1、分析鋼鐵制造流程中鐵素流的狀態(tài)變化，從熱力學(xué)角度分析各工序的理論能耗。鋼鐵生產(chǎn)過程的物理本質(zhì)是物質(zhì)流（鐵素流）在能量流（主要是碳素流）的驅(qū)動(dòng)和作用下，按照設(shè)定的“程序”沿著特定的流程網(wǎng)絡(luò)做動(dòng)態(tài)-有序的運(yùn)作。從熱力學(xué)角度，鋼鐵制造過程是一類開放的，非平衡的，不可逆的，不斷縮聚和適配的鐵素流與提供能量的碳素流之間的耦合過程。鐵素流是一類多因子流，是被加工的主體。鐵元素含在鐵礦石中，但只有其中鐵含量大于40%才具有開采價(jià)值。為了提高冶煉效率，減低單位能耗，除了一少部分富鐵礦可以直接入爐外，大部分鐵礦都需要經(jīng)過篩選，提高入爐鐵礦的鐵含量。在鐵礦石中，鐵元素以鐵氧化物的形式存在。赤鐵礦主要含鐵礦物是無水的Fe2O3，因其條痕呈紅色，亦稱紅礦。磁鐵礦主要含鐵礦物是磁性的 Fe3O4，故而得名。Fe3O4可以看作是復(fù)雜的鐵氧化物FeO?Fe2O3，在它當(dāng)中除了三價(jià)鐵以外，還有大量的二價(jià)鐵。磁鐵礦石一般具有較高的含鐵品味（45%~70%），通常含有有害雜質(zhì)，特別是硫。結(jié)構(gòu)致密，質(zhì)地堅(jiān)硬，難以破碎，還原性較差。褐鐵礦主要含鐵礦物是含水的鐵氧化物nFe2O3^mH2O（n=1~3，m=1~4），根據(jù)n、m值的不同形成不同的礦物，一般因條痕呈黃褐色而統(tǒng)稱為褐鐵礦。常見礦物主要是2Fe2O3^3H2O,而3Fe2O3^4H2O屬于水針鐵礦。菱鐵礦主要含鐵礦物是FeCO3，這種礦石的特點(diǎn)是含CO2高，含鐵量較低（30%~40%），含S、P量較低，易碎，還原性尚可。篩選的富礦通過球團(tuán)或燒結(jié)得到高爐煉鐵所需的一定強(qiáng)度和粒度的礦石,其中燒結(jié)過程的物料平衡如圖1所示。熔劑 韜曠粉140.7kg/t8^5.5熔劑 韜曠粉140.7kg/t8^5.5kg/i

