鋼鐵冶金原理(煉鐵部分)期末考試總結

名詞解釋脈石：鐵礦石中除有含Fe的有用礦物外，還含有其它化合物，統(tǒng)稱為脈石。焦比：冶煉每噸生鐵消耗干焦或綜合焦炭的千克數。熔劑：由于高爐造渣的需要，入爐料中常配有一定數量助熔劑，簡稱熔劑。有效容積利用系數：在規(guī)定的工作時間內，每立方米有效容積平均每晝夜生產的合格鐵水的噸數。等于[t/（m3*d）]=合格生鐵折合產量/有效容積×規(guī)定工作日休風率：高爐休風時間（不包括計劃中的大中及小修）占規(guī)定工作時間的百分數。冶煉強度：冶煉過程強化的程度，干焦耗用量/有效容積×實際工作日直接還原：鐵礦石還原劑為固態(tài)炭，產物為CO的反應。耦合反應：某個渣中的離子得到或失去電子成為鐵液中不帶電的中性原子與另一個鐵中原子失去或得到電子而成為渣中離子的氧化還原反應成為耦合反應。熔化溫度：理論上就是相圖上液相線溫度，或爐渣在受熱升溫過程中固相完全消失的最低溫度。熔化性溫度：爐渣可自由流動的最低溫度粘度曲線與45切線的切點溫度。長渣和短渣：溫度降到一定值后，粘度急劇上的稱為短渣；隨溫度下降粘度上升緩慢稱為長渣。液泛現象：反應生成的氣體穿過渣層，生成氣泡，氣泡穩(wěn)定存在于渣層內，爐渣在焦塊空隙之間產生類似沸騰現象的上下浮動。熱交換的空區(qū)或熱儲備區(qū)：爐身中下部區(qū)間內，煤氣與爐料的溫差很小，大約只有50℃左右，是熱交換及其緩慢的區(qū)域，成為熱交換的空區(qū)或熱儲備區(qū)。水當量：表示單位時間內爐料和爐氣流溫度變化1℃是所吸收或放出的熱量。上部調節(jié)：利用裝料制度的變化一調節(jié)爐況稱為上部調節(jié)。下部調節(jié)：調節(jié)風速，鼓風動能及噴吹量等送風制度方面參數一調節(jié)爐況稱為下部調節(jié)。簡答題1、高爐冶煉的過程主要目的是什么？答：用鐵礦石經濟而高效率的得到溫度和成分合乎要求的業(yè)態(tài)生鐵。高爐冶煉過程的特點是什么？答：在爐料與煤氣逆流運動的過程中完成了多種錯綜復雜的交織在一起的化學反應和物理變化，且由于高爐是密封的容器，除去投入及產出外，操作人員無法直接觀察到反應過程的狀況，只能憑借儀器儀表間接觀察。焦炭在高爐中的作用是什么？答：EQ\o\ac(○,1)提供冶煉所需熱量;EQ\o\ac(○,2)作為氧化物還原所需的還原劑;EQ\o\ac(○,3)作為骨架，保證高爐內透氣性;EQ\o\ac(○,4)鐵水滲碳。高爐冶煉對焦炭質量的要求是什么？答：EQ\o\ac(○,1)要有足夠的強度EQ\o\ac(○,2)固定C量高而灰分低EQ\o\ac(○,3)焦炭帶入硫量低EQ\o\ac(○,4)揮發(fā)分的的質量分數為0.8%-1.2%EQ\o\ac(○,5)成分性能以及粒度的穩(wěn)定性。鐵礦粉造塊的目的是什么？答：(1)將粉狀料制成具有高溫強度的塊狀料以適應高爐冶煉、直接還原等在流體力學方面的要求;(2)通過造塊改善鐵礦石的冶金性能，使高爐冶煉指標得到改善;(3)通過造塊去除某些有害雜質，回收有益元素達到綜合利用資源和擴大煉鐵礦石原料資源。簡答現在燒結生產的工藝流程。答：現代燒結生產時一種抽風燒結過程，即將鐵礦粉、熔劑、燃料、代用品及返礦按一定比例組成混合料，配以適量水分，經混合及造球后，鋪于帶式燒結機的臺車上，在一定負壓下點火，整個燒結過程是在9.8~15.7KPa負壓抽風下，自上而下進行的。燒結料過濕的危害？生產過程中避免過濕的措施？答：過濕會使料層透氣性變壞，甚至可能使下層料變成稀泥狀而惡化燒結條件措施：EQ\o\ac(○,1)適當控制混合料初始水分，加水造球以提高料層透氣性為的是保證獲得最高的生產率；EQ\o\ac(○,2)提高混合料的溫度。