1、什么是高炉炼铁的还原过程？使用什么还原剂？

答：自然界中没有天然纯铁，在铁矿石中铁与氧结合在一起，成为氧化物，高炉炼铁就是要将矿石中的铁从氧化物中分离出来。铁氧化物失氧的过程叫还原过程，而用来夺取铁氧化物中的氧并与氧结合的物质就叫还原剂。凡是与氧结合能力比铁与氧结合能力强的物质都可以做还原剂，但从资源和价格考虑最佳还原剂是C、CO和H2，C来源于煤，将它干馏成焦炭作为高炉炼铁的主要燃料，煤磨成粉喷入高炉成为补充燃料。CO来自于C，在高炉内氧化形成，H2则存在于燃料中的有机物和挥发分，也来自于补充燃料的重油和天然气。

 

2、在高炉炼铁过程中铁矿石所含氧化物哪些可以被还原？哪些不能被还原？

答：高炉炼铁选用碳作为还原剂，判断铁矿石中氧化物能否在高炉冶炼条件下被还原，就要较该氧化物中元素与氧的亲和力同碳与氧亲和力谁大谁小：前者大于后者就不能还原，前者小于后者则能还原。判别元素与氧亲和力大小最常用的手段之一是氧化物的分解压po2和标准生成自由能△G。

所谓氧化物的分解压就是氧化物分解为元素和氧的反应达到平衡时氧的分压。氧化物的分解压越大，元素与氧结合能力越小，氧化物的稳定性越小，就越易被还原剂还原，一般来说随温度升高分解压增大，氧化物变得越易还原。

所谓氧化物的标准生成自由能是热力学的函数之一，用作判断冶金过程中反应的方向及平衡状态的依据。对大多数元素的氧化物来说，标准生成自由能的负值数越大，它的稳定性越高，越难还原。一般来说随温度升高氧化物的自由能的负值数变小，即氧化物的稳定性变差，只有CO例外，随温度升高CO 的△G负值数变大，也就是CO 变得更稳定，即C与O2的结合能力越强，在高温下可以还原更多的氧化物，这也是CO作为还的优越性。

（1）极易被还原：Cu、 Ni 、Pb 、Co

（2）较难被还原：.P 、Zn 、Cr 、Mn 、V 、Si 、Ti，但是P、 Zn是几乎100%被还原的，其余的只能部分被还原。

（3）完全不能还原：Mg、 Ca 、Al

 

3、铁氧化物在高炉内的还原反应有哪些规律？

答：规律如下：（1）还原顺序。不论用何种还原剂，铁氧化物还原是由高级氧化物向低级氧化物到金属逐级进行的，顺序是：

 

﹥570℃  Fe2O3---Fe3O4---FeO---Fe

 

﹤570℃   Fe2O3---Fe3O4 ---Fe

 

（2）用气体还原剂CO、H2还原时：Fe2O3是不可逆反应；Fe3O4和FeO是可逆反应；

 

（3）上述诸还原反应中，只有FeO间接反应是放热反应，其余都是吸热反应。

 

4、什么叫铁的间接还原？什么叫铁的直接还原？

答：用气体还原剂CO和H2还原铁氧化物的反应叫做间接还原，高炉内的CO是由焦炭和喷吹煤粉中C氧化而来的，间接还原是间接消耗C的反应。由于Fe3O4和FeO的间接还原都是可逆反应，所以要过量还原剂保证反应的顺利进行，它们在高炉内块状带的中低温区进行。

 

用固体还原剂C还原铁氧化物的反应叫直接还原。因为直接还原是不可逆反应，它不需要过量还原剂保证，但它们是大量的吸热反应，需要燃烧很多C放出热量来保证，它们在高炉内高温区进行。在高炉内块状带内固体的铁矿石与焦炭接触发生直接还原的几率是很少的。实际的直接还原是借助于碳素溶解损失反应、水煤气反应与间接还原反应叠加而实现的。

 

5、一氧化碳利用率和氢利用率？

答：一氧化碳利用率是衡量高炉炼铁中气固相还原反应中CO转化为CO2程度的指标，也是评价高炉间接还原发展程度的指标。

 

氢利用率是衡量高炉炼铁中氢参与铁氧化物还原转化为H2O的程度的指标。

 

6、高炉内炉渣是怎样形成的？

答：高炉造渣过程是伴随着炉料的加热和还原而产生的重要过程——物态变化和物理化学过程。

 

（1）物态变化。铁矿石在下降过程中，受上升煤气的加热，温度不断升高，其物态也不断改变，使高炉内形成不同的区域：块状带、软熔带、滴落带和下炉缸的渣铁贮存区。

 

1）块状带。在这里发生游离水蒸发、结晶水和菱铁矿的分解、矿石的间接还原（还原度可达(30-40％）等现象。但是矿石仍保持固体状态，脉石中的氧化物与还原出来的低级铁和锰氧化物发生固相反应，形成部分低熔点化合物，为矿石中脉石成分的软化和熔融创造了条件。

