钢铁冶金学(炼铁部分)(共23页)

精选优质文档-倾情为你奉上第一章 概论1、试述3种钢铁生产工艺的特点。答：钢铁冶金的任务：把铁矿石炼成合格的钢。工艺流程：还原熔化过程（炼铁）：铁矿石去脉石、杂质和氧铁；氧化精炼过程（炼钢）：铁精炼（脱C、Si、P等）钢。 高炉炼铁工艺流程：对原料要求高，面临能源和环保等挑战，但产量高，目前来说仍占有优势，在钢铁联合企业中发挥这重大作用。直接还原和熔融还原炼铁工艺流程：适应性大，但生产规模小、产量低，而且很多技术问题还有待解决和完善。2、简述高炉冶炼过程的特点及三大主要过程。答：特点：在逆流（炉料下降及煤气上升）过程中，完成复杂的物理化学反应；在投入（装料）及产出（铁、渣、煤气）之外，无法直接观察炉内反应过程，只能凭借仪器仪表简介观察；维持高炉顺行（保证煤气流合理分布及炉料均匀下降）是冶炼过程的关键。三大过程：还原过程：实现矿石中金属元素（主要是铁）和氧元素的化学分离；造渣过程：实现已还原的金属与脉石的熔融态机械分离；传热及渣铁反应过程：实现成分与温度均合格的液态铁水。3、画出高炉本体图，并在其图上标明四大系统。答：煤气系统、上料系统、渣铁系统、送风系统。4、归纳高炉炼铁对铁矿石的质量要求。答：高的含铁品位。矿石品位基本上决定了矿石的价格，即冶炼的经济性。矿石中脉石的成分和分布合适。脉石中SiO2和Al2O3要少，CaO多，MgO含量合适。有害元素的含量要少。S、P、As、Cu对钢铁产品性能有害，K、Na、Zn、Pb、F对炉衬和高炉顺行有害。有益元素要适当。Mn、Cr、Ni、V、Ti等和稀土元素对提高钢产品性能有利。上述元素多时，高炉冶炼会出现一定的问题，要考虑冶炼的特殊性。矿石的还原性要好。矿石在炉内被煤气还原的难易程度称为还原性。褐铁矿大于赤铁矿大于磁铁矿，人造富矿大于天然铁矿，疏松结构、微气孔多的矿石还原性好。冶金性能优良。冷态、热态强度好，软化熔融温度高、区间窄。粒度分布合适。太大，对还原不利；太小，对顺行不利。5、试述焦炭在高炉炼铁中的三大作用及其质量要求。答：焦炭在高炉内的作用：（1）热源：在风口前燃烧，提供冶炼所需的热量；（2）还原剂：固体碳及其氧化产物CO是氧化物的还原剂；（3）骨架作用：焦炭作为软融带以下唯一的以固态存在的物料，是支撑高达数十米料柱的骨架，同时又是煤气得以自下而上畅通流动的透气通路；（4）铁水渗碳。质量的要求：粒度适中、足够的强度、灰分少、硫含量少、挥发成分含量合适、反应性弱（C+CO2=2CO）、固定C高等。6、试述高炉喷吹用煤粉的质量要求。答：1、灰分含量低、固定碳量高；2、含硫量少；3、可磨性好；4、粒度细；5、爆炸性弱，以确保在制备及输送过程中的人身及设备安全；6、燃烧性和反应性好。7、熟练掌握高炉冶炼主要技术经济指标的表达方式。答：1、有效容积利用系数：每M3高炉有效容积每昼夜生产的合格铁量(T/M3.d)。 2、焦比：冶炼每吨生铁所消耗焦炭的千克数(kg/T)。3、煤比：冶炼每吨生铁所消耗的煤粉的千克数(kg/T)。4、燃料比(焦比+煤比+油比)：冶炼每吨生铁所消耗的固体和液体燃料的总和(kg/T)。 5、综合焦比(焦比+煤比煤焦置换比)6、煤焦置换比：喷吹1kg煤粉所能替代的焦炭的kg数。一般为0.81.0(不包括褐煤)。7、焦炭冶炼强度：每M3高炉有效容积每昼夜燃烧的焦炭吨数(t/ M3.d)。通常为0.81.0t/M3.d。8、综合冶炼强度：每M3高炉有效容积每昼夜燃烧的综合焦炭的吨数(t/M3.d)。一般为0.91.15t/M3.d。9、利用系数、焦比及冶炼强度三者关系：纯焦冶炼时，利用系数焦炭冶炼强度/焦比；喷吹燃料时：利用系数综合冶炼强度/综合焦比。10、燃烧强度：每M3炉缸截面积每昼夜燃烧的焦炭的吨数(t/ M3.d)11、工序能耗Ci(燃料消耗+动力消耗-回收二次能源)/产品产量(吨标准煤/T)，1kg标准煤的发热量为29310 kJ(7000千卡)。注：1、把铁矿石炼成合格的钢：还原熔化过程（炼铁）：铁矿石去脉石、杂质和氧铁；氧化精炼过程（炼钢）：铁精炼（脱C、Si、P等）钢。2、高炉原料：铁矿石（凡是在当前的技术条件下，可经济地提取出金属铁的岩石，称为铁矿石。地壳中Fe元素居第四位，占4.2 ；在鉄矿石中不存在纯金属的铁，而是以氧化物、硫化物的形式存在；除含Fe氧化物外，含有其他化合物，统称为脉石，常见的SiO2、Al2O3、CaO、MgO。）：天然富矿、人造富矿（烧结矿、球团矿）；熔剂：碱性熔剂（石灰、石灰石、白云石）、酸性熔剂（硅石）、特殊熔剂（萤石）；其他含铁代用品(要求含铁梁高、杂质少、有一定的块度)：高炉和转炉炉尘、残铁、轧钢铁皮、硫酸渣。3、铁矿石的分类：赤铁矿(Fe2O3)，理论含Fe70，红条痕，较软，易还原；铁矿(Fe3O4)，理论含Fe72.4，黑条痕，较硬，难还原；褐铁矿(xFe2O3.yH2O)，黄褐条痕，疏松多孔，易还原；菱铁矿(FeCO3)，理论含Fe48.2，灰黄条痕，焙烧后易还原。 