钢铁冶金学 炼铁部分习题

11、常用的高炉喷吹燃料有哪些？对高炉喷吹用煤粉有哪些要求？
煤粉(无烟煤、烟煤、褐煤)、天然气、重油
高炉喷吹用煤粉的质量要求：
①固定C高，灰分低；②含S低；③粒度细（－200网目占80%以上）；
④煤粉可磨性好，爆炸性弱；⑤燃烧性好，反应性强。
12、高炉炼铁为什么要加入熔剂？常用的熔剂有哪些？对其有什么要求？
(2)钢：有较好的综合机械性能，如机械强度高、韧性好、可加工成钢材和制品；能铸造、锻造和焊接；还可加工成不同性能的特殊钢种。
3、钢铁冶炼的任务及基本冶炼工艺是什么？
把铁矿石冶炼成合格的钢：
铁矿石：铁氧化物，脉石杂质。
炼铁：去除铁矿石中的氧及大部分杂质，形成铁水和炉渣并使其分离。
炼钢：把铁水进一步去除杂质，进行氧化精炼。
降低高炉焦比:①炉况顺行，煤气利用率提高；②炉尘吹出量大幅减少；③产量提高单位生铁热损失减少；④有利于间接还原发展；⑤生铁含Si可控制在下限水平
促进顺行
改善铁水质量:①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；②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
加入碱性熔剂目的：
①降低矿石中脉石和焦炭灰分的熔点，与熔剂CaO生成低熔点的炉渣。
②高炉中加入熔剂后，炉渣熔点降低，其粘度也下降，因而渣的流动性好，渣铁易分离。
③有利于脱硫，改善铁水质量
[FeS] + (CaO) + [C] ====== (CaS) + [Fe] + CO↑
因矿石脉石、焦炭灰分为酸性，故高炉所用熔剂多属碱性。
采矿——选矿——高炉炼铁——转炉炼钢——炉外精炼——连续铸钢——轧钢——成品钢材
6、我国铁矿石资源有什么特点？高炉炼铁常用铁矿石有哪几种？各有什么特点？
我国铁矿石资源特点：分布“广”、品位“贫”、成分“杂”。
分布广；贫矿多；多元素共生的复合矿多，难选难采的矿石多。
天 富矿石：可直接冶炼的矿石，含铁量为其理论含铁量70%以上的矿石。如：含铁50%的(天然富)块矿。
5、什么是直接还原和间接还原？比较它们的特点。
间接还原——用CO和H2还原铁氧化物：
定义：还原剂为气态的CO和H2，产物为CO2和H2O的还原反应，称为间接还原
直接还原——用固体碳C还原铁氧化物：
定义：还原剂为固态C、产物为CO的还原反应，称为直接还原。
比较：
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)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)
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
对碱性熔剂的要求：
①有效成分含量高。碱性氧化物含量高，酸性氧化物含量低。
②S、P含量低。
③粒度均匀，强度好，粉末少。
13、试述烧结矿的生产工艺流程。
工艺流程：
原料准备→配料→混合→铺底料→布料→点火→烧结
→冷却→破碎→筛分→成品烧结矿→高炉。
(3)电冶金：利用电能提取金属的冶金过程，包括电热冶金和电化学冶金。
电热冶金：利用电能转变为热能进行金属冶炼，实质上属火法冶金。
电化学冶金：利用电化学反应使金属从含金属盐类的溶液或熔体中析出。如：
①水溶液电解：如Cu、Pb、Zn等。可列入湿法冶金。
②熔盐电解：如Al、Mg、Ca、Na等。可列入火法冶金。
然 贫矿石：品位太低，需经选矿加工富集的矿石。
矿 富矿粉：富铁矿在破碎过程中得到的粉矿，粒度＜10mm。
石 精矿(粉)：贫铁矿经选矿加工处理后获得的高品位矿石，通常为粉矿，粒度-200目左右。
人烧结矿：铁矿粉(精矿粉、富矿粉、含铁粉尘和烟尘)加入适量的燃料和熔剂烧结成块矿。
造优点：可利用粉矿，扩大矿源，冶金性能好。
④提高铁水中[S]的活度系数f[S]：铁水[C]、[Si]、[P]↑-> f[S]↑-> LS↑
总反应:[FeS]+(CaO)+C==(CaS)+Fe+CO -149.0 kJ/mol (4660kJ/kgS)
原因：铁水中C.P.Mn含量高,使渣中CaO活度高,提高硫在渣铁间分配系数
1.何谓高炉四大操作制度，何谓“上部调剂”和“下部调剂”？
