D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1989.03.017 第11卷第8期 北京科技大学学报 Vo1.11No.3 1989年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 1989 竖炉一铁浴二步法熔融还原的数学模型 杨天钩吴铿 (怡金系) 摘要：本文对竖炉-铁浴二步法熔融还原过程进行物料平衡和热平衡分析。在 Fc-OCH2体系中，由氧平衡和热平衡分别确定了上部竖炉和下部铁浴的操作数学模型。 由热力学计算，将上、下两部有机联系起来，得到全过程R5t操作线图。从而，建立了竖炉- 铁浴二步法馆融还原过程数学模型，可用来计算全过程氧耗和燃料比等极作参数。 关键词：熔融还原，数学模型，Rst操作图 The Mathematical Model of Smelting Reduction Process Using Shaft Furnace-Iron Bath Two Stages Method Yang Tianjun Wu Keng ABSTRACT:The analysis of the mass and enthalpy balances is made for the smelting reduction process in the two-stage of shaft furnace-iron bath. Because of the relevance to carbonaceous as well as hydrogenaceous gases in the process,the Fe-C-O-H,system is employed.The two combining equations of the oxygen balance and the enthalpy balance for prereduction and smelting reduction reactors are formulated respectively.Two equations can be related reasonably by means of calculating thermodynamic results and the Rist diagram of the process is figured out.The mathematical model is developed for calculating the fuel rate.oxygen consumed and other control parameters for the process· KEY WORDS:smelting reduction.mathematical model.Rist diagram Rist操作线模型：1)近几年来在研究高炉过程中得到进一步应用(2~4)。Steinmetz 等【5)研究了在900C用碳还原铁氧化物的Rst操作线，但未考虑反应过程中热量平衡。 1988-01-06收稿 199
权 第 卷第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 丁 竖炉一铁浴二步法熔融还原的数学模型 杨天钧 吴 铿 冶金系 电 摘 要 本文 对 竖 炉 一 铁浴 二 步法 熔融 还原 过程进 行物 料平 衡 和 热 平 衡 分 析 。 在 。 一 一 一 体系 中 ， 由氧 平衡 和 热平 衡分别确定了上部竖炉 和下部铁浴的操 作数学 模 型 。 由热 力学 计算 ， 将上 、 下 两 部有机联系起来 ，得 到 全 过程 操 作线 图 。 从 而 ， 建 立 了 竖 炉 铁浴二 步法熔融还 原过程 数学模 型 ，可用 来计算全过程 氧耗和燃 料 比 等操 作参 数 。 关键 询 熔 融 还原 ， 数学 模 型 ， 操 作图 一 、 卜 。 刀 ， 。 ， 牙 。 刀 一 一 · ， ， 一 一 一 七 · ， 手 ， 手二 手 丁 印 少 一 · ， · ， ， 操 作线模 型 二‘ 〕 近 几年来 在研究 高 炉过程 中 得 到 进 一 步 应 用 〔 “ 一 ‘ 〕 。 等 〔 〕研究 了在 用碳 还 原铁氧化物 的 操 作线 ， 但 未考 虑 反 应过 程 中热 量 平 衡 。 乍 一 一 收稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1989．03．017
