鋼鐵冶金學(xué)(煉鐵部分)

1、第一章 概論1、試述3種鋼鐵生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)。答：鋼鐵冶金的任務(wù)：把鐵礦石煉成合格的鋼。工藝流程：還原熔化過程（煉鐵）：鐵礦石去脈石、雜質(zhì)和氧鐵；氧化精煉過程（煉鋼）：鐵精煉（脫C、Si、P等）鋼。 高爐煉鐵工藝流程：對(duì)原料要求高，面臨能源和環(huán)保等挑戰(zhàn)，但產(chǎn)量高，目前來說仍占有優(yōu)勢，在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中發(fā)揮這重大作用。直接還原和熔融還原煉鐵工藝流程：適應(yīng)性大，但生產(chǎn)規(guī)模小、產(chǎn)量低，而且很多技術(shù)問題還有待解決和完善。2、簡述高爐冶煉過程的特點(diǎn)及三大主要過程。答：特點(diǎn)：在逆流（爐料下降及煤氣上升）過程中，完成復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)；在投入（裝料）及產(chǎn)出（鐵、渣、煤氣）之外，無法直接觀察爐內(nèi)反應(yīng)過程，只能憑借

2、儀器儀表簡介觀察；維持高爐順行（保證煤氣流合理分布及爐料均勻下降）是冶煉過程的關(guān)鍵。三大過程：還原過程：實(shí)現(xiàn)礦石中金屬元素（主要是鐵）和氧元素的化學(xué)分離；造渣過程：實(shí)現(xiàn)已還原的金屬與脈石的熔融態(tài)機(jī)械分離；傳熱及渣鐵反應(yīng)過程：實(shí)現(xiàn)成分與溫度均合格的液態(tài)鐵水。3、畫出高爐本體圖，并在其圖上標(biāo)明四大系統(tǒng)。答：煤氣系統(tǒng)、上料系統(tǒng)、渣鐵系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)。4、歸納高爐煉鐵對(duì)鐵礦石的質(zhì)量要求。答：高的含鐵品位。礦石品位基本上決定了礦石的價(jià)格，即冶煉的經(jīng)濟(jì)性。礦石中脈石的成分和分布合適。脈石中SiO2和Al2O3要少，CaO多，MgO含量合適。有害元素的含量要少。S、P、As、Cu對(duì)鋼鐵產(chǎn)品性能有害，K、Na、

3、Zn、Pb、F對(duì)爐襯和高爐順行有害。有益元素要適當(dāng)。Mn、Cr、Ni、V、Ti等和稀土元素對(duì)提高鋼產(chǎn)品性能有利。上述元素多時(shí)，高爐冶煉會(huì)出現(xiàn)一定的問題，要考慮冶煉的特殊性。礦石的還原性要好。礦石在爐內(nèi)被煤氣還原的難易程度稱為還原性。褐鐵礦大于赤鐵礦大于磁鐵礦，人造富礦大于天然鐵礦，疏松結(jié)構(gòu)、微氣孔多的礦石還原性好。冶金性能優(yōu)良。冷態(tài)、熱態(tài)強(qiáng)度好，軟化熔融溫度高、區(qū)間窄。粒度分布合適。太大，對(duì)還原不利；太小，對(duì)順行不利。5、試述焦炭在高爐煉鐵中的三大作用及其質(zhì)量要求。答：焦炭在高爐內(nèi)的作用：（1）熱源：在風(fēng)口前燃燒，提供冶煉所需的熱量；（2）還原劑：固體碳及其氧化產(chǎn)物CO是氧化物的還原劑；（3）

4、骨架作用：焦炭作為軟融帶以下唯一的以固態(tài)存在的物料，是支撐高達(dá)數(shù)十米料柱的骨架，同時(shí)又是煤氣得以自下而上暢通流動(dòng)的透氣通路；（4）鐵水滲碳。質(zhì)量的要求：粒度適中、足夠的強(qiáng)度、灰分少、硫含量少、揮發(fā)成分含量合適、反應(yīng)性弱（C+CO2=2CO）、固定C高等。6、試述高爐噴吹用煤粉的質(zhì)量要求。答：1、灰分含量低、固定碳量高；2、含硫量少；3、可磨性好；4、粒度細(xì)；5、爆炸性弱，以確保在制備及輸送過程中的人身及設(shè)備安全；6、燃燒性和反應(yīng)性好。7、熟練掌握高爐冶煉主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的表達(dá)方式。答：1、有效容積利用系數(shù)：每M3高爐有效容積每晝夜生產(chǎn)的合格鐵量(T/M3.d)。 2、焦比：冶煉每噸生鐵所消耗焦

5、炭的千克數(shù)(kg/T)。3、煤比：冶煉每噸生鐵所消耗的煤粉的千克數(shù)(kg/T)。4、燃料比(焦比+煤比+油比)：冶煉每噸生鐵所消耗的固體和液體燃料的總和(kg/T)。 5、綜合焦比(焦比+煤比×煤焦置換比)6、煤焦置換比：噴吹1kg煤粉所能替代的焦炭的kg數(shù)。一般為0.81.0(不包括褐煤)。7、焦炭冶煉強(qiáng)度：每M3高爐有效容積每晝夜燃燒的焦炭噸數(shù)(t/ M3.d)。通常為0.81.0t/M3.d。8、綜合冶煉強(qiáng)度：每M3高爐有效容積每晝夜燃燒的綜合焦炭的噸數(shù)(t/M3.d)。一般為0.91.15t/M3.d。9、利用系數(shù)、焦比及冶煉強(qiáng)度三者關(guān)系：純焦冶煉時(shí)，利用系數(shù)焦炭冶煉強(qiáng)度/焦

6、比；噴吹燃料時(shí)：利用系數(shù)綜合冶煉強(qiáng)度/綜合焦比。10、燃燒強(qiáng)度：每M3爐缸截面積每晝夜燃燒的焦炭的噸數(shù)(t/ M3.d)11、工序能耗Ci(燃料消耗+動(dòng)力消耗-回收二次能源)/產(chǎn)品產(chǎn)量(噸標(biāo)準(zhǔn)煤/T)，1kg標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量為29310 kJ(7000千卡)。注：1、把鐵礦石煉成合格的鋼：還原熔化過程（煉鐵）：鐵礦石去脈石、雜質(zhì)和氧鐵；氧化精煉過程（煉鋼）：鐵精煉（脫C、Si、P等）鋼。2、高爐原料：鐵礦石（凡是在當(dāng)前的技術(shù)條件下，可經(jīng)濟(jì)地提取出金屬鐵的巖石，稱為鐵礦石。地殼中Fe元素居第四位，占4.2 ；在鉄礦石中不存在純金屬的鐵，而是以氧化物、硫化物的形式存在；除含F(xiàn)e氧化物外，含有其他化合

7、物，統(tǒng)稱為脈石，常見的SiO2、Al2O3、CaO、MgO。）：天然富礦、人造富礦（燒結(jié)礦、球團(tuán)礦）；熔劑：堿性熔劑（石灰、石灰石、白云石）、酸性熔劑（硅石）、特殊熔劑（螢石）；其他含鐵代用品(要求含鐵梁高、雜質(zhì)少、有一定的塊度)：高爐和轉(zhuǎn)爐爐塵、殘鐵、軋鋼鐵皮、硫酸渣。3、鐵礦石的分類：赤鐵礦(Fe2O3)，理論含F(xiàn)e70，紅條痕，較軟，易還原；鐵礦(Fe3O4)，理論含F(xiàn)e72.4，黑條痕，較硬，難還原；褐鐵礦(xFe2O3.yH2O)，黃褐條痕，疏松多孔，易還原；菱鐵礦(FeCO3)，理論含F(xiàn)e48.2，灰黃條痕，焙燒后易還原。 由于地表的氧化作用，自然界中純磁鐵礦少見。磁鐵礦變成：半假

