炼钢过程的主要化学反应
化学九年级铁的冶炼知识点
化学九年级铁的冶炼知识点在化学领域中，冶炼是指将矿石中的金属元素提取出来的过程。
铁是我们日常生活中广泛使用的一种金属，了解铁的冶炼知识对我们理解铁的特性以及应用具有重要作用。
本文将介绍铁的冶炼过程及相关的知识点。
1. 铁的矿石铁的主要矿石为铁矿石，常见的铁矿石有赤铁矿（Fe2O3）、磁铁矿（Fe3O4）和菱铁矿（FeCO3）等。
这些矿石中含有不同比例的铁元素，通常还伴随着其他的杂质。
2. 块矿和粉矿铁矿石根据粒径的大小可以分为块矿和粉矿。
块矿是指粒径较大的矿石，粉矿是指粒径较小的矿石。
冶炼过程中通常选择不同粒径的矿石进行处理。
3. 铁的冶炼过程铁的冶炼主要包括矿石的破碎、矿石的选矿、矿石的烧结和还原、高炉冶炼和精炼五个步骤。
首先，将矿石通过破碎机进行破碎，使其达到适合冶炼的颗粒大小。
然后，通过选矿的步骤，将矿石中的有用物质与无用物质分离。
接下来，对矿石进行烧结，即在高温下加热矿石，使其颗粒结合成团。
进入高炉冶炼阶段后，将烧结矿与燃料和熔剂一同加入高炉中。
燃料常使用焦炭，而熔剂则是用于降低矿石的熔点和帮助分离杂质的物质。
在冶炼过程中，矿石中的铁氧化物被还原成金属铁。
还原反应有两种方式：直接还原和间接还原。
直接还原指的是将矿石中的铁氧化物与燃料直接反应生成金属铁，而间接还原则是通过在高炉中注入热风，使煤气与矿石中的铁氧化物进行反应。
最后，通过精炼的过程，用于去除冶炼中产生的杂质，使得铁的纯度更高。
精炼过程包括基本炼钢和氧顶吹炼钢两种方法。
4. 高炉冶炼的化学反应高炉冶炼过程中涉及到多种复杂的化学反应。
其中，最重要的反应是还原反应和熔融还原反应。
还原反应的具体化学方程式为：Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2熔融还原反应的具体化学方程式为：2Fe2O3 + 3C → 4Fe +3CO2这些反应使矿石中的铁氧化物转化为金属铁。
同时，高炉中还会发生其他的副反应，如矿石中的硫化物与石灰石的反应等。
炼钢基本原理
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3.3.1 炼钢熔池中氧的来源及铁液中元素的氧化方式
氧的来源： 直接向熔池中吹入工业纯氧（>98％）； 向熔池中加入富铁矿； 炉气中的氧传入熔池。
铁液中元素的氧化方式有两种：直接氧化和间 接氧化。
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[Si]氧化产生大量的化学热，是转炉炼钢的主 要热量来源之一，它可使吹炼初期熔池温度能 够较快升高，有利于转炉废钢加入量增加和初 期渣熔化成渣。
[Si]氧化反应产物SiO2是酸性很强的氧化物， 它影响到炼钢的炉渣碱度和石灰加入量。
炉渣中的SiO2易侵蚀碱性炉衬，降低炼钢炉的 炉龄。
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多数意见认为氧气转炉炼钢以间接氧化为主
氧流是集中于作用区附近而不是高度分散在熔 池中； 氧流直接作用区附近温度高，Si和Mn对氧的亲 和力减弱
从反应动力学角度来看， C向氧气泡表面传质 的速度比反应速度慢，在氧气同熔池接触的表 面上大量存在的是铁原子，所以首先应当同Fe 结合成FeO。
