高炉富氧对煤气利用率的影响

高炉富氧对煤气利用率的影响

侯健；邵久刚；郭先燊

（河钢集团邯钢公司）

摘要：富氧鼓风是高炉基本生产手段之一，煤气利用率是衡量高炉能耗水平高低的重要参数，研究两者之间的关系对于高炉实现高效低耗生产具有重要意义。本文从理论角度出发对富氧和高炉煤气利用率之间的关系进行了分析，同时结合河钢邯钢八号高炉的实际生产数据，得出了富氧率对高炉煤气利用率的影响规律。结论认为：在较低富氧率阶段，随着富氧率的提高煤气利用率有升高趋势；在较高富氧率阶段，随着富氧率的提高煤气利用率逐渐下降。

关键词：富氧；高炉；煤气利用率

前言

富氧鼓风是高炉强化冶炼的基本手段，在一定范围内随着富氧率的提高，高炉冶炼强度增大产量升高。与此同时，富氧鼓风也会给炉内状况带来变化，比如回旋区煤气量减小、煤气成分变化以及炉内温度场变化等等^[1]。关于富氧对高炉的影响，无论是实验室分析还是实际生产实践，国内外均已经有了诸多报道。

煤气利用率是衡量高炉能耗水平高低的一个重要指标，也是高炉操作者必须关注的一个生产参数。富氧鼓风引起炉内诸多变化，也必然会直接或间接对煤气利用率产生影响。根据高炉操作者经验的不同，在实际生产过程中不同的操作者会产生不同的结论。当前关于富氧对煤气利用率的影响尚没有形成明确的结论，并且由于高炉过程的复杂性，关于这方面的研究也鲜有报道。本文从理论分析出发，通过河钢邯钢八号高炉的生产实践，分析了富氧水平对煤气利用率的影响。

1  理论分析

高炉煤气利用率的高低与炉内铁矿石的间接还原发展程度有关。主要受到铁矿石还原性、煤气还原势以及炉内温度场分布的影响。铁矿石的还原性是由原燃料条件决定的，八高炉经历过用还原性较好的澳矿取代南非矿，煤气利用率在其它冶炼条件不变的情况下升高1.5%的实践经历。由于在高炉日常生产中原料条件基本保持稳定，所以高炉操作者更关注后两个因素的作用。富氧对煤气利用率影响，不同高炉操作者依据个人生产经验会做出不同的判断，每个人的判断都经过了实际生产的检验，所以不能简单决断谁对谁错。为了更好表征这个问题以便为生产提供理论参考，必须从基础理论出发并结合实际才能得出有价值的结果。

从热力学角度分析，CO与CO₂的相对分压和体系的温度水平决定了平衡时的气相成分，即决定了煤气利用率所能达到的最高水平。煤气还原势主要通过两个指标表征：炉内CO与CO₂的绝对压力和相对分压。在实际生产中，富氧对这两个因素有重要影响，甚至在稳定生产条件下，富氧水平决定了这两个因素的变化。在高炉下部高温区域（碳素溶损反应强烈进行的区域），在总风压稳定的条件下，在较低富氧率时，随着氧气浓度的提高，相对应生成的CO浓度提高、N₂浓度降低，提高了煤气的还原势，在煤气进入中低温区域后，较高的还原势有利于间接还原的发展，促进了煤气利用率提高。随着富氧率的进一步提高，CO浓度变化对还原势提升的边际效应逐步降低，在富氧率高于某一范围后，浓度变化（热力学因素）对还原程度的影响将会由主要矛盾降为次要矛盾。温度变化（动力学因素）对间接还原速率的影响将会变得更为重要。由于吨铁煤气量的降低，在其他参数稳定的条件下，富氧率的提高会降低高炉中上部区域温度，导致块状带矿石温度偏低，不利于间接还原发展。“下热上冷”问题会随着氧气浓度的提高而越来越明显（极端例子就是氧气高炉）。因此，在高于某一值后，富氧率的进一步提升会使煤气利用率降低。

2  实际生产数据分析

通过对8高炉历史生产数据分析，获得了一些支撑上述论点的依据。图2是2014年以来8高炉实际生产数据，通过二阶多项式拟合可以看出，煤气利用率随着富氧率的提高首先呈现升高的趋势，在达到一定值后又逐步下降。尤其是在富氧率低于1.4%时，煤气利用率的提升效果比较明显，在这一阶段，CO浓度是影响间接还原发展的主要因素，所以随着富氧率的提高煤气利用率升高。在富氧率高于1.4%时，曲线开始进入拐点并出现下降趋势，在这一阶段，炉内温度场是影响间接还原发展的主要因素，所以富氧率的进一步提升会引起煤气利用率的下降。

实际生产中，煤气利用率是高炉炉况综合作用的结果，并不是单因素决定的，所以同样的煤气利用率可能对应不同的炉况。用不同条件下的结果进行同样的分析可能会产生错误的结论，所以有必要更进一步对不同时期的数据进行分别讨论。

图3是2014年1-5月份的生产数据。2014年8高炉维持了长期的稳定顺行， 1-5月份在其他参数基本稳定的条件下，富氧率在0.6-2.2之间变化，处于较高水平，由分析可以看出煤气利用率随着富氧率的提高有明显的下降趋势。

图4是2016年1-6月份的生产数据。进入2016年以来，8高炉炉况波动频繁，富氧水平较低。虽然其他参数变动较大，但是由生产数据可以看出，随着富氧率的提升煤气利用率升高趋势明显。

3  讨论

高炉煤气利用率是过程的综合表现，不受单一因素控制决定。由于过程的复杂性，无法通过精确计算来确定其他因素对其产生的作用，更多时候只能依赖一些感性认识。高炉操作者对富氧的认识不尽相同，每个操作者都会从各自的角度出发得出自己的结论。在面对这些问题时，必须要首先认识到不同的高炉具有不同的生产条件。从邯钢出发，8高炉富氧水平一般不高于2%，所以我们的结论和感性认识是基于富氧率偏低这一基本条件的。宝钢高炉富氧水平相对于邯钢要高一些，并且维持了长周期的稳定顺行，所以宝钢会在宝钢的范围内得出感性认识和结论。再以沙钢为例，高炉富氧率在7-8%以上，因而沙钢又会依赖于他们的生产实践获得感性认识和结论。

高炉过程由于其复杂性，即使发展至今仍然严重依赖于经验进行操作。如何利用炼铁基本理论对高炉过程现象进行解析和归纳，进而获得理论与实践上的统一，是高炉炼铁技术进一步发展的重要依托。

4  结论

综合考虑煤气还原势和炉内温度场对还原过程的影响，研究认为在较低富氧率阶段，气氛是影响间接还原过程的主要因素，随着富氧率的进一步提高，吨铁煤气量减少，造成炉内中温区缩小，对于间接还原过程温度场逐渐成为限制因素。因此富氧对高炉过程煤气利用率的影响存在拐点，即在低于拐点的较低富氧率阶段，煤气利用率随着富氧率的提高而升高；在高于拐点区域，富氧率较高，随着富氧率的进一步提升，煤气利用率逐渐下降。

参考文献：

[1] 钢铁冶金学. 王筱留. 北京：冶金工业出版社，2000（第二版）.