8、象赤鐵礦（Fe/FeO在3.5-7）或假象赤鐵礦（Fe/FeO>7）。所謂假象：化學(xué)成分：Fe3O4，結(jié)晶構(gòu)造不變，保持磁鐵礦特征。4、高爐燃料：氣體燃料（焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣）用于熱風(fēng)爐；固體燃料（焦炭、煤粉）用于高爐本體。第二章 鐵礦粉造塊1、試述高爐冶煉對(duì)含鐵原料的要求，如何達(dá)到這些要求？答：貧礦經(jīng)選礦后的精礦粉經(jīng)造塊（燒結(jié)或球團(tuán)過程），可改善礦石的冶金性能，脫去某些雜質(zhì)（S、P、K、Na等），并綜合利用大量粉塵和煙塵。2、簡述固相反應(yīng)的特點(diǎn)及對(duì)燒結(jié)反應(yīng)的影響。答：在一定溫度下，某些離子克服晶格結(jié)合力，進(jìn)行位置交換，并擴(kuò)散到與之相鄰的其它晶格內(nèi)的過程，稱為固相反應(yīng)。特點(diǎn)：反應(yīng)溫度遠(yuǎn)低

9、于固相反應(yīng)物的熔點(diǎn)或它們的低共熔點(diǎn)；溫度高有利于固相反應(yīng)的進(jìn)行；固相反應(yīng)受化學(xué)組成的影響，雖不能形成有效的固相連接，但為液相的生成提供了前提條件(低熔點(diǎn)的固相反應(yīng)產(chǎn)物)。3、簡述燒結(jié)礦的固結(jié)機(jī)理，何種液相利于燒結(jié)礦質(zhì)量的提高？答：固結(jié)機(jī)理：燒結(jié)物料中主要礦物是高熔點(diǎn)的，當(dāng)被加熱到一定溫度時(shí)，各組分間有了固相反應(yīng)，生成新的能與原組分形成具有低共熔點(diǎn)的化合物，使得它們?cè)谳^低的溫度下生成液相，開始熔融。熔融的液態(tài)物質(zhì)冷卻時(shí)成為那些尚未溶入液相的顆粒的堅(jiān)固的連接橋，從而實(shí)現(xiàn)固結(jié)。粘結(jié)相由鐵酸鈣組成?？墒篃Y(jié)礦的強(qiáng)度和還原性同時(shí)得到提高。這是因?yàn)椋鸿F酸鈣(CF)自身的強(qiáng)度和還原性都很好;鐵酸鈣是固相反應(yīng)

10、的最初產(chǎn)物，熔點(diǎn)低，生成速度快，超過正硅酸鈣的生成速度，能使燒結(jié)礦中的游離CaO和正硅酸鈣減少，提高燒結(jié)礦的強(qiáng)度;由于鐵酸鈣能在較低溫度下通過固相反應(yīng)生成，減少Fe2O3和Fe3O4的分解和還原，從而抑制鐵橄欖石的形成；改善燒結(jié)礦的還原性。4、 改善燒結(jié)料層透氣性的對(duì)策如何？5、試述燒結(jié)生產(chǎn)中“自動(dòng)蓄熱現(xiàn)象”揚(yáng)長避短的技術(shù)對(duì)策。答：揚(yáng)長：厚料層燒結(jié)技術(shù)正是基于自動(dòng)蓄熱技術(shù)的，為降低固體燃料提供了可能，也為低溫?zé)Y(jié)技術(shù)創(chuàng)造了有利條件。同時(shí)對(duì)改善燒結(jié)礦質(zhì)量亦有好處。避短：自動(dòng)蓄熱現(xiàn)象導(dǎo)致燒結(jié)料層上下熱量不均勻，上部熱量不足，下部過剩。所以應(yīng)該控制燃料在料層高度上的分布，以降低燃料消耗，節(jié)約能量。6

11、、試述低溫?zé)Y(jié)理論的要點(diǎn)。答：高堿度下生成的鈣的鐵酸鹽鐵酸鈣，不僅還原性好，而且強(qiáng)度也高。鐵酸鈣主要是由Fe2O3和CaO組成。燒結(jié)溫度超過1300后，F(xiàn)e2O3易發(fā)生熱分解，形成Fe3O4和FeO，而Fe3O4是不能與CaO結(jié)合的。相反，F(xiàn)eO的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致2FeOSiO2，CaOFeOSiO2的生成，從而惡化還原性。不同形態(tài)的鐵酸鈣組成的燒結(jié)礦，其質(zhì)量是不同的；而燒結(jié)溫度對(duì)鐵酸鈣的形態(tài)影響顯著。為了生成鐵酸鈣礦物，需要實(shí)現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)工藝。7、歸納影響燒結(jié)礦強(qiáng)度的因素。8、簡述影響燒結(jié)礦還原性的因素以及提高還原性的主攻方向。9、簡述鐵精礦粉的成球機(jī)理，并討論其影響因素。答：鐵精粉粒度小，表面能大

12、，存在著以降低表面張力來降低表面能的傾向，易發(fā)生吸附現(xiàn)象。含鐵粉料多為氧化礦物，易吸附水。其中部分水在微細(xì)空隙中產(chǎn)生凹液面，具有將細(xì)粒了擠向水滴而凝聚的作用。即毛細(xì)水對(duì)成球過程的主導(dǎo)作用。加水潤濕的同時(shí)，機(jī)械滾動(dòng)作用使靠水潤濕產(chǎn)生的母球被擠壓，毛細(xì)結(jié)構(gòu)變化，擠出毛細(xì)水，過濕表面又吸附分礦使母球長大。形成母球。母球是造球的核心，靠加水潤濕產(chǎn)生母球長大(機(jī)械力潤濕作用)。滾動(dòng)中壓緊毛細(xì)結(jié)構(gòu)變化擠出毛細(xì)水過濕表面又粘附粉礦母球長大生球壓實(shí)(機(jī)械力作用)。使礦粉顆粒以最緊密方式排列，最大限度發(fā)揮水的分子引力、毛細(xì)管力以及物料的摩擦阻力，使生球強(qiáng)度大大提高。10、簡述氧化球團(tuán)礦的焙燒固結(jié)機(jī)理。答：1）F

13、e2O3的微晶鍵連接：磁鐵礦生球在氧化氣氛中焙燒時(shí)，當(dāng)加熱到200300就開始氧化形成Fe2O3微晶。由于新生的Fe2O3微晶中原子遷移能力較強(qiáng)，在各個(gè)顆粒的接觸面上長大成“連接橋”（又稱Fe2O3微晶鍵），使顆?；ハ噙B接起來。在900以下焙燒時(shí)，這種連接形式使球團(tuán)礦具有一定的強(qiáng)度。但由于溫度低，F(xiàn)e2O3微晶長大有限，因此僅靠這種形式連接起來的球團(tuán)礦強(qiáng)度是不夠。2）Fe2O3的再結(jié)晶：當(dāng)磁鐵礦生球在氧化性氣氛下繼續(xù)加熱到10001300時(shí)，磁鐵礦可全部轉(zhuǎn)變成赤鐵礦，而由磁鐵礦氧化形成的Fe2O3微晶開始再結(jié)晶，使一個(gè)個(gè)相互隔開的微晶長大成連成一片的赤鐵礦晶體，使球團(tuán)礦具有很高的氧化度和強(qiáng)度。