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3.3.2 炼钢熔池中元素的氧化次序
溶解在铁液中的元素的氧化次序可以通过与 1molO2的氧化反应的标准吉布斯自由能变化 来判断。 在标准状态下，反应的ΔGo负值越多，该元素 被氧化的趋势就越大，则该元素就优先被大量 氧化。 铁液中常规元素与氧反应的标准吉布斯自由能 变化与温度的关系绘制成图。
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3.3 炼钢过程的基本反应
3.3.1 炼钢熔池中氧的来源及铁液中元素的氧化方式 3.3.2 炼钢熔池中元素的氧化次序 3.3.3 脱碳反应 3.3.4 硅的氧化 3.3.5 锰的氧化与还原 3.3.6 脱磷反应 3.3.7 脱硫反应 3.3.8 钢的脱氧 3.3.9 脱气 3.3.10 去除钢中夹杂物
氢能炼钢原理
氢能炼钢原理
在炼钢过程中，加入氢气可以降低铁的氧化，防止碳在高温下氧化生成一氧化碳。
这是因为当碳与氢气接触时，碳和氢气就会发生反应生成二氧化碳和水。
这样，通过添加氢气使铁氧化的过程就变成了碳与氢之间的化学反应。
同时，还可以降低铁的消耗。
因为通过添加氢气可以降低氧气的消耗，这样就减少了氧气进入炉膛的量，使氧能充分参与到反应中来，这样就大大地减少了碳在氧气中燃烧的数量，从而减少了生成一氧化碳和二氧化碳等气体的数量。
此外，还可以提高冶炼炉的热效率。
因为在冶炼过程中，加入氢气可以减少铁水和炉渣的温度。
这样就可以降低炼钢过程中铁水和炉渣的热损失，从而提高热效率。
由于采用了氢气作为炼钢介质，从而使炼钢过程变得更加安全可靠，还能够减少环境污染。
因为氢气可以与空气中的氧反应生成氧气和水，不会产生二氧化碳等温室气体。
因此炼钢过程所产生的气体和液体废弃物都非常少。
这对于改善炼钢过程中的环境质量、减轻环境污染也具有重要意义。
—— 1 —1 —。
金属冶炼中的高温还原反应
金属冶炼中的高温
03
还原反应实例
铁矿的高温还原反应
铁矿高温还原反应是将铁矿石中的铁氧化物还原成金 属铁的过程。
输标02入题
常见的铁矿高温还原反应有高炉炼铁和直接还原炼铁 。
01
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高温还原反应过程中需要控制温度、压力和气氛等条 件，以确保反应的顺利进行和获得高质量的金属铁。
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高炉炼铁是将铁矿石、焦炭和石灰石在高炉中加热还 原成铁水的过程，而直接还原炼铁则是将铁矿石在高 温下与还原气体反应，直接得到海绵铁。
详细描述
碳热还原是一种常用的高温还原方法，其中碳作为还原剂与金属氧化物反应。气态氢还原是使用氢气作为还原剂 的方法，适用于多种金属的冶炼。熔盐电解是一种通过电解熔融盐来提取金属的方法，通常需要较高的温度和电 解质的熔融状态。
高温还原反应在金属冶炼中的重要性
总结词
高温还原反应在金属冶炼中具有重要作用， 是实现金属提取和提纯的关键步骤。
压力影响反应平衡
在高温还原反应中，压力的增大会使反应平衡向生成金属的 方向移动，从而提高金属的产率。
反应物浓度的影响
反应物浓度越高，反应速率越快
