高炉炼铁原理与工艺知识问答

高炉炼铁原理与工艺知识问答

1、高炉原料中的游离水对高炉冶炼有何影响？

答：游离水存在于矿石和焦炭的表面和空隙里。炉料进入高炉之后，由于上升煤气流的加热作用，游离水首先开始蒸发。游离水蒸发的理沦温度是100℃，但是要料块内部也达到100℃，从而使炉料中的游离水全部蒸发掉，就需要更高的温度。根据料块大小的不同，需要到100℃，或者对大块来说，甚至要达到200℃游离水才能全部蒸发掉。

一般用天然矿或冷烧结矿的高炉，其炉顶温度为100~300℃，因此，炉料中的游离水进入高炉之后，不久就蒸发完毕，不增加炉内燃料消耗。相反，游离水的蒸发降低了炉顶温度，有利于炉顶设备的维护，延长其寿命。另一方面，炉顶温度降低使煤气体积缩小，降低煤气流

速，从而减少炉尘吹出量。

2、高炉原料中的结晶水对高炉冶炼有何影响？

答：炉料中的结晶水主要存在于水化物矿石（如褐铁矿和高岭土）中间。高岭土是黏土的主要成分，有些矿石中含有高岭土。试验表明，褐铁矿中的结晶水从200℃开始分解，到400~500℃才能分解完毕。高岭土中的结晶水从400℃开始分解，但分解速度很慢，到500~600℃迅速分解，全部除去结晶水要达到800~1000℃。可见，高温区分解结晶水，对高炉冶炼是不利的，它不仅消耗焦炭，而且吸收高温区热量，增加热消耗，降低炉缸温度。

4、什么是高炉炼铁的还原过程？使用什么还原剂？

答：自然界中没有天然纯铁，在铁矿石中铁与氧结合在一起，成为氧化物，高炉炼铁就是要将矿石中的铁从氧化物中分离出来。铁氧化物失氧的过程叫还原过程，而用来夺取铁氧化物中的氧并与氧结合的物质就叫还原剂。凡是与氧结合能力比铁与氧结合能力强的物质都可以做还原剂，但从资源和价格考虑最佳还原剂是C、CO和H2，C来源于煤，将它干馏成焦炭作为高炉炼铁的主要燃料，煤磨成粉喷入高炉成为补充燃料。CO来自于C，在高炉内氧化形成，H2则存在于燃料中的有机物和挥发分，也来自于补充燃料的重油和天然气。

5、在高炉炼铁过程中铁矿石所含氧化物哪些可以被还原？哪些不能

被还原？

答：高炉炼铁选用碳作为还原剂，判断铁矿石中氧化物能否在高炉冶炼条件下被还原，就要

较该氧化物中元素与氧的亲和力同碳与氧亲和力谁大谁小：前者大于后者就不能还原，前者小于后者则能还原。判别元素与氧亲和力大小最常用的手段之一是氧化物的分解压po2和标

准生成自由能△G。

所谓氧化物的分解压就是氧化物分解为元素和氧的反应达到平衡时氧的分压。氧化物的分解压越大，元素与氧结合能力越小，氧化物的稳定性越小，就越易被还原剂还原，一般来说随

温度升高分解压增大，氧化物变得越易还原。

所谓氧化物的标准生成自由能是热力学的函数之一，用作判断冶金过程中反应的方向及平衡状态的依据。对大多数元素的氧化物来说，标准生成自由能的负值数越大，它的稳定性越高，越难还原。一般来说随温度升高氧化物的自由能的负值数变小，即氧化物的稳定性变差，只有CO例外，随温度升高CO 的△G负值数变大，也就是CO 变得更稳定，即C与O2的结合能力越强，在高温下可以还原更多的氧化物，这也是CO作为还的优越性。

（1）极易被还原：Cu、 Ni 、Pb 、Co

（2）较难被还原：.P 、Zn 、Cr 、Mn 、V 、Si 、Ti，但是P、 Zn是几乎100%被还原的，

其余的只能部分被还原。

（3）完全不能还原：Mg、 Ca 、Al

6、铁氧化物在高炉内的还原反应有哪些规律？

答：规律如下：（1）还原顺序。不论用何种还原剂，铁氧化物还原是由高级氧化物向低

级氧化物到金属逐级进行的，顺序是：

﹥570℃ Fe2O3---Fe3O4---FeO---Fe

﹤570℃ Fe2O3---Fe3O4 ---Fe

（2）用气体还原剂CO、H2还原时：Fe2O3是不可逆反应；Fe3O4和FeO是可逆反应；

（3）上述诸还原反应中，只有FeO间接反应是放热反应，其余都是吸热反应。

7、什么叫铁的间接还原？什么叫铁的直接还原？

答：用气体还原剂CO和H2还原铁氧化物的反应叫做间接还原，高炉内的CO是由焦炭和喷吹煤粉中C氧化而来的，间接还原是间接消耗C的反应。由于Fe3O4和FeO的间接还原都是可逆反应，所以要过量还原剂保证反应的顺利进行，它们在高炉内块状带的中低温区进行。

用固体还原剂C还原铁氧化物的反应叫直接还原。因为直接还原是不可逆反应，它不需要过量还原剂保证，但它们是大量的吸热反应，需要燃烧很多C放出热量来保证，它们在高炉内高温区进行。在高炉内块状带内固体的铁矿石与焦炭接触发生直接还原的几率是很少的。实际的直接还原是借助于碳素溶解损失反应、水煤气反应与间接还原反应叠加而实现的。

8、一氧化碳利用率和氢利用率？

答：一氧化碳利用率是衡量高炉炼铁中气固相还原反应中CO转化为CO2程度的指标，也是评价高炉间接还原发展程度的指标。

氢利用率是衡量高炉炼铁中氢参与铁氧化物还原转化为H2O的程度的指标。

9、什么叫铁的直接还原度和高炉直接还原度？

答：高炉内铁矿石还原过程中直接消耗碳产生CO反应都属于直接还原，直接还原度就是反映这类反应发展程度的标志，是衡量高炉能量利用的重要指标。它有铁的直接还原度和高炉直接还原度两种表示方法：

（1）铁的直接还原度rd 它是以高炉内高价铁氧化物还原到FeO时都是间接还原为前提。从FeO还原到金属铁，部分是间接还原，其余是直接还原，铁的直接还原度定义为从FeO 中以直接还原方式还原得到的铁量与全部被还原的铁量的比值。

（2）高炉直接还原度Rd 它是高炉内以直接还原方式夺取的氧量与还原中夺取的总氧量的比值。

10、高炉炼铁中铁的直接还原和间接还原发展程度与碳消耗有什么关系？

答：在高炉炼铁过程中不可避免地既有铁的间接还原，也有铁的直接还原，两种还原各有特点：间接还原消耗热量少，但需要过量还原剂保证，因此作为还原剂消耗的碳多；直接还原相反，消耗热量多而消耗还原剂少。高炉内碳的消耗（也就是燃料消耗）既要保证还原剂的

需要，也要保证热量的需求。而碳在氧化成CO时，既放出热量供冶炼需要，也成为间接还原的还原剂。

11、从铁氧化物中还原铁和从复杂化合物中还原铁有什么区别？

答：高炉原料中的铁氧化物常与其他化合物结合形成复杂化合物，形成这些复杂化合物时放出热量，能位降低，因此，从这些化合物中还原铁要比从自由铁氧化物中还原铁困难，要消耗更

