高爐操作線

高爐操作線是分析現代高爐冶煉過程以改善冶煉狀況的常用手段。

高爐操作線已 得到高爐工作者的普遍重視。但是, 在Fe 一 O 一 C系操作線圖上必須恰當地反映H₂的作用，通常所用的在操作線圖上考慮H₂影響的方法改變了原來線圖坐標的意義，增加了操作線 圖套用的困難。

基本介紹

• 中文名：高爐操作線
• 外文名：Operating line of blast furnace
• 意義：氧的遷移過程

高爐操作線圖

法國里斯特(A、Rist)教授及其同事在20世紀60年代中期用直角坐標系中一條直線顯示和描述高爐連續鑄鋼|煉鐵過程中重要指標的關係圖，故亦稱為里斯特操作線或里斯特操作線圖。它是分析現代高爐冶煉過程以改善冶煉狀況的常用手段。

操作線的構成 高爐冶煉過程極為複雜，但其實質是Fe-O-C體系中氧從鐵氧化物和鼓風中遷移到與碳結合的轉化過程。在操作線圖上，縱坐標是O/Fe(kmolO/kmolFe)，表示冶煉過程中還原1kmol鐵被奪取的氧的kmol量，也就是過程中氧的來源。橫坐標是O/C(kmolO/kmolC)表示冶煉過程中1kmol碳奪取到的氧的量，也就是氧的去向。操作線AE的斜率為C/Fe，表示在高爐冶煉過程中還原1kmolFe所需要的碳的kmol數，因此它具有高爐連續鑄鋼|煉鐵碳比或焦比的意義。

計算三種礦石

高爐中氧的來源 有3個來源：(1)是礦石鐵氧化物中的，以kmol數表示是赤鐵礦Fe₂O₃的O/Fe=1.50、磁鐵礦Fe₃O₄的O/Fe=1.33，方鐵礦(浮氏體)FexO的O/Fe=1.05(或近似地為1.0)；(2)是少量元素還原(Si，Mn，P等)以及脫硫過程中奪取的；(3)是鼓風帶入的。這三項氧來源的數量多少是用縱坐標上線段長度表示的：yo表示第一個來源，其中．)，y_i 為間接還原奪取的氧量；y_d為直接還原奪取的氧量，它等同於前蘇聯學者巴甫洛夫(M、A、ПaBПOB)定義的直接還原度rd 值(見直接還原度) y_o(kmolO/kmolFe)也是礦石中鐵氧化程度的另一種表示，它可根據礦石中Fe₂O₃ 、FeO和全Fe含量算出：

y_o=(Fe₂O₃×0.3+FeO×0.222)/16/TFe/56

y_u (或以y _f 表示)表示第二個來源，它是生鐵中少量元素還原和脫硫過程中奪取的氧，知道生鐵成分和脫去的硫量(渣量乘渣中含硫量)就可按下式計算中[Fe]、[Si]、[Mn]、[P]為生鐵中Fe、Si、Mn、P、等的含量；(S)為渣中含S量，U為渣量(kg/kg或t/t)。如果知道少量元素還原和脫硫消耗的碳量(CdSi，Mn，P，S )(見高爐物料平衡)也可以用。

算出：y_b 表示第三個來源為風口前燃料中碳燃燒形成CO結合的鼓風帶入的氧，它是按y_b=c風/12/[Fe]×10/56算出，式中c風為風口前燃燒的碳量(kg/t生鐵)。

計算煤氣中的橫座標

高爐中氧的去向 三種氧來源都與碳結合，這就是：

y_b +y _u +y_d 之和為高爐高溫區與碳結合的氧，產物為CO，而y_i 為間接還原區與CO結合的氧，產物為CO₂ 。形成的CO和CO₂ 數量在橫坐標上用線段表示。線段x_b為鼓風燃燒生成的CO部分，x_u (或x_f )是少量元素還原和脫硫生成的CO部分，x_d 是直接還原FeO生成的CO部分。它們的和：