14、3)在缺乏氧氣的地方溫度達(dá)到一定水平時(shí)，磁鐵礦顆粒也能夠通過擴(kuò)散產(chǎn)生Fe3O4晶鍵連接，然后再更高溫度下，發(fā)生Fe3O4的再結(jié)晶和晶粒長大，使磁鐵礦顆粒結(jié)合成一個(gè)整體。4）液相粘結(jié)：兩顆礦粒被液相粘結(jié)起來，如果生產(chǎn)酸性球團(tuán)礦，在氧化氣氛中，可能產(chǎn)生的液相為低熔點(diǎn)的脈石礦物或添加劑藻土等。在中性或弱還原性氣氛中焙燒，則磁鐵礦與脈石中的二氧化硅反應(yīng)，產(chǎn)生2FeO.SiO2液相。注：1、燒結(jié)礦加入CaO，還原性；球團(tuán)礦加入MgO，軟熔性能。2、散粒物料聚結(jié)現(xiàn)象是顆粒間相互聯(lián)結(jié)力與相互排斥力作用的結(jié)果，結(jié)合力 聯(lián)結(jié)力排斥力(重力)。3、燒結(jié)過程礦層分布：燒結(jié)礦層上冷下熱，約4050 mm為脆性層(T低

15、、急冷)，冷燒結(jié)礦層和熱燒結(jié)礦層；燃燒層即燒結(jié)層，厚度約為1550mm，溫度為11001400，主要反應(yīng)為燃燒反應(yīng)；預(yù)熱層厚度為2040 mm，特點(diǎn)是熱交換劇烈，溫度快速下降，主要反應(yīng)為水分蒸發(fā)、結(jié)晶水及石灰石分解、礦石氧化還原及固相反應(yīng)；冷料層即過濕層，上層帶入的水分由于溫度低而凝結(jié)，過多的重力水使混合料小球被破壞影響料層透氣性；墊底料層為保護(hù)燒結(jié)機(jī)爐篦子不因燃燒帶下移而燒壞。4、a)磁鐵礦、赤鐵礦、鐵酸一鈣、鐵橄欖石有較高強(qiáng)度，其次為鈣鐵橄欖石及鐵酸二鈣，最差的是玻璃相。b)赤鐵礦、磁鐵礦和鐵酸一鈣容易還原，鐵酸二鈣還原性較差，玻璃體、鈣鐵橄欖石、鈣鐵輝石，特別是鐵橄欖石難以還原。c)燒結(jié)

16、礦中以強(qiáng)度好的組分為主要粘結(jié)相，燒結(jié)礦的強(qiáng)度就好。以還原性好的組分為主要粘結(jié)相，且氣孔率高、晶粒嵌布松弛、裂紋多的燒結(jié)礦易還原。5、欲提高產(chǎn)量，需改善料層透氣性；可提高抽風(fēng)負(fù)壓；透氣性和負(fù)壓不變時(shí)，增加料層高度會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量下降；透氣性指數(shù)P與燒結(jié)料粒徑d成正比，與料層孔隙率成正比。6、“自蓄熱作用”，即隨燒結(jié)礦層的下移，料層溫度最高值逐漸升高。自蓄熱來源于被上層熱燒結(jié)礦預(yù)熱了的空氣以及自上層帶入的熱廢氣加熱冷料的作用?！白孕顭嶙饔谩笔呛窳蠈訜Y(jié)技術(shù)的理論基礎(chǔ)。厚料層燒結(jié)可降低能源以及提高成品率。燒結(jié)自動(dòng)蓄熱作用，為降低固體燃料提供了可能，也為低溫?zé)Y(jié)技術(shù)創(chuàng)造了有利條件。7、HPS（小球燒結(jié)法）：

17、將燒結(jié)混合料用圓盤造球機(jī)預(yù)先制成一定粒度的小球(粒度上限為68mm)，然后使小球外裹部分燃料，最后鋪在燒結(jié)臺(tái)車上進(jìn)行燒結(jié)的造塊新工藝。8、球團(tuán)礦機(jī)械強(qiáng)度好，粒度均勻。按固結(jié)方式分類氧化焙燒球團(tuán)、冷固球團(tuán)；按堿度分類酸性球團(tuán)、熔劑性球團(tuán)。9、生球干燥目的：避免焙燒過程的急速加熱而使球團(tuán)爆裂；促進(jìn)添加劑的粘結(jié)橋形成，以獲得生球的熱強(qiáng)度。10、硫在鋼凝固過程中以FeFeS共晶形式凝固在晶界上，在加熱過程中先熔化，造成“熱脆”現(xiàn)象。磷化物聚集在晶界周圍減弱晶粒間結(jié)合力，使鋼冷卻時(shí)發(fā)生很大的脆性，從而導(dǎo)致鋼的“冷脆”現(xiàn)象。當(dāng)銅含量超過0.3%時(shí)，鋼的焊接性能降低，并產(chǎn)生“熱脆”現(xiàn)象。鉛的密度大于鐵水，極

18、易滲入磚縫，破壞爐底砌磚。另外，鉛在高爐內(nèi)有富集現(xiàn)象，造成高爐結(jié)瘤。鋅在高爐內(nèi)有揮發(fā)現(xiàn)象，在爐內(nèi)低溫處可冷凝沉淀，使磚縫膨脹，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起高爐結(jié)瘤。砷能使鋼增加脆性，并使鋼的焊接性能變壞。氟過高會(huì)使?fàn)t內(nèi)成渣過早，不利于礦石還原，且其渣會(huì)侵蝕高爐風(fēng)口及爐襯。氟有循環(huán)富集現(xiàn)象，與堿金屬結(jié)合是造成高爐結(jié)瘤的原因之一。堿金屬在爐內(nèi)有“自動(dòng)富集”傾向，會(huì)破壞爐襯，造成爐墻結(jié)厚和結(jié)瘤；破壞焦炭的高溫強(qiáng)度，擴(kuò)大直接還原，導(dǎo)致焦比上升；降低人造富礦的熱強(qiáng)度，破壞高爐順行。11、廣義的爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化概念：各種含鐵原料的搭配模式、各種含鐵原料質(zhì)量的優(yōu)化、基于成本合理的爐料構(gòu)成。內(nèi)容：資源條件、原料特性、高爐需求。第

19、三章 高爐冶煉過程的物理化學(xué)1、結(jié)合鐵礦石在高爐不同區(qū)域內(nèi)形狀變化（固態(tài)、軟熔、成渣）闡述鐵氧化物還原的全過程，及不同形態(tài)下還原的主要特征。答：高爐還原過程是鐵礦石下落、軟熔、滴落、成渣伴隨著與CO、H2和固體焦炭的還原反應(yīng)的過程：固態(tài)鐵礦石階段，溫度比較低，爐料上升來的CO、H2間接還原固態(tài)鐵礦石生成固態(tài)海綿鐵，固態(tài)海綿鐵·催化2CO=CO2+C的析碳反應(yīng)，即滲碳。這使固態(tài)海綿鐵的熔點(diǎn)降低，伴隨著向下運(yùn)動(dòng)和溫度升高而軟熔、滴落，促進(jìn)間接還原、和初渣的形成；軟熔并滴落的同時(shí)，初渣形成。初渣在滴落的同時(shí)，尚未還原的FeO、MnO等與煤氣和焦炭接觸反應(yīng)，為間接還原和直接還原并存的階段；成

20、渣過程繼續(xù)進(jìn)行，熔融態(tài)的渣鐵下降到爐子下部與焦炭發(fā)生直接還原。2、何謂“間接”、“直接”還原? 在平衡狀態(tài)、還原劑消耗量及反應(yīng)的熱效應(yīng)等方面各有何特點(diǎn)？答：間接還原：還原劑為氣態(tài)的CO或H2，還原產(chǎn)物為CO2或H2O，不直接消耗固體碳，但還原劑需要過剩系數(shù)(n1)，還原反應(yīng)既有吸熱也有放熱反應(yīng)，其中還原劑消耗量可由高溫區(qū)還原產(chǎn)生的CO提供。直接還原：還原劑為碳素，還原產(chǎn)物為CO，直接消耗固體碳，伴隨著強(qiáng)烈的吸熱，但還原劑不需要過剩系數(shù)(n = 1)。需額外消耗碳來補(bǔ)充能量，還原劑由外提供固體碳素。3、試比較兩種氣態(tài)還原劑CO、H2在高爐還原過程中的特點(diǎn)。答：（1）用CO還原，除Fe3O4 Fe

