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RIST操作線是由法國鋼鐵研究院A.Rist教授于20世紀60年代提出，在這一直角坐标圖裡，通過Fe-O-C三元素的變化與轉移，将高爐冶煉參數和指标之間的内在聯系簡單、直觀地表達出來，揭示了高爐冶煉過程的實質與規律。随着現代高爐噴煤水平越來越高，後人在Rist操作線基礎上加進氫元素，構成了Fe-O-C-H四元系操作線圖[1]。

Rist操作線實際反應的是高爐内部氧的傳遞過程，即從鐵礦石與鼓風帶入高爐的氧遷移到煤氣中[2]，縱坐标為氧鐵比，為氧的來源，橫坐标為碳氧比，為氧的去向（也可以理解為燃燒，直接，間接還原奪取的氧），所以在該坐标系下的直線斜率為C/Fe，即代表高爐冶煉碳比，代表高爐冶煉的原燃料消耗水平，如下圖所示，以下詳述高爐加氫Rist操作線圖繪制方法。

2.1 A點的縱坐标

yA代表高爐含鐵原料帶入的氧元素，所以A點的Y坐标是受高爐入爐原料中鐵的氧化度有關，根據元素守恒，可以認為入爐含鐵料的鐵存在的形式分為FeO、Fe2O3，所以yA大于1小于1.5。

為礦石中

的質量分數；

為礦石中

的質量分數,根據原料中全鐵與亞鐵含量計算，按下式計算：

為礦石的全鐵。（計算過程中取質量百分數）

為高爐内煤氣利用的氫氣量，按下式計算

[Fe]為生鐵中鐵元素的含量；H2O為氫還原生成水蒸氣的體積分數（可以根據爐内氫平衡計算）；Vg為爐頂煤氣量，單位m3/min。

2.2 A點橫坐标

A點的X坐标xA代表氧的去向，為爐頂煤氣中的氧原子與碳原子比例，即

CO2 為爐頂煤氣中CO2 的體積分數；CO為爐頂煤氣中CO的體積分數；

2.3 E點縱坐标

所以E點代表高爐鼓風帶入的氧和非鐵元素還原帶入的氧，與噸鐵耗氧量和鐵水成分有關，所以由兩部分組成，一部分是鼓風帶入的氧，一部分是非鐵元素還原帶入的氧，按下式計算：

橫坐标：xE=0；縱坐标： yE=-(yf yb)

yf為非鐵元素還原帶入的氧，包括生鐵中的矽、錳、磷、钛、渣中的硫，根據非鐵元素還原反應方程平衡，得到：

;

[Si],[Mn],[P],[Fe],[Ti]為生鐵中元素的質量分數，Z為渣比，t/t，(S)為渣中硫的質量分數。

yb為鼓風帶入的氧：

Vb為噸鐵耗風量（m3/min），O2b鼓風中氧氣的體積分數，O2b=0.21 0.29φ f，φ為鼓風濕度（%），體積分數，f為富氧率（%）。

2.4 實際操作線AE與實際碳比

AE：Y=aX b

其中：

如上述，該坐标系下的直線斜率為C/Fe，即高爐冶煉碳比，将其摩爾比換算為質量比即有：

2.5 P點橫坐标

P點代表高爐内高溫區的熱平衡點，xP取決于高溫區的熱收入，例如風溫、碳素燃燒放熱等，風溫越高，xP越小，yP取決于高溫區的熱支出，例如生鐵直接還原耗熱、成渣吸熱等，渣比越高，熱消耗越高，yP越大，該點是由當前的爐内操作條件決定的，按下式計算：

qd為直接還原鐵耗熱，qd=152190kJ/kmolFe；（産生每公斤原子鐵還原吸收的熱量）qd為高溫區的熱收入項，單位：千摩爾碳素對應的熱量；

V為風量，單位：Nm³/min；

O2b為鼓風中的氧元素轉換成氧氣的量；

Qb為鼓風有效熱量，單位：kJ/kmol

Qb=Q風 Q燃-Q水

Q風為鼓風顯熱，單位：kJ/kmol；Q燃碳素燃燒放熱，單位 kJ/kmol；Q水水煤氣分解反應吸熱：單位 kJ/kmol，各項熱量計算方法可參考第二熱平衡計算方法。

