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。
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ΔP 的因素及改善炉内透气性的主要途
径。 答：欧根公式：+??-???=?322)()1(150εφεωμe d L P 空()()32
g 175.1εφεωρ??-???e d 空 式中：ΔP/L —— 散料层的压力降梯度(N/m 2/m)；
μ —— 气体粘度(Pa·s)；
ω空——气体的空炉流速(m/s)；
d e ——颗粒的当量直径(m)；
ρ ——气体密度(kg/m 3)；
ε ——散料层的空隙率(—)；
φ ——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10～20m/s ，相应的Re≈1000～3000，高炉处于紊流状
态，故公式第一项可舍去，简化为：ΔP/L=)(]d 1[75.123空ωρε
φε????-?g e 。 影响因素：
①炉料方面A.形状系数Φ：一般无法调节。
B.粒度的影响：从ΔP↓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ε。
C.ε影响最大：要求入炉炉料粒度均匀，无粉末。增大ε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。
②煤气方面：A. 煤气密度ρg 一般情况下是无法调节的。
D. 煤气流速ω是决定性的影响因素：a. 提高风口前气体温度T→气体膨胀
→ω空↑→ΔP↑;b.炉顶压力↑压缩炉内煤气体积→ω空↓?ΔP↓。
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：)1(3
2ε
ε-=?K P Q 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:)1(''4)H -(''4D H n e n D P r w μμ--???=
料有效 式中：μ′ —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；ΔP/H —煤气的压降梯度。
分析影响炉料下降的因素：① 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)。
② 炉墙结厚或结瘤时，μ′↑→不利于炉料下降。
③ 负荷加重时(焦炭↓ 矿石↑)，r 料↑→ w′有效↑。
④ ΔP ↓ 时， 煤气流对料柱的浮力↓ → w′有效↑。
⑤ 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!
⑥ 虽有H P r ??料，但若'r d )(料>?h
P d →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料小于r H
P ?时，也会出现局部的压力梯度h P d )(d ?＞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ε↓，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：①高度弥散在渣铁间的气泡，使煤气流阻力大大升高；②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；③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：21)(l
g G L K ρρ=，液泛因子：2.032ηρρεω???=l g S F g f 。 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/m 2?h)； ω—— 煤气空炉速度(m/s)；
G —— 气体的质量流量(kg/m 2?h)； Fs —— 焦炭比表面积(m 2/m 3)；
ρg —— 气体的密度(kg/m 2)； g —— 重力加速度(m/s 2)；
ρl —— 液体的密度(kg/m 2)； ε—— 焦炭层孔隙度(—)；
η—— 液态物质粘度(Pa·s)。
防止高炉发生―液泛现象‖的对策:①提高焦炭粒度→Fs↓→f↓(液泛因子)；②改
善焦炭强度→避免冶炼过程的细粒化→f↓，③降低炉渣粘度→ η↓→f↓；④减少渣
量L↓→K(流体流量比)↓；⑤减小气流速度υ↓→f↓(高压操作)；⑥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↑→ω↑→f↑)；⑦ 提高
炉渣表面张力(表面张力小，易起泡→渣体积↑→ω↑→ 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F<0，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:①矿石软熔性能(位置、厚度);②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(0.38 0.1)，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(5～50℃)，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(800～1000℃)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Ws
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！。ω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ω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：① 上部热交换区：ω气＞ω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。
）（料顶料空气
料气空气顶t t t --t ωω=，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
↑气料ωω(即使ω气↓)均可使炉顶煤气温度↓。措施有：提高风温，减少焦比→煤气量↓→ω气↓；富氧→煤气量↓ →ω气↓。
②空区：ω气＝ω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。
③ 下部热交换区：‘气料ωω?'，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‘缸‘气
ωω。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ω′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ε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=d 66/32==d d ππ球的体积球的面积=ε
-1料A 形状系数s
d d ==实际颗粒的表面积球的表面积与实际颗粒体积相等的φ 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(ΔP 浮)。炉料下降的有
效作用力F ＞0，F=(w 料重－P 墙－P 料－ΔP 浮)＞0=(w 有效重量－ΔP 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＞ ΔP 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：①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。②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CO 2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：①风温提高，焦比下降，C 风口↓；②
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(900～1000℃)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↑。---- r i 稍↓，r d 稍↑
（4）炉内料柱阻损ΔP↑。
顺行条件变坏下部透气性堵塞料柱孔隙挥发量下部煤气流速料柱透气性焦比原因缸?↓↑???????
