第二章 铁氧化物还原
铁氧化物的分解、还原与再氧化(二)
世上无难事，只要肯攀登铁氧化物的分解、还原与再氧化（二）根据理论计算表明,Fe2O3 还原成Fe3O4 的平衡气相中,CO%含量要求很低，即CO2/CO 的比值很大。
微量CO 的混合气体就足以完全还原赤铁矿成为磁铁矿。
还原反应可能在烧结的预热带进行。
特别是在固体燃料的燃烧带进行。
从实验室研究表明，气相中存在CO2(CO-CO2 混合气体中)并不减缓赤铁矿的还原。
对于FeO4 还原成FeO 反应中，平衡气相在700℃时CO2/CO 的比值为1.84,1300℃时为10.76.对于FeO 还原成Fe 的反应，平衡气相在700℃时,CO2/CO 的比值为0.67,1300℃时为0.297 温度升高，比值不断降低。
在实际烧结过程中，当使用惰性物料(例如石英砂)烧结时，燃料燃烧产物中CO2/CO=0.76－1.00 之间。
因而从热力学的观点考虑,Fe3O4 有可能被还原为FeO,而FeO 不可能还原成为Fe.但必须指出，在烧结料层中气体组成的分布是极不均匀的。
在焦粉粒的周围CO2/CO 可能很小，而离焦粉粒子较远的区域CO2/CO 可能很大，氧的含量可能较多。
在前一种情况下，铁的氧化物甚至可能波还原到金属铁。
而在后一种情况下,Fe3O4 和FeO 有可能被氧化。
因此在烧结的条件下，不可能使所有的Fe3O4 甚至所有的Fe2O3 还原。
此外，实际的还原过程取决于过程的动力学条件，如矿石本身的还原性，矿石和还原剂的接触时间和表面积。
虽然烧结料中铁矿石的粒度小，比表面积大，但由于高温持续时间短(1～1.5 分),(CO 向矿粒中的扩散条件差，以及Fe3O4 本身还原性不好，所以Fe3O4 的还原将受到限制。
因此从热力学来分析Fe3O4 有可能还原成FeO 而事实上还原的多少还取决于高温区平均气相组成和动力学条件。
还原最终作用还决定于烧结过程温度水乎及燃料消耗。
当烧结料中加入石。
铁氧化物的还原过程
铁氧化物的还原过程一、概述铁氧化物的还原过程是指将含有铁元素的氧化物还原成铁元素或者其它化合物的过程。
这个过程在冶金、化工、环保等领域中都有广泛应用。
本文将从铁氧化物还原的基本概念、影响因素和实验方法三个方面来介绍这个过程。
二、基本概念1. 氧化还原反应氧化还原反应是指发生电子转移的反应，其中一种物质失去电子被氧化，另一种物质得到电子被还原。
在铁氧化物的还原过程中，铁离子（Fe2+）接受电子被还原成金属铁（Fe）。
2. 还原剂还原剂是指能够给予其它物质电子的物质，它在反应中被氧化。
在铁氧化物的还原过程中，碳和水合亚硫酸钠等都可以作为还原剂。
3. 氧化剂氧化剂是指能够接受其它物质电子的物质，它在反应中被还原。
在铁氧化物的还原过程中，二氧化碳和氧气等都可以作为氧化剂。
三、影响因素1. 温度温度是影响铁氧化物还原过程的重要因素。
一般来说，随着温度的升高，反应速率会增加。
这是因为高温下反应物分子的热运动更加剧烈，碰撞概率增大，从而促进了反应的进行。
2. 还原剂种类和浓度不同种类和浓度的还原剂对铁氧化物还原过程的影响也不同。
一般来说，还原剂浓度越高，反应速率越快。
而对于同种浓度的还原剂来说，其还原能力强弱也会影响反应速率。
3. 氧化剂种类和浓度与还原剂相似，不同种类和浓度的氧化剂对铁氧化物还原过程也有影响。
在一定范围内，氧化剂浓度越高，反应速率越快。
4. pH值pH值是指溶液中酸性或碱性离子浓度的负对数。
在铁氧化物还原过程中，pH值也会影响反应速率。
一般来说，当pH值为中性或者弱碱性时，铁氧化物还原速度较快。
四、实验方法1. 实验原理本实验将利用还原剂还原铁氧化物的过程来研究铁氧化物的还原过程。
在实验中，通过观察反应前后的颜色变化和收集产生的气体等方式来判断反应是否进行。
2. 实验步骤(1) 准备试剂：将适量的铁（III）氯化物和水合亚硫酸钠分别溶解在水中，制备出两个浓度相同的溶液。
(2) 取两个试管，分别加入相同体积的上述两种溶液，并用橡皮塞密封。
高 炉 炼 铁 学
高炉炼铁学一、高炉：从上至下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸、死铁层。