多的热量。

12、铁矿石是如何被还原剂还原的？

答：铁矿石与气体还原剂CO、H2间的还原反应是气固反应，根据铁氧化物还原的顺序性，还原过程中的单体矿石颗粒的断面呈层状结构以及没有进行反应的核心部分随反应过程的进行逐步缩小的事实，用还原过程中呈层状结构的矿石颗粒截面来说明还原的各个环节，各个环节进行的顺序如下：

气体还原剂穿过边界层的外扩散；气体还原剂穿过产物层的内扩散；气体还原剂在反应界面吸附；界面化学反应；反应产生的氧化性气体解吸；反应产生的氧化性气体穿过产物层的内扩散；反应产生的氧化性气体穿过边界层的外扩散。

13、哪些因素影响铁矿石的还原速度？

答：铁矿石还原速度的快慢，主要取决于煤气流和矿石的特性，煤气流特性主要是煤气温度、压力、流速和成分等，矿石特性主要是粒度、气孔度和矿物组成等。

（1）煤气中CO和H2的浓度。提高煤气中CO和H2的浓度，既可以提高还原过程中的内外扩散速度，又可以提高化学反应速度，同时也增大了与平衡浓度的差值，从而可以加快铁矿石的还原速度。

（2）煤气温度。表面化学反应速度和扩散速度皆随温度的升高而加快。因此，高温对加速铁矿石的还原有利，尤其是扩大800~1000℃的间接还原区，对加速高炉内的还原过程是关键。

（3）煤气流速。当反应处于外部扩散速度范围时，提高煤气流速对加快还原速度是非常有利的，这是因为提高煤气流速有利于冲散固体氧化物周围阻碍还原剂扩散的气体薄膜层，使还原剂直接到达氧化物表面。但是，当气流速度提高到一定程度后（即超过临界速度），气体薄膜层完全冲走，随即反应速度受内扩散速度或界面反应速度的控制，此时进一步提高煤气流速就不再起加快还原速度的作用，而高炉内的煤气流速远超过临界速度，所以煤气速度对炉内矿石还原过程没有影响。相反，由于气流速度过快而煤气利用率变坏，对高炉冶炼不

利。因此，煤气流速必须控制在适当的水平上。

（4）煤气压力。提高煤气压力阻碍碳素溶损反应，使其平衡逆向移动，提高气相中CO2消失的温度，这就相当于扩大了间接还原区，对加快还原过程是有利的。同时，从分子运动论的观点看来，提高煤气压力使气体密度增大，增加了单位时间内与矿石表面碰撞的还原剂分子数，从而加快还原反应。但是，随着压力的提高，还原速度并不成比例地增加。这是因为提高压力以后，还原产物CO2和H2O的吸附能力也随之增加，阻碍还原剂的扩散，同时，由于碳素溶损反应的平衡逆向移动，气相中的CO2浓度增加，更接近CO间接还原的平衡组成，这些对铁氧化物的还原是不利的。因此，提高压力对加快还原的作用是不明显的。提高压力的主要意义在于降低压差，改善高炉顺行，为强化冶炼提供可能性。

（5）矿石粒度。同一重量的矿石，粒度愈小，与煤气的接触面积愈大，煤气利用率愈高。而对每一个矿粒来说，表面被还原的金属铁层厚度相同的情况下，粒度愈小，相对还原度愈大。因此，缩小粒度能提高单位时间内的相对还原度，从而加快矿石的还原速度。另一方面，缩小矿石粒度，缩短了扩散行程和减少了扩散阻力，从而加快了还原反应。

但是，粒度缩小到一定程度以后，固体内部的扩散阻力愈来愈小，最后由扩散速度范围转入化学反应速度范围，此时进一步缩小粒度也就不再起加快还原的作用。这一粒度称为临界粒度。高炉条件下的临界粒度约为3-5mm。另外，粒度过小会恶化料柱透气性，不利于还原反应。

比较合适的粒度对大高炉来说是10-25mm。

（6）矿石气孔度和矿物组成。气孔度是影响矿石还原性的主要因素之一。气孔度大而分布均匀的矿石还原性好，因为气孔度大，矿石与煤气接触面积大，同时，也减少了矿石内部的扩散阻力。组成矿石的矿物中，硅酸铁是影响还原性的主要因素，铁以硅酸铁的形态存在时就难还原。

14、生铁生成过程中渗碳反应是如何进行的？

答：生铁的形成过程主要是已还原出来的金属铁溶入其他合金元素和渗碳过程。高炉炉身中的铁矿石一部分在固体状态下就被还原成了金属铁，叫做海绵铁。取样分析表明，炉身上部出现的海绵铁中已经开始了渗碳过程。不过低温下出现的固体海绵铁是以的形态存在的，所以它溶解的碳很少，最多可达0.002％。随着温度超过736℃α铁转变为奥氏体，溶解碳的能力大大提高。

CO分解产生的炭黑（粒度极小的固体碳）非常活泼，它也参加铁氧化物的还原反应，同时与已还原生成的固体铁发生渗碳反应。CO的分解在)450-600℃范围内最有利，因此炉身上部就可能按上述反应进行渗碳过程。不过由于固体状态下接触条件不好和海绵铁本身溶解碳的能力很弱，所以固体金属铁中的含碳量是很低的。根据高炉解剖资料分析，矿石在高炉内随着温度的升高，由固相区块状带经过半熔融状态的软熔带进入液相滴落带。矿石进入软熔带以后，矿石还原度可达70％，出现致密的金属铁和炉渣成分的熔解聚合。再提高温度达

到1300-1400℃时，含有大量FeO的初渣从矿石机体中分离出去，焦炭空隙中形成金属铁的“冰柱”。此时金属铁仍属固体。温度继续提高至1400℃以上，“冰柱”经炽热焦炭的固相渗碳，熔点降低，才熔化为金属铁滴，穿过焦炭空隙流入炉缸。由于液体状态下与焦炭的接触条件改善，加快了渗碳过程，生铁含碳立即增加到2％以上，到炉腹处的金属铁中已含有4％左右的碳了，与最终生铁成分中的含碳量相差不多。总之，生铁的渗碳过程从炉身上部的海绵铁开始，大部分渗碳过程在炉腰和炉腹基本完成，炉缸部分只进行少量渗碳。因此软熔带的位置和滴落带内焦柱的透液性对渗碳起着重要作用。铁滴在滴落带内走过的途径越长，在滴落带停留的时间越多，它渗入的碳量越多。

15、高炉内炉渣是怎样形成的？

答：高炉造渣过程是伴随着炉料的加热和还原而产生的重要过程——物态变化和物理化学过程。

（1）物态变化。铁矿石在下降过程中，受上升煤气的加热，温度不断升高，其物态也不断改变，使高炉内形成不同的区域：块状带、软熔带、滴落带和下炉缸的渣铁贮存区。

1）块状带。在这里发生游离水蒸发、结晶水和菱铁矿的分解、矿石的间接还原（还原度可达(30-40％）等现象。但是矿石仍保持固体状态，脉石中的氧化物与还原出来的低级铁和锰氧化物发生固相反应，形成部分低熔点化合物，为矿石中脉石成分的软化和熔融创造了条件。

2）软熔带。固相反应生成的低熔点化合物在温度提高和上面料柱重力作用下开始软化和相互黏结，随着温度继续升高和还原的进行，液相数量增加，最终完全熔融，并以液滴或冰川状向下滴落。这个从软化到熔融的矿石软熔层与焦炭层间隔地形成了软熔带。一般软熔带的上边界温度在1100℃左右，而下边界温度在1400-1500℃。在软熔带内完成矿石由固体转变为液体的变化过程以及金属铁与初渣的分离过程：还原出的金属铁经部分渗碳而熔点降低，熔化成为液态铁滴，脉石则与低价铁氧化物和锰氧化物等形成液态初渣。

