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细说高炉炉温

时间:2019-04-22 14:39来源:涟源钢铁股份荣鼎娱乐 作者:谢林涛 点击:
  • 摘  要  高炉工长日常操作的两个重要任务,一个是稳定气流,一个是稳定炉温,气流稳定则料速均匀,料速均匀则炉温稳定,稳定的炉温又反作用于气流促进气流的稳定。因此,保持合理稳定的炉温水平是保持高炉生产稳顺的关键之一,而炉温控制是一种滞后的预测控制,它要求当班工长对当前炉温的变化趋势进行准确地预测,并提前采取相应的调剂手段。

    关键词  高炉炉温  热平衡  煤气利用

    1  引言

    高炉工长调节炉温的依据包括看渣样、看铁水、看风口、计算综合负荷等等。这些手段是建国以来我国无数炼铁工作者总结出来的宝贵经验,是一笔值得永久传承的宝贵财富。然而,多数炼铁工作者(包括笔者)在刚入行时都会对炉温调剂产生一个错误的认识:加煤(加焦)则多烧一些煤(焦),炉温向热;减煤(减焦)则少烧了一些煤(焦),炉温向凉。这个错误认识往往会将炉温调剂带到一个误区。

    通常,根据经验来操作高炉是不会出什么太大问题的,但是,如果无法把经验上升到理论的高度,以正确的理论来指导高炉操作,往往得不到最优的结果。笔者有幸走出这个误区,故尝试从理论的角度来解释高炉炉温的调剂,并对一些与炉温相关的问题进行分析探讨。

    2 高炉炉温调剂的理论依据

    2.1  高炉炉温调剂的理论依据是高炉热平衡

    热平衡是指系统在运行过程中以热形式表现的输入量和输出量之间的数量平衡。它是按照能量守恒定律并以物料平衡为基础来计算的。在日常操作中,高炉工长只要对高炉的热收入及热支出的变化趋势做到心里有数,即可准确预测出炉温的变化趋势,并做出正确地调剂。

    2.2  高炉热平衡简介

    根据研究的目的和方法的不同,高炉的热平衡可分为第一总热平衡、第二总热平衡及区域热平衡等。第一总热平衡法是以盖斯定律为依据,不考虑炉内的反应过程,而以物料的最初和最终状态所具有和消耗的能量为计算依据。其中热收入第一项为焦炭和喷吹燃料完全燃烧(C氧化为CO2,H2氧化为H2O)放出的热量。而第二总热平衡法依然是以盖斯定律为依据,其与第一总热平衡法的主要区别在于热收入的第一项为碳素不完全燃烧(C氧化为CO)放出的热量,这与高炉内实际冶炼过程基本相符。故此,本文将以第二总热平衡法展开讨论。

    表1是以第二总热平衡编制方法为依据,以吨铁为计算单位编制的热平衡表,摘录自《高炉炼铁生产技术手册》P797(周传典 主编)

    在实际操作中,工长只需要对炉温的变化趋势做出正确的预测即可,而没有必要做精准的热平衡计算,因此,在对炉温的变化趋势进行预测时要抓住主要矛盾,某些计算项可以忽略不计,某些计算项在正常情况下可以认为是恒定不变的值。

    2.3  高炉的热收入分析(单位时间内)

    通过对表1的观察,不难发现,高炉的热收入主要来源于风口前碳素的燃烧和鼓风带入的物理热,炉料带入的热量几乎可以忽略不计。因为高炉需要大量的过剩焦炭来充当料柱骨架的作用,所以高炉内的碳素总是过剩的,我们常说炉缸煤气的最终成分为CO、N2、H2,就是因为炉内碳素过剩造成的。因此,高炉热收入量的决定因素不是每批料加了多少焦炭,也不是每小时喷吹了多少煤粉,而是风量、氧量以及风温,风量越大,富氧越多,则单位时间内燃烧的碳素越多,热收入越大;风量越小,富氧越少,则单位时间内燃烧的碳素越少,热收入越小;若风量、氧量保持不变,而风温又恒定的话,高炉的热收入则保持稳定。

    碳素燃烧发热:

    C + O2 = 2CO + QI (1)

    鼓风带入物理热:

    QII = V * C * T (2)

    式中 V — 风量,m3/min;

    C — 热风的平均比热容,KJ/m3*℃;

    T — 热风温度,℃。

    高炉的热收入总量:

