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2 还原过程与生铁形成
2.1 高炉内基本现象和基本规律



高炉内冶炼过程
高炉冶炼是个连续生产过程，整个过程是从风
口前燃料燃烧开始的。燃烧产生向上流动的高
温煤气与下降的炉料相向运动。高炉内的一切
反应均发生于煤气和炉料的相向运动和互相作
用之中。它们包括炉料的加热、蒸发、挥发和
分解，氧化物的还原，炉料的软熔、造渣，生
铁的脱硫、渗透等，并涉及气、固、液多相的
流动，发生传热和传质等复杂现象。
高炉是一个密闭的连续逆流反应器。
 人们对炉内的了解情况
 高炉解剖研究
 做得较好的国家
2.1.1 炉料在高炉内的物理状态
高炉炉内的状况
如图所示，高炉炉内的状
况可分为五个区域或称五个
带：
1.炉料仍保持装料前块
状状态的块状带；
2.矿石从开始软化到完
全软化的软熔带；
3.已熔化的铁水和炉渣
沿焦炭之间的缝隙下降的滴
落带；
4.由于鼓风动能的作用，
焦炭作回旋运动的风口带；
5.风口以下，贮存渣铁
完成必要渣铁反应的渣铁带。
高炉内各区域进行的主要反应和特征
 固体炉料区：间接还原，炉料中水分的蒸发及受
热分解，少量直接还原，炉料与煤气间接热交换。
 软熔区：炉料在软熔区上部边界开始软化，而在
下部边界熔融滴落。主要进行直接还原反应及造
渣过程。
 疏松焦碳区：向下滴落的渣铁与煤气的通道，及
固体炭之间进行多种复杂的质量传递及传热过程。
 滴下区：液态渣铁穿过疏松的焦碳层，
进行热交换，和渗碳反应。
 压实焦碳层：在堆积层表面，焦炭与渣
铁间反应。
 风口回旋区：焦炭及煤等，与热风发生
燃烧反应，产生高热的煤气，并向上运
动，生成炉内的还原剂。
 渣铁存贮区：渣铁滴下并穿过表面的渣
层，进行铁液进行渣洗过程，同时进行
得到风口辐射热。

高炉获得高产、优质指标的前提：
炉料下降顺利—顺行
煤气分布相对均匀合理
2.1.2 软熔带及其对高炉行程的影响

软熔带的形状
1、倒V型 软熔带
2、V型 软熔带
3、W型 软熔带

影响软熔带的因素
1、CO2%与软熔带的形状
2、如何调节

软熔带对高炉冶炼的影响
要从煤气流的分布对热能和化学能的利
用来分析
2.2 炉料的蒸发、挥发与分解
 2.2.1 水分的蒸发与水化物的分解
 一、水分的蒸发
1、吸附水的干燥和蒸发
2、对炉顶温度的影响
3、对焦比的影响
 二、水化物的分解
1、高炉中水化物的分解温度：
约200℃
2、结晶水分解的不利作用
（1）产生粉未，破坏透气性
（2）消耗碳素，增加焦比
在温度为500~1000℃
H2O+C=CO2+H2-83134Kj

在温度大于1000℃时

H2O+C=CO+H2-124450Kj
2.2.2 挥发物的挥发
 挥发物的挥发，包括燃料挥发物的挥发和高炉内
其他物质的挥发。
 一、燃料挥发物的挥发
 挥发分存在于焦炭及煤粉中。
◆焦炭中挥发分质量分数为0.7％～l.3％。焦炭在
高炉内到达风口前已被加热到l400～1600℃，挥
发分全部挥发。由于挥发分数量少，对煤气成分
和冶炼过程影响不大。
◆煤粉中挥发分含量高，引起炉缸煤气成分的变化，
对还原反应有一定的影响。
 焦炭中挥发物
1、主要成份：N2 , CO, CO2
2、对冶炼过程的影响
（1）总体来说，对煤气成份和冶炼影响不大
 （2）但焦炭挥发时，会产生粉未，影响炉缸工
作
 （3）喷吹燃料中的挥发份较高时，对煤气及还
原有较大的影响。
 二、其它物质的挥发与分解
1、气化物的产生：S, P, As, K, Na,
Zn, Pb, Mn
2、循环的产生—气化物的去向：
煤气中，渣中，炉料中
3、对冶炼的影响 如：
ZnO对砖衬，Mn3O4对除尘，SiO对炉料
的透气性
2.2.3 高炉内碱金属的挥发与危害
 1、碱金属的产地：包钢、武钢、酒钢、昆
钢、宣钢等
 2、碱金属的行为—在炉内循环的图示
 3、碱金属的危害
（1）焦炭气化反应的催化剂
1）从而使间接还原区缩小，焦比升高
2）软熔带透气性变坏
3）进而导致悬料、崩料、塌料而使风
口大量烧坏
 （2）使球团矿和烧结矿还原膨胀和还原粉
化
1）料柱的透气性变坏
2）进而产生悬料、崩料、甚至结瘤
（3）使矿石软熔温度降低，在冷却强度大
时，气流分布不均匀时，易产生上部结瘤
（4）引起耐火材料异常膨胀，热面剥落，
甚至胀裂炉缸、炉底的钢壳
 4、措施
 （1）提高煤气逸出炉外的比例
汽化的部位、渣量的大小、炉顶温度
（2）降低炉料的带入量
（3）用碱性渣脱硫、酸性渣排碱
2.2.4 碳酸盐的分解



碳酸盐的来源：
CaCO3、MgCO3来自：石灰石、白云石
FeCO3, MnCO3来自铁矿石
MgCO3, FeCO3, MnCO3分解特性
在炉上部已经分解完毕，对冶炼影响不大
CaCO3分解特性
 石灰石的分解
1、CaCO3的分解方程式
CaCO3=CaO+ CO2-178000kJ
2、在空气中行为
PCO2=30Pa, P总=105Pa
CaCO3开始分解温度530oC
化学沸腾温度为900OC~925OC
此时PCO2= P总
3、在高炉内的行为
4、粒度对CaCO3分解的影响
要从传热和传质的两方面进行分析
 二、石灰石分解对高炉冶炼造成的影响
（1）CaCO3分解本身是一个吸热反应
（2）产物CO2又要产生贝波反应
CO2+C=2 CO-165800kJ
消耗碳素，又消耗热量
（3）CaCO3分解产物CO2冲淡了还原气氛
（4）结论
每吨铁少加100kg石灰石，可以降低焦比
30~40kg

三、消除石灰石不良影响的措施
1、采用熔剂性人造矿（烧结矿和球团
矿），少加或不加石灰石
2、缩小石灰石的粒度，减少高温区的贝
波反应
3、使用生石灰代替石灰石
2.3 铁氧化物还原的热力学
 还原反应的基本原理
 还原方式
 影响因素
2.3.1 还原反应的基本理论
 还原反应是高炉内的最基本反应。炉料从
高炉顶部装入后就开始还原，直到下部炉
缸，除风口回旋区外，几乎贯穿整个高炉
冶炼的始终。
 高炉内除铁的还原外，还有少量的硅、锰、
磷等元素的还原。
氧化物还原的一般原理
冶金还原反应就是用还原剂夺取金属氧化物
中的氧，使之还原成为金属单质或其低价氧
化物的过程。对金属氧化物的还原反应可按
下面通式表示：
MeO  B  Me  BO
式中：MeO、Me——分别表示金属氧化物和由金属氧化物
还原得到的金属；
B、BO——分别表示还原剂和还原及夺取金属氧化物
中的氧而被氧化得到的产物。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.1 氧化物还原的一般原理
冶金还原反应就是用还原剂夺取金属氧化物
中的氧，使之还原成为金属单质或其低价氧
化物的过程。对金属氧化物的还原反应可按
下面通式表示：
MeO  B  Me  BO
式中：MeO、Me——分别表示金属氧化物和由金属氧化物
还原得到的金属；
B、BO——分别表示还原剂和还原及夺取金属氧化物
中的氧而被氧化得到的产物。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.1 氧化物还原的一般原理
这是一个兼有还原和氧化的综合反应。对金属
氧化物而言被还原为金属，而对还原剂则是被氧化。
哪些物质可以充当还原剂夺取金属氧化物中的
氧，决定于它们与氧的化学亲和力。凡是与氧亲和
力比金属元素Me的亲和力大的物质，都可以做为该
金属氧化物的还原剂。还原剂与氧的亲和力越大，
夺取氧的能力越强，还原能力越强。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.1 氧化物还原的一般原理
某物质与氧亲和力的大小，可用该物质氧化物的标
准生成自由能衡量。氧化物标准生成自由能越小，
说明该物质与氧亲合力小，氧化物稳定，易还原，
反之则相反。所以还原反应的必备条件是还原剂氧
化产物的标准生成自由能小于金属氧化物的标准生
成自由能，即：
G

BO
 G

MeO
式中：、——分别为B和Me与1molO2结合成氧化物的标准
生成自由能。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.1 氧化物还原的一般原理
图4-1例举了高炉中常见氧化物的标准生成自由能变化
（对1molO2 而言）及其与温度的关系，可用它来判断
还原反应的方向和难易，并选择适宜的温度条件。图41中的各条线称为氧势线。氧势线位置愈低的氧化物，
其值愈小，愈难还原。凡是在铁氧势线以下的物质单质
都可用来还原铁氧化物。例如Si就可还原FeO。如果两
直线有交点，则交点温度即为开始还原温度。高于交点
温度，则是下面的单质能还原上面的氧化物；低于交点
温度，则反应逆向进行。如两直线在图中无交点，那么
下面的单质能还原上面的氧化物。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.1 氧化物还原的一般原理
然而，还原剂的选择还必须适应大规模工业生
产的需要和经济效益的要求。显然在高炉中不
能用比铁昂贵的Al、Mg、Ca、Si、Mn来作为
还原剂。它们作为还原剂是不经济的。
C、CO和H2 是高炉炼铁适宜的还原剂。它们由
原料带来，兼有热能和化学能的双重职能，焦
炭还作为料柱骨架，满足高炉冶炼过程的需要。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.1 氧化物还原的一般原理
图4-1中各线与2C+O2=2CO线分别相交，各交
点对应的温度即为用碳还原相应氧化物的开始
温度。凡在CO直线以上的氧化物均能为C所还
原。只有在CO2（或H2O）直线以上的氧化物方
能为CO（或H2）所还原。这样看来FeO似乎不
能为CO所还原，因其位于CO2 直线以下。但图
4-1只是对标准状态而言的。在实际高炉中，
2CO+O2=2CO2反应的，而 pCO CO  1 是＞1，
即 CO2 的 氧 势 比 标 准 状 态 要 低 得 多 ， 因 而 在
