炼铁试题

炼铁原理考试题

以下每题8分：

1 试述焦炭在高炉炼铁中的四个作用及对其质量的要求 1）还原剂2）发热剂3）料柱骨架4）渗碳 2 对比三种炼铁工艺，说明他们的特点 高炉：产能大，但使用焦炭，污染环境成本较低 直接还原：产能小（比如转底炉），但污染小，成本高

熔融还原：产能较直接还原高，低于高炉，污染小，如果使用铁浴法成本低，但不成熟（没有成熟案例）

3 试比较两种气态还原剂CO和H2在高炉还原过程中的特点

1）H2的还原能力随着温度的增高（810℃）也在不断提高，而且比CO强。温度低于810℃时，CO的还原能力则比H2强。这是因为>810℃时,H2对O2亲和力大于CO对O2的亲和力,<810℃时则相反。 2）H2的粘度较CO低，有助煤气流动 3）H2 52kj /mol.fe, C 250kj

4 给出水当量的定义和在高炉内沿高度的变化

单位时间内炉料和煤气温度变化1℃所吸收或放出的热量，

5比较铁的直接还原度和高炉直接还原度，分析它们描述高炉内还原情况的优缺点。

铁的直接还原度在冶炼条件基本稳定的情况下，铁的直接还原度能较灵敏地反映高炉还原过程的变化。

直接还原度

直接还原度(degree of direct reduction)

高炉内直接还原发展的程度，是衡量高炉能量利用的图1直弧型板坯连铸机示例重要指标。在高炉铁矿石还原过程中凡直接消耗碳产生ＣＯ的和参与ＣＯ２+C一2CO的反应，本质上都与铁的直接还原类似，都发生在高温区，并吸收热量，使风口前燃烧碳量减少、焦比增高。

表示方法 直接还原度有铁的直接还原度和高炉直接还原度两种表示方法。

铁的直接还原度从Fe(r)中以直接还原方式得到的铁量与全部还原出来的铁量之比值(rｄ)。它是由前苏联巴甫洛夫定义的。他认为高炉内Fe2Ｏ3一Fe3Ｏ4一FeＯ全部由间接还原完成，从FeＯ还原到金属铁一部分靠ＣＯ、H２的间接还原，其余则靠碳的直接还原，

式中Fe还为直接还原与间接还原两种方式还原出来的总铁量；Feｄ为直接还原的铁量；Ｏｄ为直接还原各种元素夺取的氧量；ＯｄＳｉ，ＭｎMn，Ｐ直接还原非铁元素夺取的氧量；ＯＦｅＯ一Fe由FeＯ还原到Fe时夺取的全部氧量；ＣｄＦｅ直接还原铁消耗的碳量。直接还原度与间接还原度的总和为1。也即相应的间接还原度rｉ＝1—ra＝Feｉ／Fe／Fe还。在冶炼条件基本稳定的情况下，铁的直接还原度能较灵敏地反映高炉还原过程的变化。

高炉直接还原度 高炉内氧化物(除FeＯ外尚有SiＯ2、MnＯ、P2Ｏ5，以及微量元素Nb、Ｃr、V、Ti等的氧化物)还原过程中，以直接还原方式夺取的氧量与还原夺取的总氧量之比(Rd)：

计算 直接还原度的计算用于高炉配料、物料平衡及热平衡计算，对求理论焦比以及生产分析都十分重要。根据不同条件有多种计算方法。要求已知各种原燃料成分、铁水成分、鼓风含氧量和湿度以及炉顶煤气成分等。

根据直接还原消耗碳量计算(ＣｄFe)

式中C氧为焦炭及其他物料、喷吹物料中被鼓风或氧化物氧化进入煤气中的碳量，C氧＝C焦＋C喷＋C料+C熔+C挥发—C铁—C尘，C焦、C喷、C料、C熔、C挥发、Ｃ铁、C尘分别为冶炼1t生铁由焦炭、喷吹燃料、其他炉料、熔剂、挥发分、生铁、炉尘等带入(+)或带出(—)的碳量，kg／t铁；cm为风口前燃烧的碳量，根据鼓风量(Ｖ风)计算，Ｃ

