胡慕凱

( 江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 江陰 214400)

摘 要: 研究了高爐富氧大噴煤操作工藝，探討了不同富氧率下的關(guān)鍵參數(shù)變化以及它們對高爐性能的影響。研究表明: 富氧率的調(diào)整與控制策略對高爐操作具有重要意義。隨著富氧率的增加，煤粉噴射效率提高，爐膛溫度分布變寬，CO 和 H₂氣體濃度上升，爐渣中 SiO₂含量下降而 Al₂O₃ 略微上升，這些變化影響了還原反應(yīng)效率、熱流動性和爐渣特性，為高爐操作提供了改進(jìn)和優(yōu)化的方向。

關(guān)鍵詞: 高爐; 富氧大噴煤; 煤粉噴射效率; 還原反應(yīng)效率; 熱流動性

0 引言

高爐富氧大噴煤操作作為現(xiàn)代冶金工業(yè)中的關(guān)鍵工藝備受關(guān)注。通過調(diào)整富氧率以及有效控制策略，高爐運行的性能和效率得以顯著改善。通過研究高爐富氧大噴煤操作工藝，關(guān)注不同富氧率對其性能的影響，并關(guān)注煤粉噴射效率、爐膛溫度分布、CO和 H2氣體濃度以及爐渣中 SiO₂和 Al₂O₃ 含量等關(guān)鍵參數(shù)的變化，通過數(shù)據(jù)分析和實驗結(jié)果，確定這些參數(shù)如何影響高爐操作的穩(wěn)定性和產(chǎn)量，為高爐富氧大噴煤操作工藝的優(yōu)化和改進(jìn)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 工藝概述

高爐富氧大噴煤操作工藝代表了一項關(guān)鍵的冶金技術(shù)，其核心目標(biāo)是通過優(yōu)化富氧率的搭配，以提高高爐的燃燒效率和鐵礦石的還原性能。該工藝結(jié)合了高爐煉鐵和燃燒工程學(xué)的原理，旨在實現(xiàn)更高的生產(chǎn)效率、降低燃料消耗和減少環(huán)境排放。具體而言，富氧大噴煤操作涉及將富氧氣體與精細(xì)磨碎的煤粉混合并噴射到高爐燃燒室內(nèi)，與高爐料層中的鐵礦石發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生可還原的 CO 和 H₂氣體，從而促進(jìn)鐵的還原反應(yīng)。富氧率的優(yōu)化是整個工藝的核心^［1］，在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)調(diào)整富氧率，可實現(xiàn)多重目標(biāo)，包括提高高爐出鐵的產(chǎn)量和質(zhì)量、降低燃料消耗、減少 CO₂排放等。實現(xiàn)這些目標(biāo)需要了解富氧率與高爐性能之間的復(fù)雜關(guān)系，考慮到爐內(nèi)的煤粉噴射效率、燃燒穩(wěn)定性、爐渣性質(zhì)以及冷卻水溫度等因素。在高爐富氧大噴煤操作中，技術(shù)性要求極高。操作員需要熟練掌握煤粉噴射裝置的調(diào)整和控制，以確保穩(wěn)定的操作和富氧率的及時調(diào)整。此外，高爐的實際操作需要監(jiān)控和調(diào)整多個參數(shù)，以保證最佳的性能。這些參數(shù)包括富氧氣體的流量、噴射速度、煤粉粒度、氣體分布、溫度和壓力等。高爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

