北科大钢铁冶金学（Ⅰ）试题（两套）及答案

《钢铁冶金学（Ⅰ）》试卷A第2页共2页北京科技大学2008--2009学年第2学期《钢铁冶金学（Ⅰ）》试卷（A）（考试时间：2009年4月24日星期五下午4点-6点）院(系)班级学号姓名试卷卷面成绩占课程考核成绩%平时成绩占%课程考核成绩题号一二三四五六七八九十小计得分8020（注：答题需在答题纸上进行，请不要在试卷上答题，否则将被扣分。）得分一、名词解释题（每题3分，共18分）1.高炉有效容积利用系数2.SFCA3.煤气CO利用率4.高炉的管道行程5.高炉的碱负荷6.COREX炼铁工艺得分二、判断题(每题1.5分，共30分)（对：√，错：×。）磁铁矿的理论含铁量为70％，黑色条痕，疏松结构，较易还原。焦炭的主要质量要求是：含碳量高，反应性高，反应后强度高。高炉炼铁要求喷吹用煤粉的爆炸性弱，可磨性指数大，燃烧性高。高风温热风炉的炉顶耐火材料一般使用高铝砖或碳砖。为确保烧结矿固结强度，一般要求烧结最高温度为1350～1380℃。烧结过程的焦粉偏析布料有利于烧结上、下料层温度的均匀化。厚料层烧结工艺的主要目的是为了提高烧结矿生产能力。酸性氧化焙烧球团矿的固结主要靠FeO与SiO2形成的低熔点化合物粘结。原燃料中的P2O5在高炉中不能被还原而全部进入生铁。耦合反应的平衡常数是与之相关的简单反应平衡常数的组合。阻止高炉内K、Na循环富集的对策之一是降低炉渣二元碱度。高炉风口燃烧带出来的煤气中既有CO又有CO2，但前者含量更高。增大高炉鼓风动能的措施之一，是扩大高炉风口直径。提高风口理论燃烧温度，有利于补偿喷吹煤粉热分解带来的温度变化。抑制“液泛现象”，有利于改善高炉下部的透气性、透液性。矿石的软熔性能影响高炉软熔带的位置，但不影响其厚度。加大矿石批重将有助于抑制高炉内的中心煤气流。与加湿鼓风不同，脱湿鼓风的主要作用在于提高高炉产量。富氧鼓风不仅可以给高炉带入热量，而且可以增加高炉产量。炉衬寿命的问题，是熔融还原炼铁法需要解决的关键技术。得分三、简答题（每题8分，共24分）1.简述烧结矿固结机理，何种粘结相（液相）有利于改善烧结矿质量?2.提高高炉鼓风温度对其冶炼过程的影响如何，并说明其原因。3.画出高炉理想操作线，并说明A、B、C、D、E、P、W点的意义。得分四、论述题(每题14分，共28分)1.分析炉渣粘度对高炉冶炼过程的影响，并论述影响炉渣粘度的因素以及维持适宜的高炉炉渣粘度的技术措施。2.论述降低高炉燃料比的技术措施。a.画出高炉能量利用图解分析的rd—C图，分析指出我国高炉降低燃料比的两大途径；b.根据所学的炼铁理论和工艺知识，阐述降低高炉燃料比的具体对策。

A卷北京科技大学2007—2008学年度第2学期《钢铁冶金学（Ⅰ）》A卷试题答案要点及评分标准名词解释（每题3分，共18分）1高炉有效容积利用系数：每M3高炉有效容积每昼夜生产的合格铁量（T/M3.d）；2SFCA：复合铁酸钙，烧结矿中强度和还原性均较好的矿物；3煤气CO利用率：煤气中CO2体积与CO和CO2体积总和的比值，CO=CO2(CO+CO2)，表明了煤气利用程度的好坏；4高炉的管道行程：高炉中各种炉料的粒度和密度各不相同且分布不均匀，在炉内局部出现气流超过临界速度的状态，气流会穿过料层形成局部通道而逸走，压差下降，在高炉中形成“管道行程”。5高炉的碱负荷：冶炼每吨生铁入炉料中碱金属氧化物(K2O+Na2O)的千克数；6COREX炼铁工艺：典型的二步法熔融还原炼铁工艺，由奥钢联（VAI）于70年代末合作开发，其目的是以煤为燃料，由铁矿石直接生产液态生铁。由预还原竖炉和熔融气化炉组成。二、判断题（每题1.5分，共30分）（对：√，错：×）1.×；2.×；3.√；4.×；5.×；6.√；7.×；8.