燒結赤鐵礦非溶劑性燒結礦或磁鐵礦溶劑性燒結礦時，應怎么樣配碳，為什么？答：燒結赤鐵礦非溶劑性燒結礦時，需要配較高的碳量，使Fe2O3還原或分解為Fe3O4后才能產生低熔點的鐵橄欖石（2FeO.SiO2)。磁鐵礦溶劑性燒結礦時，需要配低碳以保持較強的氧化性氣氛，使Fe3O4氧化到Fe2O3，在固相中才能形成鐵酸鈣。在燒結礦物料時主要礦物都是高熔點的，為什么在燒結溫度下可以生成液相？答：當物料加熱到一定溫度時，各組分之間有了固相反應，生成新的化合物，各新生化合物之間，原燒結料各組分之間，以及新生化合物與原組分之間存在低共熔點，使得它們在較底溫度下生成液相，開始熔融。為全面衡量造塊產品的性能和質量，應從哪幾個方面進行檢查？答：從化學成分，冷態(tài)物理機械性能，熱態(tài)及還原條件下的物理機械性能，冶金性能和礦相鑒定等方面加以檢查。在氧化鐵逐漸還原的過程中，哪一個階段最關鍵，為什么？答：隨還原反應的推進，含氧高的高級氧化物轉化為含氧量少的低級氧化物，還原反應越發(fā)困難表現為平衡氣相成分中要求φ（co）的值越來越高。又由于FeO相對含O2量為70%，故FeO→Fe這一步驟是決定高爐生產率及耗碳量的關鍵。根據Si在高爐中的行為，冶煉低Si生鐵的必要條件是什么？答：(1)控制Si源，這要從精料上下功夫，努力降低焦炭灰分和含Fe料中的SiO2量;(2)選擇合適的爐渣堿度以降低渣中SiO2的活度，一般三元堿度應達到1.45—1.55，二元堿度高時取低值，低時則取高值;(3)選用有利于高溫區(qū)下移的技術措施和操作制度，使爐缸有穩(wěn)定的充足熱量?，使鐵水的物理熱維持在較高水平;(4)精心操作，包括原燃料成分穩(wěn)定，稱量準確等。對爐渣性能的要求是什么？答：（1）有良好的流動性；（2）有參與所希望的化學反應的充分能力；（3）能滿足允許煤氣順利通過及渣鐵，渣氣良好分離的力學條件；（4）穩(wěn)定性好，不因冶煉條件的改變爐渣性能急劇惡化。形成泡沫渣的充分必要條件是什么？為什么？答：爐渣的σ/η值的降低時形成穩(wěn)定的泡沫渣的充分必要條件。因為爐渣的表面張力(σ)小意味著生成渣中氣泡耗能少，，即比較容易，而渣的粘度η大，一方面氣泡薄膜比較強韌，另一方面氣泡在渣層內上浮困難，生成的小氣泡不易聚合或逸出渣層之外。焦炭在風口前的燃燒有哪兩種裝態(tài)？答：一是類似于爐箅上炭的燃燒，炭塊是相對靜止的，另一種是在劇烈的旋轉運動中與氧反應而氣化。采取哪些措施可以使燃燒帶縮?。看穑禾岣邭庀嘀械难鯘舛?，提高溫度及其他加快擴散的措施都將使燃燒帶縮小。簡單比較高爐內煤氣在上升過程中量與成分的變化？答：爐缸燃燒帶形成的煤氣量大于鼓風量，成分有CO、H2、N2；爐頂煤氣量又比爐缸燃燒帶形成的煤氣量大，由于CO和溶劑分解出來的CO2以及碳素溶損反應使1molCO2或H2O反應生成2mol的CO或者CO+H2；煤氣成分有CO、H2、N2、H2O、CO2。公式qh=d(?m-г)/4f'ξ'中，qh、?m、?分別表示什么，什么情況下會發(fā)生懸料？答：qh表示爐料的有效質量，?m表示散料的堆積密度，г表示沒氣了的壓降梯度。當?爐料的有效質量等于散料的堆積密度時，qh=0，此時發(fā)生懸料。就高爐內料柱總體來說，爐料下降的條件是什么？答：一是爐料的重力必須超過其運動中所遇到的阻力；二是爐料下部可連續(xù)提供空間。水當量的概念？爐料與爐氣的水當量與爐高及溫度變化的對應關系是什么？答：水當量表明單位時間內爐料和爐氣流溫度變化1℃時所吸收或放出的熱量。爐氣水當量基本為一常數，而爐料水當量在高溫區(qū)有一突變并呈現一峰值。