基于里斯特操作线解析有害元素对高炉焦比的影响

工程科学学报，第40卷，第9期：1058-1064,2018年9月 Chinese Journal of Engineering,Vol.40,No.9:1058-1064,September 2018 D0:10.13374/j.issn20959389.2018.09.006;htp:/journals.ustb.ed.cm 基于里斯特操作线解析有害元素对高炉焦比的影响 王一杰，宁晓钧，张建良，焦克新⑧ 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083 区通信作者，E-mail:jiaokexin ustb@126.com 摘要分析了有害元素在高炉内的循环行为，结合高炉实际生产参数，运用里斯特操作线进行计算，揭示了有害元素对焦 比的影响规律，建立了焦比与有害元素入炉负荷和循环富集倍数之间的定量关系.计算结果表明：有害元素在高炉内“还原一 氧化一再还原”的循环过程会将高温区的C0转移到低温区，降低煤气利用率，同时消耗了高温区大量热量，从而使焦比升高. 不同有害元素的影响程度不同.有害元素循环富集倍数对焦比影响的强弱顺序为：Na>K>Z,有害元素入炉负荷对焦比影 响的强弱顺序为：Zn>Na>K.进一步的分析表明，Na、Zn对高炉焦比的影响大于K.但考虑到K对焦炭劣化的作用更明显， 故要严格控制K、N、Z的入炉负荷.基于上述计算得到的定量关系，利用高炉不同有害元素入炉负荷以及焦比进行曲线拟 合，预测高炉有害元素的循环富集倍数.曲线拟合结果与高炉解剖实验结果相吻合. 关键词高炉：有害元素：循环富集：里斯特操作线：焦比 分类号TF512 Effect of harmful elements on the coke ratio of blast furnace based on the Rist operating diagram WANG Yi-jie,NING Xiao-jun,ZHANG Jian-liang,JIAO Ke-xin School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:jiaokexin_ustb@126.com ABSTRACT The adverse effects of harmful elements on blast furnace life and production have been adequately researched;however, studies of the effects on the energy consumption of blast furnace are few.In this study,the circulation and accumulation of harmful ele- ments in a blast furnace were analyzed.By combining the actual production parameters of a blast furnace and the Rist operating dia- gram,the effect of the harmful elements on the coke ratio was revealed and the quantitative relationship between the coke ratio and the loads and accumulation times of harmful elements was established.The calculation results show that the harmful elements cycle of "re- duction-oxidation-re-reduction"in the blast furnace can transfer the CO from the high-temperature zone to the low-temperature zone, and consume a lot of heat in the high-temperature zone.This can decrease gas utilization and increase heat consumption in the high- temperature zone,consequently increasing the coke ratio.Each harmful element affects the coke ratio differently.Considering their ac- cumulation times and loads,the harmful elements affect the coke ratio in the following orders:Na>K>Zn and Zn>Na>K,respec- tively.Further analysis shows that the effect of Na and Zn on the coke