宣鋼3號高爐煤氣流控制技術研究及應用

張利波

高爐風口前碳素的燃燒狀況，決定了高爐初始氣流的分布，是影響爐缸活躍性的關鍵因素，也決定了軟融帶與塊狀帶煤氣的第二次、第三次分布。合理的初始煤氣流分布，是高爐穩定順行的基礎，也是影響高爐煤氣利用率的重要因素。宣鋼煉鐵廠3號高爐2010年3月大修，高爐爐容由1350m3擴容至2000m3，為利用上一代高爐的部分設備，設計了2個鐵口，27個風口，爐型特殊，“上大下小”，邊緣氣流不容易控制，操作難度加大，煤氣利用率較低，高爐燃耗指標居高不下。2015年10月徹底根治了熱風爐熱風出口頻繁燒紅后，通過研究判斷，在調整風速和鼓風動能的基礎上，結合高爐設計參數、操作參數和冶煉條件等因素，定性、定量的研究了高爐下部送風制度，并合理調劑下部送風參數，控制合理的爐缸煤氣流速，不斷探索逐步完善，不僅改善了高爐穩定順行程度，2017年后利用系數、高爐焦比、煤比、燃耗等指標均有所改善。

宣鋼3號高爐開爐以來技術經濟指標如下：

2011年利用系數2.241t/m3·d，焦比391kg/t，煤比143kg/t，燃料比566kg/t，風溫1156℃，入爐品味57.31%，休風率0.886%，CO218.80；2012年利用系數2.241t/m3·d，焦比387kg/t，煤比150kg/t，燃料比575kg/t，風溫1171℃，入爐品味56.63%，休風率1.300%，CO219.28%；2013年利用系數2.225t/m3·d，焦比385kg/t，煤比140kg/t，燃料比569kg/t，風溫1177℃，入爐品味56.28%，休風率1.073%，CO218.25%；2014年利用系數2.189t/m3·d，焦 比385kg/t，煤 比124kg/t，燃 料 比550kg/t，風溫1159℃，入爐品味56.35%，休風率3.163%，CO218.71%；2015年利用系數2.186t/m3·d，焦比369kg/t，煤比136kg/t，燃料比540kg/t，風溫1158℃，入爐品味56.29%，休風率3.106%，CO218.77%；2016年利用系數2.288t/m3·d，焦比365kg/t，煤比134kg/t，燃料比534kg/t，風溫1165℃，入爐品味56.35%，休風率1.678%，CO219.55%；2017年利用系數2.420t/m3·d，焦比350kg/t，煤比154kg/t，燃料比534kg/t，風溫1173℃，入爐品味57.06%，休風率1.330%，CO219.82%；2018年利用系數2.392t/m3·d，焦 比351kg/t，煤 比144kg/t，燃 料 比528kg/t，風溫1163℃，入爐品味57.41%，休風率3.319%，CO219.85%；2019年利用系數2.360t/m3·d，焦比346kg/t，煤比158kg/t，燃料比539kg/t，風溫1165℃，入爐品味57.26%，休風率5.095%，CO219.58%；2020年利用系數2.452t/m3·d，焦比349kg/t，煤比154kg/t，燃料比537kg/t，風溫1166℃，入爐品味57.86%，休風率4.088%，CO219.14%。

1 高爐回旋區和燃燒帶

現代高爐，具有一定質量和能量的鼓風從風口鼓入高爐，風口前的焦炭將會產生回旋運動，出現類似“球形”或“鳥巢”的空間，焦炭產生回旋運動，這就是回旋區。在回旋過程中碳素與熱風中的氧氣發生燃燒反應，為高爐冶煉提供還原性氣體和熱量。燃料燃燒的區域就是燃燒帶，燃燒帶對高爐冶煉進程意義十分重大。回旋區深度比爐缸半徑小，到達不了爐缸中心部位。在爐缸中心部位焦炭堆積成圓丘狀形成焦炭死料柱，構成滴落帶的一部分，在滴落帶內還有部分渣鐵和焦炭進行直接還原反應。死料柱體積有大有小，將會對高爐冶煉進程產生一定的影響。

