钢铁冶金学(炼铁部分)

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：①还原熔化过程（炼铁）：铁矿石→去脉石、杂质和氧→铁；②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：①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；

②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；③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：①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；②造渣过程：实现已还原的金属与脉石的熔融态机械分离；③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：①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。②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。③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。④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。⑤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。⑥冶金性能优良。冷态、热态强度好，软化熔融温度高、区间窄。⑦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。

η：每M3高炉有效容积每昼夜生产的合格铁量答：1、有效容积利用系数

u

(T/M 3.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)

)

()()()(t kg 产量折算合格生铁干焦耗用量入炉焦比折算= )()()()(t kg 产量折算合格生铁综合干焦耗用量综合焦比折算=

6、煤焦置换比：喷吹1kg 煤粉所能替代的焦炭的kg 数。一般为0.8～1.0(不

包括褐煤)。

7、焦炭冶炼强度：每M 3高炉有效容积每昼夜燃烧的焦炭吨数(t/ M 3.d)。通常为0.8～1.0t/M 3.d 。

8、综合冶炼强度：每M 3高炉有效容积每昼夜燃烧的综合焦炭的吨数

(t/M 3.d)。一般为0.9～1.15t/M 3.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M 3炉缸截面积每昼夜燃烧的焦炭的吨数(t/ M 3.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：①还原熔化过程（炼铁）：铁矿石→去脉石、杂质和氧→铁；②氧化精炼过程（炼钢）：铁→精炼（脱C 、Si 、P 等）→钢。

2、高炉原料：①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SiO 2、Al 2O

3、CaO 、MgO 。）：天然富矿、人造富矿（烧结矿、球团矿）；②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）；③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(Fe 2O 3)，理论含Fe70％，红条痕，较软，易还原；铁矿(Fe 3O 4)，理论含Fe72.4％，黑条痕，较硬，难还原；褐铁矿(xFe 2O 3.yH 2O)，黄褐条痕，疏松多孔，易还原；菱铁矿(FeCO 3)，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/FeO>7）。所谓假象：化学成分：Fe 3O 432e O F →，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：①铁酸钙(CF)自身的强度和还原性都很好;②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;③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2FeO?SiO2，CaO?FeO?SiO2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200～300℃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1000～1300℃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40～50 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15～50mm，温度为1100～1400℃，主要反应为燃烧反应；预热层—厚度为20～40 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ε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6～8mm)，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、①硫在钢凝固过程中以Fe－FeS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。②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。③当铜含量超过0.3%时，钢的焊接性能降低，并产生“热脆”现象。④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。⑤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。⑥砷能使钢增加脆性，并使钢的焊接性能变坏。⑦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。⑧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：①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；②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；③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(n＞1)，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，Fe3O4→Fe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FeO→Fe这一步决定的!高炉内除Fe2O3→Fe3O4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[S]—〉[S2]；(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1～2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）=2～3%。[Ti]=0.05～0.20%；(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”）：η—t曲线上斜率为1（倾角135 o）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η：流体单位速度梯度、单位面积上的内摩擦力。(牛顿流体) 单位（Ｐａ·ｓ）(N·s/m2，kg·m-1·s-1)，1 Pa·s = 10泊(Poise)。

一般以η＜１Ｐａ·ｓ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：η=Aexp(Eη/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→ η下降。

碱性渣：碱性渣，高温下粘度小。随R↑ → η↑。(原因是R ↑ → CaO、MgO↑ →固体悬浮质点↑)此外：Al2O3、TiO3导致η升高，K2O、Na2O ↑ 导致η ↓。K2O、Na2O降低η的作用比较小，且危害大。

Al2O3 ↑ 导致η ↑ 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η ↑ 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η ↓↓ 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δ表，与界面张力δ界

液相/气相之间→表面张力：δ渣/气=0.2～0.6N/m

液相/液相之间→界面张力：δ渣/铁=0.9～1.2 N/m

表面张力δ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δ界：在液态渣铁之间形成单位面积界面所消耗的能量。

危害：δ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)。δ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] ΔG o=124455-50.20T

（1）温度T：脱硫为吸热反应→ T↑ → LS ↑

（2）炉渣碱度：R↑→a(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]↓ → LS↑

a. 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 = 50～100，转炉LS = 1～10。

13.Ｋ、Ｎａ循环富集对高炉炉冶炼的危害。

答：(1) 破坏炉料强度：①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；②K、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：①FeXO、SiO2、K2O可形成熔点为700℃左右的玻璃渣相；②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：① K、Na蒸汽渗入砖缝，氧化沉积，伴随碳素沉积引起膨胀；②与砖衬形成低熔点物质FeXO、SiO2 K2O，引起渣化；③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：①使炉料强度变坏，上部透气性降低；②使初渣形成早，软熔带位置高且厚，煤气阻损大大增加；

③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；

④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< 3～5 kg/thm；

2) 增大炉渣排出的碱量：①低碱度、酸性渣操作；②增加渣中(%MgO)，使K2O、Na2O活度降低，炉渣固碱能量增强；③增大渣量。

注：

1、由于某种原因，当结晶水(20%～50%)析出过晚，在＞800℃的高温区析出时，则会发生水煤气反应H2O+C=H2+CO –7285 kJ/kgH2O (5860 kJ/m3H2O)。危害：①强烈吸热，消耗大量高温区宝贵热量；②消耗固体碳素C，破坏焦炭强度；③产生的还原性煤气H

2、CO在上升过程中利用率不高。(高炉中下部冷却器漏水时，也会发生类似问题。)