本文试图对竖一铁浴二步熔融还原用Rst操作线的原理进行化学平衡和热平衡分析、以 建立全过程的数学模型，并用以计算氧耗、燃料比等参数。 1竖炉一铁浴二步法熔融还原的基本流程 流程如图1a所示，考虑Fc-0-C-H2体系如图1b所示。从图1b可见，作上：、下分离 的二步法熔融还原中，要考虑在竖炉和铁浴外可能产生物料和能量的机尖。此外，碳都是加 到铁浴中，即碳的气化反应几乎大部在下部进行。进入铁浴的含铁物质为FcxO+Fe网（本 文中x=0,947),这要求在竖炉中达到较高的预还原度。 铁浴造气时，所产生的还原气体中H占有一定比例【，应将Rst操作线扩展为Fe- O-C-H2体系。其坐标如图2所示，斜率μ=(C+H2)/Fe为每摩尔铁所需要C和H2的总 度尔数（不包括溶解在铁中的碳）。横坐标上气体成份的计算式应为： xC02十xt20 xco+c02+2H20 =1+(xc0+xH2o)=2-(×c0+xH2) (1) Fe03 C0,C0:,l2,l0 Iron ore/pellets Top gas (298K) L(T Shaft Shal furnace furnace (T) Prereduced Reducing Fe+Fe0.947 iron ore/pellets gas (T3) CC,C02,H2,H,0 (T6) Coal bath Iron -Slag Cx(H2yo(Ti)Fon Oxygen Metal 02(T) bath -Fe,C (Ts) (u) 四 图1竖炉铁裕培融还原过程图 Fig.I Schematic of the shaft furnace-iron bath smelting reduction process 2铁浴中的物料平衡和热平衡 2.1物料平衡 图1b中喷吹物用Cx(H2),O:表示，当喷人的数量为n'时，可得：C为x·n':H:为 y…n,O为2n【。 稳态条件下，铁浴必须满足下面平衡关系： a。碳平衡方程为：n=x·nI-(C/Fe)m (2) b。反应碳平衡方程为：n=nc%+n02=nc0+co2) (3) c,氧平衡方程为：n8+l.056xr,x0+2n'=nc品+2n02+nH0 (4) d,氛平衡方程为：n'·y=n2+n0=n(2H2o) (5) 在铁浴中还原气体成份可用如下通式表示： 200
本文试 图 对竖 炉 一 铁浴 二 步熔融 还 原 用 操 作线 的原理 进 行 化学平 衡 和 热 平 衡 分 析 ， 以 建 立全 过 程 赞 数 学模型 ， 并用 以计算氧 耗 、 燃料 比 等参数 。 竖炉一铁浴二步法熔融还原的 墓本流程 流程 如 图 所示 ， 考虑 一 一 一 体系如 图 所示 。 从 图 可 见 ， 在 上 、 下 分 离 的二 步法熔融 还 原中 ， 要考虑 在竖炉和铁 浴 外可能 产生物料 和能 量 所 扣 夫 。 此 外 ， 碳 都是加 到铁 浴 中 ， 即碳 的气化反应 几 乎大部在 下部进 行 。 进入 铁 浴 的 含铁 物 质为 。 、 固 本 文 中 ， 这 要求在竖炉 中达 到较 高的预还 原 度 。 铁 浴 造气时 ， 所 产生 的还原气体 中 占有一 定比例 〔 〕 ， 应 将 操 作线 扩展 为 一 一 体系 。 其坐标如 图 所示 ， 斜率 群 为每摩尔铁 所需要 和 的总 摩 尔数 不 包括溶解 在铁 中的 碳 。 横 坐 标 二气体成份 的计 算式 应 为 、、声 一 兰丝 土 芒旦鱼户 ， 义 二 一 。 。 。 。 多 吸 ， ， 它 二 千 钾 八心位 承 。 恤吕 八 以 兮 图 竖 炉 一 铁 浴 熔胜 还 原 过 程图 一 「 一 ， 铁浴 中的物料平衡和热平衡 物料平衡 图 中喷吹 物 用 、 ， 表示 ， ‘马喷 入 的 数 冠为 ‘ 时 ， 可 得 为 知 。 ‘ 为 夕 · ‘ 为 · 。 ’ 。 稳 态 条件下 ， 铁浴必须 满 足下 面 平衡 关 系 。 碳 平衡方 程 为 岭 · 。 ‘ 一 “ 反 应碳 平衡 ’ 程 为 ” 介 品 ” 答 呀 · ， 氧 平衡 方程 为 ” ‘ ” 。 ‘ · ” ‘ 二 ” 品 思 。 ” 。 竺 。 氢平 衡方程 为 ” ‘ · 夕 ” 才 ” 。 呈 。 ” 器 在铁 浴 中还 原 气体成份 可 用 如 下通 式 表示 才
nf n nc)-(CIFe) (6) 上式中i分别表示CO,C02,H,H,O等组分。 由(2)至(6)式可得铁浴的物料平衡方程 n6+1.056xrx0+2n'=(x品+2x8o,+xi20)(n'(x+y)-(CFe)m)(7) 将(4)式加到(7)式中可得： n8+1.056xr0x0+(y+2)n=(x%+×2+2(x602+xi20) (n(x+y)-(C/Fe)") (8) 2.2热平衡方程 QF。+n'.Q1+n8Q°g=(n'(x+y)-(C/Fe)m〕Qb (9) Q=-1.056Xrx0〔H-0.5(H。-H)o,〕+(H。-) (10) FexO Fe(1)Fe() Q°2=-0.5(H91-H。)o2 (11) Q1=-H2+x(H9。-H92)c+y(H9。-H2)m2+0.5z(H98-H92)o2 (12) Cx(H2)yOz Q=-(x品·Hf。+x802H。+xH0H6) (13) co C02 H20 2.3物质平衡和热平衡联合方程 将(1)、(2)、(4)和(5)代人(8)可得： 号=-1.056xrx0-(CFe)(Y号)+n+n) 〔(8)-() (1) 将(CFe)·xQ,同时加到(9)式两边后与14)式联立可得铁浴中的物质平衡和热平衡 的联合方程： 1.056xrx0- 1.056xrex0- Q+(cEe)(9y)-Q:〔(+)c/e+1.56x0 o/(8) 201