x_b+x_u+x_d=1；而x_i 表示間接還原中生成的CO₂ ，線段的長短表示了CO轉化為CO₂ 的多少，也就是表示著CO的利用程度。根據操作線的基本原理：

式中CO、CO₂ 分別為爐頂煤氣中相應組分的含量，%；ηCO為cCO利用率(見一氧化碳利用率)。

高爐冶煉對操作線的約束 操作線表示的是高爐冶煉過程，它的圖形必然要受到冶煉過程的約束，也就是說它要受到高爐冶煉規律的限制。

物料平衡的約束 操作線的坐標選定純碳和純鐵為零點，也就是x=O/C=0，碳尚沒有與氧結合；x=1.0一個碳原子只與一個氧原子結合成純CO氣體；x=2.0。1個氧原子與2個氧原子結合(C也最多能結合2個O原子)成CO₂ 氣體。因此橫坐標O/C就以2.0為限，而在高爐冶煉過程中，由於熱力學因素的限制，爐頂煤氣中CO不可能完全轉化為CO₂，因此操作線A點的橫坐標x_A一定介於1～2之間。y=O/Fe=0，就是與鐵結合的氧已全部被奪走而變為純鐵，隨著O/Fe值的增加，爐料中與鐵結合的氧越多，礦石中鐵的氧化程度越來越高，到其極限值1.50(純Fe₂O₃的O/Fe值)，因此y_A 以1.50為限。生產中使用的各種礦石(天然礦、燒結礦和球團礦)既不是純Fe₂O₃，也不是純Fe₃O₄，所以y_A值在1.33與1.50之間。C點表示從鐵氧化物來的氧與其他來源的氧生成CO的分界點。

高爐操作線的分析

x_c = x_b +x_u 或 x_c =1- x_d，y_c=0，表明鐵氧化物還原到達終點，已全部轉為金屬鐵。由於高爐生產中並不是全部間接還原(r_d =0)或全部直接還原(r_d =1.0)(見高爐鐵礦石還原)，而是兩種還原的合理搭配，因此y_d >O，x_d >O，操作線與y=0的橫坐標x軸的交點C必然在0與1.0之間。

高爐操作線的限制條件與其斜率影響因素分析

化學平衡的約束 高爐內鐵氧化物的間接還原一般是在爐身部位，溫度在850～1000℃以下的地區進行的。按熱力學規律間接還原存在著Fe₃O₄，FexO與還原性氣體CO-CO₂混合物之間的化學平衡關係，一定溫度下的氣相成分由它們的平衡曲線所確定。在同一溫度下鐵氧化物的氧化程度(或含氧量)是由Fe-O相圖決定的。兩個密切相關的平衡圖在操作線坐標的平面圖上構成一條輪廓折線。

高爐操作線的限制條件

WW’-W’M-MM’-M’H，依據相律輪廓線中有兩個平台W-W’(因浮氏體含氧量是變化的平台呈傾斜狀)和M-M’(由Fe₃O₄的含氧量確定)，它們表示體系分別處於FeXO相和Fe₃O₄相，煤氣成分是可以變化的，而鐵氧化物的含氧量是不變的(FexO稍有變化)。垂直線F’W，W’M，M’H表明在FexO-Fe、Fe₃O₄ -FexO、Fe₂O₃ -Fe₃O₄的還原氣相成分不變，而氧化鐵中的氧量在減少，處於向新物質轉變過程中。這些線段所組成的輪廓折線就是一定溫度下由化學平衡所限定的操作線描述高爐過程的邊界。如果高爐爐身還原反應達到平衡，操作線將與輪廓線的“肩點”W點相切。W點的坐標由化學平衡所確定，X_w與還原溫度及該溫度下平衡氣相中CO、CO₂含量有關，常取850～1000℃左右及其該溫度下FeO+CO →Fe+CO₂平衡氣相成分作為x W確定的條件，這樣x_W=1.29～1.32，而y_W則以浮氏體中含氧量確定，這樣y_W =1.0～1.05。實際生產中爐身還原並沒有達到平衡，操作線偏離W點，而在它左邊與GW線相交於S點。並將線段GS和GW的比值定義為爐身工作效率：

爐身工作效率=GS/GW×100%

S點越接近W點，FeO還原越接近平衡，爐身工作效率就越高，現代先進高爐的爐身工作效率在95%以上，一般高爐在85%～95%之間，而指標差的中小高爐則可能低於85%。