燒結(jié)曠 垸結(jié)曠鋪底料其它（OG洞等）＜）7.85lcg/tQS.lkg/t燒結(jié)需饒結(jié)曠回收感汽75kg/l >-水87kg/t壬40.13kWh/t450nr450nr蒸汽I.丨kgl-和 V^±2-斗It矯結(jié)礦藹井曠涇瓦=圖1燒結(jié)系統(tǒng)物料及能量平衡由圖可以看出生產(chǎn)一噸燒結(jié)礦需要895.5kg的精粉礦，需要消耗焦粉51.04kg，煤氣(COG)3.12m3，電40.13kWh,蒸汽1.1kg。根據(jù)鋼鐵行業(yè)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2005年我國大中型重點(diǎn)企業(yè)的燒結(jié)工序能耗為64.83kgce/t,占鋼鐵冶金總能耗的10%左右［周繼程，酈秀萍，上官方欽，張春霞．我國燒結(jié)工序能耗現(xiàn)狀及節(jié)能技術(shù)和措施．冶金能源，2010，29(2)：23-26．］。燒結(jié)礦在高爐內(nèi)經(jīng)過的是一個(gè)復(fù)雜的耦合的非線性的過程。鐵礦石中的鐵主要以Fe2O3和Fe3O4狀態(tài)存在，燒結(jié)礦中除前兩者外，還有2FeO?SiO2和CaO?Fe2O3等化合物。鐵氧化物主要被高爐中的焦炭和CO還原。高爐內(nèi)鐵氧化物還原是由高價(jià)向低價(jià)分步進(jìn)行的，其順序?yàn)?Fe2O3一Fe3O4一FeO一Fe。當(dāng)溫度低于570°C時(shí)，F(xiàn)eO不能穩(wěn)定存在，生成Fe和Fe3O4,此時(shí)鐵氧化物的還原順序?yàn)镕e2O3一Fe3O4一Fe。高爐內(nèi)可以作為鐵氧化物還原劑的有氣態(tài)CO和H2以及固態(tài)炭。使用不同還原劑時(shí)鐵氧化物的還原規(guī)律不同。間接還原用CO作還原劑，還原產(chǎn)物為CO2的還原反應(yīng)稱為間接還原。鐵氧化物的間接還原反應(yīng)分步如下:TOC\o"1-5"\h\z高于570CFe2O3十CO—2Fe3O4+CO2 (1)Fe3O4+mCO一3FeO+CO2+(m-1)CO (2)FeO+nCO一Fe+CO2+(n-1)CO (3)低于570C3Fe2O3+CO一2Fe3O4+C02 (4)Fe3O4+4pCO一3Fe+4CO2+4(p-1)CO (5)直接還原以固態(tài)炭為還原劑，還原產(chǎn)物為氣態(tài)CO的還原反應(yīng)稱為直接還原。鐵氧化物的直接還原反應(yīng)如下:高于570C3Fe+C一2FeO+CO2O3 34(6)Fe3O4+C一3FeO+CO(7)FeO+C—Fe+CO(8)低于570C3Fe2O3+C一2Fe3O4+CO(9)Fe3O4+4C一3Fe+4CO(10)高爐里面的物質(zhì)流很復(fù)雜，其物質(zhì)流如圖2所示，由圖我們可以看出生產(chǎn)噸鐵需要燒結(jié)礦1314.17kg，需要生礦269.17kg，在鼓風(fēng)區(qū)以上既有鐵的氧化物，又有生鐵，在鼓風(fēng)區(qū)以下的鐵水中主要是生鐵。煉鐵過程耗能最大，根據(jù)2006年的數(shù)據(jù)，我國高爐煉鐵工序每噸剛耗能457kg標(biāo)煤。出來的鐵水被進(jìn)一步送到轉(zhuǎn)爐中冶煉，轉(zhuǎn)爐中的物質(zhì)能流圖如圖3所示，鐵元素在煉鋼中基本沒有變化，煉鋼主要是減少鐵水的含碳量和一些有害元素，也可加入一些稀有元素調(diào)節(jié)鋼的特性。煉鋼只需要很少的能量，有的企業(yè)已能做到負(fù)能煉鋼。

ir發(fā)電:為.44kWWi（和I帕也1.5U噴歸29$k^t(a)申,E錄鳳(JDQ點(diǎn)爐煤G327.2SnL-'A{-^)電砧□匱：B91.9&niYt(^)ir發(fā)電:為.44kWWi（和I帕也1.5U噴歸29$k^t(a)申,E錄鳳(JDQ點(diǎn)爐煤G327.2SnL-'A{-^)電砧□匱：B91.9&niYt(^)iM弭t?造75.9Jkir'Lt^":反電："5kW，譏加0l^-i燒結(jié)Al'SW11140kg/t^-4； |35.5kWh/t鋼右140kg/t^| <?［氧氣」51.0如門曲鋼一

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| 10.98m-Vt^一^jP^-Jl.25in7t^——鐵水950kg/t^1000kg85kg/t鋼10kg/t^戶半烝汁」日1|遼斗］.3kg/期電站*鐵水950kg/t^1000kg85kg/t鋼10kg/t^戶半烝汁」日1|遼斗］.3kg/期電站*轉(zhuǎn)爐lalLK：105m7t^4所示。圖4鋼鐵工