送風制度的調整就是在一定的冶煉條件下選擇合適的風口送風狀態和鼓風參數，形成一定深度的回旋區，確保初始煤氣流分布合理、爐缸圓周工作均勻、爐缸活躍、爐缸熱量充沛。高爐爐缸的燃燒反應的重要意義決定了選擇合理的送風制度的重要性。送風制度的穩定性是高爐全爐煤氣流穩定性的基礎和前提，是保障高爐穩定順行、高產、優質、低耗的重要條件。送風制度包括風壓、風量、風溫、富氧、噴吹燃料、濕分，還包括風口直徑、角度和伸入長度。在日常工作中，主要調整實際風速和鼓風動能。

2 送風制度的參數

2.1 入爐風量

高爐風量首先取決于高爐容積，一般是每立方米爐容的2.0，/min～2.2，/min，宣鋼3號高爐的風量表安裝在冷風管道上，受冷、熱風管道的膨脹器、閥門、焊縫、風口連接裝置以及相關設備的老化影響，必然存在一定的漏風率。因此，高爐所測量的冷風流量要高于高爐實際入爐風量。高爐實際入爐風量要比表風量準確，是計算準確性和其他鼓風參數的基礎。

宣鋼高爐的富氧方式是在風機與熱風爐之間的冷風管路上進行富氧，儀表冷風流量實際上是風量與富氧量之和。按照有關文獻資料計算，能計算出風口前碳素燃燒率和高爐實際入爐風量。再依據高爐實際入爐風量計算標準風速、實際風速和鼓風動能。

2.2 實際風速

實際風速是高爐下部送風制度的重要參數，在風口總進風面積確定的情況下，實際風速的大小取決于風溫、風壓與風量。

計算實際風速：標準狀態下的風量除以60min再除以風口面積得出標準風速，再計算出在標準大氣壓下的熱風壓力，兩者相乘積得出實際風速。

由于風口連接裝置、送風管道以及熱風爐系統設備存在一定的漏風率，高爐實際入爐風量比冷風流量表的風量小一些。

2.3 鼓風動能

鼓風動能是熱風在風口前端即將進入高爐內時具有的動能。鼓風動能的高低決定了風口前回旋區的大小和形狀，從而影響了爐缸工作狀態。

鼓風進入高爐后，在爐缸部位的碳素燃耗反應，一方面燃燒放出熱量，另一方面產生一定數量、具有還原性的爐缸煤氣，并以一定的流速向上運動，是高爐爐缸燃燒能力的具體體現。鑒于爐缸碳素燃燒對高冶煉進程的重大意義，隨高爐強化程度的提高，爐內料柱實際通過的煤氣流速增加，爐缸煤氣流速也能夠更準確地反映高爐強化冶煉程度。爐缸煤氣流速同爐腹煤氣量指數一樣，均能衡量高爐強化程度的重要參數。計算鼓風動能：鼓風動能為標準分速與實際風速平方相乘在乘以系數1.293除以2為實際鼓風動能。

3 有關爐缸煤氣的計算

提高風量包括富氧率、提高冶煉強度是高爐強化冶煉的重要措施之一。在一定范圍內，提高風量能提高產量。但風量提高到一定程度超過冶煉條件允許后，爐缸煤氣量增加，煤氣流速變快，壓差升高，當煤氣流速提高到一定程度后，在高爐下部由于氣液兩相逆流平衡條件被破壞，爐渣不向下流動，出現被煤氣流吹向上的液泛現象，出現下部懸料，爐渣如粘結在爐墻上，就能形成爐墻結厚，在高爐上部由于散料體流態化，形成管道行程，高爐順行程度受到破壞，燃耗升高，產量反而下降。所以，控制高爐內合理的煤氣流速至關重要，以獲得較低的燃耗和較高的產量。

爐缸煤氣在爐內通過料柱上升，遇到的阻力除了與煤氣量有關外，還與煤氣的黏性、密度、爐料的粒徑、形狀、空隙率等因素有關。按照卡曼阻力方程，定量描繪高爐料柱的透氣能力，并將其作為衡量爐況的重要參數。

3.1 爐缸煤氣量

傳統的冶煉強度是衡量高爐強化程度的重要指標。現代高爐爐缸部位的碳素燃耗反應具有重大意義，一方面燃燒放出熱量，另一方面產生一定數量、具有還原性的爐缸煤氣，是高爐爐缸燃燒能力的具體體現，爐缸煤氣量和爐腹煤氣量指數均能衡量高爐強化程度的重要參數。隨高爐強化程度的提高，爐內料柱實際通過的煤氣量增加，爐缸煤氣量也能夠更準確地反映高爐強化程度。考慮噴吹煤粉的氫、水份含量計算爐缸煤氣量為：噸鐵入爐風量乘以大氣含氧及富氧之和再乘以系數、噸鐵入爐風量乘以含氮量扣除富氧乘以系數、煤比與每份的氫質量分數乘以2.49、煤比乘以氫質量分數乘以系數在乘以11.4三部分之和。

