[科普中国]-高炉操作线

高炉操作线图

法国里斯特(A、Rist)教授及其同事在20世纪60年代中期用直角坐标系中一条直线显示和描述高炉连续铸钢|炼铁过程中重要指标的关系图，故亦称为里斯特操作线或里斯特操作线图。它是分析现代高炉冶炼过程以改善冶炼状况的常用手段。1

操作线的构成 高炉冶炼过程极为复杂，但其实质是Fe-O-C体系中氧从铁氧化物和鼓风中迁移到与碳结合的转化过程。在操作线图上，纵坐标是O/Fe(kmolO/kmolFe)，表示冶炼过程中还原1kmol铁被夺取的氧的kmol量，也就是过程中氧的来源。横坐标是O/C(kmolO/kmolC)表示冶炼过程中1kmol碳夺取到的氧的量，也就是氧的去向。操作线AE的斜率为C/Fe，表示在高炉冶炼过程中还原1kmolFe所需要的碳的kmol数，因此它具有高炉连续铸钢|炼铁碳比或焦比的意义。1

计算三种矿石高炉中氧的来源 有3个来源：(1)是矿石铁氧化物中的，以kmol数表示是赤铁矿Fe2O3的O/Fe=1.50、磁铁矿Fe3O4的O/Fe=1.33，方铁矿(浮氏体)FexO的O/Fe=1.05(或近似地为1.0)；(2)是少量元素还原(Si，Mn，P等)以及脱硫过程中夺取的；(3)是鼓风带入的。这三项氧来源的数量多少是用纵坐标上线段长度表示的：yo表示第一个来源，其中．)，yi 为间接还原夺取的氧量；yd为直接还原夺取的氧量，它等同于前苏联学者巴甫洛夫(M、A、ПaBПOB)定义的直接还原度rd 值(见直接还原度) yo(kmolO/kmolFe)也是矿石中铁氧化程度的另一种表示，它可根据矿石中Fe2O3 、FeO和全Fe含量算出：1

yo=(Fe2O3×0.3+FeO×0.222)/16/TFe/56

yu (或以y f 表示)表示第二个来源，它是生铁中少量元素还原和脱硫过程中夺取的氧，知道生铁成分和脱去的硫量(渣量乘渣中含硫量)就可按下式计算中[Fe]、[Si]、[Mn]、[P]为生铁中Fe、Si、Mn、P、等的含量；(S)为渣中含S量，U为渣量(kg/kg或t/t)。如果知道少量元素还原和脱硫消耗的碳量(CdSi，Mn，P，S )(见高炉物料平衡)也可以用。

算出：yb 表示第三个来源为风口前燃料中碳燃烧形成CO结合的鼓风带入的氧，它是按yb=c风/12/[Fe]×10/56算出，式中c风为风口前燃烧的碳量(kg/t生铁)。1

计算煤气中的横座标高炉中氧的去向 三种氧来源都与碳结合，这就是：

yb +y u +yd 之和为高炉高温区与碳结合的氧，产物为CO，而yi 为间接还原区与CO结合的氧，产物为CO2 。形成的CO和CO2 数量在横坐标上用线段表示。线段xb为鼓风燃烧生成的CO部分，xu (或xf )是少量元素还原和脱硫生成的CO部分，xd 是直接还原FeO生成的CO部分。它们的和：