2 富氧大噴煤操作與富氧率的搭配

理解富氧率與煤粉噴射效率的關(guān)系至關(guān)重要。富氧率的增加通常會提高煤粉噴射效率，但過高的富氧率可能導(dǎo)致過多的富氧氣體流過煤粉，降低了CO和 H₂的產(chǎn)生，從而降低還原反應(yīng)效率。因此，須精確調(diào)整富氧率，以確保充分的混合和反應(yīng)。燃燒穩(wěn)定性對于高爐操作至關(guān)重要，不僅關(guān)系到產(chǎn)生的氣體溫度和濃度分布，還關(guān)系到爐膛內(nèi)的溫度分布和爐壁的耐火材料磨損。通過適當(dāng)?shù)母谎趼收{(diào)整，可以維持燃燒的穩(wěn)定性，減少氣體分布不均勻所帶來的問題^［2］。另一個關(guān)鍵因素是富氧率與爐渣性質(zhì)的關(guān)系。富氧率的變化會影響爐渣的粘度、流動性和化學(xué)成分，這直接影響了高爐操作的穩(wěn)定性和鐵礦石的還原性能。因此，必須進(jìn)行細(xì)致的爐渣分析，以確定最佳的富氧率范圍，以提高高爐性能。最終，富氧率的選擇還應(yīng)考慮冷卻水溫度的影響，以防止?fàn)t膛內(nèi)的高溫區(qū)域過熱，造成爐壁材料的磨損和損壞。在實際操作中，操作員需要精確監(jiān)控和調(diào)整富氧率，以充分利用高爐富氧大噴煤工藝的潛力。這要求技術(shù)性高超的操作和全面的數(shù)據(jù)采集與分析，以確保在不同操作條件下達(dá)到最佳的富氧率搭配，以實現(xiàn)高爐的高效穩(wěn)定運行。

3 操作實踐研究

3．1 實驗設(shè)計和方法

為了研究高爐富氧大噴煤操作工藝以及富氧率的搭配對高爐性能的影響，采用了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒炘O(shè)計和方法。實驗的目標(biāo)是獲取詳實的數(shù)據(jù)，以驗證不同富氧率下的操作效果，并進(jìn)一步優(yōu)化高爐操作^［3］。首先，建立一個實驗裝置，模擬高爐的燃燒室，包括合適的煤粉噴射裝置和富氧氣體供給系統(tǒng)。

選擇多個富氧率水平，涵蓋一定范圍內(nèi)的變化，以探究最佳的搭配。每個富氧率水平下，進(jìn)行多次試驗以獲取穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，并排除隨機(jī)誤差。在實驗中，首先確定基準(zhǔn)操作參數(shù)，如富氧氣體流量、煤粉粒度、氣體分布和溫度。然后，逐一調(diào)整富氧率，記錄關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如煤粉噴射效率、爐膛內(nèi)的溫度分布、產(chǎn)生的CO 和 H₂氣體濃度以及爐渣的化學(xué)成分和流動性。這些數(shù)據(jù)是實驗的核心，用于后續(xù)的分析。為了確保實驗的可靠性，對煤粉和富氧氣體的流量進(jìn)行了精確的校準(zhǔn)，以避免任何測量誤差。同時，在實驗前后對實驗裝置進(jìn)行了全面的校驗和清洗，以消除任何外部因素的干擾。實驗期間嚴(yán)格控制了環(huán)境參數(shù)，如溫度和濕度，以確保實驗條件的一致性。數(shù)據(jù)的采集和記錄是實驗的另一個關(guān)鍵部分。使用高精度的傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以獲取實驗過程中的各種參數(shù)。這些數(shù)據(jù)的詳實記錄使能夠在后續(xù)的數(shù)據(jù)分析中準(zhǔn)確評估不同富氧率下的高爐性能。不同富氧率的相關(guān)氣體量見表 1。

