煉鐵主干課5B

1、本科生主干課鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分授課資料 北京科技大學(xué)冶金學(xué)院 吳勝利 165.3.2 Rist操作線圖解1. 問題的提出高爐冶煉能量利用的計(jì)算計(jì)算過程繁瑣計(jì)算結(jié)果不直觀計(jì)算結(jié)果精確理論正確、計(jì)算簡便、結(jié)果圖示 直觀地看出冶煉結(jié)果和節(jié)能潛力 許多學(xué)者進(jìn)行了諸多研究Rist操作線圖解（A.Rist在法國工作的美國人1967）分析高爐冶煉過程了解各冶煉參數(shù)之間的關(guān)系預(yù)測各種技術(shù)措施的效果 Rist操作線圖解可供人們直觀地： 高爐冶煉最本質(zhì)的反應(yīng)過程 氧的傳輸（遷移）過程FeOOC三元系是最核心的化學(xué)反應(yīng)體系通過C的奪氧過程使Fe被還原，而自身被氧化成CO和CO2氧的遷移是由C來完成的 ！氧的來源氧的

2、去向爐料中與Fe結(jié)合的氧爐料中與少量元素（Si、Mn、P等）結(jié)合的氧鼓風(fēng)中的氧COCO2操作線的創(chuàng)造者把這種遷移過程描繪在直角坐標(biāo)系內(nèi)?。ㄑ醯娜ハ颍㎡/C（氧的來源）O/Fe縱坐標(biāo)：冶煉一個(gè)Fe原子所奪取的各個(gè)來源 中的氧原子數(shù) 正向：還原Fe氧化物奪取的氧 反向：還原少量元素、風(fēng)口前燃燒、石灰 石分解的CO2所奪取的氧橫坐標(biāo)：煤氣中與C原子結(jié)合的各個(gè)來源中 氧原子數(shù)操作線的連續(xù)性表示幾個(gè)來源中的氧的遷移過程時(shí)它們的線段具有相同的斜率故可按順序銜接成一條直線只要計(jì)算出線上任何二點(diǎn)坐標(biāo)即可連線2. 操作線的畫法已知數(shù)據(jù)（5.2.3節(jié)中生產(chǎn)高爐計(jì)算例子）混合礦成分少量元素還原和脫S耗碳鐵水含F(xiàn)e量

3、爐頂煤氣成分風(fēng)口前燃燒的碳量FeFe2O3FeOCdSi,Mn,P,S（kg/t）Fe（kg/t）COCO2C風(fēng)（kg/t）53.1959.7214.649.02945.6123.7018.18311.21（1） 計(jì)算各種來源的氧縱坐標(biāo) O/Fe 鐵氧化物還原奪取的氧 少量元素還原和脫S過程奪取的氧 由于：該過程中，奪取的氧原子數(shù)消耗的碳原子數(shù) 如：MnO+C=Mn+CO P2O5+5C=2P+5CO 故：只要算得一種原子數(shù)（如C）， 即可知道另一種原子數(shù)（如O）， 由已知條件CdSi,Mn,P,S9.02（kg/t） 則： 亦可根據(jù)生鐵成分，爐渣S含量及爐渣量，按教科書中的 式（5120）（

4、5125）分別求出，然后加成yf。 式中的系數(shù)的來源為： 如， SiO22CSi2CO ， （Fe為生鐵中還原的Fe量） 風(fēng)口前碳氧化奪取氧 由于：風(fēng)口前C燃燒 COCO 按已知的C風(fēng)求出碳原子數(shù)，即為氧原子數(shù)。 （2） 計(jì)算煤氣中的O/C橫坐標(biāo) 使用自熔性（或高堿度）燒結(jié)礦，爐內(nèi)石灰石使用量極少， 可直接按爐頂煤氣成分計(jì)算。 （3） 作圖取直角坐標(biāo)系 縱坐標(biāo)O/Fe（正值最大1.5；負(fù)值最大2.5） 橫坐標(biāo)O/C （02） 由xA、yA確定A點(diǎn) 聯(lián)結(jié)AE線得一直線，即為操作線 由yf和yb確定E點(diǎn)xAO/CABCDEu0ybyfyA21O/FexA煤氣中與C結(jié)合的氧，若石灰量多時(shí)，xAyA鐵

