炉腹煤气量

随着中国钢铁工业的发展，大型高炉所带来的经济效益和强有力的竞争力日益突出，对大型高炉的生产操作进行基础性研究显得尤为重要，合理的炉腹煤气量指数控制即为其中之一。炉腹煤气量指数的定义为单位炉缸面积上通过的炉腹煤气量，从气体动力学角度上来说，是衡量高炉强化冶炼程度的一个重要参数。

分析太钢5号高炉（4350m3）炉腹煤气量指数由2008年初的54m3/（min·m2）逐步增加到2010年的67m3/（min·m2）生产时的不同炉况特点，探讨怎样通过各项操作制度的合理匹配和操作理念的改变，来实现合理的炉腹煤气量指数控制，从而为大型高炉在高煤比、高利用系数生产时，在较高炉腹煤气量指数下实现低燃料比、经济化生产提供参考。

据初步统计，太钢5号高炉近2年来炉腹煤气量指数一般在60～67m3/（min·m2）的水平。在标况下煤气空塔流速为1．0～1．12m/s，考虑风压、风温及炉料孔隙度等影响因素，煤气在炉内的实际流速一般在2．0～3．0m/s。一般认为，过低的煤气流速将会导致大型高炉炉缸中心不活，死料柱增大和炉缸堆积；而过高的煤气流速将会导致高炉内三相反应传输矛盾激化，炉内煤气流的控制难度加大，易造成管道和悬料等失常炉况，而且在高煤气流速生产情况下，煤气流对炉衬的侵蚀和冲刷也会加剧，不利于高炉长寿。所以，很有必要对大型高炉的炉腹煤气量指数控制值进行探讨，以提高对大型高炉的驾驭能力。笔者初步提出不同炉腹煤气量指数生产时的一些炉况控制和操作思想。

由于在高炉追求高煤比和高利用系数的过程中，往往会形成高炉腹煤气量指数生产，而高炉腹煤气量指数生产并不是高炉冶炼的目的，恰恰相反的是，会出现怎样在高炉腹煤气量指数生产情况下合理控制煤气流的问题。因为，随着炉腹煤气量指数的增大和煤气流速的加快，往往会出现煤气流难以控制的情况。当高煤比生产时，由于炉内焦炭负荷加重，压差和透气性指数K 值往往会升高，这时需要平衡好透气性指数K 值和炉腹煤气量指数的关系，以实现炉内压量关系的平稳，是保持高煤比生产时炉况顺行的重要措施。

5号高炉2008年2月进行煤比200kg/t生产时，将炉腹煤气量指数控制在56～62m3/（min·m2），实现了高煤比生产时煤气流的有效控制。从5号高炉2008年2月后连续5个月煤比200kg/t的生产实践来看，在煤比高而炉腹煤气量指数较低的情况下，应该适当发展边缘气流，否则会出现炉身中上部炉体热负荷不稳定的现象，从而导致热制度的大幅度波动，对高煤比下的煤气流控制和低硅冶炼造成巨大冲击。

据5号高炉2009年下半年炉腹煤气量指数达到63～67m3/（min·m2）的生产经验，在较高炉腹煤气量指数下，首先要掌握合理煤气流分布的基本特征。大型高炉好的煤气流分布要具有压量关系适应、下料均匀平稳、煤气利用率高而稳定、操作炉型易于控制等特点。为了实现炉况的稳定顺行，主要是控制边缘与中心两股气流，并且根据形成不同炉腹煤气量指数的生产，提出不同的煤气流控制思路。据5号高炉近2年的生产经验，低煤比高利用系数生产时，不能过分发展边缘气流，而是采用料制稳定适宜的边缘气流为宜。

例如，5号高炉2010年9月因使用湿熄焦，焦炭强度下降，煤比由190kg/t降至160kg/t，将炉腹煤气量指数控制在64．0m3/（min·m2）的水平。此时5号高炉在保持中心煤气流畅通的情况下，将十字测温边缘4点温度控制在45～65℃，炉顶温度在145～165℃，煤气利用率在49．5%～50．0%，炉体热负荷能稳定在90～100GJ/h，炉况稳定性良好，从而在2010年9月实现了月均产量11　450t/d，炉缸截面积利用系数72．3t/（m2·d），生铁硅含量0．43%的良好指标。