发展趋势为：大型化、胖型二、高炉原料：1、铁矿石：烧结矿、球团矿、天然块矿2、熔剂：石灰石、白云石3、燃料：焦炭、煤粉4、空气：N2、O2三、高炉产品：1、生铁：成分有Fe、C、Si、Mn、S、P、V、Ti等。
分为炼钢生铁、铸造生铁（Si高S 低）、铁合金，铁与钢区别是C。
2、炉渣：成分有、CaO、MgO、SiO2、Al2O3、FeO、TiO2、MnO、V2O5等。
3、煤气：成分有CO、CO2、N2、H2、H2O四、高炉辅助设备：1、供料系统2、送风系统3、除尘系统4、渣铁处理系统5、燃料喷吹系统五、高炉冶炼的概况：分为五带1、块状带：间接还原、CaCO3=CaO+CO2、部分FeO+C=Fe+CO2、软熔带：CaO+SiO2+Al2O3=硅酸盐，渗碳反应：3Fe+2CO=Fe3C+CO23、滴落带：（FeO）+C=、（MnO）+C=、(SiO2)+C=、(P2O5)+C=4、风口燃烧带：2C+O2=2CO5、炉缸部分：脱硫反应：FeS+CaO=CaS+FeO，FeO+C=Fe+CO，FeS+CaO+C =CaS+ Fe+CO六、高炉技术经济指标：1、有效容积：铁口中心线至大钟下降下沿或溜槽垂直下，V u，工作容积2、有效容积利用系数：ηu=P/V u t/m3d，可达3以上。
3、焦比：K=Q/P，kg/t，最低250 kg/t左右。
综合焦比：燃料比：最低450 kg/t左右。
4、冶炼强度：I=Q/ V u t/m，ηu=I/K，综合冶炼强度：5、生铁合格率：一级品率6、休风率：有计划休风和非计划休风，应控制在2%以下。
7、高炉一代寿命：无中修，表示有日历时间（8至10 年）；单位容积产量（5000t/m3）第一章高炉用原燃料第一节高炉用燃料高炉燃料有焦炭和煤粉两种Ⅰ、焦炭一、焦炭的作用 1、发热剂；2、还原剂；3、骨架作用；4、渗碳剂二、焦炭的质量要求 1、C 高；2、灰分低：灰分中70%左右是SiO2和Al2O3，含量为11%至20%。
钢铁冶金学基本问答题
炼铁部分※<第一章>1．试说明以高炉为代表的炼铁生产在钢铁联合企业中的作用和地位。
2．简述高炉冶炼过程的特点及三大主要过程。
3．画出高炉本体剖面图，注明各部位名称和它们的作用。
4．试述焦炭在高炉炼铁中的三大作用及其质量要求。
5．高炉冶炼的产品有哪些？各有何用途？6．熟练掌握高炉冶炼主要技术经济指标的表达方式。
※<第二章>1、高炉冶炼对矿石（天然矿，烧结矿，球团矿）有何要求，如何达到这些要求？2、烧结过程中固体燃料燃烧有几种反应，用热力学分析哪一种反应占主导地位？3、简述固相反应的特点及其对烧结反应的影响。
5、烧结过程蓄热从何而来，为什么高料层厚度作业能提高烧结矿质量，降低燃耗？6、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。
7、简述铁精矿粉的成球机理，并讨论影响其质量的因素。
8、从烧结矿和球团矿性能比较，说明合理炉料结构的组成。
※<第三章>1.结合铁矿石在高炉不同区域内的性状变化（固态、软熔或成渣）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。
2.在铁氧化物逐级还原的过程中，哪一个阶段最关键，为什么？3.何谓“间接”与“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？4.试比较两种气态还原剂CO和H2在高炉还原过程中的特点。
5.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？6.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？7.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？9.造渣在高炉冶炼过程中起何作用？10.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？11.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。