???????????????????→↑↑↑↓↓→P O S i t
（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：①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；②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，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O 2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（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+SiO 2=CO 2+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。
高压操作具体影响：（1）燃烧带缩小。原因：①炉内压力↑ → 鼓风体积↓ →
鼓风动能↓(当顶压由15 kPa→80 kPa 时，E 降到原来的76%)；②P 缸↑→燃烧带内
Pco 2、Po 2↑，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]↓)。①对铁氧化物还原的影响：因为热力学上
抑制了C+CO 2 = 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↓。②对Si 还原的影响：因为
抑制了C ＋SiO 2 == SiO(g)＋CO 正反应，使rd Si ↓，[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ΔP↓。由于，料层气流阻损ΔP与气体压力成反比，ΔP
高压。高压操作有利于顺行(下料通畅)。
＜ΔP
常压
如果ΔP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：① 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；② 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，矿石在炉内停留时间变长。
（4）对煤气分布的影响。喷出后，煤气量增加。原因;1)焦比减少，透气性变差；2）煤气量增加，流速增大。
（5）对顺行的影响。A.不利的一面：煤气阻力损失ΔP↑。原因：1）煤气量↑→ 煤气流速增大；2）焦炭量↓→ 料柱透气性↓。B.有利的一面：焦炭负荷加重→W有效↑?焦比↓→焦炭量↓所致。
（6）对铁水质量的影响。喷吹后，焦比降低，只要喷吹物含S量低于焦炭，铁水硫含量↓，质量普遍提高。
4.说明富氧鼓风对高炉冶炼的影响及其原因。喷吹煤粉与富氧鼓风有何关系？答：富氧对高炉冶炼的影响及其原因：①提高产量，每富氧1%，增产3%～5%；
每富氧1%, 提高45～50℃ (炉缸煤气量↓所致)；③燃烧②提高理论燃烧温度t
理，
带有缩小的趋势(N2↓, t理↑→加快碳的燃烧过程)；④高温区下移，炉身、炉顶温度↓(煤气量↓所致)；⑤直接还原度略有升高，1）炉身温度下降，直接还原升高，2）冶炼强度提高，停留时间简短，直接还原升高，3)尽管CO增加，直接还原度减少，但影响不大。
富氧鼓风与喷煤相结合对于扩大喷煤量和增加富氧量均有好处：1）富氧的热量不足由喷煤补偿；2）喷煤的t理不足由富氧弥补；3）富氧的煤气量不足由喷煤补偿；4）喷煤的燃烧率由富氧来提高。
5.何谓高炉四大操作制度?何谓“上部调剂”和“下部调剂”,各起什么作用，为何两者要相结合？
答：高炉操作制度是指高炉为达到优质、低耗、高产、长寿和高效益，而在一定冶炼条件下所采取的一系列规则和手段的集合。包括：装料制度、送风制度、造渣制度和热制度。(1)装料制度是炉料装入炉内方式的总称，具体指炉料装入炉内时，炉料的装入顺序、批重大小及料线高低等的合理规定。(2)送风制度是指在一定冶炼条件下，通过风口向炉内鼓风的各种控制参数的总称(即鼓入炉内的风的数量、质量和风口进风状态)。(3)造渣制度是指控制炉渣各种理化性能的总称。(4)热制度是指炉内的热状态，就是根据冶炼条件和不同铁种，为达到最好的冶炼效果而选择最适当的炉缸温度（热制度实质上是多种操作制度的综合结果）。
―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。
与上部调节相配合是控制炉况顺行、煤气流合理分布和提高煤气利用的关键。一般来说下部调节的效果较上部调节快。（以稳定热制度([Si]、T铁、T渣)为目标，以造渣制度[(CaO)/(SiO2)、(%MgO)、(%Al2O3)]等为基础，以装料制度(上部调剂)和送风制度(下部调剂)为调剂手段，下部调剂为基础，上、下部调剂相结合，达到下料均匀(炉况稳定顺行)、煤气流分布合理、炉温稳定、铁水质量合格(炉缸工作良好)，实现优质、低耗、高产、长寿和高效益。）
6.提高风温可采取什么措施？风温的进一步提高受何限制？
答：风温升高超过极限时，致使炉况不顺（焦比升高、产量下降）。接收高风温的条件：（1）精料，改善料柱的透气性；（2）高压操作，降低煤气流速ΔP↓；（3）降低风口理论燃烧温度，通过热分解①喷吹燃料②加湿鼓风（在不喷吹燃料时）。
获得高风温：（1）烧出高风温：①空气预热（添加预热炉）；②高发热值燃料。（2）热风炉能够承受高风温①改进热风炉结构②改进材质（钢、耐火材料）
③采用高温热风阀④改善保温问题。
7.何谓“加湿鼓风”、“脱湿鼓风”？说明各自对高炉冶炼的影响。
答：加湿鼓风：在鼓风中加入水蒸气以提高鼓风湿度。通常水蒸气在冷风管道中加入，最大特征—强化高炉冶炼、促进顺行。
脱湿鼓风：把鼓风中的水分脱除一部分，使鼓风湿度保持在低于大气湿度的稳定水平。通常用氯化锂作脱湿剂吸收鼓风中水分，或用冷却法脱除鼓风中水分。最大特征—节省燃料消耗。
不喷煤高炉(全焦冶炼)→加湿鼓风。影响：①鼓风含氧量增加，冶强↑；焦比不变时，产量↑；②充分利用高风温(水分耗热，为高风温创造了条件)；③H2
浓度↑，有利还原，rd↓；④消除大气湿度波动对高炉炉况的影响——稳定湿度；
⑤可减少单位碳量在风口燃烧所需风量→煤气量↓，ΔP↓；⑥保持ΔP一定时，可加风，冶强↑，产量↑。对于不喷吹燃料的高炉，加湿鼓风不失为一种调剂炉况的手段。
喷煤高炉→脱湿鼓风。影响：①节省湿分的耗热以弥补喷煤分解耗热(将湿分分解消耗的热量节省下来用于喷煤更合算！)；②可以消除大气湿度波动的影响—稳定湿度。
材料热力学与动力学
材料热力学与动力学 参考书目：1.<
(完整版)北京科技大学+钢铁冶金学(炼铁部分)知识点复习
炼铁知识点复习 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。
热力学与动力学往年考试整理
判断题： 1.由亚稳相向稳定相转变不需要推动力。? 2.压力可以改变材料的结构，导致材料发生相变。√ 3.对于凝聚态材料，随着压力升高, 熔点提高。√ 4.热力学第三定律指出：在0 K时任何纯物质的熵值等于零。? 5.在高温下各种物质显示相同的比热。√ 6.溶体的性质主要取决于组元间的相互作用参数。√ 7.金属和合金在平衡态下都存在一定数量的空位，因此空位是热力学稳定的缺 陷。√ 8.固溶体中原子定向迁移的驱动力是浓度梯度。? 9.溶体中析出第二相初期，第二相一般与母相保持非共格以降低应变能。? 10.相变过程中如果稳定相的相变驱动力大于亚稳相，一定优先析出。? 1.根据理查德规则，所有纯固体物质具有大致相同的熔化熵。 2.合金的任何结构转变都可以通过应力驱动来实现。 3.在马氏体相变中，界面能和应变能构成正相变的阻力，但也是逆相变的驱动 力。 4.在高温下各种纯单质固体显示相同的等容热容。 5.二元溶体的混合熵只和溶体的成分有关，与组元的种类无关。 6.材料相变形核时，过冷度越大，临界核心尺寸越大。 7.二元合金在扩散时，两组元的扩散系数总是相同。 8.焓具有能量单位，但它不是能量，也不遵守能量守恒定律；但是系统的焓变 可由能量表达。 9.对于凝聚态材料，随着压力升高, 熔点提高, BCC－FCC转变温度也升高。 10.由于马氏体相变属于无扩散切变过程，因此应力可以促发形核和相变。 简答题： 1．一般具有同素异构转变的金属从高温冷却至低温时，其转变具有怎样的体积特征？试根据高温和低温下自由能与温度的关系解释此现象。有一种具有同素异构转变的常用金属和一般金属所具有的普遍规律不同，请指出是那种金属？简要解释其原因？（8分）
钢铁冶金学 炼铁部分习题
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 (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。 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。 (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。 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，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。 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： 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
第2章 炼钢任务.
