钢铁冶金原理碳的氧化
第四章 钢铁冶金原理碳的氧化
[C ] + [FeO] = [Fe] + CO
2、碳氧浓度积 钢水中的脱C：
,
∆G O =98799-90.76T J ⋅ mol −1
∆G O =-22364-39.63T J ⋅ mol −1
[C ] + [O ] = [CO]
,
PCO PCO K= = a[C ] a[O ] f C f O [ %C ][ %O ]
( %CO ) × P × K × (1 − 5 X [C ] ) × X [C ]饱 ∴ X [C ] = 100 [100 − %CO ] 1 − 5 X [C ]饱
2
当铁液中渗碳量较低时（〔%C〕<1）时：
X [C ] =
55.85 × [ %C ] = 0.0465 [ %C ] 100 × 12
§4.3.2 脱C反应的动力学 反应的动力学 1、过程机理 ⑴氧从炉气向钢液中传递：（经过熔渣） 向渣中传递（渣气界面）
1 O2 + 2(FeO ) = Fe2 O3 2
钢渣界面
1 1 O2 + (Fe2 O3 ) = 2 Fe O2− 2
(
)
4(Fe2 O3 ) + [Fe] = 5 Fe 2+ + 7 O 2− + [O ]
PCO ↑→
2λ r
↑。
钢夜深度↑→ δ m ρ m g ↑→
[%C ][ %O]
↑→
[ %O ]平
钢夜-熔渣界面： PCO ≈ 1atm ，
[%C ][%O] = m = 0.0025
r →∞
，附加压力
⑵钢液表面：钢液表面形成的CO气泡为平展气泡，
化学常识：高中化学百科小知识点：铁的冶炼
化学常识：高中化学百科小知识点：铁的冶炼
一、化学常识：高中化学百科小知识点：铁的冶炼1、原理：在高温下，利用焦炭与氧气反应生成的一氧化碳把铁从铁矿石里还原出来。
2、现象：红色粉末逐渐变为黑色，产生的气体能使澄清的石灰水变浑浊。
3、书上图8-20需注意：①先通CO再加热的目的：排出装置内的空气，以免加热时CO与空气混合，可能会发生爆炸。
②实验完毕后继续通入CO的目的;防止氧化铁被还原成铁后，在较高的温度下重新被氧化③尾气的处理：因为CO有毒，所以尾气中的CO气体要经过处理，变成无毒的气体。
可点燃使其生成无毒的二氧化碳气体。
4、原料：铁矿石、焦炭、石灰石、空气常见的铁矿石有磁铁矿(主要成分是Fe3O4)、赤铁矿(主要成分是Fe2O3)[来源:Zxx5、石灰石的作用：除去铁矿石中的二氧化硅化学网小编为大家提供的高中化学百科小知识点，大家仔细阅读了吗?最后祝同学们学习进步。
二、高考化学必备知识点：高中化学百科小知识点：铁的冶炼接触不充分追问：可否清楚解释追答：反应物之间的充分接触，才能使化学反应物质充分反应，充分利用物质！像铁的冶炼，是化学反应的应用，也一样遵循这个理念。
高炉中的少部分碳与氧化铁反应的，但因为固体间接触不充
分，所以大部分碳还没有来的急反应，就先被氧化成CO，而CO与氧化铁接触充分的。
所以，主要是CO还原氧化铁。
化学网小编提示：以上是化学常识：高中化学百科小知识点：铁的冶炼，高考化学必备知识点，高中化学百科小知识点：铁的冶炼。
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【高中化学】金属资源的保护和利用
【高中化学】金属资源的保护和利用
1、铁的冶炼
（1）原理：在高温下，利用焦炭与氧气反应生成的一氧化碳把铁从铁矿石里还原出来。
3co+fe2o3高温2fe+3co2