1000℃左右，FeO可被CO还原为Fe。
2
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.1 氧化物还原的一般原理
在 高 炉 条 件 下 ， 锰 的 高 价 氧 化 物 （ MnO2 、
Mn2O3 、Mn3O4 ）、比Fe2O3 、Fe3O4 容易还原，
Cu、Pb、Ni、Co、Zn、Sn是比铁易于还原的
金属；Cr、Mn、Si、V、Ti比铁难还原，它们
只能在高炉下部的高温区，部分地还原进入生
铁；
而Al、Mg、Ca在高炉内不能被还原而全部转入
炉渣。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.2 铁氧化物的还原的一般规律
铁氧化物的还原过程按照其氧势或分解压大小，
从高价到低价逐级进行：
Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe
（t＞570℃）
如果把铁配平，就可按失氧量计算出各级的还
原度（R）
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.2 铁氧化物的还原的一般规律
但在t＜570℃时，还原顺序不经FeO阶段，
而按第二种方法进行，即：
Fe2O3→Fe3O4→Fe。
因为570℃以下，反应
4FeO（s）=Fe3O4（s）+Fe（s）
的ΔGθ为负值，FeO不能稳定存在而转变
成Fe3O4和Fe。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.2 铁氧化物的还原的一般规律
从氧势图（图4-1）上看，CO和H2 的还原能力
不算强。许多氧化物，如SiO2 、MnO等难于单
独被CO和H2 所还原。但CO和H2 却是铁氧化物
的主要还原剂，无论是高炉法还是直接还原法
（如HYL法、Midrex法等）都如此。因为CO和
H2 等气体还原剂易于向矿石的孔隙内扩散，保
证还原剂与铁矿石有良好的接触，并有效地夺
取其中的氧。此外，在有固体碳存在的条件下，
特别是在高炉中，CO和H2的还原能力可得到很
大提高和充分的发挥。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.2 铁氧化物的还原的一般规律
并非所有进入生铁中的都从自由的铁氧化物中还原，其
中有一部分是同铁氧化物呈结合状态的化学化合物（如
2FeO·SiO2、FeO·TiO2）中还原的，这种还原比较困难。
有的炉料中的铁不以氧化物形态存在（如FeS），但它
们在高炉内会转变成氧化物而得到还原。
大部分的铁是从固态的铁氧化物中还原出来的（气-固反
应）。有一部分氧化铁在造渣和熔化前来不及还原而转
入液态炉渣中，然后再从渣中还原（固-液-气反应）为
铁。这种还原也要比自由氧化物中还原困难。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.2 铁氧化物的还原的一般规律
铁氧化物还原的基本反应
高炉所用的还原剂有CO、H2和固体碳三种。在
没有喷吹燃料的高炉上，煤气中含H2很少
（1~3%），还原剂主要是CO和C。在喷吹燃料
时，煤气中H2含量显著增加（一般可达
4~10%），H2的还原作用不可忽视。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.2 铁氧化物的还原的一般规律
铁氧化物还原的基本反应
高炉所用的还原剂有CO、H2和固体碳三种。在
没有喷吹燃料的高炉上，煤气中含H2很少
（1~3%），还原剂主要是CO和C。在喷吹燃料
时，煤气中H2含量显著增加（一般可达
4~10%），H2的还原作用不可忽视。
高炉中铁氧化物还原的基本反应如下。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.2 铁氧化物的还原的一般规律
一般把上述低、中温区所进行的还原反应称为
间接还原反应，而把高温区所进行的还原反应
称为直接还原反应。
间接还原反应除Fe2O3→Fe3O4（反应4-5和4-9）
不可逆外，其它均属可逆反应。反应进行的方
向取决于平衡气相组成，即CO/CO2和H2/H2O的
比值。
为了使反应向生成物方向进行，一般需要有过
量的CO和H2。因此，在高炉中CO和H2是不可
能100%地被利用的，但必须尽可能充分利用，
以最大限度的降低燃料消耗，节约能源。
用上式即可求出各反应在不同温度下的平衡气相
组成（%CO）
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.2 铁氧化物的还原的一般规律
图中，曲线2、3、4于570℃时共同相交。在曲
线2下方与曲线1之间的区域中任何一点，气相
成份中CO含量均低于曲线2上平衡气相所需的
CO含量，故反应（4-6）只能向左进行，即FeO
被氧化为Fe3O4 ，故这个区域为Fe3O4 稳定区。
在曲线3上方区域内任何一点，气相成份中CO
含量均高于曲线3上平衡气相所需的CO含量，
故反应（4-7）向右进行，即FeO被氧化为Fe，
此区域即为Fe的稳定区。而在曲线2和区线3之
间则为FeO的稳定区。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.2 铁氧化物的还原的一般规律
高炉中的还原反应是在碳过剩的情况下进行的，
而碳在较高的温度下会发生气化反应，即布多
亚尔（Boudouard）反应（4-13）式。
这一反应的存在，必然影响还原反应的进行，
使得最终气相组成总是力图按碳的气化反应
（图4-3曲线5）建立平衡
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.2 铁氧化物的还原的一般规律
曲线5与曲线2和曲线3分别相交于b点和a
点（Tb=920K，即647℃；Ta=958K，即
685℃）。这就是说，在有过剩碳存在的
条件下，Fe3O4 还原为FeO，FeO还原为
Fe 的 开 始 温 度 已 不 是 570℃ ， 而 分 别 是
647℃和685℃。在b点，平衡气相成分相
等（约40%CO）。当温度低于647℃时，
Fe3O4不能还原成FeO。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.2 铁氧化物的还原的一般规律
例如，600℃时，反应（4-6）的平衡气相成分
为44.8%CO，而反应（4-13）的平衡气相成分
仅约25%CO，按此建立平衡不能满足曲线2的
要求，故反应（4-6）向左，即向生成Fe3O4 的
方向进行。在a点，反应（4-7）与（4-13）的
平衡气相成分相等（约59%CO）。当温度高于
685℃时，FeO还原为金属Fe，因为这时反应
（4-13）按曲线5上建立平衡的气相组成大于
59%CO，足以满足反应（4-7）向右，即向生成
Fe方向进行的要求。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.2 铁氧化物的还原的一般规律
以上是从还原反应热力学方面来探讨的。实际
上在高炉内温度低于685℃的上部区域已有金属
铁还原出来。这主要是因为高炉内煤气流速极
快，在炉内停留时间仅2~6秒，在这种情况下，
各反应均不可能达到平衡。
此外，反应（4-13）一般要在1000℃以上才能
较快进行，在较低温度下则进行很缓慢。实际
高炉内CO/CO2 远大于还原反应平衡气相中的
CO/CO2，因而能满足还原反应的要求。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.2 铁氧化物的还原的一般规律
用H2还原铁氧化物可进行类似的分析 :
由于反应（4-10）和（4-11）以及
t ＜ 570℃ 时 ， 反 应 Fe3O4+4H2=3Fe+4H2O ，
ΔGθ298=149.8kj/mol（图4-4曲线（4）），均
为吸热反应，因此，随温度的升高，平衡气相
中H2O含量均增加，而H2 含量则降低，故图4-4
中曲线（2）、（3）、（4）均向右下方倾斜，
这是用H2 与用CO还原不同之点。由此用CO和
H2分别还原Fe3O4和FeO的平衡曲线2和（2），
曲线3和（3）都相交于810℃。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.2 铁氧化物的还原的一般规律
这说明H2的还原能力随着温度升高而增强。故
在高炉下部高温区H2激烈地参与还原，对碳素
消耗起着积极作用。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.2 铁氧化物的还原的一般规律
在高温区的直接还原反应中，H2与CO类似，它的还
原产物H2O（气）与CO还原FeO的产物CO2一样，
立即与焦炭中的碳素作用，又生成H2和CO去参与还
原。但无论H2还是CO的还原，最终都归结为消耗碳
素的直接还原反应（4-14）。可见H2和CO在高温直
接还原反应的条件下，起着中间媒介的作用，这种
作用大大推动了碳素直接还原反应地进行。因为固
态的铁氧化物与焦炭之间的直接反应是很困难的，
浸在渣中的焦炭与FeO的直接还原也是有限的，所
以消耗碳素的直接还原反应实际上是通过气相的CO
和H2来进行的。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.2 铁氧化物的还原的一般规律
高炉下部铁氧化物的直接还原反应的进行取决于碳
的气化反应（4-13）和（4-15）的发展（即气化反
应的迟早和速率）。而碳的气化反应的发展则决定
于温度和焦炭本身的反应性。焦炭反应性愈好，碳
的气化反应可提前在较低的温度下进行，则直接还
原反应发展的早，进行的快，高炉内直接还原区扩
大。相反，焦炭反应性较差时，碳的气化反应需要
在更高的温度下进行，则直接还原反应发展的晚，
进行得慢，即直接还原区向高温区收缩。一般希望