第二章炼钢的任务 生铁和废钢是炼钢的主要原料，而生铁中除了含有较多的碳外，还含有一定量的硅、锰、磷、硫等元素（它们统称为钢铁中五大元素）；同时废钢中元素含量也很复杂，有些对钢的要求性能有害。除五大元素外，钢中还含有氮、氢、氧和非金属杂质物。它们在冶炼过程中随原材料、炉气、或反应产物的形式残留在钢液。这些物质对钢的性能有重大影响，必须调整或尽量降低有害物含量。 炼钢定义：用氧化的方法去除生铁中的这些杂质，再根据钢种的要求加入适量的合金元素，使之成为具有高的强度、韧性或其他特殊性能的钢，这一工艺过程称为“炼钢”。 综上所述，可将炼钢基本任务归纳如下： 1．脱碳：含碳量是决定“铁与钢”定义的因素，同时也是控制材料性能的最主要元素。一般采用向钢中供氧，利用碳氧反应去除。 2．脱硫、脱磷：对绝大多数钢种来说，磷、硫为有害元素。硫则引起钢的热脆，而磷将引起钢的冷脆。因此要求在炼钢过程中尽量除之。 3．脱氧：在炼钢中，用氧去除钢中杂质后，必然残留大量氧，给钢的生产和性能带来危害，必须脱除。减少钢中含氧量的操作叫做脱氧。一般有合金脱氧和真空脱氧两种方法。4．去除气体和非金属夹杂物：钢中气体主要指溶解在钢中的氢和氮。非金属夹杂物包括氧化物、硫化物以及其它复杂化合物。一般采用CO气泡沸腾和真空处理手段。 5．升温：炼钢过程必须在一定高温液态下才能完成，同时为保证钢水能浇成合格钢锭，也要求钢水有一定的温度。铁水温度很低1300℃左右，Q215钢熔点1515℃。 6．合金化：为使钢具有必要的性能，必须根据钢中要求加入适量合金元素。 7．浇成良锭：液态钢水必须浇注成一定形状的固体铸坯，采用作为轧材的原料。同时要求其质量符合良好。一般有模注和连铸两种方式。 许多书中按上述方法来讨论“炼钢的基本任务”，但本教材中进行了另一种总结，以下按教材中的方式和顺序来讲解。也就是包括三大方面：去除杂质、调整成份、和浇注成良坯。
热力学与动力学
2007年度《材料热力学与动力学》考试题 姓名：学号： 判断题：（用√或?符号指出对错。20分，每小题2分） 1.热力学第三定律指出：在0 K时任何纯物质的熵值等于零。 2.焓具有能量单位，但它不是能量，也不遵守能量守恒定律；但是系统的焓变可由能量表达。 3.在高温下各种物质显示相同的比热。 4.对于凝聚态材料，随着压力升高, 熔点提高, BCC－FCC转变温度也升高。 5.溶体的性质主要取决于组元间的相互作用参数。 6.亚稳相即使没有外力推动，随着时间的延长，最终会转变为稳定相。 7.金属和合金在平衡态下都会存在一定数量的空位，因此说空位是热力学稳定的缺陷。 8.固溶体中原子定向迁移的驱动力是浓度梯度。 9.溶体中析出第二相初期，第二相一般与母相保持非共格以降低应变能。 10.由于马氏体相变属于无扩散切变过程，因此应力可以促发形核和相变。 简答题：（40分，每小题8分，任选5题，其余题目答出可酌情加分） 1．一般具有同素异构转变的金属从高温冷却至低温时，其转变具有怎样的体积特征？试根据高温和低温下自由能与温度的关系解释此现象。有一种具有同素异构转变的常用金属和一般金属所具有的普遍规律不同，请指出是那种金属？简要解释其原因？ 2．试举出三种二元溶体模型；简要指出各溶体模型的原子相互作用能I AB的特征。 3．试利用给出的a,b两种溶体Gm-X 图中化学势的图解示意图(右图)， 指出两种溶体的扩散特征有什么 不同；那一种固溶体中会发生上坡 扩散。 ( a ) ( b ) 4．向Cu中加入微量的Bi、As合金时 所产生的效果完全不同。加入微量的 Bi会使Cu显著变脆，而电阻没有显
钢铁冶金炼铁部分课后作业题及答案
1—1高炉炼铁工艺由哪几部分组成？ 答案（1）：在高炉炼铁生产在中，高炉是工艺流程的主体，从其上部装入的铁矿石燃料和溶剂向下运动，下部鼓入空气燃烧燃料，产生大量的还原性气体向上运动。炉料经过加热、还原、熔化、造渣、渗碳、脱硫等一系列物理化学过程，最后生成液态炉渣和生铁。组成除高炉本体外，还有上料系统、装料系统、送风系统、冷却系统、液压系统、回收煤气与除尘系统、喷吹系统、动力系统 1—2 高炉炼铁有哪些技术经济指标？ 答案：综合入炉品位(%) 炼铁金属收得率(%) 生铁合格率(%) 铁水含硅(%) 铁水含硫(%) 风温(℃) 顶压(KPa) 熟料比(%) 球矿比(%) 高炉利用系数(t/m3.d) 综合焦比(Kg/t) 入炉焦比(Kg/t) 焦丁比(Kg/t) 喷煤比(Kg/t) 1—3 高炉生产有哪些特点？ 答案：一是长期连续生产。高炉从开炉到大修停炉一直不停地连续运转，仅在设备检修或发生事故时才暂停生产（休风）。高炉运行时，炉料不断地装入高炉，下部不断地鼓风，煤气不断地从炉顶排出并回收利用，生铁、炉渣不断地聚集在炉缸定时排出。 二是规模越来越大型化。现在已有5000m3以上容积的高炉，日产生铁万吨以上，日消耗矿石近2万t，焦炭等燃料5kt。 