高风温对高炉强化冶炼的意义

时间：2015-12-20 23:43:19 所属分类：冶金工业 浏览量:

1.高风温（high blast temperature）：在现代高炉中借助热风炉将鼓风风温加热到1200℃以上的操作。使用高风温操作是高炉冶炼的技术措施之一。 ????????? 简史? 19世纪20年代以前高炉使用冷风炼铁，燃料消耗很高，生产率低。1828年英国尼尔森（D.Neilson）建

1.高风温（high blast temperature）：在现代高炉中借助热风炉将鼓风风温加热到1200℃以上的操作。使用高风温操作是高炉冶炼的技术措施之一。
????????? 简史? 19世纪20年代以前高炉使用冷风炼铁，燃料消耗很高，生产率低。1828年英国尼尔森（D.Neilson）建议在高炉上使用“热鼓风”炼铁，并于1829年在苏格兰克拉依特厂首次实现来这一建议，风温虽然只有149℃，但效果惊人，每吨生铁的燃料消耗由8.06t/t降到5.16t/t。降低来30%以上，产量提高46%，而用于加热鼓风消耗的燃料只有0.4 t/t生铁。1831年该厂将风温提高到316℃，燃料消耗降到来2.25t/t，产量比用冷风炼铁时翻了一番。从此热风很快被推广，它成为高炉炼铁史上极重要的技术进步之一。170℃余年来风温水平不断提高，在日本、西欧、北欧、北美高炉的风温普遍达到1200℃，有的先进高炉的风温叨叨1350℃，前苏联的全苏平均风温到1990年已达到1150℃左右。中国重点企业的平均风温在1997年为1047℃，梅山冶金公司、包头钢铁公司高炉的风温在1100℃以上，宝山钢铁(集团)公司3号高炉的风温在1997年达到1230℃。而地方骨干企业的平均风温在1997年为971℃，虽然其中个别钢铁厂高炉的风温在1000℃以上，但总体上说中国高炉的风温水平要比工业先进国的低150～200℃。
??????? 2.高风温操作对高炉冶炼的影响
??????? （1）风温提高，热风带入炉热量增加，风口前燃烧碳量能得到减少；
??????? （2）高炉高度上温度发生再分布。风温提高，热风带入炉缸热量增加、同时燃烧碳量减少使煤气发生量减少，煤气往上携带的热量减少，结果，炉缸温度提高、炉身和炉顶温度降低；
??????? （3）风温提高使燃烧碳量减少，使煤气中CO量减少，同时炉身温度降低使间接还原减少，从而使直接还原度提高。
??????? （4）风温提高时，炉内煤气压差增加，使炉料下降条件变坏，不利于炉料顺行；
??????? （5）风温提高，热风带入炉热量增加，风口前燃烧碳量能得到减少，使焦比能得到降低。
??????? 炼铁工序占钢铁工业能耗的主要部分，高风温是实现炼铁高炉节能的重要措施，据研究，在目前我国高炉风温范围内，每提高100℃风温，可降低焦比15~20kg/t铁，可相应提高产量3%左右。此外，高风温还是实行高炉喷吹煤粉的必要条件。随着炼铁技术的不断进步，现代高炉向大型、高效、长寿等方向发展，提高高炉热风炉风温所具有的降低炼铁焦比、提高高炉生铁产量、提高喷煤比和降低高炉生产成本等作用越来越显著。国际上先进企业的高炉风温在1300℃以上，我国2007年重点钢铁企业的平均风温仅为1125℃，与国外先进水平尚有一定差距。
??????? 3.高风温和降低焦比的关系
??????? 3.1高风温降低焦比的原因
??????? 提高风温后降低焦比是多种因素共同作用的结果，其原因主要有下列几方面：