由于地表的氧化作用，自然界中纯磁铁矿少见。磁铁矿变成：半假象赤铁矿（Fe/FeO在3.5-7）或假象赤铁矿（Fe/FeO7）。所谓假象：化学成分：Fe3O4，结晶构造不变，保持磁铁矿特征。4、高炉燃料：气体燃料（焦炉煤气、高炉煤气）用于热风炉；固体燃料（焦炭、煤粉）用于高炉本体。第二章 铁矿粉造块1、试述高炉冶炼对含铁原料的要求，如何达到这些要求？答：贫矿经选矿后的精矿粉经造块（烧结或球团过程），可改善矿石的冶金性能，脱去某些杂质（S、P、K、Na等），并综合利用大量粉尘和烟尘。2、简述固相反应的特点及对烧结反应的影响。答：在一定温度下，某些离子克服晶格结合力，进行位置交换，并扩散到与之相邻的其它晶格内的过程，称为固相反应。特点：反应温度远低于固相反应物的熔点或它们的低共熔点；温度高有利于固相反应的进行；固相反应受化学组成的影响，虽不能形成有效的固相连接，但为液相的生成提供了前提条件(低熔点的固相反应产物)。3、简述烧结矿的固结机理，何种液相利于烧结矿质量的提高？答：固结机理：烧结物料中主要矿物是高熔点的，当被加热到一定温度时，各组分间有了固相反应，生成新的能与原组分形成具有低共熔点的化合物，使得它们在较低的温度下生成液相，开始熔融。熔融的液态物质冷却时成为那些尚未溶入液相的颗粒的坚固的连接桥，从而实现固结。粘结相由铁酸钙组成。可使烧结矿的强度和还原性同时得到提高。这是因为：铁酸钙(CF)自身的强度和还原性都很好;铁酸钙是固相反应的最初产物，熔点低，生成速度快，超过正硅酸钙的生成速度，能使烧结矿中的游离CaO和正硅酸钙减少，提高烧结矿的强度;由于铁酸钙能在较低温度下通过固相反应生成，减少Fe2O3和Fe3O4的分解和还原，从而抑制铁橄榄石的形成；改善烧结矿的还原性。4、 改善烧结料层透气性的对策如何？5、试述烧结生产中“自动蓄热现象”扬长避短的技术对策。答：扬长：厚料层烧结技术正是基于自动蓄热技术的，为降低固体燃料提供了可能，也为低温烧结技术创造了有利条件。同时对改善烧结矿质量亦有好处。避短：自动蓄热现象导致烧结料层上下热量不均匀，上部热量不足，下部过剩。所以应该控制燃料在料层高度上的分布，以降低燃料消耗，节约能量。6、试述低温烧结理论的要点。答：高碱度下生成的钙的铁酸盐铁酸钙，不仅还原性好，而且强度也高。铁酸钙主要是由Fe2O3和CaO组成。烧结温度超过1300后，Fe2O3易发生热分解，形成Fe3O4和FeO，而Fe3O4是不能与CaO结合的。相反，FeO的出现会导致2FeOSiO2，CaOFeOSiO2的生成，从而恶化还原性。不同形态的铁酸钙组成的烧结矿，其质量是不同的；而烧结温度对铁酸钙的形态影响显著。为了生成铁酸钙矿物，需要实现低温烧结工艺。7、归纳影响烧结矿强度的因素。8、简述影响烧结矿还原性的因素以及提高还原性的主攻方向。9、简述铁精矿粉的成球机理，并讨论其影响因素。答：铁精粉粒度小，表面能大，存在着以降低表面张力来降低表面能的倾向，易发生吸附现象。含铁粉料多为氧化矿物，易吸附水。其中部分水在微细空隙中产生凹液面，具有将细粒了挤向水滴而凝聚的作用。即毛细水对成球过程的主导作用。加水润湿的同时，机械滚动作用使靠水润湿产生的母球被挤压，毛细结构变化，挤出毛细水，过湿表面又吸附分矿使母球长大。形成母球。母球是造球的核心，靠加水润湿产生母球长大(机械力润湿作用)。滚动中压紧毛细结构变化挤出毛细水过湿表面又粘附粉矿母球长大生球压实(机械力作用)。使矿粉颗粒以最紧密方式排列，最大限度发挥水的分子引力、毛细管力以及物料的摩擦阻力，使生球强度大大提高。10、简述氧化球团矿的焙烧固结机理。答：1）Fe2O3的微晶键连接：磁铁矿生球在氧化气氛中焙烧时，当加热到200300就开始氧化形成Fe2O3微晶。由于新生的Fe2O3微晶中原子迁移能力较强，在各个颗粒的接触面上长大成“连接桥”（又称Fe2O3微晶键），使颗粒互相连接起来。在900以下焙烧时，这种连接形式使球团矿具有一定的强度。但由于温度低，Fe2O3微晶长大有限，因此仅靠这种形式连接起来的球团矿强度是不够。2）Fe2O3的再结晶：当磁铁矿生球在氧化性气氛下继续加热到10001300时，磁铁矿可全部转变成赤铁矿，而由磁铁矿氧化形成的Fe2O3微晶开始再结晶，使一个个相互隔开的微晶长大成连成一片的赤铁矿晶体，使球团矿具有很高的氧化度和强度。3)在缺乏氧气的地方温度达到一定水平时，磁铁矿颗粒也能够通过扩散产生Fe3O4晶键连接，然后再更高温度下，发生Fe3O4的再结晶和晶粒长大，使磁铁矿颗粒结合成一个整体。4）液相粘结：两颗矿粒被液相粘结起来，如果生产酸性球团矿，在氧化气氛中，可能产生的液相为低熔点的脉石矿物或添加剂藻土等。在中性或弱还原性气氛中焙烧，则磁铁矿与脉石中的二氧化硅反应，产生2FeO.SiO2液相。