馬琦琦，解成成，左 俊，郭其飛，梁 晨

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

高爐風(fēng)口區(qū)理論燃燒溫度是指在絕熱條件下風(fēng)口區(qū)燃料進(jìn)行不完全燃燒，燃料和鼓風(fēng)帶入物理熱及燃燒反應(yīng)放出的熱量全部傳給燃燒產(chǎn)物所能達(dá)到的溫度［1］，也稱燃燒帶絕熱溫度。絕熱過(guò)程就是燃料燃燒放出的熱量全部用來(lái)加熱燃燒產(chǎn)生的煤氣，而不考慮實(shí)際過(guò)程中的熱損失［2］。爐缸是高爐煤氣發(fā)源地和冶煉進(jìn)程的終結(jié)區(qū)，爐缸初始煤氣分布狀況決定了爐缸截面積的溫度與熱量分布，它不僅對(duì)爐缸的滲碳、脫除硫等有害元素、鐵水溫度、渣鐵流動(dòng)性有很大影響，也對(duì)上部各高度的溫度與煤氣流分布及軟融帶形狀與位置有很大影響。好的爐缸狀態(tài)需要有足夠的熱儲(chǔ)備、鐵水溫度達(dá)標(biāo)，渣、鐵有良好的流動(dòng)性、有很強(qiáng)的精還原與脫除有害雜質(zhì)的能力和初始煤氣的合理分布［3］。

理論燃燒溫度作為表示爐缸熱狀態(tài)特征參數(shù)，其高低不僅決定爐缸熱狀態(tài)，也對(duì)爐料的熱傳遞、還原反應(yīng)、造渣、脫硫以及渣鐵溫度、化學(xué)成分等方面產(chǎn)生極大的影響［4-6］。實(shí)際高爐生產(chǎn)中通常以理論燃燒溫度作為判斷爐缸熱狀態(tài)的重要參考指標(biāo)。以鐵水含硅量來(lái)判斷爐缸熱狀態(tài)具有滯后性，而以理論燃燒溫度來(lái)判斷爐缸熱狀態(tài)具有及時(shí)性、實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。從理論上分析，t理是高爐爐缸內(nèi)高溫的極限，生產(chǎn)中要求爐缸具有充沛的高溫?zé)崃?，這就取決于t理的水平。

在高爐的實(shí)際生產(chǎn)中操作者選擇和控制t理應(yīng)該考慮爐渣堿度、產(chǎn)品溫度、爐腹煤氣量及上升過(guò)程的分布、爐內(nèi)熱交換保證tC=0.75t理（tC焦炭進(jìn)入爐缸中的溫度=0.75t理）等；通過(guò)風(fēng)溫、富氧、燃料品質(zhì)、濕度、配煤量等的調(diào)節(jié)，控制理論燃燒溫度在合理溫度區(qū)間內(nèi)［7］。本文對(duì)t理的影響因素及理論燃燒溫度過(guò)高過(guò)低對(duì)高爐的影響進(jìn)行研究分析。

1 t理的計(jì)算公式

1.1 設(shè)定基準(zhǔn)參數(shù)

設(shè)定正常爐況下tc=0.75t理，通過(guò)燃燒熱平衡導(dǎo)出t理的計(jì)算公式［2］：

式中：QC為燃料中碳燃燒成CO時(shí)放出的熱量，一般取9 800 kJ/kg·C風(fēng)（C風(fēng)指噸鐵風(fēng)口燃燒的焦炭質(zhì)量kg/t，焦炭在風(fēng)口帶的燃燒率在65%～70%波動(dòng)）；Q風(fēng)為燃燒用熱風(fēng)帶入熱量Q風(fēng)=V風(fēng)C風(fēng)t風(fēng)，kJ；Q水分為熱風(fēng)帶入的濕分和噴煤燃料干燥后剩余的水分分解耗熱，一般取10 800 kJ/m3H2O；QM分為噴吹燃料分解耗熱，kJ；C煤氣為煤氣比熱容，C煤氣=VCO·CCO+VH2·CH2+VN2·CN2；K為焦比（全焦）。