??????? ①?鼓风带入的物理热增加了炉内非焦炭的热量收入，代替了一部分由焦炭燃烧所产生的热量，因而可使焦比降低。
??????? ②?由于风温提高后焦比降低，一方面是单位生铁生成的煤气量减少，炉顶煤气温度下降，煤气带走的热损失减少，另一方面使造渣量减少，炉渣带走的热损失也减少因而可进一步降低焦比。
??????? ③?由于风温提高后焦比降低，使高炉产量相应增加，单位生铁热损失减少，因而有促进了焦比降低。
??????? ④?风温提高后，炉内高温区下移，中温区扩大，有利于间接还原的发展，利于焦比降低。
??????? ⑤?风温提高后，鼓风动能增大，有利于吹透中心，活跃炉缸，改善煤气能量利用，从而能降低焦比。这对大型高炉而言尤为重要。
??????? 3.2高风温降低焦比的效果
??????? 提高风温的节焦效果随风温水平的高低而异。风温水平越低，提高风温的节焦效果越好；风温水平越高，提高风温节焦的效果越差。这种规律可用以下公式说明：
??????? E=
??????? 式中? E--提高风温后热量相对节省数（%）
????????????? a--热风带入的热量（ks/kgFe）
????????????? b--综合校正值，即不同风温时，冶炼1kg生铁各项热量消耗变化值的代数和（ks/kgFe）
????????????? Q--冶炼1kg生铁热量的总消耗（ks?/kgFe）
????????????? KT--高炉热量有效利用系数
??????? ①?高炉热量有效利用系数KT随焦比降低而升高，即风温越高，焦比越低，炉内煤气量越少，煤气利用率越高。因而，风温水平高时，E值下降。
??????? ②?随着风温提高，焦比降低，单位生铁风量减少，使鼓风带入能量a减少。因而E值下降。
??????? ③?综合校正值b随着风温的提高和焦比的降低而减少，最后可能达到负值，因而可使正值下降。综合校正值b的这一特性是由于提高风温对高炉热量收支有正负两方面的影响所致。一方面，除了鼓风物理热直接代替焦炭燃烧热以外，由于焦比降低，渣量及煤气量减少，炉渣及煤气带走热量减少，同时，由于产量提高，单位生铁热损失减少，因而增加了使综合校正值b成为正值的因素。另一方面，由于热风温提高使焦炭的理论燃烧温度提高，热量集中于炉缸，这不仅使渣铁温度的升高，渣铁带走的热量增加，而且使风口区冷却水带走的热量增加，因而增加了使b值成为负值的因素。风温越高和焦比越低时，b值成为正值的作用越小，成为负值的作用越大，可能其代数和变为负值。如果负值b与a相等，则提高风温的效果等于零。
??????? 提高风温节省的焦炭量可按下述经验公式计算：
??????? △K=βK0△t
??????? 式中? △?-提高风温降低焦比的数量，（kg/tFe）
????????????? K0-提高风温前的基准期焦比，（kg/tFe）
??????? △t-提高的风温值（干风温度），（℃）
??????? β??-不同风温水平时对焦比的影响系数（如下图所示）
??????? 不同风温水平时对焦比的影响系数
??????? 干风温度（℃）?500~600?600~700?700~800?800~900?900~1000?1000~1100?1100~1200?1200~1300?
??????? β?0.086?0.070?0.059?0.050?0.044?0.040?0.037?0.034?