注：1、烧结矿加入CaO，还原性；球团矿加入MgO，软熔性能。2、散粒物料聚结现象是颗粒间相互联结力与相互排斥力作用的结果，结合力 联结力排斥力(重力)。3、烧结过程矿层分布：烧结矿层上冷下热，约4050 mm为脆性层(T低、急冷)，冷烧结矿层和热烧结矿层；燃烧层即烧结层，厚度约为1550mm，温度为11001400，主要反应为燃烧反应；预热层厚度为2040 mm，特点是热交换剧烈，温度快速下降，主要反应为水分蒸发、结晶水及石灰石分解、矿石氧化还原及固相反应；冷料层即过湿层，上层带入的水分由于温度低而凝结，过多的重力水使混合料小球被破坏影响料层透气性；垫底料层为保护烧结机炉篦子不因燃烧带下移而烧坏。4、a)磁铁矿、赤铁矿、铁酸一钙、铁橄榄石有较高强度，其次为钙铁橄榄石及铁酸二钙，最差的是玻璃相。b)赤铁矿、磁铁矿和铁酸一钙容易还原，铁酸二钙还原性较差，玻璃体、钙铁橄榄石、钙铁辉石，特别是铁橄榄石难以还原。c)烧结矿中以强度好的组分为主要粘结相，烧结矿的强度就好。以还原性好的组分为主要粘结相，且气孔率高、晶粒嵌布松弛、裂纹多的烧结矿易还原。5、欲提高产量，需改善料层透气性；可提高抽风负压；透气性和负压不变时，增加料层高度会导致产量下降；透气性指数P与烧结料粒径d成正比，与料层孔隙率成正比。6、“自蓄热作用”，即随烧结矿层的下移，料层温度最高值逐渐升高。自蓄热来源于被上层热烧结矿预热了的空气以及自上层带入的热废气加热冷料的作用。“自蓄热作用”是厚料层烧结技术的理论基础。厚料层烧结可降低能源以及提高成品率。烧结自动蓄热作用，为降低固体燃料提供了可能，也为低温烧结技术创造了有利条件。7、HPS（小球烧结法）：将烧结混合料用圆盘造球机预先制成一定粒度的小球(粒度上限为68mm)，然后使小球外裹部分燃料，最后铺在烧结台车上进行烧结的造块新工艺。8、球团矿机械强度好，粒度均匀。按固结方式分类氧化焙烧球团、冷固球团；按碱度分类酸性球团、熔剂性球团。9、生球干燥目的：避免焙烧过程的急速加热而使球团爆裂；促进添加剂的粘结桥形成，以获得生球的热强度。10、硫在钢凝固过程中以FeFeS共晶形式凝固在晶界上，在加热过程中先熔化，造成“热脆”现象。磷化物聚集在晶界周围减弱晶粒间结合力，使钢冷却时发生很大的脆性，从而导致钢的“冷脆”现象。当铜含量超过0.3%时，钢的焊接性能降低，并产生“热脆”现象。铅的密度大于铁水，极易渗入砖缝，破坏炉底砌砖。另外，铅在高炉内有富集现象，造成高炉结瘤。锌在高炉内有挥发现象，在炉内低温处可冷凝沉淀，使砖缝膨胀，严重时会引起高炉结瘤。砷能使钢增加脆性，并使钢的焊接性能变坏。氟过高会使炉内成渣过早，不利于矿石还原，且其渣会侵蚀高炉风口及炉衬。氟有循环富集现象，与碱金属结合是造成高炉结瘤的原因之一。碱金属在炉内有“自动富集”倾向，会破坏炉衬，造成炉墙结厚和结瘤；破坏焦炭的高温强度，扩大直接还原，导致焦比上升；降低人造富矿的热强度，破坏高炉顺行。11、广义的炉料结构优化概念：各种含铁原料的搭配模式、各种含铁原料质量的优化、基于成本合理的炉料构成。内容：资源条件、原料特性、高炉需求。第三章 高炉冶炼过程的物理化学1、结合铁矿石在高炉不同区域内形状变化（固态、软熔、成渣）阐述铁氧化物还原的全过程，及不同形态下还原的主要特征。答：高炉还原过程是铁矿石下落、软熔、滴落、成渣伴随着与CO、H2和固体焦炭的还原反应的过程：固态铁矿石阶段，温度比较低，炉料上升来的CO、H2间接还原固态铁矿石生成固态海绵铁，固态海绵铁催化2CO=CO2+C的析碳反应，即渗碳。这使固态海绵铁的熔点降低，伴随着向下运动和温度升高而软熔、滴落，促进间接还原、和初渣的形成；软熔并滴落的同时，初渣形成。初渣在滴落的同时，尚未还原的FeO、MnO等与煤气和焦炭接触反应，为间接还原和直接还原并存的阶段；成渣过程继续进行，熔融态的渣铁下降到炉子下部与焦炭发生直接还原。2、何谓“间接”、“直接”还原? 在平衡状态、还原剂消耗量及反应的热效应等方面各有何特点？答：间接还原：还原剂为气态的CO或H2，还原产物为CO2或H2O，不直接消耗固体碳，但还原剂需要过剩系数(n1)，还原反应既有吸热也有放热反应，其中还原剂消耗量可由高温区还原产生的CO提供。直接还原：还原剂为碳素，还原产物为CO，直接消耗固体碳，伴随着强烈的吸热，但还原剂不需要过剩系数(n = 1)。需额外消耗碳来补充能量，还原剂由外提供固体碳素。3、试比较两种气态还原剂CO、H2在高炉还原过程中的特点。答：（1）用CO还原，除Fe3O4 FeO外，均为放热反应；用H2还原，全部曲线向下斜，均为吸热反应；（2）低于810，CO的还原能力 H2的还原能力，反之则反；（3）CO作为还原剂， FeO Fe位置最高，最难还原；H2作为还原剂，Fe3O4Fe位置最高，最难还原（4）H2分子量小，粘度低，易扩散，故其还原的动力学条件较好。