季节变化对高炉冶炼的影响

曾凡波, 刘喜华, 毛东辉, 殳哲君

(1.中天钢铁集团有限公司,江苏 南通 226000)

高炉炼铁生产实践努力追求稳定、顺行,以实现最优的经济技术指标,然而在实际生产过程中受季节、原燃料供应等因素的影响,高炉冶炼表现出一定的周期性。炼铁学者从长年生产数据总结出季节变化对高炉生产的影响,并从实践角度出发提出了不同季节高炉生产应该注意的问题和操作思路[1-4]。

本文从理论角度系统地分析了季节变化对进风参数的影响,指出湿度、温度的季节性变化是造成高炉冶炼季节性变化的两个重要因素,为季节交替时高炉生产可能产生的问题与生产操作调整的方向提供理论依据。

1 大气湿度对高炉冶炼的影响

标态下大气饱和含水含量随温度变化如图1所示。

图1 标准大气压下大气饱和水分含量随温度变化

由图1可以看出,温度越高大气饱和水分含量增加愈明显,即温度同样增加10 ℃,饱和水分含量增加量不同:如由0 ℃增加到10 ℃,饱和水分含量只增加4.5 g/m3;而温度由20 ℃增加到30 ℃,饱和水分含量增加13 g/m3,同样温度梯度,饱和水分增加值近3倍的差距。大气饱和湿度的这一特征是季节变化对高炉冶炼产生影响的重要因素。

大气中绝对湿度表示大气中的实际含水量,由饱和水分含量决定并受水文条件影响[5]。如:在0 ℃时,大气饱和水分是4.85 g/m3,拟定某地相对湿度60 %,则空气中绝对湿度为:4.85×60%=2.91 g/m3;在30 ℃时,大气饱和水分是30.30 g/m3,拟定相对湿度95%,则空气中绝对湿度为:30.30×95%=28.79 g/m3。

由上述分析可以看出不同季节条件下,大气含水量(绝对湿度)变化较大,这一变化将对鼓风含氧量、燃耗、理论燃烧温度、炉腹煤气量等产生较大影响,以下从大气湿度这一因素进行系统分析。

1.1 绝对湿度的富氧作用

因大气中水分分解后产生氧气,其分解化学式如下:

H2O=H2+1/2O2

(1)

每份水汽分解能产生0.5份氧气,因此大气绝对湿度对高炉鼓风具有富氧作用,不同绝对湿度的富氧效果如下表1所示。

表1 绝对湿度的富氧效果

由表1可以看出,水分分解后从不含水分的干富氧空气到绝对湿度28 g/m3,相当于鼓风中富氧率增加了0.98 %,接近1 %。仅从水分分解后产生氧的角度分析看,大气湿度的富氧作用明显。但大气水分在风口前分解需要消耗大量的热,致燃耗增加、吨铁耗风量增加。因此,水分分解后的富氧作用将大幅降低。

1.2 绝对湿度对燃耗的影响

大气中绝对湿度对燃耗的影响分为“两增一降”:大气中水蒸气升温耗热、水蒸气在风口前分解耗热以及水蒸气分解后的氢参与炉内还原降耗作用[6-7]。其中,水蒸气升温到鼓风温度耗热在热风炉区域,将使热风炉煤气消耗增加;水蒸气在风口前分解耗热在炉缸风口区域,将使高炉消耗增加;风口前水分分解产生的氢参与了铁氧化物还原,该反应可以减少还原过程中的碳素消耗,具有降低燃耗作用。

(1)水蒸气升温耗热:水蒸气在200 ℃条件下(风机后温度)热熔为34.28 kJ/mol·K,1180 ℃时热熔为39.35 kJ/mol·K,则1 kg水蒸气升温到鼓风温度耗热量为2276 kJ。

(2)水分分解耗热:1 kg水蒸气在风口区域分解消耗热量为10 800 kJ。

(3)水分分解产生的氢参与还原的降耗:由于高炉中CO、CO2、H2和H2O之间存在平衡关系,使H2在还原过程中的利用率受到极大地限制,有研究表明高炉中H2的利用率一般为30 %～50 %[8]。为计算方便,本文假定氢的还原率与一氧化碳45%相当。根据方程式