﹄‘ 名 砖 梦 － 一 碑牛一一 饭 ” 。老 一－ 。 二 。 ” 盛 二 。 瞥 。 合十 · 一 ， ‘ 夕 一 皿 上式 中 分别 表示 ， ， ， 等组分 。 由 至 式可 得铁 浴 的物料 平衡方程 合 · 。 “ · ’ ‘ 晶 ‘ 吕 葺 工 一 将 式加 到 式 中可得 合 。 。 夕 “ · ‘ 品 六 艺 各 ‘ 少 一 热平衡 方 程 ’ 。 ’ 一 ‘ 君 · ’ 二 夕 一 ‘ 〕 · ” 一 。 。 · 〔 鉴 一 。 忿 。 一 早 。 。 〕 ‘ 十 梦早 早， 一 早 一 早 。 。 ’ 二 一 子 十 早 。 一 早 。 早 。 一 早 万早 。 一 早 一 品 · 子 。 十 礴 。 · 子 。 能 。 · 芬 。 下 、 书 毛 月 ，、 物 质平衡 和热 平 衡联 合 方程 乙八今‘ ，‘， 将 、 、 和 代人 可 得 君 一 、 。 一 二兰 、 、 十 ‘ 之 ‘ · ‘ 一 里土二 、 〕 ， 、 十 ， 夕 匕咬 ‘、 将 · 的联合方 程 带 同 时加卿 ，式 两边 后 与 “ ‘ ，式联 立可 得 铁 浴 中 的物 质平 衡和 热平 衡 。 ， 。 一 … 一 “ ” ‘ “ 劝川 〔 爹于圣 · ， ‘ · ” ‘ … 。 、 一夕 一 一 ‘、了 口 十
=+m0(8+) （9y)+(8量)0-（)0 (15) 〔o/(+)门 另外，(14)式可改写成下面的形式 Effeet of 1.056xr。x0-(-n8-(y+2)n')= increasing QFe O+H2 =+0〔(+it)‘-0] 出 C+H2 H (16) Effect of deereasing Q2 Effeet of deereasing Q (15)(16)两式可得铁裕中的Risl操 作线，图小的T、H和b点的坐标如图2所 示。 H巴铁溶爆作程 在图2中各点坐标下： Fig.2 Operating line of iron bath n8+:=(e+)', 0+H2=1.056xtx0 Fe 4:0+H= 〔92+(8+#)o-（)o:】 〔o/(8*)门 (O+H2)/Fc=1.056xr,x0- q+()八（+)-Q.〔（号）()+1.58x0】 〔(+#)门 b:e=0, 0+H:=-n8-(y+2)m' Fe 因(15)式是由(14)式导出，6点必在TH直线上。由(15)和(16)式可见，直线方程的斜 率为u=n+n·y。 了铁浴操作线的讨论 3,1影响操作线变化的因素 (1)由图2可见T点的纵坐标对操作线的斜率影响很大，即Xxo决定了T'点的纵坐 202
、声 夕 。 一一一 誉 ‘ · 少 · ’ 少 十 一 一 十 之 十 夕 产 ﹄ 、刀 、夕几下 ︸ 〔 。 ” 兴 。里︶“ 另外 ， 式 可改 写 成下 面 的形 式 。 ， 、 。 一 一 。 一 ， ‘ 、夕 一 ‘ 产、 ” “ 二 ’ · ， 〔 忿 山 和 两 式 可得 铁 浴 中的 操 作线 ， 图 ，卜的 、 和 点的 坐 标 如 图 所 示 。 在图 中各 执坐标女“ 下 别 铁浴操 作线 ， ， ， 、 ‘ ‘ ， 己了百牙 气 下瓦 一爪下 一 。 。 十 〔 一 段 · 呈牵奇 “ 〔 ‘ 八 一 一 一 一 头于 · 。 。 〕 · ‘ 〕 圣 。 、 。 上 、 、 】了 。 专冷 一 〔 。 “ ‘ · 〔 召号 爵 。 二 。 〕 ‘ 〕 一 合 八 一 二 · ， ‘ “ 一 十十 几‘ 因 式 是 由 式 导 出 ， 点必 在 直 线 上 。 由 和 式 可见 ， 直线 方 程的斜 率为 尸 二 。 之 。 ’ · 。 铁浴操作线的 讨论 影晌 操 作 线变 化 的 因素 由图 可见 点 的纵 坐标对操 作线 的斜 率 影响很 大 ， 即 、 。 决定 点 的纵 坐