三是机械化、自动化程度越来越高。为了准确连续地完成每日成千上万吨原料及产品的装入和排放。为了改善劳动条件、保证安全、提高劳动生产率，要求有较高的机械化和自动化水平。 四是生产的联合性。从高炉炼铁本身来说，从上料到排放渣铁，从送风到煤气回收，各系统必须有机地协调联合工作。从钢铁联合企业中炼铁的地位来说，炼铁也是非常重要的一环，高炉体风或减产会给整个联合企业的生产带来严重影响。因此，高炉工作者要努力防止各种事故，保证联合生产的顺利进行。 1—5 高炉生产有哪些产品和副产品，各有何用途？ 答案：高炉冶炼主要产品是生铁，炉渣和高炉煤气是副产品。 （1)生铁。按其成分和用途可分为三类：炼钢铁，铸造铁，铁合金。 (2)炉渣。炉渣是高炉生产的副产品，在工业上用途很广泛。按其处理方法分为：
钢铁冶金学教案
钢铁冶金学2 课程教学大纲 Metallurgy of steel and Iron 2 课程编号: 12923102 适用专业: 冶金工程（本科） 学时数: 40 学分数: 2.5 执笔人: 芶淑云编写日期:2008年10月 一、课程的性质和目的 本门课程属于冶金工程专业（钢铁冶金方向）的一门专业方向课，通过本门课程的学习，使学生掌握炼钢的基本原理和生产工艺过程，及设备，确定工艺参数的方法，了解转炉、电炉炼钢的工艺设备及构造、炼钢用的原材料和耐火材料、炉外精炼法及其发展趋势，使学生熟悉炼钢工艺流程，为今后从事相关的生产、科研奠定必要的基础。 二、课程教学环节的基本要求 课堂讲授： 本课程以课堂讲授为主，在讲授过程中，应充分注意理论与实际的联系，以增强学生的学习兴趣，调动学生的积极性，可采取讲授与讨论相结合的教学方式。作业方面： 每章布置一定量的作业或思考题，以巩固所学的基本知识，并锻炼学生分析和解决实际问题的能力。 考试环节： 本课程为考试课，建议期末以考试成绩和平时成绩综合评定结果作为课程成绩。 三、课程的教学内容和学时分配 第一章概论(4学时) 教学内容： 炼钢的发展过程；炼钢的任务；炼钢生产流程；钢铁生产的主要技术经济指标，炼钢原料。 教学要求： 1.了解炼钢铁生产的发展过程，炼钢的任务。 2.理解炼钢用原材料的主要种类、性能及评价指标，耐火材料的损毁原因。 3.掌握炼钢生产流程，钢铁生产主要技术经济指标。 重点：炼钢生产流程和钢铁生产主要技术经济指标。 难点：炼钢过程中耐火材料的损毁机理。
第二章氧气转炉炼钢（10学时） 教学内容： 转炉炼钢的特点；氧气转炉炼钢过程渣、钢成分的变化；氧气射流与熔池的相互作用；氧气转炉炼钢的冶金特征；氧气转炉吹炼钢过程的操作制度；少渣吹炼工艺；氧气转炉炼钢的自动化控制和新技术。 教学要求： 1.了解转炉炼钢的特点，氧气转炉炼钢不同吹炼方式的冶金特点。 2.理解氧气转炉炼钢的自动化控制和新技术，氧气射流与熔池的相互作用。 3.掌握顶吹氧气转炉炼钢工艺及操作制度,氧气转炉炼钢过程渣、钢成分的变化。 重点：顶吹氧气转炉炼钢工艺。 难点：氧气转炉炼钢过程渣、钢成分的变化与控制；氧气转炉炼钢的自动化控制和新技术。 第三章电炉炼钢 (8学时) 教学内容： 电冶金概论；电弧炉基本过程；电弧炉炼钢工艺；典型钢种冶炼 电弧炉炼钢用原料，配料，补炉和装料，熔化期，氧化期，还原期，出钢，电弧炉发展趋势。 教学要求： 1．了解电炉炼钢方法（扼要介绍感应炉冶炼，电渣重熔法，真空感应炉熔炼法，等离子电弧炉重熔等方法），电弧炉炼钢用原料，电弧炉发展趋势。 2. 熟悉典型钢种冶炼电弧炉炼钢工艺 3. 掌握电弧炉炼钢工艺，碱性电弧炉冶炼工艺及各期的任务与操作方法。重点：碱性电弧炉炼钢工艺。 难点：碱性电弧炉炼钢工程中不同时期的操作工艺。 第四章炉外精炼（8学时） 教学内容： 炉外精炼的理论基础；铁水预处理；钢水炉外精炼；中间包冶金。 教学要求： 1.了解中间包冶金过程。 2.理解炉外精炼的理论基础，钢水炉外精炼方法分类。 3.掌握铁水预处理的目的和方法，钢水炉外精炼方法。 重点：铁水预处理；钢水炉外精炼。 难点：钢水炉外精炼。 第五章凝固理论与浇注工艺（10学时） 教学内容：
热力学与动力学
热力学与动力学
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2０06年度《材料热力学与动力学》考试题 简答题: 1．一般具有同素异构转变的金属从高温冷却至低温时,其转变具有怎样的体积特征?试根据高温和低温下自由能与温度的关系解释此现象。有一种具有同素异构转变的常用金属和一般金属所具有的普遍规律不同，请指出是那种金属?简要解释其原因?（8分） 2．金属和合金在平衡态下存在一定数量的空位,因此有人说一定数量的空位是金属和合金中的热力学稳定缺陷，此说法是否正确?根据空位数量对自由能及其组成要素(焓和熵)的影响方式，从热力学角度进行简要解释。(8分） 3．试举出三种二元溶体模型；简要指出各溶体模型的原子相互作用能IＡB的特征。 (6分) 4．试利用给出的a,ｂ两种溶体Gm-X图中化学势的图解示意图,指出两种溶体的扩散特征有什么不同；那一种固溶体中会发生上坡扩散。(７分) （a) (b) 5．向Cu中加入微量的Bi、Ａｓ合金时所产生的效果完全不同。加入微量的Ｂi会使Cu显著变脆,而电阻没有显著变化，加入微量的Aｓ并不会使Ｃｕ变脆,但是能显著提高电阻。试根据下面的相图，从溶解度角度对上述现象加以解释。(8分)
