冶金原理 第五章 还原反应
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金属冶炼中的氧化与还原反应
05 金属冶炼中的环 境保护
冶炼过程中的污染物排放
排放物种类
金属冶炼过程中会产生多种污染 物，如废气、废水、废渣等。
排放标准
为保护环境，各国政府制定了严格 的污染物排放标准，限制金属冶炼 过程中污染物的排放。
减排措施
企业应采取有效措施，降低污染物 排放量，如改进工艺、使用环保设 备等。
冶炼过程中的废弃物处理
碳作为还原剂
碳是一种常见的还原剂， 能够与金属氧化物反应生 成金属单质和二氧化碳。
氢气作为还原剂
氢气在高温下能够还原金 属氧化物生成金属单质和 水蒸气。
铝作为还原剂
铝是一种活泼的金属，能 够还原其他金属氧化物生 成相应的金属单质。
金属的还原过程
氧化物与还原剂反应
金属氧化物与还原剂在高温下发生化 学反应，生成金属单质和相应的气体 或化合物。
金属冶炼中的氧化与还原反 应
汇报人：可编辑 2024-01-06
contents
目录
• 氧化与还原反应的基本概念 • 金属冶炼中的氧化反应 • 金属冶炼中的还原反应 • 金属冶炼中的氧化与还原反应实例 • 金属冶炼中的环境保护
01 氧化与还原反应 的基着化合价升高的过程。
废弃物分类
金属冶炼过程中产生的废弃物可 分为有价金属废弃物和无价金属
废弃物。
废弃物处理方法
对于有价金属废弃物，可以采用 回收、提取等方法进行处理；对 于无价金属废弃物，则需要进行
无害化处理。
资源化利用
通过合理利用废弃物资源，可以 实现资源循环利用，降低生产成
本。
冶炼过程中的节能减排
节能技术
采用先进的节能技术，如余热回收、能量梯级利 用等，可以提高能源利用效率，降低能耗。
冶金原理第5章
5.3.1 分解压力及分解反应
●铁氧化物的分解压都很小，远小于空气中氧的分压。 铁氧化物的分解压都很小，远小于空气中氧的分压。
11
5.3 氧化物形成－分解的热力学原理 氧化物形成－
5.3.2 分解特性 ●逐级转变原则
●最低价氧化物有一个存在的最低温度
●同一元素形成的氧化物，高温时，低价比高价稳定 同一元素形成的氧化物，高温时，
∆G o
o o o ∆G分散 = GN 2 + xGM ( s ) − GM x N 2
o o GM x N 2 = GM x N 2 (V ) + GM x N 2 (表 ) = GM x N 2 (V ) + σ M x N 2 AM x N 2 o o o ∆G分散 = GN 2 + xGM ( s ) − G o M x N 2 (V ) − σ M x N 2 AM x N 2
8
5.2
碳酸盐的分解反应
CaCO3 = CaO + CO2
8908 lg PCO2 (CaCO3 ) = − + 7.53 T
●碳酸钙
∆G o = 170577 − 144.19T
●碳酸镁
●白云石
MgCO3 = MgO + CO2 6210 lg PCO2 ( MgCO3 ) = − + 6.80 T MgCO3 ⋅ CaCO3 = CaCO3 + MgO + CO2 CaCO3 = CaO + CO2 FeCO3 = FeO + CO2
第五章 化合物的形成－分解 化合物的形成－ 碳、氢的燃烧反应
1 化合物形成－分解反应的热力学原理 化合物形成－ 2 碳酸盐的分解反应 3 氧化物的形成－分解反应 氧化物的形成－ 4 5
●铁氧化物的分解压都很小，远小于空气中氧的分压。 铁氧化物的分解压都很小，远小于空气中氧的分压。
11
5.3 氧化物形成－分解的热力学原理 氧化物形成－
5.3.2 分解特性 ●逐级转变原则
●最低价氧化物有一个存在的最低温度
●同一元素形成的氧化物，高温时，低价比高价稳定 同一元素形成的氧化物，高温时，
∆G o
o o o ∆G分散 = GN 2 + xGM ( s ) − GM x N 2
o o GM x N 2 = GM x N 2 (V ) + GM x N 2 (表 ) = GM x N 2 (V ) + σ M x N 2 AM x N 2 o o o ∆G分散 = GN 2 + xGM ( s ) − G o M x N 2 (V ) − σ M x N 2 AM x N 2
8
5.2
碳酸盐的分解反应
CaCO3 = CaO + CO2