3）滴落带。软熔带以下填满焦炭的区域，在软熔带内熔化成的铁滴和汇集成渣滴或冰川流的初渣滴落入此带，穿过焦柱而进入炉缸。在此带中铁滴继续完成渗碳和溶入直接还原成元素的Si 、Mn 、P 、S等，而炉渣则由中间渣转向终渣。

4）下炉缸渣铁贮存区。这是从滴落带来的铁和渣积聚的地区，在这里铁滴穿过渣层时和渣层与铁层的交界面上进行着渣铁反应，最突出的是Si氧化和脱硫。

（2）炉渣形成过程。块状带内固相反应形成低熔点化合物是造渣过程的开始，随着温度的升高，低熔点化合物中呈现少量液相，开始软化黏结，在软熔带内形成初渣，其特点是FeO 和MnO含量高，碱度偏低（相当于天然矿和酸性氧化球团自身的碱度），成分不均匀。从软熔带滴下后成为中间渣，在穿越滴落带时中间渣的成分变化很大。FeO和MnO被还原而降低，熔剂的或高碱度烧结矿中的"%# 的进入使碱度升高，甚至超过终渣的碱度，直到接近风口中

心线吸收随煤气上升的焦炭灰分，碱度才逐步降低。中间渣穿过焦柱后进入炉缸积聚，在下炉缸渣铁贮存区内完成渣铁反应，吸收脱硫产生的CaS和Si氧化的SiO2等成为终渣。

16、炉渣的主要成分是什么？

答：炉渣成分来自以下几个方面：

（1）矿石中的脉石；

（2）焦炭灰分；

（3）熔剂氧化物；

（4）被浸的炉衬；

（5）初渣中含有大量矿石中的氧化物。

对炉渣性质起决定性作用的是前三项。脉石和灰分的主要成分是SiO2和Al2O3称酸性氧化物；熔剂氧化物主要是CaO和MgO称碱性氧化物。当这些氧化物单独存在时，其熔点都很高，高炉条件下不能熔化。只有它们之间相互作用形成低熔点化合物，才能熔化成具有良好流动性的熔渣。原料中加入熔剂的目的就是为了中和脉石和灰分中的酸性氧化物，形成高条件下能熔化并自由流动的低熔点化合物。炉渣的主要成分就是上述4种氧化物。用特殊矿石冶炼时，根据不同的矿石种类，炉渣中还会CaF2、TiO2、BaO、MnO等氧化物。另外，高炉渣中总是含有少量的FeO和硫化物。

17、炉渣在高炉冶炼过程中起什么作用？

答：由于炉渣具有熔点低、密度小和不溶于生铁的特点，所以高炉冶炼过程中渣、铁才能得以分离，获得纯净的生铁，这是高炉造渣过程的基本作用。另外，炉渣对高炉冶炼还有以下几方面的作用：

（1）渣铁之间进行合金元素的还原及脱硫反应，起着控制生铁成分的作用。比如，高碱度渣能促进脱硫反应，有利于锰的还原，从而提高生铁质量。

（2）炉渣的形成造成了高炉内的软熔带及滴落带，对炉内煤气流分布及炉料的下降都有很大的影响，因此，炉渣的性质和数量对高炉操作直接产生作用。

（3）炉渣附着在炉墙上形成渣皮，起保护炉衬的作用。但是另一种情况下又可能侵蚀炉衬，起破坏性作用。因此，炉渣成分和性质直接影响高炉寿命。

在控制和调整炉渣成分和性质时，必须兼顾上述几方面的作用。

18、什么叫炉渣碱度？

答：炉渣碱度就是用来表示炉渣酸碱性的指数。尽管组成炉渣的氧化物种类很多，但

对炉渣性能影响较大和炉渣中含量最多的是CaO、MgO 和SiO2 、Al2O3这四种氧化物，因此通

常用其中的碱性氧化物CaO、MgO和酸性氧化物SiO2 、Al2O3的质量分数之比来表示炉渣碱度，常用的有以下几种：

（1）四元碱度；（2）三元碱度；（3）二元碱度

高炉生产中可根据各自炉渣成分的特点选择一种最简单又具有代表性的表示方法。渣的碱度在一定程度上决定了其熔化温度、熔化性温度、黏度及黏度随温度变化的特征，以及其脱硫和排碱能力等。因此碱度是非常重要的代表炉渣成分的实用性很强的参数。

19、什么叫碱性炉渣和酸性炉渣？

答：炉渣成分可分为碱性氧化物和酸性氧化物两大类。现代炉渣结构理论认为熔融炉渣是由离子组成的。熔融炉渣中能提供氧离子&- 0 的氧化物称为碱性氧化物，反之，能吸收氧离子的氧化物称为酸性氧化物，有些既能提供又能吸收氧离子的氧化物则称为中性氧化物或两性氧化物。组成炉渣的各种氧化物按其碱性的强弱排列，其中CaF2以前可视为碱性氧化物，Fe2O3和 Al2O3

为中性氧化物，而TiO2、、SiO2为酸性氧化物。碱性氧化物可与酸性氧化物结合形成盐类，并且

酸碱性相距越大，结合力就越强。以碱性氧化物为主的炉渣称为碱性炉渣，以酸性氧化物

为主的炉渣称为酸性炉渣。生产中常把二元碱度大于1.0的叫碱性渣，把二元碱度小于1.0的叫酸性渣。

20、炉渣的软熔特性对高炉冶炼有什么影响？

答：炉渣的软熔特性与矿石的软化特性有关，其对高炉冶炼的影响是，矿石软化温度愈低，初渣出现得愈早，软熔带位置越高，初渣温度低，进入炉缸后吸收炉缸热量，增加高炉热消

耗；软化区间愈大，软熔带融着层愈宽，对煤气流的阻力愈大，对高炉顺行不利。所以，一般希望矿石软化温度要高些，软化区间要窄些。这样软熔带位置较低，初渣温度较高，软熔带融着层较窄，对煤气阻力较小。一般矿石软化温度波动在900-1200℃之间。

21、什么叫炉渣的熔化温度？它对高炉冶炼有什么影响？

答：炉渣的熔化温度指炉渣完全熔化为液相的温度，或液态炉渣冷却时开始析出固相的温度，即相图中的液相线温度。单一晶体具有确定的熔点，而炉渣没有确定的熔点，炉渣从开始熔化到完全熔化是在一定的温度范围内完成的。

熔化温度是炉渣熔化性的标志之一，熔化温度高，表明它难熔，熔化温度低，表明它易熔。难熔炉渣在炉内温度不足的情况下，可能黏度升高，影响成渣带以下的透气性，不利于高炉顺行；但难熔炉渣成渣带低，进入炉缸时温度高，增加炉缸热量，对高炉冶炼有利。易熔炉渣流动性好，有利于高炉顺行，但降低炉缸热量，增加炉缸热消耗。因此，选择炉渣熔化温度时，必须兼顾流动性和热量两方面的因素。各种不同成分炉渣的熔化温度可以从四元系熔化温度图中查得。