在低溫區(qū)Ws<Wg,在高溫區(qū)Ws>Wg,在中間的某個階段Ws=Wg?？傮w上何種傳熱方式是高爐內的主導傳熱方式？據此如何改善傳熱過程？又應考慮其他什么問題？答：對流傳熱是主要傳熱方式。改善辦法有：增大煤氣流速，使用粘度小的煤氣，減小原料粒度等。還應考慮煤氣的壓降值，不得過大，以免影響順行。下面幾個符號各代表什么？它們之間的關系是怎樣的？ηv、I、K.答：ηv=I/K，ηv表示有效容積利用系數，I表示冶煉強度，K表示焦比。高爐冶煉生產的目標是什么？答：在較長一代爐齡內生產出盡可能多的生鐵，而且消耗要低，生鐵質量要好，經濟效益要高，概括起來就是“優(yōu)質、低耗、高產、長壽、高效益”采用高風溫操作，爐內料柱阻損是增加還是降低？什么原因？答：爐內料柱阻損增加，因為風溫提高后，爐內煤氣壓升高，特別是爐子下部的壓差會急劇上升，這將使爐內（尤其是爐腹部位）爐料下降的條件明顯變壞。是高爐冶煉接受更高風溫的條件有哪些？答：（1）提高礦石和焦炭的強度，特別是高溫強度（2）提高爐頂煤氣壓力（3）噴吹燃料和在這之前鼓風加濕。富氧和高風溫都能提高理論燃燒溫度，降低爐頂溫度，能否得出富氧可以代替加熱鼓風的結論，為什么？答：不能，因為加熱鼓風是給高爐冶煉帶入了高溫熱量，而富氧不但沒有帶入熱量，而且還因富氧后風量減小，高爐冶煉的熱收入反而減少了。論述題 1、結合鐵礦石在不同區(qū)域內的性狀變化(固態(tài)，軟熔或成渣)，闡述鐵氧化物還原的全過程及不同形態(tài)下還原的主要特征。P5答：鐵氧化物還原全過程：1）固體爐料區(qū)，反應：高價氧化物的還原和浮氏體的直接還原；主要特征：焦與礦呈交替分布，皆呈固體狀態(tài)，以氣固相反應為主。2）軟熔區(qū)，反應：焦炭發(fā)生溶損反應（C+CO2=2CO），在固體爐料區(qū)未充分還原的礦石發(fā)生軟化和熔融，主要進行直接還原反應及造渣；主要特征：為固-液-氣間的多相反應，軟熔的礦石層對煤氣阻力很大，決定煤氣流動及分布的是焦窗總面積及其分布。3）疏松焦炭區(qū)，反應：含FeO很高的初渣沿焦炭的空隙向下流動，FeO與焦炭之間發(fā)生直接還原反應，反應式(FeO)渣+C=Fe+CO,特征：由于鐵液渣與焦炭表面接觸良好，擴散阻力小，加之溫度高，反應常數很大，反應速率很高。致使終渣中FeO含量小于0.5%，Fe的總回收率大于99.7%。2、可以采取哪些強化燒結過程的技術措施?P53答：（1）混合料預熱；（2）加生石灰或消石灰；（3）熱風燒結；（4）分層布料和雙層燒結；5）偏析布料。3、為全面衡量造塊產品的性能和質量，應從哪幾個方面進行檢查?P69答：為全面地衡量造塊產品的性能和質量，應從化學成分、冷態(tài)物理機械性能、熱態(tài)及還原條件下的物理機械性能、冶金性能和礦相鑒定等方面加以檢查。4、寫出析碳反應的表達式，分析其發(fā)生的熱力學和動力學條件，說明其對高爐冶煉的影響。P78答：析碳反應表達式2CO=C+CO2它是碳素溶解損失的逆反應。從熱力學角度分析，煤氣中CO在上升過程中，當溫度降到400-600`C時此反應即可發(fā)生;而從動力學條件分析，由于溫度低，反應速度可能過于緩慢。但在高爐中由于存在催化劑——低溫下還原生成新相、金屬鐵、以及催化能力稍差的FeO以及在(CO+H2)混合氣中占20%左右的H2等，故高爐內仍有一定數量的析碳反應發(fā)生。此反應對高爐冶煉過程有不利影響:滲入爐身磚襯中的CO若析出碳素則可能因產生膨脹而破壞爐襯，滲入爐料中的CO發(fā)生反應則可能使爐料破碎、產生粉末阻礙煤氣流等。通常，由于其量較少，對冶煉進程影響不大。5、由Ellingham圖判斷高于950K時FeO不可能被氣體還原劑還原,這與實際不符，請解釋原因。