火焰冶金技术导论

矿石中的金属以氧化物、硫化物、碳酸盐和其他化合物的形式存在。金属矿石也含有杂质或脉石物质。欧洲杯足球竞彩在将金属矿石加工成普通工业用金属——钢、铝、镍、铜、钛和许多其他金属的过程中，金属氧化物或其他化合物通过还原过程转化为金属状态，并在还原前后从脉石材料中分离出来。欧洲杯足球竞彩生产工业金属的两大冶金路线是高温冶金和湿法冶金。

火法冶金技术包括对金属矿石进行热处理以提取有价值的金属，而湿法冶金是基于在较低温度下使用含水化学品。

火法冶金路线用于商业生产钢、铝、冶金硅、锰、铬、钛和许多其他金属和合金。金属萃取的重要能耗过程是还原和熔炼阶段，这两个阶段会形成两种不相混溶的相——熔融金属和以金属氧化物为主的熔渣。

金属氧化物(或其他化合物)转化为纯金属所需的温度和能量由反应热力学和动力学定义。金属氧化物的主要还原剂是焦炭或焦炭形式的碳。金属氧化物MOx的碳热还原反应可以表现为:

莫_x+ c = M + xCO (1）

金属M含有溶解的碳和杂质，它们也被部分还原。在锰、铬和其他一些氧化物的还原中，碳化物MC_y形成:

莫_x(y+x) = MC_y+ xCO (2）

基于金属氧化物碳热还原的工业冶金过程是能源密集型的。在某些工业过程中，熔炼/还原炉的能量输入如表1所示。表1还包括了氧化物的生成焓，导致CO生成的还原反应的标准吉布斯自由能变化和平衡还原温度。

稳定金属氧化物如MnO、Cr的碳热还原₂O_3.、SiO₂, TiO₂和艾尔₂O_3.需要高温。为了提高生产率，工业流程的运行温度要比表1中列出的温度高得多。因此，锰铁是在1450- 1500年生产的^oC;在高炉中，氧化铁的还原大约在1000℃左右发生^oC;铬铁生产的温度在1700以上^oC，在硅生产中- 1800以上^oC。

钛的碳热还原为碳化钛是在1700-2100年进行的^oC。

氧化铝碳热还原所需的高温是铝碳热技术发展的主要障碍。铝生产的主要技术是霍尔-埃罗工艺的电解。

一般来说，反应距离平衡温度[6]越远，能量和火用能量消耗越高。然而，接近平衡的过程太慢，无法在商业上可行。

然而，降低还原温度和改善反应动力学可以提高碳热还原过程的效率。这可以通过降低CO分压和/或增加气相中的传质来实现，通过在惰性气氛或氢气中运行还原过程来帮助还原反应。

表1:氧化物生成焓、还原反应、标准吉布斯自由能变化、平衡温度和熔炼/还原炉的能量输入

氧化	的生成焓焦每摩尔金属[1]	还原反应	标准吉布斯自由能kJ(使用[1]的数据计算)	平衡温度,oC	能量输入到熔炼/还原炉焦每摩尔金属
锰3.O4	-416年	MnO + 10/7C = 1/7Mn7C3.+有限公司	256.0 - 0.159吨	1337	1614 [2] 1240年[3]
Cr2O3.	-554年	1/2Cr2O3.+ 13/6C = 1/3Cr3.C2+ 3/2CO	359.4 - 0.259吨	1113	1654 - 1934 [4]
TiO2	-940年	TiO2+ 3 c = 抽搐+ 2有限公司	371.8 - 0.2541吨	1190
艾尔2O3.	-842年	1/2Al2O3.+ 9/4C = 1/4Al4C3.+ 3/2CO	599.4 - 0.264吨	1998	1264 - 17501）
SiO2(石英)	-906年	SiO2+ 3 c = SiC + 2有限公司	604.7 - 0.355吨	1430	2822 - 3218 [5]
菲2O3.	-406年	1/2Fe2O3.+ 3/2C = Fe + 3/2CO	235.3 - 0.2547吨	655	9552） 1528年3）
1）铝是利用霍尔-埃罗工艺电解生产的，能耗范围为13-18千瓦时/公斤。 2）高炉工艺用焦炭消耗500公斤/吨铁水 3）直接炼铁工艺用煤800公斤/吨的铁水

在低温下，氧化物以固态进行还原。固态金属氧化物的碳热还原是通过气相进行的，这是公认的。

还原氧化物MO的总反应_x对金属M(反应(1))可以用反应(3)和(4)表示:

莫_x+ xCO = M + xCO₂（3）

有限公司₂+ c = 2co (4）

将金属氧化物还原为碳化物MC_y(反应2)可由反应(5)和(4)呈现:

莫_x+ (x + 2y)CO = MC_y+ (x + y)有限公司₂（5）

在含氢气体气氛中进行碳热还原时，碳与氢反应生成甲烷(反应(6))。它改变了还原的机制，然后通过反应进行(7)。

C + 2 h₂= CH₄（6）

莫_x+ (x + y) CH₄= MC_yxCO + 2(x+y)H₂（7）

[7-14]研究了含甲烷气体对锰、铬、钛氧化物的还原[7-14]，[15-25]研究了不同气体气氛下稳定金属氧化物的碳热还原[15-25]。

在(3)和(4)或(5)和(4)反应中，碳和氧通过CO和CO在固相之间转移₂,分别。在稳定金属氧化物如锰或钛氧化物的还原中，CO₂分压非常低，低于10^－4ATM(视适用温度而定);传质过程是反应速率的一个限制阶段。在反应(6)和(7)中，碳通过CH在固体碳质物质和氧化物之间转移₄生成CO和H₂转移到气相。CH的分压₄比CO的分压高得多₂，这允许碳热还原锰和钛氧化物在H₂含硫气体以更快的速度发生。