22、什么叫炉渣熔化性温度？它对高炉冶炼有什么影响？

答：炉渣熔化之后能自由流动的温度叫做熔化性温度。有的炉渣虽然熔化温度不高，但熔化之后却不能自由流动，仍然十分黏稠，只有把温度进一步提高到一定程度之后才能达到自由流动的状态，因此，为了保证高炉的正常生产，只了解炉渣的熔化温度还不够，还必须了解炉渣自由流动的温度，即熔化性温度。炉渣的熔化性温度是通过绘制炉渣黏度——温度曲线的方法来确定的。

熔化性温度说明该温度下炉渣能否自由流动，因此，炉渣熔化性温度的高低影响高炉顺行和炉渣能否顺利排出。只有熔化性温度低于高炉正常生产所能达到的炉缸温度，才能保证高炉顺行和炉渣的正常排放。

23、什么叫炉渣黏度？它对高炉冶炼有什么影响？

答：炉渣黏度直接关系到炉渣流动性的好坏，而炉渣流动性又直接影响高炉顺行和生铁质量，因此它是高炉工作者最关心的一个炉渣性质指标。炉渣黏度是流动性的倒数。黏度是指速度不同的两层液体之间的内摩擦系数。试验结果表明，流速不同的两层液体之间的内摩擦力与接触面积的大小和速度差的大小成正比，与两液层之间的距离成反比。

炉渣黏度对高炉冶炼的影响，首先是黏度大小影响成渣带以下料柱的透气性。炉渣黏度过高，则在滴落带不能顺利流动，降低焦炭骨架的空隙度，增加煤气阻力，影响高炉顺行。其次，黏度影响炉渣的脱硫能力。黏度低流动性好的炉渣有利于脱硫，黏度大流动性差的炉渣不利于脱硫。这是因为黏度低的炉渣有利于硫离子的扩散，促进脱硫反应。第三，炉渣黏度影响放渣操作。黏度过高的炉渣发生黏沟、渣口凝渣等现象，造成放渣困难。最后，炉渣黏度影

响高炉寿命。黏度高的炉渣在炉内容易形成渣皮，起保护炉衬的作用，而黏度过低，流动性过好的炉渣冲刷炉衬，缩短高炉寿命。

24、什么叫长渣？什么叫短渣？

答：长渣是炉渣黏度随温度降低而逐渐升高，在黏度——温度曲线上无明显转折点的炉渣，一般酸性渣具有长渣特性，在生产中取渣样时，渣液能拉成长丝，冷却后渣样断面呈玻璃状。

短渣与长渣相反，在黏度——温度曲线上有明显的转折点，一般碱性渣为短渣，取样时渣液不能拉成长丝，冷却后渣样断面呈石头状。

25、哪些因素影响炉渣黏度？

答：影响炉渣黏度的因素为：

（1）温度是影响炉渣黏度的主要因素，一般规律是黏度随温度升高而降低。碱性渣（短渣）在温度超过熔化性温度的拐点以后，黏度低但随温度的变化不大，而酸性渣（长渣）的黏度始终是随温度升高而缓慢降低，且在相同温度下其黏度高于碱性渣。

（2）碱度。在不同碱度时炉渣黏度与温度的关系图中，当碱度小于1.2时，炉渣的熔化性温度较低，相应其黏度也较低；随着碱度的提高，熔化性温度上升，黏度也升高。造成这种现象的原因是随着碱性氧化物数量的增加，熔点升高，使一定温度下渣的过热度减小而使黏度增高，另外过多的碱性氧化物以质点悬浮在炉渣中使黏度增高。在生产中如遇这些情况，加入少量CaF2

可明显降低炉渣黏度，例如包头含氟矿冶炼时就是这样。

（3）MgO含量对黏度有相当大的影响，尤其在酸性渣中更为明显。在含量不超过20%, 含量的增加使黏度下降，但在三元碱度不变，用MgO代替CaO时，这种作用就不明显。但MgO 含量在8-12%时有利于改善炉渣的稳定性和难熔性。

（4）Al2O3对黏度的影响是：当Al2O3含量不大时它可使碱性渣的黏度降低，但是高于一定数值后，对于不同碱度的炉渣，黏度开始增加，目前为提高入炉品位，使用高品位的东半球富矿，其Al2O3含量偏高，造成炉渣中的Al2O3含量达到15%，有的甚至达到16%以上，这时炉渣黏度上升。为此应适当提高炉渣的碱度，例如宝钢的二元碱度值在1.22—1.24，三元碱度值在 1.45—1.50；或适当提高渣中MgO含量，例如武钢炉渣中MgO的含量在11—11.5%。

（5）FeO能显著降低炉渣黏度。一般终渣含FeO很少，约0.5%，影响不大。但初渣中它的含量却很大，最多可达35%，平均在2--14%之间波动。含FeO(0--30%)的炉渣，其熔化温度

不高于1150℃，因此，FeO能大大降低炉渣熔化温度和黏度，起着稀释炉渣的作用，对冶炼有一定好处。但过多的 FeO会造成初渣和中间渣的不稳定性，FeO因为在下降过程中不断被还原，使初渣和中间渣的熔化温度和黏度发生很大变化，引起炉况不顺。

（6）MnO对炉渣黏度的影响和FeO相似。不过，目前我国炼钢生铁不要求含Mn，因此，高炉渣中MnO含量很少，影响不大。

（7）CaF2能显著降低炉渣的熔化性温度和黏度。含氟炉渣的熔化性温度低，流动性好，炉渣碱度很高的情况下(1.5—3.0)，仍能保持良好的流动性，因此，高炉生产中常用萤

石作洗炉剂。

（8）TiO2对炉渣黏度的影响：碱度为0.8—1.4 和TiO2含量为10--20%的范围内，钛渣的熔化性温度在1300--1400℃之间。碱度相同时，随着TiO2含量的增加熔化性温度升高，黏度降低。从TiO2

对炉渣的熔化性温度和黏度的影响来看，钛渣对高炉生产不会有多大影响。但实际上钒钛铁矿的冶炼由于炉渣过于黏稠而感到困难。这主要是由钛渣性质的不稳定造成的。高炉还原气氛中，一部分TiO2很容易还原成低价氧化物（Ti2O3、TiO）和金属钛，生成的金属钛一部分进入生铁，还有一部分与炉内的C、N2作用生成熔点很高的TiC和TiN，呈固体颗粒掺入渣中，渣中钛的低

价氧化物和碳氮化合物使炉渣黏稠起来，以致影响正常的出渣出铁。因此，冶炼钒钛铁矿时必须防止TiO2的还原。目前采取的办法是炉缸渣层中喷射空气或矿粉，造成氧化气氛，以防止或减少TiO2的还原。

27、什么叫炉渣的稳定性？它对高炉冶炼有什么影响？

答：炉渣稳定性是指当炉渣成分和温度发生变化时，其熔化性温度和黏度能否保持稳定。稳定性好的炉渣，遇到高炉原料成分波动或炉内温度变化时，仍能保持良好的流动性，从而维持高炉正常生产。稳定性差的炉渣，则经不起炉内温度和炉渣成分的波动，黏度发生剧烈的变化而引起炉况不顺。高炉生产要求炉渣具有较高的稳定性。炉渣稳定性分热稳定性和化学稳定性。热稳定性可以通过炉渣黏度" 温度曲线转折点的温度（即熔化性温度）高低和转折的缓急程度（即长渣短渣）来判断，而化学稳定性则可以通过等黏度曲线和等熔化温度曲线随成分变化的梯度来判断。炉渣稳定性影响炉况稳定性。使用稳定性差的炉渣容易引起炉况波动，给高炉操作带来困难。

