1、本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 168 5.3.2 Rist 操作线图解 1.问题的提出 高炉冶炼能量利用的计算计算结果精确计算结果不直观 计算过程繁琐 理论正确、计算简便、结果图示直观地看出冶炼结果和节能潜力许多学者进行了诸多研究（A.Rist 在法国工作的美国人 1967）Rist 操作线图解 Rist 操作线图解可供人们直观地 ： 分析高炉冶炼过程 了解各冶炼参数之间的关系预测各种技术措施的效果 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 168 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 169
2、氧的传输（迁移）过程高炉冶炼最本质的反应过程FeO O C 三元系是最核心的化学反应体系 通过 C 的夺氧过程 使Fe 被还原，而自身被氧化成CO和CO2氧的迁移是由 C 来完成的 ！ 氧的来源 氧的去向 炉料中与 Fe 结合的氧炉料中与少量元素（Si 、Mn 、P 等）结合的氧 鼓风中的氧CO CO2操作线的创造者把这种迁移过程描绘在直角坐标系内！ （氧的去向）O/C（氧的来源）O/Fe =与煤气量类似含义与焦比的类似含义FeCtg纵坐标：冶炼一个 Fe 原子所夺取的各个来源 中的氧原子数 正向：还原 Fe 氧化物夺取的氧 反向：还原少量元素、风口前燃烧、石灰 石分解的CO2所夺取的氧 横坐
3、标：煤气中与 C 原子结合的各个来源中 氧原子数 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 169 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 170 它们的线段具有相同的斜率 表示几个来源中的氧的迁移过程时操作线的连续性 故可按顺序衔接成一条直线 只要计算出线上任何二点坐标即可连线 2.操作线的画法 已知数据（5.2.3 节中生产高炉计算例子） 混合矿成分 少量元素还原和脱 S耗碳 铁水含Fe 量 炉顶煤气成分 风口前燃烧的碳量 Fe Fe2O3FeO CdSi,Mn,P,S（kg/t ） Fe （kg/t ）CO CO2C风（kg/t
4、） 53.19 59.72 14.64 9.02 945.61 23.70 18.18 311.21 （ 1） 计算各种来源的氧纵坐标 O/Fe 铁氧化物还原夺取的氧 AyFeO 93.1356/19.5316/)721664.141604872.59( 少量元素还原和脱 S 过程夺取的氧 由于：该过程中，夺取的氧原子数消耗的碳原子数 如：MnO+C=Mn+CO P2O5+5C=2P+5CO 故：只要算得一种原子数（如 C）， 即可知道另一种原子数（如 O）， 由已知条件CdSi,Mn,P,S9.02（kg/t ） 则： fyFeO 045.056/61.94512/02.9亦可根据生铁成分，
5、炉渣 S 含量及炉渣量，按教科书中的 式（5 120）（5 125）分别求出，然后加成yf。 式中的系数的来源为： 的原子量的原子量少量元素的原子量目反应式中少量元素的数原子量的数目反应式CFeCC如， SiO2 2C Si 2CO ， 0.4125628122FeSiySi 0.4 （Fe 为生铁中还原的 Fe 量） 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 170 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 171 风口前碳氧化夺取氧 由于：风口前 C 燃烧 C O CO 按已知的C风求出碳原子数，即为氧原子数。 byFeO 536.1
6、56/61.94512/21.311（ 2） 计算煤气中的 O/C横坐标 使用自熔性（或高碱度）烧结矿，炉内石灰石使用量极少， 可直接按炉顶煤气成分计算。 AxCOCOCOCOCOCOCOCO 434.17.2318.1818.181122222（ 3） 作图取直角坐标系 纵坐标 O/Fe（正值最大 1.5；负值最大 2.5） 横坐标 O/C （ 0 2） 由 xA、 yA确定 A点 联结 AE 线得一直线，即为操作线 由 yf和 yb确定 E点 xO/CAB C D E u 0 yb yf y21 O/Fe 这时yb变小。 yf少量元素还原夺取的氧 yb风口前燃烧夺取的氧 若石灰量多时，加y
7、 ， yA铁氧化物还原夺取的氧 若石灰量多时，xA xA煤气中与C 结合的氧， 当高炉使用大量石灰石时： 炉顶煤气中应扣除石灰石分解产生的 CO2 xA有所减小 由于碳熔损反应量增加， C风减小 yb变小石灰石分解的CO2还原夺氧 增补y（在yf的下方） 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 171 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 172 3.操作线的特点 操作线图主要点、线的意义 序号 类型 意义 备注 1 X 轴上 X0 O/C=0, 纯 C 状态，C 未与氧结合 X1 O/C=1, 纯 CO 状态 X2 O/C=2,