8908 lg PCO2 (CaCO3 ) = − + 7.53 T
●碳酸钙
∆G o = 170577 − 144.19T
●碳酸镁
●白云石
MgCO3 = MgO + CO2 6210 lg PCO2 ( MgCO3 ) = − + 6.80 T MgCO3 ⋅ CaCO3 = CaCO3 + MgO + CO2 CaCO3 = CaO + CO2 FeCO3 = FeO + CO2
第五章 化合物的形成－分解 化合物的形成－ 碳、氢的燃烧反应
1 化合物形成－分解反应的热力学原理 化合物形成－ 2 碳酸盐的分解反应 3 氧化物的形成－分解反应 氧化物的形成－ 4 5
金属冶炼中的还原与氧化反应
金属冶炼中的还原与氧化 反应
汇报人：可编辑 2024-01-06
目录
• 金属冶炼概述 • 还原反应在金属冶炼中的应用 • 氧化反应在金属冶炼中的应用 • 金属冶炼中的还原与氧化反应的平衡 • 金属冶炼中的安全与环保
01
金属冶炼概述
金属冶炼的定义和目的
定义
金属冶炼是指通过化学或物理方法将 矿石或金属废料中的金属提取出来的 过程。
感谢您的观看
THANKS
境的负担。
污水处理
03
对产生的废水进行处理，确保达标排放，防止对水体造成污染
。
金属冶炼中的安全与环保实例
某钢铁企业采用先进的冶炼工艺和设备，通过严格的安全操作规程和环保措施，实现了安全生产和环境保护的 双重目标。
该企业建立了完善的安全管理体系和环保监测系统，确保了生产过程中的安全与环保。同时，该企业还积极开 展废弃物回收利用和污水处理工作，实现了资源循环利用和环境保护的双赢。
金属冶炼中还原与氧化反应的平衡实例
பைடு நூலகம்炼铁
在炼铁过程中，铁矿石中的铁元素被还原为金属铁，同时产生的二氧化碳被氧 化为碳酸盐。
炼铜
在炼铜过程中，硫化铜矿中的铜元素被还原为金属铜，同时产生的二氧化硫被 氧化为硫酸。
05
金属冶炼中的安全与环保
金属冶炼中的安全操作规程
严格遵守操作规程
金属冶炼过程中，应遵循安全操作规程，确保生产安全。
铁矿石（主要为铁的氧化 物）在高温下与碳或一氧 化碳反应，生成液态生铁 。
铜的冶炼
铜矿石（主要为铜的硫化 物）在高温下与碳或一氧 化碳反应，生成铜和硫化 氢气体。
铝的冶炼
铝土矿（主要为铝的氧化 物）在高温下与碳或一氧 化碳反应，生成液态铝和 二氧化碳气体。
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目录
• 金属冶炼概述 • 还原反应在金属冶炼中的应用 • 氧化反应在金属冶炼中的应用 • 金属冶炼中的还原与氧化反应的平衡 • 金属冶炼中的安全与环保
01
金属冶炼概述
金属冶炼的定义和目的
定义
金属冶炼是指通过化学或物理方法将 矿石或金属废料中的金属提取出来的 过程。
感谢您的观看
THANKS
境的负担。
污水处理
03
对产生的废水进行处理，确保达标排放，防止对水体造成污染
。
金属冶炼中的安全与环保实例
某钢铁企业采用先进的冶炼工艺和设备，通过严格的安全操作规程和环保措施，实现了安全生产和环境保护的 双重目标。
该企业建立了完善的安全管理体系和环保监测系统，确保了生产过程中的安全与环保。同时，该企业还积极开 展废弃物回收利用和污水处理工作，实现了资源循环利用和环境保护的双赢。
金属冶炼中还原与氧化反应的平衡实例
பைடு நூலகம்炼铁
在炼铁过程中，铁矿石中的铁元素被还原为金属铁，同时产生的二氧化碳被氧 化为碳酸盐。
炼铜
在炼铜过程中，硫化铜矿中的铜元素被还原为金属铜，同时产生的二氧化硫被 氧化为硫酸。
05
金属冶炼中的安全与环保
金属冶炼中的安全操作规程
严格遵守操作规程
金属冶炼过程中，应遵循安全操作规程，确保生产安全。
铁矿石（主要为铁的氧化 物）在高温下与碳或一氧 化碳反应，生成液态生铁 。
铜的冶炼
铜矿石（主要为铜的硫化 物）在高温下与碳或一氧 化碳反应，生成铜和硫化 氢气体。
铝的冶炼
铝土矿（主要为铝的氧化 物）在高温下与碳或一氧 化碳反应，生成液态铝和 二氧化碳气体。
《冶金原理及工艺》第五章 典型合金的熔炼工艺 (4)
ZrCl4的方法受到限制。
有人认为这种腐蚀性夹杂物是反应产物MgCl2，经过静 置、精炼或重熔仍不能使其从镁液中清除。
11
b. 加入氟锆酸钾 常用的是K2ZrF6和其他卤盐的混合物。在合金液表面加 入K2ZrF6时，发生下列反应，使锆进入合金液中：
