煉鐵篇-高爐爐料和煤氣運動

從爐頂加入的焦炭，其中：（1）70~75%是在風口前與鼓風中的O2燃燒；（2）17~21%參加直接還原反應；（3）10%左右溶解進入鐵水。從風口噴入的燃料也基本上是在風口前燃燒，焦炭和燃料在風口前燃燒的意義：（1）產(chǎn)生熱量和氣體還原劑；（2）產(chǎn)生空間使爐料下降。

4.1.1爐缸燃燒反應機理

1）風口前碳的燃燒反應理論燃燒：完全燃燒：C+O2=CO2，

不完全燃燒：C+1/2O2=2CO爐缸中的主要燃燒反應：C+O2=CO2+C=2CO，2C+O2=2CO4.1爐缸反應(a)干風條件下爐缸煤氣成分假定鼓風中沒有水分（稱為干風），爐缸煤氣成分由CO、N2組成：2C+O2+79/21N2=2CO+79/21N2

(b)實際鼓風中除O2和N2外，還有一定量的水分：

H2O+C=CO+H2—2477.5kcal/kgC

實際爐缸煤氣成分除了CO、N2還有H2。

鼓風濕度干風含氧爐缸成分CON2H202134.765.30012134.9664.220.8222135.2163.161.6332135.4562.122.4342135.7061.083.22

表4-1鼓風濕度對爐缸煤氣成分的影響/%增加鼓風濕度CO、H2含量增加N2含量相對減少噴吹燃料，碳氫化合物分解使H2含量增加，CO、N2減少；富氧鼓風，N2減少，CO增加4.1.1爐缸燃燒反應機理4.1.2爐缸燃燒反應過程4.1.2.1爐缸風口水平煤氣成分和溫度的變化圖4-1風口前沿爐缸半徑上煤氣成分和溫度分布O2與CO2風口前氧氣充足，與C劇烈燃燒生成CO2，O2的最低點CO2最大值(2)CO2與COCO2最大值后逐漸降低，CO迅速升高。爐缸中心直接還原反應產(chǎn)生CO可達40%(3)O2與H2O2消失后，鼓風中水蒸氣開始被C分解為H2(4)CO2與溫度分布風口前C劇烈燃燒生成CO2，溫度劇烈升高。低強化爐4.1.2.1爐缸風口水平煤氣成分和溫度的變化熱風以200m/s的速度從風口噴入充滿焦炭的爐缸區(qū)域，在風口前形成一個近似球形的回旋區(qū)。鼓風氣流夾帶著焦炭作回旋運動?；匦齾^(qū)外圍厚200-300mm。

風口前徑向煤氣分布發(fā)生變化?；匦齾^(qū)兩端O2濃度劇烈下降，而CO2出現(xiàn)兩個高峰。在空腔O2維持較高水平而CO2濃度較低。這充分說明焦炭燃燒反應是在回旋區(qū)邊緣處進行，而空腔里焦炭少。中間層進行CO2+C=CO，CO2含量迅速下降，CO急劇升高

現(xiàn)代強化爐圖4-2風口前回旋區(qū)與徑向煤氣分布4.1.2.1燃燒帶及其大小的確定燃燒帶：在回旋區(qū)外圍有一層200~300mm的焦炭疏松層稱中間層，將回旋區(qū)和中間層統(tǒng)稱為燃燒帶。燃燒帶大小的確定：

燃燒帶是為一個空間，有長、寬、高三個方向尺寸。

1）理論：燃燒帶長度L=l1+l2，即回旋區(qū)與中間層長度之和。

2）實際：燃燒帶的大小可按CO2消失的位置來確定。

由于CO2降低到2%左右的時往往延續(xù)相當長的距離才消失。因此，實踐中常以CO2降至1~2%的位置定為燃燒帶界限。（大型高爐的燃燒帶長度在1000~15000mm左右）