12.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？13.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？5※<第四章>1.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？2.什么叫鼓风动能？它对高炉冶炼有什么影响？3.什么叫理论燃烧温度？它在高炉冶炼中起何作用？4.什么叫水当量？沿高炉高度方向水当量的变化特征？5.高炉内三种传热方式各自进行的条件如何？在不同条件下哪一种方式为控制性环节？5※<第五章>1.写出欧根公式，说明式中各因子的物理意义，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。
冶金09《钢铁冶金学(A)》之《铁冶金学》部分复习思考题
冶金09《钢铁冶金学(A)》之《铁冶金学》部分复习思考题绪论复习思考题1 高炉炼铁法在各种炼铁方法中居主导地位的原因是什么？2 为什么说连铸是钢铁工业的一次“技术革命”？3 钢铁工业在国民经济中居何地位？原因何在？第一章现代高炉炼铁工艺复习思考题1 高炉炼铁的工艺流程由哪几部分组成？2 高炉生产有哪些特点？3 对高炉内衬的基本要求是什么？4 简述蓄热式热风炉的工作原理。
5 与湿法除尘相比较，高炉煤气干法除尘有何优点？6 简述高炉内各区域的分布、特征及主要反应。
7 高炉生产有哪些产品和副产品，各有何用途？8 高炉炼铁有哪些技术经济指标？9 利用系数、冶炼强度和焦比之间有何关系？此种关系给我们何种启示？10 概念题：高炉有效高度、有效容积、工作容积、有效容积利用系数、面积利用系数、焦比、置换比、综合焦比、冶炼强度、综合冶炼强度、一代寿命。
第二章高炉炼铁原料复习思考题1天然铁矿石按其主要含铁矿物可分为哪几类？各有何特点？2高炉冶炼对铁矿石质量有何要求？（评价铁矿石质量的标准有哪些？）3熔剂在高炉冶炼中起什么作用？4高炉冶炼对碱性熔剂的质量有何要求？5说明焦炭在高炉冶炼过程中的作用。
6高炉冶炼对焦炭质量提出了哪些要求？7焦炭的强度指标有哪些？简述各指标的意义及高炉冶炼对各指标的原则要求。
8铁矿粉烧结生产有何意义？9简述抽风烧结过程中从上到下依次出现的层次及各层中的主要反应。
10根据烧结过程中碳燃烧反应的类型，分析烧结过程的气氛性质。
11分析水汽冷凝对烧结过程的影响及消除过湿层的措施。
12影响CaCO3分解及CaO矿化的因素有哪些？13 高炉内碳酸盐分解对冶炼过程有何不利影响？（高炉采用熔剂性烧结矿冶炼，杜绝石灰石入炉的意义何在？）14烧结过程发生固相反应的条件是什么，反应过程和反应产物有何特点，固相反应对烧结过程有何影响？15烧结过程中的液相是如何形成的，不同碱度烧结矿的烧结过程中产生的液相有何特点，液相对烧结矿质量有何影响？16 简述正硅酸钙（C2S）造成烧结矿粉化的原因及主要对策。
【资料】铁的氧化物的还原汇编
H2：(1’) 3 Fe2O3 + H2===== 2 Fe3O4 + H2O
+Q
(2’) Fe3O4 + H2===== 3 FeO + H2O
Q
(3’) FeO + H2===== Fe + H2O
Q
(4’) 1/4 Fe3O4 + H2===== 3/4 Fe + H2O Q
9
平衡常数
Kp = %CO2 %CO K’p = %H2O %H2
为方便起见，常简写为FeO
低温下，FexO不能稳定存在，温度570℃时，
分解Fe3O4 + Fe
2
3.1 高炉内还原过程
铁氧化物还原的热力学
—冶金原理—
热力学解决的问题 (1) 在高炉冶炼过程中还原反应能否进行 (2) 反应进行的程度，即还原的数量 (3) 反应所消耗的能量
G K
H
1、还原的顺序性
11
—冶金原理—
CO还原铁氧化物的平衡三相成分与温度关系图
12
—冶金原理—
13
叉子曲线
—冶金原理—
(7)
(3)
(6) (4)
(1)
Fe2O3
(2) (5)
14
分析“叉子”曲线
—冶金原理—
对CO还原，除Fe3O4 FeO曲线向下斜（为吸热反应）之外，其余均为
向
上斜（为放热反应）；
对H2还原，全部曲线向下斜，均为吸热反应。 在低于810℃时，CO的还原能力 H2的还原能力
故 实际还原剂需要量是由 FeO Fe 这一步决定的 !2O3 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。
