郭曉鵬

（德龍鋼鐵有限公司，河北邢臺 054009）

[摘 要] 根據高爐物料平衡和熱平衡，計算出高爐冶煉過程中，富氧率對高爐產量、頂溫的影響，富氧、煤比與理論燃燒溫度的關系，得出隨著富氧率的增加，頂溫逐漸降低，煤比逐漸升高；富氧率和鐵水產量關系存在緩變區域，最高值對應的最佳富氧率值為 4.2%。

[關鍵詞] 高爐；富氧；頂溫；理論燃燒溫度；煤比

0 引言

富氧噴煤技術在我國高爐生產中應用較為普遍^[1-2]。高爐操作中，提高鼓風富氧量能夠富化鼓風的氧含量，進而提高風口前煤粉的燃燒率，提高煤粉的置換比，降低焦比及鐵前成本。同時，還可以解決因煤粉的揮發分在風口前高溫裂解時造成高爐風口前理論燃燒降低的問題，強化高爐冶煉，提高鐵水產量，增強爐缸的蓄熱能力，提高鐵水物理熱，改善渣鐵的流動性。但隨著富氧率的提高，爐頂溫度不斷降低，當爐頂溫度過低時，將會引起高爐除塵箱體放灰困難，除塵布袋糊死，另外，過濕的粉塵會沉降富集在煤氣管道中，影響透平機正常運行。

1 研究過程及分析

富氧率的變化將直接引起噸鐵氧量的變化，通過研究噸鐵氧量與產量之間的關系，可以得到最佳產量點。根據理論燃燒溫度計算方法可知，富氧和噴煤對高爐冶煉過程的影響是相反的，兩者之間可以優勢互補，所以在調整富氧率時也要相應調整噴煤才能保證高爐穩定順行；富氧率增加后，煤氣量減少，上部熱交換區域擴大，爐頂溫度降低，當溫度降到結露溫度將會影響高爐除塵系統的正常運行。

1.1 富氧率與噸鐵氧量

根據已有的研究結果可知，一般來說富氧率在一定范圍內的時候鼓風中富氧率每提高 1%，鐵水產量可以提高 2.5%~3%^[3-4]。但是富氧率和高爐鐵水產量存在一個相關的關系，可以實現產量和富氧利用的最佳比例，因此有必要尋找到最佳的富氧和產量對比關系，用來指導高爐的日常生產，從而優化高爐生產的經濟指標。

噸鐵氧量的計算：

式中，Q 為每天高爐的富氧流量，m³；t 為鐵水日產量，t。

根據統計結果，對數據進行分析，同時，對統計得到的數據進行噸鐵氧量 - 產量統計進行了MINITAB 回歸，分析出富氧-產量之間的關系，回歸曲線見圖 1。

對圖 1 回歸曲線進行分析可知，噸鐵富氧量為0~55 m³ 時，處于產量的激變區，此時產量隨富氧量變化趨勢顯著；噸鐵富氧量為 55~65 m³ 時，產量隨著富氧量增加明顯變緩；噸鐵富氧量為 65 m³ 以上時，產量隨富氧變化的微變區，此時產量幾乎不再隨富氧量的增加而增加。這樣就可以獲得最佳鐵水產量和富氧成本之間的相應關系，并可根據氧氣的價格測算富氧成本，實現鐵前富氧成本的優化。富氧的成本計算見公式（2）。

P_O2=Q_O2×CO₂                       （2）

式中，P_O2為高爐噸鐵的富氧成本，元/t；Q_O2為噸鐵富氧量，m³；CO₂為氧氣單價，元/m³。

由此分析出最佳鐵水產量和富氧成本之間的相應關系，并可以根據氧氣的價格測算富氧成本，實現鐵前富氧成本的優化。

1.2 富氧率和噴煤比

由于高爐爐容和爐型，以及各自原燃料條件和操作理念的不同，導致各個工廠高爐的噴吹煤比也各不相同，每個高爐所控制的理論燃燒溫度也不盡相同。一般來說，每提高 1%富氧率可以增加煤比20 kg，通過行業內的長期摸索，目前我公司同類型 高爐風口前理論燃燒溫度一般控制在 2 250~2 300℃^[5-6]，既保證了爐況的穩定順行，又能滿足爐缸熱制度，確保產品合格。根據理論燃燒溫度經驗公式，結合我公司實際生產，進行了如下修改：

T_理=1 560+0.816 t _風+50 O₂-2.12 M _煤 （3）

式中，t _風為高爐使用風溫，℃；O₂ 為高爐富氧率，%； M 煤為高爐噴吹煤比，kg/t。

通常操作中，為減少風溫波動對爐況的影響，高爐風溫基本保持在一個穩定區間（這里取平均溫度 1 150 ℃），因此當理論燃燒溫度一定時，富氧和煤比就會呈現一種線性關系，公式（3）可列成一個一次方程，具體見公式（4）、公式（5）：