28、什么叫炉渣的表面性质？它对高炉冶炼有什么影响？

答：高炉渣的表面性质是指炉渣与煤气之间的表面张力和炉渣与铁水之间的界面张力。这类张力可理解为两相（液" 气、液" 液）间生成单位面积的新的交界面所消耗的能量，如渣层

中生成气泡。表面张力以σ代表、界面张力以σ界代表。炉渣的表面张力是其各种

氧化物表面张力的加权和，那些物质在表面层中的浓度大于内部浓度的，成为“表面活性物质”。其表面张力较低。

高炉炼铁是多相反应，即在相界面上发生反应，炉渣的表面性质必然对多种反应的进行和不同相的分离过程产生影响。典型的例子是攀钢和包钢炉渣的泡沫渣和一些高炉的铁损严重。经过研究认为高炉内有很多产生气泡的反应和气体穿过渣层的现象，因此生成气泡是不可避免的，关键在于气泡能否稳定地存在于炉渣层中，一旦形成稳定的气泡就成泡沫渣。滴落带焦层中的“液泛”现象就是属于这个范畴；当炉渣流出炉外时，由于大气压力低于炉内压力，溶于渣中气体体积膨胀，起泡尤为严重，造成渣沟及渣罐外溢，引起生产事故。

29、什么叫高炉内硫的循环富集？

答：炼铁炉料中天然矿、高碱度烧结矿和焦炭将硫带入炉内。每吨生铁炉料带入炉内的总硫量称为硫负荷。

随着炉料在炉内下降受热，炉料中的硫逐步释放出来；焦炭的部分硫在炉身下部和炉腹以挥发，而矿石中的部分硫则分解和还原以硫蒸气或SO2进入煤气。但主要还是在风口发生燃烧反应时以气体化合物的形式进入煤气，燃烧和分解生成的SO2经还原和生成反应成硫蒸气和H2S等，它们随煤气上升与下降的炉料和滴落的渣铁相遇而被吸收，在1000℃及其以下地区的煤气中仅保留SO2和H2S。炉料中自由碱性氧化物多、渣量大而且碱度高、流动性好，吸收的硫越多。结果是软熔带处的总硫量大于炉料带入炉内硫量，这样在高温区和低温区之间形成了硫的循环富集。被炉料和渣铁吸收的硫少部分进入燃烧带再次氧化参加循环运动；大部分在渣铁反应时转入炉渣后排出炉外；也有极少部分硫随煤气逸出炉外。

30、炉渣是如何脱硫的？

答：硫在铁水和炉渣中以元素S、FeS 、MnS、 MgS、CaS等形态存在，其稳定程度依次是后

者大于前者。其中MgS和CaS只能溶于渣中，MnS少量溶于铁中，大量溶于渣中，FeS 既溶于铁中，也溶于渣中。炉渣的脱硫作用就是渣中的MgO和CaO 等碱性氧化物与生铁中的硫反应生成只溶于渣中的稳定化合物MgS、CaS等，从而减少生铁中的硫。

按分子论的观点，渣铁间的脱硫反应是渣铁界面上生铁中的［FeS］向渣面扩散并溶入渣中，然后与渣中的（CaO）作用生成CaS和FeO，由于CaS只溶于渣而不溶于铁， FeO则被固体碳还原生成CO离开反应界面，生成Fe 进入生铁中，从而脱硫反应可以不断进行。

现代炉渣离子结构理论认为，熔融炉渣不是由分子构成而是由离子构成的，因此，脱硫反应

实际上是离子反应而不是分子反应。渣铁之间的脱硫反应是通过渣铁界面上离子扩散的形式进行的，即渣中的氧离子向铁水面扩散，把自己所带的两个电子传给S，使铁水中的S 原子成为二价S离子进入渣中，而由于失去电子变成中性原子的氧与碳作用形成CO 进入煤气中，进入渣中的硫离子则与渣中的钙、镁等正离子保持平衡。因此，脱硫反应实际上是渣铁界面上氧和硫的离子交换，渣中的碱性氧化物不断供给氧离子和进入生铁中的氧原子与固体碳作用形成CO，不断离开反应面，使上述脱硫反应继续进行。

31、什么叫硫的分配系数？影响它的因素有哪些？

答：硫在炉渣中的质量分数与在铁水中的质量分数之比叫硫分配系数。它说明炉渣脱硫后，硫在渣与铁间达到的分配比例。它分为理论分配系数和实际分配系数。

炉缸内渣铁间脱硫反应达到平衡状态时的分配系数称为理论分配系数，研究计算结果表明可高达200 以上；而高炉内的实际脱硫反应因动力学条件差而达不到平衡状态，所以一般低的只有20~25，而高的也不会超过80。凡能提高平衡常数的（例如温度）都有利于硫的分配系数的提高；铁液中硫的活度与铁水的成分有关，碳、硅、磷有利于提高硫在铁液中的活度及硫的分配系数；而硫在渣中的活度及渣中的氧势与炉渣成分有关，炉渣碱度越高，提供脱硫越多。但是对高炉的脱硫更重要的是改善脱硫动力学条件，使硫的实际分配系数提高。高炉脱硫是在铁滴穿过下炉缸积聚的渣层、下炉缸内渣层与铁层的交界面和出铁过程中铁口通道内等三处进行的，动力学条件最好的是铁口通道内，其次是铁滴穿过渣层，而渣铁层界面最差。由此可以看出，高炉生产不应该放上渣（实际上现代高炉上已不设渣口，已没有可能再放上渣），应使炉渣都通过铁口通道与铁水一起放出以发挥其脱硫能力，提高硫的实际分配系数。

32、哪些因素影响炉渣的脱硫能力？

答：影响炉渣脱硫能力的因素有以下几项：

（1）炉渣化学成分。

1）炉渣碱度。炉渣碱度是脱硫的关键性因素。一般规律是炉渣碱度愈高，脱硫能力愈强。因此，碱性渣的脱硫能力比酸性渣强得多。但是，碱度过高使渣的流动性变坏，阻碍硫的扩散同时由于过高的碱度下容易析出正硅酸钙的固体颗粒，不仅提高了黏度，而且降低了炉渣的实际碱度，从而使炉渣的脱硫能力大大降低。高碱度渣只有在保证良好流动性的前提下才能发挥较强的脱硫能力。

2）MgO含量。MgO也具有一定的脱硫能力，但不及CaO，这是由于MgS不及CaS稳定。但

渣中一定范围内增加MgO含量能提高炉渣的稳定性和流动性，还可以提高总碱度，这就相当于增加了氧负离子浓度，有利于脱硫反应。

3）Al2O3含量。Al2O3不利于脱硫，因为它与氧离子结合形成铝氧复合负离子降低渣中氧离子浓度。因此，当碱度不变而增加渣中Al2O3含量时，炉渣脱硫能力就要降低。但用Al2O3

代替SiO2

时，脱硫能力有所提高。这是因为Al2O3能结合的氧离子数比SiO2少，

4）FeO含量。FeO增加了生铁中氧的浓度，对脱硫反应不利。因此，渣中FeO要尽量少。

（2）渣铁温度。温度对炉渣脱硫能力的影响有两个方面：一是由于脱硫反应是吸热反应，提高温度对脱硫反应有利；二是提高温度降低炉渣黏度，促进硫离子和氧离子的扩散，对脱硫反应也是有利的。

（3）提高硫分配系数。

（4）高炉操作。当高炉不顺行、煤气流分布失常，炉缸工作不均匀时，高炉脱硫效果降低，生铁含硫量升高。因此，正确运用各种调剂因素，保证高炉顺行，是充分发挥炉渣脱硫能力，降低生铁含硫量的重要条件。