噴吹燃料或大量加濕情況下，產(chǎn)生較多H2O，H2O跟CO2一樣，也起到了把O2搬到爐缸深處的作用，因此還應參考H2O的影響（亦按1%~2%H2O）來確定燃燒帶長度。4.1.3燃燒帶對高爐冶煉過程的影響4.1.3.1對煤氣流分布的影響燃燒帶是高爐煤氣的發(fā)源地。冶煉條件一定的情況下，一般擴大燃燒帶可以使爐缸截面煤氣分布較為均勻，有較多的煤氣到達爐缸中心和相鄰風口之間，有利于爐缸工作均勻化。

燃燒帶過長，則爐缸中心氣流過分發(fā)展，產(chǎn)生過吹；

若燃燒帶過短而向兩側(cè)發(fā)展，則造成中心堆積，邊緣氣流過分發(fā)展。

以上兩種情況都使煤氣能量不能充分利用，后者還使爐襯過分沖刷，高爐壽命降低。爐缸工作均勻化：爐缸溫度分布均勻、合理，爐缸活躍而無堆積，爐溫充沛，渣、鐵反應充分，生鐵質(zhì)量良好的統(tǒng)稱。爐缸溫度是否均勻，首先取決于燃燒帶的大小和分布，也就是煤氣流的初始分布。燃燒帶的分布和大小主要取決于風口數(shù)目、直徑以及每個風口的進風量。

增加風口數(shù)量、擴大風口直徑，可以減小相鄰風口間夾角呆滯區(qū)，使爐缸周圍煤氣和溫度分布均勻。增加風量、適當擴大燃燒帶，可使整個爐缸截面煤氣、溫度分布均勻，爐缸活躍，保證渣、鐵反應充分?？s小風口直徑，可使燃燒帶變的狹長，氣流向中心發(fā)展。總之，獲得合理分布，適當擴大燃燒帶，可保證爐缸工作均勻化，避免邊緣或中心堆積，從而保證生鐵質(zhì)量和高爐順行。4.1.3.2對爐缸工作均勻化的影響燃料燃燒為爐料下降騰出了空間，燃燒帶的上方，爐料比較疏松，摩擦阻力較小，爐料下降最快。因此，適當擴大燃燒帶，可以縮小中心和邊緣爐料呆滯區(qū)，有利于爐料均勻而順利下降，促進順行。4.1.4下部調(diào)劑原理燃燒帶及其控制原理是高爐下部調(diào)劑的原理。控制燃燒帶的影響因素可歸納為鼓風動能、燃燒反應速度和爐料分布等三個方面?，F(xiàn)代高爐條件下，燃燒反應速度已不是限制環(huán)節(jié)，爐料分布影響將在第三節(jié)討論。4.1.3.3對爐料下降的影響鼓風動能

單位時間內(nèi)進入高爐的鼓風質(zhì)量所具有的動能，它代表鼓風克服風口區(qū)各種阻力向爐缸中心穿透的能力。鼓風動能(E)與回旋區(qū)長度(l1)或者燃燒帶長度(L)呈直線關(guān)系，可用來調(diào)整鼓風動能控制燃燒帶的大小

鼓風動能是選擇風口直徑的主要依據(jù)。鼓風動能大，燃燒帶加長，有利于吹透中心。

4.1.4.1鼓風動能與燃燒帶關(guān)系4.1.4.2鼓風動能的計算E式中，V0-單風口的進風量，m3/minp0-鼓風標準大氣壓；T-熱風絕對溫度；S-風口截面積，m2影響鼓風動能的主要因素有風量、風溫、風壓和風口截面積。風量，EV03風量增加，鼓風動能顯著增加，這種機械力的作用迫使回旋區(qū)和燃燒帶擴大，特別是向中心延伸。(2)風溫，ET2從機械因素的作用來看，提高風溫，鼓風的體積膨脹，鼓風動能增加，燃燒帶擴大。(3)風壓，E1/p2采用高壓操作導致鼓風體積V0縮小，風速降低，故動能減小，燃燒帶縮短。故高壓操作容易導致邊緣氣流發(fā)展。(4)風口截面積，E1/S2風量一定，擴大風口直徑，風口截面積S增加，風速降低，動能減小，燃燒帶縮短并向兩側(cè)擴散，有利于抑制中心而發(fā)展邊緣氣流。4.1.4.3影響鼓風動能的因素定義：風口前焦炭燃燒所能達到的最高溫度，即假定風口前焦炭燃燒放出的熱量全部用來加熱燃燒產(chǎn)物時所能達到的最高溫度。式中，Q碳——風口前碳燃燒成CO放出的熱量（kJ/t）；