ratio is greater than that of K.However,considering the effect of K on coke deterioration is more significant,it is necessary to strictly control the load of K,Na,and Zn.Based on the quantitative relationship obtained by the above calculation process,curve fitting is carried out using the loads of harmful elements and coke ratio of blast furnace to predict the harmful elements accumulation times in the blast furnace.The curve fitting results are consistent with the blast furnace dissection experiment results. KEY WORDS blast furnace:harmful elements:circulation and accumulation:Rist operation diagram:coke ratio 收稿日期：2017-11-28 基金项目：高等学校学科创新引智计划资助项目(B13004)

工程科学学报，第 40 卷，第 9 期: 1058--1064，2018 年 9 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 40，No． 9: 1058--1064，September 2018 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2018． 09． 006; http: / /journals． ustb． edu． cn 基于里斯特操作线解析有害元素对高炉焦比的影响 王一杰，宁晓钧，张建良，焦克新 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: jiaokexin_ustb@ 126． com 摘 要 分析了有害元素在高炉内的循环行为，结合高炉实际生产参数，运用里斯特操作线进行计算，揭示了有害元素对焦 比的影响规律，建立了焦比与有害元素入炉负荷和循环富集倍数之间的定量关系． 计算结果表明: 有害元素在高炉内“还原— 氧化—再还原”的循环过程会将高温区的 CO 转移到低温区，降低煤气利用率，同时消耗了高温区大量热量，从而使焦比升高． 不同有害元素的影响程度不同． 有害元素循环富集倍数对焦比影响的强弱顺序为: Na ＞ K ＞ Zn，有害元素入炉负荷对焦比影 响的强弱顺序为: Zn ＞ Na ＞ K． 进一步的分析表明，Na、Zn 对高炉焦比的影响大于 K． 但考虑到 K 对焦炭劣化的作用更明显， 故要严格控制 K、Na、Zn 的入炉负荷． 基于上述计算得到的定量关系，利用高炉不同有害元素入炉负荷以及焦比进行曲线拟 合，预测高炉有害元素的循环富集倍数． 曲线拟合结果与高炉解剖实验结果相吻合． 关键词 高炉; 有害元素; 循环富集; 里斯特操作线; 焦比 分类号 TF512 收稿日期: 2017--11--28 基金项目: 高等学校学科创新引智计划资助项目( B13004) Effect of harmful elements on the coke ratio of blast furnace based on the Ｒist operating diagram WANG Yi-jie，NING Xiao-jun，ZHANG Jian-liang，JIAO Ke-xin School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: jiaokexin_ustb@ 126． com ABSTＲACT The adverse effects of harmful elements on blast furnace life and production have been adequately researched; however， studies of the effects on the energy consumption of blast furnace are few． In this study，the circulation and accumulation of harmful ele￾ments in a blast furnace were analyzed． By combining the actual production parameters of a blast furnace and the Ｒist operating dia￾gram，the effect of the harmful elements on the coke ratio was revealed and