21、O外，均為放熱反應(yīng)；用H2還原，全部曲線向下斜，均為吸熱反應(yīng)；（2）低于810，CO的還原能力> H2的還原能力，反之則反；（3）CO作為還原劑， FeO Fe位置最高，最難還原；H2作為還原劑，F(xiàn)e3O4Fe位置最高，最難還原（4）H2分子量小，粘度低，易擴(kuò)散，故其還原的動(dòng)力學(xué)條件較好。理論上，570以下也可還原出金屬Fe，實(shí)際上動(dòng)力學(xué)條件差，很難還原出金屬Fe。Fe2O3極易還原，Kp很大，平衡還原劑濃度很低，曲線幾乎與橫軸重合。實(shí)際還原劑需要量是由FeOFe這一步?jīng)Q定的!高爐內(nèi)除Fe2O3Fe3O4外，還原反應(yīng)均為可逆反應(yīng)，還原劑CO、H2需要過量。即氣相還原有一個(gè)過剩系數(shù)。4、當(dāng)

22、前世界上大多數(shù)高爐在節(jié)約碳素消耗方面所共同存在的問題是什么？如何解決？答：適宜直接還原度和最低碳素消耗歷史上曾出現(xiàn)過兩種絕對(duì)化觀點(diǎn)，認(rèn)為高爐的理想行程應(yīng)該是：其一(法國的學(xué)者)，認(rèn)為100%的間接還原好，因?yàn)橹苯舆€原劇烈耗熱；其二(荷蘭的學(xué)者)，認(rèn)為100%的直接還原好，因?yàn)殚g接還原劑用量多。分析可知，高溫區(qū)直接還原的產(chǎn)物CO上升到高爐上部(中、低溫區(qū))仍可參與間接還原，這樣既節(jié)約了還原劑又少消耗了熱量。理想行程應(yīng)該是：直接還原產(chǎn)生的CO和用于提供熱量消耗產(chǎn)生的CO剛好滿足間接還原和高爐對(duì)總的熱量的需要。降低高爐燃料比的方向研究如何降低rd和Q。5、從“未反應(yīng)核模型”以及逆流式散料床的還原過程

23、特點(diǎn)出發(fā)，如何改善氣固相還原過程的條件、提高反應(yīng)速率，以提高間接還原度？答：1. 改善礦石性質(zhì)（1）提高礦石的孔隙度（氣孔率）特別是微氣孔率，可以改善氣體內(nèi)擴(kuò)散條件，提高內(nèi)擴(kuò)散速度。（2）縮小礦石粒度（包含均勻性），可增加還原氣體同礦石的接觸面積，減小還原產(chǎn)物層厚度，縮短還原氣體到達(dá)未反應(yīng)核界面和氣體產(chǎn)物自內(nèi)向外逸出的途徑。但礦石粒度不能過小，否則將惡化高爐內(nèi)氣體力學(xué)條件，影響煤氣分布和高爐順行，反過來阻礙還原。同時(shí)將增加爐塵吹出量。（3）改善礦石礦物組成，減少組織致密、結(jié)構(gòu)復(fù)雜而易熔的鐵橄欖石（Fe2SiO4）類型難還原礦物，可加速礦石的還原。2. 控制氣流條件（1）保證足夠高的煤氣溫度是進(jìn)

24、行界面還原反應(yīng)的必備條件。提高溫度對(duì)改善擴(kuò)散和加速還原反應(yīng)，特別是在反應(yīng)處于動(dòng)力學(xué)范圍時(shí)，效果十分顯著。（2）控制煤氣流速。在臨界流速范圍內(nèi)，提高煤氣流速，有利邊界層外擴(kuò)散的進(jìn)行，可促進(jìn)還原。（3）控制煤氣的壓力。在動(dòng)力學(xué)范圍，提高壓力可加速還原。（4）提高煤氣中還原性氣體CO和H2的濃度，可以增大邊界層與化學(xué)反應(yīng)界面的濃度差，從而加速還原氣體向反應(yīng)界面的擴(kuò)散，提高還原速度。6、何謂耦合反應(yīng)？其基本原理是什么？在什么條件下必須考慮其影響？答：耦合反應(yīng)：體系中若存在兩個(gè)或兩個(gè)以上的反應(yīng)a、b，其中反應(yīng)a單獨(dú)存在時(shí)不能自動(dòng)進(jìn)行，若反應(yīng)a至少有一個(gè)產(chǎn)物是反應(yīng)b的反應(yīng)物，反應(yīng)b的存在使得反應(yīng)a可以自動(dòng)

25、進(jìn)行。這種現(xiàn)象叫做反應(yīng)的耦合。這些反應(yīng)統(tǒng)稱為耦合反應(yīng)?；驹恚籂t渣由離子組成，鐵液由原子組成，渣鐵間的質(zhì)量交換必然涉及電子的傳遞，其本質(zhì)是電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行?？紤]影響：當(dāng)系統(tǒng)中有多種組元存在時(shí)，必須考慮耦合反應(yīng)的影響，此時(shí)各組元之間的相互反應(yīng)首先要滿足耦合反應(yīng)平衡常數(shù)的要求，而遠(yuǎn)離簡單反應(yīng)的平衡常數(shù)。7、風(fēng)口前焦炭循環(huán)區(qū)的物理結(jié)構(gòu)如何？風(fēng)口前碳的燃燒在高爐過程中所起的作用是什么？答：燃燒帶：風(fēng)口前碳被氧化而氣化的區(qū)域，又叫風(fēng)口回旋(循環(huán))區(qū)。它是高爐內(nèi)唯一的氧化區(qū)域，故又稱氧化帶。大小用風(fēng)口回旋區(qū)長度表示。實(shí)際用CO2%下降到1%處為回旋區(qū)的界線。風(fēng)口噴吹補(bǔ)充燃料（煤粉、重油和天然氣等）先熱解

26、后燃燒。75%的焦炭達(dá)到風(fēng)口處燃燒，其他參與還原汽化、滲碳?；匦齾^(qū)主要產(chǎn)物是CO、少量的H2及風(fēng)中大量的N2。風(fēng)口燃燒帶的作用：1）提供熱源2）提供還原劑3）提供爐料下降的空間。8、造渣在高爐冶煉過程中起何作用？答：造渣的目的：（1）渣鐵分離；（2）調(diào)節(jié)爐渣成分，完成某些物理化學(xué)反應(yīng)，保證生鐵質(zhì)量要求。爐渣的作用：(1)實(shí)現(xiàn)鐵水與脈石分離；(2)完成渣鐵間的脫硫SS2；(3)調(diào)整鐵水成分：煉制鋼鐵造堿性渣鑄造鐵、造酸性渣；(4)促進(jìn)高爐順行：下部透氣性良好；(5)保護(hù)高爐爐襯：爐腹部分磚襯開爐后12月即全部被侵蝕，僅靠爐渣來保護(hù)，形成“渣皮”自我保護(hù)；(6)護(hù)爐：含TiO2爐料，使（TiO2）

27、=23%。Ti=0.050.20%；(7)洗爐：錳礦、螢石、高FeO均熱爐渣等。9何謂“熔化”及“熔化性溫度”？二者的異同及對(duì)冶煉過程的意義，是否熔化溫度越低越好？為什么？答：爐渣的熔化溫度：是指爐渣在受熱升溫過程中固相完全消失的最低溫度，即相圖上液相線溫度。爐渣的熔化性溫度：是理論上講爐渣完全熔化的最低溫度，指爐渣可以自由流動(dòng)的最低溫度。在高爐冶煉中，熔化性溫度，更具有實(shí)際意義。爐渣溫度必須高于液相線溫度，才可能有流動(dòng)性。但高于液相線溫度的爐渣并非都具有足夠的流動(dòng)性。要有足夠的過熱度才能使?fàn)t渣流動(dòng)。熔化性溫度的確定：堿性渣：（“短渣”）： t轉(zhuǎn)是熔化性溫度。酸性渣：（“長渣”）：t曲線上斜率