2.6 P點縱坐标

P點在直線UV上，可以先求解UV方程式：

V點橫坐标：xv=1 ；V點縱坐标：

，Qr為高溫區其他耗熱項，Qr=qb×yb-qd×yd；

U點橫坐标：xu=0 ；縱坐标yu=-yf

所以UV線：y=(yf yv)x-yf，将xp帶入UV即可求得P點縱坐标。

2.7 W點

W點的橫坐标wA代表在1000℃左右，高爐内FeO CO=Fe CO2反應完全達到平衡時氣相中的O/C，在該條件下下，CO2的含量一般為29%，所以xA=1.29，該點在不考慮動力學條件的反應平衡點，在實際高爐内上升的煤氣與下降的爐料不可能完全充分接觸，所以W點是不可能超過的點；W點的縱坐标為該溫度下浮氏體的含量，一般取1[1]。

W點縱坐标：yw=1；

W點橫坐标：xw=1 CO2*×(1-α) H2O*×α；

其中：CO2*，H2O*為一氧化碳間接還原浮氏體，氫氣還原浮氏體，方程平衡時二氧化碳、水蒸氣的體積分數，按1000攝氏度時計算，分别取0.29、0.42；

α為氫氣占還原氣體（碳素燃燒、直接還原、非鐵元素還原與脫硫産生的一氧化碳以及爐内存在的氫氣，量化為産生噸鐵）的體積分數；

∑H2料為高爐入爐的總氫量，單位m3/tFe。

2.8 理想操作線PW與理想碳比

根據P點、W點的坐标可以求得離線操作線，這裡不做贅述，假設理想操作線方程為Y=a`X b` ，類似實際碳比求解方法可得理想碳比：

B點之前O/C小于1，即高爐爐頂煤氣中沒有出現CO2，代表高爐内的直接還原發生情況，yB代表高爐直接還原度，高爐直接還原度越高，yB越大。

U點代表高爐中非鐵元素的還原帶入的氧，即yU為生鐵中Mn、P、Si、S等元素的還原形成CO帶入的氧，與生鐵中Si、Mn、P、S的含量有關，生鐵成分中Si含量越高，則yU越大。

2.9 節焦潛力

注：此處計算出來的節焦潛力實際上是碳原子的質量，如果折換成焦炭需要根據焦炭固定碳含量進行折算。

2.10 爐身工作效率

爐身工作效率用來實際操作線AE接近理想操作線PW的程度，按下式計算：

Rist操作線圖是分析現代高爐冶煉過程以改善冶煉狀況的重要手段，用一根直線将高爐冶煉過程中的風溫、噴吹量、煤氣利用率等參數聯系在了一起，反映高爐内部氧元素的“來”（鼓風與礦石）龍“去”（爐頂煤氣）脈，根據操作線圖變化規律，可以幫助高爐操作者得到進一步節焦的方向和節焦潛力，并加深操作者對高爐内部反應過程的理解[3]。