??????? 4.高风温和喷吹燃料的关系
??????? 高风温与喷吹燃料之间是互为条件的关系。高风温依赖于喷吹，因为喷吹能降低因使用高风温而引起的风口前理论燃烧温度的提高，从而减少煤气量，利于顺行，喷出量越大，越利于更高风温的使用；喷吹燃料需要高风温，因为高风温能为喷吹燃料后风口前理论燃烧温度的降低提供热补偿，风温越高，补偿热越多，越有利于喷吹量的增大和喷吹效果的发挥，从而有利于焦比的降低。高风温和喷吹燃料的合力所产生的节焦、顺行作用更显著。喷吹燃料和提高风温后，使焦比降低，负荷加重，使煤气和矿石与有更多的时间接触，改善煤气的利用，提高产量。
??????? 5.高风温对炉况顺行的影响
??????? 在一定冶炼条件下，当风温超过某一限度后，高炉顺行被破坏，其原因如下：
??????? ①?风温过度提高后，炉缸煤气体积因风口前理论燃烧温度的提高，炉缸温度难以提高而膨胀，煤气流速增大，从而导致炉内下部压差升高，不利顺行。
??????? ②?炉缸SiO挥发使料柱透气性恶化。理论研究表明，当风口前燃烧温度超过1970℃时，焦炭灰分中的SiO2将大量还原为SiO,它随煤气上升，在炉腹以上温度较低部位重新凝结为细小颗粒的SiO2和SiO，并沉积于炉料的空隙之间，致使料柱透气性严重恶化，高炉不顺，易发生崩料或悬料。
??????? 6.高炉接受风温的条件
??????? 如上所述，在一定冶炼条件下，当风温过高时，不仅所产生的节焦效果将减弱，还将对炉况顺行产生不利影响。因而客观地讲，在一定的冶炼条件下，存在着一个界限风温。界限风温取决于两方面因素：其一，风温提高后能否带来焦比降低，其二，风温提高后能否破坏顺行。值得指出的是，此界限风温随冶炼条件变化而不同。据此，凡是能降低炉缸温度以及改善料柱透气性的措施，都将有利于高炉接受高风温，进而更大程度地降低焦比。具体措施如下：
??????? ①?搞好精料。精料水平越高，炉内料柱透气性越好，炉况越顺，高炉越易接受高风温。
??????? ②?喷吹燃料。喷吹量的提高，有利于高炉使用高风温。
??????? ③?加湿鼓风。加湿鼓风能因鼓风中水分分解吸热而降低炉缸燃烧温度，利于高风温的使用。通常，加湿鼓风是作为暂时没有喷吹或喷吹量太少的高炉为控制风口前理论燃烧温度的一种手段而使用的。我们不提倡此法。
??????? ④?精心操作。首先要找准高炉的基本操作制度，特别是要搞好上下部调剂，保持合理煤气分布，以保证炉况顺行。其次，操作中要精心调节，早动、少动，以减少炉况波动，并应尽可能采用固定风温（固定在最高水平）调节喷吹量或鼓风湿度的操作方法。
??????? 7.高风温热风炉技术
??????? 7.1技术领域
??????? 本发明涉及高炉热风炉在使用纯高炉煤气条件下获得1250℃高风温的技术。
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??????? 7.2背景技术
??????? 随着高炉生产不断发展以及节能减排的要求日益迫切，高炉对风温的使用提出了更高的要求，特别是近年来由于焦炭价格不断上涨，提高风温、提高喷煤比，降低焦炭消耗成为高炉生产追求的一大目标。

??????? 近年，热风炉耐火材料都基本改为高温区使用硅砖，为热风炉的高风温能力奠定了硬件基础。
??????? 热风炉提高风温的手段通常有：一是通过混入焦炉煤气、转炉煤气、天然气等高热值煤气富化低热值的高炉煤气，这要求有丰富的或过剩的高热值煤气，宝钢、武钢就采用此方法；二是通过预热助燃空气和高炉煤气，提高物理热以提高燃料的理论燃烧温度，一般要求助燃空气预热到350℃以上，煤气预热温度180℃以上。目前国内高温预热助燃空气的方法通常有自身预热法、蓄热式换热器，可将助燃空气温度预热到650℃，高温金属换热器可将助燃空气温度预热到400℃，但是这些方法都有投资高、工艺复杂、维护量大、热效率低的缺点。
??????? 7.3发明内容
??????? 本技术采用热管换热器和高温金属换热器两种组合预热，既充分发挥了热管换热器热效率高的特点，又充分利用了热风炉排放的废气余热，投资低，布置灵活，维护量小。
??????? 7.3.1工艺：高炉煤气通过热管换热器一级预热到180℃；助燃空气通过热管换热器一级预热到180℃，再通过高温金属换热器二级预热到380℃；设置烟气发生炉燃烧高炉煤气产生高温烟气；热风炉废气一小部分与烟气发生炉高温烟气混合为高温金属换热器提供热烟气，其余部分与金属换热器出口废气混合进入热管换热器加热高炉煤气和助燃空气，废气排放温度150℃；尾部设抽风机克服系统阻力。工艺图见图一
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??????? 7.3.2设计参数：换热器设计的主要参数见表一、二。
??????? 表格 1整体式热管换热器性能参数
??????? 项目?烟气?空气?煤气?
??????? 流量Nm3/h?358520?168000?210000?