适当扩大间接还原区，缩小直接还原区。因此，使
用反应性较差的焦炭反而有利。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.2 铁氧化物的还原的一般规律
从以上铁氧化物还原的热力学分析来看，尽管热力
学条件和高炉实际不尽相同，如温度、压力、气流
速度和浓度等，但通过气相平衡分析，用图4-3、图
4-4和图4-5可以查处在一定温度下，平衡气相中CO
与CO2和H2与H2O 的比例，从而求出相应还原剂的
相应量。这对计算理论焦比和进行理论分析都是十
分重要的依据。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
高炉中难还原复杂含铁物质有硅酸铁（Fe2SiO4）、
钛铁矿（FeTiO3）等，它们中的铁氧化物与其它氧
化物或脉石成化合状态，形成多种矿物的结合体，
一般需先分解成自由FeO，然后再还原。分解需消
耗热量，因而引起焦比升高。
生铁中比铁难还原的元素，常存的有Si、Mn、P等，
在冶炼特殊的复合矿石时，还有V、Ti、Nr、Nb、B
等（图4-1），它们均需在高温下用碳素直接还原，
比还原铁消耗的热量更多，因而也使焦比升高。研
究和掌握难还原物质的还原规律，根据需要促进或
抑制它们的还原，对降低焦比和提高生铁质量都有
重要作用。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
一、硅酸铁的还原
高炉内的硅酸铁主要来自高FeO的烧结矿，在高炉
冶炼过程中由于还原的FeO与SiO2作用也生成一部
分硅酸铁。硅酸铁难还原，除其结构（2FeO·SiO2）
复杂外，还因其组织致密，气孔率低，内扩散阻力
大，不利于还原气体和气体产物的扩散。同时硅酸
铁熔点低（1150~1250℃），流动性好，一经熔化便
迅速滴入炉缸。由于未经充分加热，带入炉缸的热
量较少，又由于未能充分还原，而到炉缸内进行直
接还原，需要消耗大量的热量，使炉缸的温度降低，
甚至造成炉凉。其反应过程为：
在高炉中有CaO存在，它可把硅酸铁中的FeO置
换成自由状态并放出热量，因而有利于硅酸铁的
还原，这是的反应为：
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
用CO在不同温度下还原硅酸铁有无CaO存在时,还原
度是有差别的。
可见，促进硅酸铁还原的条件是提高炉渣碱度，保
证足够的CaO量，同时提高炉缸温度，保证足够的
需热量。然而这些都要引起燃料消耗的增加。因此
最好的措施是采用高碱度、高还原性、低FeO的烧
结矿，尽量减少硅酸铁入炉。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
二、锰的还原
锰属比铁难还原的元素，锰矿石或铁矿石中的锰不
能完全还原进入生铁。按冶炼铁种的不同，锰在高
炉内以不同比例分配于生铁、炉渣、煤气中（表41）。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
由于锰难还原，冶炼高温生铁时，随着炉温升高，
锰的还原率增加，但同时挥发到煤气中的锰也增加，
损失于炉渣中的锰则相对较少。
大多数铁矿石中只含有少量的锰，一般炼钢生铁对
锰含量亦不作要求。但当对生铁含锰提出一定要求
时，需在高炉炉料中配加一定数量的锰矿，若冶炼
锰铁，则必须专门加入锰矿石。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
锰氧化物在高炉内的还原也像铁氧化物一样，从高
价到低价逐级进行的：
从MnO2→MnO，一般比较容易，用CO和H2间接
还原即可。特别是还原到Mn2O3和Mn3O4两步，比
还原相应的铁氧化物还容易（图4-1），反应是不
可逆的。从Mn3O4→MnO是可逆反应，需要过量
的CO才能保证反应的进行。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
从MnO→Mn则比FeO→Fe难还原的多。必须在高
炉下部高温区用C进行直接还原，其反应为：
MnO+C=Mn+CO
这一反应一般要在1400℃以上进行。由于要吸收
大量的热（约为FeO直接还原的1.8倍），因此温
度愈高，愈有利于锰的还原。冶炼锰铁的焦比一般
为1400～2000kg/t，比炼钢铁高1.5 ～2.0倍。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
在高炉中，MnO常与SiO2结合成低熔点（1291℃）
的MnSiO3，这种结合状的MnO比自由的MnO更
难还原，因而最后进入炉渣。炉缸内，渣中的
（MnO）被碳还原的平衡数据是
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
温度升高，则K增大，有利于（MnO）的还原。
炉渣碱度提高，则（MnO）的活度系数增大，有
利于（MnO）的还原。还原出的Mn进入铁水，亦
促进Mn的还原。温度、碱度对锰在铁和渣中的分
配比（x为摩尔系数）的影响如表4-2所示。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
表4-2温度、碱度于Mn分配比的关系
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
3.高炉锰还原或冶炼锰铁的基本条件
由以上分析可得高炉中锰还原的条件是：
（1）足够高的炉缸温度。最有效的措施是提高
风温，采用富氧鼓风，并适当提高焦比，冶炼锰
铁时，铁水温度应达1560℃，而渣温应达1600℃。
但炉温亦不宜过高，一般以〔Si〕在1~2％为宜，
过高则增加了锰的挥发损失。而煤气中含有
Mn3O4会增加煤气洗涤的困难。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
3.高炉锰还原或冶炼锰铁的基本条件
（２）提高炉渣碱度Ｍn回收率增加，其效果如
图4-16所示。但随着碱度提高，炉渣粘度也升高，
不利于高炉顺行，为此可适当增加炉渣MgO含量
到8~12%，以改善炉渣流动性。图4-16还指出，
减少渣量使锰的利用率提高，但随着碱度的升高，
渣量的影响减小。
（３）正确选择原料。锰矿石的含Mn量要高，含
Fe量和SiO2要低，P、S要特少。这样才能冶炼
出高锰，低P、S的锰铁。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
3.高炉锰还原或冶炼锰铁的基本条件
我国富锰矿资源不算多，高磷贫锰矿和铁锰矿却
不少。对这些资源采用二步法炼锰铁[6]，锰的利
用较为有效。所谓二步法就是：第一步，高炉采
用酸性渣操作（R0=0.2~0.4），先炼得富锰渣
（Mn/Fe=15，低P、S）；第二步，将富锰渣再
入高炉，采用碱性渣（R0=1.0~1.3）操作，冶炼
得含Mn70%的锰铁。或将富矿渣入电炉冶炼得含
Mn70%以上的高锰铁。
我国江西新余、湖南湘潭、山西阳泉以及上海铁
合金厂都有高炉或电炉专门冶炼锰铁。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
三、硅的还原
1、生铁对硅含量的要求
生铁中的硅主要来自矿石脉石和焦炭灰分中的
SiO2。特殊情况下高炉也加入硅石，不同铁种对
硅含量的要求以不同。一般炼钢生铁〔Si〕<1%。
硅比锰更难还原，需要消耗更多的热量。为了降
低焦比，缩短炼钢时间，减少渣量，节省燃料，
要求生铁[Si〕<0.6%，甚至更低，以保证高炉冶
炼和脱硫所需之最低炉温为原则。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
目前一些高炉冶炼炼钢生铁，其硅含量已将低到
0.2~0.3%，甚至0.1%或更低。对铸造生铁则要求
含硅在1.25~4.0%。对硅铁合金则要求含硅愈高
愈好。但高炉冶炼条件下炼出的硅铁含硅一般不
大于20%。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
则可算出1500℃，生铁中平衡〔Si〕浓度在3.3%以
上，实际上，由于（SiO2）的还原速度甚慢，生铁
中的〔Si〕远达不到平衡值。由（4-51）式可以看
到，温度升高，K值增大，生铁中平衡〔Si〕浓度
亦增大。同时，温度升高，（SiO2）还原速度亦增
加。所以导致生铁中硅含量随温度升高而近似呈线
性增加关系（图4-17）。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
在高炉内的高温和强还原性的气氛（P02约为1017MPa），矿石和渣中的（SiO ）也能按下式分解
2
为气态SiO：
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
若取渣中=0.1，炉缸中=4×10-17 Mpa（即4×1016atm），则可算出1600℃平衡的=608Pa（即6×103atm）；温度愈高，则愈大。气态SiO与碳素接触
良好，加速了硅的还原。这是高炉中硅还原的另一
重要途径。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
一部分未被还原的气态SiO，随煤气上升，在高炉
中上部分解，或被CO2氧化为SiO2颗粒，部分随煤
气逸出，造成煤气清洗的困难；部分则沉积于炉料
孔隙中或料块之间，使料柱透气性恶化，造成高炉
难行和悬料。由于这种悬料是在炉子过热状态下，
SiO大量挥发所引起的，故称为热悬料。其预防和
消除的基本方法也就是避免或防止炉温过高，炉子
过热，减少SiO挥发。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
3、硅还原途径
根据风口取样分析，硅的还原在风口水平或渣层以
上基本完成，这是铁中的硅已接近甚至超过终铁的