（2）原料：铁矿石、焦炭、石灰石、空气
常用的铁矿石存有磁铁矿（主要成分就是fe3o4）、赤铁矿（主要成分就是fe2o3）
2、铁的锈蚀
（1）铁锈蚀的条件就是：铁与o2、水碰触（铁锈的主要成分：fe2o3•xh2o）
（铜生铜绿的条件：铜与o2、水、co2接触。
铜绿的化学式：cu2(oh)2co3）
（2）避免铁制品锈蚀的措施：
①保持铁制品表面的清洁、干燥
②表面涂抹保护膜：例如涂油、刷漆、电镀、烤蓝等
③制成不锈钢
（3）铁锈很结石，无法制约里层的铁稳步与氧气、水蒸气反应，因此铁制品可以全部被破损。
因而铁锈应当及时除去。
（4）而铝与氧气反应生成致密的氧化铝薄膜，从而阻止铝进一步氧化，因此，铝具有很好的抗腐蚀性能。
3、金属资源的维护和利用:①避免金属腐蚀
保护金属资源的途径：②回收利用废旧金属
③合理采矿矿物
④寻找金属的代用
意义：节约金属资源，增加环境污染。
炼铁化学的方程式解读
炼铁化学的方程式解读炼铁是现代工业中非常重要的一个生产过程，其背后涉及到一系列复杂而有趣的化学反应。
通过对炼铁化学方程式的深入解读，我们能够更好地理解这一过程的原理和机制。
炼铁的主要原料是铁矿石、焦炭和石灰石。
常见的铁矿石有赤铁矿（主要成分是 Fe₂O₃）和磁铁矿（主要成分是 Fe₃O₄）。
以赤铁矿为例，炼铁的主要化学方程式为：Fe₂O₃＋ 3CO ＝高温= 2Fe ＋ 3CO₂在这个反应中，一氧化碳（CO）充当了还原剂。
一氧化碳具有较强的还原性，能够从氧化铁（Fe₂O₃）中夺取氧原子，将氧化铁还原为单质铁（Fe），自身则被氧化为二氧化碳（CO₂）。
从反应条件来看，高温是这个反应能够顺利进行的关键因素。
在高温环境下，分子的运动更加剧烈，反应物之间的碰撞几率增加，从而提高了反应的速率和效率。
再来看焦炭在炼铁过程中的作用。
焦炭燃烧提供了大量的热量，维持了反应所需的高温环境。
其化学方程式为：C ＋ O₂＝点燃= CO₂同时，一部分二氧化碳会与焦炭发生反应，生成一氧化碳：CO₂＋ C ＝高温= 2CO生成的一氧化碳继续参与还原氧化铁的反应。
石灰石在炼铁中的作用也不可忽视。
它的主要成分是碳酸钙（CaCO₃），在高温下分解为氧化钙（CaO）和二氧化碳：CaCO₃＝高温= CaO ＋ CO₂↑生成的氧化钙能够与矿石中的杂质（如二氧化硅）反应，形成炉渣，从而实现铁与杂质的分离。
总的来说，炼铁过程中的这些化学方程式相互关联、相互作用，共同促成了铁矿石向铁的转化。
在实际的炼铁生产中，为了提高炼铁的效率和质量，还需要对原料的比例、反应的温度和时间等条件进行精确的控制。
比如，如果一氧化碳的供应量不足，就可能导致氧化铁还原不完全，影响铁的产量和质量。
此外，炼铁过程中还会产生大量的废气和废渣。
这些废弃物如果处理不当，会对环境造成严重的污染。
因此，现代炼铁工业在追求经济效益的同时，也越来越注重环境保护，通过改进工艺和设备，减少污染物的排放。
炼钢的反应原理化学方程式
炼钢的反应原理化学方程式
炼钢是通过控制熔炼过程中的化学反应，将生铁中的杂质去除，使其成为高纯度的钢铁的过程。
炼钢的主要反应原理涉及氧化、还
原和酸碱中和等化学过程。
首先，炼钢过程中的主要化学反应是生铁中的碳氧化反应。
在
高温下，生铁中的碳与氧气发生反应，生成二氧化碳气体和燃烧产
物一氧化碳。
化学方程式如下：
Fe + C + O2 → FeO + CO2。
3Fe + 2C + O2 → Fe3O4 + 2CO.