理论上，570以下也可还原出金属Fe，实际上动力学条件差，很难还原出金属Fe。Fe2O3极易还原，Kp很大，平衡还原剂浓度很低，曲线几乎与横轴重合。实际还原剂需要量是由FeOFe这一步决定的!高炉内除Fe2O3Fe3O4外，还原反应均为可逆反应，还原剂CO、H2需要过量。即气相还原有一个过剩系数。4、当前世界上大多数高炉在节约碳素消耗方面所共同存在的问题是什么？如何解决？答：适宜直接还原度和最低碳素消耗历史上曾出现过两种绝对化观点，认为高炉的理想行程应该是：其一(法国的学者)，认为100%的间接还原好，因为直接还原剧烈耗热；其二(荷兰的学者)，认为100%的直接还原好，因为间接还原剂用量多。分析可知，高温区直接还原的产物CO上升到高炉上部(中、低温区)仍可参与间接还原，这样既节约了还原剂又少消耗了热量。理想行程应该是：直接还原产生的CO和用于提供热量消耗产生的CO刚好满足间接还原和高炉对总的热量的需要。降低高炉燃料比的方向研究如何降低rd和Q。5、从“未反应核模型”以及逆流式散料床的还原过程特点出发，如何改善气固相还原过程的条件、提高反应速率，以提高间接还原度？答：1. 改善矿石性质（1）提高矿石的孔隙度（气孔率）特别是微气孔率，可以改善气体内扩散条件，提高内扩散速度。（2）缩小矿石粒度（包含均匀性），可增加还原气体同矿石的接触面积，减小还原产物层厚度，缩短还原气体到达未反应核界面和气体产物自内向外逸出的途径。但矿石粒度不能过小，否则将恶化高炉内气体力学条件，影响煤气分布和高炉顺行，反过来阻碍还原。同时将增加炉尘吹出量。（3）改善矿石矿物组成，减少组织致密、结构复杂而易熔的铁橄榄石（Fe2SiO4）类型难还原矿物，可加速矿石的还原。2. 控制气流条件（1）保证足够高的煤气温度是进行界面还原反应的必备条件。提高温度对改善扩散和加速还原反应，特别是在反应处于动力学范围时，效果十分显著。（2）控制煤气流速。在临界流速范围内，提高煤气流速，有利边界层外扩散的进行，可促进还原。（3）控制煤气的压力。在动力学范围，提高压力可加速还原。（4）提高煤气中还原性气体CO和H2的浓度，可以增大边界层与化学反应界面的浓度差，从而加速还原气体向反应界面的扩散，提高还原速度。6、何谓耦合反应？其基本原理是什么？在什么条件下必须考虑其影响？答：耦合反应：体系中若存在两个或两个以上的反应a、b，其中反应a单独存在时不能自动进行，若反应a至少有一个产物是反应b的反应物，反应b的存在使得反应a可以自动进行。这种现象叫做反应的耦合。这些反应统称为耦合反应。基本原理：炉渣由离子组成，铁液由原子组成，渣铁间的质量交换必然涉及电子的传递，其本质是电化学反应的进行。考虑影响：当系统中有多种组元存在时，必须考虑耦合反应的影响，此时各组元之间的相互反应首先要满足耦合反应平衡常数的要求，而远离简单反应的平衡常数。7、风口前焦炭循环区的物理结构如何？风口前碳的燃烧在高炉过程中所起的作用是什么？答：燃烧带：风口前碳被氧化而气化的区域，又叫风口回旋(循环)区。它是高炉内唯一的氧化区域，故又称氧化带。大小用风口回旋区长度表示。实际用CO2%下降到1%处为回旋区的界线。风口喷吹补充燃料（煤粉、重油和天然气等）先热解后燃烧。75%的焦炭达到风口处燃烧，其他参与还原汽化、渗碳。回旋区主要产物是CO、少量的H2及风中大量的N2。风口燃烧带的作用：1）提供热源2）提供还原剂3）提供炉料下降的空间。8、造渣在高炉冶炼过程中起何作用？答：造渣的目的：（1）渣铁分离；（2）调节炉渣成分，完成某些物理化学反应，保证生铁质量要求。炉渣的作用：(1)实现铁水与脉石分离；(2)完成渣铁间的脱硫SS2；(3)调整铁水成分：炼制钢铁造碱性渣铸造铁、造酸性渣；(4)促进高炉顺行：下部透气性良好；(5)保护高炉炉衬：炉腹部分砖衬开炉后12月即全部被侵蚀，仅靠炉渣来保护，形成“渣皮”自我保护；(6)护炉：含TiO2炉料，使（TiO2）=23%。Ti=0.050.20%；(7)洗炉：锰矿、萤石、高FeO均热炉渣等。9何谓“熔化”及“熔化性温度”？二者的异同及对冶炼过程的意义，是否熔化温度越低越好？为什么？答：炉渣的熔化温度：是指炉渣在受热升温过程中固相完全消失的最低温度，即相图上液相线温度。炉渣的熔化性温度：是理论上讲炉渣完全熔化的最低温度，指炉渣可以自由流动的最低温度。在高炉冶炼中，熔化性温度，更具有实际意义。炉渣温度必须高于液相线温度，才可能有流动性。但高于液相线温度的炉渣并非都具有足够的流动性。要有足够的过热度才能使炉渣流动。熔化性温度的确定：碱性渣：（“短渣”）： t转是熔化性温度。酸性渣：（“长渣”）：t曲线上斜率为1（倾角135 ）的切线点的温度，即为t熔化性。短渣：温度降低到一定值后，粘度急剧上升的炉渣，碱性渣多为短渣。长渣：温度降低粘度上升缓慢的炉渣，酸性渣多为长渣。