K2ZrF6 + 2Mg→2KF • MgF2 + Zr 此外，反应后会产生中间产物，反应如下：
(3) 镁合金的熔剂 镁合金熔炼时用的熔剂分覆盖剂和精炼剂两大类。传统 的熔剂都是用无水光卤石(44%~52% NaCl2, 32%~46% KCl)添 加BaCl2、CaF2构成，覆盖、精炼效果尚可，但熔剂熔化时释 放出来的HCl、HF、Cl2等严重污染环境。 近年开发出来的JDMF覆盖剂、JDMJ精炼剂，是以无水光 卤石为基体，添加一些固体化合物，使熔剂的熔点降低、黏 度增加。 这种新型熔剂对镁液来说，兼有熔剂保护与气体保护、 熔剂精炼和气体精炼双重功效，能有效地防止镁合金液的氧 化和提高镁合金的冶金质量，使用中释放出来的有害气体的 含量远低于国家标准，消除了公害，保护了环境。
16
⑤ 含锆镁合金的熔炼 现以ZM-1合金为例，含锆镁合金的熔炼工艺。 ZM-1镁合金化学成分：锌3.5% ~ 5.5%，总锆量0.5% ~ 1.0%（其中溶解锆大于0.5%)，其余为镁量。 对原材料的要求：镁锭(不低于Mg-2)，锌锭(不低于Zn3)，Mg-Zr中间合金应含有总锆量大于25%（其中有效含锆量 为10%左右，有效含锆量指配制工作合金时能起合金化作用 的锆量)。 炉料组成：新料10%~20%，回炉料80%~90% (其中一级回 炉料应占60%以上)。
b. 锆和镁在液态时不能无限溶解，锆在镁中的溶解度仅 为0.6%左右。很难熔制含锆量高且成分又均匀的中间合金 。
还原熔炼反应—氧化物还原熔炼反应
在570℃以下分两步进行(低温还原)：
3Fe2O3(s)+CO =2Fe3O4(s)+CO2 1/4 Fe3O4(s)+CO =3/4 Fe(s)+CO2
rGm =-52131-41.0T rGm =-9832+8.58T
(Ⅰ)同上 (Ⅳ)
说明：
同样，反应的平衡常数和气相平衡成分的关系可用 下式表出：
衡移动的影响。
冶金中还原剂的选择
在冶金中，除根据上述热力学原理来选择还原剂外，还 原剂必须是来源广泛价格便宜的物质。因此，常用的还原剂 种类不多，仅有固体碳、CO、H2、天然气及廉价金属Si、Al 等，分别称为直接还原、间接还原及金属热还原。金属热还 原用以冶炼难还原的氧化物，获得不含碳的金属或合金。另 外，由于开始使用天然气及发展了无焦冶金，H2作为还原剂 有更大的意义。
K 1, (CO)平 100 % ，曲线接近图的上横轴，这是难于还原的 氧化物，如MnO、SiO2、TiO2等；
K 1,(CO)平 0% ，曲线接近图的下横轴，这是易于还原的 氧化物，如NiO、CuO、Fe2O3等；
K 1,(CO)平 50% ，曲线位于图中中部，还原性介于前两者 间的氧化物，如FeO、Fe3O4等。
6.2 氧化物的间接还原反应 Indirect Reduction of Oxide
本节主要内容： 1、CO及H2还原氧化物的热力学；（★） 2、间接还原反应的机理——动力学; 3、铁矿石还原的数学模型； 4、影响还原速率的因素； （★★）
1、CO及H2还原氧化物的热力学
反应的热力学式可由CO（或H2）的燃烧反应与氧化物的形成 反应组合得出：
rGm =23430-16.16T (Ⅲ)
1/4 Fe3O4(s)+H2 =3/4 Fe(s)+H2O(g) rGm =35550-30.40T (Ⅳ)
冶金原理 课后题答案
第一章 冶金热力学基础1．基本概念：状态函数，标准态，标准生成自由能及生成焓，活度、活度系数和活度相互作用系数，分解压和分解温度，表面活性物质和表面非活性物质，电极电势和电池电动势，超电势和超电压。
2．△H 、△S 和△G 之间有何关系，它们的求算方法有什么共同点和不同点？3．化合物生成反应的ΔG °-T 关系有何用途？试根据PbO 、NiO 、SiO2、CO 的标准生成自由能与温度的关系分析这些氧化物还原的难易。
4．化学反应等温式方程联系了化学反应的哪些状态？如何应用等温方程的热力学原理来分析化学反应的方向、限度及各种 因素对平衡的影响？5．试谈谈你对活度标准态的认识。
活度标准态选择的不同，会影响到哪些热力学函数的取值？哪些不会受到影响？6．如何判断金属离子在水溶液中析出趋势的大小？7．试根据Kelvin 公式推导不同尺寸金属液滴（半径分别为r1、r2）的蒸汽压之间的关系。