2、炉料中碳酸盐来源：生熔剂(石灰石、白云石)、天然块矿。大约50%左右的CaCO3在1000℃以上的高温区发生分解，CaCO3高温分解产生的CO2在炉内与C会发生碳素熔损反应：CO2+C=2CO –165.7 kJ/mol。危害：①分解反应本身要消耗高炉内的热量；②分解反应放出的CO2冲淡了还原气体的浓度；③与碳反应强烈吸热，消耗大量高温区宝贵热量；④消耗固体碳素C，减少还原和热量作用的碳素；⑤破坏焦炭强度(使得焦炭料柱骨架作用减弱)。对策: ①高炉应尽量使用全熟料(高碱度烧结矿或自熔性烧结矿配加酸性氧化球团矿)入炉，以少加或不加石灰石；②以生石灰(CaO)代替石灰石；③适当减少石灰石的粒度。

3、高炉上部发生着一定程度的析碳反应：2CO=CO2+ C +165.7 kJ/mol T≤400～600℃。危害：①此反应消耗高炉上部的气体还原剂CO；②渗入砖衬缝隙的CO

在析出固体碳时，产生膨胀，破坏炉衬；③在炉料孔隙内发生的析碳，可能使炉料破碎、产生粉末，阻碍煤气流；④析碳反应生成的细微碳粉阻塞炉料间空隙，使炉料透气性降低。此反应在高炉内的热力学条件尚可，但动力学条件不

足。反应量较少对高炉冶炼进程影响不大!

4、少量低沸点物质在高炉中可发生气化(蒸发或升华)。危害: ①“循环富集”，下部气化、上部冷凝；②渗入砖衬缝隙，破坏炉衬；③阻塞炉料孔隙，降低炉料强度，增加煤气流阻力。导致高炉难行、悬料、炉墙结厚及结瘤等。对策：①限制入炉量；②增大随炉顶煤气逸出的量—T或V增大；③增加随炉渣排出的量—R 减小或渣量增加。

5、Fe2O3—六方晶系，含氧量30.06%；Fe3O4—立方晶系，含氧量27.64%；FexO(浮氏体)—立方晶系，x=0.87～0.95，(含氧量23.17%～24.77%) 为方便起见，常简写为FeO。Fe2O3在较低温度下极易还原: Fe2O3→Fe3O4，体积膨胀。低温下，FexO不能稳定存在，温度＜570℃时，分解: Fe3O4+α–Fe。

还原顺序：＜570℃，Fe2O3→Fe3O4→Fe；＞570℃，Fe2O3→Fe3O4→FexO→Fe；＜570℃，FexO→Fe3O4+α–Fe。

6、100%被还原的元素有：Cu、P、Ni (与Fe形成合金)；Pb (比重大，沉积于炉底)；Zn (挥发，循环)。部分被还原的元素有：Mn—50%～85%，Si—5%～20%，V—75%～85%，Ti——2%～15%。不能被还原的元素有：MgO、CaO、Al2O3。MnO与FeO相比，更难还原，在高炉内无法间接还原，而为直接还原。为使MnO充分还原：①提高炉温②提高炉渣碱度③适当提高渣中Al2O3含量④提高生铁含Si量。

7、在低温区域，还原出的Fe呈固态多孔，叫海绵铁；由于2CO=CO2＋C反应在低温下易进行，析出碳黑；新生的Fe对上述析碳反应有催化左右；海绵铁与碳发生渗C反应：3Fe+C =Fe3C；反应平衡时，海绵铁中含C量最高可达1.5%；由于海绵铁渗C后，熔点不断降低，逐渐熔化成液态铁水；海绵铁在熔化过程中继续渗C，液态铁水含C可达4%左右。铁水渗C反应受温度及其它元素影响。

8、炉渣的性能要求：①流动性好：在冶炼温度下，熔化性温度适宜，粘度小②化学反应能力强：渣焦固/液反应，渣铁耦合反应，脱硫反应③表面性质优良：表面、界面张力小，渣铁、渣气易分离顺畅④稳定性好：能适应冶炼条件在一定范围内的变化。

炉渣形成过程：初渣→ 中间渣→ 终渣。①初渣：最初形成于软熔带上沿，至软熔带下沿开始滴落。特点：FeO高，一般10～30 %，熔融状态，流动性差。②中间渣：初渣到终渣，从软熔带下沿滴落开始直至炉缸。特点：成分与特性都是不断变化的。③终渣：炉缸积存的渣，从渣口或铁口放出的炉渣。特点：成分稳定，FeO最低，一般～0.5 %。日常化验的炉渣成分即指终渣。初渣中总是含有较高的FeO，矿石越难还原，初渣中FeO就越高。这是初渣与终渣在化学成分上的最大差别。

高炉内生成初渣的区域过去称为成渣带，现在叫做软熔带。

硫负荷：高炉冶炼每吨生铁由炉料带入的的硫的千克数。

碱负荷：入炉料中碱金属氧化物(K2O+Na2O)的总量，kg/t铁。

9、影响燃烧带大小的因素①鼓风动能E ：E ↑ → 燃烧带扩大；②燃烧反应速度υ：υ↑→燃烧带↓，T↑→υ↑；O2 (富氧)↑→υ↑；煤粉细磨和预热、重油雾化↑→ υ↑。热风组成为：O2 + N2 + H2O；炉缸煤气组成：CO +H2+N2。

10、t理→ 燃烧焦点的温度，俗称风口火焰温度。

热收入：碳素燃烧生成CO时产生的热量Q1 ；焦炭进入风口区带入的物理热量Q2 ；鼓风带入的物理热量Q3 。热支出：鼓风与喷吹燃料中水分的分解热Q4 ；喷吹燃料的分解热Q5 ；煤气带走热：t理V缸C煤气。

煤气上升过程中量及成分的变化

①炉缸煤气量>> 鼓风量，两者的差异程度受风中含氧和湿度的影响

②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。