高炉冶炼要求炉渣具有适当的熔化温度：T熔过高： 炉料过分难熔、粘滞“难行”；渣铁分离困难，铁水质量难保合格；T熔太低： 软熔带位置过高，熔滴温度过低，煤气阻损增大顺行困难。10、炉渣“粘度”的物理意义是什么？以液态炉渣的微观结构理论，解释在粘度上的种种行为。答：粘度：流体单位速度梯度、单位面积上的内摩擦力。(牛顿流体)单位（） (Ns/m2，kgm-1s-1)，1 Pas = 10泊(Poise)。一般以为好。炉渣粘度过大：炉料下降、煤气上升困难，易产生“液泛”，渣铁分离效果不好，反应速度降低。液态炉渣的微观结构理论： =Aexp(E/RT)。影响炉渣粘度的因素：温度T、炉渣碱度R 、渣中其它成分。酸性渣：（Si-O阴离子形成四面体网状结构）、酸性渣中加入CaO、MgO破坏网状结构 下降。碱性渣：碱性渣，高温下粘度小。随R 。(原因是R CaO、MgO 固体悬浮质点)此外：Al2O3、TiO3导致升高，K2O、Na2O 导致 。K2O、Na2O降低的作用比较小，且危害大。Al2O3 导致 原因：在碱性渣中Al2O3呈现酸性，其阴离子三长键结构(但影响小于Si-O四长键)TiO2 导致 原因：还原的Ti与C、N生成碳氮化物，熔点高，易析出固相质点，TiC的T熔(3140)，TiN的T熔(2930)CaF2 (萤石) 导致 原因：F是电极电位正值最大的元素，得到电子的倾向最强，2个F-可以取代一个网状结构的-O-位置，造成断口生成的自由O2-又可以去破坏另一个-O-键。11、何谓液态炉渣的“表面性质”？表面性能不良会给冶炼过程造成哪些危害？答：表面张力表，与界面张力界液相/气相之间表面张力：渣/气=0.20.6N/m液相/液相之间界面张力：渣/铁=0.91.2 N/m表面张力表：生成单位面积的液相与气相的新交界面所消耗的能量。界面张力界：在液态渣铁之间形成单位面积界面所消耗的能量。危害：表：表面张力小，炉内易产生液泛现象和泡沫渣(炼铁)、炉外易起泡造成渣沟或渣罐外溢 危害。在炉外易形成泡沫渣、乳化渣(如炼钢)。 界：界面张力小 渣中带铁，渣铁分离困难。12.与炼钢过程比较，高炉冶炼的条件对炉渣去硫反应的利弊如何？答：脱硫离子反应式：S+(O2-)(S2-)+O Go=-50.20T（1）温度T：脱硫为吸热反应 T LS （2）炉渣碱度：Ra(O2-) LS 提供(O2-)能力： CaO MnO MgO，如炼Mn铁高炉，渣中(MnO)多，故脱硫好。SiO2和Al2O3酸性氧化物消耗(O2-)，脱硫不利。（3）气氛氧势%O ：%O LSa. 还原性气氛，渣中(FeO)%O ；b. C、Si、Mn高，直接还原、耦合反应。高炉脱硫热力学优于转炉：依据热力学计算高炉LS = 50100，转炉LS = 110。13.、循环富集对高炉炉冶炼的危害。答：(1) 破坏炉料强度： 焦炭吸收K、Na后，会形成塞入式化合物KC6、KC8、KC12、KC24等，一方面使焦炭变得疏松；另一方面使焦炭反应性增大，导致碳熔损反应量增大。其结果是造成焦炭高温强度急剧下降； K、Na及其低沸点化合物沉积于炉料表面和孔隙，特别是钻入Fe2O3晶格内，将使球团矿异常膨胀，高碱度烧结矿粉化。(2) 使软熔带位置升高，厚度增加，初渣形成早，对造渣不利： FeXO、SiO2、K2O可形成熔点为700左右的玻璃渣相； 低熔点渣相糊住海绵铁表面，使渗碳、滴落困难，使软熔带的下沿温度提高。(3) K、Na促进碳素沉积反应2CO=CO2+C的进行(催化作用)，并使得高炉上部的还原速度加快(K、Na催化还原FeO)；(4) 使炉衬破裂，炉墙结厚甚至结瘤： K、Na蒸汽渗入砖缝，氧化沉积，伴随碳素沉积引起膨胀； 与砖衬形成低熔点物质FeXO、SiO2 K2O，引起渣化； 当炉况不顺、发生悬料时，煤气横向扩散，结果低熔点物质FeXO、SiO2、K2O粘附焦末、矿末后，生成瘤根，久之造成结厚甚至结瘤。(5) 使整个料柱的透气性降低，高炉顺行急剧恶化： 使炉料强度变坏，上部透气性降低； 使初渣形成早，软熔带位置高且厚，煤气阻损大大增加； 含K、Na炉渣的表面张力小，易泡沫化产生“液泛”，使中、下部透气性降低； 焦炭高温强度下降后，高炉下部透气性变差。降低K、Na循环危害的措施1) 限制炉料带入的碱量： 碱负荷 鼓风量，两者的差异程度受风中含氧和湿度的影响炉顶煤气量 炉缸煤气量，两者的差异程度受碳素熔损反应、水煤气反应、碳酸盐分解反应的影响。降低燃料比的途径：（1）降低直接还原度，发展间接还原；（2）降低作为热量消耗的碳量，减小热损失。