8．已知AlF 3和NaF 的标准生成焓变为ΔH °298K,AlF3(S)=-1489.50kJ ·mol -1, ΔH °298K,NaF(S)=-573.60kJ ·mol -1，又知反应AlF 3(S)+3NaF (S)=Na 3AlF 6(S)的标准焓变为ΔH °298K=-95.06kJ ·mol -1，求Na 3AlF 6(S)的标准生成焓为多少？(-3305.36 kJ ·mol -1)9．已知炼钢温度下：（1）Ti (S)+O 2=TiO 2(S) ΔH 1=-943.5kJ ·mol -1（2）[Ti]+O 2=TiO 2(S) ΔH 2=-922.1kJ ·mol -1 （3）Ti (S)=Ti(l) ΔH 3=-18.8kJ ·mol -1求炼钢温度下，液态钛溶于铁液反应Ti(l)=[Ti]的溶解焓。
中南大学冶金原理第5章
第五章 冶金熔体的化学性质 与热力学性质
5.1 熔渣的碱度与酸度 5.2 熔渣的氧化性 5.3 熔渣与气体的反应 5.4 熔渣与液态金属的反应 5.5 冶金熔体中组元的活度
5.1 熔渣的碱度与酸度
熔渣的碱度或酸度表示炉渣酸碱性 的相对强弱 。 熔渣的化学性质主要决定于其中占 优势的氧化物所显示含量表示熔渣的碱度或 酸度。
熔渣 a O 2- 值的大小不表示该渣氧化性的强弱。
a O 2与- 熔渣中各种氧化物的数量及种类有关，而熔渣
的氧化性只与其中能提供氧的组分（如炼钢渣中的FeO
，铜氧化精炼渣中的Cu2O等）的含量有关。
5.2 熔渣的氧化性
一、氧化渣与还原渣
熔渣可分为两种：氧化渣和还原渣。 氧化渣——能向金属液输送氧、使金属液被氧饱和或 使金属液中的杂质氧化的渣。 还原渣——能从金属液中吸收氧、即发生金属液脱氧 过程的渣。
K %[O] a(FeO)
氧在铁液熔渣间的分配比（LO）：
LO
K
%[O] a(FeO)
当a(FeO)增大时，即渣的氧化性增强时，铁液中[O]的活度a[O]亦 增大。
5.3 熔渣与气体的反应
一、氢气在熔渣中的行为 二、氮气在熔渣中的行为 三、熔渣的透气性
（自学内容）
5.4 熔渣与液态金属的反应
一、熔渣的离子溶液模型
离子溶液模型的作用：计算熔渣组元活度。 建立模型的方法：假定熔渣离子的结构，离 子间的作用能，离子的分布状态以及离子浓 度的计算方法。
离子溶液模型的分类：
➢ 经典热力学模型——假定硅酸盐熔渣中的各种复合阴离 子和氧离子之间存在着聚合型的化学反应平衡。利用这 类聚合反应的平衡常数可计算熔渣组元的活度。
（自学内容）
图51 熔渣液态金属间的电化学反应
5.1 熔渣的碱度与酸度 5.2 熔渣的氧化性 5.3 熔渣与气体的反应 5.4 熔渣与液态金属的反应 5.5 冶金熔体中组元的活度
5.1 熔渣的碱度与酸度
熔渣的碱度或酸度表示炉渣酸碱性 的相对强弱 。 熔渣的化学性质主要决定于其中占 优势的氧化物所显示含量表示熔渣的碱度或 酸度。
熔渣 a O 2- 值的大小不表示该渣氧化性的强弱。
a O 2与- 熔渣中各种氧化物的数量及种类有关，而熔渣
的氧化性只与其中能提供氧的组分（如炼钢渣中的FeO
，铜氧化精炼渣中的Cu2O等）的含量有关。
5.2 熔渣的氧化性
一、氧化渣与还原渣
熔渣可分为两种：氧化渣和还原渣。 氧化渣——能向金属液输送氧、使金属液被氧饱和或 使金属液中的杂质氧化的渣。 还原渣——能从金属液中吸收氧、即发生金属液脱氧 过程的渣。
K %[O] a(FeO)
氧在铁液熔渣间的分配比（LO）：
LO
K
%[O] a(FeO)
当a(FeO)增大时，即渣的氧化性增强时，铁液中[O]的活度a[O]亦 增大。
5.3 熔渣与气体的反应
一、氢气在熔渣中的行为 二、氮气在熔渣中的行为 三、熔渣的透气性
（自学内容）
5.4 熔渣与液态金属的反应
一、熔渣的离子溶液模型
离子溶液模型的作用：计算熔渣组元活度。 建立模型的方法：假定熔渣离子的结构，离 子间的作用能，离子的分布状态以及离子浓 度的计算方法。
离子溶液模型的分类：
➢ 经典热力学模型——假定硅酸盐熔渣中的各种复合阴离 子和氧离子之间存在着聚合型的化学反应平衡。利用这 类聚合反应的平衡常数可计算熔渣组元的活度。
（自学内容）
图51 熔渣液态金属间的电化学反应
第5章 还原反应
三、还原剂的选择 1、对还原剂X的基本要求 • X对A的亲和势大于Me对A的亲和势。对于氧化物—— → 在氧势图上线应位于线之下； → XO的分解压应小于MeO的分解压。