冶金原理(9.3)--金属氧化物还原动力学
金属氧化物还原动力学一、实验目的和要求用气体还原剂还原金属氧化物，属于气—固多相反应体系。
是一个复杂的物理化学变化过程。
还原热力学公研究反应过程达到平衡时的热力学条件。
而动力学则研究还原反应过程进行的快慢。
即研究影响反应速度大小有关的条件。
其目的在于：查明在冶炼条件下反应速度最慢的步骤（即限制性环节）是什么？以便针对该环李的影响因素，改变冶炼条件，加快反应速度，从而提高生产率。
具体要求如下：1．通过实验说明还原反应的有关机理。
加深课堂讲授内容的理解、巩固和提高。
2．研究还原温度，气体性质及流量，矿石的物理化学性质对还原速度的影响。
3．验证用气体还原剂还原金属氧化物的纯化学反应控制模型和纯扩散控制模型。
4．学习实验数据处理方法及实验操作技术。
分析金属氧化物还原动力学的一般规律。
二、实验原理用气体还原原氧化物是多相反应机理最完整的，如及H2气还原金属氧化物（MeO）的反应式如下：MeO+H2=Me+H2O其反应模型如图9—1所示，在反应物（MeO）外层，生成一层产物层（Me），Me外表存在一边界层，（又称为气膜），最外面为包括反应气体（H2）和生成物气体（H2O）的气流。
反应机理包括以下环节：（1）H2的外扩散；（2）H2的内扩散；（3）结晶化学反应；（4）H2O穿过Me层的内扩散；（5）气体H2O穿过界层的外扩散。
还原反应是由上述各环节完成的。
然而各环节的速度是不相等的，总的速度取决于最慢的一个环节。
即限制环节。
而影响限制性环节的主要因素是：还原温度、矿石孔隙度、矿石粒度、还原气体的性质及流量等。
如果氧化矿结构很致密，还原反应将是自外向内逐渐深入的，存在开头规整的连续反应相界面，对于球形或立方体颗粒而言，这样的反应界面通常是平行于外表面，同时随时间的延续，反应界面将不断向固体内部推进，金属（MeO）内核逐渐缩小。
还原反应遵循结晶化学反应和阻力相似的收缩核模型。
因为H2气需通过生成物层扩散。
以及在MeO、Me 界面上的结晶化学反应。
常见氧化剂和还原剂铁
升失氧
降得还
2
复习·回顾
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中学化学中常见的氧化剂： 中学化学中常见的还原剂：
1、活泼非金属单质
1、金属单质
如：O2、Cl2 2、氧化性酸
如：Na、Fe、Cu 2、某些非金属单质
如：HNO3、浓H2SO4、HClO 如：H2、C
3、含有较高价态元素的盐
3、低价态的氧化物
如：Fe3+、MnO44、过氧化物
1mol失电子量
2×(6－ｘ) ×2 ＝ 2×6
得电子
失电子
ｘ＝3
29
知识总结
编辑课件
“铁三角”
Fe
氧化剂：
氧化剂：
如稀H2SO4等 还原剂： 还原剂：
HNO3 , Cl2等
Zn,Mg等 C,Zn,Mg等
Fe2+
氧化剂: HNO3, 氯水等 还原剂: Fe, Cu等
Fe3+
19
编辑课件
迁移·应用
1.保存FeSO4等亚铁盐时向其中加入铁粉， 为什么？
2 FeCl3+Fe=3FeCl2
2.除杂：FeCl2(FeCl3) FeCl3(FeCl2)
2 FeCl3+Fe=3FeCl2 2FeCl2+ Cl2== 2FeCl3
20
将化学学习放眼生活
编辑课件
井水+茶叶=墨水？ 我家的井水在“变魔术”？
21
将化学学习放眼生活
编辑课件
“井里抽出的水清澈见底，烧开了变得昏黄，一 泡茶就像墨汁一样黑”
FeCl3+3NaOH=
Fe(OH)3↓+3NaCl
28
电子转移守恒
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第二章铁氧化物还原
一、还原反应基本原理
1、金属氧化物的还原反应：金属氧化物还原反应通式
MeO+B=BO+Me (+或-)Q
式中：MeO 金属氧化物
B 还原剂
Me 金属元素
Q 反应热效应
高炉冶炼用CO、H2和固体碳还原剂
2、氧化物的还原顺序：
高炉冶炼条件下，各种氧化物由易到难的还原顺序：
Cu O→P bO→FeO→MnO→SiO2→Al2O3→MgO→CaO
其中：Cu、P b、Fe的氧化物都能被还原。
