西安建筑科技大学：《冶金原理》课程教学资源（PPT课件讲稿）第五章 还原反应

第五章还原过程 概述 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

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

第五章还原过程 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△G-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 在真空条件下进行的还原过程

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 在真空条件下进行的还原过程 第五章 还原过程

第五章还原过程 、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

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

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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、NO、CoO、SnO等在标准状态下,在不太高 的温度下可被碳还原 →FeO、Zno、Cz2O3、MnO、SO2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。 →V2○5、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

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

第五章还原过程 3、氢还原剂 ●在标准状态下,H2可将Cu2O、PbO、NO、 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

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

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

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

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

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 第五章 还原过程

第五章还原过程 碳-氧系燃烧反应的热力学 1、碳-氧系燃烧反应 碳一氧系的主要反应 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:△G<0 碳的不完全燃烧反应:△G6<<0

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

第五章还原过程 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)

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