昆明理工大学冶金与能源工程学院1 周晓雷1 王云鹏1 云南 昆明 650093
昆明理工大学昆明市复杂铁资源清洁冶金重点实验室2 张闯2 施哲2 云南 昆明 650093
摘 要 COREX作为近年已趋成熟的新型炼铁生产方法，在取得较好的环境效益和社会效益的同时也面临生产成本较高等问题。利用Rist操作线原理，研究了COREX熔融还原流程冶炼过程的氧原子迁移和能量消耗问题，提出了建立COREX操作线的原则和方法。根据现场的实际生产条件，以图表的形式给出了其冶炼过程的主要原燃料消耗和主要产品情况，以此为依据建立COREX实际生产的操作线。可以直观的给出影响因素，为进一步提高COREX生产过程中的能量利用提供了一个研究方向。并且作者分析了入炉原料的条件和操作参数等因素对能量利用的影响，为现场工作人员的操作提供理论依据。
关键词 COREX；操作线；能耗
熔融还原是指用非高炉冶炼方法中获得合格铁水的冶炼工艺[1]。早期的熔融还原技术思想是既不需要铁矿粉造块，又不使用昂贵的冶金焦炭；既能生产高质量铁水，又极少污染环境的炼铁新工艺。经过多年的研究，当前一般认为使用铁矿石、烧结矿、球团矿作为原料，甚至使用少量焦炭，但只要不以其作为主要燃料的生产铁水的非高炉炼铁方法均属于熔融还原的范畴[2]。
20世纪70年代开始，世界各国开始研究利用终还原的尾气对铁矿石或铁矿粉进行适当预还原的二步法熔融还原工艺。目前为止，世界上的主要流程二步法有COREX、DIOS、AISI、FINEX、HIsmelt等[3-6]。在这些熔融还原工艺中，成功实现工业化生产的比例很低。COREX是第一个实现了工业化生产的熔融还原炼铁工艺，并且已经引入我国，在宝钢顺利投产。
COREX 3000的生产实践表明，COREX作为近年已趋成熟的新型炼铁生产方法，在取得较好的环境效益和社会效益的同时也面临很多问题。浦钢发现，COREX 3000燃料比较高，生产成本居高不下[7-8]。
法国RIST教授提出的高炉操作线图(RIS操作线图)，描述了高炉炼铁的物料平衡和热平衡。同时体现了操作因素对高炉炼铁能耗影响[9]。COREX炼铁和高炉炼铁在原理和操作上具有较大的相似性。因此有必要考虑使用Rist操作线原理，研究COREX熔融还原流程冶炼过程的能量消耗。
1 高炉炼铁的Rist操作线
1.1 传统的高炉Rist操作线
高炉操作线如图1所示。纵坐标表示冶炼单位铁量所夺取的氧量，横坐标表示煤气中与一个碳结合的氧量。操作线斜率表示如公式（1）所示，表示冶炼1mol Fe所消耗的C原子的摩尔数。可以在一定程度上反映了高炉冶炼过程的能耗。
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COREX炼铁工艺相当于将高炉一分为二，分别是预还原竖炉和熔化气化炉。现将二者作为一个整体考虑，建立COREX操作线。
1.2 喷煤条件下的加氢Rist操作线
由于高炉喷煤时，炉内的基本化学反应中涉及到H。所以炉内的基本化学反应在Fe-O-C-H体系内进行，操作线的计算及表达方式应该修改。
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将纵坐标由改为，将横坐标由改为。由此获得的操作线斜率反映了喷煤条件下高炉的冶炼1mol铁所需要的碳和氢的物质的量，具有炼铁燃料比的意义，它与燃料比可以相互转换。
2 COREX炼铁的Rist操作线
2.1 COREX Rist操作线的建立
COREX冶炼中的氢还原浮士体属于间接还原，氢夺取氧生成H2O，与CO还原生成CO2一样，改善了煤气的利用度。由于基本操作线只计算CO和CO2中的氧，丢失了在还原生成的H2O中的氧，造成基本操作线的计算偏差，且氢量越多偏差越大。因此，要保证操作线中的氧与进入煤气中的氧相等。把还原产生的H2O中的氧加给CO2，以计算A点横坐标，即坐标XA值。
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而有氢参与的操作线的 A 点纵坐标，即 Y A 为每个铁原子与进入高炉的氧原子的比。
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此外，操作线 E 点的坐标也需要计算。
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所做出的操作线如图2所示。这种方法的实质是保持A点的纵坐标YA不变，将基本操作线未能计算所损失的氧补给XA，这使得XA因氢的影响而增加，操作线斜率变小。
2.2 COREX Rist操作线的修正
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由于H在铁氧化物的直接还原阶段并不作为最终反应物被消耗，所以应从X轴的0-1阶段和Y轴的负方向中剔除。因此，可以建立一个点。通过做操作线A获得修正过的COREX操作线，如图3所示。
2.2 COREX Rist 操作线的的意义
2.2.1 X轴的意义
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2.2.3操作线上各点的意义
图3中操作线上各点意义分析如下。A点描述了炉顶煤气情况和炉料中铁的初始氧化度。点可以作为煤气在间接还原中CO和H起作用的比例。B点假定铁的直接还原和间接还原不发生重叠，则B点为二者的理论分界点。C点由铁的氧化物中来的氧和其他来源的生成的两个部分还原性气体CO的分界点。D点由脉石氧化物提供的氧和鼓风中的氧生成还原性气体CO的分界点。点是鼓风（工业纯氧）所提供的氧，是对生成还原性气体的第一贡献。E点在点的基础上包括了进入的氢气分子。
3 实际生产的COREX操作线
根据曲迎霞、李海峰等人的计算数据如表1所示，并建立实际生产的COREX操作线如图4所示。
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4 结论
与RIST操作线相比，（C-H-O-Fe）四元素操作线具有以下优点：
（1）考虑了H在间接还原过程中的作用，获得了炼铁煤气的利用率这一重要概念，并对煤气利用率进行进一步解析，使大喷煤高炉进一步提高其煤气利用率存着一定的可能。
（2）在直接还原过程中，有效地将H从反应物中剔除，清晰的表达了直接还原中C的决定性作用，同时表达了H作为直接还原的作用。
（3）将COREX熔融还原炼铁工艺和高炉炼铁工艺从理论上加强了链接，为在新工艺中进入高炉炼铁的成熟技术奠定了一定的基础。
参考文献
1:Fang Jue. Technology and theory of non-blast furnace iron making [ M ] . Beijing: Metallurgical Industry Press, 2002: 1- 175. (方觉. 非高炉炼铁工艺与理论[M], 北京: 冶金工业出版社, 2002, 1-176.)