1.2 以馬鋼生產(chǎn)實(shí)際實(shí)例計(jì)算

（1）主要生產(chǎn)參數(shù)如下：P風(fēng)壓=0.392 kPa；T風(fēng)溫=1 220 ℃；M產(chǎn)量=8 800 t/d；V濕風(fēng)=6 350 m3/min；A富氧率=VO2/（VO2+V風(fēng)）；φ鼓風(fēng)濕度=23 g/m3或0.028 6 m3/m3或2.86%；O干鼓風(fēng)含氧=（1-A富氧率）×0.21+A富氧率O工業(yè)=0.239 8 m3/m3；O濕鼓風(fēng)含氧=［（1-φ鼓風(fēng)濕度）×0.21+0.5φ鼓風(fēng)濕度］（1-A富氧率）+A富氧率O工業(yè)=0.247 7 m3/m3。

（2）V風(fēng)濕指噸鐵消耗的濕風(fēng)量，以日產(chǎn)8 800 t計(jì) 算：V風(fēng)濕=1 080 m3/t；V干風(fēng)=（1-φ鼓風(fēng)濕度）V風(fēng)濕=1 049 m3/t。

（3）風(fēng)口前燃燒碳量按反應(yīng)式2C+O2=2CO 計(jì)算：C風(fēng)=（2×12/22.4）×V風(fēng)濕×O濕鼓風(fēng)含氧=286.6 kg/t。燃燒帶形成的煤氣量和組分在噴吹煤粉的情況下。

一般以冶煉1 t 生鐵為基準(zhǔn)。VCO燃=（22.4/12）C風(fēng)=535 m3/t，VH2燃=V干風(fēng)φ鼓風(fēng)濕度+（22.4/2）H噴煤=130.16 m3/t，VN2燃=V干風(fēng)（1-O干風(fēng)）+（22.4/28）N噴煤=798.85 m3/t。風(fēng)口前燃料燃燒形成的煤氣量為：V煤氣=VCO燃+VH2燃+VN2燃=1 464.01 m3/t，相應(yīng)的煤氣成分CO、H2、N2所占比 例 分 別為36.54%、8.89%、54.57%；在t理為2 100～2 200 ℃，CO、H2、N2的平均比熱容分別為1.508、1.425、1.495 kJ/（m3·℃），煤氣的 比 熱 容C煤氣=VCOCCO+VH2CH2+VN2CN2=1.493 5 kJ/（m3·℃），熱風(fēng)比熱容C風(fēng)=1.42 kJ/（m3·℃），全焦量K=358 kg/t，煤吹粉含水為4.6%。

以每天1 229 t煤量計(jì)算，M噸鐵噴煤量=139.66 kg/t，QC=9 800C風(fēng)=2 808 680 kg/t，Q風(fēng)=V風(fēng)C風(fēng)T風(fēng)=1 870 992 kg/t，Q水分=10 800（V風(fēng)φ鼓風(fēng)濕度+M噸鐵噴煤量φM水）=419 933.80 kg/t，Q噴分=1 150M噸鐵噴煤量=160 609 kg/t，K全焦量=358 kg/t，t理=2 178 ℃（若煤粉含水以1.5%來(lái)計(jì)算，t理=2 209 ℃，可見(jiàn)煤粉含水量對(duì)理論燃燒溫度影響顯著）。

2 t理的影響因子定量分析

為更好地把握生產(chǎn)參數(shù)變化對(duì)理論燃燒溫度的影響，做到提前預(yù)判爐況的好壞，現(xiàn)將依據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)不同因素對(duì)理論燃燒溫度的影響做具體分析。設(shè)定M產(chǎn)量=8 800 t/d、BT=1 220 ℃、BV=6 600 m3/min、φ鼓風(fēng)濕度=23 g/m3、PCI=139.66 kg/t、A富氧率=3.79%、煤粉含水1.5%、K全焦=358 kg/t。