〔Si〕。联系以上分析，可以得出硅还原的主要方
式是通过SiO气体还原。即从风口水平上升的SiO下
降的铁滴相遇，被铁水中的〔C〕还原。还原出的
〔Si〕很快溶于铁中：
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
这两个反应，特别是前者的动力学条件很好，比渣
相还原优越，因此，被认为是硅还原的主要方式。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
高炉中气态SiO主要是在风口前燃烧带生成的，这
里进行着燃料燃烧，是高炉内温度最高的区域（在
燃烧焦点处温度达1800℃以上）。同时燃烧后灰分
中的SiO2成自由状态，为SiO2气化
提供了良好条件。诚然，矿石脉石中的SiO2早已进
入渣相，可能于其它氧化物处于溶解状态，在滴经
燃烧带时，也必然有一部分气化为SiO，但不如前
者容易。通过气态SiO还原是主要途径，但渣相还
原亦不可排斥。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
四、磷的还原
炉料中的磷主要以磷酸钙（CaO）3·P2O5（磷灰石）
形态存在，有时也以磷酸铁（FeO）3·P2O5·8H2O
（兰铁矿）形态存在。
磷酸铁比较容易还原。用H2和CO从自由的P2O5还
原出P，约800℃时才开始，而从（FeO）3·P2O5还
原P，用H2在400℃即开始，用CO则在500～700℃
时开始。在950～1000℃左右Fe伴随着P而还原。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
四、磷的还原
1、铁矿石中的磷矿物及其还原规律
炉料中的磷主要以
磷酸钙（CaO）3·P2O5（磷灰石）
磷酸铁（FeO）3·P2O5·8H2O（兰铁矿）形态存在。
磷酸铁比较容易还原。用H2和CO从自由的P2O5还原
出P，约800℃时才开始，而从（FeO）3·P2O5还原P，
用H2在400℃即开始，用CO则在500～700℃时开始。
在950～1000℃左右Fe伴随着P而还原。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
磷灰石中的磷比铁难还原，需要直接消耗碳素和大量的热量。
但长期实践证明，炉料带入的磷几乎全部还原进入生铁中，
只有在冶炼高磷生铁时，才有5~15%P进入炉渣。
磷能全部还原主要是因为炉内有大量的SiO2和Fe存在，又是
强还原性气氛；置换出的自由P2O5易挥发，改善了同碳素的
接触条件，促进了磷的还原，磷本身也很易挥发，而挥发的
磷随煤气上升，在高炉上部又全部被海绵铁吸收。在这种十
分有利的条件下，磷全部还原转入生铁。因此要控制生铁中
的磷含量，只有使用低磷原料。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
2、高磷铁矿石的利用和处理
对高磷铁矿石，过去相当长时期受技术条件的限制，
选矿很难去磷，烧结去磷亦很少，因此只好冶炼高磷
铁或高磷铸铁。冶炼磷铁时，原料中的磷约有80%进
入铁中，约7%挥发随煤气逸出，约13%进入炉渣。
铁水含磷可增加流动性，改善铸造性。因此一些形状
复杂的铸件往往需要高磷铁水或钢水来铸造，但其用
量有限，不能多生产。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
自19世纪末托马斯转炉炼钢法问世以来，基本解决了
一般高磷铁矿的利用问题。因为这种炼钢法可以处理
高磷铁水。同时靠其中磷氧化发热，提供部分热源。
高炉冶炼托马斯生铁，含磷可高达1.6~2.0%。因此，
对于一般含磷较高的铁矿石，还可同低磷矿配合冶炼。
随着选矿和冶炼技术的发展，处理高磷铁矿的办法也
有进展。瑞典的经验可资借鉴。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
瑞典有世界著名的大铁矿，大部分属高磷、高碱金属
的富铁矿。如克鲁纳（Kiruna）铁矿，含55%Fe，
1~1.5%P，碱金属大于1%。其处理和利用方法有：
（1）高炉直接冶炼高磷矿，炉外多渣法去磷。用钙
基材料（含CaO、Fe2O3、CaF2）和Na2CO3往铁水中
喷吹，即实行炉外喷射冶金法，并采用多渣法去磷，
可使磷降到0.05%以下。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
（2）精选去磷，高炉冶炼低磷铁。将原矿细磨至325
目，进行磁浮联选，得低磷铁精矿（可使磷从1.5%
降低到0.1%，去磷率达93%）经造块后入高炉冶炼。
（3）用低磷铁精矿生产球团，经竖炉直接还原得海
绵铁，入电炉炼钢，〔P〕可达0.02%。
（4）用低磷铁精矿，实行熔态还原法直接炼铁。这
种新工艺目前正在研制中。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
五、钒钛磁铁矿的还原和冶炼
1、钒钛磁铁矿的特点
钒钛磁铁矿是一种多金属共生的复合矿石。除铁外，
还有Ti、V、Ni、Cr、Co等元素，其中V、Ti相对较
多，因此而得名。金属钛有很好的机械强度和抗张力，
其相对密度（4.3~4.5）由比铁（7.8）小，因此是火
箭和航天工业的必备材料，TiO2（钛白）可作为颜料、
电焊条等。凡在各种高速切削、优质结构、耐热、不
锈钢中都是必不可少的金属元素，镍、铬亦然。必须
充分综合利用。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
苏联、美国、加拿大、南非、挪威、新西兰等都有这
种矿藏。我国西南攀枝花-西昌地区，蕴藏有丰富的
钒钛磁铁矿资源。攀枝花矿中钒的氧化物固溶体状态
结合于磁铁矿中，即以尖晶石FeO·V2O3代替磁铁矿
FeO·Fe2O3的部分晶格。而其中的含钛矿物常以钛铁
矿（FeTiO3），钛铁晶石（Fe2TiO4）和钛磁铁矿
（Fe3TiO6）等形态存在，结构复杂，组织致密，较
难还原，一般需在高于900℃的温度下用固体碳进行
直接还原。如钛铁矿的还原反应为：
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
因此，若直接使用钒钛磁铁矿天然富矿冶炼，焦比肯定较冶
炼普通矿高。若经选矿、造块处理，可大大改善其冶金性能，
从而改善高炉技术经济指标。
在选矿过程中，钒总是富集于铁精矿中，约占原矿总钒量的
75%，称铁钒晶矿，其中还有一定量的TiO2 （攀枝花铁钒精
矿中的TiO2约为13%），其中的Ti约占原矿总Ti量的一半多。
另一半则以TiO2 形态进入选铁尾矿中。将尾矿再经富选，可
使TiO2 富集为钛精矿，送电炉冶炼提钛，或产生钛白。铁钒
精矿则经烧结、球团造块，送入高炉冶炼。钒被还原进入生
铁，在转炉炼钢时转入炉渣，再从钢渣中提钒。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
2、钒钛磁铁矿的冶炼
高炉冶炼钒钛磁铁矿，在铁还原的同时，V、Ti等元素于随之
还原，但它们比铁、锰更难还原，均需在高温下用碳直接还
原，而且只能部分被还原。一般高炉内V的还原率为70~80%，
钛很少，大部分TiO2转入炉渣排走。
钒能组成一系列氧化物，其还原顺序也是从高价到低价逐级
进行的：
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
还原出Ti，一部分溶入铁中，另一部分与碳结合成TiC。此外，
还原出的Ti还可与煤气中的N2形成TiN及其与TiC的固溶体Ti
（C，N）。TiC的熔点是3140℃，TiN的熔点2930℃，它们以
固态微粒悬浮于渣中，使渣变稠。此外在还原过程中形成的
Ti2O3可同MgO，Al2O3，SiO2等形成极难熔的巴依石矿物
（含Ti2O3和MgO的硅铝酸盐），存在于渣中，亦使渣变稠。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
钛渣的变稠主要是在高温还原条件下，由于钛氧化物还原后
产生大量难熔的TiC，TiN所引起；而且随着时间的延长，
TiC，TiN生成愈多，渣变的愈粘稠，甚至渣、铁不易分离，
造成炉缸堆积，以至最终失去流动性造成所谓“热结”现象，
使高炉无法生产。这就是高炉冶炼高钛型钒钛磁铁矿的症结
和困难所在。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
国外研究认为，炉渣含TiO2超过16%，高炉就不能正常生产。
长期以来，炉渣含TiO2超过16%被认为是一道不可逾越的
“封锁线”。照此看来，攀枝花钒钛磁铁矿是不能利用的。
但我国炼铁科技工作者经过协同一致的努力，终于在本世纪
60年代中期，突破了难关，取得了试验研究的成功，并于70
年代初期建成了攀枝花钢铁公司，成功地在1000m3级的高炉
上用含TiO2高达25%的炉渣进行了冶炼，实现了渣、铁畅流，
高炉正常生产，且技术经济指标日益改善。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
解决钛渣变稠的措施可概括为：吃精料，造好渣，低硅钛，
炉缸活。
吃精料，就是要使用高温冶金性能良好的熔剂性烧结矿。
造好渣，就是在造渣制度上，首先要选择适当高的炉渣碱度
（CaO/SiO2=1.10~1.15）操作，以利于钒的还原，提高钒的回
收率；同时较高的碱度亦利于控制Ti2O3巴依石矿物的生成。
因为CaO和TiO2结合生成钛铁矿CaO·TiO2，降低了TiO2的或
度，抑制其还原成Ti2O3。同时，要造成适当的炉渣氧势，控
制TiC、TiN及Ti（C，N）的生成，使之在有限的范围内，达
到使渣消稠的目的。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
所谓低硅钛，就是控制较低的炉温水平，降低炉缸温度，使