降低高炉燃料比的具体对策：（1）高风温，降低作为热量消耗的碳量；（2）高压操作，风压不变条件下，高压操作后有利高炉顺行，煤气利用率升高；抑制碳的熔损反应，有利于发展间接还原；Si的还原减少，耗热减少；炉尘吹出量减少，碳损降低；煤气停留时间长有利于间接还原（3）综合鼓风，脱湿鼓风有利于减少水分的分解耗热，降低燃料比；富氧鼓风与喷煤相结合，提高风口前煤粉燃烧率；适当增加煤气中H2含量，有利于发展间接还原（4）精料：提高含铁品位，降低渣量，热量消耗减少；改善原料冶金性能，提高还原度，发展间接还原；加强原料整粒，提高强度，改善料柱透气性；改善焦炭质量（尤其是高温性能：反应性、反应后强度），强化焦炭骨架作用，降低焦炭灰分；合理炉料结构；控制软熔带厚度，减小煤气阻力损失；降低S负荷，减小脱S耗热。改善煤粉燃烧性（助燃剂等），降低灰分。第四章 高炉冶炼过程的传输现象1.写出欧根公式，说明式各因子的物理意义，指出该式对高炉作定性分析时适用的区域，并从炉料和煤气两方面分析影响P的因素及改善炉内透气性的主要途径。答：欧根公式：式中：P/L 散料层的压力降梯度(N/m2/m)； 气体粘度(Pas)；空气体的空炉流速(m/s)；de 颗粒的当量直径(m)； 气体密度(kg/m3)； 散料层的空隙率()； 颗粒的形状系数()。第一项代表层流情况，第二项代表紊流情况。高炉煤气流速可高达1020m/s，相应的Re10003000，高炉处于紊流状态，故公式第一项可舍去，简化为：P/L=。影响因素：炉料方面A.形状系数：一般无法调节。B.粒度的影响：从P角度出发，de,但是从还原和传热的角度de，因此矛盾。一般是保证传热和改善间接还原，即使用较小粒度的矿石。改善透气性的重点是增加孔隙率。C.影响最大：要求入炉炉料粒度均匀，无粉末。增大的具体方法：整粒按粒度分级入炉使炉料具有较高机械性能。煤气方面：A. 煤气密度g 一般情况下是无法调节的。D. 煤气流速是决定性的影响因素：a. 提高风口前气体温度T气体膨胀空P;b.炉顶压力压缩炉内煤气体积空P。欧根公式可以定性分析高炉产量的极限。欧根公式只适用于炉身上部没有炉渣和铁水的“干区”。透气性指数：2.运用杨森公式分析影响散料层内炉料下降的因素。答：杨森公式:式中： 逆流运动中的摩擦系数；n 逆流运动中的侧压力系数；D 炉体直径；H 炉体高度；P/H 煤气的压降梯度。分析影响炉料下降的因素： 炉型：矮胖型高炉D第一项增加，第二项减小 w有效 (但不要忽略炉身预还原的高度)。 炉墙结厚或结瘤时，不利于炉料下降。 负荷加重时(焦炭 矿石)，r料 w有效。 P 时， 煤气流对料柱的浮力 w有效。 炉料有效重量并不随料柱高度的上升而无限上升，而是趋于一个常数。不宜靠过分增加高炉高度来提高下料的顺畅度! 虽有，但若则会产生局部悬料。因为高炉不是均一散料层，在高炉平均压降梯度时，也会出现局部的压力梯度r料的情况！3.试述“管道行程”的生成机理及其危害。答：生成机理：煤气在炉内沿径向分布，与其所遇到的阻力成反比。换言之：煤气总是沿着透气性好的路线上升的。高炉炉料的特性及在炉内的分布是不同的，即各种炉料的粒度、密度各不相同，且分布也不均匀，在炉内局部出现气流超过临界速度的状态是可能的，形成气流的局部通道，压差下降，即为局部“管道行程”。“管道行程(Channeling)”的危害：炉顶温度、炉料加热不充分、间接还原不好、铁水质量不稳定、炉尘吹出量、焦比。4.试述高炉下部充液散料层内的流体力学特征及“液泛现象”的危害。答：特征：在高炉的软熔带以下部位，唯一的固体为焦炭；在软熔带以下，液态渣铁穿过焦炭散料层；与炉身干区相比，料层孔隙度，煤气流受向下滴落的液态渣铁阻碍；当渣量多、渣粘度大、煤气流速快时，出现煤气把渣铁托住而类似粥开锅时的“液泛现象”。危害：高度弥散在渣铁间的气泡，使煤气流阻力大大升高；被煤气流吹起的渣铁，在上部较低温度区域，有重新冷凝的危险；渣铁的重新冷凝，一方面将导致料柱孔隙度降低，煤气流动受阻。另一方面，可造成炉墙结厚、结瘤，破坏高炉顺行。5.运用流体流量比及液泛因子的概念，讨论防止高炉发生“液泛现象”的对策。答：流体流量比：，液泛因子：。流体流量比的物理意义：液态渣铁与上升煤气流量之比。液泛因子的物理意义：煤气向上的浮力与液态物质向下运动的重力之比。式中：L 液体的质量流量(kg/m2h)； 煤气空炉速度(m/s)；G 气体的质量流量(kg/m2h)； Fs 焦炭比表面积(m2/m3)；g 气体的密度(kg/m2)； g 重力加速度(m/s2)；l 液体的密度(kg/m2)； 焦炭层孔隙度()； 液态物质粘度(Pas)。防止高炉发生“液泛现象”的对策:提高焦炭粒度Fsf(液泛因子)；改善焦炭强度避免冶炼过程的细粒化f，降低炉渣粘度 f；减少渣量LK(流体流量比)；减小气流速度f(高压操作)；大力发展间接还原(间接还原不好时，渣中FeO与C反应生成CO渣体积f)； 提高炉渣表面张力(表面张力小，易起泡渣体积 f)。6.试述高炉中发生悬料的机理(分上、下部悬料)。答：由于高炉透气性变差，引起高炉压差过大，有效作用力F0，支托起炉料，使得炉料难以下行，称为悬料。