Q風——鼓風帶入的物理熱（kJ/t）；Q焦——焦炭和燃料帶入爐缸的物理熱，包括進入高溫區(qū)的焦碳的物理熱（1500℃）、煤粉的物理熱；（kJ/t）；Q水——鼓風和噴吹燃料中的水分分解熱（kJ/t）；

Q吸——將噴吹燃料加熱到1500℃（相當于風口水平焦炭溫度）所吸收的熱與碳氫化合物分解熱之和，（kJ/t）；

V——爐缸煤氣總體積，（m3/t）；Cp煤——爐料溫度下煤氣的平均比熱容，（kJ/m3·℃）

4.1.5風口理論燃燒溫度t理理論燃燒溫度對高爐冶煉的影響：理論燃燒溫度可達1800~2400℃，它代表風口區(qū)最高溫度，其數(shù)值表示了傳熱推動力的大小，但它并不代表爐缸鐵水溫度和生鐵含硅量的高低。高爐冶煉過程中必須維持一定的理論燃燒溫度才能保證順行。

1）較高的理論燃燒溫度有助于爐料的加熱，可以加速噴吹物的燃燒，改善噴吹效果；

2）理論燃燒溫度過低，傳熱推動力小，渣鐵溫度不足，爐渣流動性差，脫硫困難；

3）理論燃燒溫度過高，爐缸煤氣體積膨脹，壓差升高，且大量產(chǎn)生SiO。4.1.5風口理論燃燒溫度理論燃燒溫度主要取決于風溫、富氧程度和燃料噴吹量。

1）提高風溫，Q風增大，雖然由于焦比降低，Q碳、Q焦有所降低，但VCO、VN2亦減少，理論燃燒溫度仍然顯著升高。

2）富氧鼓風時，由于氮含量顯著減少，理論燃燒溫度仍然顯著升高；

3）噴吹燃料后，Q吸、Q水都升高，VH2顯著增大，因而使理論燃燒溫度顯著下降。理論燃燒溫度不能作為爐溫的標志，但它仍然是高爐操作特別是噴吹時的重要參數(shù)。4.1.5.2理論燃燒溫度的影響因素4.2煤氣運動4.2.1煤氣上升過程中的變化-體積成分溫度爐頂煤氣量風量爐缸燃燒帶煤氣量風口中心線煤氣溫度煤氣的體積總量在上升過程中是增加的。主要是礦石中的元素直接還原生成CO，碳酸鹽高溫區(qū)分解的CO2與C生成CO，中溫區(qū)分解的CO2。爐缸煤氣中只有35-45%CO，爐頂煤氣中CO、CO2總量38-42%沿高爐高度，煤氣和爐料激烈熱交換，煤氣的溫度自下而上降低。使高爐熱效率達80%。煤氣溫度分布取決于煤氣分布。圖4-3煤氣上升過程中量、成分以及煤氣溫度沿高爐高度的變化衡量煤氣利用能的指標1）提高CO利用率可提高煤氣的化學能利用。CO2、CO總量不變的情況下，爐頂煤氣中CO2含量高，CO含量低，說明有更多的CO參與了間接還原而變成CO2。2）爐頂煤氣溫度(t頂)越低，說明爐內(nèi)熱交換越充分，煤氣熱能利用越好。爐頂煤氣中的CO含量和t頂相互聯(lián)系，t頂高，CO含量也高，CO2含量低，煤氣能量利用變壞，高爐內(nèi)傳熱、傳質(zhì)過程密切相關(guān)。4.2.1煤氣上升過程中的變化-體積成分溫度爐內(nèi)熱交換：爐缸煤氣在上升過程中把熱量傳遞給爐料，溫度逐漸降低；而爐料在下降過程吸收煤氣的熱量，溫度逐漸上升。4.2.2高爐熱交換式中dQ——dτ時間內(nèi)，煤氣傳給爐料的熱量；