2009年9月前，5号高炉炉腹煤气量指数由2008年1月的54m3/（min·m2）逐渐增加到2009年9月的67m3/（min·m2），有效容积利用系数也由2．15t/（m3·d）增加到2．6t/（m3·d），炉缸面积利用系数达到69～72t/（m2·d），利用系数与炉腹煤气量指数呈正相增加的趋势。此后，5号高炉炉腹煤气量指数维持在64～66m3/（min·m2），炉缸面积利用系数达到69～72t/（m2·d）的水平，从而成功实现高利用系数生产。

大型高炉就是一个高温高压的密闭逆流反应器。高炉炉腹煤气量指数实质上就是在高炉炉缸断面上炉内煤气的空塔流速。高炉操作者的中心任务就是以精料为基础，以炉况顺行和提高煤气利用率为手段，以降低焦比和燃料比、提高产量为核心来操作。2009年下半年5号高炉产量不断提高，特别是在2009年11月后，产量达到11　000t/d以上，有效容积利用系数达到2．53t/（m3·d），炉腹煤气量指数也增大到65m3/（min·m2）以上。这期间出现过炉况稳定性变差，煤气利用率下降到49%，燃料比急剧升高到508kg/t的情况。

5号高炉在2009年7月开始随着炉腹煤气量指数的不断增加，煤气利用率却呈不断下降的趋势（低于49．5%），而且还不太稳定。同样，在2009年1月开始，随着炉腹煤气量指数的不断增加，燃料比呈不断上升的趋势，基本上在504～512kg/t运行，这其中有一部分原燃料质量变差的原因，但主要是5号高炉在炉腹煤气量指数达到65．0m3/（min·m2）以上的生产情况下，对煤气流的控制还有待做进一步的摸索和改善。

大型高炉在提高煤比或产量的过程中，炉腹煤气量指数也会相应增加。当炉腹煤气量指数增加到一定程度并影响到炉况顺行时，就应采取提高富氧率，控制风量，或是在炉况允许的条件下逐步降低燃料比等措施来降低炉腹煤气量指数，也可在设备允许的条件下适当提高顶压，有利于控制煤气流速和全炉压差，从而为控制煤气流创造条件。根据2010年的原燃料条件及操作炉型的发展特点，初步提出5号高炉将炉腹煤气量指数控制在62～66m3/（min·m2）为最好，此时炉内煤气流易于控制，煤气利用率能稳定在50%的水平。并提出在较高炉腹煤气量指数生产时，要实现合理的煤气流分布，送风制度的确立是基础，而且应根据炉腹煤气量指数大小，对风口工作面积、风速、鼓风动能及理论燃烧温度等主要送风参数进行定位控制管理。

实现高而稳定的煤气利用率从而降低燃料消耗，是高炉操作者的责任。大型高炉在炉腹煤气量指数达66m3/（min·m2）生产时，控制煤气流分布，实现煤气的热能和化学能充分有效利用，即实现低炉顶温度（炉顶温度低于180℃）和高煤气利用率（煤气利用率高于51%）操作，以低燃料比生产来实现利用系数的增长，才是经济有效的手段。

高炉炉体热负荷的强弱反映了高炉炉体各部分的热量散失状况。根据热负荷的分布状况能够获得高炉煤气流分布、炉墙侵蚀等方面的信息。鉴于热负荷管理的重要性，把热负荷管理提升为一项重要的高炉操作制度，并成为和炉温控制一样的高炉日常管理内容。高炉冶炼条件千差万别，导致操作炉型各有不同。高炉操作炉型受到设计炉型、原燃料条件、操作制度和操作理念等多种因素的影响，而且在生产中，操作炉型一直处于运动变化中，对其合理性的判断还无统一的量化标准。所以，5号高炉根据自身炉型设计及一段时期操作炉型的特点，推行炉体热负荷管理制度。根据炉体各段及其圆周8个方向热负荷均匀性来控制边缘煤气流，使炉体各段温度和热负荷在一定的范围内波动，从而实现操作炉型的有效控制。

2009年后5号高炉在炉腹煤气量指数不断增加的过程中，热负荷呈逐步稳定并相对下降的趋势，说明5号高炉在炉腹煤气量指数不断增加的过程中，对热负荷的控制能力有所提高。合理控制热负荷的高低和其在炉体各部位的分布，对高炉保持稳定顺行、降低能耗、达到长寿的目标都有重要意义。