the quantitative relationship between the coke ratio and the loads and accumulation times of harmful elements was established． The calculation results show that the harmful elements cycle of“re￾duction-oxidation-re-reduction”in the blast furnace can transfer the CO from the high-temperature zone to the low-temperature zone， and consume a lot of heat in the high-temperature zone． This can decrease gas utilization and increase heat consumption in the high￾temperature zone，consequently increasing the coke ratio． Each harmful element affects the coke ratio differently． Considering their ac￾cumulation times and loads，the harmful elements affect the coke ratio in the following orders: Na ＞ K ＞ Zn and Zn ＞ Na ＞ K，respec￾tively． Further analysis shows that the effect of Na and Zn on the coke ratio is greater than that of K． However，considering the effect of K on coke deterioration is more significant，it is necessary to strictly control the load of K，Na，and Zn． Based on the quantitative relationship obtained by the above calculation process，curve fitting is carried out using the loads of harmful elements and coke ratio of blast furnace to predict the harmful elements accumulation times in the blast furnace． The curve fitting results are consistent with the blast furnace dissection experiment results． KEY WOＲDS blast furnace; harmful elements; circulation and accumulation; Ｒist operation diagram; coke ratio

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 ·

·1060 工程科学学报，第40卷，第9期 分数，w(TFe)表示炉料的品位. ，= (12) (2)炉料中与少量元素Si、Mn、P、S等结合的氧. ra+Q/qa q 为-0=a+++% (8) 式中，由于风口前碳燃烧是1个C原子与1个0原 子结合成C0,因此y可以表示治炼1 mol Fe原子消 式中，y表示生产1 mol Fe从SiO2、Mn0、P,0,以及脱 耗的C的物质的量，q.为1molC原子在风口前燃烧 硫夺取0的物质的量，yyyy分别表示生产1 提供的有效热量，ra为直接还原度，qa为1 mol Fe0直 mol Fe由Si、Mn、P还原以及脱硫过程夺取O的物 接还原消耗的热量，一般为153200J·mol-,Q为其 质的量. 他有效消耗热量，包括其他元素的还原耗热、脱硫耗 (3)鼓风中的氧. 热以及进入渣铁中的热量 =n(0-"g(0)x22.4 (9) 由式(12)可以看出，操作线必定通过一固定点 n(Fe)-1000wFe]/56 P.由图2可知，P点坐标可以通过相似三角形原理 式中，y表示生产1 mol Fe风口前C氧化夺取0的 确定： 物质的量，V表示风量，p(02)表示鼓风中O,的体积 分数. XP= (13) ga +gb 2.2横坐标n(O)/n(C) 一般情况下，高炉内煤气的n(O)/m(c)可以按 =*6,-0%*(号-%4 炉顶煤气的n(O)/n(C)近似计算 根据里斯特操作线，可计算出碳铁原子比，即操 8-需需 作线斜率： (10) n(O)/n(Fe) (15) 式中，x。为煤气中1molC结合0的物质的量， tana=n(O)/n(C） p(C0)、p(C02)分别表示炉顶煤气中C0、C0,的体 操作线斜率与焦比存在一定关系，计算焦比时 积分数. 