冶金物理化学应用.ppt
冶金物理化学应用,红土矿因以赤铁矿和褐铁矿为主而得名，包括古巴、希腊、阿尔巴尼亚等产地的红土矿都富含Ni、Co、Cr等重要合金元素，但无法进入高炉进行冶炼，原因可以从埃林汉图中得到。,如果将红土矿放到高炉内冶炼，所有的有用元素Ni、Co、Cr都将进入生铁并且影响后面的炼钢过程的成分控制，所以必须在红土矿进入高炉以前对Ni、Co等进行分离。,选择性还原焙烧,1 选择性还原从红土矿中提取钴和镍,直接还原与间接还原,在高炉内，直接用C还原的反应称为直接还原，而用CO还原的反应称为间接还原。,直接还原主要发生在炉腰炉缸的高温区，而且在这些高温区发生的反应生成物主要是CO，然后CO在上升过程中进入炉料的加热段，于是发生间接还原，生成物为CO2，显然，炉内大部分区域进行的主要反应是间接反应。,直接还原：,间接还原：,原矿破碎筛分还原焙烧（回转窑或沸腾还原焙烧炉）惰性气氛下冷却焙砂Ni、Co以金属态存在。,目标：还原顺序：Co、Ni、Fe、Cr。进行选择性还原的目的是使NiO、CoO全部或大部被还原，Fe的氧化物不能或少还原为金属Fe。,红土矿中铁的还原,铁的还原为逐级还原。即Fe2O3Fe3O4FeO。,为了提高红土矿中总含铁量，应控制还原条件使矿石中的Fe2O3还原为FeO，但不能还原成Fe，以便与已经还原成Co、Ni等金属分离。关键问题：选择适当的还原温度和还原气相组成。,绘制CO气体还原氧化铁平衡图（COT）,(1),(2),(3),(4),如何作出氧化铁还原的平衡图？,氧化铁还原平衡图,570C,Fe,FeO,Fe3O4,Fe2O3,T570C，(1)+(2)+(3)T570C，(1)+(4),(1),(2),(3),(4),CO气体还原氧化铁平衡图,CO,点：Fe、FeO、Fe3O4多相共存点，b点,线：两相共存ab线(Fe、FeO共存)cb线(Fe、Fe3O4共存)db线(FeO、Fe3O4共存)最下线(Fe3O4、Fe2O3共存),面：单相区Fe单相区FeO单相区Fe3O4单相区Fe2O3单相区,570C,Fe,FeO,Fe3O4,Fe2O3,Co、Ni、Cr的还原,由以上数据可以绘制出CoO、NiO及Cr2O3还原平衡图，并将其与氧化铁的还原平衡图放在一起。,CoO和NiO非常容易被还原，而Cr2O3不能被还原。,选择性还原条件的确定,如果还原温度选在T570（约为交点温度841K），那么为了避免生成金属Fe，CO2/CO必须大于1。这样低的温度不仅还原速度太慢，而且生成的Fe3O4不如FeO中铁含量高。假如还原温度大于1000，则沸腾炉床筛板及管道钢件烧损严重。一般选择在700800范围内。为了避免生成金属铁，CO2/CO不要1/2。即组成线不要超过bc线。,生产中还原焙烧用两个沸腾炉，一个用于加热，一个用于还原。首先利用“加热沸腾炉”传热快的特点，迅速将3mm的矿石加热到780830；然后将热矿石进入充满还原气体的“还原沸腾炉中进行还原。还原后的焙砂在惰性气体下冷却，还原后的Fe以FeO存在，而Ni、Co以金属态存在。,2.选择性氧化 奥氏体不锈钢的去碳保铬,在炼钢温度下碳和铬同时与氧相遇，氧化作用必有先后。这决定于元素同氧的亲和力的大小，亲和力大的先氧化。按照同氧亲和力大小决定氧化或还原顺序，这就是选择性氧化和还原理论核心。,Stage I Ingredients melting method(配料熔化法）（1926年1940年）,Raw materials:Low carbon materials(低碳材料）industrial pure iron（工业纯铁）、pure nickel（纯镍）、low carbon ferrochrome（低碳铬铁）and low-carbon steel scrap（低碳废钢）,The electrode will carburize to the bath,so you must use low-carbon materials！,（1）Stainless steel returns The electrode will carburize to the bath by 0.08%，which results in the excessive carbon content.,（2）If use stainless steel returns,carbon can not be oxidized by iron ore.if you want to use returned materials and iron ore as oxidant,a large amount of chromium will be oxidized instead of carbon!,Limitations to the raw materials,Stage II Returns oxygen blowing method返回吹氧法（1940年1970年）,Advantages:Returns can be used as raw materials;Carbon can be removed by oxygen blowing,该法在1939年由美国发明，称为不锈钢冶炼史的一次革命,Disadvantages:(1)吹氧时，钢水中的Cr也要氧化一部分，大约2%2.5%，造成一定的浪费;(2)配料时Cr不能一次配足。Cr不能一次配到18%，而只能配到12%13%。,Stage III High carbon vacuum converting 高碳真空吹炼法,New era of stainless steel production!,（1）NO limitations to raw materials（2）One-time addition of Cr（3）Using vacuum（4）Cr retention can be reached to 97%98%,VOD,从埃林汉图可知，吹炼温度必须高于氧化转化温度，才能使钢水中的C氧化而Cr不氧化，也就是可以达到去碳保铬的目的。,1473K,1)金属元素在纯物质标态下的氧化顺序,G0=0时，T1508K(1235C)。,?,2)金属元素在1%标态下的氧化顺序,G0=0时，T1570K(1297C)。,?,3)非标态下的氧化顺序,非标准态下，碳和铬的氧化顺序由等温方程决定。Cr9%时，渣中铬氧化物为Cr3O4。所以冶炼不锈钢的反应如下：,非标准状态下，碳和铬的反应决定于温度、C和Cr的含量、pCO。,非标态下氧化转化温度计算,吹炼温度必须高于氧化转化温度，才能使钢水中的C氧化而Cr不氧化，也就是可以达到去碳保铬的目的。,表 C和Cr的氧化转化温度计算结果,C和Cr的氧化转化温度计算结果,
