高爐富氧對(duì)煤氣利用率的影響

侯健  邵久剛  郭先燊

（河鋼集團(tuán)邯鋼公司）

摘  要：富氧鼓風(fēng)是高爐基本生產(chǎn)手段之一，煤氣利用率是衡量高爐能耗水平高低的重要參數(shù)，研究?jī)烧咧�間的關(guān)系對(duì)于高爐實(shí)現(xiàn)高效低耗生產(chǎn)具有重要意義。本文從理論角度出發(fā)對(duì)富氧和高爐煤氣利用率之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，同時(shí)結(jié)合河鋼邯鋼八號(hào)高爐的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，得出了富氧率對(duì)高爐煤氣利用率的影響規(guī)律。結(jié)論認(rèn)為：在較低富氧率階段，隨著富氧率的提高煤氣利用率有升高趨勢(shì)；在較高富氧率階段，隨著富氧率的提高煤氣利用率逐漸下降。

關(guān)鍵詞：富氧；高爐；煤氣利用率

1 前言

富氧鼓風(fēng)是高爐強(qiáng)化冶煉的基本手段，在一定范圍內(nèi)隨著富氧率的提高，高爐冶煉強(qiáng)度增大產(chǎn)量升高。與此同時(shí)，富氧鼓風(fēng)也會(huì)給爐內(nèi)狀況帶來(lái)變化，比如回旋區(qū)煤氣量減小、煤氣成分變化以及爐內(nèi)溫度場(chǎng)變化等等[1]。關(guān)于富氧對(duì)高爐的影響，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)室分析還是實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐，國(guó)內(nèi)外均已經(jīng)有了諸多報(bào)道。

煤氣利用率是衡量高爐能耗水平高低的一個(gè)重要指標(biāo)，也是高爐操作者必須關(guān)注的一個(gè)生產(chǎn)參數(shù)。富氧鼓風(fēng)引起爐內(nèi)諸多變化，也必然會(huì)直接或間接對(duì)煤氣利用率產(chǎn)生影響。根據(jù)高爐操作者經(jīng)驗(yàn)的不同，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中不同的操作者會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)論。當(dāng)前關(guān)于富氧對(duì)煤氣利用率的影響尚沒(méi)有形成明確的結(jié)論，并且由于高爐過(guò)程的復(fù)雜性，關(guān)于這方面的研究也鮮有報(bào)道。本文從理論分析出發(fā)，通過(guò)河鋼邯鋼八號(hào)高爐的生產(chǎn)實(shí)踐，分析了富氧水平對(duì)煤氣利用率的影響。

2 理論分析

高爐煤氣利用率的高低與爐內(nèi)鐵礦石的間接還原發(fā)展程度有關(guān)。主要受到鐵礦石還原性、煤氣還原勢(shì)以及爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布的影響。鐵礦石的還原性是由原燃料條件決定的，八高爐經(jīng)歷過(guò)用還原性較好的澳礦取代南非礦，煤氣利用率在其它冶煉條件不變的情況下升高1.5%的實(shí)踐經(jīng)歷。由于在高爐日常生產(chǎn)中原料條件基本保持穩(wěn)定，所以高爐操作者更關(guān)注后兩個(gè)因素的作用。富氧對(duì)煤氣利用率影響，不同高爐操作者依據(jù)個(gè)人生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)會(huì)做出不同的判斷，每個(gè)人的判斷都經(jīng)過(guò)了實(shí)際生產(chǎn)的檢驗(yàn)，所以不能簡(jiǎn)單決斷誰(shuí)對(duì)誰(shuí)錯(cuò)。為了更好表征這個(gè)問(wèn)題以便為生產(chǎn)提供理論參考，必須從基礎(chǔ)理論出發(fā)并結(jié)合實(shí)際才能得出有價(jià)值的結(jié)果。

從熱力學(xué)角度分析，CO與CO2的相對(duì)分壓和體系的溫度水平?jīng)Q定了平衡時(shí)的氣相成分，即決定了煤氣利用率所能達(dá)到的最高水平。煤氣還原勢(shì)主要通過(guò)兩個(gè)指標(biāo)表征：爐內(nèi)CO與CO2的絕對(duì)壓力和相對(duì)分壓。在實(shí)際生產(chǎn)中，富氧對(duì)這兩個(gè)因素有重要影響，甚至在穩(wěn)定生產(chǎn)條件下，富氧水平?jīng)Q定了這兩個(gè)因素的變化。在高爐下部高溫區(qū)域（碳素溶損反應(yīng)強(qiáng)烈進(jìn)行的區(qū)域），在總風(fēng)壓穩(wěn)定的條件下，在較低富氧率時(shí)，隨著氧氣濃度的提高，相對(duì)應(yīng)生成的CO濃度提高、N2濃度降低，提高了煤氣的還原勢(shì)，在煤氣進(jìn)入中低溫區(qū)域后，較高的還原勢(shì)有利于間接還原的發(fā)展，促進(jìn)了煤氣利用率提高。隨著富氧率的進(jìn)一步提高，CO濃度變化對(duì)還原勢(shì)提升的邊際效應(yīng)逐步降低，在富氧率高于某一范圍后，濃度變化（熱力學(xué)因素）對(duì)還原程度的影響將會(huì)由主要矛盾降為次要矛盾。溫度變化（動(dòng)力學(xué)因素）對(duì)間接還原速率的影響將會(huì)變得更為重要。由于噸鐵煤氣量的降低，在其他參數(shù)穩(wěn)定的條件下，富氧率的提高會(huì)降低高爐中上部區(qū)域溫度，導(dǎo)致塊狀帶礦石溫度偏低，不利于間接還原發(fā)展�！跋聼嵘侠洹眴�(wèn)題會(huì)隨著氧氣濃度的提高而越來(lái)越明顯（極端例子就是氧氣高爐）。因此，在高于某一值后，富氧率的進(jìn)一步提升會(huì)使煤氣利用率降低。