生铁中的〔Si〕、〔Ti〕含量较低。这样，就能抑制TiO2过还
原，减少TiC、TiN及Ti（C，N）的生成。因此，务必使生铁
中的〔Ti〕、〔Si〕含量控制在较低的水平，造成Fe、V还原，
而Si、Ti烧还原的条件。攀钢高炉控制〔Si〕<0.2%，〔Ti〕
较之更低，保证高炉渣、铁畅流，炉况顺行。在控制低〔Si〕、
〔Ti〕的同时，又要保证铁水有足够的温度和良好的流动性，
这叫做“化学凉、物理热”。为此，必须活跃炉缸工作，使
之均匀化。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.3 其它元素的还原
所谓炉缸活，就是要采用上、下部调剂的有效措施，使炉
缸工作均匀、活跃，保证风口前再氧化作用和炉渣适宜的
氧势，控制TiC、TiN及Ti（C，N）的生成。同时保证铁水
和炉渣有足够的温度，整个炉缸内渠道通畅，即使排放渣、
铁，不致使渣、铁久存于死角，造成炉缸局部堆积，甚至
严重堆积现象。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
高炉直接还原度及其计算
衡量高炉内直接还原发展程度的指标称为高炉直接还原度，
用Rd 表示。它包括着铁、硅、锰、磷等元素及其它一切直
接 还 原 反 应 在 内 。 例 如 ， 高 温 下 ， 碳 酸 盐 （ MgCO3 、
CaCO3 、FeCO3 ）分解出的CO2 ，矿物内结晶水分解出的
H2O都有一部分同碳素作用生成CO和H2，还有脱硫反应等，
它们都直接消耗一部分碳素，亦属于直接还原范畴。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
衡量高炉内间接还原发展程度的指标称为高炉间接还原度，
用Ri表示。它包括高炉内一切间接还原反应在内（除铁氧化
物的间接还原外，还有锰、钒、钛的高价氧化物的还原
等）。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
二．高炉铁的直接还原度及其表示
上面所说的高炉直接还原度（Rd ），不只是铁的直接还原，
还包括Si、Mn、P等元素及其它一切形式的直接还原，计算
起来比较复杂，而在数值上后者要比铁的直接还原小得多。
因此在实际生产中，为了简便，常常只计算铁的直接还原
度（rd）。rd更富有实用价值。但必须清楚理解Rd与rd这两
个指标在概念上的区别和联系，不能混同。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
什么是铁的直接还原度呢？假定从高价氧化铁还原成低价
氧化铁（FeO），全部为间接还原（低温下用固体碳直接还
原固态矿石很困难，其量很少而略去），直接还原仅从FeO
开始。从FeO还原为金属Fe，其中有一部分是靠CO和H2的
间接还原；有一部分则是靠固体碳的直接还原。把铁的直
接还原度定义为：从FeO中用固体碳直接还原的金属铁量
（Fe直）与从全部铁氧化物中还原出来的金属铁总量（Fe还）
之比：
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
三．铁的直接还原度（rd）的计算
前已指出，从FeO中还原铁，一部分是用C直接还原，一部
分是用CO和H2间接还原。在一般情况下，H2量不多，可同
CO一起都计算在间接还原度（ri ）中。在高炉喷吹高碳氢
化合物燃料（如重油、天然气、烟煤、褐煤等）时，高炉
煤气中H2 量显著增加，H2 的还原作用不容忽视，应予以单
独考虑。此时，由式（4-22）得铁的直接还原度为：
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
三．铁的直接还原度（rd）的计算
前已指出，从FeO中还原铁，一部分是用C直接还原，一部
分是用CO和H2间接还原。在一般情况下，H2量不多，可同
CO一起都计算在间接还原度（ri ）中。在高炉喷吹高碳氢
化合物燃料（如重油、天然气、烟煤、褐煤等）时，高炉
煤气中H2 量显著增加，H2 的还原作用不容忽视，应予以单
独考虑。此时，由式（4-22）得铁的直接还原度为：
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
根据直接还原度rd的定义，采用三种方法进行计算：
1)按直接还原铁所消耗的碳量计算：这种方法的要点是，
先通过C-N平衡法求出每吨生铁所消耗的鼓风量V风， 然后
根据鼓风量计算风口前燃烧的碳量C风 进一步从全部人炉的
总碳量中减去风口前燃饶的碳量和除了直接还原铁以外的
其他各项碳消耗，即得直接还原铁所消嚣的碳量，最后把
直接还原铁所消耗的碳量换算成直接还原的铁量，比上全
部还原生成的铁量就是直接还原度rd。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
C焦、C燃 、C料、C熔 、C挥 、C铁 、C尘 ——分别为冶炼1吨生
铁由焦炭、喷吹燃料、附加炉料、熔剂、挥发分、生铁、
炉尘等带入（＋）或带出（－）的碳量，kg/t生铁；
CO2 、CO、CH4——高炉炉定煤气中相应各成分的百分含
量，%；
CO2 （ 熔 +挥 ） ——冶炼1吨生铁所用熔剂和焦炭挥发分中的
CO2重量，kg/t生铁；
Fe2O3 、MnO2——分别为冶炼1吨生铁由炉料带入的Fe2O3
（应扣除被H2还原成FeO部分）和MnO2的重量，kg/t生铁。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
2)按间接还原FeO生成的CO2和H2O还 计算：这种方法的
要点是，先计算炉顶煤气中以间接还原(包括H2还原)的方式
还原FeO所生成的CO2和还原生成的水H20 还，进而算出间
接还原生成的铁量，比上全部还原生成的铁而得铁的间接
还原度ri，然后由rd；1一ri而得出rd。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
3) 按直接还原夺取的氧量计算：这种方法的要点是，先
计算炉顶煤气中间接还原生成的CO2和H2O还， 进而算
出间接还原夺取的氧量，从炉料中铁氧化物中还原夺取
的全部氧量中减去此数为直接还原夺取的氧量，由此算
出直接还原生成的铁，比上还原生成的全部铁量就是直
接还原度rd。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
CSi+Mn+P——Si、Mn、P等元素直接还原消耗的碳量，kg/t
生铁；
C石灰——石灰石分解出的CO2在高温下与碳作用生成CO所
消耗的碳量，kg/t生铁；
C 风 ——到达风口区燃烧的碳量，kg/t 生铁 ，按C、N2 平衡原
理算出鼓风消耗量来计算。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
这个方法在高炉炉顶煤气分析准确可靠时，是简便适用的。
若煤气分析不准，计算结果将产生较大误差。
直接还原度的计算对高炉配料、高炉设计、计算理论焦比
和高炉生产分析都很重要。国外已有用计算机随时计算出rd，
并显示出碳需消耗与rd关系的C-rd图表。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
直接还原和间接还原对焦比的影响
在高炉中如何控制各类还原反应来改善燃料热能和化学能
的利用是降低燃料消耗的一个关键问题。前已论及，高炉
最低燃耗并不是在全部直接还原或全部间接还原，而是在
两者适当比例的情况下获得的。对这一理论，可通过下面
的计算和分析来进一步证明。同时深入分析在不同条件下
这个适宜比例是多少。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
一．铁的直接还原度（rd）与还原剂碳量消耗的关系
1. 用于直接还原铁的还原剂碳量消耗（Cd）
前已提到，直接还原出1kg金属铁，需要消耗0.214kg碳作为
还原剂。则直接还原出Fe直kg金属铁所需还原剂碳量为
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
这就是说，还原1kg金属铁时，直接还原所需的还原剂碳量
为铁的直接还原度rd的0.214倍。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
2. 用于CO间接还原的还原剂碳量消耗（Ci）
同上分析，亦可得间接还原出Fe间kg铁所需还原剂碳量为
式中
0.214n——用CO间接还原出1kg铁所需的还原剂碳量。
N为保证间接还原反应达到平衡所需的CO过量系数。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
n值应该是多少？
在高炉风口区燃烧生成的煤气中的CO首先遇到FeO进行还
原。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
平衡常数Kp 随温度的变化而变化，因而n1 值亦随温度而变
化。反应（4-32）在每一温度下都有一个与之相对应的n1值，
它可以通过图（图4-3）进行计算而求得。例如：
在630℃时，从图4-3曲线3上查得上述FeO还原反应的平衡
气相成分为57%CO和43% CO2，则
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
表明在平衡条件下，630℃时按反应（4-32）还原出1molFe
（或消耗1molFeO）需要2.33mol C（或2.33mol CO）作还
原剂。所以，0.214n1=0.214×2.33=0.499。
还原FeO后的气体产物（n1-1）CO+CO2 继续上升，遇到
Fe3O4，按下式进行还原：
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
两例比较，630℃时，n1=n2=2.33=n即这个过量系数n正好即