28、為1（傾角135 º）的切線點(diǎn)的溫度，即為t熔化性。短渣：溫度降低到一定值后，粘度急劇上升的爐渣，堿性渣多為短渣。長渣：溫度降低粘度上升緩慢的爐渣，酸性渣多為長渣。高爐冶煉要求爐渣具有適當(dāng)?shù)娜刍瘻囟龋篢熔過高： 爐料過分難熔、粘滯“難行”；渣鐵分離困難，鐵水質(zhì)量難保合格；T熔太低： 軟熔帶位置過高，熔滴溫度過低，煤氣阻損增大順行困難。10、爐渣“粘度”的物理意義是什么？以液態(tài)爐渣的微觀結(jié)構(gòu)理論，解釋在粘度上的種種行為。答：粘度：流體單位速度梯度、單位面積上的內(nèi)摩擦力。(牛頓流體)單位（·） (N·s/m2，kg·m-1·s-1)，1 Pa

29、83;s = 10泊(Poise)。一般以·為好。爐渣粘度過大：爐料下降、煤氣上升困難，易產(chǎn)生“液泛”，渣鐵分離效果不好，反應(yīng)速度降低。液態(tài)爐渣的微觀結(jié)構(gòu)理論： =Aexp(E/RT)。影響爐渣粘度的因素：溫度T、爐渣堿度R 、渣中其它成分。酸性渣：（Si-O陰離子形成四面體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)）、酸性渣中加入CaO、MgO破壞網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 下降。堿性渣：堿性渣，高溫下粘度小。隨R 。(原因是R CaO、MgO 固體懸浮質(zhì)點(diǎn))此外：Al2O3、TiO3導(dǎo)致升高，K2O、Na2O 導(dǎo)致 。K2O、Na2O降低的作用比較小，且危害大。Al2O3 導(dǎo)致 原因：在堿性渣中Al2O3呈現(xiàn)酸性，其陰離子三長鍵結(jié)

30、構(gòu)(但影響小于Si-O四長鍵)TiO2 導(dǎo)致 原因：還原的Ti與C、N生成碳氮化物，熔點(diǎn)高，易析出固相質(zhì)點(diǎn)，TiC的T熔(3140)，TiN的T熔(2930)CaF2 (螢石) 導(dǎo)致 原因：F是電極電位正值最大的元素，得到電子的傾向最強(qiáng)，2個(gè)F-可以取代一個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的-O-位置，造成斷口生成的自由O2-又可以去破壞另一個(gè)-O-鍵。11、何謂液態(tài)爐渣的“表面性質(zhì)”？表面性能不良會(huì)給冶煉過程造成哪些危害？答：表面張力表，與界面張力界液相/氣相之間表面張力：渣/氣=0.20.6N/m液相/液相之間界面張力：渣/鐵=0.91.2 N/m表面張力表：生成單位面積的液相與氣相的新交界面所消耗的能量。界面張

31、力界：在液態(tài)渣鐵之間形成單位面積界面所消耗的能量。危害：表：表面張力小，爐內(nèi)易產(chǎn)生液泛現(xiàn)象和泡沫渣(煉鐵)、爐外易起泡造成渣溝或渣罐外溢 危害。在爐外易形成泡沫渣、乳化渣(如煉鋼)。 界：界面張力小 渣中帶鐵，渣鐵分離困難。12.與煉鋼過程比較，高爐冶煉的條件對(duì)爐渣去硫反應(yīng)的利弊如何？答：脫硫離子反應(yīng)式：S+(O2-)(S2-)+O Go=124455-50.20T（1）溫度T：脫硫?yàn)槲鼰岱磻?yīng) T LS （2）爐渣堿度：Ra(O2-) LS 提供(O2-)能力： CaO > MnO > MgO，如煉Mn鐵高爐，渣中(MnO)多，故脫硫好。SiO2和Al2O3酸性氧化物消耗(O2-)

32、，脫硫不利。（3）氣氛氧勢%O ：%O LSa. 還原性氣氛，渣中(FeO)%O ；b. C、Si、Mn高，直接還原、耦合反應(yīng)。高爐脫硫熱力學(xué)優(yōu)于轉(zhuǎn)爐：依據(jù)熱力學(xué)計(jì)算高爐LS = 50100，轉(zhuǎn)爐LS = 110。13.、循環(huán)富集對(duì)高爐爐冶煉的危害。答：(1) 破壞爐料強(qiáng)度： 焦炭吸收K、Na后，會(huì)形成塞入式化合物KC6、KC8、KC12、KC24等，一方面使焦炭變得疏松；另一方面使焦炭反應(yīng)性增大，導(dǎo)致碳熔損反應(yīng)量增大。其結(jié)果是造成焦炭高溫強(qiáng)度急劇下降； K、Na及其低沸點(diǎn)化合物沉積于爐料表面和孔隙，特別是鉆入Fe2O3晶格內(nèi)，將使球團(tuán)礦異常膨脹，高堿度燒結(jié)礦粉化。(2) 使軟熔帶位置升高，厚

33、度增加，初渣形成早，對(duì)造渣不利： FeXO、SiO2、K2O可形成熔點(diǎn)為700左右的玻璃渣相； 低熔點(diǎn)渣相糊住海綿鐵表面，使?jié)B碳、滴落困難，使軟熔帶的下沿溫度提高。(3) K、Na促進(jìn)碳素沉積反應(yīng)2CO=CO2+C的進(jìn)行(催化作用)，并使得高爐上部的還原速度加快(K、Na催化還原FeO)；(4) 使?fàn)t襯破裂，爐墻結(jié)厚甚至結(jié)瘤： K、Na蒸汽滲入磚縫，氧化沉積，伴隨碳素沉積引起膨脹； 與磚襯形成低熔點(diǎn)物質(zhì)FeXO、SiO2 K2O，引起渣化； 當(dāng)爐況不順、發(fā)生懸料時(shí)，煤氣橫向擴(kuò)散，結(jié)果低熔點(diǎn)物質(zhì)FeXO、SiO2、K2O粘附焦末、礦末后，生成瘤根，久之造成結(jié)厚甚至結(jié)瘤。(5) 使整個(gè)料柱的透氣性

34、降低，高爐順行急劇惡化： 使?fàn)t料強(qiáng)度變壞，上部透氣性降低； 使初渣形成早，軟熔帶位置高且厚，煤氣阻損大大增加； 含K、Na爐渣的表面張力小，易泡沫化產(chǎn)生“液泛”，使中、下部透氣性降低； 焦炭高溫強(qiáng)度下降后，高爐下部透氣性變差。降低K、Na循環(huán)危害的措施1) 限制爐料帶入的堿量： 堿負(fù)荷< 35 kg/thm；2) 增大爐渣排出的堿量： 低堿度、酸性渣操作； 增加渣中(%MgO)，使K2O、Na2O活度降低，爐渣固堿能量增強(qiáng)； 增大渣量。注：1、由于某種原因，當(dāng)結(jié)晶水(20%50%)析出過晚，在800的高溫區(qū)析出時(shí)，則會(huì)發(fā)生水煤氣反應(yīng)H2O+C=H2+CO 7285 kJ/kgH2O (5

35、860 kJ/m3H2O)。危害：強(qiáng)烈吸熱，消耗大量高溫區(qū)寶貴熱量；消耗固體碳素C，破壞焦炭強(qiáng)度；產(chǎn)生的還原性煤氣H2、CO在上升過程中利用率不高。(高爐中下部冷卻器漏水時(shí)，也會(huì)發(fā)生類似問題。)2、爐料中碳酸鹽來源：生熔劑(石灰石、白云石)、天然塊礦。大約50%左右的CaCO3在1000以上的高溫區(qū)發(fā)生分解，CaCO3高溫分解產(chǎn)生的CO2在爐內(nèi)與C會(huì)發(fā)生碳素熔損反應(yīng)：CO2+C=2CO 165.7 kJ/mol。危害：分解反應(yīng)本身要消耗高爐內(nèi)的熱量；分解反應(yīng)放出的CO2沖淡了還原氣體的濃度；與碳反應(yīng)強(qiáng)烈吸熱，消耗大量高溫區(qū)寶貴熱量；消耗固體碳素C，減少還原和熱量作用的碳素；破壞焦炭強(qiáng)度(使得焦

