第七章高炉强化冶炼

第七章高炉强化冶炼 高炉强化冶炼包括：精料、高冶炼强度、高风温、高压操作、富氧鼓风、喷煤

7.1 高冶炼强度 1）高炉利用系数风量就是产量——高炉不要轻易减风，应为大风量创造条件。

提高风量 降低焦比 2）都能增产，但加风的效果更明显 3）煤气在高炉内的停留时间与冶强有关风口中心线至料线之间的高度煤气流速（m/s） —炉腹煤气量（Nm3/min） P0—大气压力 P—炉内平均压力，等于炉顶压力和风口前鼓风压力的平均值 T—炉内平均温度，等于炉顶温度和风口前鼓风温度的平均值

S—炉内煤气通道的平均截面积， V’—风口中心线至料线之间的容积，ε为料柱空隙率。令：结论：煤气在炉内停留时间主要取决于冶炼强度，当冶炼强度从1.0提高到1.4时，煤气在炉内停留时间缩短28.6%。

4）冶炼强度与焦比的关系 冶炼强度过低（原料条件差时）：煤气量太少，煤气分布不均匀，大量煤气走边缘，煤气热能和化学能利用不好，焦比升高；冶炼强度过高：会出现管道，煤气分布不均匀，煤气热能和化学能得不到充分利用；且料速过快，冶炼周期明显变小，铁矿石间接还原不充分，直接还原度升高。基本焦比：斜线部分，与冶强无关，只与矿石性质（TFe、还原性）、煤气成分、焦炭灰份、风温和生铁Si含量等有关；

附加焦比：斜线以上部分，与冶炼强度有关。 H = A / K为焦炭负荷焦比达到最低点时的冶强为所对应的冶炼周期为

对冶金性能一定的铁矿石，为得到正常的加热还原，在炉内需要一定的停留时间，即最短冶炼周期 ，那么无论高炉大小，当冶强值增大到使实际冶炼周期时，都将导致渣铁温度下降（料速过快，炉子向凉）。尽管我们目前还无法直接测定铁矿石得到正常加热还原需要的最短冶炼时间，但很清楚，决定于以下两方面：（1）铁矿石特性：烧结矿粒度，还原性（气孔率、 FeO、矿物组成等）；（2）煤气还原势：富氧率、鼓风湿度、喷吹煤粉。基本焦比与冶强无关，主要决定于矿石还原性、渣铁比、矿石粒度、风温、煤气还原势、焦炭灰份、炉顶压力、生铁含硅量等，节焦的方向是努力降低基本焦比。

当冶炼强度过小，边缘气流很强，中心气流很弱，煤气热能和化学能得不到充分利用，焦比升高，这种情况往往出现在原料条件很差的情况下。随着原料条件改善，高炉料柱透气性变好，随冶炼强度升当冶炼强度过小，边缘气流很强，中心气流很弱，煤气热能和化学能得不到充分利用，焦比升高，这种情况往往出现在原料条件很差的情况下。随着原料条件改善，高炉料柱透气性变好，随冶炼强度升高，煤气在高炉内分布趋于均匀，煤气热能和化学能利用改善，焦比降低。当冶炼强度过高时，冶炼周期明显减小，料速过快，铁矿石间接还原不充分，直接还原度升高，焦比升高。随着原、燃料条件的改善，特别是铁矿石还原性提高，基础焦比降低，在同样间接还原度下，铁矿石需要的还原时间减少，冶炼周期可以缩短，焦比最低点的冶炼强度也可以增加。

5）矮胖高炉与超高冶强 矮胖高炉适合于强化：

矮胖：（1）料柱高度H低； （2）横向尺寸大，煤气流速低；（3）矮胖高炉软融带位置低，下部煤气阻力小。分析两座容积相同，但矮胖程度不同的高炉，并假定冶强和其它鼓风条件相同，那么单位时间内炉缸产生的煤气量和总热量相同。这时瘦长高炉因下部容积（V1+V2+V3）小，将有更多的热量加热上部炉料，使高温区上移，也就是软融带升高。相反，矮胖高炉的软融带也就低些。（4）由于高炉矮胖，炉缸直径大，为吹透中心，必须采取高冶强操作。