• 还原产物XA易与产出的金属分离；
• 还原剂不污染产品—— → 不与金属产物形成合金或化合物
• 价廉易得
→ 碳是MeO的良好还原剂。
MeO的CO还原反应，有些吸热的，有些是放热的； MeO的H2还原反应几乎都是吸热反应。
H2在高温下具有较强的还原能力，且生成的H2O较易除去;
→ 应用经过仔细干燥后的H2可以实现那些用CO所不能完成 的还原过 程 —— 1590 oC时，H2可以缓慢地还原SiO2。 H2的扩散速率大于CO [D∝(M)1/2] 用H2代替CO作还原剂可以提高还原反应的速率。 用H2作还原剂可以得到不含碳的金属产品； 而用CO作还原剂常因渗碳作用而使金属含碳，如：
5.2.3 简单金属氧化物的碳还原 一、氧化物固体碳还原过程热力学
直接还原——用C还原氧化物；
间接还原——用CO或H2还原氧化物。 当有固体C存在时，还原反应分两步进行： MeO + CO = Me + CO2 CO2 + C = 2CO 根据气化反应的平衡特点，讨论MeO被C还 原的反应，应区分温度高低（大致以 1000℃为界）。
3、氢还原剂 在标准状态下，H2可将Cu2O、PbO、NiO、 CoO等还原成金属。 在较大的下，H2可将WO3、MoO3、FeO等还 原成金属。 在适当的下，氢可还原钨、钼、铌、钽等的氯 化物。 4、金属还原剂 铝、钙、镁等活性金属可作为绝大部分氧化物 的还原剂。 钠、钙、镁是氯化物体系最强的还原剂。
5.2 金属氧化物的碳还原与氢还原 5.2 1 简单金属氧化物的CO还原 一、金属氧化物CO还原反应热力学
冶金的化学原理及应用
冶金的化学原理及应用1. 简介冶金是研究和应用金属材料的科学和技术。
它涉及到金属的提取、精炼、合金制备和金属材料的加工等过程。
冶金的发展离不开化学原理的应用。
本文将介绍冶金中所涉及到的化学原理，并探讨其在冶金工艺中的应用。
2. 化学原理2.1 氧化还原反应氧化还原反应是冶金中常见的化学反应类型之一。
在冶金过程中，金属经常与氧气或其他氧化剂反应，产生金属氧化物。
而还原反应则是将金属氧化物还原为金属，以实现提取纯净金属的目的。
例如，铁矿石炼铁的过程中，铁矿石与焦炭发生还原反应，生成铁。
2.2 组元平衡在冶金合金制备过程中，组元平衡是一个重要的化学原理。
合金是由两种或更多种金属组成，而不同金属之间的化学反应会影响合金的成分和性质。
通过控制不同金属的比例，可以调节合金的硬度、强度、耐腐蚀性等性能。
2.3 腐蚀与防腐腐蚀是金属与周围环境发生化学反应而导致金属表面受损的现象。
在冶金中，腐蚀是一个不可避免的问题。
了解腐蚀的化学原理，可以帮助冶金工程师选择合适的材料和防腐措施，延长金属材料的使用寿命。
2.4 催化剂的应用催化剂在冶金过程中起着重要的角色。
催化剂可以改变化学反应的速率和反应途径，降低反应温度和能量消耗。
例如，在钢铁冶炼过程中，常常使用氧化铝作为催化剂，促进炉内氧化反应的进行。
3. 应用3.1 金属提取冶金的一个主要应用是金属的提取。
利用化学反应，将金属从矿石中提取出来，并进行精炼处理，得到高纯度的金属。
其中，氧化还原反应和组元平衡的原理在金属提取过程中起着重要的作用。
3.2 合金制备合金是在冶金中常见的材料类型。
通过合金制备，可以改变金属的性质和用途。
组元平衡的原理帮助调节合金的成分，而催化剂的应用可以加速合金制备过程。
3.3 腐蚀防护冶金材料在使用过程中常常会遭受腐蚀的侵蚀。
通过了解腐蚀的化学原理，可以采取适当的防腐措施，包括使用合适的涂层、防腐液体和合金材料等，保护金属材料免受腐蚀的损害。
3.4 环境保护冶金过程中产生的废气和废水对环境有一定的污染作用。
冶金原理第五章
2）高价氧化物在金属元素作用下，可被还原为氧势低的相邻低价氧化物； 4Fe2O3（s）＋Fe（s）＝3Fe3O4（s） Fe3O4（s）＋Fe（s）＝4FeO（s）
5.2.4 氧化物形成－分解的热力学原理
金属，特别是过渡金属元素可有几种价态及相应地有几种氧化物存在。其不 同价态的氧化物的氧势服从氧势递增原理： 在任意M－O体系中，相邻氧化物的氧势随含氧量的增加而增加。（可从热力 学上严格证明）。高价氧化物的氧势比低价高，氧势大，氧化物不稳定。 根据氧势递增原理，可有以下特点： 1）金属氧化物的形成或分解遵循逐级转变原则： • 逐级形成： Fe FeO Fe3O4 Fe2O3 • 逐级分解：高价氧化物 相邻低价氧化物＋O2 热力学计算表明：在标准态下，FeO在低于570℃下不能稳定存在（ G0）。