应加入铁水渗碳消耗的碳量，扣除喷煤带入的碳量， 按照上述计算方法，绘制当前操作条件下的里 两者转换算式如下. 斯特操作曲线，如图2所示. K=（anax12x1000eF回+1000uC]- 56 n(OVn(Fe) M(C) 1 (16) 式中，K表示焦比，M表示煤比，0(C)x表示焦炭中 碳的质量分数，心(C)M表示煤粉中碳的质量分数， w[C]表示生铁中碳的质量分数. n(O)/n(C) 3有害元素对焦比的影响 以国内某2000m3高炉为例，研究有害元素对高 炉焦比的影响.表1~6分别列出了高炉炉料成分、 生产指标、铁水成分、炉渣成分、炉顶煤气成分以及 图2里斯特操作线 有害元素入炉负荷 Fig.2 Rist operating diagram 表1高炉原燃料成分（质量分数） Table 1 Composition of raw materials and fuel 2.3热平衡对操作线的限制 由高炉内部的热量利用特点可知，高炉下部高 TFe FeO F©203焦炭含碳量煤粉含碳量 温区的热平衡决定了高炉的焦比.高温区热量的主 57.42 6.33 72.42 85.75 74.59 要来源是风口前碳的燃烧，热量消耗主要是FO和 表2高炉操作参数 其他元素的还原耗热、脱硫耗热以及进入渣铁中的 Table 2 Blast furnace operating parameters 热量，则高温区的热平衡方程可由式(11)或式(12) 利用系数， 风量/ 富氧率/ 风温/ 煤比/ 表示. t/(d'm3)(m3.min-1)% ℃ (kgt-) yb‘9=ra"9a+Q (11) 2.77 4027 2.64 1193 139

工程科学学报，第 40 卷，第 9 期 分数，w( TFe) 表示炉料的品位． ( 2) 炉料中与少量元素 Si、Mn、P、S 等结合的氧． yf = n( O) n( Fe) = ySi + yMn + yP + yS ( 8) 式中，yf表示生产 1 mol Fe 从 SiO2、MnO、P2O5以及脱 硫夺取 O 的物质的量，ySi、yMn、yP、yS分别表示生产 1 mol Fe 由 Si、Mn、P 还原以及脱硫过程夺取 O 的物 质的量． ( 3) 鼓风中的氧． yb = n( O) n( Fe) = V·φ( O2 ) × 2 /22. 4 1000w［Fe］/56 ( 9) 式中，yb表示生产 1 mol Fe 风口前 C 氧化夺取 O 的 物质的量，V 表示风量，φ( O2 ) 表示鼓风中 O2的体积 分数． 2. 2 横坐标 n( O) /n( C) 一般情况下，高炉内煤气的 n( O) /n( C) 可以按 炉顶煤气的 n( O) /n( C) 近似计算． xg = n( O) n( C) = 2φ( CO2 ) + φ( CO) φ( CO2 ) + φ( CO) ( 10) 式中，xg 为煤 气 中 1 mol C 结 合 O 的 物 质 的 量， φ( CO) 、φ( CO2 ) 分别表示炉顶煤气中 CO、CO2的体 积分数． 按照上述计算方法，绘制当前操作条件下的里 斯特操作曲线，如图 2 所示． 图 2 里斯特操作线 Fig． 2 Ｒist operating diagram 2. 3 热平衡对操作线的限制 由高炉内部的热量利用特点可知，高炉下部高 温区的热平衡决定了高炉的焦比． 高温区热量的主 要来源是风口前碳的燃烧，热量消耗主要是 FeO 和 其他元素的还原耗热、脱硫耗热以及进入渣铁中的 热量，则高温区的热平衡方程可由式( 11) 或式( 12) 表示． yb ·qb = rd ·qd + Q ( 11) yb rd + Q /qd = qd qb ( 12) 式中，由于风口前碳燃烧是 1 个 C 原子与 1 个 O 原 子结合成 CO，因此 yb可以表示冶炼 1 mol Fe 原子消 耗的 C 的物质的量，qb为 1 mol C 原子在风口前燃烧 提供的有效热量，rd为直接还原度，qd为1 mol FeO 直 接还原消耗的热量，一般为 153200 J·mol － 1，Q 为其 他有效消耗热量，包括其他元素的还原耗热、脱硫耗 热以及进入渣铁中的热量． 由式( 12) 可以看出，操作线必定通过一固定点 P． 由图 2 可知，P 点坐标可以通过相似三角形原理 确定: xP = qd qd + qb ( 13) yP = yU + xP ( yV － yU) = yf + xP ( Q qd － yf ) ( 14) 根据里斯特操作线，可计算出碳铁原子比，即操 作线斜率: tan α = n( O) / n( Fe) n( O) / n( C) ( 15) 操作线斜率与焦比存在一定关系，计算焦比时 应加入铁水渗碳消耗的碳量，扣除喷煤带入的碳量， 两者转换算式如下． K = tan ( α × 12 × 1000w［Fe］ 56 + 1000w［C］－ M·w ( C) M )· 1 w ( C) K ( 16) 式中，K 表示焦比，M 表示煤比，w( C) K表示焦炭中 碳的质量分数，w( C) M表示煤粉中碳的质量分数， w［C］表示生铁中碳的质量分数． 