一般分为上部悬料和下部悬料，前者可以用杨森公式解释，后者可以用液泛现象解释。块状带的悬料：块状带是由矿石和焦炭的层状分布结构组成的。当料层中某一局部由于升华物冷凝、碳素沉积反应或由于碱金属蒸汽的强烈作用而强度下降产生了大量粉末，造成局部料层空隙度变小。阻力因子急剧增大，局部煤气压降梯度随之增大，炉料停止下降，悬料。下部悬料，高炉软熔带以下出现了液相，产生悬料：热制度的波动引起软熔带位置的变化;液泛现象(对液泛现象的进一步研究证明，液态物，特别是炉渣的表面张力也有很大影响)。7.试述高炉软熔带的成因、影响软熔带形成状况的因素以及监测软熔带形状和位置的方法。答：铁矿石被加热到一定温度时开始软化、熔融，在高炉的横断面上形成一个环圈状矿石软熔层。这一粘滞状态的矿石软熔层与固体焦炭层相交，形成了高炉软熔带。影响软熔带形成状况的因素:矿石软熔性能(位置、厚度);高炉内煤气流的分布(形状)。调节软熔带的途径：矿石软熔层的空隙度大大降低(0.380.1)，透气性极差；煤气流通过软熔带的通道约减少1/2，导致软熔带的煤气流阻力最大；软熔带：高低影响还原，厚薄影响顺行，形状影响消耗。监测：1.炉顶横截面煤气CO2分布(形状)；2.炉顶横截面十字温度(形状）；3.炉身静压力(位置和厚薄)。8.试述高炉高度方向上的温度分布特征(要画出示意图)。答: （1）上部热量交换区：热交换比较强烈，发生Fe2O3被间接还原成Fe3O4及部分FeO；（2）空区(又称热储备区)：炉料与煤气的温差很小(550)，即发生微弱的热交换，发生FeO的间接还原及部分直接还原；（3）下部热交换区：热交换强烈，所有强烈吸热的反应皆在此区发生。空区大约占炉身高度的50%60%，如此长的区域，从热交换来看，似乎不起什么作用，但对间接还原来说是非常重要的。因为这个区域(8001000)对间接还原特别有利(因为无碳素熔损反应的干扰影响)。9.试述水当量的定义及其在高炉高度方向上的变化特征。答：水当量是指单位时间内炉料或炉气温度变化1所吸收或放出的热量。常以冶炼单位生铁的炉料及煤气作为衡量水当量的标准。煤气的水当量基本为一常数，而炉料水当量在高温区有一突变并呈现一峰值。在低温区WsWg，在中间的某个区域Ws=Wg。气：沿高炉高度方向变化很小，原因：下部 气体量相对少，但热容较大；上部 气体量相对多，但热容较小；两者的乘积变化不大！。料：在高炉上部变化不大、下部变化较大，原因：上部 间接还原的放热补偿作用；下部 直接还原、熔损反应、熔化等使C料；进入炉缸仅剩渣铁过热耗热，C料。在下部料存在峰值！10.用水当量的概念分析影响高炉炉顶煤气温度、炉缸渣铁温度的因素。答： 上部热交换区：气料即煤气降低1所放出的热量 炉料上升1所吸收的热量。任意截面上，根据热平衡方程有：G料C料(t料空t料顶) = G气C气(t气空t气顶)，易得到故(t料空t料顶) (t气空t气顶)，即炉料加热快，煤气冷却慢。，由此可分析影响炉顶煤气温度的因素：即凡是使由此可分析影响炉顶煤气温度的因素：即凡是使(即使气)均可使炉顶煤气温度。措施有：提高风温，减少焦比煤气量气；富氧煤气量 气。空区：气料，炉料吸热与煤气放热基本上保持平衡，因此炉料和煤气的温度变化都不大。 下部热交换区：，炉料升高1所吸收的热量 煤气降低1所放出的热量。同理可得到即煤气冷却快，炉料加热慢。可见影响炉缸渣铁温度的主要因素是t气缸和。提高炉缸渣铁温度的措施：为使w气 焦比不变时，提高风温、富氧；为使料减小直接还原比例、减小渣量。注：1、高炉是一个以煤气上升、炉料下降的逆流式移动床为特征的反应器，存在着多相物质间的传质、传热和动量传输，传输过程非常复杂。高炉中的软熔带是传递阻力最大的地方，因此要求软熔带应尽可能薄、位置应尽可能低。2、附壁效应：靠炉墙处，由于实际的孔隙度实际较大，且通道较为光滑，故此处气体易通过，即所谓“附壁效应”。3、比表面积S=形状系数4、炉料下降的条件:（1）自身重力 阻力。阻力：炉料炉墙间摩擦力(P墙)、不同速度炉料间的摩擦力(P料)、上升煤气流对炉料的浮力(P浮)。炉料下降的有效作用力F0，F=(w料重P墙P料P浮)0=(w有效重量P浮)0。（2）除有下降的能力外，还需要有空间。提供空间：风口燃烧焦炭、周期性出渣铁（主要）、炉料的重新排列组合、炉料的软化熔融。当有空间条件下，且w有效 P浮时，炉料可顺利下降！5、煤气分布关系到：炉内温度分布、软熔带形状、炉况顺行、煤气利用。影响煤气分布的因素：燃烧带：鼓风动能大发展中心煤气流，鼓风动能小发展边缘煤气流，通过送风制度调整。炉料：分布焦炭多、大块料多处煤气流发展，矿石多、小块料多处煤气流抑制，通过装料制度调整。高炉煤气分布的三个阶段：原始分布炉缸燃烧带、再分布炉身下部软熔带、第三次分布炉身上部块状带。煤气沿高炉截面分布状况的检测方法：1、炉喉径向煤气CO2测定；2、炉喉径向煤气t测定。