降低操作線斜率的措施

熱平衡的約束 高爐冶煉熱量的來源是風口前燃料中碳的燃燒，操作線圖上y_b 表示冶煉1kmolFe因燃燒所消耗的kmolC量(與kmolO量相同，因為1kmolC與1kmolO結合形成1kmolCO)，提供的熱量為 y_bq_b，q_b為每kmolC在風口區燃燒放出的有效熱量(包括碳素燃燒和燃燒用熱風帶入的)。高爐冶煉過程消耗的熱量可分為兩大項：一項是FexO直接還原耗熱：

y_d * q_d，q_d 為FeO+C →Fe+CO的熱效應(153200kJ/kmol)，另一項包括其他元素還原耗熱、脫硫耗熱、碳酸鹽分解耗熱、渣鐵的焓及高爐熱損失等。高溫區熱平衡可以表示為：

y_bq_b = y_d q_d+Q

依據熱平衡可以得到另一條直線U_V，它與操作線交於P點，P點坐標為：

x_P=q_d / (q_b+q_d )，y_P=y_U + xP(y_V - Y_U )。

當高爐冶煉條件變化而影響熱平衡的收入或支出，U點或V點變動，P點坐標將發生變化，操作線也將變化。P點確定後，連線PW得到一條新的操作線A、WE。 ，它是代表熱力學允許的斜率最小的操作線，被稱為理想操作線，也就是FexO間接還原發展到熱力學上的平衡狀態，爐身工作效率100%的操作線，其斜率為μ理 = (y_W - y_P ) / ( x _W - x_P)，kmolC/kmolFe任何非理想操作線PZ的斜率μ=(y_z - y_p) / (x_w - x_p)均大於理想操作線，因此可以用兩斜率差△μ的值來分析節約煉鐵能耗的途徑。

套用 根據操作線圖變化規律，可以得到改善高爐冶煉的方向和相應的節焦量。高爐操作因素的變化可能影響操作線的兩個方面：改變實際操作線的斜率和爐身工作效率；改變理想操作線的狀態。前者可通過A、B、C、E等點的新值連線出新操作線，計算或測出新的斜率和爐身工作效率；而後者則是通過W點和P點坐標的改變來影響操作線狀態。在實際生產的套用中，可以對比新的實際操作線斜率與理想操作線斜率的差△μ按。

考慮H2影響的適宜方法的探討

高爐冶煉的核心， 可以說就是氧的遷移過程。氧的來源，基本是①爐料鐵氧化物還原排出的氧；② 一些非鐵元 素 (S i、M n、 P 等) 氧化物伴隨 Fe 還原而排出的氧；③ 鼓風帶入的氧。所有這些氧 ( O ) 都將在高爐的的不同部位以不同形式被碳 ( C ) 奪取，也即將 0 轉移給 C，使 C 氧化變成CO 及 CO₂ ，最終隨煤氣逸出高爐。

高爐內氫的來源及作用

高爐冶煉過程中，除 Fe 、O、C 三者外，H₂ 的存在及其作用亦是不可忽視的。特別是高爐噴吹含 H₂ 較高的燃料時，爐缸煤氣中 H₂ 含量也多，作用也更顯著。

高爐內 H₂ 主要來源於：

( 1 ) 鼓風中水蒸汽在風口前產生的H₂ ，其數量隨鼓風量增多、鼓風濕度提高而增大 ；

( 2 ) 焦炭帶入的H₂ ，其數量隨焦比及焦炭含H2量增高而增大 ，

( 3) 噴吹燃料帶入的H₂ ，其數量與噴吹燃料種類及噴吹量有關。

無論在怎樣的冶煉條件下，高爐里總會有一定量的H₂ 存在於煤氣之中，少則每噸鐵幾 十米 ³ ，多每噸鐵二百 米 ³ 左右。

操作線圖上考慮H2影響的適宜方法

① H₂ 在高爐內基本上與 C 一樣，是接受轉移 O 的物質，參加還原反應的H₂ 奪 O 變成 H₂O，隨煤氣離開高爐；② H₂ 的奪 O 作用影響鐵氧化物對 C 的供氧量，使之減少；③ H₂ 在 t > 810 ℃ 的溫度區還原能力比 CO 強 。而且 H₂ 的還原反應比 CO 還原反應更容易達到平衡。所以，可以優先確定 H₂ 的奪O 數量。另外，④ H₂ 是伴隨鼓風中的 O 及燃料中的 C 進入高爐的，還只是輔助還原劑，其耗量尚未成為獨立的生產指標。所以，還不能將 H₂與 C 完全等同對。