3.2 理論燃燒溫度

高爐的熱狀態，尤其是爐缸部位的熱狀態非常重要，因為它是決定高爐熱量需求和噸鐵燃料消耗的重要因素，而風口前理論燃燒溫度是燃料在風口前區域不完全燃燒，燃料和鼓風所含熱量及燃燒反應放出的熱量，全部傳給燃燒產物時所能達到的最高溫度。

碳素在風口前回旋區的燃燒是在氧氣不足的條件下進行不完全燃燒反應，風口前回旋區燃燒的最終產物是CO、H2、N2。理論燃燒溫度是燃料在風口前區域不完全燃燒，燃料和鼓風所含熱量及燃燒反應放出的熱量，全部傳給燃燒產物時所能達到的理論溫度。風口前理論燃燒溫度理論計算可參照那樹人的《煉鐵計算辨析》。宣鋼3號高爐理論燃燒溫度是按照經驗公式計算，理論燃燒溫度為1565與風溫的0.8倍及富氧率的40倍之和，減去煤比的2.5倍。

3.3 理論爐缸煤氣量實際流速

風口前的碳素燃燒產生煤氣，理論爐缸實際煤氣流速以爐缸煤氣量為基礎，燃燒產物全部被加熱至理論燃燒溫度，之后通過爐缸整個橫截面向上流出，計算爐缸煤氣流出時的流速，以衡量高爐的強化程度。理論爐缸實際煤氣流速不可過大或過小，有一個適合本高爐的控制范圍。

3.4 煤氣阻力系數

爐缸煤氣在爐內通過料柱上升，遇到的阻力除了與煤氣量有關外，還與煤氣的黏性、密度、爐料的粒徑、形狀、空隙率等因素有關。按照卡曼阻力方程，定量描繪高爐料柱的透氣能力，并將其作為衡量爐況的重要參數。計算爐內透氣阻力系數：先計算標準大氣壓下爐內壓力平方與標準壓力頂壓平方之差，再計算爐風容積與產量之積與1440比值的1.7方。兩者相除即得出爐內透氣阻力系數。

4 參數計算及應用

4.1 高爐冶煉條件

現代高爐實行高強度冶煉必須具備的原料條件是品味高、強度耗、粒級均勻、粉末少，燃料條件即焦炭固定碳高、粒級大、冷熱強度耗。宣鋼3號高爐焦炭結構為40%干熄焦+20%搗固焦+40%外進焦，入爐焦炭平均粒度50mm～51mm，原料結構為燒結礦+球團礦+塊礦，綜合品位偏低，渣量390kg/t。結合3號高爐冶煉條件和設計參數，計算送風制度的有關參數，用于指導高爐強化冶煉和降低高爐燃耗。

高爐部分涉及參數如下：爐缸直徑10.45 m，爐腰直徑11.7m，爐喉直徑8.0m，爐缸高度4.2m，爐腹高度3.15m，爐腰高度1.8m，爐身高度14.6m，爐喉高度2.0m，有效高度25.75m，高徑比2.201，有效體積2054m3，爐腹角度78°46′41″，爐身角度 82°46′41″，爐崗截面積85.77m2，風口個數27個。

4.2 高爐送風制度有關參數的計算

結合設計和冶煉參數計算，入爐風量4190m3/min，標準風速238m/s，實際風速266m/s，鼓風動能12120kg?m·s-1，系統漏風率1.50%，爐缸煤氣量1566m3/t，爐缸煤氣理論實際流速4.14m/s，理論燃燒溫度2305℃，與經驗公式計算相符，煤氣阻力系數5.05×10-2。通過計算風量表、標準風速、實際風速和鼓風動能均有較大的差距。3號高爐煤氣阻力系數偏大，與原燃料條件差、生鐵鈦含量及操作有一定關系。

高爐送風參數比較：風量：計算風量4190m3/min，儀表風量4466m3/min；標準風速：計算標準風速238m/s，儀表標準風速246m/s；實際風速：計算實際風速266m/s，儀表實際風速284m/s；鼓風動能：計算鼓風動能12120kg·m/s，儀表鼓風動能14630kg·m/s。