5、氧化物還原奪取的氧yf少量元素還原奪取的氧yb風(fēng)口前燃燒奪取的氧 若石灰量多時(shí)，加y， 這時(shí)yb變小。 當(dāng)高爐使用大量石灰石時(shí)：爐頂煤氣中應(yīng)扣除石灰石分解產(chǎn)生的CO2 xA有所減小由于碳熔損反應(yīng)量增加，C風(fēng)減小 yb變小石灰石分解的CO2還原奪氧 增補(bǔ)y（在yf的下方）3. 操作線的特點(diǎn)操作線圖主要點(diǎn)、線的意義序號類型意義備注1X軸上X0 O/C=0,純C狀態(tài)，C未與氧結(jié)合X1 O/C=1, 純CO狀態(tài)X2 O/C=2, 純CO2狀態(tài)爐頂煤氣中CO>0,CO2>0故：1< XA <22Y軸上Y0 O/Fe = 0， 純鐵狀態(tài)Y1 O/Fe = 1，純FeO狀態(tài)Y1.33

6、 O/Fe = 1.33，純Fe3O4狀態(tài)Y1.5 O/Fe = 1.5，純Fe2O3狀態(tài)礦石氧化度YA1.331.50當(dāng)采用金屬化爐料時(shí)YA可小于1.03X軸域0<x<1C轉(zhuǎn)化成CO的氧的來源，表示CO生成狀況1<x<2CO轉(zhuǎn)化成CO2的氧的來源，表示CO的利用情況0<X<XC 其他來源的氧生成的COXC<X<1 鐵的直接還原生成的CO4Y軸域0<Y<YA爐料中鐵氧化物提供的的氧，表示鐵的還原情況YE<Y<0高溫區(qū)少量元素還原和鼓風(fēng)中傳遞的氧（yf, yb）0<y<yd直接還原yd<y<ya 間接

7、還原yU< y <0 yfyE< y <yU yb5A點(diǎn)入爐礦石鐵的氧化程度和爐頂煤氣中碳的氧化程度XA=1+CO 煤氣中C的氧化程度YA=1.331.50鐵的初始氧化度6B點(diǎn)不發(fā)生重疊情況下，直接還原和間接還原的理論分界點(diǎn)XB=1純CO(各過程生成的)YB=yb=rd鐵直接還原奪取的氧7C點(diǎn)鐵氧化物直接還原傳遞的氧與其它來源的氧CO的分界點(diǎn)XC風(fēng)中的氧、少量元素還原及脫S等所生成的COYc=0已還原為金屬鐵8D點(diǎn)鼓風(fēng)中的氧與少量元素還原（包括脫S、熔劑、CO2還原）傳遞的氧CO的分界點(diǎn)XD風(fēng)中氧生成的COXD=YDyf(少量元素還原奪取的氧)9E點(diǎn)鼓風(fēng)生成CO的起點(diǎn)y

8、b可理解為：單位生鐵消耗的風(fēng)量XE=0鼓風(fēng)生成CO的起點(diǎn)YE=yf-yb（風(fēng)量）10操作線段AB 鐵氧化物的間接還原BC 鐵氧化物的直接還原CD少量元素還原（包括脫S、熔劑、CO2還原），使CCODE鼓風(fēng)燃燒燃料（焦炭、噴吹燃料），使CCO4. 操作線的限制條件操作線描述高爐冶煉過程受三個(gè)基本平衡條件的限制物料平衡、化學(xué)平衡、熱平衡 A、C點(diǎn) W點(diǎn) P點(diǎn) 物料平衡的限制主要是A點(diǎn)和C點(diǎn)高爐內(nèi)Fe近100還原 爐料中鐵的氧化度決定A點(diǎn)的縱坐標(biāo)高爐內(nèi)C氧化生成CO和CO2 A點(diǎn)橫坐標(biāo)一定在12之間A點(diǎn)有相當(dāng)部分碳在高溫區(qū)生成COrd0的還原并不是焦比最低的與橫軸相交的C點(diǎn)必然在01之間C點(diǎn) 化學(xué)平