xb+xu+xd=1；而xi 表示间接还原中生成的CO2 ，线段的长短表示了CO转化为CO2 的多少，也就是表示着CO的利用程度。根据操作线的基本原理：

式中CO、CO2 分别为炉顶煤气中相应组分的含量，%；ηCO为cCO利用率(见一氧化碳利用率)。

高炉冶炼对操作线的约束 操作线表示的是高炉冶炼过程，它的图形必然要受到冶炼过程的约束，也就是说它要受到高炉冶炼规律的限制。1

物料平衡的约束 操作线的坐标选定纯碳和纯铁为零点，也就是x=O/C=0，碳尚没有与氧结合；x=1.0一个碳原子只与一个氧原子结合成纯CO气体；x=2.0。1个氧原子与2个氧原子结合(C也最多能结合2个O原子)成CO2 气体。因此横坐标O/C就以2.0为限，而在高炉冶炼过程中，由于热力学因素的限制，炉顶煤气中CO不可能完全转化为CO2，因此操作线A点的横坐标xA一定介于1～2之间。y=O/Fe=0，就是与铁结合的氧已全部被夺走而变为纯铁，随着O/Fe值的增加，炉料中与铁结合的氧越多，矿石中铁的氧化程度越来越高，到其极限值1.50(纯Fe2O3的O/Fe值)，因此yA 以1.50为限。生产中使用的各种矿石(天然矿、烧结矿和球团矿)既不是纯Fe2O3，也不是纯Fe3O4，所以yA值在1.33与1.50之间。C点表示从铁氧化物来的氧与其他来源的氧生成CO的分界点。1

高炉操作线的分析xc = xb +xu 或 xc =1- xd，yc=0，表明铁氧化物还原到达终点，已全部转为金属铁。由于高炉生产中并不是全部间接还原(rd =0)或全部直接还原(rd =1.0)(见高炉铁矿石还原)，而是两种还原的合理搭配，因此yd >O，xd >O，操作线与y=0的横坐标x轴的交点C必然在0与1.0之间。1

高炉操作线的限制条件与其斜率影响因素分析化学平衡的约束 高炉内铁氧化物的间接还原一般是在炉身部位，温度在850～1000℃以下的地区进行的。按热力学规律间接还原存在着Fe3O4，FexO与还原性气体CO-CO2混合物之间的化学平衡关系，一定温度下的气相成分由它们的平衡曲线所确定。在同一温度下铁氧化物的氧化程度(或含氧量)是由Fe-O相图决定的。两个密切相关的平衡图在操作线坐标的平面图上构成一条轮廓折线。2

高炉操作线的限制条件WW’-W’M-MM’-M’H，依据相律轮廓线中有两个平台W-W’(因浮氏体含氧量是变化的平台呈倾斜状)和M-M’(由Fe3O4的含氧量确定)，它们表示体系分别处于FeXO相和Fe3O4相，煤气成分是可以变化的，而铁氧化物的含氧量是不变的(FexO稍有变化)。垂直线F’W，W’M，M’H表明在FexO-Fe、Fe3O4 -FexO、Fe2O3 -Fe3O4的还原气相成分不变，而氧化铁中的氧量在减少，处于向新物质转变过程中。这些线段所组成的轮廓折线就是一定温度下由化学平衡所限定的操作线描述高炉过程的边界。如果高炉炉身还原反应达到平衡，操作线将与轮廓线的“肩点”W点相切。W点的坐标由化学平衡所确定，Xw与还原温度及该温度下平衡气相中CO、CO2含量有关，常取850～1000℃左右及其该温度下FeO+CO →Fe+CO2平衡气相成分作为x W确定的条件，这样xW=1.29～1.32，而yW则以浮氏体中含氧量确定，这样yW =1.0～1.05。实际生产中炉身还原并没有达到平衡，操作线偏离W点，而在它左边与GW线相交于S点。并将线段GS和GW的比值定义为炉身工作效率：2

炉身工作效率=GS/GW×100%

S点越接近W点，FeO还原越接近平衡，炉身工作效率就越高，现代先进高炉的炉身工作效率在95%以上，一般高炉在85%～95%之间，而指标差的中小高炉则可能低于85%。2