SiO2、MnO只有部分被还原。
Al2O3、MgO 、CaO不能被还原。
二、铁氧化物还原
（一）铁氧化物的还原顺序：
1、铁的氧化物在还原时，是从高价铁氧化物逐级还原成低价氧化物，最后还原成金属铁。
＞570℃时：Fe2O3→Fe3O4→FeO→FeO
＜570℃时：Fe2O3→Fe3O4→FeO
(FeO→Fe3O4+FeO)
2、铁氧化物顺序还原的原因：是受
铁氧化物中的铁与氧的亲合力大小
决定的。
一般：与氧亲合力大，分解压就小，
难还原。
与氧亲合力小，分解压就大，
易还原。
各种铁氧化物不同温度的分解压（见
图）
（二）用CO还原铁氧化物：
1、还原反应式：
＞570℃时：3Fe2O3+CO=2Fe3O4+ CO2+Q
Fe3O4+CO=3FeO+ CO2-Q
FeO +CO=Fe+ CO2+Q
＜570℃时: 3Fe2O3+CO=2Fe3O4+ CO2+Q
Fe3O4+4CO=3Fe+ CO2+Q
2、反应特点：
①以放热反应为主。
②是间接还原，气相产物为CO2
间接还原：在高炉中以CO（H2）为还原剂，气相产物为CO2（或H2O）的还原反应。
③反应是可逆的。
（三）用固定碳还原铁氧化物：
1、还原反应式：
＞570℃时：3Fe2O3+C=2Fe3O4+ CO +Q
Fe3O4+C=3FeO+ CO -Q
FeO +C=Fe+ CO +Q ＜570℃时: 3Fe2O3+C=2Fe3O4+ CO +Q
Fe3O4+4C=3Fe+ 4CO +Q
2、特点：
①都是吸热反应，并且直接消耗固定
碳。
②是直接还原：
直接还原：高炉中用固定碳作还原
剂，生成的气相产物为CO的还原反
应。
③反应是不可逆的。
3、炭素氧化反应的影响：
（1）炉内固定碳直接还在铁氧化物数量很少。
（2）二步式的直接还原：
①还原反应式：
第一步：间接还原
Fe3O4+CO=3FeO+CO2
FeO+CO=Fe+ CO2.
第二步：间接还原的气相产物CO2.与固体碳反应
CO2+C=2CO
将上两式叠加FeO+CO=Fe+ CO2.
+ CO2+C=2C O￣
FeO +C=Fe+ CO
以上可看出：虽然起还原作用的仍是CO，但最终结果消耗了固体碳。
②间接还原反应与直接还原反应的差别：就是看还原生成的CO2是否与碳发生气化反应.如果CO2与C反应，则此反应为直接还原；如果CO2与C 不反应，则此反应为间接还原
③二步式直接还原的条件：炭素气化反应与焦炭的反应性有关；冶金焦炭一般在800℃开始发生炭素气化反应，1100℃时剧烈进行。
高炉中低于800℃是间接的还原区，800-1100℃中间接与直接还原同时进行区。
大于1100℃是直接还原区。
（四）用H2还在铁氧化物
1、还原反应式：
＞570℃时：3Fe2O3+ H2=2Fe3O4+ H2O +Q
Fe3O4+ H2=3FeO+ H2O -Q
FeO + H2=Fe+ H2O +Q
＜570℃时: 3Fe2O3+ H2=2Fe3O4+ H2O +Q
Fe3O4+4H2=3Fe+ 4H2O +Q
2、反应特点：气相产物都是H2O汽，并且都是吸热反应，属于间接还原。
3、碳水反应的影响：
当温度大于1000℃：H2O汽+C= H2+CO -Q
用H2还原铁氧化物在高温区时：
FeO+ H2=Fe+ H2O
+ H2O+C=C O+H2
FeO +C=Fe+ CO
在低温区时，用H2还原铁氧化物的产物与CO作用：
FeO+ H2=Fe+ H2O
+ H2O+CO=C O2+H2
FeO +CO=Fe+ CO2
结论：H2参加还原反应，但最终消耗的是C和CO，H2起了传氧的作用。
①但由于氢气的扩散能力大，所以对还原反应可以起到催化剂的作用。
②在高温区，并不是所有H2都起传氧作用，还有少量H2参加还原反应，代替了部分焦炭，H2还原比C还原消耗的热量少，所以H2存在有利于焦比降低。
（五）用H2和CO还原铁氧化物的比较：
1、相同点：
1）都是间接还原反应，不增加也不减少煤气的体积。
2）此反应有的放热，有的吸热，但热效应值都不大。
2、不同点：
1）以H2作还原剂的反应是吸热反应，因此提高温度有利于还原进行，而CO的还原以放热为为。
2）低于810℃，CO比的还原能力强；高于810℃，℃比CO的还原能力强。