可 满 足 FeO→Fe ， 又 可 满 足 Fe3O4→FeO 的 要 求 ， 而 对 于
Fe2O3→Fe3O4更是不成问题。
同理，每给定一个温度就可求出其对应的n1和n2值。这样就
可做出反应（4-32）和（4-35）的n值随温度而变化的曲线
（图4-7）。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
由图4-7可见，n1和n2两曲线相交于O点，此时n1=n2=n=2.33，
对应的温度为630℃，即从还原剂消耗的角度看，此时，能
满足各间接还原反应所需的过量系数n值最低（2.33），高
于或低于这个温度，都将引起n值升高（﹥2.33），从而引
起还原碳量的增加。此时的碳量消耗不是n1+n2 之和，而是
取其中的最大者。在O点左侧以n2 曲线上的点为准（如b
点）；在O点右侧则以n1 曲线上的点为准。如a点，此时温
度为750℃，n=n1=2.8，这样的n值才能同时满足各间接还原
反应的要求。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
也就是说，当铁的直接还原度为70%时，用C直接还原FeO
产生出的CO恰能满足间接还原的需要，此时还原剂最节省，
即用作还原剂的碳量消耗最低（约0.15kgC/kgFe）。当rd高
于或低于此值时，都将引起还原剂碳量消耗的增加。这时
的碳量消耗不是Ci+Cd 之和，而是取其中的大者。如在E点
右侧，Cd﹥Ci ，取Cd 值，即以AE线上的点为准；在E点左
侧，Ci﹥Cd，取Ci值，即以BE线上的点为准。因此，图4-8
中对计算还原碳量消耗实际起作用的是BEA线。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
实际高炉生产中的rd值要比0.7小得多（一般rd =0.45~0.55），
而理论最低碳量消耗所对应的最佳直接还原度rd还要比它更
小（一般理论计算为0.2~0.3），这是因为上面仅考虑到还
原剂，还没有考虑到发热剂的碳量消耗。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
二、铁的直接还原度（rd）与发热剂碳量消耗的关系
高炉冶炼过程中，炉料的加热、分解、熔化，铁及其它元
素的直接还原，炉衬的冷却及
散热，煤气的溢出，定期排除渣铁等都要消耗或带走大量
的热。这些巨大的热消耗和热损失主要由焦炭及喷吹燃料
燃烧供给，热风和放热反应也补充部分热量。根据热平衡
原理，可推导出如下方程
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
在一定的冶炼条件和总热消耗量的情况下，分别令rd=0，
rd=1，或等于其它数值，便可算出对应的C热 值，于是在不
同的总热量消耗（Q1>Q2>Q3···）和冶炼条件下，便可得到
图4-3中BF（Q1）、MK（Q2）、NP（Q3）等线。此时的焦
比最低点随着冶炼条件的改善（如风温提高，原料改善
等），总热量消耗的降低从点B向点D、L···的方向转移。
例如D为0.25（理论最低碳比为0.37kgC/kgFe）， rd超过或
低于此值都将引起碳比（焦比）的升高。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
D点所对应的碳量就式该条件下即满足还原剂需要，又满足
发热剂需要的最低理论碳素消耗量。根据理论计算，高炉
最佳铁的直接还原度rd适大约在0.2~0.3之间。而实际生产高
炉 的 rd 值 （ rd 实 ） ， 在 不 喷 吹 含 H 2 物 质 条 件 下 ， 大 约 是
0.45~0.55，因此高炉工作者的一个重要任务就是降低rd实，
使之达到最佳值（rd适）。从而大大降低实际焦比，使之接
近理论焦比。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
三. 氢还原对碳素消耗的影响
以上仅研究了用C和CO作为还原剂的情况。
在高炉喷吹含H2 燃料（如天然气、重油等）时，H2 代替了
部分CO间接还原反应和部分C的直接还原反应，减少了还
原剂碳素消耗，增加了间接还原，降低了rd，使得确定条件
下铁的适宜直接还原度的值也向减小的方向发展。H2 参加
还原的这一影响随着H2量的增加可由图4-8中B、E、B2E2线
来描述。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
可见在喷吹重油和天然气条件下，随着H2 含量的增加，H2
还原作用增强，使得高炉的实际直接还原度rd实降低，使之
接近或达到rd适（0.2~0.3）。理论碳素消耗亦随之降低。鞍
钢3号高炉喷吹重油达76.5kg/t生铁时，rd降低9.17%。重钢高
炉喷吹天然气后，rd由52%降低到43%，都使焦比降低。
根据我国几个工厂的统计，随着喷吹燃料的增加，铁的直
接还原度rd降低（图4-9）。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
将图4-9中的数据细加比较便可看出，喷吹重油的本钢、鞍
钢高炉其直接还原度（rd）随喷吹量增加而降低的幅度比喷
吹煤粉的首钢高炉大。这是因为喷吹重油使气体中的含H2
量增加，促进了H2还原度（rH2）的发展，改善了间接还原，
减少了直接还原，使得rd大幅度降低。因此喷吹高H2燃料对
降低焦比有积极意义。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
四. 降低焦比的主要途径
上面综合研究了铁氧化物还原反应过程所需的还原剂和发
热剂最低碳素消耗（或焦比）及其达到的条件。可以看到
焦炭的还原剂和发热剂职能可为喷吹C-H化合物燃料所代替。
但是焦炭在高炉中还履行着另一个重要职能—作为料柱骨
架，保证高炉整个料柱，特别是高炉下部料柱的透气性
（见第六、八章）。焦炭的这一作用是任何喷吹物所不能
代替的。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
从冶炼过程气体动力学条件的观点看，这个作用很可能成
为最低焦比的限制性因素。因此理论上可能的最低焦比最
终应由三方面决定：保证生铁中确定数量的各元素的还原；
高炉冶炼过程的需热量；高炉料柱透气性。正是由于焦炭
的这一特殊职能，使焦炭显得更为重要和宝贵，因为它的
节约是受料柱透气性约束，因而是有限度的。在我们探索
理论焦比极限时，不要忘记了这一因素。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
基于以上理论分析，降低焦比的主要方向和途径是：
1．发展间接还原，减少直接还原，降低铁的直接还原度。
一般rd 每降低0.1，焦比降低约50kg/t。采用高还原性、低
FeO、高品位、低渣量，以及良好高温冶金性能的烧结矿和
球团矿；改善高炉操作和煤气流分布；采用高风温和富氧
鼓风等措施，可扩大间接还原区，缩小直接还原区，降低
焦比（燃料比）。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
2．降低单位生铁的热量消耗。凡能改善冶炼条件，改善高
炉煤气能量利用，减少单位生铁热量消耗的措施都可降低
焦比（燃料比）。如使用熔剂性烧结矿，高炉不加石灰石
可节省其分解热；提高矿石品位，降低焦炭灰分可大大减
少渣量，从而减少炉渣带走的热；降低炉顶煤气温度，实
行合理冷却制度，可减少大量的热损失等。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
3．采用喷吹燃料、富氧和高风温、综合鼓风等新技术，改
善喷吹效果，可直接代替部分焦炭，大幅度降低焦比。同
时提高煤气中的H2 含量，改善H2 还原，促进燃料消耗的降
低。
4．改善焦炭质量，降低灰分，提高其高温强度，充分发挥
其料柱骨架作用，改善高炉料柱透气性，改善煤气分布及
其能量利用，亦可降低焦比和燃料比。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
五 直接还原和间接还原及其比较
高炉内的还原反应基本上分为两大类：一类叫间接还原，
一类叫直接还原。
凡用CO或H2 做还原剂，最终气体产物为CO2 或H2O的还原
反应称为间接还原反应。其总热效应就CO而言为放热反应
（式4-8），对H2而言为吸热反应（式4-12）。但H2在整个
还原中所占比例毕竟较小，故间接还原最终结果应是放热
的。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
凡用碳做还原剂，最终气体产物为CO的还原反应称为直接
还原反应（式4-14）。其热消耗是吸热的，需要消耗大量的
热。
高炉中直接还原和间接还原区域的划分不是绝对的，主要
取决于碳的气化反应的发展。一般温度低于800℃的区域为
间接还原区，因为该温度下碳的气化反应很慢，可以说尚
未开始，直接还原尚不能进行。在温度高于1000℃的区域为
直接还原区，因为一般在该温度以上，碳气化反应很快，
反应（4-7）生成的CO2立即与C反应生成CO，即气相中不
可能有CO2存在。间接还原到此结束。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
而在800~1100℃之间为直接还原和间接还原的混合区。因为
在此区间碳的气化反应可能有不同程度的发展。一般认为
最佳的间接还原温度必须低于1000℃。这也是碳的气化反应
开始迅速进行的适宜温度。
在高炉中，直接还原和间接还原同时并存，只是各自所处
的温度区域不同。这是由高炉过程的本质所决定的。因为
高炉内存在着大量的焦炭，高温下，其碳素必然要与CO2
（或H2O）发生作用，生成CO（或H2）。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