因此，C－H－O系在不同条件下可能出现上述8个燃烧反应。 3）CO、H2的燃烧 结合前述氧势图内容学习（自学）。
4）固体碳的燃烧反应
重点介绍：碳的气化反应或熔损反应 C＋CO2＝2CO G＝166550－171T
K
2 p CO
a C p CO 2
强吸热反应，T升高，CO升高，CO2降低（正向移动）
pB
nB
nB
p
）
（2）平衡常数方程：选用的平衡常数方程的个数最多不能超过体系内独 立反应的数目。 独立反应数＝物种数－元素数 K＝
（3）各元素原子的物质的量恒定方程：平衡组分的浓度和体系的初始条件有关， 而在反应中，各元素的原子的物质的量保持不变。由此，可建立原子的物 质的量恒定方程。需要知道体系的原始气相组成。
位置低的元素在标准态下可将位置高的 CO线：C万能还原剂。交点温度称为转
化温度。
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在真空条件下进行的还原过程
第五章 还原过程
三、还原剂的选择 1、对还原剂X的基本要求 • X对A的亲和势大于Me对A的亲和势。对于氧化物——
→ 在氧势图上线应位于线之下； → XO的分解压应小于MeO的分解压。 • 还原产物XA易与产出的金属分离； • 还原剂不污染产品—— → 不与金属产物形成合金或化合物 • 价廉易得。 → 碳是MeO的良好还原剂。
第五章 还原过程
概述 一、研究还原过程的意义 金属元素在自然界很少以单质形态存在 有色金属矿物大多数是硫化物或氧化物 炼铁所用矿物及很多冶金中间产品主要是氧化物形态 钛、锆、铪等金属的冶金中间产品为氯化物 还原反应在从这些矿物提取金属的过程中起着重要作用 还原过程实例： 高炉炼铁、锡冶金、铅冶金、火法炼锌、钨冶金、钛冶金
第五章 还原过程
2、碳还原剂的主要特点求 • 碳对氧的亲和势大，且随着温度升高而增加，能还原绝大多数 金属氧化物。 → Cu2O、PbO、NiO、CoO、SnO等在标准状态下，在不太高 的温度下可被碳还原。 → FeO、ZnO、Cr2O3、MnO、SiO2等氧化物在标准状态下，在 线与线交点温度以上可被碳还原。 → V2O5、Ta2O5、Nb2O5等难还原氧化物在标准状态下不能被碳 还原；但在高温真空条件下可被碳还原。 → CaO等少数金属氧化物不能被碳还原。 • 反应生成物为气体，容易与产品Me分离。 • 价廉易得。 • 碳易与许多金属形成碳化物。
第五章 还原过程
结论 碳的高价氧化物（CO2）和低价氧化物（CO）的 稳定性随温度而变。 温度升高，CO稳定性增大，而CO2稳定性减小。 在高温下，CO2能与碳反应生成CO，而在低温下， CO会发生歧化，生成CO2和沉积碳。 在高温下并有过剩碳存在时，燃烧的唯一产物是 CO。 如存在过剩氧，燃烧产物将取决于温度；温度愈 高，愈有利于 CO的生成。
第五章 还原过程
一、碳-氧系燃烧反应的热力学 1、碳-氧系燃烧反应 碳–氧系的主要反应 • 碳的气化反应 → 在高温下向正方向进行——布多尔反应； → 低温下反应向逆方向进行——歧化反应（或碳素沉积反 应）。 • 煤气燃烧反应：△Gθ随着温度升高而增大， → 高温下CO氧化不完全。 • 碳的完全燃烧反应： △Gθ<< 0 • 碳的不完全燃烧反应：△Gθ<< 0
第五章 还原过程
二、铁氧化物的CO还原
铁氧化物的还原是逐级进行的
第五章 还原过程
•t < 400℃时，%CO≈0 反应基本上不能进行；随着温度升高，%CO变化不明显。 • t = 400~1000℃时 随着温度升高，%CO明显增大。 • t > 1000℃时，%CO≈100 反应进行得很完全。 → 在高温下，有碳存在时，气相中几乎全部 为CO。
第五章 还原过程
第五章 还原过程
2、C-O系优势区图 → 在影响反应平衡的变量（温度、总压、气相组 成）中，有两个是独立变量。 碳汽化反应为吸热反应，随着温度升高，其平衡 常数增大，有利于反应向生成CO的方向迁移。 → 在总压P总一定的条件下，气相CO%增加。 在C-O系优势区图中，平衡曲线将坐标平面划分为 二个区域： Ⅰ—— CO部分分解区（即碳的稳定区） Ⅱ—— 碳的气化区（即CO稳定区）。