3 有害元素对焦比的影响 以国内某 2000 m3 高炉为例，研究有害元素对高 炉焦比的影响． 表 1 ～ 6 分别列出了高炉炉料成分、 生产指标、铁水成分、炉渣成分、炉顶煤气成分以及 有害元素入炉负荷． 表 1 高炉原燃料成分( 质量分数) Table 1 Composition of raw materials and fuel % TFe FeO Fe2O3 焦炭含碳量 煤粉含碳量 57. 42 6. 33 72. 42 85. 75 74. 59 表 2 高炉操作参数 Table 2 Blast furnace operating parameters 利用系数， t /( d·m3 ) 风量/ ( m3 ·min － 1 ) 富氧率/ % 风温/ ℃ 煤比/ ( kg·t － 1 ) 2. 77 4027 2. 64 1193 139 · 0601 ·

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 ·1061· 表3铁水成分（质量分数） n(ONn(Fe) Table 3 Composition of hot metal Fe Si Mn P 铁水温度/℃ 94.514.550.600.190.130.02 1507 表4炉渣成分（质量分数） Table 4 Composition of slag 会 n(OVn(C) Si02 Ca0 Mg0A山，OFe0碱度，R,渣量g 35.0339.21 7.96 14.220.321.12359 表5高炉炉顶煤气成分（体积分数） Table 5 Composition of top gas % CO C02 煤气利用率 图3有害元素对里斯特操作线的影响 24.94 20.44 45.04 Fig.3 Effect of harmful elements on Rist operating diagram 表6有害元素入炉负荷 利用率和高温区其他有效耗热的影响.从图中可以 Table 6 Harmful element loads kg.t-1 看出，随着循环富集倍数的增加，煤气利用率降低， K20 Na2O Zn 高温区其他有效耗热增加.有害元素循环富集倍数 1.63 1.65 0.44 的增加，使得更多的有害元素在高炉内循环，通过化 学反应使高炉下部的C0转移到高炉上部，同时吸 由有害元素在高炉内的循环富集行为可知，有 收大量的热量，导致煤气利用率降低，高温区其他有 害元素在高炉内“还原一氧化一再还原”的循环过 效耗热增加.对于不同有害元素，循环富集倍数对 程会将高温区的C0转移到低温区，降低煤气利用 煤气利用率和高温区其他有效耗热的影响程度不 率，同时消耗了高温区大量热量，使得里斯特操作线 同.在循环富集倍数相同的情况下，Na对煤气利用 上x值减小，Q值增加.图3显示了有害元素对里 率和高温区其他有效耗热的影响最大，其次是K,Z 斯特操作线的影响.线段AE表示当前条件下的里 的影响最小 斯特操作线，线段AE‘表示不受有害元素影响的里 10 斯特操作线.从图中可以看出，受到有害元素影响 54 后，操作线上A点向左移动，P‘点向下移动，从而使 60 操作线斜率增大，焦比升高.通过下式可以计算出， 在没有有害元素进入高炉的情况下，A点和P点的 50 位置变化 948 七4s(0) 2V(C02)+V(C0)- XxYwV. 装 n(C= V(CO2)+V(CO) 35 (17) 42L 20406080100120 30 有害元素循环富集倍数 Xu'YM'△H明/Mu 0+ 图4不同有害元素循环富集倍数对煤气利用率和高温区其他 1000eFe]/56 Ye=Y+xp (18) 有效耗热的影响 9a Fig.4 Effect of harmful elements accumulation times on gas utiliza- 式中，Xu表示有害元素M入炉负荷，Y表示有害元 tion and heat consumption 素M循环富集倍数，Vm为气体摩尔常数，△H表示 有害元素M还原反应的焓变，M,表示元素M的摩 图5为有害元素循环富集倍数对焦比的影响 尔质量，V(C02)、V(C0)表示炉顶煤气中C02、C0 随着循环富集倍数的增加，焦比呈近似线性增加. 的体积. 从图中可以看出，不同有害元素富集循环倍数对焦 3.1有害元素循环富集倍数的影响 比的影响程度不同，循环富集倍数对焦比的影响程 有害元素在高炉内循环富集，存在一定的循环 度的强弱顺序为：Na>K>Zn. 富集倍数.图4表示有害元素循环富集倍数对煤气 有害元素循环富集倍数对焦比的影响程度可以