36、炭料柱骨架作用減弱)。 對(duì)策: 高爐應(yīng)盡量使用全熟料(高堿度燒結(jié)礦或自熔性燒結(jié)礦配加酸性氧化球團(tuán)礦)入爐，以少加或不加石灰石；以生石灰(CaO)代替石灰石；適當(dāng)減少石灰石的粒度。3、高爐上部發(fā)生著一定程度的析碳反應(yīng)：2CO=CO2 + C +165.7 kJ/mol T400600。危害：此反應(yīng)消耗高爐上部的氣體還原劑CO；滲入磚襯縫隙的CO在析出固體碳時(shí)，產(chǎn)生膨脹，破壞爐襯；在爐料孔隙內(nèi)發(fā)生的析碳，可能使?fàn)t料破碎、產(chǎn)生粉末，阻礙煤氣流；析碳反應(yīng)生成的細(xì)微碳粉阻塞爐料間空隙，使?fàn)t料透氣性降低。此反應(yīng)在高爐內(nèi)的熱力學(xué)條件尚可，但動(dòng)力學(xué)條件不足。反應(yīng)量較少對(duì)高爐冶煉進(jìn)程影響不大!4、少量低沸點(diǎn)物質(zhì)

37、在高爐中可發(fā)生氣化(蒸發(fā)或升華)。危害: “循環(huán)富集”， 下部氣化、上部冷凝；滲入磚襯縫隙，破壞爐襯；阻塞爐料孔隙，降低爐料強(qiáng)度，增加煤氣流阻力。導(dǎo)致高爐難行、懸料、爐墻結(jié)厚及結(jié)瘤等。對(duì)策：限制入爐量；增大隨爐頂煤氣逸出的量T或V增大 ；增加隨爐渣排出的量R減小或渣量增加。5、Fe2O3六方晶系，含氧量30.06%；Fe3O4立方晶系，含氧量27.64%；FexO(浮氏體)立方晶系，x=0.870.95，(含氧量23.17%24.77%) 為方便起見，常簡寫為FeO。Fe2O3在較低溫度下極易還原: Fe2O3 Fe3O4 ，體積膨脹。低溫下，F(xiàn)exO不能穩(wěn)定存在，溫度570時(shí)，分解: Fe3

38、O4+Fe。還原順序：570，F(xiàn)e2O3Fe3O4Fe；570，F(xiàn)e2O3Fe3O4FexOFe；570，F(xiàn)exOFe3O4+Fe。6、100%被還原的元素有：Cu、P、Ni (與Fe形成合金)；Pb (比重大，沉積于爐底)；Zn (揮發(fā)，循環(huán))。部分被還原的元素有：Mn50%85%，Si5%20%，V75%85%，Ti2%15%。不能被還原的元素有：MgO、CaO、Al2O3。MnO與FeO相比，更難還原，在高爐內(nèi)無法間接還原，而為直接還原。為使MnO充分還原：提高爐溫提高爐渣堿度適當(dāng)提高渣中Al2O3含量 提高生鐵含Si量。7、在低溫區(qū)域，還原出的Fe呈固態(tài)多孔，叫海綿鐵；由于2CO=CO

39、2C反應(yīng)在低溫下易進(jìn)行，析出碳黑；新生的Fe對(duì)上述析碳反應(yīng)有催化左右；海綿鐵與碳發(fā)生滲C反應(yīng)：3Fe+C =Fe3C；反應(yīng)平衡時(shí)，海綿鐵中含C量最高可達(dá)1.5%；由于海綿鐵滲C后，熔點(diǎn)不斷降低，逐漸熔化成液態(tài)鐵水；海綿鐵在熔化過程中繼續(xù)滲C，液態(tài)鐵水含C可達(dá)4%左右。鐵水滲C反應(yīng)受溫度及其它元素影響。8、爐渣的性能要求：流動(dòng)性好：在冶煉溫度下，熔化性溫度適宜，粘度小化學(xué)反應(yīng)能力強(qiáng)：渣焦固/液反應(yīng)，渣鐵耦合反應(yīng)，脫硫反應(yīng)表面性質(zhì)優(yōu)良：表面、界面張力小，渣鐵、渣氣易分離順暢穩(wěn)定性好：能適應(yīng)冶煉條件在一定范圍內(nèi)的變化。爐渣形成過程：初渣 中間渣 終渣。初渣：最初形成于軟熔帶上沿，至軟熔帶下沿開始滴落

40、。特點(diǎn)：FeO高，一般1030 %，熔融狀態(tài)，流動(dòng)性差。中間渣：初渣到終渣，從軟熔帶下沿滴落開始直至爐缸。特點(diǎn)：成分與特性都是不斷變化的。終渣：爐缸積存的渣，從渣口或鐵口放出的爐渣。特點(diǎn)：成分穩(wěn)定，F(xiàn)eO最低，一般0.5 %。日?；?yàn)的爐渣成分即指終渣。初渣中總是含有較高的FeO，礦石越難還原，初渣中FeO就越高。這是初渣與終渣在化學(xué)成分上的最大差別。高爐內(nèi)生成初渣的區(qū)域過去稱為成渣帶，現(xiàn)在叫做軟熔帶。硫負(fù)荷：高爐冶煉每噸生鐵由爐料帶入的的硫的千克數(shù)。堿負(fù)荷：入爐料中堿金屬氧化物(K2O+Na2O)的總量，kg/t鐵。9、影響燃燒帶大小的因素 鼓風(fēng)動(dòng)能E ：E 燃燒帶擴(kuò)大； 燃燒反應(yīng)速度：燃燒

41、帶，T；O2 (富氧)；煤粉細(xì)磨和預(yù)熱、重油霧化 。 熱風(fēng)組成為：O2 + N2 + H2O；爐缸煤氣組成： CO +H2+N2。10、t理 燃燒焦點(diǎn)的溫度，俗稱風(fēng)口火焰溫度。熱收入： 碳素燃燒生成CO時(shí)產(chǎn)生的熱量Q1 ；焦炭進(jìn)入風(fēng)口區(qū)帶入的物理熱量Q2 ；鼓風(fēng)帶入的物理熱量Q3 。熱支出：鼓風(fēng)與噴吹燃料中水分的分解熱Q4 ；噴吹燃料的分解熱Q5 ；煤氣帶走熱： t理V缸C煤氣。煤氣上升過程中量及成分的變化爐缸煤氣量>> 鼓風(fēng)量，兩者的差異程度受風(fēng)中含氧和濕度的影響爐頂煤氣量>> 爐缸煤氣量，兩者的差異程度受碳素熔損反應(yīng)、水煤氣反應(yīng)、碳酸鹽分解反應(yīng)的影響。降低燃料比的途

42、徑：（1）降低直接還原度，發(fā)展間接還原；（2）降低作為熱量消耗的碳量，減小熱損失。降低高爐燃料比的具體對(duì)策：（1）高風(fēng)溫，降低作為熱量消耗的碳量；（2）高壓操作，風(fēng)壓不變條件下，高壓操作后有利高爐順行，煤氣利用率升高；抑制碳的熔損反應(yīng)，有利于發(fā)展間接還原；Si的還原減少，耗熱減少；爐塵吹出量減少，碳損降低；煤氣停留時(shí)間長有利于間接還原（3）綜合鼓風(fēng)，脫濕鼓風(fēng)有利于減少水分的分解耗熱，降低燃料比；富氧鼓風(fēng)與噴煤相結(jié)合，提高風(fēng)口前煤粉燃燒率；適當(dāng)增加煤氣中H2含量，有利于發(fā)展間接還原（4）精料：提高含鐵品位，降低渣量，熱量消耗減少；改善原料冶金性能，提高還原度，發(fā)展間接還原；加強(qiáng)原料整粒，提高強(qiáng)度

