钢铁冶金原理重点06

第六章还原熔炼反应

1 试比较CO和H2还原氧化铁的特点。

解CO和H2是高炉内氧化铁的间接还原剂。它们均能使Fe2O3还原到Fe。但它们的还原能力在不同温度下却有所不同。在810℃，两者的还原能力相同，而在810℃以下，CO的还原能力比H2的还原能力强，但在810℃以上，则相反，氢有较强的还原能力，这反映在 还原剂的分压上，随温度的升高，还原FeO所要求的CO分压增高，还原FeO需要的H2分压则减小。高炉下部高温区H2强烈参与还原，而使C消耗于形成CO（C的气化反应）的量有所减少。另，在高温区内，它们形成的产物H2O（g）及CO2均能与焦炭反应，分别形成H2及CO。增加间接还原剂的产量。这也就推动了碳直接还原的进行。

在还原的动力学上，由于H2在FeO上的吸附能力及扩散系数均比CO的大，所以H2还原氧化铁的速率，即使在810℃以下，也比CO的高（约5倍）。提高还原气体中H2的浓度有利于氧化铁还原速率的增加。

2 在氧化铁的逐级还原中，哪个环节是最主要的？

解在氧化铁（Fe2O3）的逐级还原中，氧化铁中铁的价数不断降低，而最低价氧化铁的还原剂的平衡浓度最高。在1000℃以上，(CO)％，70平2平H(FeO(s)还原的稳定最大（氧势最小）。％)。这是由于60

为使间接还原反应不断地进行下去，必须有高于FeO(s)还原的平衡值的CO或H2得浓度存在。因此，还原的气相平衡浓度是计算间接还原碳最低消耗量的主要数据。

3 在高炉的炼铁过程中，硫是怎样去除的？高炉内脱硫有哪些优越条件？ 解钢铁生产的过程中，硫来自矿料、熔剂及燃料（还原剂）。硫在这些物料中存在的形式有硫化物、硫酸盐及有机硫。硫是以3种方式脱除的。以气态形式，如H2S、CS

2、COS、SO2等挥发除去的，称为气化脱硫。它在整个脱硫过程中，除去的硫分的数较少，不是钢铁冶金中采用的脱硫方式。铁水中加入某些金属元素的脱硫剂，如Ca、Mg、RE等，形成的硫化物自铁水中排出，称为铁水的炉

外脱硫。

在高炉炉缸中及炼钢炉内，造高碱度渣进行脱硫，称为造渣脱硫。它是钢铁冶金中最主要的脱硫方式。铁液中的[FeS]向与之接触的高炉渣内扩散，在渣-铁界面上与渣内的（CaO）反应，形成溶于渣内的（CaS），同时产生（FeO）。其反应为