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 表 3 铁水成分( 质量分数) Table 3 Composition of hot metal % Fe C Si Mn P S 铁水温度/℃ 94. 51 4. 55 0. 60 0. 19 0. 13 0. 02 1507 表 4 炉渣成分( 质量分数) Table 4 Composition of slag % SiO2 CaO MgO Al2O3 FeO 碱度，Ｒ2 渣量/ kg 35. 03 39. 21 7. 96 14. 22 0. 32 1. 12 359 表 5 高炉炉顶煤气成分( 体积分数) Table 5 Composition of top gas % CO CO2 煤气利用率 24. 94 20. 44 45. 04 表 6 有害元素入炉负荷 Table 6 Harmful element loads kg·t － 1 K2O Na2O Zn 1. 63 1. 65 0. 44 由有害元素在高炉内的循环富集行为可知，有 害元素在高炉内“还原—氧化—再还原”的循环过 程会将高温区的 CO 转移到低温区，降低煤气利用 率，同时消耗了高温区大量热量，使得里斯特操作线 上 xg值减小，Q 值增加． 图 3 显示了有害元素对里 斯特操作线的影响． 线段 AE 表示当前条件下的里 斯特操作线，线段 A'E'表示不受有害元素影响的里 斯特操作线． 从图中可以看出，受到有害元素影响 后，操作线上 A'点向左移动，P'点向下移动，从而使 操作线斜率增大，焦比升高． 通过下式可以计算出， 在没有有害元素进入高炉的情况下，A 点和 P 点的 位置变化． xA' = n( O) n( C) = 2V( CO2 ) + V( CO) － XM YM MM Vm V( CO2 ) + V( CO) ( 17) yP' = yf + xP ( Q + XM·YM·ΔH M /MM 1000w［Fe］/56 qd － yf ) ( 18) 式中，XM表示有害元素 M 入炉负荷，YM表示有害元 素 M 循环富集倍数，Vm为气体摩尔常数，ΔH M 表示 有害元素 M 还原反应的焓变，MM表示元素 M 的摩 尔质量，V( CO2 ) 、V( CO) 表示炉顶煤气中 CO2、CO 的体积． 3. 1 有害元素循环富集倍数的影响 有害元素在高炉内循环富集，存在一定的循环 富集倍数． 图 4 表示有害元素循环富集倍数对煤气 图 3 有害元素对里斯特操作线的影响 Fig． 3 Effect of harmful elements on Ｒist operating diagram 利用率和高温区其他有效耗热的影响． 从图中可以 看出，随着循环富集倍数的增加，煤气利用率降低， 高温区其他有效耗热增加． 有害元素循环富集倍数 的增加，使得更多的有害元素在高炉内循环，通过化 学反应使高炉下部的 CO 转移到高炉上部，同时吸 收大量的热量，导致煤气利用率降低，高温区其他有 效耗热增加． 对于不同有害元素，循环富集倍数对 煤气利用率和高温区其他有效耗热的影响程度不 同． 在循环富集倍数相同的情况下，Na 对煤气利用 率和高温区其他有效耗热的影响最大，其次是 K，Zn 的影响最小． 图 4 不同有害元素循环富集倍数对煤气利用率和高温区其他 有效耗热的影响 Fig． 4 Effect of harmful elements accumulation times on gas utiliza￾tion and heat consumption 图 5 为有害元素循环富集倍数对焦比的影响． 随着循环富集倍数的增加，焦比呈近似线性增加． 从图中可以看出，不同有害元素富集循环倍数对焦 比的影响程度不同，循环富集倍数对焦比的影响程 度的强弱顺序为: Na ＞ K ＞ Zn． 有害元素循环富集倍数对焦比的影响程度可以 · 1601 ·

·1062 工程科学学报，第40卷，第9期 420 素入炉负荷对焦比的影响程度（即曲线的斜率） 一K Na 480 400 Zn —K 460 Na Zn 380 440 /H 420 360 400 340 360 320 0 2040608010020 有害元素循环富集倍数 320 图5不同有害元素循环富集倍数对焦比的影响 有害元素人炉负荷低g1 Fig.5 Effect of harmful elements accumulation times on coke ratio 图7不同有害元素入炉负荷对焦比的影响 用曲线的斜率表示.表7列出了不同有害元素循环 Fig.7 Effect of harmful elements loads on coke ratio 富集倍数对焦比的影响程度（即曲线的斜率） 表8不同有害元素入炉负荷对焦比的影响 表7不同有害元素循环富集倍数对焦比的影响程度 Table 8 Effect of harmful elements loads on coke ratio Table 7 Effect of harmful elements accumulation times on coke ratio K20 Na20 Zn K20 Na2O Zn 11.5 19 30.2 0.37 0.62 0.16 根据上述讨论可以计算出高炉中有害元素对焦 3.2有害元素入炉负荷的影响 比的影响程度.不同有害元素入炉负荷和富集循环 有害元素入炉负荷对煤气利用率和高温区其他 倍数对焦比的影响可由下式计算. 有效热量消耗的影响如图6所示.随着有害元素入 AK =0.23Xx Yk +0.38XYN.+0.37XYz (19) 炉负荷的增大，煤气利用率下降，高温区其他有效热 此外，K、Na等有害元素会与焦炭反应，破坏焦 量增加.对于不同有害元素，在同一入炉负荷条件 炭结构，催化焦炭气化反应，引起焦比升高.