4.3 計算有關送風制度的應用

宣鋼3號高爐原燃料條件相對較差，品位低渣量大，焦炭熱性能差。在一定的操作區間內，為追求較高的產量和較低的燃料比實現效益最大化，是高爐操作的主要目標。為實現這一目標，及送風制度的重要性，應用計算結果指導高爐操作。

由于風口前碳素的燃燒反應產生的煤氣量，決定了高爐冶煉強度、回旋區和爐缸工作活躍性，從爐缸理論實際煤氣流速與焦比、燃料比和利用系數的關系中，可以發現理論爐缸煤氣實際流速3.9m/s～4.0m/s之間時，焦比、燃料比、利用系數技術經濟指標較好。

2020年11月份3號高爐表風量4550m3/min，理論爐缸煤氣流速超過4.1m/s，煤氣阻力系數5.20×10-2，爐墻出現粘結征兆，焦比升高，高爐燃耗大幅度升高，并且利用系數下降，高爐順行程度變差，經常出現崩料、懸料等特殊爐況。結合現狀，3號高爐表風量應控制4450m3/min±50m3/min，并按照此風量調整風口面積，以獲取較好的技術經濟指標。

在一定的操作區間內，追求較高的產量較低的燃料比實現效益最大化，是高爐操作的主要目標。為實現這一目標，鑒于送風制度對高爐冶煉進程的重要性，應用計算結果指導高爐操作。

結合3號高爐冶煉條件和設計參數，計算送風制度的有關參數，用于指導高爐強化冶煉和降低燃耗。經過計算，表風量比實際入爐風量低約200m3/min，按照經驗公式計算的理論燃燒溫度2310℃，與理論計算差別不大。

3號高爐按月統計了2017年～2020年的有關數據，扣除休風影響，表風量在4300m3/min左右時，實際入爐風量4050m3/min～4100m3/min，爐缸理論實際煤氣流速3.8m/s～4.0m/s之間，統計分析了爐缸理論實際煤氣流速與利用系數、焦比和燃料比的對應關系，總結出爐缸理論實際煤氣流速3.8m/s～3.95m/s之間時，煤氣阻力系數低于5.0×10-2，爐況穩定順行程度較好，產量高、焦比低、燃耗低。宣鋼3號高爐煤氣阻力系數偏高，與原燃料質量有很大的關系，配吃搗鼓焦、落地燒結礦，入爐原料粒級差，高爐透氣指數低，影響高爐每期阻力系數偏高。

2020年11月、12月期間，為進一步提高產量，嘗試提高風量，表風量提高至4500m3/min時，高爐實際入爐風量4190m3/min，爐缸理論實際煤氣流速4.14m/s，煤氣阻力系數升高至5.20×10-2，高爐順行程度下降，壓差升高，下部冷卻壁溫度下降、呆滯，加減風頻繁，料動變差，出現粘結征兆，12月份高爐焦比由357kg/t升高至367kg/t，燃料比由539kg/t升高至546kg/t，利用系數由2.701t/m3·d下降至2.595t/m3·d，技術經濟指標嚴重下降。

利用爐缸理論實際煤氣流速可以指導高爐降耗提產。在一定的原燃料條件下，每座高爐均有合適的爐缸理論實際煤氣流速控制范圍。當原燃料質量較好時，爐缸理論實際煤氣流速可控制上限，適當提高風量，結合上部調節，提高煤氣利用率，降低焦比、燃料比，提高產量。如原燃料質量變差，爐缸理論實際煤氣流速可控制下限，維持高爐順行狀態，避免爐況失常，減輕經濟損失。

5 結語

（1）通過研究高爐送風制度，計算鼓風參數和生產實踐，在現有原燃料條件下，確定了3號高爐表風量控制范圍，確保了長期穩定順行，兼顧了技術經濟指標。風量不是越大越好，否則會產生液泛現象，出現粘結，影響順行。煤氣阻力系數進一步印證了精料是強化冶煉的基礎。

（2）在一定的原燃料條件下，高爐爐缸煤氣量與爐況順行是相適應的。爐缸煤氣流速超過某一界限后，高爐穩定順行必將受到影響。

（3）高爐送風制度對高爐冶煉進程影響很大，提高對送風制度的認識，應進一步深入研究高爐送風參數，更好的指導高爐生產。