SO2S2OK

aOaS2

 aSaO2

而LS

wS%wS%

K

fsao2

 aos2

但是由于熔渣内有关组分的活度或活度系数不易实验得出，就引入了与这些有关的硫容量，用CS来表示：

lgLSlg

wS%wS%

170

54lgCSlgpO2lgfs1.224

2T

PO21122

S(O)(S)O式中，CS是反应式22的硫容量：CSw(S)PS222

。用

与铁液平衡的熔渣的w(S)及气相的PO2及PS2得出。它表示了熔渣的脱硫能力。 因此，由上式可得出脱硫的影响因素：

（1） 熔渣的硫容量：它代表熔渣的脱硫能力。由CSK



aO2

S

知，它与熔渣

2

的碱度有关。碱度高，则aO2大，而S2低。可由熔渣的碱度，或光学碱度计算得出。

（2） po2：它代表体系中的氧势。在高炉炉缸的铁水中，有 较高的[C]、[Mn]、

[Si]浓度，且在高温下，CO的氧势（2C+O2=2CO）很低，能使脱硫反应在较低的氧势下进行，故LS值比较高。

（3） fs：铁水中硫的活度系数比较高，在高炉铁水中，有较高浓度的能提高fs

的相互作用系数的元素C、Si、P存在，使fs可达到4~6。

（4） 温度：脱硫反应是吸热的，温度提高，有利于脱硫。从上面的LS式可见，

温度提高，式中右端的第4项减小，从而LS增大。由于S2S，

7054

lgK1.224,K随温度提高而减小，即铁水中[S]以S2进入渣内，

T

为渣所容纳，故LS提高。此外，温度高，则熔渣的黏度降低，有利于铁水中[S]向渣内扩散，从而提高脱硫的速率。因此，脱硫需要采用较高的焦比。

4 在600℃温度下，用碳还原FeO，制取金属铁，求反应体系中允许的最大压力。 解 碳还原FeO时，体系中可能同时出现的下列3个反应：2FeO(s)=2Fe(s)+O2(1)；2C(石)+ O2= 2CO(2)；2C(石)+ O2=CO2(3)。因此体系内气相平衡压力应是上3个反应中气体物质，即O2+ CO +CO2的分压之和。可由上3个反应求得的O2，CO 及CO2分压和得出体系的允许最大压力。1) pO2：由反应(1)2FeO(s)=2Fe(s)+O2

K1=pO2

528000129.18

24.84lgK119.14787319.147



K11.441025 pO2=K11.441025

2）pCO：反应(2)中有两个气体O2及CO，需要由pO2才能求得pCO，较为复杂。利用反应(1)与反应(3)组成反应C（石）＋FeO(s)Fe(s)CO，

rGm158970160.25T，可求得pCO：

K=pCO

lgK

158970160.25

1.141

19.14787319.147

K=0.072

pCO=K=0.072

3）pCO2：反应(3)中有2个气体O2及CO2，按前法，由反应(3)与反应(2)组合成



C(石)+ CO2= 2CO，rGm166550171T，求得pCO2，

pCO2

,pCO2pCOKKpCO2



166550

lgK19.147873171

1.0 319.147

K=0.092pCO2(0.072)

0.092 0.059

故p=pO2+pCO+pCO2=1.441025+0.072+0.059=0.131p0.1311051.3104Pa

5 在钒钛磁铁矿的高炉冶炼中，还原的钛溶解于铁水中，达到饱和时，就以TiC(s)形式析出，存在于熔渣-铁液界面上。试求1400℃，铁水中钛的溶解度。已知铁水中碳饱和溶解度的计算式为w[C]1.342.54103t(℃)。解 铁水中还原的钛与碳的反应为

]TiC( s)[Ti][C

其中碳为饱和浓度，以石墨为标准态，其活度为1， TiC(s)的活度液位1。 故K

11



aTifTiw[Ti]%

1KfTi



而w[Ti]%

Klg

或lgwTi[%]



上反应的rGm可如下得出：

fTilg

(s)C石）(Ti



Ti(C；)srGm 51848001T2.



C(石）0 C石 ；GC



Ti(s)Ti；GTi25100

844.T 9

TiCTiC



molrGm15970057.53TJ·

15970057.53

1.9 81

19.147167319.147

lgK：lgK

TiCC

lgfTi：lgfTieTiwTi%eTiwC%eTiwC%

上式中，仅考虑了[C]对fTi的影响，因为其余元素的相互作用系数值均很小，例如

SMnTi

eTi0.05,eTi0.043,eTi0.013

等，又铁液中

wC1.342.5410314004.89%。故lgfTi0.1654.89lgw[Ti%]1.981wTi0.066 %

6 用铝热法生产金属铬，需要消耗大量的铝，现改用碳做还原剂，需要多高的温度，才能使反应进行。如采用真空度为1kPa，碳还原Cr2O3的温度可降低多少？解还原反应为Cr2O3(s)+ 3C(石)=2Cr(s)+3CO；



rGm766940

0.807 1.174

6J·mol-1 50T4.

由于反应中，固态物质的活度为1，而pCO=1



0,还原温度T＝rGmrGm

766940

1520K（1247℃）

504.63

即温度高于1520K，才能使反应进行。 在真空度1kPa下进行还原反应，则

3

rGmrGm RTlnpCO

1

=766940504.6319.147lgT

100

=766940﹣619.51TrGm0,T123(965℃) K8即还原温度可降低282℃。

在此真空度下，只要采用高于965℃的炉温，就可以用碳还原Cr2O3为金属铬。由于温度不高，反应中不会形成碳化铬，降低金属铬的纯度。同时可采用一般的耐火材料如用高铝砖作炉衬。

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