×；9.×；10.√；11.√；12.×；13.×；14.√；15.√；16.×；17.√；18.×；19.×；20.√三、简答题（每题8分，共24分）1简述烧结矿固结机理，何种粘结相（液相）有利于改善烧结矿的质量？答：（1）烧结矿的固结经历固相反应、液相生成及冷凝固结过程；（2分）（2）固相反应在低于本身熔点的温度下进行，固相反应生成的低熔点物质为液相生成提供条件；（1分）（3）在燃烧带，低熔点物质熔化形成液相，烧结过程中生成的液相主要有FeO-SiO2系、CaO-SiO2系、CaO-FeO-SiO2系以及Fe2O3-CaO系，随烧结工艺条件、原料条件及碱度的不同，各液相生成的数量不同。（高温、还原性气氛易生成FeO-SiO2及CaO-FeO-SiO2，低温、氧化性气氛易生成Fe2O3-CaO液相）；（3分）（4）燃料燃烧完毕，在抽风冷却作用下，液相冷凝将未熔物粘结起来成为烧结矿；（1分）（5）Fe2O3-CaO系液相形成的矿物具有良好的还原性及强度，对改善烧结矿质量有利。（1分）2提高高炉鼓风温度对其冶炼过程的影响如何，并说明原因。答：风口前燃烧碳量减少，风温提高，焦比下降；（1分）高炉内温度场发生变化：炉缸温度升高，炉身上部、炉顶温度下降，中温区（900～1000℃）扩大，由于每升高100℃风温，风口理论燃烧温度上升60～80℃，风口前燃烧碳减少，煤气量降低，导致炉身上部温度降低；（2分）直接还原度略有升高，生成的CO减少，炉身温度降低；（1分）炉内压损增大，焦比下降，炉内透气性变差，高炉下部温度升高，煤气流速度增大，同时SiO的挥发增加，堵塞料柱孔隙；（2分）有效热消耗减少，焦比降低，渣量减少，S负荷降低，脱硫耗热减少；（1分）改善生铁质量，焦比降低，S负荷降低，炉缸热量充沛，易得到低S生铁；炉温升高，可控制Si的下限，生产低Si铁；（1分）3画出高炉理想操作线，并说明A、B、C、D、E、P、W点的意义。答：（4+4分）A’E’为理想操作线A：入炉矿石铁的氧化程度和炉顶煤气中碳的氧化程度B：不发生重叠情况下（直接还原结束，间接还原开始），直接还原和间接还原的理论分界点C：铁氧化物直接还原传递的氧与其它来源的氧→CO的分界点D：鼓风中的氧与少量元素还原（包括脱S、熔剂、CO2还原）传递的氧→CO的分界点E：鼓风生成CO的起点W：化学平衡的限制点P：热平衡的限制点四、论述题（每题14分，共28分）1.分析炉渣粘度对高炉冶炼过程的影响，并论述影响炉渣粘度的因素以及维持适宜的高炉炉渣粘度的技术措施？答：炉渣粘度为流体单位速度梯度、单位面积上的内磨擦系数；（2分）粘度过大：炉料下降、煤气上升困难，易产生“液泛”；渣铁分离不好、反应速度降低；粘度过小：软熔带位置过高；侵蚀炉衬；（3分）影响炉渣粘度的因素包括：（6分）温度：温度升高，粘度下降碱度：酸性渣中由于Si-O阴离子形成四面体网状结构，粘度大，酸性渣中加入CaO、MgO®消灭-O-键Þh¯；碱性渣在高温下粘度小。碱度升高，粘度增大，由于R­®CaO、MgO­®固体悬浮质点­Þh­渣中其他成分：①Al2O3­Þh­，原因：Al-O阴离子三长键结构(但影响小于Si-O四长键)；②TiO2­Þh­，原因：Ti与C、N生成碳氮化物，熔点高，易析出固相质点；③CaF2(萤石)­Þh¯¯，原因：F是电极电位正值最大的元素，得到电子的倾向最强，2个F-可以取代一个网状结构的-O-位置，造成断口，生成的自由O2-又可以去破坏另一个-O-键；④K2O、Na2O­Þh¯，原因：K2O、Na2O降低h的作用比较小，但它们的危害大!维持适宜的高炉炉渣粘度的技术措施：主要包括适宜的熔化性温度，操作过程保证炉渣具有一定的过热度，调整炉渣成分，控制合理的碱度。（3分）2.