随着反应物浓度的增加，分子间的碰撞频率增加，从而加快了反应速率。
反应物浓度影响反应平衡
在高温还原反应中，反应物浓度的增加会使反应平衡向生成金属的方向移动，从而提高 金属的产率。
金属冶炼中的高温还原 反应
汇报人：可编辑 2024-01-06
contents
目录
• 高温还原反应概述 • 金属冶炼中的高温还原反应原理 • 金属冶炼中的高温还原反应实例 • 高温还原反应的影响因素 • 高温还原反应的工业应用 • 高温还原反应的未来发展
高温还原反应概述
炼钢流程及合金辅料
C
0.40 0.40 0.40 0.40 0.40
S
0.05 0.05 0.05 0.05 0.05
P
0.05 0.05 0.05 0.05 0.05
3.硅铝铁
硅铝铁合金是用于炼钢生产中的一种脱氧剂，改善夹杂 物形态减少钢液中气体元素含量，是提高钢质量、降低成本、 节约用铝的有效新技术。特别适用于连铸钢水脱氧要求，实 践证明，它不仅满足炼钢脱氧要求，还具有脱硫性能且具有 比重大，穿透力强等优点。
氧剂使用，其中的铝、钡等金属元素与氧发生反应，达到脱氧的目的。 另一方面加入合金可改善钢的某些性能成为合金化。
C:控制钢材强度、硬度的重要元素，每1%C可增加抗拉强度月980MPa。 Si：也是增大强度、硬度的重要元素，每1% Si可增加抗拉强度月 98MPa。 Mn（锰）：增加淬透性，提高韧性，降低硫的危害等。 Al：细化钢材组织，控制冷轧钢板退火结构。 V（钒）：细化钢材组织，增加强度、韧性。 Cr（铬）：增加强度、韧性、耐腐蚀性能。
钢（%） 0.002-1.2 0.01-3.0 0.3-2.0 0.01-0.05 0.0005-0.04
炼钢任务：①脱碳，②脱磷，③脱硫，④升温，⑤脱氧，⑥合金化，⑦去 除[N]、[H]等气体杂质元素，⑧去除非金属夹杂⑨凝固成型。 其中的脱硫、磷、碳、氧等就需要相应的脱硫剂、脱氧剂等冶金辅料。
合金化：一方面加入合金（像我们的硅铝铁、硅铝钡等）作为脱
1、增碳剂
主要分炼钢用增碳剂（中华人民共和国黑色冶金行业标 准，YB/T 192-2001炼钢用增碳剂）和铸铁用增碳剂，以及 其他一些添加材料也有用到增碳剂，增碳剂属于外加炼钢、 炼铁增碳原料。优质增碳剂是生产优质钢材必不可少的辅助 添加剂。
技术特点： 1.采用“全量”铁水(即100%)预处理； 2、采用Mg复合脱硫剂在铁水包内实现高效脱硫预处理； 3、采用O2脱硅，提高铁水温度； 4、采用转炉实现铁水脱磷和脱硅、脱硫；Si Mn p s
电弧炉炼钢之碳的氧化讲解和计算案例
电弧炉炼钢之碳的氧化讲解和计算案例电弧炉炼钢是一种常用的冶炼钢铁的方法，其原理是利用电弧将废钢或铁矿石加热熔化，再加入适量的碳以达到所需的碳含量。
碳的氧化是电弧炉炼钢过程中不可避免的反应之一，下面将对碳的氧化进行讲解，并提供一个计算案例。
碳的氧化可以通过下面的反应式来表示：C+O2→CO2在电弧炉炼钢的过程中，氧气往往通过吹氧装置喷入炉膛。
当氧气与炉内的碳接触时，碳会与氧气发生反应形成二氧化碳。
这个反应是一个放热反应，产生大量的热量，提供给炉内材料的加热。
碳的氧化在电弧炉炼钢中非常重要，因为氧化作用可以协助移除炉内的杂质，提高钢的质量。
氧化还有助于调整钢的碳含量，以满足不同的应用需求。
在实际操作中，氧化过程需要根据所需的碳含量来进行控制，以确保钢材的质量。