其次，炼钢过程中还涉及矿渣中的氧化反应。
矿渣中的氧化物
与碳发生反应，生成一氧化碳和金属铁。
化学方程式如下：FeO + C → Fe + CO.
Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO.
此外，炼钢过程中还包括金属氧化物的还原反应。
金属氧化物在高温下与还原剂（如碳）反应，生成金属和氧化物。
化学方程式如下：
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2。
最后，炼钢过程中的酸碱中和反应也是至关重要的。
通过向炉中加入石灰石等碱性物质，可以中和矿石中的酸性物质，从而有助于去除硫等杂质。
这些反应不仅有助于去除杂质，还有助于调节炉内的化学平衡。
总的来说，炼钢的反应原理涉及氧化、还原和酸碱中和等多种化学反应，通过这些反应可以有效地去除生铁中的杂质，得到高质量的钢铁产品。
化学解析《钢铁是怎样炼成的》
化学解析《钢铁是怎样炼成的》化学解析《钢铁是怎样炼成的》钢铁是现代生活和工业生产中应用极为一类重要物质。
诸如我们的日常用品，奥运场馆“鸟巢”，在神舟飞船上，我们都看到钢铁身影，那么，钢铁是怎样炼成的呢？理论分析1．原理：生铁冶炼原理是利用还原剂CO将铁从铁的氧化物中还原出来，化学方程式是3CO + Fe2O32Fe + CO2；而炼钢则是在高温的条件下用O2或铁的氧化物把生铁中所含的过量碳或其它杂质氧化为气体或炉渣而除去。
主要反应的化学方程式为C + O2CO2。
2．原料：炼铁的原料有铁矿石、焦炭、石灰石、空气，而炼钢是用生铁或废钢、氧气、生石灰炼得。
3．设备：炼铁是高炉，炼钢是转炉、平炉、电炉。
4．性能：生铁硬而脆、无韧性；钢韧性大、有弹性。
例题赏析（2009年贵州省黔东南州中考）在图中，甲图是一氧化碳与氧化铁反应装置的示意图，乙图是高炉练铁示意图．请回答下列问题。
（1）写出甲图中的`实验现象：________________________________。
（2）甲图中装置的不足之处是：______________________________。
（3）请写出高炉中生成铁的化学方程式：_______________________。
解析：CO还原氧化铁生成单质铁和CO2，这样红棕色粉末会逐渐变黑，同时生成的CO2气体会使澄清石灰水变浑浊，但在甲图中缺少处理有毒气体CO的装置。
铁矿石的主要成分为Fe2O3，3CO + Fe2O32Fe + CO2答案：（1）红色粉末变黑，澄清石灰水变浑浊（2）没有尾气处理装置（3）3CO + Fe2O3 （4）2Fe + CO2。
转炉炼钢的主要化学反应
转炉炼钢的主要化学反应转炉炼钢是现代钢铁工业中最主要的钢铁生产方法之一，它以高炉生产的铸铁为原料，通过氧化还原反应和化学反应，将铸铁中的碳、硅、锰等杂质去除，同时加入适量的合金元素，制成高质量的钢材。
本文将介绍转炉炼钢的主要化学反应过程及其原理。
一、转炉炼钢的主要化学反应1. 碳的氧化反应在转炉炼钢的过程中，碳是最容易被氧化的元素之一。
当氧气通过转炉喷嘴进入炉腔时，与铸铁中的碳发生反应，生成一氧化碳和二氧化碳。
这两种气体都是氧气的代表性产物，它们的生成量与氧气的流量和铸铁中碳的含量有关。
C + O2 → COC + 2O2 → CO22. 硅的氧化反应硅也是铸铁中的主要杂质之一，它的氧化反应比碳的氧化反应稍微困难一些。
在转炉中，硅的氧化反应主要发生在炉渣中。
当氧气通过喷嘴进入炉腔时，与炉内的炉渣反应，生成硅酸钙和二氧化硅。
这两种产物都是非常稳定的化合物，它们能够有效地将炉渣中的硅去除。