FeO+C=Fe+CO

(2)

该反应过程中生成每摩尔金属铁需要在炉缸吸收热量152.2 kJ,而氢参与的直接还原方程式为:

FeO+H2=Fe+ H2O

(3)

该反应中生成每摩尔金属铁需要在炉缸吸收热量只有27.7 kJ,因此每摩尔氢参与炉缸内铁氧化物还原能够减少124.5 kJ的热量支出,则1 kg水蒸气在炉内参与还原可减少6917 kJ热量支出。

综合上述分析可以看出绝对湿度最终将使燃耗增加,其对燃耗影响的定量化计算涉及湿度的富氧作用、湿度对吨铁耗风量等交互作用,利用文献[9]中炼铁计算模型,假定高炉基本操作参数:干焦比370 kg/t、干煤比150 kg/t,煤粉挥发份19 %,氢含量4.26 %,富氧4 %,绝对湿度对吨铁耗风量、高炉燃耗的影响如下图2所示。

图2 绝对湿度对吨铁燃耗及吨铁耗风量的影响

由图2可以看出:随着绝对湿度增加,吨铁耗风量逐渐降低,绝对湿度每增加5 g/m3,吨铁耗风量降低3 m3,吨铁燃耗增加约1.16 kg。若冬夏季绝对湿度变化25 g/m3,将影响吨铁焦比约6 kg,而影响吨铁耗风量约1.6 %。

因此,季节变化引起的绝对湿度变化对吨铁耗风量影响较小,但对燃耗的影响不可忽略。

1.3 绝对湿度对理论燃烧温度的影响

大气中绝对湿度增加,水分在风口分解过程中吸收大量的热,对理论燃烧温度、炉缸热制度造成较大影响[10]。

综合考虑绝对湿度对燃耗影响,在富氧4 %、煤比150 kg/t、焦比350 kg/t的条件下,绝对湿度增加时,理论燃烧温度变化情况如图3所示。从图3可以看出,大气绝对湿度每增加1 g/m3,理论燃烧温度将降低7 ℃;大气绝对湿度超过27 g/m3时理论燃烧温度将降到2050 ℃以下,将对炉缸热状态造成较大影响,不利于高炉稳定顺行。

图3 大气绝对湿度对理论燃烧温度的影响注:本文理论燃烧温度计算将喷煤中吸附水蒸发分解热也计算在内,如此更能够贴近现实生产。

1.4 大气湿度对吨铁炉腹煤气量、热风压力及鼓风动能的影响

绝对湿度的富氧作用,区别于工业氧气。首先,前文已分析大气绝对湿度增加后燃耗增加,致吨铁耗风降低量较工业氧气少;其次,根据水蒸气分解反应式(1)可以看出,每份水汽在风口前分解产生1.5份气体产物,因此大气湿度增加时风口前吨铁煤气量与炉腹吨铁煤气产生量随之增加,综合影响如图4所示。

图4 煤气产生量随绝对湿度变化

根据图4可以看出,绝对湿度虽有富氧作用,使吨铁耗风量降低,但综合考虑燃耗因素,风口及炉腹位置吨铁煤气量增加,折合绝对湿度增加1 g/m3,风口与炉腹吨铁煤气量增加约1.3 m3,以冬夏季节绝对湿度变化25 g/m3,该增加量约为2 %。这是夏季压差高、顺行条件劣于冬季的一个因素。

2 气温对高炉冶炼的影响

高炉操作实践中,利用系数相同条件下秋冬季节鼓风压力较春夏季节低,除上述绝对湿度的影响外,还与大气温度改变有关。气温对高炉冶炼的影响目前研究的较少,本文从大气温度这一单因素着重分析其对高炉冶炼的影响。

2.1 大气温度对鼓风动能的影响

图5 大气温度对鼓风动能的影响

由图5可以看出,对于冬季大气温度0 ℃、操作315 kPa的高炉,大气温度每升高5 ℃影响热风压力约3 kPa,致鼓风动能降低约1.88 %。同时,压力越高(或炉容越大)气温对热风压力、鼓风动能影响越大。以冬夏季节温度变化25 ℃,夏季压力将升高到338 kPa,鼓风动能降低量约为10 %,这是夏季不易吹透中心的重要原因。