a——傳熱系數(shù)；

F——爐料表面積；

Δt——煤氣與爐料之間的溫度差，Δt

=

t氣-t料。單位時間內(nèi)爐料所吸收的熱量與爐料表面積，煤氣和爐料溫差、傳熱系數(shù)成正比。而a又與煤氣速度、溫度、爐料性質(zhì)有關(guān)。在風量、煤氣量、爐料性質(zhì)一定的情況下，dQ主要取決于△t。然而，沿高度上煤氣與爐料溫度不斷變化，因而△t也是變化的。4.2.2高爐熱交換上段熱交換區(qū)；中段動態(tài)平衡區(qū)；下段熱交換區(qū)。在上、下兩段熱交換區(qū)，煤氣和爐料之間存在著較大的溫差△t，而且下段比上段還大；△t隨著高度而變化，在上段是愈向上愈大；在下段是愈向下愈大。因此在這兩個區(qū)域存在著激烈的熱交換。在中段，△t變化不大，熱交換不激烈，動態(tài)平衡區(qū)，稱為空段。圖4-4高爐內(nèi)熱交換過程示意圖高爐內(nèi)熱交換過程分區(qū)；(b)大小高爐內(nèi)爐料和煤氣溫度沿爐身高度的變化1小高爐；2大高爐水當量：單位時間內(nèi)通過高爐某一截面的爐料（或煤氣），其溫度升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的熱量。簡言之，水當量就是單位時間內(nèi)使煤氣或爐料溫度改變1℃所產(chǎn)生的熱量變化。爐料水當量Ws，煤氣水當量Wg在下部熱交換區(qū)，Ws＞W(wǎng)g。煤氣溫度迅速下降，而爐料溫度升高并不快，即煤氣的降溫速度遠大于爐料的升溫速度。產(chǎn)生了較大的△t，而且愈向下愈大?？斩螀^(qū)，Ws=Wg。直接還原等耗熱反應的減少，間接還原放熱反應進行，Ws逐漸減小，以至在某一時刻與Wg相等，此時△t很小，煤氣放出的熱量和爐料吸收的熱量基本保持平衡。在上部熱交換區(qū)Ws＜Wg。進行著爐料的加熱、蒸發(fā)和分解以及間接還原反應等。爐料所需熱量較少，爐料迅速被加熱，其升溫速率大于煤氣降溫速率。4.2.2高爐熱交換4.3爐料運動4.3.1爐料下降4.3.1.1爐料下降的原因

焦炭的不斷燃燒和消耗；爐料的熔化和渣、鐵的排出；直接還原和滲碳引起的碳素溶解損失；爐料下降中小塊填充于大塊之間引起的體積收縮；粉料被吹出引起的爐塵損失等等?；疽蛩兀喝剂先紵?；渣、鐵排放。燃料燃燒起決定性作用4.3.1.2爐料下降的力學分析爐料能否順利下降，還取決于如下的力學關(guān)系：

p=p料

-p摩

-p液

-p氣

>0

在高爐爐型、原料條件和冶煉強度一定的情況下，p料、p摩、p液變化不大。p氣大小可近似用煤氣通過料柱的總壓差p來表示。降低p則p氣減少，有利爐料順行下降。改善爐料下降的條件主要靠降低p。4.3.2.1料柱壓差p的表達式4.3.2高爐料柱壓差高爐料柱壓差