    Q 收入= QI + QII (3)

    2.4  高炉的热支出分析(单位时间内)

    高炉的热支出主要集中在煤气带走热量、冷却与散热、铁水物理热、炉渣物理热、氧化物的还原及脱硫等几项中。碳酸盐的分解热及水分的蒸发、分解热几乎可以忽略不计,事实上,由于近年来精料技术的广泛使用,炉料结构中熟料的配比往往高达85%-90%,随炉料带入的碳酸盐和结晶水已可以忽略不计。

    I、煤气带走热量:

    Q1 = V * C * T (4)

    式中 V — 炉顶煤气发生量,m3/min;

    C — 炉顶煤气的平均比热容,KJ/m3*℃;

    T — 炉顶煤气的平均温度,℃。

    V = 炉缸煤气量 + 碳素熔损量 + 碳酸盐分解 + 结晶水分解 + 游离水蒸发

    日常操作中,当满足风氧稳定、气流基本稳定、原燃料基本稳定等条件时,可以认为炉顶煤气带走热量基本保持不变。

    II、冷却与散热: Q2

    日常操作中,除非有大范围渣皮脱落,这部分热量也可以认为是一个稳定的值。

    III、氧化物的还原以及脱硫:

    Q3 = 铁氧化物还原耗热 + 合金元素(Si、Mn、S、P)还原耗热 + 脱硫耗热

    IV、铁水物理热及炉渣物理热: 

    Q铁 = m铁 * C 铁* T铁 (5)

    式中 m铁  — 单位时间内生成铁的质量,kg;

    C铁  — 铁水比热容,KJ/kg*℃;

    T铁  — 铁水温度

    Q渣 = m渣 * C 渣* T渣 (6)

    式中 m渣 — 单位时间内生成炉渣的质量,kg;

    C 渣 — 炉渣比热容,KJ/kg*℃;

    T渣 — 炉渣温度

    Q4 = Q铁 + Q渣 (7)

    综合以上则有:

    Q支出 = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 (8)

    Q支出 = Q收入 (9)

    2.5  炉温调剂的实质是控制料速

    据上述分析,如果热收入恒定,则热支出亦恒定,若将支出项中的Q1与Q2视为稳定项,那么(Q3+Q4)亦将保持不变。在单位时间内还原的氧化物越多,则还原消耗的热量越多,相应的Q3越大,而Q4则就越小,而当单位时间内还原的氧化物增多时,单位时间内生成的渣铁亦增多,即m铁、m渣增大,据式(5)与式(6),T铁、T渣必然下降。其中单位时间内还原氧化物的多少即我们常说的料速,而T铁与T渣即炉温。

    因此,笔者认为:高炉炉温调剂的实质就是控制料速,在同等的风、氧、风温条件下,料速越块,炉温越低,料速越慢,炉温越高。

    3  炉温调剂操作总结

    3。1  高炉炉温调剂操作总结(见表2)

    3.2  喷吹煤粉的补充说明

    从上表中可以看出,煤粉和焦炭对炉温的作用机理实质还是调剂料速,而并非本文开篇所说的

    多烧或少烧了煤粉或焦炭,当然,喷吹煤粉对高炉冶炼的作用却远不止调剂料速这么简单。

    (1)煤粉带入的挥发份分解需要吸收热量,降低理论燃烧温度。严格的热平衡计算中,挥发份分解消耗的热量应归类于热支出。但鉴于煤粉是从下部喷入,直接作用于炉缸,为了便于理解,本文在表2中将之归类于热收入。

    (2)煤粉的比表面积远小于焦炭,因此煤粉的燃烧速率要远大于焦炭,仅从这一点上说来,喷吹煤粉是缩小风口燃烧带的。但是,因煤粉带入的H2在风口前燃烧成H2O,而H2O的扩散能力强于CO2,此时,风口燃烧带的定义为:从风口前端开始直至煤气中H2O含量降低至1%的位置。从这一点上说来,喷吹煤粉又扩大了风口燃烧带,这就是某些书上所说的喷煤发展中心气流的原因。

    (3)增加煤粉喷吹量,炉缸煤气中H2的百分含量将增大,在800-1200℃的区域里,H2将参与到FeO的还原中,这将减少FeO的直接还原,虽然H2的还原也是吸热反应,但其需要的热量比直接还原要低得多,对减少热支出起到一定的作用。

