高爐富氧對煤氣利用率的影響

侯健  邵久剛  郭先燊

（河鋼集團邯鋼公司）

摘  要：富氧鼓風是高爐基本生產手段之一，煤氣利用率是衡量高爐能耗水平高低的重要參數，研究兩者之間的關系對于高爐實現高效低耗生產具有重要意義。本文從理論角度出發對富氧和高爐煤氣利用率之間的關系進行了分析，同時結合河鋼邯鋼八號高爐的實際生產數據，得出了富氧率對高爐煤氣利用率的影響規律。結論認為：在較低富氧率階段，隨著富氧率的提高煤氣利用率有升高趨勢；在較高富氧率階段，隨著富氧率的提高煤氣利用率逐漸下降。

關鍵詞：富氧；高爐；煤氣利用率

1 前言

富氧鼓風是高爐強化冶煉的基本手段，在一定范圍內隨著富氧率的提高，高爐冶煉強度增大產量升高。與此同時，富氧鼓風也會給爐內狀況帶來變化，比如回旋區煤氣量減小、煤氣成分變化以及爐內溫度場變化等等[1]。關于富氧對高爐的影響，無論是實驗室分析還是實際生產實踐，國內外均已經有了諸多報道。

煤氣利用率是衡量高爐能耗水平高低的一個重要指標，也是高爐操作者必須關注的一個生產參數。富氧鼓風引起爐內諸多變化，也必然會直接或間接對煤氣利用率產生影響。根據高爐操作者經驗的不同，在實際生產過程中不同的操作者會產生不同的結論。當前關于富氧對煤氣利用率的影響尚沒有形成明確的結論，并且由于高爐過程的復雜性，關于這方面的研究也鮮有報道。本文從理論分析出發，通過河鋼邯鋼八號高爐的生產實踐，分析了富氧水平對煤氣利用率的影響。

2 理論分析

高爐煤氣利用率的高低與爐內鐵礦石的間接還原發展程度有關。主要受到鐵礦石還原性、煤氣還原勢以及爐內溫度場分布的影響。鐵礦石的還原性是由原燃料條件決定的，八高爐經歷過用還原性較好的澳礦取代南非礦，煤氣利用率在其它冶煉條件不變的情況下升高1.5%的實踐經歷。由于在高爐日常生產中原料條件基本保持穩定，所以高爐操作者更關注后兩個因素的作用。富氧對煤氣利用率影響，不同高爐操作者依據個人生產經驗會做出不同的判斷，每個人的判斷都經過了實際生產的檢驗，所以不能簡單決斷誰對誰錯。為了更好表征這個問題以便為生產提供理論參考，必須從基礎理論出發并結合實際才能得出有價值的結果。

從熱力學角度分析，CO與CO2的相對分壓和體系的溫度水平決定了平衡時的氣相成分，即決定了煤氣利用率所能達到的最高水平。煤氣還原勢主要通過兩個指標表征：爐內CO與CO2的絕對壓力和相對分壓。在實際生產中，富氧對這兩個因素有重要影響，甚至在穩定生產條件下，富氧水平決定了這兩個因素的變化。在高爐下部高溫區域（碳素溶損反應強烈進行的區域），在總風壓穩定的條件下，在較低富氧率時，隨著氧氣濃度的提高，相對應生成的CO濃度提高、N2濃度降低，提高了煤氣的還原勢，在煤氣進入中低溫區域后，較高的還原勢有利于間接還原的發展，促進了煤氣利用率提高。隨著富氧率的進一步提高，CO濃度變化對還原勢提升的邊際效應逐步降低，在富氧率高于某一范圍后，濃度變化（熱力學因素）對還原程度的影響將會由主要矛盾降為次要矛盾。溫度變化（動力學因素）對間接還原速率的影響將會變得更為重要。由于噸鐵煤氣量的降低，在其他參數穩定的條件下，富氧率的提高會降低高爐中上部區域溫度，導致塊狀帶礦石溫度偏低，不利于間接還原發展。“下熱上冷”問題會隨著氧氣濃度的提高而越來越明顯（極端例子就是氧氣高爐）。因此，在高于某一值后，富氧率的進一步提升會使煤氣利用率降低。

3 實際生產數據分析

通過對8高爐歷史生產數據分析，獲得了一些支撐上述論點的依據。圖2是2014年以來8高爐實際生產數據，通過二階多項式擬合可以看出，煤氣利用率隨著富氧率的提高首先呈現升高的趨勢，在達到一定值后又逐步下降。尤其是在富氧率低于1.4%時，煤氣利用率的提升效果比較明顯，在這一階段，CO濃度是影響間接還原發展的主要因素，所以隨著富氧率的提高煤氣利用率升高。在富氧率高于1.4%時，曲線開始進入拐點并出現下降趨勢，在這一階段，爐內溫度場是影響間接還原發展的主要因素，所以富氧率的進一步提升會引起煤氣利用率的下降。

實際生產中，煤氣利用率是高爐爐況綜合作用的結果，并不是單因素決定的，所以同樣的煤氣利用率可能對應不同的爐況。用不同條件下的結果進行同樣的分析可能會產生錯誤的結論，所以有必要更進一步對不同時期的數據進行分別討論。

圖3是2014年1-5月份的生產數據。2014年8高爐維持了長期的穩定順行， 1-5月份在其他參數基本穩定的條件下，富氧率在0.6-2.2之間變化，處于較高水平，由分析可以看出煤氣利用率隨著富氧率的提高有明顯的下降趨勢。

圖4是2016年1-6月份的生產數據。進入2016年以來，8高爐爐況波動頻繁，富氧水平較低。雖然其他參數變動較大，但是由生產數據可以看出，隨著富氧率的提升煤氣利用率升高趨勢明顯。

4 討論

高爐煤氣利用率是過程的綜合表現，不受單一因素控制決定。由于過程的復雜性，無法通過精確計算來確定其他因素對其產生的作用，更多時候只能依賴一些感性認識。高爐操作者對富氧的認識不盡相同，每個操作者都會從各自的角度出發得出自己的結論。在面對這些問題時，必須要首先認識到不同的高爐具有不同的生產條件。從邯鋼出發，8高爐富氧水平一般不高于2%，所以我們的結論和感性認識是基于富氧率偏低這一基本條件的。寶鋼高爐富氧水平相對于邯鋼要高一些，并且維持了長周期的穩定順行，所以寶鋼會在寶鋼的范圍內得出感性認識和結論。再以沙鋼為例，高爐富氧率在7-8%以上，因而沙鋼又會依賴于他們的生產實踐獲得感性認識和結論。

高爐過程由于其復雜性，即使發展至今仍然嚴重依賴于經驗進行操作。如何利用煉鐵基本理論對高爐過程現象進行解析和歸納，進而獲得理論與實踐上的統一，是高爐煉鐵技5 結論

綜合考慮煤氣還原勢和爐內溫度場對還原過程的影響，研究認為在較低富氧率階段，氣氛是影響間接還原過程的主要因素，隨著富氧率的進一步提高，噸鐵煤氣量減少，造成爐內中溫區縮小，對于間接還原過程溫度場逐漸成為限制因素。因此富氧對高爐過程煤氣利用率的影響存在拐點，即在低于拐點的較低富氧率階段，煤氣利用率隨著富氧率的提高而升高；在高于拐點區域，富氧率較高，隨著富氧率的進一步提升，煤氣利用率逐漸下降。

參考文獻

[1] 鋼鐵冶金學. 王筱留. 北京：冶金工業出版社，2000（第二版）.