7.2 精料 • 精料：品位高，有害杂质少，化学成分稳定，能达到自熔，强度好，粉末少，粒度均匀、块度合适、还原性好。具体工作就落实在高、熟、净、稳、匀、小六字方针上。 • 1）高 • （1）高入炉品位：提高矿石入炉品位，品位越高脉石量就越少，相应加入的熔剂量就少——渣量小、熔剂分解耗热少、高炉下部透气性好——焦比低、产量高——喷煤量↑。 • TFe↑——渣量↓——下部透气性↑——喷煤量↑

（2）高还原性：低FeO、多气孔低温固结型烧结矿（2）高还原性：低FeO、多气孔低温固结型烧结矿 FeO↓1%——K↓1.5%——产量↑1.5% （3）焦炭固定碳含量高：CS = 100 – A – V A↓——焦炭热值↑——渣量↓ （4）熔剂CaO含量高：CaO有效 = CaO – R×SiO2 （5）高强度：冷态强度——转鼓指数热态强度——烧结矿低温还原粉化RDI 球团矿还原膨胀RSI 焦炭反应性↓ C + CO2 = CO

2）稳 （1）烧结矿TFe波动↓，R波动↓ TFe波动从1%↘0.5%—产量↑1.5~2.0%—焦比↓ 1~1.5% （2）焦炭水份、固定碳含量稳定 3）熟提高熟料率：高炉使用人造富矿（烧结矿和球团矿）（1）熟矿气孔率高，还原性好，低温还原粉化率低；（2）熟矿化学成分稳定，且可以调整；（3）熟矿硫含量低；（4）熟矿可以减少高炉石灰石用量；（5）高炉操作稳定，炉缸热量充沛。

4）小 • （1）矿石粒度小——直接还原度↓ • 缩小入炉矿石粒度:大型高炉<45mm • 中小型高炉<20~25mm • （2）石灰石粒度小——进入高温区前分解 • （1）小块填充大块的空隙内ε↓； • （2）布料易产生偏析。 • 5）匀 • 矿石粒度均匀，若矿石粒度相差悬殊（1）小块填充大块的空隙内ε↓；（2）布料易产生偏析。分级入炉：25~40mm 12~25mm 5~12mm

6）净 • 筛除粉末（-6.3mm）。在高炉中粉末会增加料柱阻损、引起悬料、崩料、结瘤，使高炉不接受风量，同时增加炉尘吹出量。 • 大高炉使用的烧结矿一般经三次筛粉：烧结机尾部破碎后筛分—烧结厂整粒筛分—高炉槽下筛分，使-6.3mm部分控制在3~5%以下。

7.3 高风温 鼓风带入物理热占高炉热收入的20% 1）鼓风带入物理热取代焦炭燃烧的化学热风温每提高100℃节约的焦炭量焦比降低—吨铁风量下降—鼓风带入的物理热下降 2）炉顶温度 t0为空区温度

3）鼓风物理热在高炉下部能被充分利用，直接提高渣铁温度。3）鼓风物理热在高炉下部能被充分利用，直接提高渣铁温度。 • 4）风温提高后，理论燃烧温度升高，高炉下部阻损增大。 • 5）风温 ——由焦炭带入炉内的灰份和硫量 —减少了渣量和脱硫耗热——吨铁热消耗。 • 高炉接受高风温的条件： • （1）精料：减少渣量、减少入炉粉末； • （2）加湿鼓风、喷煤 100℃风温— =75~80℃—喷煤量变动59.3kg 1g /m3湿份— =6℃ 100kg / t煤粉— = 150~200℃

1）高压的获得 高压阀组：宝钢1#高炉 φ900×3 + φ500×1 武钢4#高炉 φ750×4 + φ400×1 +φ200×1 常开阀自动调节

2）顺行、增产 常压操作：高压操作：有利于高炉顺行顶压升高，炉内煤气流速下降— , 若高压前、后维持同样的值，则：

时, 常压：风压1.4，顶压0.3 高压：风压3.1，顶压2.0 结论：高压操作后可增加风量85%。 3）高压操作抑制直接还原高压操作后直接还原开始点和剧烈进行点向高炉下部推移， 4）高压操作后边缘气流有发展趋势、炉尘吹出量 5）