o还原反应：MeO +X == Me + XO
o固液转变
o脱硫反应：[FeS]+(CaO)+C == (CaS)+Fe+CO
o渗碳反应和渣铁形成：2CO == CO2+C;3Fe固+ 2CO == Fe3C + CO2
3、风口前燃料燃烧有何重要意义？高炉内燃烧反应有什么特点？何谓回旋区或燃烧带？
风口燃烧带的作用：①提供热源；②提供还原剂CO；③提供炉料下降的空间。
4、铁氧化物还原的特点是什么？还原反应的条件是什么？
特点：①分解压：Fe2O3＞Fe3O4＞FeO
②逐级还原：t＞570℃，Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe
t＜570℃，Fe2O3→Fe3O4→Fe
(因为，570℃时，4FeO == Fe + Fe3O4)
③还原剂：气体还原剂：CO、H2；固体还原剂：C
富球团矿：把润湿的精矿粉和少量添加剂混合，在造球机中滚成8～15mm的圆球，再经过干燥和焙烧，矿使生球固结，成为适合高炉使用的含铁原料。
7、铁矿石入炉前需进行哪些准备处理工作？
8、高炉炼铁对铁矿石的质量要求是什么？
成分稳定，含铁高，脉石少，含P、S等有害杂质低，粒度均匀，还原性好。
9、粉矿造块的意义及其方法有哪些？
8、分析高炉炉渣脱硫因素，写出炉渣脱硫反应式。高炉脱硫能力高于炼钢过程的原因是什么？
影响炉渣脱硫能力的因素：
①温度：T↑，炉渣脱硫能力↑。因吸热反应，Kp↑，有利于Ls↑；
T↑，η↓，有利于扩散。
②炉渣碱度：R↑，即增加炉渣内碱性氧化物含量，有利于脱硫。
③气氛影响(还原)：还原性气氛，渣中(FeO) ↓-> LS↑
2、从高炉解剖分析高炉冶炼过程大致可分为几个区域？冶炼过程的主要物理化学变化有哪些？写出反应式。
高炉内炉料的形态：
块状带、软熔带、滴落带、风口带、炉缸带
高炉内的变化和化学反应：
o风口前燃料的燃烧：2C + O2== 2CO
o逆向运动热交换
o水分蒸发、碳酸盐分解：H2O +C == CO + H2；XCO3== XO + C02
装料制度、送风制度、造渣制度、热制度。
上部调节是通过改变装料制度来调节炉况。即通过对炉料在高炉上部的分布状况的调节来保证顺行、煤气利用等炉况的正常。
下部调节是通过改变送风制度来调节炉况。即通过对各送分参数和喷吹参数的变动来控制风口燃烧带状况和煤气流的初始分布，从而来调控炉况。
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效果如何？并说明原因。
3.骨架和通道→矿石高温熔化后，焦炭是唯一以固态存在的物料。
·有支撑数十米料柱的骨架作用
·有保障煤气自下而上畅流的通道作用
作用③是任何固体燃料所无法替代的。
对焦炭的质量要求：
①强度高；②固定C高；③灰分低；④S含量低；⑤挥发分合适；
⑥反应性弱(C＋CO2→2CO)；⑦粒度合适(为矿石平均粒度的3～5倍为宜，d小/d大≈0.7)。
人造富矿：粉矿经造块后获得的烧结矿和球团矿(冶金性能高于天然富矿)。
配加熔剂，去除有害杂质。
熟料：粉矿经造块后获得的烧结矿、球团矿，统称人造富矿或熟料。
10、焦炭在高炉炼铁中起何作用？高炉对其质量有何要求？
焦炭的三大主要作用：
1.发热剂：热源→在风口前燃烧，提供冶炼所需热量；
2.还原剂→本身及其氧化产物CO均为铁氧化物的还原剂；
[Si]、[P]碳化物不稳定，易与Fe形成稳定化合物(合金)，使Fe3C分解析出石墨碳。
7、高炉造渣的作用是什么？造渣过程分几个阶段？各有什么特点？
炉渣作用：
①实现铁水与脉石分离；
②完成渣铁间的脱硫；
③调整铁水成分：炼制钢铁，造碱性渣；炼铸造铁，造酸性渣。
④促进高炉顺行： 保持下部透气性良好！
⑤保护炉衬： “渣皮”保护，TiO2护炉，洗炉等
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。
效果：
提高高炉产量:在风量不增加时，①ΔP减小，高炉顺行容易，可接纳更多风量。②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
1、冶金的方法及其特点是什么？
提取冶金工艺方法：火法冶金、湿法冶金、电冶金、卤化冶金、羰基冶金等。