2.1 風(fēng)溫對(duì)t理影響的定量分析

BT取1 190、1 200、1 210、1 220、1 230、1 240、1 250 ℃。通過(guò)計(jì)算得知，t理分別為2 230、2 238、2 246、2 255、2 263、2 271、2 280 ℃，即每提高10 ℃風(fēng)溫，理論燃燒溫度可提高8 ℃左右。風(fēng)溫提高，熱風(fēng)帶入的熱量增加，降低燃料消耗；煤氣發(fā)生量減少煤氣往上攜帶的熱量減少，此時(shí)爐缸溫度提高，爐頂溫度降低。同時(shí)，風(fēng)溫提高時(shí)可能導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)煤氣壓差升高。因?yàn)轱L(fēng)溫過(guò)高時(shí)，爐缸、爐腹煤氣體積因風(fēng)口前理論燃燒溫度的提高而膨脹，煤氣流速增大，從而導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)下部壓差升高，不利順行；另外理論燃燒溫度過(guò)高，導(dǎo)致?tīng)t缸內(nèi)SiO 揮發(fā)與上升后重新凝結(jié)，使料柱透氣性惡化。因此，適當(dāng)提高風(fēng)溫，可實(shí)現(xiàn)高爐高效化冶煉，有效降低焦比、提高生鐵產(chǎn)量、提高噴煤比和降低高爐成本的作用。

為實(shí)現(xiàn)高風(fēng)溫，可采取提高煤粉噴吹量降低理論燃燒溫度，便于高爐使用高風(fēng)溫；當(dāng)噴吹量較低時(shí)，可適當(dāng)加濕鼓風(fēng)，加濕鼓風(fēng)能因鼓風(fēng)中水分的分解降低爐缸燃燒溫度，有利于實(shí)現(xiàn)高風(fēng)溫等。

2.2 風(fēng)量對(duì)t理影響的定量分析

BV取6 300、6 400、6 500、6 600、6 700、6 800、6 900 m3/min。經(jīng)計(jì)算得知，t理分別為2 258、2 257、2 256、2 254、2 253、2 252、2 251 ℃，研究結(jié)果表明，在其他冶煉條件不變的情況下，風(fēng)量的變化，對(duì)爐缸內(nèi)理論燃燒溫度的變化影響有限。風(fēng)量的基本作用有：提供燃燒焦炭、煤粉所需的氧氣；提供一定的顯熱；提供一定的動(dòng)能，產(chǎn)生風(fēng)口回旋區(qū)，支托風(fēng)口上部區(qū)域的爐料。另外，生產(chǎn)中風(fēng)量的調(diào)節(jié)主要作用有控制料速、穩(wěn)定氣流、爐涼時(shí)減風(fēng)可控制料速，迅速穩(wěn)定爐溫等。風(fēng)量必須與料柱透氣性相適應(yīng)，改善爐料透氣性是增加風(fēng)量的基礎(chǔ)。風(fēng)量變化直接影響爐缸煤氣的體積，因此正常生產(chǎn)時(shí)加風(fēng)要適當(dāng)，避免引起爐況不順。

2.3 鼓風(fēng)濕度對(duì)t理影響的定量分析

φ鼓風(fēng)濕度取2、5、10、15、18、23、26 g/m3（合和后分別 為0.002 5、0.006 2、0.012 4、0.018 7、0.022 4、0.028 6、0.032 4 m3/m3），t理分別為2 415、2 391、2 353、2 315、2 292、2 254、2 232 ℃。由于四季溫度的變化，早晚溫差不同，大氣的自然濕度大幅波動(dòng)，高爐爐缸工作條件也隨之變化。穩(wěn)定高爐鼓風(fēng)濕度主要有兩種途徑：一是加濕鼓風(fēng)，另一種是脫濕鼓風(fēng)。都是通過(guò)穩(wěn)定鼓風(fēng)濕度達(dá)到穩(wěn)定爐況的目的。二者相比，脫濕鼓風(fēng)可以減少風(fēng)口前水分分解反應(yīng)吸收的熱量，提高風(fēng)口前的理論燃燒溫度，使?fàn)t缸得到充足的熱量，活躍爐缸。此外，脫濕鼓風(fēng)比加濕鼓風(fēng)更容易控制，鼓風(fēng)中的水分含量穩(wěn)定在一個(gè)波動(dòng)幅度很小的范圍內(nèi)，可消除風(fēng)口水分含量變化引起的爐缸熱制度的波動(dòng)。在南方氣溫波動(dòng)較高的季節(jié)，高煤比高爐需要脫濕鼓風(fēng)。而那些噴吹燃料較少或無(wú)噴煤的高爐，在冬季里宜采用適當(dāng)加濕鼓風(fēng)，以保證在提高風(fēng)溫和富氧的情況下，維持合適的理論燃燒溫度，利于爐況順行。