6．将固溶体相和晶界相视为两相平衡状态,如果已知上述两相的自由能-成分曲线，指出:采用什么方法或法则来确定两相的平衡成分？一般来说,两相的平衡溶质成分具有怎样的关系?（5分） 7．简要回答什么是耗散结构以及产生耗散结构的必要条件；举出2个自组织现象的实例。(６分） 8．在相变形核阶段，体积自由能、界面能以及应变能中哪些是相变的驱动力?哪些是相变的阻力？试解释：在形核阶段,形核的总自由能为正值,为什么核心能形成呢?以马氏体为例,在核心长大阶段的自由能以及界面能和应变能如何变化?（８分) 9．根据过饱和固溶体中析出第二相时的相平衡关系或者Gibｂｓ-Thomson方程,简要说明第二相粒子粗化过程;从温度对长大速率和对扩散两个方面的影响，简要说明温度对粒子粗化的作用。(７分) 分析计算题： 1．已知纯钛α／β平衡温度为８82?Ｃ，相变焓为14．65 kＪ/ｍoｌ。估算β钛过冷到800?C时，β－Ti转变为α-Ti的相变驱动力（不计上述过冷温度范围对相变的焓变及熵变的影响）。（10分) 2．从过饱和固溶体（α）中析出的第二相通常都是很小的粒子（β)，一般这些小粒子在表面张力的作用下会受到附加压应力的作用，写出附加压应力与表面张力和球形粒子尺寸的关系。以二元溶体为例,用图示的方法简要分析附加压应力对溶体相与析出相界面(α／β）平衡关系的影响。在析出的初期，这小粒子一般与基体保持共格关系,简要分析其原因。(１5分） 3．在2５?C和0.1MＰa下,金刚石和石墨的标准熵分别为２.4 J／mol?Ｋ和５．7 Ｊ/ｍol?Ｋ，标准焓分别为３9５kJ／mｏl和39４kJ/ｍｏl，密度分别为3.５g／cm３和2.3g/cm3, 碳的摩尔质量为１2g。试计算石墨在此条件下转变为金刚石的相变驱动力;试根据自由能与体积和温度的关系(dG=VdP - ＳdT)计算室温下实现石墨－金刚石转变所需临界压力（不计压力对石墨以及压力对金刚石造成的体积改变)。(15分)
钢铁冶金学炼钢部分
钢铁冶金学炼钢部分集团标准化小组：[VVOPPT-JOPP28-JPPTL98-LOPPNN]
炼钢学复习题 第二章 一．思考题 1.炼钢的任务。 1)脱碳：含碳量是决定铁与钢定义的元素，同时也是控制性能最主要的元素，一般来用向钢中供养，利于碳氧反应去除。2）脱硫脱磷：对绝大多数钢种来说，硫磷为有害元素，硫则引起钢的热脆，而磷将引起钢的冷脆，因此要求炼钢过程尽量去除。3）脱氧：在炼钢中，用氧去除钢中的杂质后，必然残留大量氧，给钢的生产和性能带来危害，必须脱除，减少钢中含氧量叫做脱氧。（合金脱氧，真空脱氧）4）去除气体和非金属夹杂物：钢中气体主要指溶解在钢中的氢和氮，非金属夹杂物包括氧化物，硫化物以及其他化合物，一般采用CO气泡沸腾和真空处理手段。5）升温：炼钢过程必须在一定高温下才能进行，同时为保证钢水能浇成合格的钢锭，也要求钢水有一定的温度，铁水最温度很低，1300摄氏度左右 Q215钢熔点1515摄氏度6）合金化：为使钢有必要的性能，必须根据钢中要求加适量的合金元素。7）浇成良锭：液态钢水必须浇铸成一定形状的固体铸坯，采用作为轧材的原料，同时要求质量良好，一般有模铸和连铸两种方式。 2.S的危害原因和控制方式。 （1）产生热脆。（硫的最大危害）（2）形成夹杂：S在固体钢中基本上是以硫化物夹杂的形式存在。降低塑性，危害各向同性（采用Mn抑制S的热脆），影响深冲性能和疲劳性能，夹杂物的评级，强度（S对钢的影响不大）（3）改善切削性能（这是硫的唯一有用用途）（2）控制措施有两种方法：（1）提高Mn含量：Mn/S高则晶界处形成的MnS量多、FeS量生成量少，提高了钢的热塑性，减少了钢裂纹倾向。（2）降低S含量：过高的S会产生较多的MnS夹杂，影响钢的性能。 3.Mn控制S的危害的原理，要求值。Mn影响S的原理：钢中的Mn在凝固过程中同样产生选分结晶，在晶界处与S反应生产MnS。Mns的熔点高，在轧制和连铸过程中仍处于固态，因此消除了低熔点FeS引起的热脆现象。Mn\S:Mn对S的控制力，一般用Mn和S的质量百分数的比值表示，称为“锰硫比”。一般认为Mn\S>7即可消除热脆，但在连铸过程中Mn\S>20才能有效的控制鋳坯裂纹。 4.P含量与性能的关系。（1）产生冷脆（2）降低抗裂纹性能（3）影响强度和塑性（4）改善钢的特殊性能。 5.为什么脱氧。 （1）影响浇注过程：沸腾、侵蚀、水口堵塞（2）铸坯中产生气泡：C和O的凝固富集产生CO气体，气量小时在铸坯中产生气泡（3）影响热脆性：在凝固过程中在晶界富集形成FeO，与FeS形成共晶体（4）形成夹杂物：凝固过程中O偏析使脱氧反应重新进行，形成凝固夹杂。 6.(O)和T（O）的意义和区别。 溶解氧：液态钢水中以溶解状态存在的氧元素称为溶解氧，以【O】表示。 全氧：钢中（包括液态和固态）所有的氧元素称为全氧，以T【O】表示。包括溶解氧和夹杂物中的所有氧元素。 7.减少气体含量的措施。减少入炉原料带入的气体元素。2）控制温度、裸露时间和面积。3）改善脱气条件。4）真空脱气。5）保护浇注。 8.H和N的来源。 N的来源：铁水，氧气，空气（电炉空气电离增N,转炉倒炉时增N,浇注时从空气中增N），合金料， H的来源：氧气，石灰，耐火材料，铁水和废钢。
非高炉炼铁工艺发展现状
万方数据
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非高炉炼铁工艺发展现状 作者：王振智 作者单位：中冶天工上海十三冶建设有限公司设备安装分公司,上海,201900 刊名： 中国高新技术企业 英文刊名：CHINA HIGH TECHNOLOGY ENTERPRISES 年，卷(期)：2011(2) 参考文献(7条) 1.王保利发展直接还原铁是解决废钢资源短缺的有效途径 1998(02) 2.钱晖;周渝生HYL-III直接还原技术[期刊论文]-世界钢铁 2005(01) 3.Oehlberg R J;Arthur G.McKee FIOR process for direct reduction of iron ore 1974(04) 4.阴继翔煤基直接还原技术的发展[期刊论文]-太原理工大学学报 2000(03) 5.Borl é e J;Steyls D;Colin R COMET:a coal-based process for the production of high quality DRI from iron ore fines 1999(03) 6.余琨原矿原煤冶炼-21世纪与高炉竞争的炼铁方式[期刊论文]-东北大学学报(自然科学版) 1998(04) 7.徐国群Corex技术的最新发展与发展前景[期刊论文]-炼铁 2004(23) 本文读者也读过(7条) 1.宁振.郑志强.NING Zhen.ZHENG Zhiqiang浅谈非高炉冶炼技术的发展前景[期刊论文]-科技传播2011(11) 2.崔胜楠.杨吉春对非高炉炼铁技术发展现状的综述[期刊论文]-科技信息2011(6) 3.唐恩.周强.翟兴华.阮建波适合我国发展的非高炉炼铁技术[期刊论文]-炼铁2007,26(4) 4.储满生.赵庆杰.CHU Man-sheng.ZHAO Qing-jie中国发展非高炉炼铁的现状及展望[期刊论文]-中国冶金2008,18(9) 5.庞建明.郭培民.赵沛.Pang Jianming.Guo Peimin.Zhao Pei煤基直接还原炼铁技术分析[期刊论文]-鞍钢技术2011(3) 6.花皑.崔于飞.吴培珍.李可卿.HUA Ai.CUI Yu-fei.WU Pei-zhen.LI Ke-qing直接还原铁的制造工艺及设备[期刊论文]-工业加热2011,40(1) 7.周渝生.钱晖.张友平.冯华堂非高炉炼铁技术的发展方向和策略[期刊论文]-世界钢铁2009,9(1) 本文链接：https://www.wendangku.net/doc/e29053539.html,/Periodical_zggxjsqy201102025.aspx
钢铁冶金学试题
钢铁冶金学（炼铁学部分）试卷（A ） 院(系) 班级 学号 姓名 （注：答题需在答题纸上进行，请不要在试卷上答题，否则将被扣分。） 一、名词解释题（每题3分，共18分） 1. 高炉有效容积利用系数 2. SFCA 3.煤气CO 利用率 4. 高炉的管道行程 5. 高炉的碱负荷 6. COREX 炼铁工艺 二、判断题 ( 每题 1.5分 ，共 30 分 ) （对：√，错：×。） 1. 磁铁矿的理论含铁量为70％，黑色条痕，疏松结构，较易还原。 2. 焦炭的主要质量要求是：含碳量高，反应性高，反应后强度高。 3. 高炉炼铁要求喷吹用煤粉的爆炸性弱，可磨性指数大，燃烧性高。 4. 高风温热风炉的炉顶耐火材料一般使用高铝砖或碳砖。 5. 为确保烧结矿固结强度，一般要求烧结最高温度为1350～1380℃。 6. 烧结过程的焦粉偏析布料有利于烧结上、下料层温度的均匀化。 7. 厚料层烧结工艺的主要目的是为了提高烧结矿生产能力。 8. 酸性氧化焙烧球团矿的固结主要靠FeO 与SiO 2形成的低熔点化合物粘结。 9. 原燃料中的P 2O 5在高炉中不能被还原而全部进入生铁。 10. 耦合反应的平衡常数是与之相关的简单反应平衡常数的组合。 11. 阻止高炉内K 、Na 循环富集的对策之一是降低炉渣二元碱度。
