內(nèi)形成不同的區(qū)域：塊狀帶、軟熔帶、滴落帶和下爐缸的渣鐵貯存區(qū)。

 

1）塊狀帶。在這里發(fā)生游離水蒸發(fā)、結(jié)晶水和菱鐵礦的分解、礦石的間接還原（還原度可達(dá)(30-40％）等現(xiàn)象。但是礦石仍保持固體狀態(tài)，脈石中的氧化物與還原出來的低級(jí)鐵和錳氧化物發(fā)生固相反應(yīng)，形成部分低熔點(diǎn)化合物，為礦石中脈石成分的軟化和熔融創(chuàng)造了條件。

 

2）軟熔帶。固相反應(yīng)生成的低熔點(diǎn)化合物在溫度提高和上面料柱重力作用下開始軟化和相互黏結(jié)，隨著溫度繼續(xù)升高和還原的進(jìn)行，液相數(shù)量增加，最終完全熔融，并以液滴或冰川狀向下滴落。這個(gè)從軟化到熔融的礦石軟熔層與焦炭層間隔地形成了軟熔帶。一般軟熔帶的上邊界溫度在1100℃左右，而下邊界溫度在1400-1500℃。在軟熔帶內(nèi)完成礦石由固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的變化過程以及金屬鐵與初渣的分離過程：還原出的金屬鐵經(jīng)部分滲碳而熔點(diǎn)降低，熔化成為液態(tài)鐵滴，脈石則與低價(jià)鐵氧化物和錳氧化物等形成液態(tài)初渣。

 

3）滴落帶。軟熔帶以下填滿焦炭的區(qū)域，在軟熔帶內(nèi)熔化成的鐵滴和匯集成渣滴或冰川流的初渣滴落入此帶，穿過焦柱而進(jìn)入爐缸。在此帶中鐵滴繼續(xù)完成滲碳和溶入直接還原成元素的Si、Mn 、P 、S等，而爐渣則由中間渣轉(zhuǎn)向終渣。

 

4）下爐缸渣鐵貯存區(qū)。這是從滴落帶來的鐵和渣積聚的地區(qū)，在這里鐵滴穿過渣層時(shí)和渣層與鐵層的交界面上進(jìn)行著渣鐵反應(yīng)，最突出的是Si氧化和脫硫。

 

（2）爐渣形成過程。塊狀帶內(nèi)固相反應(yīng)形成低熔點(diǎn)化合物是造渣過程的開始，隨著溫度的升高，低熔點(diǎn)化合物中呈現(xiàn)少量液相，開始軟化黏結(jié)，在軟熔帶內(nèi)形成初渣，其特點(diǎn)是FeO和MnO含量高，堿度偏低（相當(dāng)于天然礦和酸性氧化球團(tuán)自身的堿度），成分不均勻。從軟熔帶滴下后成為中間渣，在穿越滴落帶時(shí)中間渣的成分變化很大。FeO和MnO被還原而降低，熔劑的或高堿度燒結(jié)礦中的"%# 的進(jìn)入使堿度升高，甚至超過終渣的堿度，直到接近風(fēng)口中心線吸收隨煤氣上升的焦炭灰分，堿度才逐步降低。中間渣穿過焦柱后進(jìn)入爐缸積聚，在下爐缸渣鐵貯存區(qū)內(nèi)完成渣鐵反應(yīng)，吸收脫硫產(chǎn)生的CaS和Si氧化的SiO2等成為終渣。

 

7、爐渣的主要成分是什么？

答：爐渣成分來自以下幾個(gè)方面：

 

（1）礦石中的脈石；

 

（2）焦炭灰分；

 

（3）熔劑氧化物；

 

（4）被浸的爐襯；

 

（5）初渣中含有大量礦石中的氧化物。

 

對(duì)爐渣性質(zhì)起決定性作用的是前三項(xiàng)。脈石和灰分的主要成分是SiO2和Al2O3稱酸性氧化物；熔劑氧化物主要是CaO和MgO稱堿性氧化物。當(dāng)這些氧化物單獨(dú)存在時(shí)，其熔點(diǎn)都很高，高爐條件下不能熔化。只有它們之間相互作用形成低熔點(diǎn)化合物，才能熔化成具有良好流動(dòng)性的熔渣。原料中加入熔劑的目的就是為了中和脈石和灰分中的酸性氧化物，形成高條件下能熔化并自由流動(dòng)的低熔點(diǎn)化合物。爐渣的主要成分就是上述4種氧化物。用特殊礦石冶煉時(shí)，根據(jù)不同的礦石種類，爐渣中還會(huì)CaF2、TiO2、BaO、MnO等氧化物。另外，高爐渣中總是含有少量的FeO和硫化物。

 

8、爐渣在高爐冶煉過程中起什么作用？

答：由于爐渣具有熔點(diǎn)低、密度小和不溶于生鐵的特點(diǎn)，所以高爐冶煉過程中渣、鐵才能得以分離，獲得純凈的生鐵，這是高爐造渣過程的基本作用。另外，爐渣對(duì)高爐冶煉還有以下幾方面的作用：

 

（1）渣鐵之間進(jìn)行合金元素的還原及脫硫反應(yīng)，起著控制生鐵成分的作用。比如，高堿度渣能促進(jìn)脫硫反應(yīng)，有利于錳的還原，從而提高生鐵質(zhì)量。

 

（2）爐渣的形成造成了高爐內(nèi)的軟熔帶及滴落帶，對(duì)爐內(nèi)煤氣流分布及爐料的下降都有很大的影響，因此，爐渣的性質(zhì)和數(shù)量對(duì)高爐操作直接產(chǎn)生作用。

 

（3）爐渣附著在爐墻上形成渣皮，起保護(hù)爐襯的作用。但是另一種情況下又可能侵蝕爐襯，起破壞性作用。因此，爐渣成分和性質(zhì)直接影響高爐壽命。

 

在控制和調(diào)整爐渣成分和性質(zhì)時(shí)，必須兼顧上述幾方面的作用。

 

9、什么叫爐渣堿度？

答：爐渣堿度就是用來表示爐渣酸堿性的指數(shù)。盡管組成爐渣的氧化物種類很多，但

 

對(duì)爐渣性能影響較大和爐渣中含量最多的是CaO、MgO和SiO2 、Al2O3這四種氧化物，因此通

 

常用其中的堿性氧化物CaO、MgO和酸性氧化物SiO2 、Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比來表示爐渣堿度，常用的有以下幾種：