3.1 分析高爐冶煉過程

Rist操作線本身從下向上代表着高爐從下至上的反應過程以及爐内碳氧比變化過程，沿着AE線從下向上：

（1）E點到U點之間代表着高爐内碳素燃燒反應過程：C O2=2CO，此時爐内碳過剩，碳氧比大于1，此反應發生在高爐風口區域；

（2）從U點到坐标原點O，代表高爐内矽、錳、磷、钛等非鐵元素直接還原的過程，例如：MnO C=[Mn] CO，此時碳氧比大于1，大部分發生在高溫區域；

（3）從U到B代表高爐内鐵的直接還原過程：FeO C=Fe CO，到達B點時碳氧比為1，即爐内全部是CO，該過程發生在高爐高溫區；

（4）從B到A代表高爐内間接還原過程：FeO CO=Fe CO2,此時碳氧比大于1，最終形成爐頂煤氣，該過程發生在高爐中上部。

3.2 挖掘節焦潛力與方向

通過建立Rist操作線可以得到當前高爐狀态下的實際操作線AE與理想操作線A`E`，最終得到當前燃料消耗水平與最低燃料消耗水平的差距，即節焦潛力；從RIST操作線可以看出，降低燃料消耗需要提高高爐爐身工作效率，即AE實際操作線無線接近A`E`理想操作線。結合現場實際，具體方向為：（1）xA增加，改善高爐煤氣流分布，使煤氣與礦石充分接觸，提高高爐爐頂煤氣利用率；（2）xP減小，提高風溫水平，降低高爐内由于熱量供應造成的燃料消耗量；（3）yE降低，即降低噸鐵耗氧量，穩定高爐順行，減少由于異常爐況導緻的碳素與氧額外燃燒消耗。

3.3 為行業對标提供科學指标

目前國内煉鐵企業間普遍以燃料比、産量等指标的高低進行對比，來衡量其操作水平，沒有考慮其原燃料水平，可能有失公平。北科億力行業級煉鐵大數據平台已接入300多座高爐，選擇兩企業數據進行對比可以看到，某内地企業入爐品位50%，燃料比580kg/t，某沿海企業入爐品位56%，燃料比水平540kg/t，如果單純的以燃料比水平來衡量企業煉鐵水平，顯然沿海企業煉鐵水平較高，此時如果内地企業不考慮自身的實際情況，盲目的要求降本達到沿海的燃料消耗水平，可能适得其反。此時可以納入原燃料質量數據，繪制兩高爐Rist操作線，對比其節焦潛力或爐身工作效率。

3.4 解析高爐直接還原與間接還原

在高爐煉鐵過程中既有鐵的間接還原，也有鐵的直接還原，兩種還原各有特點。如何通過高爐調整建立合理的煤氣流分布，提高高爐間接還原率，是高爐操作者長期以來降本增效的重要方法，高爐直接還原度是衡量高爐直接還原的重要指标，通過Rist操作線計算得到的AE：Y=aX b，當爐内碳氧比為1是，即x=1，帶入方程即可得到高爐内直接還原度。

在煉鐵界一直用煤氣利用率來衡量高爐的間接還原發生的程度，普遍認為高爐煤氣利用率越高，則高爐間接還原發生的程度越高，因為CO與浮氏體發生還原反應産生CO2，會使得爐頂煤氣中的CO2百分數增加。

按照那樹人煉鐵計算中的間接還原定義為産生一噸鐵，通過FeO CO=Fe CO2（實際間接還原發生形式有多種，但都産生CO2）反應産生的鐵量，從化學反應可以看出間接還原會增加噸鐵CO2的生成量，即噸鐵爐頂煤氣CO2的體積，而并非傳統的CO2百分比；

從RIST操作線也可以證明這一點，高爐間接還原程度增加，即代表高爐内直接還原度降低，所以A點的橫坐标增加（即煤氣利用率增加）或者E點縱坐标增加（即噸鐵耗氧量，與噸鐵爐頂煤氣量成正比）都可以降低直接還原度，兩者結合起來為噸鐵爐頂煤氣CO2的體積。

所以對間接還原反應更合理的衡量标準應該為噸鐵爐頂煤氣CO2的體積，影響間接還原的因素除了煤氣利用率還有噸鐵爐頂煤氣體積。

一般生産現場可能存在這種爐況現象，在高爐爐況不順，料速較慢，焦炭負荷較輕時，爐頂煤氣利用率變化不大或者降低。從機理層面分析，在上述爐況條件下，爐内CO氣氛比較充足，CO在塊狀帶可以與爐料充分接觸，從熱力學與動力學層面都利于CO FeO=Fe CO2反應的發生，應該利于間接還原的發生，如果此時用煤氣利用率衡量間接還原的情況就會出現與實際不相符的情況。用噸鐵爐頂煤氣中CO2的體積來解釋的話，其實是因為噸鐵爐頂煤氣體積大幅度增加，實際上綜合到噸鐵CO2體積上是增加的，所以間接還原發生的程度是增加的。

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