7.5 富氧鼓风 7.5.1 富氧率和富氧后鼓风实际含氧量 1）富氧率：每100m3混合风中，其中有1m3是外加的纯氧，则富氧率为1%。 1m3O2 99m3干风鼓风中实际含氧=（1+99×0.21）/100=21.79% (富氧1%相当于鼓风含氧增加了0.79%) 2）鼓风中实际含氧湿份：富氧率：干风：1- - 每1m3鼓风中含有：

鼓风中的氧含量= 即：用水蒸气取代干风时能增加氧0.29f，用纯氧取代干风时只能增加氧0.79 7.5.2 富氧鼓风对冶炼的影响 1）冶强增加富氧后由于风中氧含量提高，因而冶炼每吨生铁需要的风量减少，若富氧后冷风总流量保持不变，则富氧后冶强可提高：

风口前燃烧1kg碳素的风量 2）富氧后富化煤气（增加煤气还原势）风口焦炭燃烧：2 C + O2 = 2CO 干风燃烧：2C + O2 + N2 = 2CO + N2 富氧和水份燃烧：3C + H2O + O2 = H2 + 3CO 1m3鼓风燃烧后的煤气组成：

风口前燃烧1kg碳素产生的炉缸煤气体积： 每kg碳素燃烧产生的煤气体积

煤气成份： 结论：（1）富氧或加湿以后，炉缸煤气体积减小，富氧减小煤气体积的作用更加明显。（2）富氧或加湿以后，煤气还原势明显提高，直接还原度下降。

3）富氧后 富氧 ℃ 加湿1%（8g/Nm3）— 48℃ 4）富氧后 7.6 高炉喷煤 7.6.1 为什么要喷煤（意义） 1）合理利用煤炭资源我国无烟煤非结焦煤占总储量的63% 褐煤

瘦煤 12.01% 主焦煤 17.7% 肥煤 13.87% 气煤 56.42% 我国炼焦煤占总储量的27% 2）符合环保要求 1/3焦炉炉龄已经达到大修期（25~30年），炼焦对环境的污染远大于喷煤。 3）建喷煤设备投资远低于建焦炉的投资（前者是后者的15~20%） 4）节能

7.6.2 喷煤工艺流程 宝钢2#高炉多支管流程宝钢3#高炉单支管流程

7.6.3 煤粉在高炉内的行为 1）燃料比550kg/t时，喷煤120~150kg/t，喷吹率22~27% 2）煤粉燃烧率（） A—煤粉灰份（%） A0—固相残留物灰份（%）煤粉在风口回旋区停留时间大约10~40ms（0.01~0.04s） 0.07~0.08mm（-200目）的煤粉燃尽时间0.1~1秒 0.03~0.05mm（-325目）的煤粉在10~40ms内燃尽结论：煤粉在风口区域不能完全燃烧（停留时间太短）

提高煤粉燃烧率的措施： （1）富氧：风口区残焦燃烧时间（2）喷吹烟煤或混合喷吹混合喷吹（3）细磨

3）未燃煤粉在高炉中的行为 煤粉进入高炉后的去向：按置换比0.85计，代替1 kg焦炭相应的煤粉量为1.1765kg，产生的煤气量为5.245 m3 7.6.4 喷吹煤粉对高炉操作的影响 1）喷煤对炉缸煤气体积和煤气成分的影响： 1kg天然气燃烧产生的煤气 7.69 m3； 1kg重油燃烧产生的煤气 5.918 m3；

1kg无烟煤燃烧产生的煤气 4.458 m3； 1kg焦炭燃烧产生的煤气 4.528 m3；按置换比0.85计，代替1 kg焦炭相应的煤粉量为1.1765kg，产生的煤气量为5.245 m3 结论：高炉喷煤后，炉缸煤气，煤气还原能力特别是喷吹烟煤的情况下，炉缸煤气中H2 2）喷吹煤粉后直接还原度喷吹重油时H2=4~6% 喷吹煤粉时H2=2~4% 喷煤后炉缸煤气中的H2