p=p缸-p喉

≈p熱-p頂式中，p缸—風口水平爐缸煤氣壓力；p熱—熱風壓力；p喉—料線水平爐喉煤氣壓力；p頂—爐頂煤氣壓力。4.3.2.2影響p的因素一定料層高度、溫度、壓力下，

p主要取決于氣流速度和料層通道的當量直徑，即料柱的透氣性，降低煤氣流速，改善透氣性，是降低高爐料柱壓差、提高爐料順行的主要途徑。4.3.2改善料柱透氣性4.3.3.1透氣性的表示目前高爐普遍采用透氣指數(shù)來表示高爐料柱的透氣性好壞或透氣狀態(tài)。式中，V風—高爐風量，m3/min；p—高爐料柱壓差，MPa。物理意義：單位壓差所允許通過的風量。

通過增加料柱孔隙率、煤氣通道的當量直徑，可以降低p，改善料柱透氣性。但高爐料柱部位不同，料柱狀態(tài)及影響因素各異。因此，應按高爐不同部位來討論改善料柱透氣性問題。4.3.3.2改善塊狀帶透氣性

①

提高焦炭和礦石的強度，減少入爐料的粉末；

②

大力改善爐料力度組成，適宜高爐冶煉的礦石粒度范圍

措施：圍6~25mm；

③在原料適宜粒度范圍內(nèi)，使粒度均勻化，來改善料柱透氣性。措施：

1）提高焦炭高溫強度，改善其粒度組成；

2）改善造渣；

提高入爐礦石的品位；

提高礦石高溫冶金性能；

改善初渣性質(zhì)。

3）改善軟熔帶狀況。4.3.3.4軟熔帶形狀(1)∧軟熔帶

降低p，增加透氣性(2)V軟熔帶

p升高，透氣性差(3)W軟熔帶高爐操作的傳統(tǒng)形式，保持高爐順行，但不能進一步的強化和降低燃耗4.3.3.3改善軟熔帶透氣性圖4-5軟熔帶的類型4.3.4改善煤氣流分布合理的煤氣流分布是高爐順行的重要標志，爐況順行與煤氣合理分布密切相關(guān)。生產(chǎn)中主要利用沿爐喉截面不同半徑方向上煤氣的溫度和CO2分布曲線來判斷煤氣分布情況。由于CO2曲線和溫度曲線兩者完全對應相反，因此，生產(chǎn)中往往只繪制CO2曲線。圖4-6爐喉煤氣溫度和CO2分布曲線CO2含量低處，CO含量高，煤氣溫度高，煤氣利用不好4.3.5上部調(diào)劑原理

在高爐爐喉，煤氣分布主要取決于爐料的分布。因此，可以通過布料來控制煤氣分布，使其按一定規(guī)律分布。4.3.5.1影響爐喉布料的因素A原料因素（1）焦炭集中的地方，透氣性好，阻力小；礦石集中的地方，透氣性差，阻力大。（2）大塊與小塊比較，大塊集中的地方，透氣性好，阻力?。环粗?，小塊集中處阻力大；（3）料層薄的地方，阻力小，煤氣通過的地方多；料層厚處阻力大，煤氣通過的少。（4）爐料偏析的影響。在爐料堆腳處，大塊多，阻力??；在堆尖處，小塊粉末多，阻力大。B設(shè)備因素鐘式裝料設(shè)備，無鐘裝料設(shè)備4.3.5.2裝料制度裝料制度內(nèi)容包括：料線高低、批重大小和裝料順序。A料線鐘式高爐：大鐘全開，大鐘下沿為料線的零位。無料鐘爐頂：料線零位在爐喉鋼磚下沿。

