王一杰等：基于里斯特操作线解析有害元素对高炉焦比的影响 ·1059· 近些年来，国内许多钢铁企业为了降低生产成 Na2SiO,+CO =2Na (g)+Si02 +CO2 (g) 本，大量使用有害元素含量较高的劣质矿，导致高炉 △H9=162420Jmol-1 (2) 有害元素入炉负荷不断升高口.这些有害元素进入 2K(g)+Si02+C02(g)=K,Si03+C0(g)(3) 高炉以后，会对高炉操作产生不利影响P.前人关 2Na(g)+Si02+C02(g)=Na,Si03+C0(g)(4) 于有害元素对高炉生产的影响做了大量了研究. 原燃料中的Zn最终以ZnO的形式在高温区被 Yamg等因研究了碱金属在高炉内的循环富集行为， 还原成锌单质，还原后的锌单质以锌蒸气的形态随 发现在高炉不同区域，碱金属以不同的形式循环富 煤气上升，当温度较低时，锌又被氧化，一部分随煤 集.ⅱ等-通过实验研究了碱金属钾、钠蒸气对 气溢出，一部分随炉料下降，如此周而复始，形成了 焦炭质量的影响.实验结果表明，钾、钠蒸气与焦炭 高炉内锌的循环富集.Z在高炉内的还原和氧化 的碳基质和矿物质相互作用形成层间化合物，促进 的化学方程式如下： 了焦炭裂纹的形成，且碱金属催化了焦炭气化反应， ZnO +CO =Zn +CO2 AH=182400 J*mol- 使得焦炭的强度降低.Trinkel等研究了有害元素 (5) 在高炉炉衬内的分布规律，发现炉衬内有害元素的 Zn+CO,=Zn+CO (6) 含量及穿透深度在高炉高度方向上有明显的变化， 碱金属、锌在高炉中循环过程如图1所示. 且不同有害元素的变化规律不同.包钢55m3高炉 解剖研究表明，炉料中的碱金属在高炉内循环富集 是高炉炉瘤形成的重要原因@ 「碱金属、锌矿物 防止高炉有害元素危害的有效措施是降低有害 C0还原 C0,氧化 元素入炉负荷.目前，不同钢铁企业有害元素入炉 负荷差别较大.大多数钢铁企业根据自身高炉治炼 碱金属、锌单质 情况和操作经验来制定有害元素入炉上限，这就使 得在制定有害元素入炉上限时没有合理的参考 标准。 图1有害元素在高炉中循环示意图 Fig.I Circulation of harmful elements in blast furnace 前人对高炉有害元素的研究主要集中在有害元 素在高炉内的循环富集行为，有害元素对高炉原燃 2 料治金性能的影响规律及机理，有害元素对高炉炉 里斯特操作线的绘制 衬的侵蚀机理以及高炉结瘤的原因等方面.但有关 里斯特操作线描述了高炉Fe,C、0三种元素在 有害元素对高炉能耗的影响研究较少.因此，为了 高炉内的变化，反映了高炉治炼过程以及能量利用 表明有害元素对高炉能耗影响规律，本文基于里斯 情况的.因此，可以利用里斯特操作线分析有害元 特操作线，研究了高炉治炼过程中有害元素对高炉 素对高炉焦比的影响 焦比的影响规律，为高炉制定有害元素入炉上限提 2.1纵坐标n(O)/n(Fe) 供合理的参考标准 高炉内与C结合的氧主要有3个来源，即炉料 中铁氧化物的氧、炉料中与少量元素Si、Mn、P、S等 1有害元素在高炉内的循环富集行为 结合的氧和鼓风中的氧 碱金属、锌等有害元素随炉料进入高炉以后，会 (1)炉料中铁氧化物的氧. 发生一系列的物理化学变化，并在高炉内循环富 炉料中铁氧化物可能的存在形式主要有FeO、 集B,11- Fe,03、Fe30.3种.为了计算方便，Fe30.可以看做 碱金属以硅酸盐和硅铝酸盐的形式进入高炉 FeO.Fe2O3. 后，在高炉下部高温区被C0还原成碱金属蒸气.碱 y=n0-Fe,0)x3160+u(Fe0)x172 金属蒸气随煤气上升过程中，被C0,氧化重新生成 n(Fe) w(TFe)/56 碱金属硅酸盐，又随炉料一起下降，形成碱金属在高 (7) 炉下部的循环富集.其还原和氧化的化学反应如下 式中，y。表示生产1 mol Fe从铁氧化物中夺取0的 式所示： 物质的量，n(O)表示炉料中0的物质的量，n(Fe) K2Si03+C0=2K(g)+Si02+C02(g) 表示炉料中Fe的物质的量，w(Fe,O3)表示炉料中 △H9=137520Jmol-1 (1) Fe,03的质量分数，w(Fe0)表示炉料中Fe0的质量王一杰等: 基于里斯特操作线解析有害元素对高炉焦比的影响 近些年来，国内许多钢铁企业为了降低生产成 本，大量使用有害元素含量较高的劣质矿，导致高炉 有害元素入炉负荷不断升高［1］． 