标。Xr:xo的值愈小，表明预还原度愈高。当H点的坐标不变时，XF。xo愈小，则(n+ n·y)和n8都会降低。控制合适的XF。x0值是调节上、下部还原度的重要手段。 (2)当QP·增加时（进入铁浴中铁的氧化物温度Ts下降时），从H点坐标看，纵坐 标值变小，会从H→H:,当T点不变时，则操作线变陡，n8和(nè+n'·y)都增加。反之， QΓ·下降会有相反的结果。 (3)当提高吹入氧气的温度T:时，Q°？值减小。从H点坐标看，当Q°？减小其纵坐 标和横坐标值都变小。如果在H点将Q°2看成变量并求导数： (0H,）Q,=〔(+号)()+1.056xx0〕/ 〔(+)-) (17) 上式右边各项值均大于零，即（°）'Q,>0(因喷欧物为煤夺物质，>。所 以，(8+)>（本） 。 另外，提高喷吹物温度T2时，Q值减小。此时，H点的纵坐标值变大而横坐标变小。 同样，在H点将Q:看成变量求导数，可得(O)'Q<0。 从上可见，因提高T:和T2使H点变化方向不同，如图2中H和H2所示，对 (n合+n'·y)和n8的影响也不一样。当H3和H2变到相同横坐标值时，提高T2温度的效 果优于提高T:的温度。 3,2生成铁水时其它因素的彩响 在实际生产铁水时还要考虑热损失，Si和Mn的还原，生铁渗碳，炉渣带走热和石灰石 (略去其它碳酸盐影响)的分解等因素的影响。此时： 碳平衡方程为：n哈=x·nI-(C/Fe)m-nc.coa (18) 氧平衡方程为：号+1.056X0-y+2m+2(:)+()”+ 2 ncaco3=(n含+nl,y) (e+） (19) 液态铁所需热：QF。'=Q·+Q失+Qs. (）”+Q.(） +QMn Mn (Fe "+W.D法+ncaco3.Qc.co (20) 用前面类似的方法可以得到涉及其它因素影响时的联合方程和操作图。 203
标 。 。 的值愈小 ， 表 明预还原度愈高 。 当 点的坐标 不 变 时 ， 刃 。 、 。 愈 小 ， 则 。 合干 。 ’ · 和 。 君都 会 降 低 。 控制 合 适 的 。 。 值是 调 节 上 、 下 部还 原 度 的重 要 手 段 。 当 · 增 加 时 进入 铁浴 中铁 的氧 化物温 度 。 下降时 ， 从 点坐标 看 ， 纵 坐 标 值变小 ， 会从 ， ， 当 点不 变时 ， 则操 作线 变陡 ， 。 君和 叶 十 ‘ · 劝 都 增 加 。 反之 ， 口 ‘ 下 降 会有 相 反 的结 果 。 当提 高 吹 人氧 气 的温 度 ， 时 ， 。 ， 值减 小 。 从 点 坐标 看 ， 当 。 ， 减 小其纵 坐 标 和横 坐标值都 变小 。 如 果 在 点 将 。 “ 看 成 变量并 求 导 数 卫哥互 ’ 二 〔 兴景 奇 ” · 。 正 … 〕 厂了 些止 丝几 、 “ 忆 、 小 、 式右边各 项 值 均大于 零 ， 即 十 ‘ 。 因喷 吹 物 为煤 等物质 ， · 。 所 以 ， 一 、 卫土 三 、 、 十 另 外 ， 提 高喷 吹 物温 度 时 ， ’ 值减 小 。 此 时 ， 点 的纵 坐标值 变大 而 横 坐标变小 。 一 ， 。 同样 ， 在 点 将 ‘ 看成 变 量 求 导 数 ， 可 得 又二 宕才 兰 夕 从 上可 见 ， 因提 高 和 。 使 点 变 化 方 向 不 同 ， 如 图 中 万 和 所 示 ， 对 仑 ‘ · 和 。 吕的影响 也不一样 。 当 万 和 变到 相 同横 坐标值时 ， 提 高 温度 的 效 果 优于 提高 的温度 。 生 成 铁水 时 其 它 因 素 的 影 晌 在实 际生 产铁 水 时还要 考虑 热损失 ， 和人甄 的还 原 ， 生 铁渗 碳 ， 炉 渣 带 走 热 和 石 灰 石 略去 其它碳酸盐 影响 的分解 等因素 的影响 。 此 时 碳 平 衡方程 为 叶 二 · 。 ’ 一 ’ 一 ” 。 · “ 。 。 氧 平 衡 方 程 为 。 吕 · 。 一 “ · ” ’ 户生 、 、 户 砚补下 矛 十 、 。 合 ’ · 液 态 铁所需热 ” ” 失 十 ‘ · 吸于厂一 十 叼 旦、 、 · 。 二 劣 ’ · 甲 · · · 一 ‘ 用前面类似的方 法可 以得到 涉及其它因 素影响 时 的联合 方程和操 作 图
4竖炉中的平衡过程 4.1热平衡及物料平衡 竖中的衡方程如卜式所示： n51.Q61=QF203+n5Q5: (21) n1=a2=n8d+n&02+n:+r骨20=n6+n62+ni:+n2o (22) Q=x01+xH+xo (23) Co CO2 1g0 Qr0=1.056 xF.xoHf,-0.5H,+(H9,-H?,)p,+ FexO Fc203 0.5(1.05xr,o(H,-H9,)o2+1.5(H9.-H9,,)o2) (21) Q2=x86Hf,+x62Hf:+x骨nH1s-(x6+x62)(H9,-H96)c- co c0纟 H20 (2x62+x6+xo)(H44-H4,)02-(x+x0)H.-H,)2(25) d样，关于其它因素对竖炉预还原的影响按3.2节中类似方法求出QF2。 