淺析富氧對高爐煉鐵的影響

郭曉鵬

（德龍鋼鐵有限公司，河北邢臺054009）

0 引言

富氧噴煤技術(shù)在我國高爐生產(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，還可以解決因煤粉的揮發(fā)分在風(fēng)口前高溫裂解時造成高爐風(fēng)口前理論燃燒降低的問題，強化高爐冶煉，提高鐵水產(chǎn)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(dāng)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(chǎn)量之間的關(guān)系，可以得到最佳

式中，Q為每天高爐的富氧流量，m3；t為鐵水日產(chǎn)產(chǎn)量點。根據(jù)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(yōu)勢互補，所以在調(diào)整富氧率時也要相應(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)域擴大，爐頂溫度降低，當(dāng)溫度降到結(jié)露溫度將會影響高爐除塵系統(tǒng)的正常運行。

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)量存在一個相關(guān)的關(guān)系，可以實現(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)濟指標(biāo)。

噸鐵氧量的計算：量，t。

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，對數(shù)據(jù)進行分析，同時，對統(tǒng)計得到的數(shù)據(jù)進行噸鐵氧量-產(chǎn)量統(tǒng)計進行了MINITAB回歸，分析出富氧-產(chǎn)量之間的關(guān)系，回歸曲線見圖1。

圖1 煉鐵廠噸鐵氧量和產(chǎn)量關(guān)系

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(chǎn)量的激變區(qū)，此時產(chǎn)量隨富氧量變化趨勢顯著；噸鐵富氧量為55～65 m3時，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，產(chǎn)量隨富氧變化的微變區(qū)，此時產(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)氧氣的價格測算富氧成本，實現(xiàn)鐵前富氧成本的優(yōu)化。富氧的成本計算見公式（2）。

式中，PO2為高爐噸鐵的富氧成本，元/t；QO2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(chǎn)量和富氧成本之間的相應(yīng)關(guān)系，并可以根據(jù)氧氣的價格測算富氧成本，實現(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(yè)內(nèi)的長期摸索，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)驗公式，結(jié)合我公司實際生產(chǎn)，進行了如下修改：

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)溫波動對爐況的影響，高爐風(fēng)溫基本保持在一個穩(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，富氧和煤比就會呈現(xiàn)一種線性關(guān)系，公式（3）可列成一個一次方程，具體見公式（4）、公式（5）：

①當(dāng)理論燃燒溫度控制在2 250℃時：

②當(dāng)理論燃燒溫度控制在2 350℃時：

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，利用公式（6）來計算提高煤比和降低焦比關(guān)系是否有利于成本的降低：

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(jù)統(tǒng)計結(jié)果，對數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，可知：

①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。

②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。

③在保證風(fēng)口理論燃燒溫度的前提下，可以根據(jù)煤粉和焦炭的差價來選擇合適的煤比，降低鐵前成本，即保證Q變＜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?qū)σ睙拸姸绕鸬酵苿幼饔?。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(jié)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(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算基礎(chǔ)，從而找出二者之間的相關(guān)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(shù)學(xué)模型，從而求出富氧-頂溫的關(guān)系，見公式（7）。

式中，Qi包括鼓風(fēng)、爐料、碳素燃燒熱等；Qj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，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(guān)的具體計算公式。

1.3.1 鼓風(fēng)量和煤氣量的確定

本次計算富氧和頂溫關(guān)系的重點在于計算高爐鼓風(fēng)量與富氧的關(guān)系，以及實際鼓入高爐風(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算結(jié)果。

式中，Q鼓風(fēng)為煉鐵噸鐵實際鼓風(fēng)量，m3；N鼓風(fēng)為煉鐵鼓風(fēng)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(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）在計算中所使用的的各個參數(shù)均采用理論數(shù)據(jù)，物質(zhì)的化學(xué)成分采用化驗室分析實驗累計平均數(shù)據(jù)。其它一些需要數(shù)據(jù)采用如下固定值，見表1。

表1 計算所需各類參數(shù)

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

通過對圖3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：

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，可以根據(jù)季節(jié)氣溫的變化、原料差價、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)系進行富氧率的正確選擇。同時根據(jù)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(tǒng)正常工作?？梢愿鶕?jù)自身的生產(chǎn)特點建立數(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。