3．2 數(shù)據(jù)采集與分析

觀察到煤粉噴射效率在不同富氧率下發(fā)生顯著的變化。由表 1 可知，隨著富氧率的增加，煤粉噴射效率逐漸提高，從 88．5%增加到 90．5%，直接反映了富氧率對煤粉與富氧氣體的混合效果。更高的富氧率有助于改善煤粉的噴射和分布，確保了更充分的混合，從而提高了燃燒效率。其次，爐膛內(nèi)溫度分布數(shù)據(jù)揭示了不同富氧率下的熱流動情況。隨著富氧率的增加，爐膛內(nèi)的溫度逐漸升高，同時溫度分布范圍也相應(yīng)擴(kuò)大，這可能表明更高的富氧率有助于改善爐膛內(nèi)的熱流動性，但也需要更嚴(yán)格的溫度控制來避免溫度過高的區(qū)域。這對于高爐操作的穩(wěn)定性和溫度分布的均勻性具有重要意義。CO 和 H₂兩種氣體濃度數(shù)據(jù)提供了關(guān)于不同富氧率下反應(yīng)動力學(xué)特性的信息。隨著富氧率的升高，CO 和 H₂氣體濃度呈上升趨勢，這表明更高的富氧率導(dǎo)致更高的還原反應(yīng)效率。這些氣體濃度的變化是反應(yīng)動力學(xué)特性的重要指標(biāo)，表明了不同富氧率下的反應(yīng)速率和平衡。最后，爐渣數(shù)據(jù)提供了關(guān)于不同富氧率下爐渣特性的見解。隨著富氧率的增加，爐渣中 SiO₂含量逐漸降低，而 Al₂O₃ 含量略有上升。這可能是由于更高的富氧率改變了爐內(nèi)氣氛，影響了鐵礦石的還原性能。這些數(shù)據(jù)有助于理解不同富氧率下的冶煉過程和爐渣特性，為高爐操作提供了重要信息。

3．3 富氧率的調(diào)整與控制策略

通過監(jiān)測 CO 和 H₂氣體濃度的變化，可以清晰地看到富氧率對還原反應(yīng)的影響。觀察到在該實驗中，隨著富氧率的逐漸增加，CO 和 H₂兩種氣體濃度也呈上升趨勢。例如，當(dāng)富氧率從 10%增加到 30%時，CO 濃度從 5．2%增加到 6．2%，H₂ 濃度從 4．1%增加到 4．5%。這些數(shù)據(jù)顯示，高爐在更高的富氧率下實現(xiàn)了更高的還原反應(yīng)效率。其次，通過實時監(jiān)測煤粉噴射效率，可以了解煤粉與富氧氣體的混合質(zhì)量^［4］。數(shù)據(jù)表明，實驗中當(dāng)煤粉噴射效率下降時，控制系統(tǒng)能夠迅速響應(yīng)并調(diào)整富氧率，以提高混合效果。這保證了高爐操作的穩(wěn)定性，并減少了混合不均勻性的風(fēng)險。此外，通過監(jiān)測爐膛內(nèi)的溫度分布，可以驗證控制策略對于改善溫度均勻性的有效性。實驗數(shù)據(jù)表明，在該策略下，爐膛內(nèi)的溫度分布范圍得到了控制，并與預(yù)期的溫度分布相符，這有助于保持高爐的燃燒穩(wěn)定性和性能。最后，實時監(jiān)測冷卻水溫度數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明了策略的有效性。觀察到，富氧率的調(diào)整使得冷卻水溫度能夠在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)維持，避免了高溫區(qū)域的過熱，從而減少了對爐壁材料的損害。不同富氧率的溫度變化見表 2。

3．4 結(jié)果與討論

監(jiān)測了 CO 和 H2兩種濃度，這些是直接與還原反應(yīng)效率相關(guān)的參數(shù)。由表 2 可知，隨著富氧率的增加，CO、H₂濃度呈上升趨勢。當(dāng)富氧率從 10%增加到 30%時，CO 氣體濃度從 5．2%增加到6．2%，H₂氣體濃度從 4．1%增加到4．5%。這表明富氧率的調(diào)整與控制策略能夠顯著提高還原反應(yīng)的效率，增加了可還原氣體的產(chǎn)生，這對高爐操作的效果至關(guān)重要。通過實時監(jiān)測煤粉噴射效率，能夠驗證煤粉與富氧氣體的混合質(zhì)量。當(dāng)煤粉噴射效率下降時，此控制系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)，通過調(diào)整富氧率來改善混合效果。這保證了高爐操作的穩(wěn)定性，減少了混合不均勻性可能引發(fā)的問題，并提高了還原反應(yīng)的效率。監(jiān)測爐膛內(nèi)的溫度分布數(shù)據(jù)進(jìn)一步支持了的研究。實驗結(jié)果顯示，調(diào)整富氧率有助于改善爐膛內(nèi)的熱流動性^［5］，減少了溫度分布的不均勻性，有助于維持高爐的燃燒穩(wěn)定性和性能。通過實時監(jiān)測冷卻水溫度，證實了控制策略對于維持適當(dāng)?shù)睦鋮s的有效性。確保了冷卻水溫度在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)維持，避免了高溫區(qū)域的過熱，從而減少了對爐壁材料的損害。