4.2化学反应平衡 任Fε-C-O-H:体系中有如下两个反应达到平衡， Fc0.,4,0+C0=0.917Fe.)+C02△G4=-17233+2038TJ/mol (26) Fe0.,4,0+H2=0.917Fc()+H20△G°=160231-8.9TJ/mul (27) 由此可北算山上两反应式在T。(从铁浴中出来或进入竖炉铁氧化物的温度)时的平 常数KP。假定K,和KP2分别为(26)和(27)两式在T3温度的平衡常数。 按热力学分析·'，考虑铁氧化物还原时，还原气体应满足将FεxO还原成铁的要求。 由(26)和(27)式可得用CO和【1，还原FeλO生成CO2和H2O的摩尔数： =(Kp2n6-n&d2)/(1+Kp1) (28) B=(Kr2·n2-n骨2o)/(1+Kr2) (29) 山(28)1(29)可知还原‘气体必须满足下面两式： neo2<KPnco (30) no<Kp2 (31) 也可计算出还原‘（体的最低消耗量从 n=.056(1-xpo)=K2n6pn呢ni3o 1,056(1-xr0） a+B (32) 1+Kp」 1+KP1 204
竖炉 中的 平衡过程 声 ， 热平衡 及 物料 平衡 竖 炉 中的 平衡 方程 如 卜式 所 示 ‘ ’ · “ ’ ， 里 ’ 一 ‘ ‘ 、 、户 穷 ‘ 十 ‘八‘， 皿 十 斗 邝 又 二 八 ” 笠 ’ 二 心 ’ 哗 乙 “ 品 ” 砚 工 尸 二 干 子 。 昌 。 “ 盗知 · 。 。 人 。 子 一 要 ， 。 汀留 。 一 罗 ， 、 十 。 、 召 ， 一 孕 。 。 犷 ‘ 一 罗 ， 。 。 闪 仁 一一 子 工 ， · 不 ， 昌 。 · 子 。 一 礴 吕、 二 况 留一 留 ‘ 狐 卜 片 乡 。 月 书一 犷 ‘ 。 片 十 片 。 导 ‘ 一 同 样 ， 关 一 其它 囚素 对竖 炉 预还 味的 影响 可按 节 ， 类 以，方法 求 出 ’ “ 。 。 化 学反 应平衡 在 一 一 一 体 系 中 有 如 下两 个反 应达 到 平衡 下 〕 ， ︸ ‘ 产 。 ， ‘ ， ， ‘ ， 、 了。 △ ， 么‘ 一 ， ‘ 川 一 一 。 ‘ 由此 可计算 出 两反 应 式 在 。 从铁 浴 中 出来 或进 入 竖 炉 铁 氧化物 的温 度 时 的 平 衡 ‘ 片亏数 。 假 定 按热 力学分 析 和 分别 为 和 两 式 在 温 度的 平 衡常 数 。 ， 考 虑铁氧化物 还原 时 ， 还原气 体应满 足 将 、 还 原成 铁 的 要 求 。 由 和 式 可得 川 和 还 原 、 生 成 和 一 的 摩 尔 数 · 。 吕占一 艺己 刀二 · ” 吕孟 一 吕 。 一 不 ，， 知还 原 六毛体必 须满足 卜面 两式 凡 ，， 门 ，‘ 昌二 。 。 ， · 护‘昌二 也可计算 出还 原 产 体 的最 低 消 耗 墩办 。 ， ， 一万石 火 一 工 。 、 夕二 犷 一 、 竺 。 一 。 。 、 一 舀人 凡 ， · ，产 昆 。 吐 八 “ 尸
在a和B值确定后，能确定竖炉中Rst操作图中W点的横坐标，如图3所示。 4.3竖炉中Rst操作线的讨论 在图3中，T点的孩坐标为（巴：）”，表示从铁浴中产生的还照气体。当还原气 体从1800K降至T:(进入竖炉还原气体91的温度)其成份不变，91的横坐标为 (8+骨）"〔（巴+计：）”=(2+批）“〕.9：作为预运隙气体首先应满足s0 和(31)两式。然后，应满足(21)和(32)两式的最低要求，即为： n81.Q81Qre203+n1.Q82 (33) 1.051-o/2a品，4装0】 1+KP2 (31) 另外，当满足上述条件后，91在竖炉中 15 按热力学的要求，其操作线应通过W点。联结 形和T两点即得竖炉中的Rist操作图。如图 0+H2 3中1'所示，并给出A点的横坐标的表达式。 C+H2 由于喷吹物都由铁浴加入，当铁浴中的 H21 Risl操作线斜率(n+n·y)确定后，全过程 的(n念+n1·y)可得出。如在图3中，用T点 后1线的延长虚线表示。 1b2 图3竖炉一铁浴熔触还原过程操作线 在图中T、A和W点的坐标为： Fig.3 Operating line of shaft furnacc- iron bath smelting reduction process T. +=(+)“, C+H2 0+H2-=1.056xrx0。 Fe W: K是(x品+x品o, (x品七 C+H, (0+H2)/Fe=1.056。 A: 8费=1+85+o+g:0860。 C+H2 ×2,42,），0+H训e=1.5 1+KP2 5用全过程操作图讨论二次燃烧和煤气改质等操作状况 图3中，线1表示在铁浴中没有二次燃烧的操作线，所生成还原气体在T点的横坐标 205