在風(fēng)口循環(huán)區(qū)，鼓風(fēng)中的水分和原燃料反應(yīng)生成CO、H2，同時(shí)水分子分解吸收熱量。由于脫濕的作用，使得風(fēng)口回旋區(qū)擴(kuò)大，理論燃燒溫度升高，爐缸高溫區(qū)擴(kuò)大，還原過(guò)程加快，有利于降低燃料比。脫濕鼓風(fēng)應(yīng)與高爐噴煤配合使用，以保持理論燃燒溫度不變。

2.4 噴煤對(duì)t理影響的定量分析

PCI取120、125、130、135、139.66、140、145、150 kg/t，t理分別為2 287、2 279、2 271、2 262、2 254、2 253、2 246、2 237 ℃。計(jì)算結(jié)果表明，每增加5 kg/t 煤比，理論燃燒溫度降低8 ℃左右。隨著噴吹煤粉的增加，理論燃燒溫度降低，因此可以與高風(fēng)溫高富氧相匹配，實(shí)現(xiàn)高爐的高效冶煉。但隨著噴煤量的增加，置換比逐漸降低，因此生產(chǎn)中要充分考慮置換比降低帶來(lái)的不利影響，做到提前預(yù)判，提高置換比。生產(chǎn)實(shí)踐表明，高噴煤比是高爐操作強(qiáng)化的重要手段之一，然而并不意味著越高越好，因此在生產(chǎn)中要根據(jù)噴煤量水平、煤焦置換比和能量消耗利用程度以及焦炭質(zhì)量、風(fēng)溫、渣量、料柱透氣性、透液性等確定噴煤量，做到經(jīng)濟(jì)性噴煤。

2.5 富氧率對(duì)t理影響的定量分析

當(dāng)A富氧率取3.03、3.28、3.54、3.79、4.04、4.29、4.55%（對(duì)應(yīng)的氧量12 000、13 000、14 000、15 000、16 000、17 000、18 000 m3/min），t理分別為2 230、2 238、2 246、2 225、2 262、2 270、2 278 ℃。通過(guò)計(jì)算及研究表明，在其他冶煉條件不變的情況下，提高富氧率可顯著提高風(fēng)口前理論燃燒溫度。同時(shí)，提高富氧率后：（1）鼓風(fēng)中含氧量提高，其他成分相應(yīng)降低，使得單位生鐵爐缸內(nèi)煤氣量減少，鼓風(fēng)動(dòng)能相應(yīng)降低，有利于降低料柱壓差，改善高爐順行，提高煤氣中CO 的含量，節(jié)焦降耗；（2）鼓風(fēng)中含氧量提高，單位生鐵的耗風(fēng)量減少，熱風(fēng)帶入熱風(fēng)量減少，同時(shí)單位生鐵爐缸內(nèi)煤氣發(fā)生量減少，軟熔帶下移，上部熱交換區(qū)擴(kuò)大，使得爐身中上部溫度下降，爐頂溫度降低；（3）加快碳素燃燒?？傮w來(lái)看，高富氧配合高噴煤，控制適當(dāng)?shù)墓娘L(fēng)濕度，與上部料制相匹配，能保持高爐在中等精料水平下的高效操作，實(shí)現(xiàn)爐況的長(zhǎng)期穩(wěn)定與順行。