①當理論燃燒溫度控制在 2 250 ℃時：

M_煤=23.585 O₂ +117.170 （4）

于當理論燃燒溫度控制在 2 350 ℃時：

M_煤=23.585 O₂ +93.585 （5）

目前高爐冶煉過程中一般均采用提高煤比的方式來節約焦比，所以二者之間的關系可以根據差 價，利用公式（6）來計算提高煤比和降低焦比關系是否有利于成本的降低：

Q_變=A×C_煤-B×C_焦 （6）

式中，A為高爐提高的煤比量，kg/t；C_煤為高爐噴吹煤單價，元/t；B為高爐降低的焦比量，kg/t；C_焦為高爐焦炭單價，元/t。

通過對公式（4）和公式（5）的計算，根據統計結 果，對數據進行了統計分析，可知：

淤富氧率-煤比呈現線性關系，即隨著富氧率的增加，煤比隨富氧量呈現持續升高的變化趨勢。 于可以根據同一富氧率條件下，在高爐可以接受的理論燃燒溫度范圍內選擇合理的噴吹煤比。盂在保證風口理論燃燒溫度的前提下，可以根據煤粉和焦炭的差價來選擇合適的煤比，降低鐵前成本，即保證Q_變約0。

1.3 富氧率對頂溫的影響

一般來說，富氧率越高，高爐的料速就越快，能夠對冶煉強度起到推動作用。但是，隨著富氧率的提高，往往伴隨著爐頂溫度的降低，達到結露條件時，會引起高爐除塵箱體放灰困難，除塵布袋糊死。另外，過濕的粉塵會沉降富集在煤氣管道中，影響 透平機正常運行，因此高爐富氧率并不是越高越好，而是針對不同高爐有著不同的合適區域。

高爐富氧-頂溫的關系可以根據高爐物料平衡和熱量平衡為計算基礎，從而找出二者之間的相關性，通過對高爐上下部分熱量收支情況進行研究，把高爐分為熱量總收入和熱量總支出兩部分，在滿足一定約束條件的前提下，分別求出熱量總收入和熱量的總支出，然后建立高爐總體的熱量平衡數學模型，從而求出富氧-頂溫的關系，見公式（7）。

式中，Q_i 包括鼓風、爐料、碳素燃燒熱等；Q_j 包括鐵 水、爐渣、高爐煤氣、爐塵顯熱，鼓風水分解熱，元素溶解熱凈值，脫硫耗熱，水蒸發吸熱，噴吹物分解熱，熱損失等。同時，為了計算熱平衡公式，需要確定一定的邊界條件，以及一些相關的具體計算公式。

1.3.1 鼓風量和煤氣量的確定

本次計算富氧和頂溫關系的重點在于計算高爐鼓風量與富氧的關系，以及實際鼓入高爐風量和爐頂煤氣的關系，只有確定這些帶入、帶出顯熱的不確定因素，才能更加準確地確定熱平衡公式的計算結果。

式中，Q_鼓風為煉鐵噸鐵實際鼓風量，m³；N_鼓風為煉鐵鼓風富氧后實際的含氮量，v/v，%；N_煤氣為高爐煤氣含氮量，v/v，%；O₂為鼓風富氧率，v/v，%；V 氧氣含氧、V空氣含氧為富氧含氧量、空氣含氧量，v/v，%；Q 噸鐵耗風為煉鐵的噸鐵理論耗風量，m³ /t；Q 噸鐵氧量為煉鐵的噸鐵理論耗風量，m³ /t。

1.3.2 一些固定參數的確定

方程（8）和方程（9）在計算中所使用的的各個參數均采用理論數據，物質的化學成分采用化驗室分析實驗累計平均數據。其它一些需要數據采用如下固定值，見表 1。

本次計算結合日常工作過程中，富氧率為 2%，頂溫 150 ℃時高爐煤氣系統可以正常工作為前提條件進行了相關的計算，輸出數據見圖 2。

通過對圖 2 進行線性回歸，可以得到高爐爐頂溫度—富氧率的擬合方程，該方程如下：

T _頂溫=190.9-20.75（O₂） （10）

式中，（O₂）為高爐富氧率，%。

通過該方程可以看出，高爐爐頂溫度變化與富氧率變化關系為：富氧率每變化 1%，頂溫相應影響 20.75 ℃，因此高爐可以根據頂溫與富氧率的關系， 結合煤氣處理系統的工作情況，進行富氧率的正確選擇，確保頂溫在確保正常產生的溫度區間內。同 時，可以根據季節氣溫的變化、原料差價、物料入爐水當量不同而選擇合適的原燃料結構（如天然生礦的比例選擇），降低鐵前成本。

2 結論

根據上述分項研究可以得到產量-噸鐵富氧的情況，富氧率應選擇在 4.2%以下，可以保證鐵水產量處于噸鐵氧量變化的微變區之前且成本較優。富氧率每變化 1%，爐頂頂溫相應影響 20.75 ℃，因此高爐可以根據頂溫與富氧率的關系進行富氧率的正確選擇。同時根據原燃料含水對頂溫影響的情況，可以針對性地選擇富氧情況，確保高爐頂溫不影響高爐煤氣處理系統正常工作。可以根據自身的生產特點建立數學模型，尋找到爐頂溫度和富氧率之間的相關關系，用于指導生產，采用何種原燃料結構來降低鐵前成本。

參考文獻

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