在 和 刀值 确定后 ， 能 确定竖炉 中 操 作图中 牙 点 的横坐标 ， 如 图 所示 。 竖妒 中 操 作线 的讨 论 … ， 、 ‘ 、 ， 二 二 ‘ 在 图 “ 中 ， ’ 点 的 横坐标 为 灭一干 犷 ， 表 不从铁 浴 中 严生 灼 还 原 气 体 。 当 还原 气 体 从 降 至 ‘ 进入竖炉还 原 气 体 的 温 度 其 成 份 不 变 ， 夕 ， 的 横 坐 标 为 六奇 “ ’ 〔 程专瓷 ‘ 是专瓷 ‘ ’ 。 “ 作为” 还 原 气 体首 先 应满 足 “ ” ， 和 两式 。 然 后 ， 应满 足 和 两式的最 低 要求 ， 即为 呈‘ · ‘ ’ 多 一 ” 。 ， 月 彗 ’ 一 “ “ 、 胜 尸 月︷‘ ”一 一 孔一 一 。 一 卜 二 。 〔丛 ‘ 奋 碑吮 匆 － 户 了 一 干天几丁 一 十 。 一 另外 ， 当满足 上述 条 件后 ， ， 在竖 炉 中 按 热力学 的 要求 ， 其操 作 线应通过 班点 。 联结 平 和 两点 即得竖 炉 中的 操 作 图 。 如 图 中 ‘ 所示 ， 并给 出 点的横坐标的表 达式 。 由于喷吹物都 由铁浴 加入 ， 当 铁 浴 中 的 操 作线 斜率 仑 ， ’ · 确定后 ， 全 过程 的 合十 ， ’ · 可 得 出 。 如 在图 中 ， 用 点 后 线 的延长 虚线表 示 。 在图中 、 和 牙 点的 坐标为 声 莎 了尸 粼 。 气︶己二。十 皿 图 竖炉 一 铁浴 熔融 还 原过程操 作线 一 五 刀 一 上丝兰一 、 “ 。 。 牙 孟 、 二 思占 息占 尤 对 嵘 。 ， 。 城 劣 戈 各玉 。 一 。 劣 。 二 。 一 。 梦 、 黔鲁 卫墨全 十 、 止 二 ‘ · 硅 一 。 是孟 。 。 ， ，‘ ‘ · 。 用 全过程操作 图讨论二次燃烧和煤气改质等操作状况 图 中 ， 线 表 示 在铁浴 中没 有二 次燃烧 的操 作线 ， 所生 成还原 气体 在 点 的横 坐 标
为（已+骨：）”。当铁裕中热装不足时、可进行二次磁烧补充铁浴所需热量。此时，还原气 体的横坐标移到T'点。因二次燃烧时仅吹氧而（公+n'·y)不变化，这时操作线为2线 (平行于1线)在纵轴上b与b2的距离即为二次燃烧吹入的氧量。但此时，在T·点的还 原气体不能满足(30)和(31)两式的要求。需要进行气体改质（在一装置中将CO2和H:O转 化为CO和H:),才能作为预还原气体。气体改质后使气体成份从T'点变到T点。这时 如果既能满足(30)和(31)，又能满足(33)和(34)，才可作为预还原气体。在竖炉中进行预还 原时，要通过W点（仪从热力学考虑）。在气体改质时，气体中氧量不变，T、62两点的 联线3的斜率即为气体改质后的斜毕（μ'=(n心+n'·y)')。 6结 论 通过对竖炉一铁裕二步熔融还原过程，进行物质平衡和热平衡分析，分别确定了竖炉和 铁浴在Fe-C-O-H2体系的Rist操作图，并用热力学计算结果将竖炉和铁浴这两部分有机 联系起来，从而建立了全过程的数学模型，可以用来计算全过程氧耗和燃料比等操作参数。 致谢：患谢杨永宜牧授生前对此工作的怀，地训张鉴教授，条民生教授对F本工作的指导。 参考文献 1 Rist A,et al.J.Metal.April,1967;19:50 2 Kundrat D M.Met,Trans,,1986;17B(12):705 3 P'eaccy J G,ct al,The Blast Furnace-Theory and Practice,Pergamon Press,1979 4杨永宜，炼铁文集、冶金部钢铁司，中国金属学会炼铁学术委员会，1984；72 5 Stcin nelz E,et al,Metallurgical Plant and Technology,1986;(3):24 6杨水等，钢铁，1987,22(8)：49 7傅献彩等。物理化学，人民教育出版社，I977年修订本 前 录 (i,Fc)m:l法水带上i心素数生.imol,Fcmo1i为C、Si和Mn。 (OFc)1:在竖的或铁济小，铁化物中铁原下所带的河原下数(O原下/Fc原)，当·Fc,O时， (0/Fc)F。x0-1.056,1-Fc203时，(0Fc1·203,1.5: Cx(H2)yO::喷吹物(x,r,分别为C、H?、O的个数； nI:喷吹物Cx(H:)yO2的tCx(H2)yOz mol/Fc mol n。:铁浴中间反成C的摩尔数Cmol/Fe mol, n:铁浴中喷入的的原下数O原f子/Fe mol: n.03:加人铁浴的CaCO3惟尔数CaCO,moi,Fe mol, n:进入竖炉的还原'气体和从竖护中来还原气体的总摩尔数，mo1Fcmo1,(1=g:进人，=g2出米)： n:i分'作的：尔数imol/Fe mol.(i-CO、CO,H:O,H:,CO+CO:和H2O+Hz),(-” 从性浴产生的18)0K的还原气体！1-1，进人竖护还原（体！·=2从经出米的还原斤气体） 小：i组元'气体的摩尔分数。i,i盆义d上)： 206