6、高炉条件下的传热方式和给热系数，传导传热、对流传热、辐射传热。高炉上部：传导、对流热交换；高炉中下部：对流、辐射热交换；炉缸：辐射、传导热交换。第六章 高炉冶炼工艺及强化1、提高风温后高炉冶炼进程将发生什么变化？并说明原因。答：（1）风口前燃烧碳量C风口减少。原因：风温提高，焦比下降，C风口； 热风带入显热代替了部分焦炭的燃烧热，C风口。（2）高炉内温度场发生变化：炉缸温度t缸，炉身温度t身，炉顶温度t顶，中温区(9001000)略有扩大。 原因：风温提高，风口前理论燃烧温度t理上升-每上升100风温，理论燃烧温度上升60-80，导致t缸；C风减少、煤气量减少，煤气和炉料水当量的比值下降，炉身和炉顶煤气温度均下降。（3）直接还原度略有上升。 原因： C风 CO；t身 间接还原；中温区扩大，使间接还原。- ri稍，rd稍（4）炉内料柱阻损P。 （5）有效热消耗Q有效减少，使焦比下降。原因：风温提高以后，焦比降低，由焦炭带入炉内的灰分和硫量减少，导致单位生铁的渣量和脱硫好热减少；产量提高，单位铁水热损失降低，焦比降低。（6）改善铁水质量。原因：风温 焦比下降，高炉的硫负荷下降，炉缸温度升高，热量充沛， 易于冶炼低硫铁水；风温 炉缸温度、铁水含硅量可控制在下限水平， 易于冶炼低硅铁水。2.如何实现高炉系统的高压操作？高压操作以后对高炉冶炼的进程影响如何？并说明原因。答：高压操作流程：风机热风炉高炉炉顶煤气除尘高压阀组净煤气管道。用控制高压阀组的开闭度和鼓风压力，提高高炉炉顶煤气压力。高压操作综合效果：提高高炉产量（在风量不增加时，P减小，高炉顺行容易，可接纳更多风量。由于一方面压力增大，鼓风体积减小，鼓风动能降低；另一方面CO和O2分压增大，反应速度加快，导致燃烧带减小。因此可增加鼓风量，提高另外冶炼强度，从而提高产量）、降低高炉焦比（炉况顺行，煤气利用率提高；炉尘吹出量大幅减少；产量提高单位生铁热损失减少；有利于间接还原发展；生铁含Si可控制在下限水平）、促进顺行、改善铁水质量（抑制了C+SiO2=CO2+Si的正反应进行，Si降低，有利于冶炼低硅生铁；降低了焦比，减少了带入的有害元素，改善铁水质量）、减少炉尘吹出量。高压操作具体影响：（1）燃烧带缩小。原因：炉内压力 鼓风体积 鼓风动能(当顶压由15 kPa80 kPa时，E降到原来的76%)；P缸燃烧带内Pco2、Po2，燃烧速度加快。 为了维持合理的燃烧带大小以利于煤气流分布合理，故可增大风量􀃎 从而对增产有积极作用！（2）对还原的影响(rd，Si)。对铁氧化物还原的影响：因为热力学上抑制了C+CO2 = 2CO正反应，动力学上加快扩散和反应速度，所以高压有利于间接还原发展，使ri；高压抑制了直接还原发展，使rd。对Si还原的影响：因为抑制了CSiO2 = SiO(g)CO正反应，使rdSi，Si。所以说高压操作对低硅铁水冶炼有利！但高压使石灰石分解推迟、分解温度升高、分解位置下降，对焦比下降不利。（3）料柱阻力损失P。由于，料层气流阻损P与气体压力成反比，P高压P常压。高压操作有利于顺行(下料通畅)。如果P维持常压时的水平，则入炉风量可以， 从而产量，高压操作有利于增加高炉铁水产量。（4）影响炉顶布料，并大幅度减少炉尘吹出量。由于： P顶，h动，另煤气流速，炉尘吹出的粒径变小、吹出量大大减少； P顶，h动，影响着炉料落入料面的运动轨迹。表现为炉料堆尖变陡、料面漏斗状加深、边沿料层加厚，导致炉喉径向分布发生变化，有可能影响边沿区域的炉料透气性，必须与上部调剂相适应。（5）焦比降低 综合“间接作用”。3.高炉喷煤的效果何在？喷吹煤粉对高炉冶炼的影响如何？原因何在？答：主要目的：代替部分资源贫乏、价格昂贵的冶金焦炭。(1) 对风口燃烧带的影响。A.风口前燃烧的热值降低。原因：1）煤粉在燃烧前的脱气和结焦要消耗热量；2）具有部分的未燃煤粉。B.燃烧带扩大。原因：1）炉缸的煤气量增加；2）部分煤粉在直吹管和风口内燃烧，形成高温（高于鼓风温度），从而促进中心气流发张，鼓风动能增加。C.风口前理论燃烧温度下降。原因：1）煤粉是冷态的；2）煤粉分解需要消耗热量。（2）对高炉温度场的影响。A.炉内温度场变化。原因：1）高温区上移，炉身各炉顶略有上升；2）炉缸边缘温度下降，理论燃烧温度降低所致；3）炉缸中心温度升高，因为煤气量、煤气含氢、鼓风动能增加，煤气穿透力增强所致。B.存在热滞后现象。原因：1）喷入煤粉分解需要吸热，致使炉缸温度暂时下降；2）被还原性强的气体作用后的炉料，下降到炉缸，由于这部分炉料直接还原耗热少，炉缸温度回升；3）“热滞后”时间约为3-4小时。（3）对还原的影响。喷吹后，间接还原发展，直接还原度下降。原因：1）还原组分（CO+H2）浓度增加，煤气量增加；2）碳的熔损反应减少：a.炉下部温度降低，b.焦比降低，焦与气反应表面积下降；3）焦比下降，单位生铁的炉料容积减小，矿石在炉内