    FeO + C = Fe + CO – 151.86(KJ/mol)

    FeO + H2 = Fe + H2O – 27.7 (KJ/mol)

    4 炉温调剂中的几个误区

    4.1  综合负荷不足为凭

    综合负荷 = 矿批重 / (焦批重 + 小时喷吹量 / 小时料批数 * 0。8)

    在日常操作中,综合负荷往往成为工长判定炉温趋势的重要指标,但从计算式来看,综合负荷更像是一个体现燃料消耗水平的指标,而并非一个判定炉温趋势的指标。前已言之,当热收入恒定不变时,决定炉温的主要因素是料速,而与焦批没有任何关系,与煤粉喷吹量关系亦不大。举个例子,在全焦冶炼时,综合负荷是恒定不变的,为什么炉温不能保持稳定不变呢?原因很简单,因为料速在变化!另外,不知出于什么原因,工长在记录作业日志时,每小时的料批数通常记录为整数,这也与实际状况是不相符的,事实上,每小时0.5批料的差异都将引起炉温较大的波动。

    4。2  看炉温的困惑

    通过观察渣、铁来判定炉温高低是每一个工长的基本技能,那是不是说,能看准炉温就一定能将炉温调剂好呢?事实并非如此,本文开篇就已说过,炉温控制是一种滞后的预测控制,也就是说,这需要工长正确的预测炉温走势并提前施展正确的调剂手段,等看到炉温波动时再采取措施,将永远慢炉温一步。

    4.3  日产量与炉温的矛盾

    产量和炉温会存在矛盾吗?存在!前已言之,料速决定炉温,料速快,炉温下行,料速慢,炉温上行;料速同样决定产量,料速快,产量高,料速慢,产量低。因此,鱼和熊掌不可兼得,要保持高产,就难以维持充足的炉温,要维持充足的炉温,就难以高产。有没有办法兼得鱼和熊掌?有!第一种方法是增加热收入,加风、加氧、提风温,可加风加氧后料速不是会更快吗?这时,又需要增加煤粉喷吹量来控制料速。且不论加风加氧后的送风制度是否合适,至少这不是一种经济的方法。第二种方法是减少热支出,回头看前文对热支出的分析,其中Q1、Q2是稳定项,可想的办法不多,收益也不高,而Q3为氧化物还原耗热,减少Q3则可增大Q4以提高T铁和T渣因此,因此,想方设法提高煤气利用率以减少直接还原耗热才是兼顾产量、炉温以及消耗的行之有效的办法。

    5  煤气利用率对炉温的影响

    5。1  高炉煤气利用率的定义

    炉顶煤气中的CO2%与CO2%、CO%之和的比值。即:

    ηCO = CO2% / (CO2% + CO%)

    高炉煤气利用率是衡量在高炉炼铁过程中高炉内气固相还原反应中CO转化为CO2的指标,是评价炉内间接还原程度的重要指标。

    5.2  高炉内还原反应

    间接还原反应如下:

    3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 + 37。1 (KJ/mol)

    Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 – 20。9 (KJ/mol)

    FeO + CO = Fe + CO2 + 13。6 (KJ/mol)

    3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O + 21.8 (KJ/mol)

    Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O – 63。6 (KJ/mol)

    FeO + H2 = Fe + H2O – 27。7 (KJ/mod)

    直接还原反应如下:

    FeO + C = Fe + CO – 151.86(KJ/mol)

    5.3  还原反应对热支出的影响

    通过对上述热反应式的观察,可以看出间接还原的热效应普遍比较小。其中CO的间接还原反应会释放出少量热量,这些反应集中在块状带上部低温区,释放出的热量对下部的渣铁熔融影响并不大;H2的间接还原反应会吸收少量热量,这些反应集中在800℃以上的中高温区,因其量小,也并非热支出的大户;而C的直接还原则集中在下部高温区,并且吸收大量的热,对渣铁的熔融造成巨大影响。因此,提高煤气利用率,减少直接还原能大量地降低还原过程中的热支出。

    6  炉温滞后周期的探讨

    6.1  高炉炉温滞后的原因

    从前文的分析来看,影响高炉炉温的两大热支出,一个是氧化物的还原(Q3),主要是直接还原,另一个是渣铁的软化熔融(Q4)。氧化物的直接还原主要集中在滴落带,而渣铁的熔融则发生在软熔带和滴落带的交汇处。因此,只有当炉料到达软熔带下部和滴落带时,才会引起热支出的大幅变化,进而引起炉温的波动。这正是高炉炉温滞后的原因。