论述降低高炉燃料比的技术措施。a.画出高炉能量利用图解分析的rd—C图，分析指出我国高炉降低燃料比的两大途径；b.根据所学的炼铁理论和工艺知识，阐述降低高炉燃料比的具体对策；答：降低燃料比的途径：（1）降低直接还原度，发展间接还原；（2）降低作为热量消耗的碳量，减小热损失。（7分）降低高炉燃料比的具体对策：（1）高风温，降低作为热量消耗的碳量；（2）高压操作，风压不变条件下，高压操作后有利高炉顺行，煤气利用率升高；抑制碳的熔损反应，有利于发展间接还原；[Si]的还原减少，耗热减少；炉尘吹出量减少，碳损降低；煤气停留时间长有利于间接还原（3）综合鼓风，脱湿鼓风有利于减少水分的分解耗热，降低燃料比；富氧鼓风与喷煤相结合，提高风口前煤粉燃烧率；适当增加煤气中H2含量，有利于发展间接还原（4）精料：提高含铁品位，降低渣量，热量消耗减少；改善原料冶金性能，提高还原度，发展间接还原；加强原料整粒，提高强度，改善料柱透气性；改善焦炭质量（尤其是高温性能：反应性、反应后强度），强化焦炭骨架作用，降低焦炭灰分；合理炉料结构；控制软熔带厚度，减小煤气阻力损失；降低S负荷，减小脱S耗热。改善煤粉燃烧性（助燃剂等），降低灰分。（7分）2009-4-16

北京科技大学2008--2009学年第2学期《钢铁冶金学（Ⅰ）》试卷（B）（考试时间：2009年4月24日星期五下午4点-6点）院(系)班级学号姓名试卷卷面成绩占课程考核成绩%平时成绩占%课程考核成绩题号一二三四小计得分8020（注：答题需在答题纸上进行，请不要在试卷上答题，否则将被扣分。）得分一、名词解释题（每题3分，共18分）1.高炉冶炼强度2.HPS3.高炉渣熔化性温度4.高炉的悬料5.高炉的硫负荷6.FINEX炼铁工艺得分二、判断题(每题1.5分，共30分)（对：√，错：×。）“假象”赤铁矿的结晶结构未变，而化学成分已变为Fe2O3。一般要求焦炭的反应性高，而煤粉的反应性则要低。高炉风口喷吹的煤粉，有少量是与煤气中的CO2反应而气化的。高炉炉身上部炉墙的耐火材料一般选择使用碳砖。烧结料层的自动蓄热现象，主要是由于燃料在料层中的偏析所致。提高烧结矿碱度有助于增加烧结矿中铁酸钙矿物的含量。实现厚料层烧结工艺的重要技术措施是烧结偏析布料。对酸性氧化球团矿的焙烧效果而言,赤铁矿优于磁铁矿。原燃料中的Al2O3在高炉内可被少量还原而进入生铁。高炉内渣铁反应的最终结果由耦合反应的平衡常数所决定。高炉炉渣的表面张力过小时，易造成渣中带铁，渣铁分离困难。导致高炉上部悬料的主要原因之一是“液泛现象”。高炉风口前碳的燃烧反应的最终产物是CO2。高炉实施高压操作后，鼓风动能有增大的趋势。高炉脱湿鼓风，有提高风口理论燃烧温度的作用。高炉内进入间接还原区的煤气体积小于炉缸产生的煤气体积。具有倒V型软熔带的高炉，其中心煤气流比边缘煤气流发达。为了抑制边缘煤气流，可采取“高料线”或“倒装”的装料制度。高炉富氧鼓风，有助于提高喷吹煤粉的置换比。目前最成熟的直接还原炼铁工艺是煤基直接还原炼铁法。得分三、简答题（每题8分，共24分）1.简述酸性氧化球团矿生产工艺，说明该类球团矿的焙烧固结机理。2.简述风口喷吹煤粉对高炉冶炼过程的影响，并说明其原因。3.画出高炉理想操作线，并说明A、B、C、D、E、P、W点的意义。得分四、论述题(每题14分，共28分)1.分析高炉冶炼过程中，用CO、H2还原铁氧化物的特点。a.画出CO、H2还原铁氧化物的平衡关系示意图（叉子曲线）；b.分别从热力学、动力学上比较CO、H2还原铁氧化物的异同。2.Ergun公式如下：说明式中各因子的物理意义以及用上式对高炉作定性分析时适用的区域。从炉料和煤气两方面分析影响△P的因素,并论述改善炉内透气性的方法。