3 t理對(duì)高爐生產(chǎn)的影響

一般來(lái)說(shuō)，偏高的t理與爐渣二元堿度較高1.24左右、三元堿度稍低1.4 左右相配合。中國(guó)維持的t理與爐渣二元堿度1.05～1.15 和三元堿度1.45～1.50 相配合。同時(shí)t理還與噸鐵爐腹煤氣量的多少有關(guān)，爐腹煤氣量低的高爐要維持稍高的t理，以達(dá)到爐缸具有充沛的高溫?zé)崃?，而爐腹煤氣量較大的高爐，則可以維持稍低的t理，同樣達(dá)到充沛的高溫?zé)崃浚跃S持爐缸還原和過(guò)熱渣鐵的需求。

文獻(xiàn)指出［8］，高爐風(fēng)口前理論燃燒溫度提高以后，一是爐內(nèi)煤氣壓差升高，使?fàn)t內(nèi)尤其是爐腹部位爐料下降的條件明顯惡化，反應(yīng)出來(lái)即高爐上部壓差較高；二是爐子下部溫度過(guò)高，會(huì)使SiO 大量還原并揮發(fā)，煤氣將它帶往上部，并且在爐腹凝聚在焦塊間隙分解成固態(tài)，大大惡化了料柱的透氣性，高爐下部壓差升高，嚴(yán)重時(shí)造成爐子難行，并發(fā)展為惡性懸料。而文獻(xiàn)［9］根據(jù)首鋼A、B 高爐的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理得出風(fēng)口前理論燃燒溫度不能完全表征爐缸熱狀態(tài)，風(fēng)口前理論燃燒溫度高時(shí)鐵水溫度和鐵水［Si］含量不一定很高，用鐵水溫度來(lái)表征爐缸熱狀態(tài)可能更合適。

高爐工作者要想管理好爐缸，應(yīng)該是各制度互相配合，要選擇好合適的裝料制度，合適的造渣制度及選擇合適的熱制度；風(fēng)口前理論燃燒溫度與高爐上部壓差和下部壓差不存在相關(guān)關(guān)系。風(fēng)口前理論燃燒溫度高時(shí)，高爐下部壓差不一定很高；風(fēng)口前理論燃燒溫度作為高爐調(diào)劑的一個(gè)主要參數(shù)意義不大，沒(méi)有必要將其作為高爐日常操作調(diào)劑的一個(gè)主要指標(biāo)。

4 結(jié)論

（1）高爐生產(chǎn)是一個(gè)有機(jī)的統(tǒng)一整體，需要設(shè)備、原燃料條件、操作工藝及高爐操作者的統(tǒng)一配合，每個(gè)外部條件的改變都可能或多或少的影響高爐的生產(chǎn)順行。

（2）在實(shí)際生產(chǎn)中，操作者不應(yīng)過(guò)分考慮單一條件的變化對(duì)高爐的影響，而應(yīng)綜合各方面工藝參數(shù)來(lái)看待高爐的生產(chǎn)，只有各有機(jī)單元協(xié)調(diào)一致，高爐操作者根基理論及生產(chǎn)實(shí)際及時(shí)做好研判，根據(jù)爐況及時(shí)做好操作參數(shù)及變料的調(diào)整，才能使高爐長(zhǎng)期穩(wěn)定順行，進(jìn)而在穩(wěn)定順行的基礎(chǔ)上優(yōu)化調(diào)整，而不能采取冒進(jìn)的方式，最終得不償失。

（3）就t理的變化對(duì)高爐生產(chǎn)的影響進(jìn)行了分析，t理的變化受到鼓風(fēng)各參數(shù)變化而變化，不能單純考慮某一因素變化對(duì)其的影響，在風(fēng)溫、濕度、富氧、風(fēng)量等的變化研究中，每一因素的變化對(duì)高爐的影響都不是單一的，而是受到其他因素及高爐順行的限制。

（4）實(shí)際操爐中，應(yīng)根據(jù)爐子自身及原燃料條件等綜合考慮，選擇適合自己的經(jīng)濟(jì)參數(shù)配置，而不應(yīng)一蹴而就的根據(jù)理論研究過(guò)分考慮某一工藝參數(shù)變化對(duì)高爐生產(chǎn)的影響。

（5）在生產(chǎn)中t理只能作為判斷爐缸熱狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)參數(shù)，而不是單純依據(jù)t理的高低判斷爐況的順行有否。