SiO2 + CaO → CaSiO3SiO2 + O2 → SiO23. 锰的氧化反应锰是一种重要的合金元素，它能够显著提高钢材的强度和韧性。
在转炉炼钢的过程中，锰的氧化反应主要发生在炉渣中。
当氧气通过喷嘴进入炉腔时，与炉渣中的锰反应，生成锰酸钙和二氧化锰。
这两种产物都能有效地将炉渣中的锰去除。
MnO + CaO → CaMnO32MnO2 → 2MnO + O24. 磷的还原反应磷是一种非常有害的杂质元素，它能够降低钢材的强度和韧性。
在转炉炼钢的过程中，磷的还原反应主要发生在钢水中。
当还原剂进入钢水中时，与钢水中的磷反应，生成磷化氢和磷化钙。
这两种产物都是非常稳定的化合物，它们能够有效地将钢水中的磷去除。
2P + 3H2 → 2PH3CaO + P2O5 → Ca3(PO4)2二、转炉炼钢的原理转炉炼钢的原理是以氧化还原反应和化学反应为基础，通过控制氧气的流量和喷入位置，使铸铁中的碳、硅、锰等杂质被氧化，同时加入适量的合金元素，制成高质量的钢材。
【精编】冶金原理PPT---第六章-氧化反应PPT课件
冶金原理PPT---第六章-氧化反 应
第六章 氧化反应
6.2 脱碳反应
6.2.1 脱碳反应的作用
较小；反之，过剩氧就更大些。
第六章 氧化反应
从热力学条件考虑，影响脱碳反应的因素是： (1)增大fc有利于脱碳； (2)增大fo和[％O]有利于脱碳； (3)降低气相中CO的分压能使脱碳反应顺利进行； (4)温度对脱碳反应的影响不大。
第六章 氧化反应
6.2.4 脱碳反应的动力学条件
1． 脱碳反应的环节 熔池中碳和氧的反应至少包括三个环节： (1) 反应物C和O向反应区扩散； (2) [C]和[O]进行化学反应； (3)排出反应产物——CO 或 CO+C02混合物。
等确定的常数。
6பைடு நூலகம்3 硅、锰的氧化反应
铁矿石中Si02和MnO在炼铁时被还原，硅、锰进入铁水中，废钢中也含一些硅和锰，因此， 在炼钢中硅和锰是不可避免而存在的元素。硅和锰在炼钢中的氧化和还原反应也是炼钢炉内 的基本反应。
6.3.1 硅和锰在炼钢中表现的热力学性质
硅和锰在熔铁中均有无限的溶解度，硅可在铁液中形成金属化合物FeSi，在炼钢温度下 硅可氧化成为SiO2。锰在铁液中溶解时无化学作用，炼钢时可形成MnO、MnS等化合物。在炼 钢温度下，锰的蒸气压比铁高得多(相差约为十几倍)，所以应该注意在氧流作用区的高温下 锰蒸发的可能性。
为了分析炼钢过程中[C]和[O]间的关系，常将Pco取做一个大气压，并且因为[%C]低时， fC和fO均接近于1，因此可以用[%C]和[%O]分别直接代入(6-14)式，则该式可简化为：
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2 r
：炉渣的静压力，Pa； ：气体的附加压力，Pa；（
： N m1 ；r半径，m）
故：
%C %O mPCO 0.0025 Pg m m g s s g
PCO ↑→
2 r
↑。
钢夜深度↑→ m m g ↑→
%C %O
C
：海绵铁中的C以纯石墨为标准态的活度系数。
P313解释 已知：
fC
1 1 5 X C
（1）
PC PC C X C K H fC X C
KH 0 C fC C fC PC
当海绵铁渗C饱和时：
0 C 饱 = C fC 饱
， k s FeO
A km 0 Vm
M0 A s Vm m M FeO
；
碳氧反应在炼钢过程中的作用