33、什么叫渣铁间的耦合反应？

答：高炉炉缸内渣铁间进行着多种反应。它们可分为两大类：一类是有碳参与的基本反应；另一类是没碳参与的耦合反应。

耦合反应是指没有碳及其氧化产物CO参与的，铁液中非铁元素与熔渣中氧化物之间的氧化还原反应。耦合反应实际是渣铁间瞬时的电化学反应，即金属元素放出电子成为正离子，而非金属元素获得电子而成为负离子。

35、高炉内碳的气化反应有什么规律？

答：高炉内碳的气化是另一个物态变化：固体的焦炭和煤粉气化转为气态的煤气。一般来说碳与氧燃烧反应生成两种化合物CO和CO2。产物为CO的称为不完全燃烧，燃烧产物为CO2的称为完全燃烧。研究表明碳在空气中燃烧时同时产生CO和CO2,这两种氧化物绝对的相互排斥是不可能的，究竟最终获得哪一种取决于温度和环境的氧势，高温（1200℃>以上）、缺氧时一定是CO。

高炉内碳的气化分为：（1）风口前燃烧带内与鼓入的热风燃烧气化。（2）在燃烧带以外

与矿石和熔剂中氧化物的氧反应而气化。从炉顶装入高炉的焦炭有65~80%在风口前燃烧气化（称做焦炭在风口前的燃烧率），其余35~20 %是在下降过程中与炉料氧化物的直接还原中气化。从风口喷吹入炉缸的煤粉有80~85%在风口前气化，其余20~15%（称为未燃煤粉）是在随煤气上升过程中与炉料氧化物中的氧反应而气化。实际上焦炭和煤粉中有10%是不气化的，而是溶入铁水成为生铁的一种合金元素。在风口前燃烧带，热风带入的氧多，在燃料

的表面产生的CO在燃烧带焦点处又与O2反应成CO2，但是随着煤气离开燃烧带中心，环境就变为碳多且无自由氧，CO2与O2反应而成为CO。在燃烧带以外，碳的气化全通过直接还原途径而形成CO。所以高炉内燃料中的碳不论在何处气化，其最终产物都是CO。

36、高炉炉缸燃烧反应有什么特点？燃烧产物的成分和数量如何计

算？

答：研究表明煤的燃烧要经历三个次过程：加热蒸发和挥发物分解；挥发分燃烧和碳结焦；残焦燃烧。进入高炉的焦炭在炼焦过程中已完成前两个次过程，到达风口燃烧带只需完成最后一个次过程。喷入高炉的煤粉需要完成全部三个次过程，这三个次过程可循序进行，也可重叠甚至同时发生。焦炭是具有一定粒度的块状物，它进入炉缸燃烧不受时间限制，可通过各种方式燃烧直到完全气化。喷吹煤粉进入炉缸燃烧，不仅比焦炭燃烧多了两个次过程，而且它是粉状，能随气流流动，它应在炉缸燃烧带内停留的有限时间（0.01-0.04s）和有限空间（燃烧带长度1.2—1.4m）内完成，否则将随煤气上升而成为未燃煤粉，过量的未燃煤粉会给高炉生产带来很多麻烦。所以要采取技术措施加快煤粉的燃烧过程，保证煤粉在燃烧带内的燃烧率达到80~85%。

在现代高炉上，炉缸燃烧反应是在燃料作剧烈旋转运动中与氧反应而气化的，完全替代了20世纪50年代前高炉没有强化时的层状燃烧理论。在炉缸燃料中碳的燃烧反应的产物是CO，属不完全燃烧，燃烧产物由CO、H2和N2组成。

影响炉缸煤气成分的因素有鼓风湿度、鼓风含氧量和喷吹物等。当鼓风湿度增加时，由于水分在风口前分解成H2和O2，炉缸煤气中的含H2量和CO量增加，N2含量相对下降。喷吹含H2

量较高的喷吹物时，炉缸煤气中含H2量增加，CO和N2相对下降。当鼓风中的氧浓度增加时（如富氧鼓风），炉缸煤气中的CO浓度增加，N2浓度下降，由于N2浓度下降的幅度较大，煤气中的H2浓度相对增加。前两种情况下炉缸煤气量增加，后一种情况下煤气量下降。

37、炉缸燃烧反应在高炉冶炼过程中起什么作用？

答：炉缸燃烧反应在高炉冶炼过程中的作用如下：

首先，焦炭在风口前燃烧放出的热量，是高炉冶炼过程中的主要热量来源。高炉冶炼所需要的热量，包括炉料的预热、水分蒸发和分解、碳酸盐的分解、直接还原吸热、渣铁的熔化和过热、炉体散热和煤气带走的热量等，绝大部分由风口前燃烧焦炭供给。

其次，炉缸燃烧反应的结果产生了还原性气体CO，为炉身中上部固体炉料的间接还原提供了还原剂，并在上升过程中将热量带到上部起传热介质的作用。

第三，由于炉缸燃烧反应过程中固体焦炭不断变为气体离开高炉，为炉料的下降提供了36(左右的自由空间，保证炉料的不断下降。

第四，风口前焦炭的燃烧状态影响煤气流的初始分布，从而影响整个炉内的煤气流分布和高炉顺行。

第五，炉缸燃烧反应决定炉缸温度水平和分布，从而影响造渣、脱硫和生铁的最终形成过程及炉缸工作的均匀性，也就是说炉缸燃烧反应影响生铁的质量。由此可见，炉缸燃烧反应在高炉冶炼过程中起着极为重要的作用，正确掌握炉缸燃烧反应的规律，保持良好的炉缸工作状态，是操作高炉和达到高产优质的基本条件。

38、什么叫风口燃烧带和风口回旋区？

答：炉缸内燃料燃烧的区域称为燃烧带，它包括氧化区和还原区。风口前自由氧存在的区域称为氧化区，自由氧消失到CO2消失的区域称为还原区。由于燃烧带是高炉内惟一属于氧化气氛的区域，因此亦称氧化带。

在现代高炉中热风以100m/s以上的速度通过风口射向炉缸中心，遇到由上方滑落下来的焦炭发生燃烧反应，与此同时焦炭在高速鼓风冲击下做回旋运动，其速度因粒度大小、互相碰撞和进入回旋区时的初速度而在, 4~30m/s的大范围内波动。做高速回旋运动的固、气多相流产生的离心力与作用在此区域外部的料柱有效重力相平衡，从而在每个风口前形成一个疏散而近似梨形的空间，通常称它为风口回旋区。从回旋区上方滴流下来的液体（约20~40g/s 的熔渣和铁液）被高速气流抛向炉子中心与焦粒回旋运动中产生的而又未气化的碎焦形成较致密的回旋区外壳。回旋区的尺寸略小于燃烧带，回旋区的前端约为燃烧带氧化区的边缘，而燃烧带的还原区则在回旋区外壳之外的焦炭层内。

燃烧带和回旋区的大小及它们在炉缸截面上的分布对高炉内煤气流和温度场的分布有极重要的影响。因此布置好风口位置以尽量缩小相邻两燃烧带之间的死区、控制好与炉缸直径相适应的燃烧带和回旋区的大小成为高炉操作的重要内容。

影响燃烧带和回旋区大小的因素有：

（1）鼓风参数。如风量、风温、风压、湿度等。一般来说能增大鼓风通过风口时的风速，从而增加鼓风动能的，都可使燃烧带和回旋区增大，如加大风量、提高风温；而增加风压却相反，它使同样质量鼓风的体积缩小，降低鼓风动能。