2.2 大气温度对高炉冶炼的影响

下面从定风量和定风压操作两种情况分析。

(1)定风压操作:根据方程:PV=nRT,两种工况下:

(4)

(5)

当高炉操作采取定风压操作时P1=P2(冷风压力,下同),因风机后冷风温度不同,造成单位时间进入高炉内的有效风量不同,恒容条件下(即V1=V2),不同季节、温度下n1与n2的关系如下:

(6)

由上式可以看出,在定风压操作时,单位时间内有效风量与冷风温度T成反比。例如:高炉冬季风机后冷风温度180 ℃(大气温度0 ℃),即T1=453 K;夏季风机后冷风温度220 ℃(大气温度32 ℃),即T2=493 K。在此条件下:n冬=1.09×n夏,即定风压操作条件下冬季有效风量为夏季的1.09倍,不考虑其他因素可以认为冬季产量为夏季产量的1.09倍。

(2)定风量操作:根据方程:PV=nRT,两种工况下:

(7)

(8)

大气密度随温度变化致不同季节吨铁耗风量(干风)实际体积产生改变,但经温压补偿为标态风量相同,即吨铁耗风所含各项组成物质的量不变n1=n2;恒容条件下(即V1=V2),不同季节、温度下P1与P2的关系为:

(9)

大气温度对高炉冶炼的主要影响在鼓风机后的冷风温度T上,大气温度低,风机后冷风温度T相对也低。例如:高炉冬季风机后冷风温度180 ℃(大气温度0 ℃),即T1=453 K;夏季风机后冷风温度220 ℃(大气温度32 ℃),即T2=493 K;在此条件下P冬=0.929×P夏,因定风量操作时单位时间内有效风量相同、产量相同,即产量相同条件下冬季风压只有夏季风压的92.9%。

高炉操作过程中多采用定风压操作,假定某一高炉夏季热风压力340 kPa,日产量3200 t,则冬季相同热风压力340 kPa条件下可以产铁3444 t,实际操作过程中往往因为炉腹煤气量关系,冬季不能达到如此冶炼强度,需要适量减少压力、风量来降低冶强,但依然出现冬季压力低、产量高的现象。

3 结论

(1)季节变化造成的大气湿度改变对高炉富氧作用不明显,但对吨铁燃耗影响较大。由于水分在风口前分解产生的有富氧作用,但综合考虑水分增加将在风口前分解耗热使燃耗增加,吨铁耗风量没有因为湿度的富氧作用降低,反而有所增加,但这种增加量较小,25 g/m3水分影响吨铁耗风量约1.6%;而湿度对燃耗的影响则不可忽略,若冬夏季绝对湿度变化25 g/m3,将影响吨铁焦比约6 kg。

(2)季节变化造成的大气湿度改变对理论燃烧温度的影响明显。绝对湿度每增加1 g/m3,理论燃烧温度将降低7 ℃,若冬夏季绝对湿度变化25 g/m3,将影响理论燃烧温度175 ℃,这将对高炉炉缸热制度产生极大影响。

(3)季节变化造成的大气湿度改变对炉腹煤气量的影响明显。综合考虑燃耗因素,风口及炉腹位置吨铁煤气量增加,折合绝对湿度增加1 g/m3,风口与炉腹吨铁煤气量增加约1.3 m3,以冬夏季节绝对湿度变化25 g/m3,该增加量约为2 %,这是夏季压差高、顺行条件劣于冬季的一个重要因素。

(4)季节变化引起的气温变化对鼓风动能影响显著。定风压操作条件下,冬季风量高,动能大;夏季风量低,动能小。定风量操作条件下,冬季压力低,动能高;夏季压力高,动能低。在季节温差显著地区鼓风动能的差值接近甚至超过10 %。

(5)季节变化引起的气温变化对高炉冶炼影响显著。单一考虑气温因素采取定风压操作,冬季低温时有效风量明显较夏季高温时多,在季节温差显著地区这种有效风量的差值接近甚至超过10 %;单一考虑气温因素条件采取定风量操作,在季节温差显著地区,相同产铁量条件下,在冬季低温时,风压较夏季高温时低很多,这一差值高的接近甚至超过10 %。