浅析富氧对高炉炼铁的影响

郭晓鹏

（德龙钢铁有限公司，河北邢台054009）

0 引言

富氧喷煤技术在我国高炉生产中应用较为普遍[1-2]。高炉操作中，提高鼓风富氧量能够富化鼓风的氧含量，进而提高风口前煤粉的燃烧率，提高煤粉的置换比，降低焦比及铁前成本。同时，还可以解决因煤粉的挥发分在风口前高温裂解时造成高炉风口前理论燃烧降低的问题，强化高炉冶炼，提高铁水产量，增强炉缸的蓄热能力，提高铁水物理热，改善渣铁的流动性。但随着富氧率的提高，炉顶温度不断降低，当炉顶温度过低时，将会引起高炉除尘箱体放灰困难，除尘布袋糊死，另外，过湿的粉尘会沉降富集在煤气管道中，影响透平机正常运行。

1 研究过程及分析

富氧率的变化将直接引起吨铁氧量的变化，通过研究吨铁氧量与产量之间的关系，可以得到最佳

式中，Q为每天高炉的富氧流量，m3；t为铁水日产产量点。根据理论燃烧温度计算方法可知，富氧和喷煤对高炉冶炼过程的影响是相反的，两者之间可以优势互补，所以在调整富氧率时也要相应调整喷煤才能保证高炉稳定顺行；富氧率增加后，煤气量减少，上部热交换区域扩大，炉顶温度降低，当温度降到结露温度将会影响高炉除尘系统的正常运行。

1.1 富氧率与吨铁氧量

根据已有的研究结果可知，一般来说富氧率在一定范围内的时候鼓风中富氧率每提高1%，铁水产量可以提高2.5%～3%[3-4]。但是富氧率和高炉铁水产量存在一个相关的关系，可以实现产量和富氧利用的最佳比例，因此有必要寻找到最佳的富氧和产量对比关系，用来指导高炉的日常生产，从而优化高炉生产的经济指标。

吨铁氧量的计算：量，t。

根据统计结果，对数据进行分析，同时，对统计得到的数据进行吨铁氧量-产量统计进行了MINITAB回归，分析出富氧-产量之间的关系，回归曲线见图1。

图1 炼铁厂吨铁氧量和产量关系

对图1回归曲线进行分析可知，吨铁富氧量为0～55 m3时，处于产量的激变区，此时产量随富氧量变化趋势显著；吨铁富氧量为55～65 m3时，产量随着富氧量增加明显变缓；吨铁富氧量为65 m3以上时，产量随富氧变化的微变区，此时产量几乎不再随富氧量的增加而增加。这样就可以获得最佳铁水产量和富氧成本之间的相应关系，并可根据氧气的价格测算富氧成本，实现铁前富氧成本的优化。富氧的成本计算见公式（2）。

式中，PO2为高炉吨铁的富氧成本，元/t；QO2为吨铁富氧量，m3；CO2为氧气单价，元/m3。

由此分析出最佳铁水产量和富氧成本之间的相应关系，并可以根据氧气的价格测算富氧成本，实现铁前富氧成本的优化。

1.2 富氧率和喷煤比

由于高炉炉容和炉型，以及各自原燃料条件和操作理念的不同，导致各个工厂高炉的喷吹煤比也各不相同，每个高炉所控制的理论燃烧温度也不尽相同。一般来说，每提高1%富氧率可以增加煤比20 kg，通过行业内的长期摸索，目前我公司同类型高炉风口前理论燃烧温度一般控制在2 250～2 300℃[5-6]，既保证了炉况的稳定顺行，又能满足炉缸热制度，确保产品合格。根据理论燃烧温度经验公式，结合我公司实际生产，进行了如下修改：

式中，t风为高炉使用风温，℃；O2为高炉富氧率，%；M煤为高炉喷吹煤比，kg/t。

通常操作中，为减少风温波动对炉况的影响，高炉风温基本保持在一个稳定区间（这里取平均温度1 150℃），因此当理论燃烧温度一定时，富氧和煤比就会呈现一种线性关系，公式（3）可列成一个一次方程，具体见公式（4）、公式（5）：