9、衡的限制w點(diǎn)一定溫度下的間接還原氣相成分 由叉子曲線的平衡關(guān)系確定同一溫度下的鐵氧化物的氧化程度 由FeC相圖決定兩個(gè)密切相關(guān)的平衡圖在操作線圖平面上構(gòu)成一條輪廓線線上的w點(diǎn)為FeOFe，由于該還原過程最為困難w點(diǎn)為操作線化學(xué)平衡上的限制點(diǎn)xw由碳素熔損反應(yīng)進(jìn)行的溫度決定yw由浮士體的氧含量決定 W點(diǎn)的坐標(biāo)850時(shí) CO平68，CO2平321000時(shí) CO平71，CO2平29 xw取決于平衡溫度故 xw1CO2/100（1.321.29）由于FexO是Fe缺位的化合物，故其O/Fe>1。 yw 與上述溫度有關(guān)（FexO的含氧量隨溫度變化）故：O/Fe1.091.05， 通常取yw1.05

10、當(dāng)操作線與w點(diǎn)相切時(shí)爐身間接還原達(dá)到平衡 爐身工作效率為100實(shí)際生產(chǎn)中，操作線總是偏離w點(diǎn)。這時(shí)的爐身工作效率為：爐身工作效率的提高取決于還原動力學(xué)條件的改善礦石空隙度，還原性煤氣流合理分布狀態(tài) 熱平衡的限制P點(diǎn)改善操作而使煤氣利用率提高的潛力究竟有多大？l 用操作線分析時(shí)，必須確定P點(diǎn)坐標(biāo)；l P點(diǎn)位置是由熱平衡所限制的。碳燃燒消耗的鼓風(fēng)中的氧量or風(fēng)口前燃燒碳的kg原子數(shù)(COCO)l 熱量來源 風(fēng)口前碳燃燒提供的有效熱量 Y b×q b（kJ/kg原子Fe） Y b冶煉kg原子Fe （kg原子C/kg原子Fe） q b每kg原子C在風(fēng)口前燃燒放出的有效熱量（kJ/kg原子C）

11、 q b （9800v風(fēng)*c*t風(fēng)v煤氣*c*t煤氣）/12 v風(fēng)、v煤氣燃燒kg碳消耗的風(fēng)量、形成的煤氣量（m3/kg）FeO直接還原耗熱Yd * q d其它有效熱量消耗 Ql 熱量支出 利用高溫區(qū)熱平衡有：Yd * q d Q Y b * q b 式中： Yd鐵的直接還原度（） q d直接還原1kg原子Fe所消耗的熱量 由FeO+CFe+CO的熱效應(yīng)確定（153200kJ/kg原子Fe） Q/gd其它熱量消耗相當(dāng)于直接還原多少Fe所消耗的熱量P 點(diǎn) 的 確 定 由操作線圖可知：BVBFFVYdQ/qd 這一比例關(guān)系要求操作線通過UV上的一個(gè)固定點(diǎn)PUPEBPV UPJVPI UPLUVK

12、從圖中三對相似三角形 的對應(yīng)邊成比例的關(guān)系， P點(diǎn)的坐標(biāo) 具體計(jì)算方法a.由高溫區(qū)熱平衡（方法一）求出有效熱量消耗 Q有效（總熱支出煤氣帶走熱冷卻及熱損失） /噸鐵的Fe量/鐵原子量b.求出每kg原子C在風(fēng)口前燃燒放出的有效熱量 qb 由Q有效yb*qd， qbQ有效/yb yb由操作線得出c.求出yd*qb qd153200kJ/kgFe原子， yd由操作線得出d.求出其它有效熱消耗Q 由熱平衡式：Yd*qdQYb*qb Qyb*qbyd*qde.求出Q/qd及yV yV = FVQ/qdP點(diǎn)的畫法兩種方法l 根據(jù)P點(diǎn)坐標(biāo)公式，算出xp、yp畫出P點(diǎn)l 根據(jù)yVFV，確定V點(diǎn)后，聯(lián)結(jié)UV線，