以下是一个碳的氧化计算案例：假设一种废钢的碳含量为1.5%（质量百分比），需要在电弧炉中进行炼钢，使得最后的钢材碳含量控制在0.05%左右。
现在计算在加入适量的氧气后，需要氧化的碳量。
已知废钢的质量为1000千克，废钢中的碳质量为15千克（碳含量1.5%*1000千克）。
假设在氧化过程中，碳完全氧化为二氧化碳，且氧化反应的化学计量比为1:1氧化碳的质量可以通过以下公式计算：氧化碳的质量=废钢的质量*碳含量*氧化反应的化学计量比在这个案例中，氧化碳的质量=1000千克*1.5%*1=15千克因此，在达到所需的碳含量0.05%的情况下，需要将15千克的碳完全氧化。
需要注意的是，在实际操作中，碳的氧化往往是一个动态的过程，需要根据不同的钢种和碳含量的要求来进行控制。
同时，电弧炉炼钢的过程中还存在其他的反应和影响，如还原反应和氧吹效率等，这些因素也需要综合考虑，确保炼钢过程的稳定与高效。
转炉冶炼过程概述
转炉冶炼过程概述【本章学习要点】本章学习转炉炼钢的装⼊制度、供氧制度、造渣制度、温度制度及其操作，终点控制及出钢，脱氧及合⾦化，转炉吹损与喷溅，顶底复合吹炼，转炉操作事故及处理。
第⼀节转炉冶炼过程概述氧⽓顶吹转炉炼钢过程，主要是降碳、升温、脱磷、脱硫以及脱氧和合⾦化等⾼温物理化学反应的过程，其⼯艺操作则是控制装料、供氧、造渣、温度及加⼊合⾦材料等，以获得所要求的钢液，并浇成合格钢锭或铸坯。
从装料起到出完钢、倒完渣为⽌，转炉⼀炉钢的冶炼过程包括装料、吹炼、脱氧出钢、溅渣护炉、倒渣等⼏个阶段。
⼀炉钢的吹氧时间通常为l2～18min ，冶炼周期(相邻两炉之间的间隔时间，即从装料开始到装料开始或者从出钢毕到出钢毕)通常为30～40min。
表10—1为氧⽓顶吹转炉⽣产⼀炉钢的操作过程，图10—1为转炉吹炼⼀炉钢过程中⾦属和炉渣成分的变化。
吹炼的前l／3—1／4时间，硅、锰迅速氧化到很低的含量。
在碱性操作时，硅氧化较彻底，锰在吹炼后期有回升现象；当硅、锰氧化的同时，碳也被氧化。
当硅、锰氧化基本结束后，随着熔池温度升⾼，碳的氧化速度迅速提⾼。
碳含量<0.15％以后，脱碳速度⼜趋下降。
在开吹后不久，随着硅的降低，磷被⼤量氧化，但在吹炼中后期磷下降速度趋缓慢，甚⾄有回升现象。
硫在开吹后下降不明显，吹炼后期去除速度加快。
熔渣成分与钢中元素氧化、成渣情况有关。
渣中CaO含量、碱度随冶炼时间延长逐渐提⾼，中期提⾼速度稍慢些；渣中氧化铁含量前后期较⾼，中期随脱碳速度提⾼⽽降低；渣中Si02，Mn0，P205含量取决于钢中Si，Mn，P氧化的数量和熔渣中其他组分含量的变化。
在吹炼过程中⾦属熔池升温⼤致分三阶段：第⼀阶段升温速度很快，第⼆阶段升温速度趋缓慢，第三阶段升温速度⼜加快。
熔池中熔渣温度⽐⾦属温度约⾼20-1000C。
根据熔体成分和温度的变化，吹炼可分为三期：硅锰氧化期(吹炼前期)、碳氧化期(吹炼中期)、碳氧化末期(吹炼末期)。
高炉炼铁
3.用固体C还原
高炉冶炼特点
1.高炉冶炼是在炉料与煤气流的逆向运动 过程中完成各种复杂的化学反应和物理变 化，反应气氛是还原性气氛； 2.高炉是一个密闭容器，除了装料、出铁、 出渣以及煤气以外，操作人员都无法直接 观察到反应过程的状况，只能凭借仪器间 接观察； 3.高炉生产过程是连续的，大规模的高温 生产过程，机械化和自动化水平较高。
燃料燃烧反应 铁矿石还原反应（铁氧化物） 非铁元素还原（Si，Mn，等） 造渣过程 生铁生成