B卷北京科技大学2007—2008学年度第2学期《钢铁冶金学（Ⅰ）》B卷试题答案要点及评分标准名词解释题（每题3分，共18分）高炉冶炼强度：是高炉冶炼过程强化的程度，以每昼夜（d）燃烧的干焦量来衡量：冶炼强度(I)=干焦耗用量/有效容积×实际工作日[t/(m3·d)]HPS：指代小球烧结法：将烧结混合料用圆盘造球机预先制成一定粒度（粒度上限为6-8mm），然后使小球外裹部分燃料，最后铺在烧结台车上进行烧结的造块新工艺。高炉渣熔化性温度：炉渣可以自由流动时的最低温度。温度，温度，C粘度，PasABt转t熔化性45高炉的悬料：由于高炉透气性变化，引起高炉压差过大，支托起炉料，使得炉料难以下行，称为悬料。一般分为上部悬料和下部悬料，前者可以用杨森公式解释，后者可以用液泛现象解释。高炉的硫负荷：高炉冶炼每吨生铁由炉料带入的硫的千克数称为“高炉的硫负荷”。FINEX炼铁工艺：Finex是在Corex基础上，采用多级流化床装置直接使用烧结铁矿粉（<8mm）进行预还原生产海绵铁，避免了烧结、球团等人工造块工序，降低了生产成本。同时，利用煤粉的冷压块技术扩大了煤粉的选择范围，而不像Corex工艺仅能使用块煤。Finex流程主要由3个系统组成，流化床预还原系统、热压块系统和熔化造气系统。判断题：(每题1.5分，共30分)1、√2、╳3、√4、╳5、╳6、√7、√8、╳9、╳10、√11、╳12、╳13、╳14、╳15、√16、╳17、√18、╳19、√20、╳三、简答题（每题8分，共24分）1.简述酸性氧化球团矿生产工艺，说明该类球团矿的焙烧固结机理。答：工艺流程如下：（4分）固结机理（4分）1）Fe2O3的微晶键连接：磁铁矿生球在氧化气氛中焙烧时，当加热到200～300℃就开始氧化形成Fe2O3微晶。由于新生的Fe2O3微晶中原子迁移能力较强，在各个颗粒的接触面上长大成“连接桥”（又称Fe2O3微晶键），使颗粒互相连接起来。在900℃以下焙烧时，这种连接形式使球团矿具有一定的强度。但由于温度低，Fe2O3微晶长大有限，因此仅靠这种形式连接起来的球团矿强度是不够高。2）Fe2O3的再结晶：当磁铁矿生球在氧化性气氛下继续加热到1000～1300℃时，磁铁矿可全部转变成赤铁矿，而由磁铁矿氧化形成的Fe2O3微晶开始再结晶，使一个个相互隔开的微晶长大成连成一片的赤铁矿晶体，使球团矿具有很高的氧化度和强度。2.简述风口喷吹煤粉对高炉冶炼过程的影响，并说明其原因。答：风口前燃料燃烧的热值↓（1分）原因：煤粉热解耗热；煤粉不易燃烧充分。扩大燃烧带（1分）原因：炉缸煤气量↑；部分煤粉在直吹管和风口内燃烧，在管路内形成高温(高于鼓风温度400-800℃),促使中心气流发展（鼓风动能↑）风口前理论燃烧温度↓（1分）原因：煤粉为冷态；煤粉热解耗热；燃烧产物量↑。直接还原度↓（1分）原因：（CO＋H2）↑；C熔损反应量↓；矿石在炉内停留时间↑。煤气阻力损失（△P）↑（1分）焦炭量↓→焦炭量↓→料柱透气性↓煤气量↑→煤气流速增大炉内温度场变化（2分）略有上升→略有上升→↑所致高温区上移炉身温度高温区上移炉顶温度炉缸温度均匀炉缸边缘温度↓→风口理论燃烧温度下降所致炉缸温度均匀炉缸中心温度↑→煤气穿透能力增强所致（煤气量、煤气氢、动能↑）存在热滞后现象（1分）喷入炉内的煤粉要分解吸热→炉缸温度暂时↓被还原性强的煤气作用的炉料下降到炉缸后，由于炉缸温度回升，直接还原耗热减少3．画出理想操作线，并说明A、B、C、D、E、P、W点的意义。答：（4分）A点：（1）矿石中Fe的氧化程度；（2）煤气中C的氧化程度。B点：在不发生重叠的情况下，直接还原与间接还原的分界点。C点：Fe直接还原生成的CO与鼓风燃烧的C及少量元素还原生成CO的分界点。D点：鼓风燃烧C与少量元素还原生成CO的分界点。E点