第五章 还原过程
3、氢还原剂 在标准状态下，H2可将Cu2O、PbO、NiO、 CoO等还原成金属。 在较大的下，H2可将WO3、MoO3、FeO等还 原成金属。 在适当的下，氢可还原钨、钼、铌、钽等的氯 化物。 4、金属还原剂 铝、钙、镁等活性金属可作为绝大部分氧化物 的还原剂。 钠、钙、镁是氯化物体系最强的还原剂。
第五章 还原过程
5.1 燃烧反应 火法冶金常用的燃料 ： 1.固体燃料 煤和焦碳，其可燃成分为C 2. 气体燃料 煤气和天然气，其可燃成分主要为CO和H2 3.液体燃料 重油等，其可燃成分主要为CO和H2
第五章 还原过程
火法冶金常用的还原剂 1. 固体还原剂 煤、焦碳等，其有效成分为C； 2. 气体还原剂 CO和H2等 3. 液体还原剂 Mg、Na等 → C、CO、H2为冶金反应提供所需要的热能 → C、CO、H2是金属氧化物的良好还原剂
Hale Waihona Puke 第五章 还原过程9.3 金属氧化物的碳还原与氢还原 9.3.1 简单金属氧化物的CO还原 一、金属氧化物CO还原反应热力学
金属氧化物的CO还原反应： MeO + CO = Me + CO2 对于大多数金属（Fe、Cu、Pb、Ni、Co），在还原温度 下MeO和Me均为凝聚态，系统的自由度为： f = c – p + 2 = 3 – 3 +2 = 2 忽略总压力对反应9的影响，系统的平衡状态可用%CO-T 曲线描述。
第五章 还原过程
二、氢-氧系燃烧反应的热力学 在通常的冶炼温度范围内，氢的燃烧反应进行得十 分完全，平衡时氧的分压可忽略不计。 氢燃烧反应的△rGθ-T线与CO燃烧反应的△rGθ-T 线相交于一点，交点温度： -503921+117. 36T = -564840+173. 64T T = 1083K 温度高于1083K，H2对氧的亲和势大于CO对氧的 亲和势 → H2的还原能力大于CO的还原能力。 温度低于1083K，则相反。
第五章 还原过程
四、燃烧反应气相平衡成分计算 多组份同时平衡气相成分计算的一般途径 平衡组分的分压之和等于总压，即ΣPi=P 总。 根据同时平衡原理，各组分都处于平衡状 态。 → 根据反应的平衡方程式和平衡常数建立 相应的方程式。 根据物料平衡，反应前后物质的摩尔数及 摩尔数之比不变。
第五章 还原过程
二、还原过程分类 气体还原剂还原
用CO或H2作还原剂还原金属氧化物。 固体碳还原
用固体碳作还原剂还原金属氧化物。 金属热还原
用位于 △Gθ－T 图下方的曲线所表示的金属作还原剂，还原位于 △Gθ－T 图上方曲线所表示的金属氧化物（氯化物、氟化物）以制取 金属。 真空还原
第五章 还原过程
三、还原剂的选择 1、对还原剂X的基本要求 • X对A的亲和势大于Me对A的亲和势。对于氧化物——
→ 在氧势图上线应位于线之下； → XO的分解压应小于MeO的分解压。 • 还原产物XA易与产出的金属分离； • 还原剂不污染产品—— → 不与金属产物形成合金或化合物 • 价廉易得。 → 碳是MeO的良好还原剂。
第五章 还原过程
概述 一、研究还原过程的意义 金属元素在自然界很少以单质形态存在 有色金属矿物大多数是硫化物或氧化物 炼铁所用矿物及很多冶金中间产品主要是氧化物形态 钛、锆、铪等金属的冶金中间产品为氯化物 还原反应在从这些矿物提取金属的过程中起着重要作用 还原过程实例： 高炉炼铁、锡冶金、铅冶金、火法炼锌、钨冶金、钛冶金
第五章 还原过程
2、碳还原剂的主要特点求 • 碳对氧的亲和势大，且随着温度升高而增加，能还原绝大多数 金属氧化物。 → Cu2O、PbO、NiO、CoO、SnO等在标准状态下，在不太高 的温度下可被碳还原。 → FeO、ZnO、Cr2O3、MnO、SiO2等氧化物在标准状态下，在 线与线交点温度以上可被碳还原。 → V2O5、Ta2O5、Nb2O5等难还原氧化物在标准状态下不能被碳 还原；但在高温真空条件下可被碳还原。 → CaO等少数金属氧化物不能被碳还原。 • 反应生成物为气体，容易与产品Me分离。 • 价廉易得。 • 碳易与许多金属形成碳化物。
第五章 还原过程
结论 碳的高价氧化物（CO2）和低价氧化物（CO）的 稳定性随温度而变。 温度升高，CO稳定性增大，而CO2稳定性减小。 在高温下，CO2能与碳反应生成CO，而在低温下， CO会发生歧化，生成CO2和沉积碳。 在高温下并有过剩碳存在时，燃烧的唯一产物是 CO。 如存在过剩氧，燃烧产物将取决于温度；温度愈 高，愈有利于 CO的生成。