（2）燃料燃烧速度。碳的气化反应速率高，则气化性物质消耗快，燃烧带缩小。富氧鼓风，燃料的反应性好，介质温度高等都将缩小燃烧带。

（3）上部炉料和煤气分布情况。如果燃烧带上方的分布为边缘矿石少、焦炭多的边缘发展型，则燃烧带缩小；若实行的是中心加焦技术，边缘矿石多、而中心焦炭多的中心发展型，

则燃烧带向中心延伸。如果上部炉料负荷重；堆密度大，作用于回旋区上的有效重大，回旋区会缩小；而焦炭粒度大，落入回旋区的液态物数量多，它们受鼓风冲击而运动时消耗鼓风动能多，鼓风动能衰减快，回旋区和燃烧带都会缩小。

（4）喷吹煤粉。喷吹煤粉的影响是多方面的：1）喷吹煤粉在直吹管内部分分解和燃烧，增加了通过风口时的混合气体（鼓风加部分煤粉分解燃烧产生的煤气），动能增加；2）燃烧带形成的煤气中含H2量增加；3）喷吹煤粉后煤粉置换部分焦炭，炉料中负荷增大，堆密度增加；4）低喷煤量时中心气流发展，大喷煤量时未燃煤粉造成中心打不开等。因此喷吹煤粉对燃烧带和回旋区大小的影响要视具体情况分析确定。

39、什么叫风速？什么叫鼓风动能？如何计算风速？

答：高炉炼铁中鼓风通过风口时所达到的速度，它有标准风速和实际风速两种表示方法。单位时间内每个风口鼓入高炉内鼓风所具有的机械能称为鼓风动能。风速和鼓风动能与冶炼条件有关，它们在一定程度上决定着燃烧带和回旋区的大小，也就决定着初始煤气的分布。

风速是用单位时间内通过一个风口的风量除以风口截面积求得。用标准状态下的风量算得的风速称标准风速；而用冶炼实际风温和热风压力条件下算得的为实际风速。

40、什么叫风口前理论燃烧温度？它与炉缸温度有什么区别？

答：风口前焦炭燃烧所能达到的最高温度，即假定风口前焦炭燃烧放出的热量全部用来加热燃烧产物时所能达到的最高温度叫做风口前理论燃烧温度，也叫高炉火焰温度或绝热火焰温度。

理论燃烧温度是指燃烧带在理论上能达到的最高温度，生产中一般指燃烧带燃烧焦点的温度。而炉缸温度一般是指炉缸渣铁的温度，两者有本质上的区别。理论燃烧温度可达1800~2400℃而炉缸温度一般在1500℃左右。

41、哪些因素影响理论燃烧温度？

答：影响理论燃烧温度的因素有：

（1）鼓风温度。鼓风温度升高，则鼓风带入的物理热增加，理论燃烧温度升高。

（2）鼓风富氧度。鼓风含氧量提高以后，N2含量减少，此时虽因风量减少而使Q风有所降低。但由于V N2降低的幅度大，理论燃烧温度显著升高。

（3）喷吹燃料。由于喷吹物分解吸热和V H2增加，理论燃烧温度降低。由于各种喷吹燃料的分解热不同，所以，喷吹天然气降低理论燃烧温度最剧烈，重油次之，无烟煤降低最少。

（4）鼓风湿度。鼓风湿度的影响与喷吹物相同，由于水分分解吸热，理论燃烧温度降低。

42、煤气上升过程中量、成分和温度发生什么变化？

答：燃烧带内形成的煤气进入炉缸、炉腹及其在上升过程中，由于在高温区内各种形成CO 的碳气化反应的发生，使煤气的量和成分都有变化。主要表现为CO数量和百分比都增大。由高温区进入中温间接还原区时的煤气，常被称为炉腹煤气。

在间接还原区内，煤气中部分CO和H2参与间接还原而转化为CO2、H2O，易分解熔剂分解出少量CO2也进入煤气。由于生产中炉顶煤气无法分析出H2O还，所以无论是取样分析或计算都是于煤气成分，H2还原生成的H2O还不算在炉顶煤气成分中，而单独算出。

另外过去长时间认为炉顶煤气中有CH4，理论上讲高炉内没有生成CH4的条件，相反焦炭

和喷吹燃料（特别是天然气90％以上是CH4）带入的CH4在高炉内要分解，现代的气相色谱仪分析炉顶煤气表明炉顶煤气中没有CH4，用奥氏分析仪吸收法分析煤气出现CH4纯属分析误差所造成。

由于炉缸燃烧带内形成的煤气中CO量是鼓风中氧量（包括热风中的自由氧和湿分中的氧）的1倍，所以在不富氧时V燃/V风=1.25，富氧鼓风后此比值增大，增大数值与富氧率相对应。炉顶煤气量因直接还原、熔剂分解、焦炭挥发分的析出等又比V燃增大，V顶/V风=1.4

煤气温度由于热交换，将热量传给炉料及消耗于各种反应而降低。

43、哪些因素影响炉顶煤气成分？

答：因冶炼条件的变化而引起炉顶煤气成分（体积分数）的变化，主要指煤气中CO和CO2数量的变化，其他成分的变化不十分明显。炉顶煤气中的（CO+CO2）量基本稳定在40~42％之间，下列因素影响其值的波动：

（1）当焦比升高时，单位生铁的炉缸煤气量增加，煤气利用率降低，煤气中的CO升高，CO2降低。同时，由于入炉风量增加，带入的N2在煤气中的比例增加，含量下降。

（2）当炉内铁的直接还原度提高时，煤气中的CO增加，CO2下降，同时，由于风口前燃烧的碳量减少，入炉风量降低，带入的N2量下降，（CO+CO2）含量升高。

（3）熔剂用量增加时，由于分解产生CO2，煤气中CO2和（CO+CO2）含量增加，N2下降。

（4）矿石氧化度提高时，即矿石中的Fe2O3增加时，间接还原消耗的CO增加，产生同体积的CO2，因此，煤气中的CO2增加，CO下降，（CO+CO2）含量没有变化。

（5）鼓风含氧量增加时，由于煤气中的N2的比例下降，CO和CO2升高，（CO+CO2）含量可增大到45%

（6）喷吹燃料时，由于煤气中H2所占的比例增加，N2和（CO+CO2）含量下降。

45、煤气上升过程中的热交换有什么规律？

答：煤气上升过程中经过三个不同的热交换区，即炉料水当量大于煤气水当量的下部热交换区、炉料水当量与煤气水当量相同的中部热交换空区、炉料水当量小于煤气水当量的上部热交换区。

下部热交换区的特点是，由于此区内发生Fe、Mn、Si、P等元素的直接还原、部分碳酸盐的分解、炉料的熔化和渣铁的过热等大量的吸热反应，煤气降温快和炉料升温慢，炉料与煤气之间的热交换非常激烈。煤气从离开燃烧带时的温度1800~2000℃下降到中部空区950℃，而炉料从中部空区的950℃上升到渣铁出炉温度1500℃，煤气和炉料之间的温度差达到300~500℃。

中部空区，炉料和煤气温度接近，只有20~50℃左右的温差，而且此区内炉料和煤气水当量相等，因此热交换非常缓慢或者基本上不发生热交换过程，属于热交换呆滞区。空区和下部热交换区的界线是碳酸盐开始大量分解和碳的气化反应明显发展的温度线，即950~1100℃的区域。