大型高炉在较高炉腹煤气量指数生产时，应首先稳定和降低燃料比。根据5号高炉2010年的生产经验，在炉腹煤气量指数达到65m3/（min·m2）时，风速一般应控制在264～272m/s，鼓风动能在160～165kJ/s。在保持中心煤气流旺盛的前提下，适当放开边缘煤气流，通过平衡好炉内的压量关系来控制下部的风速和鼓风动能，提高煤气流分布的稳定性，从而实现低燃料比生产。

当炉腹煤气量指数受到制约时，高炉的增产要从降低燃料比、降低单位生铁的炉腹煤气量、降低能量消耗入手。根据5号高炉2011年1月和2月炉腹煤气量指数在64．0m3/（min·m2）时的生产经验，5号高炉采取适当松边的装料制度和调整风口工作面积等，使当前的风压水平能同焦炭负荷、风量及顶压的水平相适应，使煤气利用率由49．5%提高到51%。同时，由于炉体各段热负荷和操作炉型也趋于稳定，炉况稳定性明显好转。5号高炉将燃料比由505kg/t逐步降低到495kg/t，生铁含硅量也由0．55%下降到0．35%，在同等条件下，产量由11　250t/d提高到11　650t/d。据5号高炉4年多来的理论计算和生产经验，同样得出这样的结果，即在煤气利用率改善的情况下，燃料比每降低2～3kg/t，产量将增加100t/d左右。这样，在其他生产条件不变情况下，每降低10kg/t燃料比，可以提高产量300～400t/d，其经济效益巨大。所以，一定要建立大型高炉在炉腹煤气量指数超过64．0m3/（min·m2）生产时，通过稳定煤气流，逐步降低燃料比来提高产量的操作理念。

5号高炉采用PW 串罐无钟炉顶。提高高炉煤气利用率的主要措施是调整高炉的矿石批重和提高高炉的矿焦比。据5号高炉4年多的生产经验，只要炉况允许，逐步提高矿石批重和加重焦炭负荷是提高煤气利用率的主要途径。高风速、大矿批和无料钟装料方式为实现“平峰式”曲线提供了技术保证。

2011年1月底5号高炉在强化冶炼的过程中，采用高富氧率操作，风量稳定在6600m3/min，富氧量在29　000m3/h，富氧率维持在5．3%，煤比180kg/t，炉腹煤气量指数在64．0m3/（min·m2）。这时根据5号高炉炉腹煤气量指数较大的情况，实行大矿批操作。矿批由130t逐步加大到134～136t，维持炉顶煤气十字测温中心温度在550～600℃，次中心温度在180～220℃，边缘4点温度90～100℃，炉顶温度在160～180℃，煤气利用率达到50%～51%，炉况稳定性好，燃料比能控制到494～498kg/t的良好水平。在现有生产条件下，5号高炉将炉腹煤气量指数维持在58～66m3/（min·m2）时高炉较好操作，也易于获得较好的技术经济指标。

在5号高炉生产中深刻体会到，煤气流的稳定与否对大型高炉降低燃料比和稳定热制度至关重要。在高炉生产中，找到一个与原燃料条件和送风制度适宜的布料制度是高炉操作的关键。大型高炉在进行高炉腹煤气量指数生产时，一定要根据形成高炉腹煤气量指数的原因，充分发挥好装料制度的作用，实现合理的煤气流分布。在上部调剂没有余地的情况下，可考虑下部送风制度中风量、富氧量、风口面积和湿度的调剂，实现炉内压量关系的稳定平衡。

限制炉腹煤气量指数的主要因素有：炉腹渣量，炉腹渣粘度，焦炭在炉腹处的粒度及孔隙度，煤比及炉内有害元素含量等。可见，使用精料，降低渣铁比和改善焦炭质量，都有利于高炉适应高炉腹煤气量指数操作。根据5号高炉目前的原燃料条件、炉型设计特点及4年多的大型高炉操作经验，将其合理的炉腹煤气量指数定位控制在60～65m3/（min·m2）比较理想，处于该值时高炉既易于操作，技术经济指标也良好，炉况稳定有益于长寿。在富氧量有限（富氧量29　000m3/h，富氧率5．38%），仍要继续提高产量，炉腹煤气量指数将达到或超过66m3/（min·m2）的生产情况下，5号高炉怎样实现炉况的长期稳定顺行，是下一步面临的问题。