43、，改善料柱透氣性；改善焦炭質(zhì)量（尤其是高溫性能：反應(yīng)性、反應(yīng)后強(qiáng)度），強(qiáng)化焦炭骨架作用，降低焦炭灰分；合理爐料結(jié)構(gòu)；控制軟熔帶厚度，減小煤氣阻力損失；降低S負(fù)荷，減小脫S耗熱。改善煤粉燃燒性（助燃劑等），降低灰分。第四章 高爐冶煉過程的傳輸現(xiàn)象1.寫出歐根公式，說明式各因子的物理意義，指出該式對(duì)高爐作定性分析時(shí)適用的區(qū)域，并從爐料和煤氣兩方面分析影響P的因素及改善爐內(nèi)透氣性的主要途徑。答：歐根公式：式中：P/L 散料層的壓力降梯度(N/m2/m)； 氣體粘度(Pa·s)；空氣體的空爐流速(m/s)；de 顆粒的當(dāng)量直徑(m)； 氣體密度(kg/m3)； 散料層的空隙率()； 顆粒的形

44、狀系數(shù)()。第一項(xiàng)代表層流情況，第二項(xiàng)代表紊流情況。高爐煤氣流速可高達(dá)1020m/s，相應(yīng)的Re10003000，高爐處于紊流狀態(tài)，故公式第一項(xiàng)可舍去，簡化為：P/L=。影響因素：爐料方面A.形狀系數(shù)：一般無法調(diào)節(jié)。B.粒度的影響：從P角度出發(fā)，de,但是從還原和傳熱的角度de，因此矛盾。一般是保證傳熱和改善間接還原，即使用較小粒度的礦石。改善透氣性的重點(diǎn)是增加孔隙率。C.影響最大：要求入爐爐料粒度均勻，無粉末。增大的具體方法：整粒按粒度分級(jí)入爐使?fàn)t料具有較高機(jī)械性能。煤氣方面：A. 煤氣密度g 一般情況下是無法調(diào)節(jié)的。D. 煤氣流速是決定性的影響因素：a. 提高風(fēng)口前氣體溫度T氣體膨脹空P;

45、b.爐頂壓力壓縮爐內(nèi)煤氣體積空P。歐根公式可以定性分析高爐產(chǎn)量的極限。歐根公式只適用于爐身上部沒有爐渣和鐵水的“干區(qū)”。透氣性指數(shù)：2.運(yùn)用楊森公式分析影響散料層內(nèi)爐料下降的因素。答：楊森公式:式中： 逆流運(yùn)動(dòng)中的摩擦系數(shù)；n 逆流運(yùn)動(dòng)中的側(cè)壓力系數(shù)；D 爐體直徑；H 爐體高度；P/H 煤氣的壓降梯度。分析影響爐料下降的因素： 爐型：矮胖型高爐D第一項(xiàng)增加，第二項(xiàng)減小 w有效 (但不要忽略爐身預(yù)還原的高度)。 爐墻結(jié)厚或結(jié)瘤時(shí)，不利于爐料下降。 負(fù)荷加重時(shí)(焦炭 礦石)，r料 w有效。 P 時(shí)， 煤氣流對(duì)料柱的浮力 w有效。 爐料有效重量并不隨料柱高度的上升而無限上升，而是趨于一個(gè)常數(shù)。不宜靠

46、過分增加高爐高度來提高下料的順暢度! 雖有，但若則會(huì)產(chǎn)生局部懸料。因?yàn)楦郀t不是均一散料層，在高爐平均壓降梯度時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)局部的壓力梯度r料的情況！3.試述“管道行程”的生成機(jī)理及其危害。答：生成機(jī)理：煤氣在爐內(nèi)沿徑向分布，與其所遇到的阻力成反比。換言之：煤氣總是沿著透氣性好的路線上升的。高爐爐料的特性及在爐內(nèi)的分布是不同的，即各種爐料的粒度、密度各不相同，且分布也不均勻，在爐內(nèi)局部出現(xiàn)氣流超過臨界速度的狀態(tài)是可能的，形成氣流的局部通道，壓差下降，即為局部“管道行程”?！肮艿佬谐?Channeling)”的危害：爐頂溫度、爐料加熱不充分、間接還原不好、鐵水質(zhì)量不穩(wěn)定、爐塵吹出量、焦比。4.試述高

47、爐下部充液散料層內(nèi)的流體力學(xué)特征及“液泛現(xiàn)象”的危害。答：特征：在高爐的軟熔帶以下部位，唯一的固體為焦炭；在軟熔帶以下，液態(tài)渣鐵穿過焦炭散料層；與爐身干區(qū)相比，料層孔隙度，煤氣流受向下滴落的液態(tài)渣鐵阻礙；當(dāng)渣量多、渣粘度大、煤氣流速快時(shí)，出現(xiàn)煤氣把渣鐵托住而類似粥開鍋時(shí)的“液泛現(xiàn)象”。危害：高度彌散在渣鐵間的氣泡，使煤氣流阻力大大升高；被煤氣流吹起的渣鐵，在上部較低溫度區(qū)域，有重新冷凝的危險(xiǎn)；渣鐵的重新冷凝，一方面將導(dǎo)致料柱孔隙度降低，煤氣流動(dòng)受阻。另一方面，可造成爐墻結(jié)厚、結(jié)瘤，破壞高爐順行。5.運(yùn)用流體流量比及液泛因子的概念，討論防止高爐發(fā)生“液泛現(xiàn)象”的對(duì)策。答：流體流量比：，液泛因子：

48、。流體流量比的物理意義：液態(tài)渣鐵與上升煤氣流量之比。液泛因子的物理意義：煤氣向上的浮力與液態(tài)物質(zhì)向下運(yùn)動(dòng)的重力之比。式中：L 液體的質(zhì)量流量(kg/m2h)； 煤氣空爐速度(m/s)；G 氣體的質(zhì)量流量(kg/m2h)； Fs 焦炭比表面積(m2/m3)；g 氣體的密度(kg/m2)； g 重力加速度(m/s2)；l 液體的密度(kg/m2)； 焦炭層孔隙度()； 液態(tài)物質(zhì)粘度(Pa·s)。防止高爐發(fā)生“液泛現(xiàn)象”的對(duì)策:提高焦炭粒度Fsf(液泛因子)；改善焦炭強(qiáng)度避免冶煉過程的細(xì)?；痜，降低爐渣粘度 f；減少渣量LK(流體流量比)；減小氣流速度f(高壓操作)；大力發(fā)展間接還原(間接

49、還原不好時(shí)，渣中FeO與C反應(yīng)生成CO渣體積f)； 提高爐渣表面張力(表面張力小，易起泡渣體積 f)。6.試述高爐中發(fā)生懸料的機(jī)理(分上、下部懸料)。答：由于高爐透氣性變差，引起高爐壓差過大，有效作用力F<0，支托起爐料，使得爐料難以下行，稱為懸料。一般分為上部懸料和下部懸料，前者可以用楊森公式解釋，后者可以用液泛現(xiàn)象解釋。塊狀帶的懸料：塊狀帶是由礦石和焦炭的層狀分布結(jié)構(gòu)組成的。當(dāng)料層中某一局部由于升華物冷凝、碳素沉積反應(yīng)或由于堿金屬蒸汽的強(qiáng)烈作用而強(qiáng)度下降產(chǎn)生了大量粉末，造成局部料層空隙度變小。阻力因子急劇增大，局部煤氣壓降梯度隨之增大，爐料停止下降，懸料。下部懸料，高爐軟熔帶以下出現(xiàn)