从热能利用的观点看，间接还原的总热效应是放热的，可
以节省热量消耗；而直接还原为吸热反应，热量消耗较大。
故发展间接还原有利。
从化学能利用的观点看，直接还原所消耗的还原剂碳量为
12/56=0.214kg/kgFe。
间接还原为使反应达到平衡需要过量的CO。其过量系数为
n，即其还原剂碳量为直接还原的n倍。因此，从还原剂碳
量的消耗看，直接还原有利。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.4 直接还原与间接还原
实际上高炉内直接还原和间接还原是同时并存、缺一不可
的。
直接还原只注意到热能的利用，而忽视了化学能的利用；
间接还原只注意到化学能的利用，而忽视了热能的利用。
由此可见，要达到炉内还原过程的最低碳消耗，两者都
要有一个适当的发展程度，两种极端情况即100％直接还原
或100 ％间接还原．都达不到最低的碳消耗。问题是如何根
据具体条件，使两者达到一个适宜的比例，在这个比例下，
焦比（燃料比）最低。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.5 加强氢还原，改善氢的利用
一、氢还原的特点（同CO比较）
1．由图4-5看到，温度高于810℃时，H2的还原能力比CO强，
其利用程度比CO好。因为此时反应达到平衡所需H2的浓度
比CO低。即在平衡气相中允许反映产物H2O存在的浓度高
于CO2 的允许浓度。在温度低于810℃时则相反，此时反应
达到平衡所需的CO浓度比H2 低，因此CO还原能力比H2 强，
其利用程度比H2好。故若提高H2利用率，必须充分发挥H2
在高温区的还原作用。前已指出，实际上在高温区参加还
原的H2 占高炉内参与还原H2量的85%以上，只有少部分H2
在低温区代替CO的间接还原。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.5 加强氢还原，改善氢的利用
2．H2 具有较小的原子半径，比CO具有更大的扩散能力。
同时气体的扩散速度与其分子量的平方根成反比。H2 的分
子量小，同样温度下，其扩散速度为CO的3.74倍。同样H2
还原产物H2O的扩散速度亦为CO2的1.56倍。这样H2便能迅
速迁移到化学反应界面，满足还原反应的要求；同时其产
物H2O亦能迅速向外扩散而溢出。当铁矿石的还原处于扩散
范围时，H2大大促进了还原过程。
3．H2导热性好，为其它气体的7~10倍，加速了煤气和矿石
之间的传热过程，改善了热交换条件。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.5 加强氢还原，改善氢的利用
4．H2的粘度系数小，煤气中H2浓度增加，可使煤气流摩擦
力减小，有利于降低料柱全压差，促进高炉顺行。
5．温度很高（例如超过2000℃），H2可能发生分解：
H2=2H
（4-39）
这是一个激烈的吸热反应。在高炉风口前燃烧焦点的温度
（2000℃或更高）条件下，煤气中的H2 大约有0.4%进行这
种分解，因而可降低燃烧焦点温度，避免过热。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.5 加强氢还原，改善氢的利用
当H原子离开燃烧带后又可化合为H2，放出热量，起到了均
衡炉缸温度的作用，而对总热平衡无影响，从而活跃了炉
缸，促进了顺行，有利于降低焦比。高炉喷吹高H2 燃料后，
炉缸工作均匀，生铁含〔Si〕波动很小，含〔S〕降低，可
能与此有关。
无论从还原的热力学和动力学条件看，H2 都是很好的还原
剂。H2 参加还原可降低焦比。然而H2 在高炉内并没有完全
被利用，在入炉总H2量中，目前只有30~50%参加了还原，
大半逸出高炉。如何提高H2 利用率是改善还原，强化冶炼
的一个重要理论课题。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.5 加强氢还原，改善氢的利用
二．氢利用率及其计算
氢利用率（ηH2）是衡量高炉内H2参加还原程度的指标。它
是参加还原反应的H2量（H2还）占入炉总H2量（H2总）的百
分数。即
式中 H2O煤、H2煤——分别为炉顶煤气中H2O和H2的百分含
量，%。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.5 加强氢还原，改善氢的利用
用这个公式计算是不够准确的。因H2O煤实际包括着炉料
吸附水在内，它不是H2还原来的H2O；另外炉顶煤气中的
H2O含量往往分析不准也引起误差。因此又常用下法计算。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.5 加强氢还原，改善氢的利用
式中 V煤——冶炼1吨生铁所生成的炉顶煤气量，m3；
H2煤 、CH4煤 ——分别为炉顶煤气中H2 和CH4 的百分含量，
%；
H2风、H2燃 、H2晶、H2焦 ——分别为鼓风、喷吹燃料、炉料
结晶水分解、焦炭挥发分中的H2 的重量，它们之和即入炉
总氢量（H2总），kg/t生铁。使用100%熟料时H2晶=0。
分子为未被利用的氢量，kg/t生铁。因此（4-41）式又可表示
为
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.5 加强氢还原，改善氢的利用
三．提高氢利用率
喷吹含H2燃料降低焦比，一方面是其中的C直接代替了焦炭
中的碳，另一方面是其中的H2代替C和CO参加了还原，降
低了rd，减少了碳消耗量。因此，为进一步降低焦比，必须
充分发挥H2 的作用，提高H2 的利用率。生产中的一般规律
是随着喷吹燃料量的增加，煤气中的H2浓度增加，ηH2也随
着升高。但当H2浓度增加到一定程度后，ηH2升高就不明显
了。为进一步提高H2 利用率，必须采用精料、高风温和富
氧等措施，一方面是提高矿石还原性，改善H2 还原的动力
学条件，一方面提高炉缸温度加速H2 在高温区的还原过程，
改善H2的还原作用，从而提高H2的还原率。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.5 加强氢还原，改善氢的利用
高炉煤气中的H2和CO参加还原反应，生成气体产物H2O和
CO2 。在H2 、CO、H2O、CO2 四种气相组分之间，应符合
水煤气平衡
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.5 加强氢还原，改善氢的利用
在810℃时，K值为1。随着温度升高，平衡向CO和H2O增
加方向移动，K值增加，H2利用率提高。
铁氧化物是水煤气反应的触媒剂，因此，在高炉条件下，
可以认为该反应接近平衡。于是有
可 见 ， 当 用 CO 和 H2 共 同 还 原 铁 氧 化 物 时 ， 气 相 组 成 中
H2O/H2的比值一定要随CO2/CO比值的增大而增加。因此，
在改善H2利用率的同时，也促进了CO的很好利用。高炉中
H2 的存在和高温下水煤气平衡的迅速建立，可加速还原反
应过程的进行。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.6 铁矿还原动力学
一．块矿还原的机理
铁氧化物还原的逐级性决定了块状铁矿石（或球团矿）还
原的分层性。即由表及里向中心逐渐推进，形成表层为金
属铁层，向里依次为高一级的铁氧化物层（图4-10）。随着
还原反应的进行，金属铁层厚度不断增加，而高价铁氧化
物层厚度则依次缩小。
当矿石粒度较小，或气孔率较大，还原气体及其产物可自
由进出时，则分层性不明显。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.6 铁矿还原动力学
多孔铁矿石（球团或烧结矿）的还原反应机理示意如图4-11。
首先是煤气流中的CO（或H2O）脱附并沿微孔隙（5）和大
孔隙（6）向外扩散；最后气体产物脱离块矿表面向边界层
扩散（7）并与外界煤气流汇合。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.6 铁矿还原动力学
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.6 铁矿还原动力学
块矿还原反应过程主要由三个环节组成：
（1）外扩散。即还原气体通过边界层向块矿表面或气体产
物自块矿表面向向边界层的扩散，包括空间对流传质和通
过边界层的传质。
（2）内扩散。即还原气体或气体产物通过块矿或固态还原
产物层的大孔隙、微孔隙向反应界面或脱离反应界面而扩
散。还有铁、氧离子在还原产物层晶格结点间及空位上的
扩散。扩散是以分子、原子或离子迁移为基础的传质过程，
它宏观表现为分子、原子或离子从高浓度区向低浓度区的
转移。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.6 铁矿还原动力学
（3）反应界面的化学反应。包括还原气体（CO或H2 ）在
反应界面上的吸附，吸附的还原剂与矿石晶格上氧的结合，
气体产物（CO2或H2O）的脱附及固相还原产物的结晶化学
变化及晶格的重建等。这一环节充分反映了还原反应的吸
附、自动催化特性（图4-12）。由于新相Fe晶格本身的形成
和长大，起到催化剂的作用，大大加速了还原反应的进行。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.6 铁矿还原动力学
还原反应速度决定于最慢环节的速度，此最慢环节称为限
制步骤或限制性环节。一般在高炉中煤气流速很快，边界
层很薄，传质速度很快。
由于气流速度已大大超过临界流速，而在临界流速下，气
流速度的提高不再影响还原速度。这时边界层的厚度趋近
于零，外扩散阻力消失。因而保证外扩散的顺利进行。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.6 铁矿还原动力学