把钢液中的碳含量氧化降低到所炼钢号的规格内。这是炼钢的任务之一。 碳氧反应时产生大量的C0气泡，这些气泡从钢液中排出时，对熔池有一种强 烈的搅拌作用，它均匀了钢液的成分和温度，改善了各种化学反应的动力学条 件，有利于炼钢中各种化学反应的进行。 碳氧反应产物C0气泡，对于钢液中的N、H相当于一个小真空室，钢液中的气体 很容易扩散到这些上浮的C0气泡中，并随之排除到大气之中，所以脱碳反应是 去除钢中气体所必需的手段之一。 非金属夹杂物上浮的速度主要取决于非金属夹杂物的大小。碳氧反应对熔池 的搅拌作用促进了非金属夹杂物的碰撞长大，从而显著地提高了上浮速度。另 外，C0气泡表面也可粘附一部分非金属夹杂物使其上浮入渣。所以，碳氧反应 是去除钢中夹杂物所必需的手段之一。 碳的氧化反应放出大量的热，是氧气转炉炼钢的重要热源。同时，由于C0气泡 的大量产生，使转炉内产生大量的泡沫渣，增加了钢—渣接触面积，有助于反 应速度的提高。
⑴熔池内部：
只有钢水内部CO气泡内PCO满足下列条件时，气泡才能形成
2 PCO Pg m m g s s g r
PCO
：气泡内CO的压力，Pa；
Pg
：炉气压力，Pa；
m m g ：钢夜的静压力，Pa；（ 钢夜的深度，m, 钢夜的密度，） m m
s s g
%CO%O mPCO
CO气泡在铁液内：
2 %CO%O mPCO m Pg r
采用真空操作 ，加速脱碳。
Pg ，减小
m、 s 可使
%CO%O
§4.3.2 脱C反应的动力学
1、过程机理
⑴氧从炉气向钢液中传递：（经过熔渣） 向渣中传递（渣气界面）
图8—1 熔池吹氧示意图(吹氧脱碳操作
图8—2氧气顶吹转炉氧射流与熔池相互作用示意 图
⑵回旋燃烧：当风速较大时，鼓风吹 动风口前的焦炭，形成一个疏松而近
似球形的回旋区，焦炭随鼓风作高速
回旋运动。
这在强化冶炼的中小高炉和大高 炉上出现。沿风口中心线燃烧带内气 相成分变化如图所示。
§4.2 生铁的渗碳 §4.2.1 CO-CO2气体对铁的渗C反应
钢铁冶金原理
冶金技术2班 305宿舍：李晓贵 刘春雨 张冰 刘明志 胡胜来
1.氧气流股与金属液间的C—O反应 该反应放出大量的热，是转炉炼钢的重要热源。在转炉炼钢的氧流冲击区 及电炉、平炉炼钢采用氧管插入钢液吹氧脱碳时，氧气流股直接作用于钢 液，均会发生此类反应。脱碳示意图分别如图8—1和图8—2所示。流股中 的气体氧{02}与钢液中的碳原子[C]直接接触，反应生成气体产物一氧化碳 {CO}，脱碳速度受供氧强度的直接影响，供氧强度越大，脱碳速度越快。
%CO2 P 100 100 %CO 100 X C X C C 2 2 100
2
%CO P K 1 X C 100 100 %CO C
（2）
aC 饱 C 饱 X C 饱 1
C 饱 =
fC 饱
1 X C 饱
(3)
1 1 5 X C 饱
(4)
(3)、(4)带入（2）中：
1 X C 饱
1 0 0 = C fC 饱 = C 1 5X
=
0 C
C 饱
1 5 X C 饱 X C 饱
1 O2 2FeO Fe2 O3 2
钢渣界面
1 1 O2 Fe2 O3 2 Fe O2 2
4Fe2 O3 Fe 5 Fe 2 7 O 2 O
⑵氧从炉渣中向钢液中传递：
Fe2 O3 Fe 3FeO
FeO Fe O
CC
%C m
100 12
mol m 3
CO
vC
%O m
100 16
Vm dCC d
mol m 3
d %C m d 100 12 d %O m d 100 16
§4.3 炼钢过程的脱碳
炼钢过程的主要反应是脱C，需要从铁水中去掉较多的C量，冶炼时间与C 氧化速率有关，由于碳氧化形成了大量的 CO气泡，促进了熔池内其它化学反 应的进行，加强了熔池的传热与传质。