当还原过程中形成金属或金属氧化物蒸气时，气相也起着重要作用，如在还原氧化铝[25]的情况下。气体组分直接参与碳热反应;气相的组成进而影响反应速率。

我们对锰、钛、铝氧化物碳热还原的研究表明[15-25]，还原温度可降低300-400℃^oC。

图1所示。在1275不同气体气氛下氧化锰MnO的还原^oC

进一步研究表明，还原反应中气氛的控制是火法冶金技术发展的一个重要因素。

参考文献

1. Turkdogan, e.t.(1980)高温技术物理化学，学术出版社，纽约。
2. Lyakishev, N.P.和Gasik, M.I.(2005)铁合金的物理化学和电冶金技术，莫斯科，Eliz(俄罗斯)。
3. Olsen, S.E, Tangstad, M.和Lindstad, T.(2007)锰合金的生产，SINTEF和Tapir学术出版社，特隆赫姆。
4. Ryss，硕士(1985)铁合金生产，莫斯科，冶金(俄罗斯)。
5. 高硅合金的生产。特隆赫姆,貘。
6. Ostrovski, O.和Zhang G.(2005)直接炼铁过程的能量和火用分析，能源, 30岁,2772 - 2783。
7. Zhang, G.和Ostrovski, O.(2000)甲烷-氢-氩混合气体还原二氧化钛，冶金与材料学报B欧洲杯足球竞彩， 31b(2)， 129-139。
8. Zhang G.和Ostrovski .(2001)含甲烷气体还原钛铁矿精矿。第1部分钛铁矿成分、温度和气体成分的影响，加拿大冶金季度， 40(3)， 317-326。
9. Zhang G.和Ostrovski .(2001)含甲烷气体还原钛铁矿精矿。第二部分预氧化和烧结的影响，加拿大冶金季度， 40(4)， 489-497。
10. 张刚、Ostrovski . O.(2002)预氧化和烧结对钛铁矿精矿性能的影响，国际矿物加工杂志， 64(4)， 201-218。
11. Anacleto, N.和Ostrovski, O.(2004)含甲烷炉渣对氧化铬的固态还原，冶金与材料学报B欧洲杯足球竞彩35 b, 609 - 619。
12. Anacleto, N.， Ostrovski, O. and Ganguly, S.(2004)含甲烷气体对锰氧化物的固态还原，ISIJ国际, 44岁,1480 - 1487。
13. Anacleto, N.， Ostrovski, O. and Ganguly, S.(2004)含甲烷气体对锰矿石的还原作用，ISIJ国际, 44岁,1615 - 1622。
14. Ostrovski, O.和Zhang, G.(2006)含甲烷气体对金属氧化物的还原和渗碳，AIChE杂志, 52岁,300 - 310。
15. (2008)锰氧化物在不同气体环境中的碳热还原，冶金与材料学报B欧洲杯足球竞彩39 b, 662 - 668。
16. 引用本文:Kononov R.， Ostrovski O.， Ganguly S.(2009)锰矿石的碳热固相还原:1。锰矿描述,ISIJ国际， 49(8)， 1099-1106。
17. (1)锰矿石碳热固相还原研究。不同气体气氛中的非等温还原和等温还原，ISIJ国际[j] .地理科学进展，2019,36(4):514 - 514。
18. 康诺诺夫，奥斯特罗夫斯基，甘古利。(2009)锰矿石碳热固相还原:3。发展阶段,ISIJ国际， 49(8)， 1115-1122。
19. (2009)二氧化钛在不同气体环境中的碳热还原，冶金与材料学报B，欧洲杯足球竞彩40 b(1), 62 - 69。
20. 张刚，张国华，张国华(2010)某一钛铁矿精矿在不同气体环境下的碳热还原研究，冶金与材料学报B欧洲杯足球竞彩， 41b (1)， 182-192
21. 张刚(2010)钛铁矿精矿与合成金红石碳热还原的相研究，ISIJ国际(5)， 647-657。
22. 张国栋，Ostrovski O.(2010)稳定金属氧化物的碳热固态还原，钢铁研究国际[j] .地理科学进展，2019,36(10):841-846。
23. 张刚，张国华，张国华。(2011)钛铁矿精矿和合成金红石在不同气体环境中的碳热还原研究。矿物加工与提取冶金;120(2), 111 - 117。
24. Rezan, S. A.， Zhang, G.和Ostrovski, O.(2011)二氧化钛在高温下的碳热还原和氮化₂- n₂气体混合物,美国陶瓷学会学报他于2011年5月27日接受了这份工作。
25. Li, J, Zhang, G, Liu, D. and Ostrovski, O. (2001) Low-temperature Synthesis of aluminum Carbide，ISIJ Int。，于2011年3月22日获得批准。