4 結(jié)語

富氧率的調(diào)整與控制策略對高爐性能具有顯著的影響。不同富氧率下，煤粉噴射效率、爐膛溫度分布、CO 和 H2濃度以及爐渣特性均表現(xiàn)出明顯的變化。更高的富氧率有助于提高煤粉噴射效率，改善爐膛內(nèi)的熱流動性，并增加了還原反應(yīng)的效率，這對高爐操作的穩(wěn)定性和性能提出了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。數(shù)據(jù)分析顯示，煤粉噴射效率的提高直接與更高的富氧率相關(guān)，這證明了富氧率對于煤粉與富氧氣體的混合效果具有直接的影響，有助于確保更充分的混合，提高了燃燒效率。爐膛內(nèi)溫度分布的變化表明，富氧率的增加會引發(fā)更高的爐膛溫度，同時也增加了溫度分布范圍，這為改善高爐操作的熱流動性提供了新的視角，但也需要更嚴(yán)格的溫度控制，以避免溫度過高的區(qū)域?qū)t壁材料造成損害。同時，CO、H₂ 濃度的變化反映了不同富氧率下的反應(yīng)動力學(xué)特性。更高的富氧率導(dǎo)致更高的 CO、H₂濃度，表明更高的還原反應(yīng)效率。這為優(yōu)化高爐操作提供了有力的依據(jù)，以提高鐵礦石的還原性能和產(chǎn)量。最后，爐渣中 SiO₂和 Al₂O₃ 含量的變化提示了不同富氧率下的爐渣特性的變化。更高的富氧率降低了SiO₂含量，并略微提高了 Al₂O₃ 含量，這可能與爐內(nèi)氣氛的改變和鐵礦石的還原性能有關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)有助于更好地理解高爐操作中爐渣的特性和演化。

綜上所述，研究為高爐富氧大噴煤操作工藝提供了深刻的見解，強(qiáng)調(diào)了富氧率的調(diào)整與控制策略對高爐性能的重要性。提出的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果為高爐操作的優(yōu)化和改進(jìn)提供了實際可行的方案，并為未來的研究和工程應(yīng)用提供了有力的依據(jù)。高爐富氧大噴煤操作工藝的進(jìn)一步發(fā)展和提高將繼續(xù)受益于研究成果。

參考文獻(xiàn):

［1］ 高占鋒，廉樹杰，曾 玲．1080 m³ 高爐提高富氧率的強(qiáng)化冶煉實踐［J］．河北冶金，2023( 06) : 49-53．

［2］ 謝師威，佘雪峰，劉燕軍，等．基于 Ｒist 操作線高爐加氫冶煉過程物料能量消耗分析［J］． 鋼鐵研究學(xué)報，2023，35 ( 04) : 385-393．

［3］ 辛 淵．松汀鋼鐵 7 號高爐悶爐復(fù)產(chǎn)實踐［J］．河北冶 金，2022( 12) : 41-44．

［4］ 章 宏．降低梅鋼高爐噴煤系統(tǒng)氮氣消耗的生產(chǎn)實踐［J］．江西冶金，2022，42( 04) : 63-67．

［5］ 毛 佳．韶鋼 3 200 m³高爐開爐快速富氧噴煤實踐 ［J］．河北冶金，2022( 06) : 42-45．