ｄＳｉ，Ｍｎ，Ｐ，Ｓ

为生铁中非铁元素的直接还原及脱硫消耗的

碳量，k／t铁；1．5Ｃ镕 为熔剂分解出的ＣＯ２中的碳以及50％的ＣＯ在高温区与碳发生反应消耗的碳之和，kg／t铁；c挥发为焦炭挥发分ＣＯ２、CO、CH４中的碳量，kg／t铁。风口前燃烧的碳量(Ｃ风)根据风量(Ｖ风)的计算式为C风＝Ｖ风(ｗ+0．5φ)／０．9333，式中ｗ、φ分别是鼓风中的氧含量及湿度；０．9333为燃烧1Ｋｇ碳消耗氧量，mＯ２／kgＣ。

３

根据铁的间接还原度(rｉ)计算rd＝1－rｉＣＯ—ｒｉＨ２

式中rｉＣＯ，ｒｉＨ２分别是铁的ＣＯ间接还原度和H２的间接还原度。

式中FeＣＯ是从FeＯ中用ＣＯ间接还原的铁量，kg／t铁，

ＣＯ２(熔+挥)、Fe2Ｏ3、MnＯ2分别为冶炼1t生铁由熔剂、焦炭挥发分中带入的ＣＯ２、由炉料带入的Fe２O３(应扣除被H２还原生成FeＯ的部分)和MnＯ２的量，kg／t铁；

式中FeH２是被H2还原的铁量，kg／t铁；H2还＝H2总＝H２煤气，kg／t铁；α为还原FeＯ的氢占炉内参加还原氢的百分数，％，一般≥85％。

实际生产条件下，氢在高炉内的利用率(ηＨ２＝０．3～０．5，(H2还＝(０．3～０．5)H2总)，而其中约85％以上参加了FeO—Fe的还原，所以当未知炉顶煤气中的含氢量时，可用下式计算ｒＨ２：

入炉总氢量H２总＝H２燃+２／１８(H2Ｏ风+H２Ｏ喷)]，其中H２燃为燃料中总氢量，H２Ｏ风、H２Ｏ喷分别是鼓风及喷吹物中含水量。在全焦操作的情况下，高炉煤气中氢量较少，不必单独计算氢，为考虑H２参

加还原的影响，只需将项改为即可，式中H２为炉顶煤气

中含H２量；％；β为参加还原的氢量与未参加还原氢的比值，它取决于氢的利用率，一般取β＝０．5左右，阻z的含义是按炉顶煤气含氢量估算H。间接还原生成的离开高炉的水蒸气量。

根据从FeＯ中直接还原夺取的氧(ＯｄＦｅ)计算

式中OＲ为还原过程中夺取的总氧量ＯＲ＝Ｏ料—Ｏ渣ＦｅＯ—Ｏ尘ＦｅＯ即炉料中与铁结合的氧量和被还原少量元素Ｓi、Mn、P等结合的氧量之和，扣除炉渣中FeＯ含氧量(Ｏ渣ＦｅＯ)和炉尘中FeＯ含氧量(Ｏ尘FeＯ)，mＯ２／t铁；ＯｄＳｉ，Ｍｎ，Ｐ…为少量元素还原过程中夺取的氧量，mＯ２／t铁；Ｏｉ为间接还原夺取的氧量，mＯ２／t铁。

３

３

３

以下每题15分：

6 由FeO与硫的分配比图，比较不同冶炼的条件对炉渣去硫反应的利弊

7 画出Rist操作线图，并说明图中A、B、C、D、E点的意义

8 软熔带的成因及结构如何?其形状和位置对煤气运动的状态及高炉中其他过程有何影响?