①当理论燃烧温度控制在2 250℃时：

②当理论燃烧温度控制在2 350℃时：

目前高炉冶炼过程中一般均采用提高煤比的方式来节约焦比，所以二者之间的关系可以根据差价，利用公式（6）来计算提高煤比和降低焦比关系是否有利于成本的降低：

式中，A为高炉提高的煤比量，kg/t；C煤为高炉喷吹煤单价，元/t；B为高炉降低的焦比量，kg/t；C焦为高炉焦炭单价，元/t。

通过对公式（4）和公式（5）的计算，根据统计结果，对数据进行了统计分析，可知：

①富氧率-煤比呈现线性关系，即随着富氧率的增加，煤比随富氧量呈现持续升高的变化趋势。

②可以根据同一富氧率条件下，在高炉可以接受的理论燃烧温度范围内选择合理的喷吹煤比。

③在保证风口理论燃烧温度的前提下，可以根据煤粉和焦炭的差价来选择合适的煤比，降低铁前成本，即保证Q变＜0。

1.3 富氧率对顶温的影响

一般来说，富氧率越高，高炉的料速就越快，能够对冶炼强度起到推动作用。但是，随着富氧率的提高，往往伴随着炉顶温度的降低，达到结露条件时，会引起高炉除尘箱体放灰困难，除尘布袋糊死。另外，过湿的粉尘会沉降富集在煤气管道中，影响透平机正常运行，因此高炉富氧率并不是越高越好，而是针对不同高炉有着不同的合适区域。

高炉富氧-顶温的关系可以根据高炉物料平衡和热量平衡为计算基础，从而找出二者之间的相关性，通过对高炉上下部分热量收支情况进行研究，把高炉分为热量总收入和热量总支出两部分，在满足一定约束条件的前提下，分别求出热量总收入和热量的总支出，然后建立高炉总体的热量平衡数学模型，从而求出富氧-顶温的关系，见公式（7）。

式中，Qi包括鼓风、炉料、碳素燃烧热等；Qj包括铁水、炉渣、高炉煤气、炉尘显热，鼓风水分解热，元素溶解热净值，脱硫耗热，水蒸发吸热，喷吹物分解热，热损失等。同时，为了计算热平衡公式，需要确定一定的边界条件，以及一些相关的具体计算公式。

1.3.1 鼓风量和煤气量的确定

本次计算富氧和顶温关系的重点在于计算高炉鼓风量与富氧的关系，以及实际鼓入高炉风量和炉顶煤气的关系，只有确定这些带入、带出显热的不确定因素，才能更加准确地确定热平衡公式的计算结果。

式中，Q鼓风为炼铁吨铁实际鼓风量，m3；N鼓风为炼铁鼓风富氧后实际的含氮量，v/v，%；N煤气为高炉煤气含氮量，v/v，%；O2为鼓风富氧率，v/v，%；V氧气含氧、V空气含氧为富氧含氧量、空气含氧量，v/v，%；Q吨铁耗风为炼铁的吨铁理论耗风量，m3/t；Q吨铁氧量为炼铁的吨铁理论耗风量，m3/t。

1.3.2 一些固定参数的确定

方程（8）和方程（9）在计算中所使用的的各个参数均采用理论数据，物质的化学成分采用化验室分析实验累计平均数据。其它一些需要数据采用如下固定值，见表1。

表1 计算所需各类参数

本次计算结合日常工作过程中，富氧率为2%，顶温150℃时高炉煤气系统可以正常工作为前提条件进行了相关的计算，输出数据见图2。

通过对图3进行线性回归，可以得到高炉炉顶温度—富氧率的拟合方程，该方程如下：

式中，（O2）为高炉富氧率，%。

通过该方程可以看出，高炉炉顶温度变化与富氧率变化关系为：富氧率每变化1%，顶温相应影响20.75℃，因此高炉可以根据顶温与富氧率的关系，结合煤气处理系统的工作情况，进行富氧率的正确选择，确保顶温在确保正常产生的温度区间内。同时，可以根据季节气温的变化、原料差价、物料入炉水当量不同而选择合适的原燃料结构（如天然生矿的比例选择），降低铁前成本。

2 结论

根据上述分项研究可以得到产量-吨铁富氧的情况，富氧率应选择在4.2%以下，可以保证铁水产量处于吨铁氧量变化的微变区之前且成本较优。富氧率每变化1%，炉顶顶温相应影响20.75℃，因此高炉可以根据顶温与富氧率的关系进行富氧率的正确选择。同时根据原燃料含水对顶温影响的情况，可以针对性地选择富氧情况，确保高炉顶温不影响高炉煤气处理系统正常工作。可以根据自身的生产特点建立数学模型，寻找到炉顶温度和富氧率之间的相关关系，用于指导生产，采用何种原燃料结构来降低铁前成本。