当铁浴 中热 破不 足 时 ， 可进 行二 次燃烧 补充铁 浴所需热 量 。 此 时 ， 还原 气 体的横 坐标 移到 ’ 点 。 因二 次 燃 烧时 仅 吹氧 而 合 ’ · 不 变 化 ， 这 时 操 作 线 为 线 平行于 线 在纵 轴 上 与 的距 离 即为 二 次燃烧吹 入 的氧 量 。 但此时 ， 在 ‘ 点 的 还 原气体 不能 满 足 和 两 式 的 要求 。 需 要进 行 气体 改 质 在一装 置 中将 和 转 化 为 和 ， 才能 作 为预还 原 气体 。 气 体改 质后使 气体成 份从 ‘ 点 变到 点 。 这 时 如 果既能 满 足 和 ， 又能 满 足 和 ， 才可作 为预还 原气体 。 在竖炉中进 行预还 原时 ， 要 通 过 甲 点 仪从 热 力学 考 虑 。 在气体 改 质时 ， 气 体 中氧 量 不 变 ， 、 两 点 的 联 线 的斜 率即 为气体 改 质后 的斜 率 拼 ‘ ， 会 ， ’ · ‘ 。 结 论 通过 对 竖炉一 铁浴 二 步熔融 还 原过 程 ， 进行物 质平 衡和 热 平衡分析 ， 分 别确定 了竖炉和 铁浴 在 一 一 一 体 系的 操 作 图 ， 并用热 力学 计算结果将竖炉 和 铁浴 这 两部分 有 机 联 系起来 ， 从 而 建 立 了全过程 的 数 学 模型 ， 可以用来计 算全过 程氧 耗和燃 料 比等操 作 参数 。 致谢 感 射杨永宜 较授生 前对 此 川乍的 关怀 ， 感谢张 鉴教 授 ， 秦民生 教 授 对 于本 上 作的指 导 。 今 考 文 献 之一 入 ， 、 · 〕 杨永宜 。 。 ， ， ， ， ‘ 一 少 · 一 、 ， 一 炼 铁 文 集 ， 杨 永 ‘ 注等 博献 彩 等 。 冶 盆部钢铁 司 ， 中国金属学 会炼铁学 术委 员会 ， “ 少 ， 一 上 钢铁 ， ， 物 理 化学 ， 人 民教 育 出版 子七 年修 汀本 盈牛耳铁 水 · 梦走 元素 数 玻 ， 为 、 毛‘ 。 ‘ 在竖怕 或 钱浴 中 ， 铁 械 化 物 中 铁原 所 带的 认 原 数 睐 原 。 、 一 ， ， 日 、 十 ， ，‘ 一 ， 喷 吹 物 二 ， 、 ， 分 号 为 、 、 的 个 胶 ‘ 喷一次物 、 的 知赴 ’ 场 ， 一 、 · 士 之 铁 浴 ， ， 司试反 左 康尔 数 。 。 铁浴 中喷人 的 诚的 凉 数 。 原 ， 。 ‘ ‘ 加 人 铁浴 的 摩 尔 数 进 入 竖 炉 的 还 原 ’ 屯体 和 从 竖 炉 ， 出 来还 原 后 尹 体的总 庵 尔 数 ， ， ， ， 二 进 入 ， 二 出 来 ， 全 分 ’ 〔体的 序 尔数 厂 一 、 ， ， ， 和 于 ， 从 钞浴 卜产 生 的 的 还 城 ’ 心体 ， ， 一 ‘ 进 人 竖灯还 旅 产 体 ， ， 二 名 从 怪炉 ， 出 来的 还 原 后 飞体 ， 红 元 产 〔体 的 靡 尔分 教 。 ‘ ， 意 义 ‘ 二
N1:气体中i组元的摩尔百分数(i=C0,C02,H2和H2O): XFcxO:进人铁浴或从竖炉预还原后，铁氧化物中FcxO所占百分数(x=0,917): Kp:化学反应平衡常数，△G0=-RT1nKP, Q1:热量.Jmo1,i=Fc,O2,i(喷欧物)，（铁浴中反应的碳加喷入的氢，Si、C、Mn、CaCO3、81、 2,失（铁浴的热糊失JiFe mo1)和Fe203(J/Fc,mol):i=Fc'和FeeO'即为考虑其它影响 因索的情况)； D液：炉漆带走的热量J/渣kg: H,1物质在T温度的生成热t,J/i mol(任=Fcx0,C0,C01,H,0,Fe20:和Cx(Hy0: :i物质在温度T的热络，J/imo1(i=Fe,Fc(1,C0,C.C02.H2,H20,Fc20g.FexO): :温度K,(:=1,吹人氧的温度：=？，喷吹物的温度：；i=3,进入铁浴戎从竖的中还紫出铁氧化海的温度： :=4,进人竖炉气体的温度，1=5，从竖炉巾出来的还原后气体温度： 1r渣：渣量淡·k名/Fc·mol, 0+H2 Fc,:Rist图的纵坐标，每摩尔铁所结合O和H2之和 0+H2 C+H:Ri5t图的横坐标，C结合和H:结合O的总原子数与H2之和，与H2和C总摩尔数之和的比值； (C±H2)8,”体8（从铁浴中出来还原气体）在R15t围横坐标值： C+H2 (○)片仅考虑组元变化时在操作图中Ⅱ点（侧2）的导数：(：=Q02,Q1。 ?和B:分别为CO或H?还原FcxO生成CO2和H2O的糜尔数： :铁浴中操作线斜率，即够摩尔铁所需C和H2的总车尔量（不包括溶解在铁中的碳）。 