§4.3.1 碳氧化反应的热力学 1、C氧化反应的类型
⑴气体O2的脱C： ⑵铁液中[O]的脱C：
C 1 O2 CO 2
fC fO 1
K
PCO %C %O
，
1 %C %O m K PCO
T=1873K,m=0.0025 当 PCO 1atm
，
%C %O mPCO 0.0025PCO
（称为碳氧浓度积）
%C %O m 0.0025
3、钢液不同部位的碳氧浓度积 由于钢液不同部位的PCO不同，故有不同的碳氧浓度积。
2
当铁液中渗碳量较低时（〔%C〕<1）时：
X C
55.85 %C 0.0465 %C 100 12
§4.2.2 铁液的渗C 海绵铁渗C后熔点不断降低熔化成为铁液，下落过程中会进一步溶解渗C使[%C]升高。
Fe C焦 Fe C
3
铁中碳的溶解度计算式：
1 5 X C 饱 1 = 1 5 X C 1 5 X C X C 饱
0 C = C fC =
1 5 X C 饱 X C 饱
2
%CO P K 1 X C 100 100 %CO C
%CO P K 1 5 X C X C 饱 X C 100 100 %CO 1 5 X C 饱
表面传质并吸附。
（钢渣界面）
钢-渣界面的[O]向钢水中传递，[O]、[C]向CO气泡表面或炉底耐火材
⑶吸附的[O]、[C]发生界面化学反应
C O CO
⑷CO气泡成核并长大，经钢、渣排入炉气。 因此过程的限制性环节可能是钢水中[O]、[C]向CO气泡表面或炉底耐 火材料表面的扩散，也可能是CO气泡的形核与长大。由于有非均相形核条 件，往往[O]、[C]的扩散成为限制性环节。[O]、[C]传质系数为同一数量级， 因而： [%C]> [%C]临，[O]的扩散为限制性环节。 [%C]< [%C]临，[C]的扩散为限制性环节。 2、[%C]> [%C]临时的脱C速率（[O]的扩散为限制性环节）
dnC d dnO d
vO
Vm
dCO d
vC vO
d %C m d %O m 100 16 d 100 12 d
d %C 1 d %O 1 d 12 d 16
↑→
%O平
钢夜-熔渣界面： PCO 1atm ，
%C %O m 0.0025
r
，附加压力
⑵钢液表面：钢液表面形成的CO气泡为平展气泡，
2 0 r
， m 0
，
，
s s g
值较小，故： PCO Pg
%C %O mPCO mPg m 0.0025
%C =1.34+2.54 103 t （℃）
铁液中其它元素对碳的溶解度的影响：
%C =1.34+2.54 103 t 0.04 %M n 0.30 %Si 0.35 % P 0.40 % S
①Nb、V、Cr、Mn等能形成比Fe3C稳定的碳化物，使[%C]↑ ②Si、P、S等能形成比Fe3C稳定的含铁化合物，使[%C]↓
GO =-136900-43.51T J mol 1
GO =-22364-39.63T J mol 1
C O CO
此反应主要发生在铁水与炉底耐火材料的接触面上及铁水中的CO气泡表面上。
⑶熔渣中(FeO)的脱C：
C FeO Fe CO
2、碳氧浓度积 钢水中的脱C：
生铁的渗C作用开始于固态海绵铁的渗C，大量发生则是当铁滴落的过程中 溶解碳素而形成。
海绵铁 2CO C烟 CO2
C烟 C 海绵铁
2CO C CO2
PCO2 PCO
G=-166550+171T J mol 1
K
aC
vC
d %C 12 d %O d 16 d
O
的扩散由以下的环节组成：
（1）渣中
FeO
向渣钢水界面的扩散
FeO FeO
；
（2）界面反应：FeO Fe O
；
（3）渣钢界面的 O
向钢水中的扩散： O O
；