高炉操作上，通过适当提高富氧率和炉顶压力，将炉腹煤气量指数控制在一定范围内，实现低燃料比生产，是大型高炉高产的主要措施。2010年5号高炉在炉腹煤气量指数达到65．0m3/（min·m2）生产时，深刻体会到各项操作制度的选择和匹配是一项系统工程，一定要将送风制度、装料制度、炉缸热制度和造渣制度统一结合起来，从而形成煤气流分布曲线和操作炉型的合理控制才能实现炉况长期稳定顺行。在原燃料一定的条件下，要想提高产量，唯有进一步降低燃料比，从而降低单位生铁耗风量和其吨铁炉腹煤气量指数值才能实现。

5号高炉将炉腹煤气量指数和透气性指数K值视为衡量高炉强化程度的2个重要参数。当生产要求进一步强化高炉时，管理者应该检查透气性指数和炉腹煤气量指数的潜力。采取必要的措施，降低透气性指数，使炉腹煤气量接近最大值；已经接近最大值时，应为高炉创造必要的条件，采取减少吨铁炉腹煤气量措施，保持炉况稳定和顺行。高炉生产无论在何种冶炼条件下都没有一成不变的操作制度。只有根据炉内煤气流的发展变化，遵循一定的冶炼规律，才能使炉况长期稳定顺行。

从5号高炉2010年4月下旬和2010年10月两次尝试进行大风量（风量6700～6800m3/min）操作，使5号高炉炉腹煤气量指数达到67m3/（min·m2），炉况稳定性开始变差的情况看，大型高炉在进行大风量下高炉腹煤气量指数生产时，一定要视炉况适应性和接受能力来逐步进行。大型高炉在炉腹煤气量指数达到67m3/（min·m2）后，每增加100m3/min的风量最好是稳定1～2天再进行下一步的加风操作，给炉内煤气流和操作炉型一个适应过程。因为在炉腹煤气量指数达到67m3/（min·m2）时，煤气在炉内的流速急剧增加，在高炉下部易形成液泛，表现为下部压差升高，整体风压也随之显著升高，严重时出现崩料或悬料。而到了高炉上部，则易导致炉料的流态化，形成偏料或管道，风压稳定性明显变差。总之，在炉腹煤气量指数达67m3/（min·m2）生产时，要实行高炉顶压力和低燃料比操作，要想方设法降低炉腹煤气量指数，以控制煤气流速来提高炉况的稳定性。并且要加强炉前作业，减少炉内憋风次数和程度，以稳定煤气流的分布，充分发挥各项操作制度的调剂作用。在技术应用方面，当接近最大炉腹煤气量指数上限时，增加风量受到限制。继续强化的途径很明确，就是提高透气性和降低吨铁炉腹煤气量，为此必然采取提高炉料质量、降低燃料比、富氧等技术手段，以达到强化的目的。这样就把高炉操作由技艺转变为科学。

据报道，1977-1982年，在日本东北大学原选矿炼铁研究所大森教授的指导下，日本金属学会和日本学术振兴会联合举办“钢铁基础共同研究会高炉炉内反应专门会议”。会议的目的是以实际高炉解体调查结果的综合研究为中心，调査高炉炉内的炉料分布、软熔带形状、风口回旋区行为、炉芯的构造和工作状态等。鉴于此，随着中国高炉大型化发展和产能的不断扩大，很有必要对大型高炉在不同炉腹煤气量指数下的生产进行深入细致的基础性研究，明确高炉炉体各部位的功能作用/煤气流速及与炉料进行反应的状态/炉料的运动状态和煤气流分布的基本特征，以更好地指导大型高炉的设计和生产，对大型高炉实现节能降耗生产和提高中国钢铁企业的竞争力意义重大。

1）炉腹煤气量指数的上限受原燃料条件，炉型和高炉操作方式及渣铁排放状态等综合影响，现初步定位大型高炉合理炉腹煤气量指数控制值在62～66m3/（min·m2）。此时，煤气流和操作炉型易于控制，技术经济指标也较好。

2）当大型高炉在炉腹煤气量指数低于62m3/（min·m2）条件下运行时，可以通过增大风量提高炉腹煤气量来增产。当炉腹煤气量指数将要大于66m3/（min·m2）时，则需通过提高富氧率和炉顶压力/降低燃料比和低硅冶炼来增产。

3）大型高炉在较高炉腹煤气量指数运行状态下，通过调整富氧率、风口工作面积、焦炭负荷、矿批和布料档位等，合理控制炉腹煤气量指数，进而控制煤气流速，可以实现较低的燃料比和较好的顺行状态。