8、纯CO2状态 炉顶煤气中CO0,CO20 故：11。 与上述温度有关（FexO的含氧量随温度变化）故： O/Fe 1.09 1.05， 通常取 yw 1.05本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 174 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 175 炉身工作效率为 100 炉身间接还原达到平衡当操作线与 w 点相切时 实际生产中，操作线总是偏离 w 点。这时的炉身工作效率为： 100GwGZ取决于还原动力学条件的改善炉身工作效率的提高 矿石空隙度，还原性煤气流合理分布状态 热平衡的限制 P 点 null P 点位置是由热平衡所限制
9、的。 null 用操作线分析时，必须确定 P 点坐标； 改善操作而使煤气利用率提高的潜力究竟有多大？null 热量来源 风口前碳燃烧提供的有效热量 Y b q b（ kJ/kg原子Fe ） 碳燃烧消耗的鼓风中的氧量or 风口前燃烧碳的 kg 原子数(C O CO) Y b冶炼kg原子Fe （kg 原子 C/kg 原子 Fe） q b每kg原子C 在风口前燃烧放出的有效热量 （ kJ/kg原子C ） q b （9800 v风*c*t风 v煤气*c*t煤气） /12 v风、 v煤气燃烧kg碳消耗的风量、形成的煤气量 （m3/kg） 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜
10、利 175 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 176 null 热量支出 bdddbqqqQYY/+式中： Yd铁的直接还原度（） q d直接还原 1kg原子Fe 所消耗的热量 由 FeO+C Fe+CO 的热效应确定（153200kJ/kg 原子 Fe） Q/gd其它热量消耗相当于直接还原多少 Fe所消耗的热量 由操作线图可知： BV BF FV Yd Q/qdbdddbqqgQYYBVUE 从图中三对相似三角形 的对应边成比例的关系， bddPqqqx P点的坐标 ()fdPfUVPUPyqQxyyyxyy FeO直接还原耗热 Yd*q d 其它有效热量
11、消耗 Q UPEBPV UPJVPI UPLUVK 这一比例关系要求操作线通过 UV 上的一个固定点 P P 点 的 确 定Yd * q d Q Y b * q b利用高温区热平衡有：本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 176 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 177 理 想 操 作 线 热力学条件允许 斜率最小的操作线其斜率 理 (yW yP)/(xW xP) C/Fe P 点确定后，与 W 点相切的另一条操作线 PWnull 根据yV FV，确定 V点后，联结UV线，由UV 线和操作线相交点，得出P 点 null 根据P
12、 点坐标公式，算出xp、 yp画出P 点 P 点的画法 两种方法 e.求出Q/qd及 yVyV= FV Q/qdd.求出其它有效热消耗 Q 由热平衡式：Yd*qd Q Yb*qbQ yb*qb yd*qdc.求出yd*qb qd 153200kJ/kgFe原子， yd由操作线得出 b.求出每kg原子C 在风口前燃烧放出的有效热量 qb由 Q有效 yb*qd， qb Q有效/yb yb由操作线得出 a.由高温区热平衡（方法一）求出有效热量消耗 Q有效（总热支出煤气带走热冷却及热损失） /吨铁的 Fe 量 /铁原子量 具体计算方法 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜
13、利 177 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 178 实际操作线 PWPWWSPWPWPWPWPWPSxxxxyyxxyyxxyyyxyy 理节约的焦炭量： ()PWxxCCK固理固%215%215（ kg 焦 /t） （式中 215 12/56 1000） 5.高炉操作线的应用 斜率之差 节约焦比的潜力 理想操作线 P 点的变化反映 风温等热平衡因素的变化（ xP、yP） xP f（ 1/t风）Yp f（ xp， yU， yV）V点的变化反映（Q/qd） 高温区除 Fe 直接还原耗热以外的全部热量需求的改变 W 点的变化反映 炉料的金属化程度（yW） U
14、点的变化反映 生铁成分的变化（yf） E 点的变化反映 风量或下料速度的变化 B 点的变化反映 直接还原度的变化（yByd） 精料水平的变化（ yA）煤气化学成能利用率的变化（ xA）A 点的变化反映 反映高炉操作因素的变化 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 178 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 179 分析操作因素变化对焦比的影响 a. 改变煤气利用率对焦比的影响 W 0 O/Fe A A null 操作线由AE 向AE变化，斜率变小（以P 为轴心） PwxxCCK固固215215null 从操作线上得xA（如果煤气