12. 高炉风口燃烧带出来的煤气中既有CO 又有CO 2，但前者含量更高。 13. 增大高炉鼓风动能的措施之一，是扩大高炉风口直径。 14. 提高风口理论燃烧温度，有利于补偿喷吹煤粉热分解带来的温度变化。 15. 抑制“液泛现象”，有利于改善高炉下部的透气性、透液性。 16. 矿石的软熔性能影响高炉软熔带的位置，但不影响其厚度。 17. 加大矿石批重将有助于抑制高炉内的中心煤气流。 18. 与加湿鼓风不同，脱湿鼓风的主要作用在于提高高炉产量。 19. 富氧鼓风不仅可以给高炉带入热量，而且可以增加高炉产量。 20. 炉衬寿命的问题，是熔融还原炼铁法需要解决的关键技术。 三、简答题（每题8分，共24分） 1.简述烧结矿固结机理，何种粘结相（液相）有利于改善烧结矿质量? 2.提高高炉鼓风温度对其冶炼过程的影响如何，并说明其原因。 3.画出高炉理想操作线，并说明A 、B 、C 、D 、E 、P 、W 点的意义。 四、论述题 (每题14分，共28分) 1. 分析炉渣粘度对高炉冶炼过程的影响，并论述影响炉渣粘度的因素以及维持适宜的高炉炉渣粘度的技术措施。 2.论述降低高炉燃料比的技术措施。 a . 画出高炉能量利用图解分析的rd —C 图， 分析指出我国高炉降低燃料比的两大途径； b . 根据所学的炼铁理论和工艺知识，阐述降低高炉燃料比的具体对策。
【核心知识】蛋白质折叠的热力学和动力学
蛋白质折叠的热力学和动力学 药学院 10489629 苟宝迪 蛋白质是一种生物大分子，基本上是由20种氨基酸以肽键连接成肽链。肽链在空间卷曲折叠成为特定的三维空间结构。有的蛋白质由多条肽链组成，每条肽链称为亚基，亚基之间又有特定的空间关系，称为蛋白质的四级结构。所以蛋白质分子有非常特定的复杂的空间结构。诺贝尔奖得主Anfinsen认为每一种蛋白质分子都有自己特有的氨基酸的组成和排列顺序，由这种氨基酸排列顺序决定它的特定的空间结构。具有完整一级结构的多肽或蛋白质, 只有当其折叠形成正确的三维空间结构才可能具有正常的生物学功能. 如果这些生物大分子的折叠在体内发生了故障, 形成错误的空间结构, 不但将丧失其生物学功能, 甚至会引起疾病.蛋白质异常的三维空间结构可以引发疾病，疯牛病、老年性痴呆症、囊性纤维病变、家族性高胆固醇症、家族性淀粉样蛋白症、某些肿瘤、白内障等等都是“折叠病”。 蛋白质折叠的研究（图1[1]），是生命科学领域的前沿课题之一。不仅具有重大的科学意义，而且在医学和在生物工程领域具有极大的应用价值。 图1 蛋白质折叠的热力学研究 蛋白质折叠的研究，比较狭义的定义就是研究蛋白质特定三维空间结构形成的规律、稳定性和与其生物活性的关系。这里最根本的科学问题就是多肽链的一级结构到底如何决定它的空间结构？X-射线晶体衍射是至今为止研究蛋白质结构最有效的方法, 所能达到的精度是其它任何方法所不能比拟的. 但是, 蛋白质分离纯化技术要求高, 蛋白质晶体难以培养,
晶体结构测定的周期较长, 从而制约了蛋白质工程的进展. 随着近代物理学、数学和分子生物学的发展, 特别是计算机技术的进步, 人们开始用理论计算的方法, 利用计算机来预测蛋白质的结构. 同源模建方法是最常用、最有效的蛋白质结构预测方法. 但是, 利用同源模建方法预测蛋白质结构时, 需用同源蛋白质的已知结构作为模板. 当缺乏这种模板结构时, 预测则很难奏效. 这是该方法的天生缺陷. 是否能从蛋白质序列出发, 直接预测蛋白质的结构? 从理论上最直接地去解决蛋白质的折叠问题，就是根据测得的蛋白质的一级序列预测由Anfinsen原理决定的特定的空间结构。蛋白质氨基酸序列，特别是编码蛋白质的核苷酸序列的测定现在几乎已经成为常规技术，利用分子生物学技术可以从互补DNA（cDNA）序列可以推定氨基酸序列，大大加速了蛋白质一级结构的测定。目前蛋白质数据库中已经存有大约17万个蛋白的一级结构，但是测定了空间结构的蛋白大约只有1．2万个，这中间有许多是很相似的同源蛋白，已经有人根据基因组的数据用统计方法重新估计了蛋白质折叠类型数目大约为1000种。 “蛋白质结构预测”属于理论方面的热力学问题，蛋白质分子结构本身的复杂性决定了结构预测的复杂性。目前结构预测的方法大致可分为两大类。一类是假设蛋白质分子天然构象处于热力学最稳定，能量最低状态，考虑蛋白质分子中所有原子间的相互作用以及蛋白质分子与溶剂之间的相互作用，采用分子力学的能量极小化方法，计算出蛋白质分子的天然空间结构。第二类方法是利用存入蛋白质数据库的数据进行预测相比，基于同源性的重复循环技术非常可靠地灵敏地进行结构预测。找出数据库中已有的蛋白质的空间结构与其一级序列之间的联系总结出一定的规律，逐级从一级序列预测二级结构，再建立可能的三维模型，根据总结出的空间结构与其一级序列之间的规律，排除不合理的模型，再根据能量最低原理得到修正的结构。但是，第一类方法遇到在数学上难以解决的多重极小值问题，而逐级预测又受到二级结构预测精度的限制。 图2[2]为蛋白质折叠研究的漏斗模型。从能量的角度看，漏斗表面上的每一个点代表蛋白质的一种可能的构象，变性状态的蛋白质构象位于漏斗顶面，漏斗最底部的点表示用X-射线单晶衍射或NMR测定的蛋白质天然构象，而漏斗侧面的斜率用来说明蛋白质折叠路径（图3[1]）。 图2