A、燃烧反应
放热 燃烧 产生高温还原气体CO 在高炉下部形成空间， 保证炉料持续下降 直接还原（参与化学还原） 溶入生铁（铁水中含有一定量C）
焦炭 （主要燃料）
燃料的燃烧是高炉的热能和化学能的发源 地，决定了炉内煤气流，温度和热量的初始 分布，对高炉生产起着至关重要的作用！
1.钢筋混凝土 2.耐火砖 3.冷却壁 4.水冷管
5.炉壳
冷却设备
支梁式水箱 A—铸管式 B—隔板式
扁水箱 （铸钢）
炉腹、炉腰、炉身下部：冷却壁
炉缸和炉底周围：光板式冷却壁（紫铜冷却壁）
风口：冷却套
1.风口 2.风口二套 3.风口大套 4.直吹管 5.弯管 6.固 定弯管 7.围管 8.短管 9.带有窥视孔的弯管 10.拉杆 11.炉壳
B、还原反应
铁氧化物的还原
1.铁氧化物的还原条件 还原反应通式： MeO＋B＝Me＋BO B：还原剂 Me：某种金属 要使反应能够进行，则： Me O B
还原剂B与O的化学亲和力 > Me与O的化学亲和力 在高炉冶炼过程中，满足条件的还原剂是CO和C，还 有少量的H2也参与还原
二.铁氧化物的还原顺序
焦炭在风口发生燃烧反应： C＋O2 =CO2 ＋33356kJ/kg + C+CO2 =2CO －13794kJ/kg 2C+O2 =2CO ＋9781kJ/kg
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对金属中的同相反应：
[FeO]+[C]=[Fe]+CO
ΔH=－10980（弱放热反应）
有炉渣中(FeO)参加时：
(FeO)=[FeO]
ΔH=＋28890 （吸热反应）
(FeO)+[C]=[Fe]+CO ΔH=＋17910
因此有炉渣中(FeO)参加的异相脱碳反应是吸热反应。
4. 磷的氧化及还原
仅有FeO参加的脱磷反应如下：
2[P]+8(FeO)=(3FeO·P2O5)+5[Fe]
2
Kp = (P2O5) ⋅ [Fe]5 (FeO)8 [P]2
[P] = (P2O5) Kp ⋅ (FeO)8
反应生成物磷酸铁仅在低温下稳定，因此为了较好的去磷，应在大量磷 酸铁生成后，将渣由炉内扒除，以免炉温上升后，因磷酸铁分解而发生回磷。
有CaO及FeO参加的脱磷反应如下：
2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5[Fe]
Kp = [P%]2 × (FeO%)5 × (CaO%)4 (P2O5%)
[P%] =
Kp(P2O5%) (FeO%)5 ⋅ (CaO%)4
ΔH=－208550
由上式可得出脱磷条件为：
炉渣中应有高碱度及高(FeO)量。
(SiO2)+2(FeO)=(2FeO·SiO2)
ΔH=－5900
(2FeO·ห้องสมุดไป่ตู้iO2)仅在酸性渣中稳定。在碱性渣内，CaO可取代FeO，反应 如下：
(2FeO·SiO2)+2(CaO)=(2CaO·SiO2)+2(FeO) ΔH=－27940
由于生成稳定的2CaO·SiO2，使硅氧化完全，而且在后期温度高时亦不 能发生还原。
脱硫反应时界面反应，金属中C、Si、Mn的提高能降低S在Fe中的溶解 度，增加S的扩散，有利于脱硫反应；此外，熔池的强烈沸腾能增大界面反应。