P81答：這主要是因為，此圖的縱坐標為“標準生成自由能”△GΘ，即參加反應的氣體皆規(guī)定為101.3kPa(標準狀態(tài))，或者說反應處于φ（CO2）∕φ（CO）=1φ（H2O）∕φ（H2）=1的氣氛之下進行。而實際高爐氣氛的氧化度低于此值，且在爐內位置越低φ（CO2）∕φ（CO）或φ（H2O）∕φ（H2）比值越小。在高于1000‘C左右的高溫區(qū)內由于CO2、H2O不能穩(wěn)定存在，（CO2）∕φ（CO）或φ（H2O）∕φ（H2）的值為0。在高爐中上部此比值約為1∕10～1∕5。在這種非標準的狀態(tài)下氧化物的生成自由能△G與標準值△GΘ的關系應為△G=△GΘ+RTln（pCO2∕pCO）或△G=△GΘ+RTln（pH2O∕pH2），由于pCO2∕pCO（pH2O∕pH2）＜1，故式中右端第二項為負值，即△G＜△GΘ。據此對圖進行校正，則H2→H2O及CO→CO2兩條生成自由能的線應以曲線與縱軸交點為軸順時針旋轉。而由Fe生成FeO的線由于生產中二者也接近于純態(tài)固相，無需對生成自由能線進行校正。則FeO生成自由能值高于CO2和H2O，即說明了可被CO或H2所還原。6.何謂“間接”與“直接”還原？各在平衡狀態(tài)，還原劑消耗量和反應的熱效應等方面有何特點?P85答：若還原劑為氣態(tài)的CO或H2，產物為CO2或H2O，稱為間接還原；若還原劑為固態(tài)的C，產物為CO則稱為直接還原。間接還原直接還原還原劑氣體固體平衡狀態(tài)可逆不可逆熱效應放熱強吸熱耗碳量0.71350.4917.試比較兩種氣態(tài)還原劑CO和H2的特點。P85答：水煤氣置換反應：CO+H2O=CO2+H2△HΘ298=-41325J∕mol若反應平衡，Kp=1,lgKp=0,則Te=1083K=810‘C。說明810‘C，CO和H2的奪氧達到平衡。1）高于810‘C，H2的還原性比CO強；低于810‘C時則相反。2）由于水煤氣反應的存在，使H2有促進還原的作用，相當于CO還原反應的催化劑。3）H2也可直接參與還原反應，且由于H2的分子半徑小，滲透能力強，擴散速度快，比反應速度值大，故在高爐中H2的利用率總是高于CO。4）H2是清潔還原劑，用H2作還原劑可實現綠色生產。8、根據公式m[Mn]/m[MnO]╳Pco=1.07╳10-2KMn╳γ（MnO）分析提高Mn的回收率可采取的辦法。P99答：提高Mn的回收率即提高Mn的分配比m[Mn]/m[MnO]的方法如下：(1)提高爐溫，使平衡常數值KMn增大，同時提高反應速率，使實際的分配比盡量接近平衡值；(2)提高爐渣堿度，因為(Mn0)為堿性組分，渣中堿性物增多可提高Mn0在渣中的活度系數γ（MnO）；(3)提高生鐵平[Si]量，可促使渣鐵接觸時由于[Si]氧化為(Si02)發(fā)生相應的耦合反應（MnO）還原為[Mn]。9、根據Si在高爐內的行為，冶煉低硅生鐵的必要條件是什么？P99(1)控制Si源，這要從精料上下功夫，努力降低焦炭灰分和含Fe料中的SiO2量;(2)選擇合適的爐渣堿度以降低渣中SiO2的活度，一般三元堿度應達到1.45—1.55，二元堿度高時取低值，低時則取高值;(3)選用有利于高溫區(qū)下移的技術措施和操作制度，使爐缸有穩(wěn)定的充足熱量·，使鐵水的物理熱維持在較高水平;(4)精心操作，包括原燃料成分穩(wěn)定，稱量準確等。10、從公式ω[S]=0.1(S料-S氣)/(1+0.001Ls*Q渣)分析欲得到低ω[S]應采取的措施有哪些？并分析各種措施的有效性。