软熔带是指在高炉内部，炉料从开始软化到滴落的区域。

倒V形 它的形状像倒写的V。其特点是：中心温度高，边沿温度低，煤气利用较好，而且对高炉冶炼过程一系列反应有着很好的影响。

2、V形 它的形状像V，其特点刚好与倒V形相反。边沿温度高，中心温度低，煤气利用不好，而且不利于炉缸一系列反应。

3、W形 其特点与效果介于两者之间。 2 、软熔带对高炉生产的影响

软熔带的形状决定了高炉煤气中下部分布，因而在一定程度上可以认为软熔带决定了高炉炉内温度场的分布，它的形状与位置对高炉冶炼过程产生明显的影响，如矿石的预还原，生铁含硅，煤气利用，炉缸温度与活跃程度以及对炉衬的维护等。目前倒V形软熔带被公认为是最佳软熔带。各种形状软熔带对冶炼进程的影响如表1所示。

在软熔带内，矿石、熔剂逐渐软化、熔融、造渣而形成液态渣铁，只有焦炭此时仍保持着固体状态。形成的熔融而粘稠的初成渣与中间渣充填于焦块之间，并向下滴落，使煤气通过的阻力大大增加。在软熔带是靠焦炭的夹层即焦窗透气，在滴落带和炉缸内是靠焦块之间的空隙透液和透气。因此提高焦炭的高温强度，对改善整个区域的料柱透气性、透液性有重要意义。上升的高炉煤气从滴下带到软熔带后，只能通过焦炭夹层流向块状带。通过软熔带后，煤气被迫改变原来的流动方向，向块状带流去。所以在软熔带中焦炭夹层数及总面积对煤气流的阻力有很大影响。

对形状相同的软熔带，若软熔带高度较高时含有较多的焦炭夹层，供煤气通过的断面积大，煤气通过的阻力减小；反之，煤气通过时阻力大。但是软熔带高度增大，块状带的体积则减小，即矿石的间接还原区相应减小，煤气利用变差，焦比升高；反之，软熔带高度降低，可以提高煤气利用率，降低焦比。所以，较高的软熔带属高产型，一般利用系数较高；较矮的软熔带属低焦化型，燃料比较低。当增加软熔带宽度时，煤气压力要增大，这不仅由于块状带的体积因软熔带变宽而缩小，而且也因包含在软熔带内的焦炭夹层长度相对增加所致。当缩小软熔带宽度时煤气压阻力减小。