13、由UV線和操作線相交點(diǎn)，得出P點(diǎn)理 想 操 作 線P點(diǎn)確定后，與W點(diǎn)相切的另一條操作線PW 熱力學(xué)條件允許斜率最小的操作線其斜率理(yWyP)/(xWxP) C/Fe實(shí)際操作線理想操作線斜率之差 節(jié)約焦比的潛力 節(jié)約的焦炭量： （kg焦/t） （式中21512/56×1000）5. 高爐操作線的應(yīng)用 反映高爐操作因素的變化A點(diǎn)的變化反映 B點(diǎn)的變化反映 直接還原度的變化（yByd）E點(diǎn)的變化反映 風(fēng)量或下料速度的變化U點(diǎn)的變化反映 生鐵成分的變化（yf）V點(diǎn)的變化反映（Q/qd） 高溫區(qū)除Fe直接還原耗熱以外的全部熱量需求的改變W點(diǎn)的變化反映 爐料的金屬化程度（yW）P點(diǎn)的變化反映

14、風(fēng)溫等熱平衡因素的變化（xP、yP） 分析操作因素變化對焦比的影響a. 改變煤氣利用率對焦比的影響W0O/FeAAO/CVEPE0Ul 操作線由AE向AE變化，斜率變?。ㄒ訮為軸心） l 從操作線上得xA （如果煤氣中COCO2總和不變） 求出（CO2） （CO2）（CO2）（CO2） 爐頂煤氣中CO2含量變化1時(shí)對焦比的影響 b. 改變熱風(fēng)溫度對焦比的影響P2W0O/FeO/CV0P10U直接受風(fēng)溫影響的是P點(diǎn)在爐缸所需有效熱量一定，即保持UV線不變的情況下，提高風(fēng)溫使P點(diǎn)沿UV線向左上方移動，xP和yP均有所減小。P點(diǎn)坐標(biāo)的確定l xP 為避免繁瑣計(jì)算假定鼓風(fēng)熱容為一常數(shù) 則：qb1150

15、.075（t風(fēng)1000）， 在qb153200kJ/kg原子鐵 時(shí)， 可導(dǎo)出：l yP 因U點(diǎn)、V點(diǎn)不變， 故根據(jù)：y P= y f + x P (y V-y f)可求出y p兩條操作線的斜率之差：提高風(fēng)溫后的節(jié)焦量：c. 鐵水含Si量升高對焦比的影響V2U2P1WO/FeO/CV1P20U1由于少量元素還原量增加，U點(diǎn)下移由于其它有效熱量消耗增加，V點(diǎn)下移由于UV線變化，P點(diǎn)發(fā)生移動（風(fēng)溫不變時(shí)，xP不變，故P點(diǎn)垂直下移）理想操作線的斜率變大鐵水含Si量升高增加的焦炭量 其中：， 增加的焦炭量：d. 使用預(yù)還原爐料對焦比的影響操 作 線 的 變 化由于爐料中金屬化率提高，w點(diǎn)垂直下移 （xw

16、不變，yw）由于浮士體的間接還原相應(yīng)減少，V點(diǎn)下移，在風(fēng)溫不變時(shí)，P點(diǎn)垂直下移（xP不變，yP）理想操作線的斜率變小， 節(jié)省的焦炭量： 單位預(yù)還原爐料使用率的節(jié)焦量： （式中R為爐料中的金屬化率）高爐操作因素的變化對操作線的影響改變理想操作線的狀態(tài) 如：風(fēng)溫、鐵水成分、爐料組成改變實(shí)際操作線的斜率 如：改善爐內(nèi)煤氣利用率噴吹含H2燃料時(shí)的操作線EwPPBw(O+H2)/(C+H2)AEybyf2(O+H2)/FeyH2BVVB在噴吹含H2很多的燃料時(shí)，H2的作用不能忽視。高爐基本化學(xué)反應(yīng)在FeHOC系進(jìn)行，操作線需作如下修改：a. 縱坐標(biāo)改為(O+H2)/Fe，并將yH2記入yf之下和yb之上， kg分子H2 / kg原子Fe （H2以分子態(tài)入爐，反應(yīng)產(chǎn)物仍為分子態(tài)H2O，故以H2代入）b. 橫坐標(biāo)改為(O+H2)/(C+H2) 式中H2O的計(jì)算H2O還=11.2(H2料+H2噴)+V風(fēng)*-V燃(H2+2CH4) （H2平衡）H2O還=11.2(H2料+H2噴)+V風(fēng)*-V燃(H2+2CH4) （H2平衡）由CO和H2的關(guān)系求出H2，按H2O還=(H2料+H2噴)* H2算出 將H2O還加入干煤氣中，算出新的百分含量à H2O c. w點(diǎn)的修改 Ù xw右移