P121答：（1）降低硫負荷；（2）增大硫的揮發(fā)量；（3）加大渣量；（4）增大硫的分配系數Ls。a.降低硫負荷是得到低硫生鐵最有效的手段，硫負荷的主要來源是焦炭，因為洗煤及煉焦過程無明顯去硫效果，故原煤含硫量基本上仍保留在焦炭中。b.氣化硫量決定于很多因素，如硫存在的原始形態(tài)、爐內的溫度分布、爐料及爐渣的堿度、渣量等。使用低渣量酸性渣、提高爐溫以及加大硫揮發(fā)反應的區(qū)域以及增大煤氣量等皆可增大氣化硫量。但上述措施有些是不現實的，有些是得不償失的，還有些是有不利作用的。故氣化硫量可挖掘的潛力是極其有限的。c.增大噸鐵渣量與上述增大氣化硫量的要求相矛盾，此外，大渣量意味著多消耗溶劑，多消耗熱量，降低生產率，而且隨焦比升高入爐硫量反而增大。d.在高爐操作中，實際而有效地降低生鐵硫含量的措施是提高硫在渣鐵間的分配系數Ls，以充分發(fā)揮爐渣吸收硫的能力。11、硫在渣鐵間的分配系數與煉鋼過程比較，高爐冶煉的條件對爐渣去硫反應的利弊如何？P123答：煉鋼與煉鐵過程相比，鋼渣的溫度及堿度比鐵渣高，應對爐渣脫硫有利，但鋼水中[C],[Si],[Mn]等含量很低，一方面使與之平衡的鋼渣中（FeO）含量較高；另一方面降低了硫在鋼液中的活度系數γ’S，使得鋼渣與鋼水間的Ls值比煉鐵過程中的Ls值低很多，故高爐冶煉對除硫最有利。12、根據公式Ls=f（Ks*γ[s]*渣氧勢*以堿度為代表的渣的成分），分析提高Ls的途徑，并與煉鋼過程比較，高爐冶煉的條件對爐渣去硫反應的利弊如何？P123答：提高Ls的途徑：（1）提高溫度；（2）提高堿度，以增大γ(CaO)及ω(CaO)值；（3）渣氧勢低，表現為ω(FeO)低；（4）提高鐵液中硫的活度系數γ’S。利弊同上：煉鋼與煉鐵過程相比，鋼渣的溫度及堿度比鐵渣高，應對爐渣脫硫有利，但鋼水中[C],[Si],[Mn]等含量很低，一方面使與之平衡的鋼渣中（FeO）含量較高；另一方面降低了硫在鋼液中的活度系數γ’S，使得鋼渣與鋼水間的Ls值比煉鐵過程中的Ls值低很多，故高爐冶煉對除硫最有利。13、簡單說明高爐內煤氣在上升過程中量與成分的變化。P137答：爐缸燃燒帶形成的煤氣量大于鼓風量。這是由于風中1mol的氧燃燒碳后形成2mol的CO，以及風中1mol的水蒸氣與碳反應形成2mol的（CO+H2）造成的。煤氣量比鼓風量大的程度與風中含氧和濕度有關。一般無富氧條件下V煤氣=（1.25～1.35）V風。爐頂煤氣量比爐缸燃燒帶形成的煤氣量又大，是因為直接還原產生的CO和溶劑分解出的CO2以及碳素融損反應使1mol的CO2或H2O反應成2mol的CO或CO+H2。因此爐頂煤氣量與鼓風量的比值進一步增大，一般情況下這一比值為1.4～1.45。14、高爐發(fā)生懸料的機理？（P147P150）答：爐料下降的條件：（1）其自身重力（G料）必須超過其運動中所遇到的阻力，有效質量qh==0時，發(fā)生懸料。（2）爐料下部可連續(xù)提供空間。當高爐某一局部爐料正常下降的條件遭到破壞時，會出現管道、難行、甚至停止下行——懸料等現象。a.塊狀帶的懸料。如果料層中某一局部由于升華物冷凝，碳素沉積反應或由于堿金屬蒸汽的強烈作用而強度下降，產生了大量的粉末，造成局部料層空隙度小，阻力因子增大。當△P/H增大到（△P/H）＞γm，有效質量qh==0時，爐料停止下降，即發(fā)生懸料。b.下部懸料：高爐軟熔帶以下出現了液相，這時產生懸料原因有兩方面。一是由于熱制度的波動引起軟熔帶位置的變化，已經軟化的礦料再次凝固，時散料層空隙度急劇下降，從而使△P/H上升而懸料；另一方面是液泛現象，液態(tài)渣鐵或由于數量過多，或由于粘度過大，被氣流滯留在焦炭層中，極大地增加了氣流的阻力。也可能有部分渣