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一、碳-氧系燃烧反应的热力学 1、碳-氧系燃烧反应 碳–氧系的主要反应 • 碳的气化反应 → 在高温下向正方向进行——布多尔反应； → 低温下反应向逆方向进行——歧化反应（或碳素沉积反 应）。 • 煤气燃烧反应：△Gθ随着温度升高而增大， → 高温下CO氧化不完全。 • 碳的完全燃烧反应： △Gθ<< 0 • 碳的不完全燃烧反应：△Gθ<< 0
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二、铁氧化物的CO还原
铁氧化物的还原是逐级进行的
第五章 还原过程
•t < 400℃时，%CO≈0 反应基本上不能进行；随着温度升高，%CO变化不明显。 • t = 400~1000℃时 随着温度升高，%CO明显增大。 • t > 1000℃时，%CO≈100 反应进行得很完全。 → 在高温下，有碳存在时，气相中几乎全部 为CO。
第五章 还原过程
第五章 还原过程
2、C-O系优势区图 → 在影响反应平衡的变量（温度、总压、气相组 成）中，有两个是独立变量。 碳汽化反应为吸热反应，随着温度升高，其平衡 常数增大，有利于反应向生成CO的方向迁移。 → 在总压P总一定的条件下，气相CO%增加。 在C-O系优势区图中，平衡曲线将坐标平面划分为 二个区域： Ⅰ—— CO部分分解区（即碳的稳定区） Ⅱ—— 碳的气化区（即CO稳定区）。
第五章 还原过程
3、氢还原剂 在标准状态下，H2可将Cu2O、PbO、NiO、 CoO等还原成金属。 在较大的下，H2可将WO3、MoO3、FeO等还 原成金属。 在适当的下，氢可还原钨、钼、铌、钽等的氯 化物。 4、金属还原剂 铝、钙、镁等活性金属可作为绝大部分氧化物 的还原剂。 钠、钙、镁是氯化物体系最强的还原剂。
第五章 还原过程
5.1 燃烧反应 火法冶金常用的燃料 ： 1.固体燃料 煤和焦碳，其可燃成分为C 2. 气体燃料 煤气和天然气，其可燃成分主要为CO和H2 3.液体燃料 重油等，其可燃成分主要为CO和H2
第五章 还原过程
火法冶金常用的还原剂 1. 固体还原剂 煤、焦碳等，其有效成分为C； 2. 气体还原剂 CO和H2等 3. 液体还原剂 Mg、Na等 → C、CO、H2为冶金反应提供所需要的热能 → C、CO、H2是金属氧化物的良好还原剂
Hale Waihona Puke 第五章 还原过程9.3 金属氧化物的碳还原与氢还原 9.3.1 简单金属氧化物的CO还原 一、金属氧化物CO还原反应热力学
金属氧化物的CO还原反应： MeO + CO = Me + CO2 对于大多数金属（Fe、Cu、Pb、Ni、Co），在还原温度 下MeO和Me均为凝聚态，系统的自由度为： f = c – p + 2 = 3 – 3 +2 = 2 忽略总压力对反应9的影响，系统的平衡状态可用%CO-T 曲线描述。
第五章 还原过程
二、氢-氧系燃烧反应的热力学 在通常的冶炼温度范围内，氢的燃烧反应进行得十 分完全，平衡时氧的分压可忽略不计。 氢燃烧反应的△rGθ-T线与CO燃烧反应的△rGθ-T 线相交于一点，交点温度： -503921+117. 36T = -564840+173. 64T T = 1083K 温度高于1083K，H2对氧的亲和势大于CO对氧的 亲和势 → H2的还原能力大于CO的还原能力。 温度低于1083K，则相反。
第五章 还原过程
四、燃烧反应气相平衡成分计算 多组份同时平衡气相成分计算的一般途径 平衡组分的分压之和等于总压，即ΣPi=P 总。 根据同时平衡原理，各组分都处于平衡状 态。 → 根据反应的平衡方程式和平衡常数建立 相应的方程式。 根据物料平衡，反应前后物质的摩尔数及 摩尔数之比不变。
第五章 还原过程
二、还原过程分类 气体还原剂还原
用CO或H2作还原剂还原金属氧化物。 固体碳还原
用固体碳作还原剂还原金属氧化物。 金属热还原
用位于 △Gθ－T 图下方的曲线所表示的金属作还原剂，还原位于 △Gθ－T 图上方曲线所表示的金属氧化物（氯化物、氟化物）以制取 金属。 真空还原