(1)火法冶金：在高温下利用各种冶金炉从矿石或其它原料中进行金属提取的冶金工艺过程。操作单元包括：干燥、煅烧、焙烧(烧结)、熔炼、精炼。
(2)湿法冶金：在水溶液中对矿石和精矿中的金属进行提取和回收的冶金过程。操作单元包括：浸取(出)、富
钢铁冶金：火法、电热冶金
有色冶金：火法、湿法、电化学冶金。通常为“火法＋湿法”联合。集(净化和浓缩)、提取(金属或金属化合物)等
2、钢与生铁有何区别？
都是以铁为基底元素，并含少量C、Si、Mn、P、S——铁碳合金。
(1)生铁：硬而脆，不能锻造。
用途：①炼钢生铁；
②铸造生铁，占10%。用于铸造零、部件，如电机外壳、机架等。
新流程：熔融还原法：熔融还原炉+转炉(将铁矿石一步炼成钢)。
优点：工艺简单，投资少、成本低，资源要求不高，环境友善。
缺点：能耗高，技术尚存在大量问题，仅Corex投入工业应用。
5、一个现代化的钢铁联合企业有哪些主要工序和辅助工序？用框图画出钢铁联合企业的生产工艺流程。
目前，钢铁联合企业的主要生产流程还是传统流程：
特点：
·焦炭75%以上C到达风口前燃烧，其它参与还原、气化、渗C。风口喷吹补充燃料(煤粉、重油和天然气等)要先热解后再燃烧。
·风口区为高温、过剩C，故离开风口燃烧带的碳氧化物全为CO！
燃烧带煤气主要产物是CO、少量的H2以及风中的大量N2。
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。
铁矿石→去脉石、杂质和氧→铁铁→精炼（脱C、Si、P等）→钢
4、试述3种钢铁生产工艺及其特点。
传统流程：间接炼钢法：高炉炼铁+转炉炼钢。
优点：工艺成熟，生产率高，成本低
缺点：流程工序多，反复氧化还原，环保差
短流程：直接炼钢法：直接还原炉+电炉ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ将铁矿石一步炼成钢。
优点：避免反复氧化还原
缺点：铁回收率低，要求高品位矿，能耗高，技术尚存在一定问题。
造渣阶段及特点：
(1)固相反应和矿石软化
(2)初渣的形成：炉身下部或炉腰处刚开始出现的液相炉渣。熔融状态，流动性差，FeO 10%～30%。
(3)中间渣：处于滴落下降过程中的成分、温度都不断变化的炉渣。FeO、MnO不断减少，CaO、SiO2、MgO、Al2O3不断增加。熔点升高，流动性变好。
(4)终渣：达到炉缸并从渣、铁口定期排出的炉渣。FeO最低～0.5%。
6、什么是渗碳？生铁是如何形成的？如何控制铁水中的含C量？
渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。
铁水形成实质：渗碳和其它元素进入铁水的过程。
C含量不能控制，主要受温度和合金元素的影响。
(1) [Mn]、[Cr]、[V]、[Ti]促进铁水渗碳：
与碳形成稳定碳化物，并溶解于铁水中，使含碳量增加。
(2) [Si]、[P]、[S]阻碍铁水渗碳：
14、试述球团矿的生产工艺流程。
1、高炉冶炼有什么特点？用框图表示现代高炉炼铁车间生产工艺流程。
特点
①逆流：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“黑箱”：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；
③顺行：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。
造块原因：
①富矿越来越少，不得不大量利用贫矿。
②富矿开采过程产生大量粉矿，粉矿不能直接入高炉冶炼。
③改善和控制含铁原料的冶金性能。
如：烧结矿优点：透气性好，还原性好，去除部分有害元素。
④通过造块过程，可脱除某些杂质，如：S、P、K、Na等；
⑤充分利用工业废物，如：高炉炉尘、轧钢铁皮、均热炉炉渣等。
方法：烧结法和球团法。
3.提高风温后对高炉冶炼的作用是什么？并说明原因。
①风温物理热补偿，焦比下降；
②焦比降低，煤气量减少，炉顶煤气t顶降低，煤气带走热量减少；
③高温区下移，间接还原区扩大，煤气CO利用率提高；
④因产量增加，单位铁水热损失相应减少；
⑤风温高可补偿喷吹热量，增大喷吹量，节省焦比。