降低操作线斜率的措施热平衡的约束 高炉冶炼热量的来源是风口前燃料中碳的燃烧，操作线图上yb 表示冶炼1kmolFe因燃烧所消耗的kmolC量(与kmolO量相同，因为1kmolC与1kmolO结合形成1kmolCO)，提供的热量为 ybqb，qb为每kmolC在风口区燃烧放出的有效热量(包括碳素燃烧和燃烧用热风带入的)。高炉冶炼过程消耗的热量可分为两大项：一项是FexO直接还原耗热：2

yd * qd，qd 为FeO+C →Fe+CO的热效应(153200kJ/kmol)，另一项包括其他元素还原耗热、脱硫耗热、碳酸盐分解耗热、渣铁的焓及高炉热损失等。高温区热平衡可以表示为：

ybqb = yd qd+Q

依据热平衡可以得到另一条直线UV，它与操作线交于P点，P点坐标为：

xP=qd / (qb+qd )，yP=yU + xP(yV - YU )。

当高炉冶炼条件变化而影响热平衡的收入或支出，U点或V点变动，P点坐标将发生变化，操作线也将变化。P点确定后，连接PW得到一条新的操作线A、WE。 ，它是代表热力学允许的斜率最小的操作线，被称为理想操作线，也就是FexO间接还原发展到热力学上的平衡状态，炉身工作效率100%的操作线，其斜率为μ理 = (yW - yP ) / ( x W - xP)，kmolC/kmolFe任何非理想操作线PZ的斜率μ=(yz - yp) / (xw - xp)均大于理想操作线，因此可以用两斜率差△μ的值来分析节约炼铁能耗的途径。2

应用 根据操作线图变化规律，可以得到改善高炉冶炼的方向和相应的节焦量。高炉操作因素的变化可能影响操作线的两个方面：改变实际操作线的斜率和炉身工作效率；改变理想操作线的状态。前者可通过A、B、C、E等点的新值连接出新操作线，计算或测出新的斜率和炉身工作效率；而后者则是通过W点和P点坐标的改变来影响操作线状态。在实际生产的应用中，可以对比新的实际操作线斜率与理想操作线斜率的差△μ按。2

考虑H2影响的适宜方法的探讨高炉冶炼的核心， 可以说就是氧的迁移过程。氧的来源，基本是①炉料铁氧化物还原排出的氧；② 一些非铁元 素 (S i、M n、 P 等) 氧化物伴随 Fe 还原而排出的氧；③ 鼓风带入的氧。所有这些氧 ( O ) 都将在高炉的的不同部位以不同形式被碳 ( C ) 夺取，也即将 0 转移给 C，使 C 氧化变成CO 及 CO2 ，最终随煤气逸出高炉。3

高炉内氢的来源及作用高炉冶炼过程中，除 Fe 、O、C 三者外，H2 的存在及其作用亦是不可忽视的。特别是高炉喷吹含 H2 较高的燃料时，炉缸煤气中 H2 含量也多，作用也更显著。3

高炉内 H2 主要来源于：

( 1 ) 鼓风中水蒸汽在风口前产生的H2 ，其数量随鼓风量增多、鼓风湿度提高而增大 ；

( 2 ) 焦炭带入的H2 ，其数量随焦比及焦炭含H2量增高而增大 ，

( 3) 喷吹燃料带入的H2 ，其数量与喷吹燃料种类及喷吹量有关。

无论在怎样的冶炼条件下，高炉里总会有一定量的H2 存在于煤气之中，少则每吨铁几 十米 3 ，多每吨铁二百 米 3 左右。3

操作线图上考虑H2影响的适宜方法① H2 在高炉内基本上与 C 一样，是接受转移 O 的物质，参加还原反应的H2 夺 O 变成 H2O，随煤气离开高炉；② H2 的夺 O 作用影响铁氧化物对 C 的供氧量，使之减少；③ H2 在 t > 810 ℃ 的温度区还原能力比 CO 强 。而且 H2 的还原反应比 CO 还原反应更容易达到平衡。所以，可以优先确定 H2 的夺O 数量。另外，④ H2 是伴随鼓风中的 O 及燃料中的 C 进入高炉的，还只是辅助还原剂，其耗量尚未成为独立的生产指标。所以，还不能将 H2与 C 完全等同对。3