这些有害元素进入 高炉以后，会对高炉操作产生不利影响［2--5］． 前人关 于有害元素对高炉生产的影响做了大量了研究． Yang 等［6］研究了碱金属在高炉内的循环富集行为， 发现在高炉不同区域，碱金属以不同的形式循环富 集． Li 等［7--8］通过实验研究了碱金属钾、钠蒸气对 焦炭质量的影响． 实验结果表明，钾、钠蒸气与焦炭 的碳基质和矿物质相互作用形成层间化合物，促进 了焦炭裂纹的形成，且碱金属催化了焦炭气化反应， 使得焦炭的强度降低． Trinkel 等［9］研究了有害元素 在高炉炉衬内的分布规律，发现炉衬内有害元素的 含量及穿透深度在高炉高度方向上有明显的变化， 且不同有害元素的变化规律不同． 包钢 55 m3 高炉 解剖研究表明，炉料中的碱金属在高炉内循环富集 是高炉炉瘤形成的重要原因［10］． 防止高炉有害元素危害的有效措施是降低有害 元素入炉负荷． 目前，不同钢铁企业有害元素入炉 负荷差别较大． 大多数钢铁企业根据自身高炉冶炼 情况和操作经验来制定有害元素入炉上限，这就使 得在制定有害元素入炉上限时没有合理的参考 标准． 前人对高炉有害元素的研究主要集中在有害元 素在高炉内的循环富集行为，有害元素对高炉原燃 料冶金性能的影响规律及机理，有害元素对高炉炉 衬的侵蚀机理以及高炉结瘤的原因等方面． 但有关 有害元素对高炉能耗的影响研究较少． 因此，为了 表明有害元素对高炉能耗影响规律，本文基于里斯 特操作线，研究了高炉冶炼过程中有害元素对高炉 焦比的影响规律，为高炉制定有害元素入炉上限提 供合理的参考标准． 1 有害元素在高炉内的循环富集行为 碱金属、锌等有害元素随炉料进入高炉以后，会 发生一系列的物理化学变化，并在高炉内循环富 集［9，11--12］． 碱金属以硅酸盐和硅铝酸盐的形式进入高炉 后，在高炉下部高温区被 CO 还原成碱金属蒸气． 碱 金属蒸气随煤气上升过程中，被 CO2氧化重新生成 碱金属硅酸盐，又随炉料一起下降，形成碱金属在高 炉下部的循环富集． 其还原和氧化的化学反应如下 式所示: K2 SiO3 + CO = 2K( g) + SiO2 + CO2 ( g) ΔH 1 = 137520 J·mol － 1 ( 1) Na2 SiO3 + CO = 2Na( g) + SiO2 + CO2 ( g) ΔH 2 = 162420 J·mol － 1 ( 2) 2K( g) + SiO2 + CO2 ( g) = K2 SiO3 + CO( g) ( 3) 2Na( g) + SiO2 + CO2 ( g) = Na2 SiO3 + CO( g) ( 4) 原燃料中的 Zn 最终以 ZnO 的形式在高温区被 还原成锌单质，还原后的锌单质以锌蒸气的形态随 煤气上升，当温度较低时，锌又被氧化，一部分随煤 气溢出，一部分随炉料下降，如此周而复始，形成了 高炉内锌的循环富集． Zn 在高炉内的还原和氧化 的化学方程式如下: ZnO + CO = Zn + CO2 ΔH 3 = 182400 J·mol － 1 ( 5) Zn + CO2 = Zn + CO ( 6) 碱金属、锌在高炉中循环过程如图 1 所示． 图 1 有害元素在高炉中循环示意图 Fig． 1 Circulation of harmful elements in blast furnace 2 里斯特操作线的绘制 里斯特操作线描述了高炉 Fe、C、O 三种元素在 高炉内的变化，反映了高炉冶炼过程以及能量利用 情况［13］． 因此，可以利用里斯特操作线分析有害元 素对高炉焦比的影响． 2. 1 纵坐标 n( O) /n( Fe) 高炉内与 C 结合的氧主要有 3 个来源，即炉料 中铁氧化物的氧、炉料中与少量元素 Si、Mn、P、S 等 结合的氧和鼓风中的氧． ( 1) 炉料中铁氧化物的氧． 炉料中铁氧化物可能的存在形式主要有 FeO、 Fe2O3、Fe3O4 3 种． 为了计算方便，Fe3 O4 可以看做 FeO·Fe2O3 ． yo = n( O) n( Fe) = w( Fe2O3 ) × 3 /160 + w( FeO) × 1 /72 w( TFe) /56 ( 7) 式中，yo 表示生产 1 mol Fe 从铁氧化物中夺取 O 的 物质的量，n( O) 表示炉料中 O 的物质的量，n( Fe) 表示炉料中 Fe 的物质的量，w( Fe2O3 ) 表示炉料中 Fe2O3的质量分数，w( FeO) 表示炉料中 FeO 的质量 · 9501 ·