钢中原始含硫量，要影响精炼后钢中的硫含量。一般原始硫含量高，则 精炼后的含硫量也高。要炼低硫钢则要求原料中相应的 含硫量也低。
增大渣量能降低渣中CaS浓度，有利于脱硫。
在酸性炉中，随着炉温升高，SiO2分解压逐渐变大，可发生还原： (SiO2)+2[C]=[Si]+2CO (SiO2)+2[Fe]=[Si]+2FeO 2. 锰的氧化及还原
锰也在熔炼初期氧化，其反应如下：
[Mn]+(FeO)=(MnO)+[Fe] ΔH=－32290
Mn的氧化也是放热反应，但其热效应比Si小，对热平衡影响不大。
[MnS]+(CaO)=(CaS)+(MnO) [FeS]+(CaO)=(CaS)+(FeO)
Ks = (CaS) ⋅ (FeO)
平衡常数 [FeS]⋅ (CaO)
[S] = Ks' (FeO)(CaS)
可简化为
(CaO)
因此，脱硫条件是：
炉渣中要有较高的碱度和较低的(FeO)。
温度的提高有利于脱硫，因为高温易于获得活跃的高碱度渣，同时高温 有利于碳氧反应的进行，炉渣中可保持较低的(FeO)。
通过炉渣进行的脱碳反应是异相反应，由以下三个同时进行的反应组成：
FeO从炉渣转移至金属中：(FeO)→[FeO]
金属中碳的氧化：[C]+[FeO]=[CO]+[Fe]
CO气泡的形成及排出：[CO]→{CO}↑
将上述三个反应结合起来，脱碳反应一般可写成：
(FeO)+[C]={CO}↑+[Fe]
脱碳反应的热效应有不同的看法，据认为较正确的是：
5. 脱硫反应
金属中的硫是依靠生成不溶于金属的硫化物而去除的。FeS在金属中的 溶解度较大，MnS则较小，CaS实际上完全不溶解，因此当FeS转变成MnS 或CaS时，金属中的硫就能转入炉渣而除去。
3
金属中MnS是按下式形成的：
[FeS]+[Mn]=[MnS]+[Fe]
ΔH=-44110
当炉渣内有CaO存在时，在钢－渣界面上可发生下列反应：
生成物MnO，在酸性炉渣中结合成MnO·SiO2，在碱性炉渣中成自由态。 因此，锰在酸性炉内比在碱性炉内氧化程度大些。
1
随着温度的上升，MnO分解压力的升高比SiO2大，不管MnO处于何种状 态，都能在一定程度上被还原。因此，锰的还原是熔炼过程温度升高的标志。
3. 碳的氧化
碳的氧化是炼钢过程中最主要的反应，碳的氧化在很大程度上决定了炉 子的生产率及钢的质量。
此外，由于钢中硫与氧之间存在着[S%]=4[O%]的关系，因此钢水脱氧兼 有脱硫的作用。
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炼钢过程的主要化学反应
1. 硅的氧化及还原
在一般炼钢法中，硅都在熔炼初期大量氧化。熔炼后期，熔池中残留的 硅一般都很低。
[Si]+2(FeO)=(SiO2)+2[Fe] ΔH=－78990
硅的氧化是强放热反应，能放出大量热能，有利于炉温的上升。氧化形
成的SiO2与FeO结合成2FeO．SiO2，成为初期渣的主要成分。
由于脱磷反应是强放热反应，因此较低温度有利于脱磷。
由于脱磷反应是钢－渣界面反应，因此熔池的良好沸腾、搅拌及降低渣 粘度对反应有利。
渣量的增加能降低渣中P2O5的浓度，有利于脱磷。 炉渣中的磷在一定条件下有返回金属中的倾向，回磷反应主要发生在脱 氧及浇注时。
(4CaO·P2O5)+2(SiO2)+5[C]=2(2CaO·SiO2)+2[P]+5CO 在碱度不高的情况下，温度过渡地提高会发生回磷现象。