郭曉鵬

（德龍鋼鐵有限公司，河北邢臺(tái) 054009）

[摘 要] 根據(jù)高爐物料平衡和熱平衡，計(jì)算出高爐冶煉過程中，富氧率對(duì)高爐產(chǎn)量、頂溫的影響，富氧、煤比與理論燃燒溫度的關(guān)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(chǎn)量關(guān)系存在緩變區(qū)域，最高值對(duì)應(yīng)的最佳富氧率值為 4.2%。

[關(guān)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(shù)在我國(guó)高爐生產(chǎn)中應(yīng)用較為普遍^[1-2]。高爐操作中，提高鼓風(fēng)富氧量能夠富化鼓風(fēng)的氧含量，進(jìn)而提高風(fēng)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(shí)，還可以解決因煤粉的揮發(fā)分在風(fēng)口前高溫裂解時(shí)造成高爐風(fēng)口前理論燃燒降低的問題，強(qiáng)化高爐冶煉，提高鐵水產(chǎn)量，增強(qiáng)爐缸的蓄熱能力，提高鐵水物理熱，改善渣鐵的流動(dòng)性。但隨著富氧率的提高，爐頂溫度不斷降低，當(dāng)爐頂溫度過低時(shí)，將會(huì)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(huì)沉降富集在煤氣管道中，影響透平機(jī)正常運(yùn)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(chǎn)量之間的關(guān)系，可以得到最佳產(chǎn)量點(diǎn)。根據(jù)理論燃燒溫度計(jì)算方法可知，富氧和噴煤對(duì)高爐冶煉過程的影響是相反的，兩者之間可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，所以在調(diào)整富氧率時(shí)也要相應(yīng)調(diào)整噴煤才能保證高爐穩(wěn)定順行；富氧率增加后，煤氣量減少，上部熱交換區(qū)域擴(kuò)大，爐頂溫度降低，當(dāng)溫度降到結(jié)露溫度將會(huì)影響高爐除塵系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1.1 富氧率與噸鐵氧量

根據(jù)已有的研究結(jié)果可知，一般來說富氧率在一定范圍內(nèi)的時(shí)候鼓風(fēng)中富氧率每提高 1%，鐵水產(chǎn)量可以提高 2.5%~3%^[3-4]。但是富氧率和高爐鐵水產(chǎn)量存在一個(gè)相關(guān)的關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)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(chǎn)量對(duì)比關(guān)系，用來指導(dǎo)高爐的日常生產(chǎn)，從而優(yōu)化高爐生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

噸鐵氧量的計(jì)算：

式中，Q 為每天高爐的富氧流量，m³；t 為鐵水日產(chǎn)量，t。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)，對(duì)統(tǒng)計(jì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行噸鐵氧量 - 產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)進(jìn)行了MINITAB 回歸，分析出富氧-產(chǎn)量之間的關(guān)系，回歸曲線見圖 1。

對(duì)圖 1 回歸曲線進(jìn)行分析可知，噸鐵富氧量為0~55 m³ 時(shí)，處于產(chǎn)量的激變區(qū)，此時(shí)產(chǎn)量隨富氧量變化趨勢(shì)顯著；噸鐵富氧量為 55~65 m³ 時(shí)，產(chǎn)量隨著富氧量增加明顯變緩；噸鐵富氧量為 65 m³ 以上時(shí)，產(chǎn)量隨富氧變化的微變區(qū)，此時(shí)產(chǎn)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(chǎn)量和富氧成本之間的相應(yīng)關(guān)系，并可根據(jù)氧氣的價(jià)格測(cè)算富氧成本，實(shí)現(xiàn)鐵前富氧成本的優(yōu)化。富氧的成本計(jì)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(jià)，元/m³。

由此分析出最佳鐵水產(chǎn)量和富氧成本之間的相應(yīng)關(guān)系，并可以根據(jù)氧氣的價(jià)格測(cè)算富氧成本，實(shí)現(xiàn)鐵前富氧成本的優(yōu)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(dǎo)致各個(gè)工廠高爐的噴吹煤比也各不相同，每個(gè)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(yè)內(nèi)的長(zhǎng)期摸索，目前我公司同類型 高爐風(fēng)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(wěn)定順行，又能滿足爐缸熱制度，確保產(chǎn)品合格。根據(jù)理論燃燒溫度經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合我公司實(shí)際生產(chǎn)，進(jìn)行了如下修改：

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

式中，t _風(fēng)為高爐使用風(fēng)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(fēng)溫波動(dòng)對(duì)爐況的影響，高爐風(fēng)溫基本保持在一個(gè)穩(wěn)定區(qū)間（這里取平均溫度 1 150 ℃），因此當(dāng)理論燃燒溫度一定時(shí)，富氧和煤比就會(huì)呈現(xiàn)一種線性關(guān)系，公式（3）可列成一個(gè)一次方程，具體見公式（4）、公式（5）：

①當(dāng)理論燃燒溫度控制在 2 250 ℃時(shí)：

M_煤=23.585 O₂ +117.170 （4）

于當(dāng)理論燃燒溫度控制在 2 350 ℃時(shí)：

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(jié)約焦比，所以二者之間的關(guān)系可以根據(jù)差 價(jià)，利用公式（6）來計(jì)算提高煤比和降低焦比關(guān)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?jiǎn)蝺r(jià)，元/t；B為高爐降低的焦比量，kg/t；C_焦為高爐焦炭單價(jià)，元/t。