A次於於M价欲外养欲外次於个价的众外於於於饮欲於A欲欲的欲阶於的映次的於於价焕 YA一85硬质合金 由株洲硬质合金厂研究所负责，北京钢铁学院矿业研究所、嘉兴冶金机械厂、长沙矿山 研究院和首钢密云铁矿参加的潜孔钻头用硬质合金的研究任务，经过3年的努力，已成功研 制出YA一85硬质合金。 YA一85硬质合金选用优质三氧化钨为原料，合理选择了粘结相含量和碳化钨晶粒，使 该合金具有良好的抗断裂强度和耐磨性。它的研制成功，为矿用球齿钻头提供了一种新的专 用合金。用YA一85合金组装的J一170B潜孔钻头，坚固耐磨，使用寿命长。在首钢密云铁矿 试验的78个钻头平均寿命为455.4m/个，超过了冶金部1984年下达的在密云铁旷矿岩条件下 每个钻头平均寿命350m的技术指标。由YA一85合金组装的不同规格的钻头，在不同地层中 使用后均取得了显著的效果。 1987年9月冶金部在密云铁矿主持召开了)A一85硬质合金鉴定会。会议认为：Y1一5 硬质合金具有良好的抗断裂强度和耐磨性，比YG11C合金使用寿命提高70%以上，是一种 良好的球齿钻头专用合金；YA一85合金生产工艺稳定，性能可靠，合金的钻含量比YG11C 降低27%，为发展我国低钴矿用合金开辟了一条新途径；YA一85合金适应性强，用来组装 各种凿岩用钻头凿岩效率高，使用寿命长，已接近国外同类产品水平，并为打入国际市场作 出了贡献。 WwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwWWwwv 207
入 气体中 ‘ 组 元 的靡尔 百 分 数 ‘ 二 ， ， ， 、 进人 铁浴 或 从 竖 炉 预还 原后 ， 铁氧化 物 中 五 和 忍 ， 所 占 百 分 数 二 二 盆 法 旱 化学 反 应 平衡 常数 ， △ ‘ 。 一 尺 犬 户， 热 量 了 ， ‘ ， ， ， 喷吹 物 ， 石 铁浴 中反 应 的 碳加 喷 人 的氢 ， 、 、 、 、 名 、 ， 失 铁浴 的 热 损 夫 「 》 和 厂 ， ， ‘ 和 ’ 至 为考 虑 其它 影响 因素 的 情祝 炉 透带 走的热 量 渣 物质在 温 度的生 成热 烤 ， ’ ， ， ， ， 和 物 质在 温 度 了 的 热烤 ， 二 ‘ ， ， ， ， ， ， ， 万 温 度 ， 〔 少二 ， 吹 入 氧的温 度 ， ， 喷吹 物的 温 度 ， 二 ， 进 人 铁浴 或 从 ’坚灿 ，卜还 泵 出 铁 氧 化 物 的温 度 了 二 ， 进 入 竖炉 气体的温 度 ， ， 从 竖炉 中出来 的还 原 后 气体温 度 乍尸 渣 渣 量 法 · · 斗 ’ 图的 纵 坐标 ， 每摩 尔 铁 所 结 合 和 之 和 图 的 横坐 标 ， 结合 和 结 合 的 总 原子 数 与 之 和 ， 与 和 总 靡 尔 数之 和 的 比 值 忿老首 、 ‘从 铁浴 中 出 来还 原气体 ， “ 图横坐 标 值 。 一 奋外 仅考虑组 元 变 化 时 在操 作 图中 “ 点 ‘ 。 的 导 数 ‘ 一 ， ” 咬 和 日 分 别 为 或 还 原 “ 、 生 成 和 的摩 尔 数 铁浴 扣操 作线 斜 率 ， 叩每 摩 尔铁 所需 和 的 总摩尔 量 不包括 溶 解在铁中的 碳 。 一 硬质合金 由株洲硬 质 合金 厂研究 所负责 ， 北京 钢铁学 院矿业研究 所 、 嘉兴冶 金机 械 厂 、 长 沙矿 山 研究院和首 钢密云 铁矿参加 的潜孔 钻头 用硬 质合金 的研究 任 务 ， 经过 年 的努力 ， 已成功研 制 出 入一 硬 质合金 。 人一 硬 质合 金选 用优质 三氧 化 钨 为原料 ， 合 理 选择 了粘结相 含量 和碳 化 钨 晶 粒 ， 使 该合金具 有 良好的抗 断 裂强 度和耐 磨性 。 它的研制成 功 ， 为矿 用 球 齿钻头提供 了一 种新 的专 用 合金 。 用 一 合金 组装 的 一 潜孔 钻头 ， 坚 固耐磨 ， 使 用寿命长 。 在首 钢 密云 铁矿 试验 的 个钻头 平均寿 命 为 个 ， 超过 了冶 金部 年下达 的在 密云 铁矿矿岩条件 下 每个钻头 平均寿命 的技 术指 标 。 由 一 合金 组装的不 同规格 的钻头 ， 在不 同地 层 中 使 用后均取 得 了 显著 的效果 。 年 月 冶 金部 在 密 云铁矿 主 持 召开 了 一 硬 质 合 金 鉴定 会 。 会 议认 为 一豁 硬 质合金具 有 良好 的 抗 断裂强 度和耐 磨性 ， 比 合金使 用寿命提 高 以 上 ， 是一 种 良好的球 齿钻头 专用合 金 一 合金生 产工艺稳定 ， 性能可 靠 ， 合金 的钻 含量比 降 低 ， 为发 展我 国低 钻矿 用合 金开 辟 了一 条 新途 径 一 合金 适应 性 强 ， 用来 组装 各 种 凿岩 用钻头 凿岩 效 率高 ， 使 用寿命长 ， 已接 近 国外 同类 产品 水平 ， 并 为 打入 国际 市场 作 出 了贡献