非高炉炼铁工艺发展现状_王振智
2011.01 57 摘要： 文章阐述了非高炉炼铁技术的发展现状及分类，并对主要工艺流程法作了较为详细的介绍，并对各种工艺流程的特点进行了分析，展望了非高炉炼铁技术在新世纪的发展前 景。 关键词： 非高炉炼铁；直接还原；熔融还原；二步法熔融还原；转底炉法中图分类号： TF557 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2011）03-0057-02非高炉炼铁工艺发展现状 王振智 （中冶天工上海十三冶建设有限公司设备安装分公司，上海 201900） 高炉炼铁发展至今，因其必须使用储量有限的焦炭为主要燃料，需要以一定粒径的块状铁矿石入炉冶炼等原因，面临着能源、环境、投资等方面的困扰。近几十年来世界各国的冶金工作者们一直致力于研究和改进各种非高炉炼铁技术。 一、非高炉炼铁生产工艺技术 直接还原和熔融还原是两种最主要的非高炉炼铁思路，他们较高炉炼铁具有更多的优势，因而具有较大的发展空间。直接还原分为气基和煤基直接还原，其中气基直接还原主要是气基竖炉法、气基流化床法，是利用天然气经裂化产出的H 2和CO作为还原剂，在竖炉中将铁矿石在固态温度下还原而成海绵铁，目前主要方法有Midrex和HYL法两种。煤基直接还原是用煤作还原剂在回转窑或循环流化床中将铁矿石在固态温度下还原成海绵铁，其中回转窑工艺是最成熟、应用最广的方法，具有代表性的是SL/RN法。熔融还原法是以煤炭为主要能源，使用天然富矿、人造富矿（烧结矿或球团矿）取代高炉生产液态生铁的方法。 二、直接还原工艺 （一）气基直接还原工艺 Midrex技术和HYL-III技术占直接还原铁产量的85％以上，是直接还原铁的两大主流技术。两者均采用逆流移动床作为反应器，还原气为天然气，天然气经转化炉变成H 2+CO的混合气，进入还原竖炉与氧化球团矿反应，最终金属化率>90%。HYL-III技术的特点是其还原温度比Midrex技术高约50℃～100℃（Midrex技术还原温度为800℃～900℃），另外，HYL-III反应器内压力>0.55MPa，其高温、高压、高氢气浓度的条件保证其高的还原速率。 Midrex技术和HYL-III技术具有污染较小，能耗低的特点，但都只解决了不使用焦炭这一个问题，仍必须使用球团矿，另外我国天然气资源严重缺乏，这两 种工艺难以适应我国国情。 图1 Midrex 竖炉结构示意图 F i o r 法和C i r c o f e r 法均采用流化床技术。Circofer法工艺原理：粉矿经过两段预热后进入反应器，在高于900℃的温度下被还原。反应器由流化床反应炉、再循环旋风收尘器和气化器组成。还原反应器中的流态化介质为还原性气体。在气化器中，煤与氧发生氧化，气体和再循环物料将反应热带入还原反应器内，氧化铁被还原为金属铁。目前流化床技术存在的问题是粉矿粘结及其对设备带来的损害。 （二）煤基直接还原工艺 煤基直接还原工艺主要包括回转窑法（如SL-RN 法）和转底炉法（如COMET法）。 SL－RN法工艺原理：铁矿石或球团矿与煤粉同时由窑尾加入窑内，借助于炉体的倾斜和转动，使炉料向窑头方向运动，经过预热带、还原带而得到产品。 COMET法是一种转底炉法，1997年由比利时的CRM 公司开发的一种用粉矿和煤生产优质海绵铁的工艺，工艺原理：采用转底炉，将煤层和铁矿粉交替铺在炉床上，通过煤气烧嘴加热。这样的混合物可使温度很快上升到1300℃以上。此工艺可以使用粉矿，但煤层和铁矿粉的交替铺层必然导致其生产率低的弱点。煤基直接还原有着自己的特点，我国煤资源丰富，此工 交流园地 E xchange Field DOI:10.13535/https://www.wendangku.net/doc/e29053539.html,ki.11-4406/n.2011.03.015
热力学和动力学测验题
化学原理模块课堂测验 1、可逆反应：C(s)+H2O(g)? CO(g)+H2(g) Δr H mΘ>0。下列说法你认为对否？为什么？ （1）达平衡时各反应物和生成物的分压一定相等； （2）改变生成物的分压，使Q 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钢铁冶金学(炼铁部分)
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