上部热交换区的特点是，由于此区内发生高级氧化物的间接还原是放热反应，炉料吸热量少，炉料水当量小于煤气水当量，因此炉料升温快而煤气降温慢，同时，上升煤气遇到刚入炉的冷料，煤气与炉料间有较大温差，所以热交换激烈，炉料由20~30℃常温升高到

中部空区950℃，而煤气温度则从950℃下降到200~300℃炉顶温度。

46、高炉料柱有哪些散料特性？

答：特性如下：

（1）空隙度。单位体积的炉料内空隙体积所占份额称为炉料的空隙度，可以通过体积测量或炉料的实际密度和堆密度测量得出。空隙度与炉料筛分组成、形状和堆放方式等有关，高炉炉料（焦炭，矿石等）的空隙度在0.35~0.5之间，它是决定料柱透气性的重要因素之一。

（2）形状参数。有两个参数说明形状的不同，一个是形状系数（球形度），一个是水力

学直径d当，对粒度组成不均匀的料常用比表面积平均直径d平作为参数。

（3）堆角（安息角）。炉料在自然堆放形成料堆，料堆斜面与水平面形成的角称为自然堆角，在高炉内炉料从装料设备（大料钟、无钟溜槽）上落入炉喉料面，不同于自然堆料，它受到上升煤气流的浮力、炉墙及中心料等影响，堆角比自然堆角要小。堆角的变化是进行高炉操作上部调节的重要依据。

47、高炉煤气是怎样从炉缸向上运动到达炉顶的？

答：高炉煤气在风口前燃烧带内形成后，在炉缸与炉顶压力差的推动之下向上运动。燃烧带的大小决定着煤气流初始分布状况，煤气流穿过料柱向上运动的特点之一就是尽量沿阻力小的途径流动，因此上升过程中，哪部分阻力小，煤气量就多，相反阻力大的地方，煤气量就少。炉缸煤气是沿着软熔带与滴落带之间的下落焦炭的疏松区向炉子中心区上升。也有部分穿过软熔带根部与炉墙间的焦炭层向边缘流动。这初始分布取决于燃烧带的大小以及燃烧带上方两侧炉料的透气性。燃烧带小、边缘焦炭多、矿石少时，初始煤气向边缘流得多；而中心加焦，边缘矿石多，燃烧带向中心伸展时，初始煤气向中心流得多。煤气上升穿过滴落带，其中既有透气良好的焦炭，还有向下滴落的液体炉渣和铁，它们的流动互相影响。向下流动的渣铁占据了部分焦炭的空隙，特别是有部分炉渣滞留在其中（其值约为0.04），使滴落带下降，影响了煤气流运动，严重时还会出现“液泛”现象。

当煤气流到软熔带的下边界处时，由于软熔带内矿石层的软熔，其空隙极少，煤气主要通过焦炭层（焦窗）而流动，煤气流在这里产生了横向运动，由于软熔带的形状、位置和厚薄的不同，穿过的煤气在方向和数量都有差别，所以软熔带成为高炉煤气的二次分配器。从煤气流分布来说，倒V形比W形的好，因为在倒V形时煤气由内圆向外圆流动比较顺畅；而在W 形时，既有内圆向外圆的流动，又有外圆向内圆的流动，会产生煤气流的冲突，不利于煤气的分布。

由于高炉块状带料柱是由分层的矿石和焦炭组成，它们的透气阻力差别很大，而且高炉的截面积从下往上逐渐缩小，料面又是按炉料堆角向中心倾斜，煤气在这类不等截面、不等高度和透气阳力差别很大的料层间向上运动，不断地改变着方向，实际上在块状带内形成了偏向中心的之字形流动。到达炉顶煤气流的分布常用炉喉料面以下水平截面上的分布来表示。常用的是通过煤气中CO2曲线、十字测温的炉喉温度曲线以及红外线热图像仪测定给出料面等温线，分色的温度区带等来判断。

48、煤气在块状带内运动的阻力损失有什么规律？影响阻力损失的因素有哪些？

答：高炉内煤气穿过块状带的运动常被假定为气体沿着彼此平行、有着不规则形状和不稳定截面、互不相通的管束的运动。这样应用流体力学中气体通过管道的阻力损失一般公式和类似高炉炉料的散料上研究测得的修正阻力系数，得到高炉块状带内阻力损失变化规律的半经验表达式，最常用的有扎沃隆科夫公式。扎氏认为高炉内块状带的煤气流运动处于不稳定紊

流区，即处于层流转变为紊流过渡区；而厄根认为它处于紊流区，这样造成两者表达式有差别。现在高炉工作者普遍认为现代高炉上块状带内的煤气运动属紊流状态，所以常用厄根公式来表达煤气在块状带内阻力损失变化的规律。从厄根公式可以看出影响阻力损失的因素有煤气的性能（分子上）和炉料的特性（分母上）。煤气性能主要是它的密度和速度；炉料的特性是其形状系数，炉料颗粒的平均直径和炉料的空隙度。降低阻力损失的措施是增加煤气含H2量（喷吹含H2燃料）以降低煤气的密度和黏度，高压操作缩小炉内煤气体积以降低煤气速度；在不影响还原速度的情况下适当增大炉料的粒度，最重要的是提高炉料的空隙度，这就要限制炉料粒度的上限和筛除粒度小于5mm的粉末。

49、什么叫高炉料柱的透气性？

答：高炉料柱的透气性指煤气通过料柱时的阻力大小。煤气通过料柱时的阻力主要取决于炉料的空隙度"（散料体总体积中空隙所占的比例叫做空隙度），空隙度大，则阻力小，炉料透气性好；空隙度小，则阻力大，炉料透气性坏。空隙度是反映炉料透气性的主要参数。

生产中用Q2/△p作为高炉透气性指标，称为透气性指数。

50、料柱透气性在高炉冶炼过程中起什么作用？

答：高炉料柱的透气性直接影响炉料顺行，炉内煤气流分布和煤气利用率。

料柱具有良好的透气性，使上升煤气流均匀与稳定而且顺利地通过，是保证下料顺行和充分发挥上升煤气流的还原和传热作用的基本前提。尤其是高强度冶炼时，炉缸煤气量大，如果此时料柱透气性不好，则煤气流阻力增加，风压升高，继而出现崩料、悬料等现象，冶炼过程不能正常进行。这就是风量与料柱透气性不相适应的结果。

其次，由于炉料质量差而造成炉内透气性恶化和分布不均匀时，不仅压差升高和下料不顺，而且引起煤气流分布不均，出现管道行程和煤气流偏行等现象，从而使煤气利用率下降，炉料的预热与还原不充分，直接还原度增加，热量消耗增大，影响高炉焦比和生铁产量。因此，为了保证高炉冶炼过程正常进行和获得良好的生产指标，必须通过各种途径提高高炉料柱的透气性。

51、如何改善块状带料柱的透气性？

答：为了提高块状带料柱的透气性，首先应提高矿石和焦炭的强度，减少入炉粉末。尤其要提高矿石和焦炭的热强度，增强高温还原状态下抵抗摩擦、挤压、膨胀和热裂的能力，减少或避免炉内再次产生粉末，这样可以提高料柱空隙度、降低△p。

其次，要严格控制粒度。实践表明，随着原料粒度的增大，通过料层的煤气阻力减小，但粒度超过25mm以后，相对阻力基本不降低。相反，随着粒度的减小，煤气阻力增加，但在大于6mm的范围内阻力增加不明显，而粒度小于6mm时，相对阻力明显增加。因此，适合于高

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