15、中COCO2总和不变） ( )COCOCOxA+=221 求出（ CO2） （ CO2）（ CO2）（ CO2） 炉顶煤气中 CO2含量变化 1时对焦比的影响 22COKKCO b. 改变热风温度对焦比的影响 O/C V E P E 0 UP2W0 O/Fe O/C V P1 U 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 179 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 180 c. 铁水含 Si 量升高对焦比的影响 两条操作线的斜率之差：1122PwPwPwPwxxyyxxyy= 提高风温后的节焦量： =固CK%215 V2 U2 P1
16、 W O/Fe O/C V1 P2 0 U1 直接受风温影响的是 P 点 在炉缸所需有效热量一定，即保持 UV 线不变的情况下， 提高风温使 P点沿 UV线向左上方移动， xP和 yP均有所减小。 P 点坐标的确定 null xP为避免繁琐计算假定鼓风热容为一常数则： qb 115 0.075（ t风 1000）， 在 qb 153200kJ/kg原子铁 时， 可导出：)1000(108.21571.04+风txpnull yP因 U点、 V点不变， 故根据： y P= y f + x P (y V-y f)可求出 y p由于少量元素还原量增加， U 点下移 由于其它有效热量消耗增加， V 点
17、下移由于 UV 线变化， P 点发生移动 （风温不变时， xP不变，故 P点垂直下移）理想操作线的斜率变大 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 180 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 181 增加的焦炭量： =固CK%215其中：977.3还FeSiyU= ，dSiUVqqyy = PwUUVPxxyyyx+=)( 铁水含 Si 量升高增加的焦炭量 d. 使用预还原炉料对焦比的影响 操 作 线 的 变 化 由于炉料中金属化率提高，w 点垂直下移 （ xw不变，yw） 由于浮士体的间接还原相应减少，V 点下移， 在风温不变时
18、，P 点垂直下移（xP不变，yP） 理想操作线的斜率变小，PwPwxxyy= 节省的焦炭量： =固CK%215单位预还原炉料使用率的节焦量： RKKR= （式中 R 为炉料中的金属化率） 高炉操作因素的变化对操作线的影响 改变理想操作线的状态 如：风温、铁水成分、炉料组成 改变实际操作线的斜率 如：改善炉内煤气利用率 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 181 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 182 喷吹含H2燃料时的操作线 a. 纵坐标改为(O+H2)/Fe，并将yH2记入yf之下和yb之上， 56/2/22FeHyH=
19、 kg分子H2 / kg原子Fe （ H2以分子态入炉，反应产物仍为分子态H2O，故以H2代入） b. 横坐标改为(O+H2)/(C+H2) OHHCOCOOHCOxA222221+= 式中 H2O的计算 EwPPBw(O+H2)/(C+H2) AEyb yf 2(O+H2)/Fe B BVyH2 V在喷吹含H2很多的燃料时，H2的作用不能忽视。高炉基本化学反应在Fe H O C系进行， 操作线需作如下修改： H2O还=11.2(H2 料+H2 喷)+V风* -V燃(H2+2CH4) （ H2平衡） 还 料 喷 风燃（ 平衡）CO和H2的关系求出H2，按H2O还=(H2 料+H2 喷)* H2
20、算出 由将 H2O还加入干煤气中，算出新的百分含量 H2O 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 182 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 183 c. w点的修改 xw右移、yw不变 因为高温下（810） ， H2还原能力 CO 还原能力， 即平衡气相中，H2OCO2含量，故w 点右移，即xw 1001222的比例含量的比例平衡气相含量平衡气相中HOHCOCOxw具体计算可按以下式子进行： ( )22221HbfdHbfdwyyyyyOHyyyCOx+ 含量平衡气相中含量平衡气相中 不同温度下平衡气相成分 （ FeO+CO=Fe+CO2， FeO+H2=Fe+H2O） 850 900 1000 H2O， 37.4 39 42 CO2， 33.5 32 29 d. 操作线的斜率 ()FeHC2+ 与燃料比类同 e. V 点变化 由于rd变小 V点下移 f. P 点变化 由于 UV 线下移 P点向右下方移动 5 高炉操作线的应用3 操作线的特点 4 操作线的限制条件1 问题的提出 2 操作线的画法 Rist 操作线图解 小结 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料 北京科技大学冶金学院 吴胜利 183