通過對(duì)公式（4）和公式（5）的計(jì)算，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié) 果，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，可知：

淤富氧率-煤比呈現(xiàn)線性關(guān)系，即隨著富氧率的增加，煤比隨富氧量呈現(xiàn)持續(xù)升高的變化趨勢(shì)。 于可以根據(jù)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(nèi)選擇合理的噴吹煤比。盂在保證風(fēng)口理論燃燒溫度的前提下，可以根據(jù)煤粉和焦炭的差價(jià)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(duì)頂溫的影響

一般來說，富氧率越高，高爐的料速就越快，能夠?qū)σ睙拸?qiáng)度起到推動(dòng)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(dá)到結(jié)露條件時(shí)，會(huì)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(huì)沉降富集在煤氣管道中，影響 透平機(jī)正常運(yùn)行，因此高爐富氧率并不是越高越好，而是針對(duì)不同高爐有著不同的合適區(qū)域。

高爐富氧-頂溫的關(guān)系可以根據(jù)高爐物料平衡和熱量平衡為計(jì)算基礎(chǔ)，從而找出二者之間的相關(guān)性，通過對(duì)高爐上下部分熱量收支情況進(jìn)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(shù)學(xué)模型，從而求出富氧-頂溫的關(guān)系，見公式（7）。

式中，Q_i 包括鼓風(fēng)、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(fēng)水分解熱，元素溶解熱凈值，脫硫耗熱，水蒸發(fā)吸熱，噴吹物分解熱，熱損失等。同時(shí)，為了計(jì)算熱平衡公式，需要確定一定的邊界條件，以及一些相關(guān)的具體計(jì)算公式。

1.3.1 鼓風(fēng)量和煤氣量的確定

本次計(jì)算富氧和頂溫關(guān)系的重點(diǎn)在于計(jì)算高爐鼓風(fēng)量與富氧的關(guān)系，以及實(shí)際鼓入高爐風(fēng)量和爐頂煤氣的關(guān)系，只有確定這些帶入、帶出顯熱的不確定因素，才能更加準(zhǔn)確地確定熱平衡公式的計(jì)算結(jié)果。

式中，Q_鼓風(fēng)為煉鐵噸鐵實(shí)際鼓風(fēng)量，m³；N_鼓風(fēng)為煉鐵鼓風(fēng)富氧后實(shí)際的含氮量，v/v，%；N_煤氣為高爐煤氣含氮量，v/v，%；O₂為鼓風(fēng)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(fēng)為煉鐵的噸鐵理論耗風(fēng)量，m³ /t；Q 噸鐵氧量為煉鐵的噸鐵理論耗風(fēng)量，m³ /t。

1.3.2 一些固定參數(shù)的確定

方程（8）和方程（9）在計(jì)算中所使用的的各個(gè)參數(shù)均采用理論數(shù)據(jù)，物質(zhì)的化學(xué)成分采用化驗(yàn)室分析實(shí)驗(yàn)累計(jì)平均數(shù)據(jù)。其它一些需要數(shù)據(jù)采用如下固定值，見表 1。

本次計(jì)算結(jié)合日常工作過程中，富氧率為 2%，頂溫 150 ℃時(shí)高爐煤氣系統(tǒng)可以正常工作為前提條件進(jìn)行了相關(guān)的計(jì)算，輸出數(shù)據(jù)見圖 2。

通過對(duì)圖 2 進(jìn)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(guān)系為：富氧率每變化 1%，頂溫相應(yīng)影響 20.75 ℃，因此高爐可以根據(jù)頂溫與富氧率的關(guān)系， 結(jié)合煤氣處理系統(tǒng)的工作情況，進(jìn)行富氧率的正確選擇，確保頂溫在確保正常產(chǎn)生的溫度區(qū)間內(nèi)。同 時(shí)，可以根據(jù)季節(jié)氣溫的變化、原料差價(jià)、物料入爐水當(dāng)量不同而選擇合適的原燃料結(jié)構(gòu)（如天然生礦的比例選擇），降低鐵前成本。

2 結(jié)論

根據(jù)上述分項(xiàng)研究可以得到產(chǎn)量-噸鐵富氧的情況，富氧率應(yīng)選擇在 4.2%以下，可以保證鐵水產(chǎn)量處于噸鐵氧量變化的微變區(qū)之前且成本較優(yōu)。富氧率每變化 1%，爐頂頂溫相應(yīng)影響 20.75 ℃，因此高爐可以根據(jù)頂溫與富氧率的關(guān)系進(jìn)行富氧率的正確選擇。同時(shí)根據(jù)原燃料含水對(duì)頂溫影響的情況，可以針對(duì)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(tǒng)正常工作。可以根據(jù)自身的生產(chǎn)特點(diǎn)建立數(shù)學(xué)模型，尋找到爐頂溫度和富氧率之間的相關(guān)關(guān)系，用于指導(dǎo)生產(chǎn)，采用何種原燃料結(jié)構(gòu)來降低鐵前成本。

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