温度>810℃以后，H2还原FeO的能力大于CO，假 定H2的还原作用主要发挥在800~1200℃区域内，则大部分用于FeO还原（一般假定占参加还原H2的2/3）。此外，H2导热率高（是其它气体的8~10倍），粘度小（是其它气体的0.5倍），扩散速度是CO的3.7倍，改善还原过程。因此H2在800~1200℃区域取代固体碳的直接还原，使（H2在高炉内的利用率在50%左右）结论：喷煤率每喷煤量

3）喷煤后炉缸冷化、顶温升高、有热滞后现象3）喷煤后炉缸冷化、顶温升高、有热滞后现象（1）炉缸冷化：指风口前理论燃烧温度（a）煤粉冷态进入燃烧带，不象焦炭已经预热到1500℃ （b）碳氢化合物先分解后燃烧，分解反应吸热含H222~24%天然气3350KJ/m3；含H211~13%重油1675KJ/kg；含H22~4%煤粉1047KJ/kg；（c）燃烧产生的煤气体积

无烟煤 ℃ 烟煤 ℃ 重油 ℃ 天然气 ℃ 富氧 ℃ 湿度 ℃ 风温 ℃ ℃ （2）顶温升高：喷煤后当喷煤量达到60~100kg/t，且不富氧时，

（3）热滞后当增加喷煤量时，炉缸温度先下降，经过一段时间后再升高的现象称热滞后。原因：a) 燃料中的H2上升时参加还原，代替了固体碳的直接还原，节省了热量，这部分炉料下达炉缸时，炉缸热负荷才减轻，使炉缸转热，喷吹效果才显示出来。炉料从H2大量参加还原的区域（810~1200℃）下降到炉缸所经过的时间，就是热滞后时间。b）煤气中CO量，它改善间接还原，但CO大量反应的区域可能比H2反应的区域更上些，所以，CO作用的滞后时间更长。热滞后时间达到：3~5小时

4）对顺行的影响 首钢1号高炉（576m3）1966年喷吹试验马钢二铁厂300m3高炉喷煤后变化因此，喷煤后上部透气性，下部透气性（渣量/焦炭量）。喷煤量达到200~250kg / t时，高炉中焦炭体积比，软融带焦窗变薄，全炉压差，必须采取相应措施（中心装焦、减风等）

5）大喷煤后，燃料比逐渐升高（置换比下降）5）大喷煤后，燃料比逐渐升高（置换比下降）大喷煤必须与富氧和高风温相结合（1）随煤比升高，煤粉燃烧率下降，未燃煤粉随煤气流吹出高炉；（2）煤粉固定碳含量 < 焦炭固定碳含量，当置换比为0.8时，1.25kg煤粉代替1kg焦炭的作用。（3）富氧后冶强不变时，风量，鼓风带入高炉的显热。 M—喷煤量，kg/t； K0—喷吹前的平均焦比； K—喷吹后的平均焦比； ΔK—喷吹前后其它因素变化对焦比的影响

6）喷煤对边缘煤气流的影响日本高炉、宝钢高炉：喷煤量 —边缘气流发展—炉墙热损失我国其它高炉：喷煤量 —中心气流发展原因：（1）我国高炉大多喷煤量低（原来<100kg/t），且大多不富氧或只少富氧，在炉缸积聚的未燃煤粉量很少。且能很好气化，对高炉炉缸焦柱透气性不会造成影响。相反，喷煤后单位生铁炉腹煤气量（不富氧时），使中心发展，顶温也有不同程度。

（2）对日本和宝钢等大喷煤的高炉，煤粉燃烧率 ，未燃煤粉在高炉中心积聚，使中心透气性；此外，大喷煤时一般富氧率较高，为维持一定冶强，一般都减风，使炉腹煤气量变化不大。因此，随喷煤率，边缘发展，从而导致热损失，炉墙损坏加快。（3）喷煤后，回旋区边缘产生一个壳（高速煤灰冲击炉芯，而煤灰为半熔融状附着在回旋区边缘），也不利于气流走中心；（4）喷煤后挥发物燃烧产生大量CO2，CO2使焦炭反应产生大量焦粉。

第七章 高炉强化冶炼