??????? 进口温度℃?280-350平均315?20?60?
??????? 出口温度℃?165?200?200?
??????? 阻力降mmH2O?60?60?60?
??????? 回收热量KW??11000?11500?
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??????? 表格 2高温金属换热器性能参数
??????? ?烟气?空气?
??????? 流量Nm3/h?110000?168000?
??????? 进口温度℃?650?200?
??????? 出口温度℃?350?400?
??????? 阻力降mmH2O?41?250?
??????? 回收热量KW?10360?
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??????? 7.3.3相关设备选择：高炉煤气预热温度180℃和以往没有差别，不需要特别处理，只是为了降低热损失将管道进行保温。助燃空气预热温度350℃至400℃对金属结构也无大的影响，空气阀采用普通阀门，空气调节阀采用不锈钢，管道采用锰钢并进行保温。燃烧器结构考虑了空气和煤气的温差。
??????? 7.4实际运用
??????? 2005年12月27日攀钢新三号高炉投用高温金属换热器（扰流子）以后风温稳定在1240-1260℃，最高日风温1263℃。投产后每月平均风温见表3（其中：2006年3月高炉炉况失常，2月和4月分别发生热风阀烧穿和高炉风机跳闸事故）。
??????? 表格 3攀钢新三号高炉2006年风温
??????? 时间?1月?2月?3月?4月?5月?6月?7月?8月?9月?10月?11月?12月?
??????? 风温?1244?1231?1187?1203?1255?1246?1255?1248?1234?1225?1218?1187?
??????? 焦比?462?467?551?510?470????????
??????? 利用系数?2.267?2.187?1.962?1.914?2.275????????
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??????? 表格 4烟气发生炉及扰流子换热器的使用情况
??????? 进入发生炉煤气温度（℃）?煤气燃烧量（m3/h）?发生炉炉膛温度（℃）?烟气进入扰流子温度（℃）?烟气出扰流子温度（℃）?助燃空气入扰流子温度（℃?助燃空气出扰流子温度（℃）?
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??????? 8.高炉高风温技术的研究动向
??????? 国内外实现高风温技术主要有掺烧高热值煤气技术、换热器预热煤气和助燃空气技术、热风炉自身预热技术、高温空气燃烧预热技术等。我国首钢等大型钢铁企业也正在积极开展高风温技术的研究。
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??????? 经过实践和探索，首钢认为，实现高风温可以采取的主要措施有：
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??????? （1）焦炭质量、烧结矿品位和煤粉质量等原燃料条件的改善，是实现高风温的重要保障。
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??????? （2）改进高炉装料制度、送风制度等操作，可以改善透气性指数和煤气初始分布，提高高炉使用高风温能力。
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??????? （3）强化安全。对膨胀节位移和高炉、热风炉系统各部位的温度进行实时在线监测。
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??????? （4）适当提高热风炉顶温。利用自动烧炉加大煤气燃烧量，将原来的控制顶温从1390℃提至1420℃，可提高风温15~30℃。
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??????? （5）减少混风阀的开度。减少10%的冷风混入量，约提高风温15℃。
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??????? （6）提高空气预热温度。空气预热温度从550℃提高至600℃，约提高风温15~20℃。
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??????? （7）热风炉操作制度的优化。通过缩短热风炉燃烧期、送风期和换炉时间以及增加换炉次数等措施，实现高风温操作。