 

2）软熔带。固相反应生成的低熔点化合物在温度提高和上面料柱重力作用下开始软化和相互黏结，随着温度继续升高和还原的进行，液相数量增加，最终完全熔融，并以液滴或冰川状向下滴落。这个从软化到熔融的矿石软熔层与焦炭层间隔地形成了软熔带。一般软熔带的上边界温度在1100℃左右，而下边界温度在1400-1500℃。在软熔带内完成矿石由固体转变为液体的变化过程以及金属铁与初渣的分离过程：还原出的金属铁经部分渗碳而熔点降低，熔化成为液态铁滴，脉石则与低价铁氧化物和锰氧化物等形成液态初渣。

 

3）滴落带。软熔带以下填满焦炭的区域，在软熔带内熔化成的铁滴和汇集成渣滴或冰川流的初渣滴落入此带，穿过焦柱而进入炉缸。在此带中铁滴继续完成渗碳和溶入直接还原成元素的Si、Mn 、P 、S等，而炉渣则由中间渣转向终渣。

 

4）下炉缸渣铁贮存区。这是从滴落带来的铁和渣积聚的地区，在这里铁滴穿过渣层时和渣层与铁层的交界面上进行着渣铁反应，最突出的是Si氧化和脱硫。

 

（2）炉渣形成过程。块状带内固相反应形成低熔点化合物是造渣过程的开始，随着温度的升高，低熔点化合物中呈现少量液相，开始软化黏结，在软熔带内形成初渣，其特点是FeO和MnO含量高，碱度偏低（相当于天然矿和酸性氧化球团自身的碱度），成分不均匀。从软熔带滴下后成为中间渣，在穿越滴落带时中间渣的成分变化很大。FeO和MnO被还原而降低，熔剂的或高碱度烧结矿中的"%# 的进入使碱度升高，甚至超过终渣的碱度，直到接近风口中心线吸收随煤气上升的焦炭灰分，碱度才逐步降低。中间渣穿过焦柱后进入炉缸积聚，在下炉缸渣铁贮存区内完成渣铁反应，吸收脱硫产生的CaS和Si氧化的SiO2等成为终渣。

 

7、炉渣的主要成分是什么？

答：炉渣成分来自以下几个方面：

 

（1）矿石中的脉石；

 

（2）焦炭灰分；

 

（3）熔剂氧化物；

 

（4）被浸的炉衬；

 

（5）初渣中含有大量矿石中的氧化物。

 

对炉渣性质起决定性作用的是前三项。脉石和灰分的主要成分是SiO2和Al2O3称酸性氧化物；熔剂氧化物主要是CaO和MgO称碱性氧化物。当这些氧化物单独存在时，其熔点都很高，高炉条件下不能熔化。只有它们之间相互作用形成低熔点化合物，才能熔化成具有良好流动性的熔渣。原料中加入熔剂的目的就是为了中和脉石和灰分中的酸性氧化物，形成高条件下能熔化并自由流动的低熔点化合物。炉渣的主要成分就是上述4种氧化物。用特殊矿石冶炼时，根据不同的矿石种类，炉渣中还会CaF2、TiO2、BaO、MnO等氧化物。另外，高炉渣中总是含有少量的FeO和硫化物。

 

8、炉渣在高炉冶炼过程中起什么作用？

答：由于炉渣具有熔点低、密度小和不溶于生铁的特点，所以高炉冶炼过程中渣、铁才能得以分离，获得纯净的生铁，这是高炉造渣过程的基本作用。另外，炉渣对高炉冶炼还有以下几方面的作用：

 

（1）渣铁之间进行合金元素的还原及脱硫反应，起着控制生铁成分的作用。比如，高碱度渣能促进脱硫反应，有利于锰的还原，从而提高生铁质量。

 

（2）炉渣的形成造成了高炉内的软熔带及滴落带，对炉内煤气流分布及炉料的下降都有很大的影响，因此，炉渣的性质和数量对高炉操作直接产生作用。

 

（3）炉渣附着在炉墙上形成渣皮，起保护炉衬的作用。但是另一种情况下又可能侵蚀炉衬，起破坏性作用。因此，炉渣成分和性质直接影响高炉寿命。

 

在控制和调整炉渣成分和性质时，必须兼顾上述几方面的作用。

 

9、什么叫炉渣碱度？

答：炉渣碱度就是用来表示炉渣酸碱性的指数。尽管组成炉渣的氧化物种类很多，但

 

对炉渣性能影响较大和炉渣中含量最多的是CaO、MgO和SiO2 、Al2O3这四种氧化物，因此通

 

常用其中的碱性氧化物CaO、MgO和酸性氧化物SiO2 、Al2O3的质量分数之比来表示炉渣碱度，常用的有以下几种：