许 下，Z对煤气利用率和高温区其他有效热量消耗的 多研究表明，K对焦炭的劣化程度明显高于Na和 影响程度要大于Na和K. Z,从对焦炭劣化程度考虑，K在高炉内的循环富集 100 对焦比的影响程度更大 3.3有害元素循环富集倍数的预测 Na n 前文计算结果显示了焦比与有害元素入炉负荷 50 80三 和循环富集倍数存在定量的关系，因此可以利用焦 比和有害元素入炉负荷来确定其循环富集倍数 45 60年 表9列出了该高炉有害元素入炉负荷及焦比变化 50 情况. 40 将表中数据带入式(19)进行非线性回归分析， 15 30 得到Yk=33,YN=44,Yzm=62.图8显示了实际结 0 有害元素入炉负荷伙g) 果与曲线拟合结果的对比情况.从图中可以看出， 图6不同有害元素入炉负荷对煤气利用率和高温区其他有效 拟合结果与实际结果可以很好的吻合.高炉解剖实 耗热的影响 验表明s-a,K、Na在高炉内的循环富集倍数在 Fig.6 Effect of harmful elements loads on gas utilization and heat 40~50倍，Z的循环富集倍数可达80倍，而通过模 consumption 型计算得到的循环富集倍数小于高炉解剖实验结 图7显示了不同有害元素入炉负荷对焦比的影 果.这是由于高炉解剖实验得到的有害元素循环富 响。从图中可以看出，有害元素入炉负荷与焦比有 集倍数具有区域性，而计算过程中采用的是高炉内 良好的线性关系.不同有害元素入炉负荷对焦比影 有害元素循环富集倍数的平均值.因此，计算结果 响程度的强弱顺序为：Zm>Na>K.表8为不同有害元 可以很好的反映高炉内有害元素的循环富集倍数

工程科学学报，第 40 卷，第 9 期 图 5 不同有害元素循环富集倍数对焦比的影响 Fig． 5 Effect of harmful elements accumulation times on coke ratio 用曲线的斜率表示． 表 7 列出了不同有害元素循环 富集倍数对焦比的影响程度( 即曲线的斜率) ． 表 7 不同有害元素循环富集倍数对焦比的影响程度 Table 7 Effect of harmful elements accumulation times on coke ratio K2O Na2O Zn 0. 37 0. 62 0. 16 3. 2 有害元素入炉负荷的影响 有害元素入炉负荷对煤气利用率和高温区其他 有效热量消耗的影响如图 6 所示． 随着有害元素入 炉负荷的增大，煤气利用率下降，高温区其他有效热 量增加． 对于不同有害元素，在同一入炉负荷条件 下，Zn 对煤气利用率和高温区其他有效热量消耗的 影响程度要大于 Na 和 K． 图 6 不同有害元素入炉负荷对煤气利用率和高温区其他有效 耗热的影响 Fig． 6 Effect of harmful elements loads on gas utilization and heat consumption 图 7 显示了不同有害元素入炉负荷对焦比的影 响． 从图中可以看出，有害元素入炉负荷与焦比有 良好的线性关系． 不同有害元素入炉负荷对焦比影 响程度的强弱顺序为: Zn ＞ Na ＞ K． 表 8 为不同有害元 素入炉负荷对焦比的影响程度( 即曲线的斜率) ． 图 7 不同有害元素入炉负荷对焦比的影响 Fig． 7 Effect of harmful elements loads on coke ratio 表 8 不同有害元素入炉负荷对焦比的影响 Table 8 Effect of harmful elements loads on coke ratio K2O Na2O Zn 11. 5 19 30. 2 根据上述讨论可以计算出高炉中有害元素对焦 比的影响程度． 不同有害元素入炉负荷和富集循环 倍数对焦比的影响可由下式计算． ΔK = 0. 23XKYK + 0. 38XNaYNa + 0. 37XZnYZn ( 19) 此外，K、Na 等有害元素会与焦炭反应，破坏焦 炭结构，催化焦炭气化反应，引起焦比升高［8，14］． 许 多研究表明，K 对焦炭的劣化程度明显高于 Na 和 Zn，从对焦炭劣化程度考虑，K 在高炉内的循环富集 对焦比的影响程度更大． 3. 3 有害元素循环富集倍数的预测 前文计算结果显示了焦比与有害元素入炉负荷 和循环富集倍数存在定量的关系，因此可以利用焦 比和有害元素入炉负荷来确定其循环富集倍数． 表 9 列出了该高炉有害元素入炉负荷及焦比变化 情况． 将表中数据带入式( 19) 进行非线性回归分析， 得到 YK = 33，YNa = 44，YZn = 62． 图 8 显示了实际结 果与曲线拟合结果的对比情况． 从图中可以看出， 拟合结果与实际结果可以很好的吻合． 高炉解剖实 验表明［15--16］，K、Na 在高炉内的循环富集倍数在 40 ～ 50 倍，Zn 的循环富集倍数可达 80 倍，而通过模 型计算得到的循环富集倍数小于高炉解剖实验结 果． 这是由于高炉解剖实验得到的有害元素循环富 集倍数具有区域性，而计算过程中采用的是高炉内 有害元素循环富集倍数的平均值． 因此，计算结果 可以很好的反映高炉内有害元素的循环富集倍数． · 2601 ·