外扩散一般不会成为高炉内铁矿还原的限制步骤。但在实
验室条件下应予以考虑。至于内扩散和界面化学反应何者
为限制步骤，则视具体情况而定。如在较低的温度下，由
于界面化学反应的活化能较大，温度低时速度慢，可能成
为限制步骤，此时称还原过程处于动力学范围。当在高温
下，化学反应加速而使得内扩散成为限速步骤时，则还原
过程处于扩散范围（图4-13），如界面换血反应速度和扩散
速度相差不大，则还原过程处于过度范围或称符合控制范
围。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.6 铁矿还原动力学
还原反应所处范围取决于下面准数：
式中 ——还原反应速度常数；D——扩散系数；——单位体
积内的空隙表面积;；R——矿球半径。
当>10时，反应位于扩散范围，此时/D值较大；
当<0.1时，反映位于动力学范围，此时/D值较小；
当=0.1~10时，为过度范围，此时/D值接近。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.6 铁矿还原动力学
由图（4-13）看到，在相同冶炼条件下，随温度的升高，还
原反应逐渐由动力学范围过渡到扩散范围。在高炉间接还
原区，由于具有一定的高温，而矿石又有一定的粒度，还
原反应处于扩散范围的可能性较大。实验研究指出（图414），还原反应的限速步骤随着还原进程而转移 [18] 。在还
原反应时，由于温度较低，而又无产物层存在，界面化学
反应成为限速步骤。但随着温度的升高，界面化学反应阻
力减小，化学反应速度增加，同时固体产物层增厚，内扩
散阻力增加，使内扩散成为限速步骤。而边界层扩散阻力
始终相对较小，不会成为限速步骤。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.6 铁矿还原动力学
二、加速铁矿石还原的条件
加速铁矿石的固态还原对降低直接还原度和焦比，改善高
炉技术经济指标具有重要意义。根据以上动力学分析，影
响块矿还原的因素不外矿石本身特性和气流条件两方面。
前者关键在于提高矿石还原性，后者在于掌握煤气流的性
质及分布规律。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.6 铁矿还原动力学
1. 改善矿石性质
（1）提高矿石的孔隙度（气孔率）特别是微气孔率，可以
改善气体内扩散条件，提高内扩散速度。同时微孔隙多，
可增加还原气体同矿石的接触和吸附表面，有利提高界面
化学反应速度。同时内扩散往往成为还原反应限速步骤，
所以孔隙度在很大程度上决定了矿石的还原性。但在高炉
还原过程中，孔隙度及孔隙的大小、形式（开口或封闭），
会因一系列的原因如矿物组成及晶型转变、膨胀、软熔等
而变化。如当矿石局部熔化时，初生的液相便可能堵塞使
孔隙度降低，还原性差。冷态孔隙度并不能完全决定矿石
的还原性。应考虑冶炼过程中孔隙度变化的影响。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.6 铁矿还原动力学
（2）缩小矿石粒度（包含均匀性），可增加还原气体同矿
石的接触面积，减小还原产物层厚度，缩短还原气体到达
未反应核界面和气体产物自内向外逸出的途径，，亦有利
于减小内扩散阻力，同时可加速传热，缩短未反应核达到
还原反应所需温度的时间，从而加速了还原进程。随着矿
石粒度的减小，还原反应将由内扩散范围转入动力学范围，
此时还原速度（V）与粒度（球团直径d）成反比。在内扩
散范围时，还原速度与粒度的平方成反比，在过度范围
（复合控制）时，
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.6 铁矿还原动力学
但矿石粒度不能过小，否则将恶化高炉内气体力学条件，
影响煤气分布和高炉顺行，反过来阻碍还原。同时将增加
炉尘吹出量。
（3）改善矿石矿物组成，减少组织致密、结构复杂而易熔
的铁橄榄石（Fe2SiO4 ）类型难还原矿物，可加速矿石的还
原。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.6 铁矿还原动力学
2. 控制气流条件
（1）保证足够高的煤气温度是进行界面还原反应的必备条
件。提高温度对改善扩散和加速还原反应，特别是在反应
处于动力学范围时，效果十分显著（图4-14）。但在温度升
高的过程中，有时会出现还原速度减慢的现象。如在
400~600℃，由于CO的分解，（2CO=CO2+C 黑 ）析出大量
碳黑，附在矿石表面，阻塞气孔，恶化了煤气同矿石的接
触条件，同时煤气中CO2浓度升高，CO浓度降低，使还原
减慢。在900~1000℃，由于矿石软化，熔融、造渣，液相阻
塞了气孔，恶化了内扩散条件，使还原速度减慢。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.6 铁矿还原动力学
（2）控制煤气流速。前已指出，在临界流速范围内，提高
煤气流速，有利边界层外扩散的进行，可促进还原，但若
超过临界流速，此时不但不能加快还原速度，反而因煤气
在炉内停留时间过短，降低煤气能量的利用。
（3）控制煤气的压力。在动力学范围，提高压力可加速还
原，并且在低压水平阶段时的效果较显著，但压力提高到
一定程度后，还原速度几乎不再增加。因为低压阶段，还
原气体的吸附覆盖率与压力成正比。在扩散范围，压力对
还原速度没有影响。
2.3 高炉炼铁还原热力学
2.3.6 铁矿还原动力学
（4）提高煤气中还原性气体CO和H2 的浓度，可以增大边
界层与化学反应界面的浓度差，从而加速还原气体向反应
界面的扩散，提高还原速度。这一浓度差实际上是扩散传
质过程的推动力。由于H2的扩散能力比CO强，还原气体中
少量H2的存在，能大大提高CO的还原能力与还原速度。因
为在H2 还原过程中能多次被利用，其还原气体产物H2O又
可按H2O－C反应和水煤气反应再生为H2 ，反复利用。用
（CO+H2 ）混合气体时，还原速度随H2%的升高而增加。
因此提高煤气含H2量对加速高炉还原过程具有重要意义。
2.3 高炉炼铁还原热力学
4.2 渗碳和生铁的形成
生铁的形成是伴随着铁的还原和不断渗碳以及其它元素还
原进入铁中的过程。高炉炉身下部取样表明，试样中有圆
珠 状 （ 说 明 已 熔 化 ） 金 属 铁 （ 含 1.5~4.0%C ） 和 海 绵 铁
（<1.0%）存在。这证明渗碳过程在海绵铁状态时就开始了。
海绵铁的渗碳过程可能是由于活泼的海绵铁与CO接触作用，
促进其分解。CO分解析出活性很大的碳黑（烟碳），并吸
附在海绵铁表面上，同时不断扩散溶入铁中，使铁渗C。其
反应过程可表示为：
2.3 高炉炼铁还原热力学
4.2 渗碳和生铁的形成
当然，渗入铁中的碳，可与铁形成Fe3C，也可以其它形式存
在。
2.3 高炉炼铁还原热力学
4.2 渗碳和生铁的形成
由于渗碳，铁的熔点降低，随着炉料下降，温度升高，海
绵铁逐渐熔化为液体，铁液向下滴落，与焦炭接触良好，
加速了渗碳过程的进行。
渗碳过程在炉腹中大量发生，在炉缸中继续进行。随着铁
水的形成和滴落，Si、Mn、P等元素的还原溶入铁液中，加
上渗碳作用，使各种元素溶在一起，最终形成了Fe-C及其
它元素的合金—生铁。
2.7 生铁的形成与渗碳
一、 渗碳过程
纯铁熔点1538℃
1) 第一阶段渗碳：海绵铁渗碳
在炉身块状区，铁矿石已有部分氧化铁被还原成固态的金属铁
——海绵铁。新生态的海绵铁在高温下具有很高的活性，能使吸附
在海绵铁上的CO分解析出碳黑：
2CO
Fe
450~600℃
CO2 + C
析出的碳黑向海绵铁内部扩散，使海绵铁渗碳。
t < 727℃：α-Fe（铁素体），它溶解碳的能力很小，最大溶解度0.0218%；
t > 727℃：γ-Fe（奥氏体），碳的最大溶解度2.11%。
2CO = CO2 + C
C + 3Fe = Fe3C + CO2
3Fe + 2CO = Fe3C + CO2
Fe3C称为渗碳体，熔点为1227℃。
2） 第二阶段渗碳：液态生铁渗碳（从软融带到滴落带）
矿石进入软融带后，70%以上的铁已被还原出来，脉石成分开始软化
聚集，随温度继续升高，含有2FeO·SiO2的低熔点相从基体中分离出去
（1300~1400℃），并渗入焦炭孔隙中，被焦炭还原成金属铁的“冰凌”，
此时金属铁含碳约0.3~1.0%，温度继续升高至1400℃以上，“冰凌”经灼
热的焦碳固相渗碳，铁的熔点进一步降低，最终转变成熔融的金属铁滴。
铁滴穿过滴落带时充分渗碳，同时吸收Si、Mn、P、S等元素。铁水进入
炉缸之前含碳量可达4~4.5%，已接近终铁的含碳量。这是生铁渗碳的主
要阶段。
3） 第三阶段：炉缸内渗碳
这一阶段的渗碳量一般不超过0.1~0.5%。
二、 生铁最终含碳量
1) 决定于生铁中合金元素的含量和温度
Mn、Cr、V、Ti等与碳生成碳化物，增加生铁含碳量；
Si、P、S等与铁生成化合物，使生铁含碳降低。
Mn=15~20%的锰铁
Mn=75%的锰铁
高碳铬铁
铸造生铁含碳
炼钢生铁
硅铁中
C=5~5.5%
C>7%
C=5~7%
C<3.75%
C=3.8~4.2%
C<2%
[C ]  4.3  0.27[Si]  0.32[ P]  0.03[Mn]  0.032[S ]
[C ]  1.28  0.00142T  0.304[Si]  0.31[ P]  0.024[Mn]  0.037[S ]
2） 决定于炉内压力（2CO=C+CO2）
压力升高，有利于CO分解，渗碳量增加，压力每提高0.1kg/cm2，
[C]升高0.045%；矿石还原性好，金属铁出现早，有利于提高生铁含
碳。
3） 决定于煤气成分和炉缸直径
H2能促进生铁渗碳，当CO/(CO+H2)=0.75时，生铁碳最高；
（燃烧带长度L / 炉缸半径R）比值越大，再氧化加剧，[C]降低。
大型高炉的L/R值小，易出现高碳铁。与50年代相比，炉内压力升高、
炉料还原性改善，煤气中H2升高，炉缸直径增加，这些都促使生铁
含碳升高。