50、了液相，產(chǎn)生懸料：熱制度的波動(dòng)引起軟熔帶位置的變化;液泛現(xiàn)象(對(duì)液泛現(xiàn)象的進(jìn)一步研究證明，液態(tài)物，特別是爐渣的表面張力也有很大影響)。7.試述高爐軟熔帶的成因、影響軟熔帶形成狀況的因素以及監(jiān)測軟熔帶形狀和位置的方法。答：鐵礦石被加熱到一定溫度時(shí)開始軟化、熔融，在高爐的橫斷面上形成一個(gè)環(huán)圈狀礦石軟熔層。這一粘滯狀態(tài)的礦石軟熔層與固體焦炭層相交，形成了高爐軟熔帶。影響軟熔帶形成狀況的因素:礦石軟熔性能(位置、厚度);高爐內(nèi)煤氣流的分布(形狀)。調(diào)節(jié)軟熔帶的途徑：礦石軟熔層的空隙度大大降低(0.380.1)，透氣性極差；煤氣流通過軟熔帶的通道約減少1/2，導(dǎo)致軟熔帶的煤氣流阻力最大；軟熔帶：高低影響

51、還原，厚薄影響順行，形狀影響消耗。監(jiān)測：1.爐頂橫截面煤氣CO2分布(形狀)；2.爐頂橫截面十字溫度(形狀）；3.爐身靜壓力(位置和厚薄)。8.試述高爐高度方向上的溫度分布特征(要畫出示意圖)。答: （1）上部熱量交換區(qū)：熱交換比較強(qiáng)烈，發(fā)生Fe2O3被間接還原成Fe3O4及部分FeO；（2）空區(qū)(又稱熱儲(chǔ)備區(qū))：爐料與煤氣的溫差很小(550)，即發(fā)生微弱的熱交換，發(fā)生FeO的間接還原及部分直接還原；（3）下部熱交換區(qū)：熱交換強(qiáng)烈，所有強(qiáng)烈吸熱的反應(yīng)皆在此區(qū)發(fā)生?？諈^(qū)大約占爐身高度的50%60%，如此長的區(qū)域，從熱交換來看，似乎不起什么作用，但對(duì)間接還原來說是非常重要的。因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域(8001

52、000)對(duì)間接還原特別有利(因?yàn)闊o碳素熔損反應(yīng)的干擾影響)。9.試述水當(dāng)量的定義及其在高爐高度方向上的變化特征。答：水當(dāng)量是指單位時(shí)間內(nèi)爐料或爐氣溫度變化1所吸收或放出的熱量。常以冶煉單位生鐵的爐料及煤氣作為衡量水當(dāng)量的標(biāo)準(zhǔn)。煤氣的水當(dāng)量基本為一常數(shù)，而爐料水當(dāng)量在高溫區(qū)有一突變并呈現(xiàn)一峰值。在低溫區(qū)Ws<Wg，在高溫區(qū)Ws>Wg，在中間的某個(gè)區(qū)域Ws=Wg。氣：沿高爐高度方向變化很小，原因：下部 氣體量相對(duì)少，但熱容較大；上部 氣體量相對(duì)多，但熱容較??；兩者的乘積變化不大！。料：在高爐上部變化不大、下部變化較大，原因：上部 間接還原的放熱補(bǔ)償作用；下部 直接還原、熔損反應(yīng)、熔化等

53、使C料；進(jìn)入爐缸僅剩渣鐵過熱耗熱，C料。在下部料存在峰值！10.用水當(dāng)量的概念分析影響高爐爐頂煤氣溫度、爐缸渣鐵溫度的因素。答： 上部熱交換區(qū)：氣料即煤氣降低1所放出的熱量 爐料上升1所吸收的熱量。任意截面上，根據(jù)熱平衡方程有：G料×C料(t料空t料頂) = G氣×C氣(t氣空t氣頂)，易得到故(t料空t料頂) (t氣空t氣頂)，即爐料加熱快，煤氣冷卻慢。，由此可分析影響爐頂煤氣溫度的因素：即凡是使由此可分析影響爐頂煤氣溫度的因素：即凡是使(即使氣)均可使?fàn)t頂煤氣溫度。措施有：提高風(fēng)溫，減少焦比煤氣量氣；富氧煤氣量 氣?？諈^(qū)：氣料，爐料吸熱與煤氣放熱基本上保持平衡，因此爐料

54、和煤氣的溫度變化都不大。 下部熱交換區(qū)：，爐料升高1所吸收的熱量 煤氣降低1所放出的熱量。同理可得到即煤氣冷卻快，爐料加熱慢?？梢娪绊憼t缸渣鐵溫度的主要因素是t氣缸和。提高爐缸渣鐵溫度的措施：為使w氣 焦比不變時(shí)，提高風(fēng)溫、富氧；為使料減小直接還原比例、減小渣量。注：1、高爐是一個(gè)以煤氣上升、爐料下降的逆流式移動(dòng)床為特征的反應(yīng)器，存在著多相物質(zhì)間的傳質(zhì)、傳熱和動(dòng)量傳輸，傳輸過程非常復(fù)雜。高爐中的軟熔帶是傳遞阻力最大的地方，因此要求軟熔帶應(yīng)盡可能薄、位置應(yīng)盡可能低。2、附壁效應(yīng)：靠爐墻處，由于實(shí)際的孔隙度實(shí)際較大，且通道較為光滑，故此處氣體易通過，即所謂“附壁效應(yīng)”。3、比表面積S=形狀系數(shù)4、

55、爐料下降的條件:（1）自身重力 阻力。阻力：爐料爐墻間摩擦力(P墻)、不同速度爐料間的摩擦力(P料)、上升煤氣流對(duì)爐料的浮力(P浮)。爐料下降的有效作用力F0，F(xiàn)=(w料重P墻P料P浮)0=(w有效重量P浮)0。（2）除有下降的能力外，還需要有空間。提供空間：風(fēng)口燃燒焦炭、周期性出渣鐵（主要）、爐料的重新排列組合、爐料的軟化熔融。當(dāng)有空間條件下，且w有效 P浮時(shí)，爐料可順利下降！5、煤氣分布關(guān)系到：爐內(nèi)溫度分布、軟熔帶形狀、爐況順行、煤氣利用。影響煤氣分布的因素：燃燒帶：鼓風(fēng)動(dòng)能大發(fā)展中心煤氣流，鼓風(fēng)動(dòng)能小發(fā)展邊緣煤氣流，通過送風(fēng)制度調(diào)整。爐料：分布焦炭多、大塊料多處煤氣流發(fā)展，礦石多、小塊料

56、多處煤氣流抑制，通過裝料制度調(diào)整。高爐煤氣分布的三個(gè)階段：原始分布爐缸燃燒帶、再分布爐身下部軟熔帶、第三次分布爐身上部塊狀帶。煤氣沿高爐截面分布狀況的檢測方法：1、爐喉徑向煤氣CO2測定；2、爐喉徑向煤氣t測定。6、高爐條件下的傳熱方式和給熱系數(shù)，傳導(dǎo)傳熱、對(duì)流傳熱、輻射傳熱。高爐上部：傳導(dǎo)、對(duì)流熱交換；高爐中下部：對(duì)流、輻射熱交換；爐缸：輻射、傳導(dǎo)熱交換。第六章 高爐冶煉工藝及強(qiáng)化1、提高風(fēng)溫后高爐冶煉進(jìn)程將發(fā)生什么變化？并說明原因。答：（1）風(fēng)口前燃燒碳量C風(fēng)口減少。原因：風(fēng)溫提高，焦比下降，C風(fēng)口； 熱風(fēng)帶入顯熱代替了部分焦炭的燃燒熱，C風(fēng)口。（2）高爐內(nèi)溫度場發(fā)生變化：爐缸溫度t缸，爐身溫度t身，爐頂溫度t頂