    6.2 风温调剂不引起炉温滞后

    因为风温的调剂只是直接改变了炉缸的热收入,并不对热支出产生影响,因此,调节风温将直接作用于炉温,不会产生炉温滞后。

    6.3 风量、氧量的调剂略有滞后

    调剂风量、氧量后首先改变了炉缸的热收入,这一点与风温调剂相同。但是,调剂风量氧量同时还将改变料速,一是改变焦炭的燃烧速度,二是因煤气量的变化而导致还原反应速度的变化。但是因为这个料速的变化是整个料柱同时发生改变,所以,炉温的滞后周期比较短。由于条件的限制,笔者并没有做过严谨的试验,也就无从给出一个具体的数值。

    6.4 喷吹煤粉的热滞后

    在高炉炼铁喷煤的实践中发现,增加喷煤量后,炉缸出现先凉后热的现象,即煤粉在炉缸分解

    吸热,使炉缸温度降低,直到增加的煤粉量带来的煤气量和还原性气体(尤其是H2量)在上部改善热交换后和间接还原的炉料下到炉缸,使炉缸温度上升,这种现象称为热滞后。

    对于此,笔者有不同的看法,首先,近年来,随着技术的进步,高炉越来越趋于大型化,风温水平较之前也有很大提高,随着大风、大氧、高风温的使用,高炉的热收入较之前的小高炉有着数倍乃至数十倍的增长,而喷吹量的调剂却并没有太多变化,日常操作中喷吹量的调剂不过±1-2 t/h,这样的调剂带来的热支出的变化相对于总的热收入有几个数量级的差别,也就是说,这个变化量小到可以忽略不计。

    其次,随着风量、氧量、喷吹量的增大,高炉的煤气发生量也是数倍地提高,1-2t/h的喷吹物调剂引起的煤气成分的变化也是非常微小的,也就是说,煤气中H2含量的变化并不大。

    因此,在大型高炉上,高炉喷煤的热滞后依然存在,但其对炉温的影响却远不如小高炉

    那么大。炉温主要还是因喷吹量调剂后引起的料速变化而发生改变的。

    6。5  焦炭负荷调剂以及净焦的滞后

    经验认为,高炉在调剂焦炭负荷或者加净焦后,将在一个周期后,也就是炉料到达风口平面时发生作用。

    对于此看法,笔者同样持有异议。前文中提到:变化的炉料到达软熔带下部和滴落带时,将引起热支出地大幅波动,进而引起炉温的波动,而渣铁熔融后从滴落带进入炉缸的速度要远大于块状炉料和软熔炉料的下降速度。因此,调剂了焦炭负荷或加净焦后,当炉料到达软熔带和滴落带的交汇处时将引起炉温的变化,而不是到达风口平面。为什么前辈们会总结出滞后一个冶炼周期的经验来?笔者认为是以前的高炉以小高炉为主,小高炉的煤气发生量小,热收入也少,软熔带的位置相对较低,距离风口平面比较近,因此,给人的错觉就是当炉料到达风口平面时发生作用。而高炉大型化后,热收入和煤气发生量都大幅度增加,这将引起软熔带整体上移,故而,炉料不到风口平面就已发生了作用,具体滞后周期与高炉软熔带的位置有关。

    7  结论

    高炉炉温调剂的实质是控制料速,煤粉喷吹量、焦炭负荷、加净焦,甚至风、氧等调剂的实质都是在控制料速,在同等的风、氧、风温条件下,料速快,炉温高;料速慢,炉温低。

    因此,判定炉温变化趋势的依据也是料速,料速加快,炉温向凉;料速减缓,炉温向热。在调剂炉温时,在发觉料速持续向同一方向变化约3-5批料时,就应该及时采取调剂措施,如果等看到炉温波动了再调剂,将永远慢炉温一步!

    8  参考文献

    [1] 那树人 著。 炼铁计算。 冶金工业出版社。 

    [2] 周传典 主编. 高炉炼铁生产技术手册. 冶金工业出版社.

    [3] 王筱留 主编.《钢铁冶金学(炼铁部分).第二版 冶金工业出版社.

    (责任编辑:zgltw)
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