3 實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)8高爐歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，獲得了一些支撐上述論點(diǎn)的依據(jù)。圖2是2014年以來(lái)8高爐實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)二階多項(xiàng)式擬合可以看出，煤氣利用率隨著富氧率的提高首先呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，在達(dá)到一定值后又逐步下降。尤其是在富氧率低于1.4%時(shí)，煤氣利用率的提升效果比較明顯，在這一階段，CO濃度是影響間接還原發(fā)展的主要因素，所以隨著富氧率的提高煤氣利用率升高。在富氧率高于1.4%時(shí)，曲線開(kāi)始進(jìn)入拐點(diǎn)并出現(xiàn)下降趨勢(shì)，在這一階段，爐內(nèi)溫度場(chǎng)是影響間接還原發(fā)展的主要因素，所以富氧率的進(jìn)一步提升會(huì)引起煤氣利用率的下降。

實(shí)際生產(chǎn)中，煤氣利用率是高爐爐況綜合作用的結(jié)果，并不是單因素決定的，所以同樣的煤氣利用率可能對(duì)應(yīng)不同的爐況。用不同條件下的結(jié)果進(jìn)行同樣的分析可能會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)論，所以有必要更進(jìn)一步對(duì)不同時(shí)期的數(shù)據(jù)進(jìn)行分別討論。

圖3是2014年1-5月份的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。2014年8高爐維持了長(zhǎng)期的穩(wěn)定順行， 1-5月份在其他參數(shù)基本穩(wěn)定的條件下，富氧率在0.6-2.2之間變化，處于較高水平，由分析可以看出煤氣利用率隨著富氧率的提高有明顯的下降趨勢(shì)。

圖4是2016年1-6月份的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。進(jìn)入2016年以來(lái)，8高爐爐況波動(dòng)頻繁，富氧水平較低。雖然其他參數(shù)變動(dòng)較大，但是由生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著富氧率的提升煤氣利用率升高趨勢(shì)明顯。

4 討論

高爐煤氣利用率是過(guò)程的綜合表現(xiàn)，不受單一因素控制決定。由于過(guò)程的復(fù)雜性，無(wú)法通過(guò)精確計(jì)算來(lái)確定其他因素對(duì)其產(chǎn)生的作用，更多時(shí)候只能依賴一些感性認(rèn)識(shí)。高爐操作者對(duì)富氧的認(rèn)識(shí)不盡相同，每個(gè)操作者都會(huì)從各自的角度出發(fā)得出自己的結(jié)論。在面對(duì)這些問(wèn)題時(shí)，必須要首先認(rèn)識(shí)到不同的高爐具有不同的生產(chǎn)條件。從邯鋼出發(fā)，8高爐富氧水平一般不高于2%，所以我們的結(jié)論和感性認(rèn)識(shí)是基于富氧率偏低這一基本條件的。寶鋼高爐富氧水平相對(duì)于邯鋼要高一些，并且維持了長(zhǎng)周期的穩(wěn)定順行，所以寶鋼會(huì)在寶鋼的范圍內(nèi)得出感性認(rèn)識(shí)和結(jié)論。再以沙鋼為例，高爐富氧率在7-8%以上，因而沙鋼又會(huì)依賴于他們的生產(chǎn)實(shí)踐獲得感性認(rèn)識(shí)和結(jié)論。

高爐過(guò)程由于其復(fù)雜性，即使發(fā)展至今仍然嚴(yán)重依賴于經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作。如何利用煉鐵基本理論對(duì)高爐過(guò)程現(xiàn)象進(jìn)行解析和歸納，進(jìn)而獲得理論與實(shí)踐上的統(tǒng)一，是高爐煉鐵技5 結(jié)論

綜合考慮煤氣還原勢(shì)和爐內(nèi)溫度場(chǎng)對(duì)還原過(guò)程的影響，研究認(rèn)為在較低富氧率階段，氣氛是影響間接還原過(guò)程的主要因素，隨著富氧率的進(jìn)一步提高，噸鐵煤氣量減少，造成爐內(nèi)中溫區(qū)縮小，對(duì)于間接還原過(guò)程溫度場(chǎng)逐漸成為限制因素。因此富氧對(duì)高爐過(guò)程煤氣利用率的影響存在拐點(diǎn)，即在低于拐點(diǎn)的較低富氧率階段，煤氣利用率隨著富氧率的提高而升高；在高于拐點(diǎn)區(qū)域，富氧率較高，隨著富氧率的進(jìn)一步提升，煤氣利用率逐漸下降。

參考文獻(xiàn)

[1] 鋼鐵冶金學(xué). 王筱留. 北京：冶金工業(yè)出版社，2000（第二版）.