一般高爐正常料線深度為1.5~2.0m，料線對高爐分布的影響是料線愈深，堆尖愈靠近邊緣，邊緣分布的爐料愈多。

B批重每一批爐料的總重量稱為料批重，礦石的重量稱為礦批重，焦炭的重量稱為焦批重。礦石和焦炭的重量比例稱為焦炭負荷。

批重對煤氣分布的影響：高爐噴吹燃料后，負荷增加，批重要調(diào)整，應保持焦批不動，擴大礦石批重。這樣可以保持軟熔帶焦窗的面積，而使煤氣能順利通過。如果保持礦批不動，縮小焦批，不僅焦層變薄，而且由于礦焦層的界面混料效益，使焦窗面積縮小，增大煤氣通過的阻力，不利于爐況順行。

C裝料順序裝料制度（鐘式高爐）正裝——先礦石后焦炭，邊緣重、中心輕

倒裝——先焦炭后礦石，邊緣輕、中心重

分裝——礦石和焦炭分開兩次入爐，減少礦-焦層的界面混合效應，提高煤氣利用率。

同裝——礦石和焦炭只開一次大鐘同時入爐雙裝——將兩批礦石和焦炭分別加在一起，一次裝入爐內(nèi)

加重邊緣和中心的裝料順序是：

邊緣最重

邊緣最輕正同裝—正分裝—倒分裝—倒同裝

4.3.5.2裝料制度4.4高爐能量利用分析4.4.1高爐能量利用4.4.1.1配料計算和物料平衡

配料計算的目的：根據(jù)已知原、燃料成分和冶煉條件來決定礦石、燃料和熔劑的需要量，以獲得性能良好的爐渣和合乎規(guī)格的生鐵，并為編制物料平衡和熱平衡打好基礎(chǔ)。配料計算和物料平衡必須具備的數(shù)據(jù)：

1）各種原料的全分析；

2）計算得到或?qū)嶋H所用的各種原料重量、生鐵產(chǎn)量、渣量、爐塵吹出量；

3）冶煉鐵鐘及成分，爐渣成分和堿度，爐塵的成分；

4）爐頂煤氣成分；

5）鼓風參數(shù)；

6）各種元素在生鐵、爐渣、煤氣中的分配比例等。計算以1t生鐵為基準。4.4.1.2熱平衡

計算方法：1）蓋斯定律基礎(chǔ)上建立，依入爐物料的初態(tài)和出爐產(chǎn)物的終態(tài)來計算，與爐內(nèi)過程無關(guān)；特點：簡便但不考慮實際，實際生產(chǎn)中多采用此法。2）按爐內(nèi)實際反應過程來計算熱量消耗特點：實際但繁瑣4.4.2高爐操作圖及其應用4.4.2.1構(gòu)成操作線的基本原則高爐冶煉是氧從礦石和鼓風移向或轉(zhuǎn)變成煤氣的過程。氧有三個來源：鐵、脈石、鼓風，有三個去向：高溫區(qū)碳氧化成CO，直接還原成CO，間接還原CO變成CO2。高爐操作線即Rist操作線以“氧的轉(zhuǎn)移”來描述高爐過程。

x軸：氧、碳原子比，nO/nC，主要用來表示氧的去向。

y軸：氧、鐵原子比，nO/nFe，主要用來表示氧的來源。操作線斜率u：碳、鐵原子比nC/nFe，表示單位原子鐵的碳消耗量，u實際代表焦比。當原料和燃料條件一定時，

nC/nFe是一定的，故Y與X呈直線關(guān)系。X軸：X=0，純碳，即Y軸；X=1，nO/nC=1，純CO氣體，即GF線；

X=2，nO/nC=2，純CO2氣體，即HX線。

0<X<1，C氧化為CO的直接還原區(qū)間；

1<X<2，CO氧化為CO2的間接還原區(qū)間。Y軸：Y=0，純鐵，即X軸

Y=yo，yoH線，表示爐料中鐵的氧化度Y=1，F(xiàn)eO

；

Y=1.33，F(xiàn)e3O4；

Y=1.5，F(xiàn)e2O3。

yd，表示爐料中鐵氧化