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??????? 同时，首钢的研究也表明，高炉风温的提高是需要条件的。高风温使用不当，不仅不利于高炉降低焦比提高喷煤，而且有可能导致高炉不顺和热风炉系统寿命的缩短。主要应该考虑以下几方面问题。
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??????? （1）必须具备实施高风温的热风炉工艺流程。为实现高风温，一般可以采取富化煤气、煤气和助燃空气预热技术等；但还需考虑高热值煤气的成本和腐蚀问题。
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??????? （2）热风炉、管道和吹管等设备及材料必须满足高风温要求。高风温是一个系统工程，任何一个环节出现问题，均会导致高风温技术的失败，如在风温提高后，出现送风总管位移过度膨胀，热风直吹管、鹅颈管发红，拱顶出现晶间应力腐蚀等问题。
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??????? （3）高炉接受高风温的能力问题。由于受原燃料质量的影响，炉况经常出现不顺或波动等问题，即使热风炉能提高再高的风温，也会由于高炉自身的因素而使高风温的使用受到限制。
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??????? （4）采用高风温会降低煤气热值和增加燃烧负荷，所以必须与高炉原燃料、大喷煤、高富氧等技术的结合，才能发挥高风温以煤代焦的节能作用。
??????? 9.当前我国高风温技术的现状及提高风温的途径
??????? 高风温使一项综合技术，它涉及高炉接受风温的能力的提高，热风炉供应风温的能力的增加及加热热风炉的热源的解决等各方面，另外，高风温的使用对高炉操作者来说还存在着认识上的问题，即是否真正理解提高风温的必要性，是否看到了高风温潜在的经济效益。正因如此，虽然目前在我我国高风温技术已有长足进步，但实际风温水平仍然较低，近十年来徘徊不前。1992年，我国500多座生产高炉中除宝钢高炉已连续4年风温保持在1200℃以上达1220℃之外，包钢、梅山、首钢、上钢一厂、武钢、酒钢、鞍钢、马钢、苏钢、杭钢、柳钢等厂的高炉风温仅达1000~1100℃水平，而其余400多座高炉风温在1000℃以下，这与先进国家比差距达200~300℃（国内先进高炉风温为1200~1300℃）风温低的原因主要有如下两方面:
??????? 其一，一些有能力使用高风温的高炉，由于热风炉能力不足（限制热风炉能力的既有热风炉结构、材质等方面的原因，如陈旧的内燃式热风炉的技术改造，新的高风温外然式，顶燃式热风炉的建设及配套技术的跟进等，也有提供热风炉的高温热源不足的因素）；有些高炉的热风炉有能力供更高风温，但高炉因顺行差而用不了，更有甚多的高炉即无喷煤，也未加湿，因而风温也上不去。
??????? 其二，有些单位片面追求产量，忽视降低焦比，因而不重视风温的使用。
??????? 基于上述分析，当前提高风温水平的途径是：
??????? ①?要提高对使用高风温必要性的知识，积极创造条件使用高风温，并分层次确立高风温目标。高风温对高炉冶炼利大于弊，必须尽量提高风温使用水平，但高风温又受限于高炉的不同原料和设备条件，应是不同层次意义上的高水平。按高冶金部规划，高风温使用分为三个层次：第一层次是风温达到1200～1300℃，宝钢及90年代新建或改建的原料条件好的大型高炉属于此列；第二层次是风温水平达1100～1200℃，原料条件较好，装备水平较高的高炉应以此为目标，多数重点钢铁厂和部分地方骨干厂应该努力达到；第三层次是风温水平达1000～1100℃，绝大多数的高炉都应达到并且有条件达到。
??????? ②?要提高热风炉供热能力，其具体措施有：要有足够的蓄热面积，单位容积的蓄热面积应达80～85㎡/m?以上；新建大高炉应用外燃式热风炉，旧高炉改造可采用改进型内燃式或顶燃式热风炉，如有条件用外燃式热风炉则更好，300m?以下高炉可用球式热风炉；热风炉座数一般应有四座（球式可用为3座），以减少因检修而对风温的影响；热风炉高温区应采用低硅和低蠕变高铝砖等性能好的耐火材料，各交叉口应采用组合砖砌筑，以提高热风炉的寿命；采用高效陶瓷燃烧器及燃烧烟气和冷风均匀分配技术，以提高热风炉效率；采用有耐火材料保护的，高效冷却的长寿热风阀。
??????? ③?切实解决高温热源。应当承认，当前高风温热风炉燃烧所需煤气热值普遍不足，采用回收热风炉烟气余热来预热助燃空气和煤气，或采用自身预热法预热助燃空气是解决高风温与煤气热值差这一矛盾的有效措施。当然，焦炉煤气有余的也可配加在热风炉燃烧中，以提高热值。
??????? 参考文献
??????? [1]解广安。炼铁工艺。北京：中国工人出版社，2004
??????? [2]高炉高风温技术的研究动向。来源：钢联资讯，2011
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