一般来说，软熔带越窄，焦炭夹层的层数越多，夹层越厚，孔隙率越大，则软熔带透气性越好。

当原料水平好时可采用煤气利用好的倒V型软熔带，当原料水平有所下降时可采用W型软熔带，当原料水平较差甚至无法维持高炉顺行时可采用V型软熔带

9 煤气在散料层中运动时，分析影响其△P/H值的因素。结合生产实际提出如何改进的措施。

?P1???1.75[3](?w2) H??de孔隙度、比表面平均直径、形状因子 炉料特性，煤气状态

去除矿石粉末，使用热爆裂性小的矿石，使用高SCI焦炭，高压操作，降低煤气密度和流速。

一、简答题(共8题，每题5分，合计40分) 1．简述提高高炉喷煤量的主要措施

提高粉煤的燃烧性（研磨粒度更细？），降低未燃煤粉率 提高焦炭质量（高SCI及大粒度） 富氧，高风温，高压

2．什么是熔融还原炼铁法?并简述其现状及发展状况

熔融还原炼铁法——冶炼液态生铁的炼铁法（使用非冶金焦）。

6．简述脱硫的热力学和动力学条件 三高一低

高温（炉缸）、大渣量、高碱度。低粘度（增加MgO）

影响高炉渣脱硫的因素主要有炉渣成分，炉缸温度，动力学因素，炉渣黏度以及高炉操作等。

炉渣成分由于铁水中碳饱和，炉缸中CO分压基本固定，所以脱硫反应的程度主要决定于渣中CaO、CaS的活度和铁水中硫的活度以及反应的温度和动力学条件。从热力学角度看，CaO比MgO、MnO有更高的脱硫能力，渣中CaO的活度在碱度(CaO／SiO2)高过1.0左右后，提高很快，因而脱硫能力显著提高。高炉炉渣的碱度根据脱硫需要一般为0.95～1.25。过高的碱度，炉渣熔化温度增高，液相中将出现2CaO?SiO2固体颗粒，使炉渣黏度升高，流动性变坏，反而不利于脱硫。MgO，MnO本身能在一定范围内与硫起反应，又能改善炉渣的流动性，它们的存在对脱硫有利。生铁中碳、硅及磷等元素使硫的活度系数增大4～6倍，而且在高炉还原气氛下，炉渣中的FeO较低，从理论上说明高炉中具有良好的脱硫条件，因而钢铁冶炼过程中．脱硫主要应在高炉炼铁时完成。高炉炉凉时，炉渣中FeO升高，对脱硫不利，生铁含硫升高，导致出现不合格铁水。Al2O3对脱硫反应也有影响，当炉渣碱度不变时，增加Al2O3将使Ls变小，但当用Al2O3代替SiO2时，则能增大Ls。

炉缸温度：脱硫是吸热反应，温度愈高越有利于反应进行，加快反应速度。在高温下能加速FeO的还原，降低渣中FeO含量，也就降低了炉渣的氧势。温度升高还可降低炉渣黏度，加速离子扩散有利于反应进行。实践证明，炉缸温度愈高Ls值愈大，脱硫速度愈快，生铁中含硫愈低。

动力学因素在实际的高炉生产中，脱硫反应达不到平衡，必须考虑反应速度。脱硫反应的速度可表示为

式中KM是反应速度常数。研究表明，随着碱度提高，KM增大。炉渣与铁水接触面积大反应速度加快，炉缸积存的炉渣和铁水之间的接触面积是比较小的，这是脱硫反应速度最慢的场所。铁水滴具有很大的比表面积。在滴落过程中通过渣层时，与炉渣充分接触，脱硫反应速度很快，而且渣层厚度愈厚，接触界面愈大，反应进行得愈完全。脱硫过程主要是在这时完成的。铁水中溶解的硅锰等越多，脱硫反应速度越快，促使铁水中硫能更多地向炉渣转移。

炉渣黏度一般碱性渣中限制脱硫反应速度的因素是S2—和O2—在炉渣中的扩散速度，降低炉渣黏度加快离子在渣中扩散最有效的措施之一。试验表明炉渣黏度和脱硫能力成反比关系：黏度增加，Ls减小；黏度减小，Ls增大。因而，采取各种有利于降低炉渣黏度的措施，如增加MgO含量，提高渣温等，都可以提高炉渣的脱硫能力，加快脱硫速度。

高炉操作高炉操作稳定，炉缸圆周工作均匀，煤气流分布合理是高炉脱硫的基础条件。当炉缸圆周工作不均匀时，有些区域温度低，还原不好，渣中：FeO高，或炉渣碱度不均，都将使铁中含硫量升高。在操作不正常时，如煤气分布不合理，产生管道行程、高炉结瘤和炉缸堆积等，都会使生铁含硫量增加。当高炉热制度波动，特别是冶炼制钢铁，炉温大幅度下降出现炉凉事故时，会导致生铁含硫量大大升高，产生不合格铁。

二、论述题(共6题，每题10分：合计60分) 1讨论目前我国钢铁冶金生产主要流程的特点 短流程 长流程

3论述铁水预处理的重要性以及基本工艺。

三脱，S高，对炼钢负荷大（目前只有AOD方便脱），喂铝丝 5试分析渣中(Fe0)对炼钢过程中脱P和脱S的影响，并说明其异同? 6．论述我国高炉含铁原料的主要特点，并讨论其合理搭配模式

一、炼铁部分

1．高炉中焦炭及煤粉作用

2．简述提高高炉喷煤量的主要措施

3．什么是熔融还原炼铁法?并简述其现状及发展状况 4．论述铁水预处理的重要性以及基本工艺。

5．论述我国高炉含铁原料的主要特点，并讨论其合理搭配模式 6．谈谈对节能减排工作的看法及主要建议 二、结合某一冶金工序特点讨论。 阐述其热力学和动力学条件，

13讨论目前我国钢铁冶金生产主要流程的特点

16试分析渣中(Fe0)对炼钢过程中脱P和脱S的影响，并说明其异 同?

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