高炉4大制度

高炉4大制度
高炉操作
高炉操作的任务
实现高炉操作任务方法
一是掌握高炉冶炼的基本规律，选择合理的操作制度。

二是运用各种
手段对炉况的进程进行正确的判断与调节，保持炉况顺行。

实践证明，选
择合理操作制度是高炉操作的基本任务，只有选择好合理的操作制度之后，才能充分发挥各种调节手段的作用。

高炉操作制度
高炉冶炼是逆流式连续过程。

炉料一进入炉子上部即逐渐受热并参与
诸多化学反应。

在上部预热及反应的程度对下部工作状况有极大影响。

通
过控制操作制度可维持操作的稳定，这是高炉高产、
优质与低耗的基础。

由于影响高炉运行状态的参数很多，其中有些极易波动又不易监控，
如入炉原料的化学成分及冶金特性的变化等。

故需人和计算机自动化地随
时监视炉况的变化并及时做出适当的调整，以维持运行状态的稳定。

高炉操作制度就是对炉况有决定性影响的一系列工艺参数的集合。

包
括装料制度、送风制度、造渣制度及热制度。

装料制度
它是炉料装入炉内方式的总称。

它决定着炉料在炉内分布的状况。

由
于不同炉料对煤气流阻力的差异，因此炉料在横断面上的分布状况对煤气
流在炉子上部的分布有重大影响，从而对炉料下降状况，煤气利用程度，
乃至软熔带的位置和形状产生影响。

利用装料制度的变化以调节炉况被称
为“上部调节”。

由于炉顶装料设备的密闭性，炉料在炉喉分布的实际情况是无法直观
地见到的。

生产中是以炉喉处煤气中CO2分布，或煤气温度分布，或煤气
流速分布作为上部调节的依据。

一般来说炉料分布少的区域，或炉料中透
气性好的焦炭分布多的区域，煤气流就大，相对地煤气中CO2含量就较低，煤气温度就较高，煤气流速也较快，反之亦然。

因此在生产中只要有上述
三个依据之一就可以判断。

从煤气利用角度出发，炉料和煤气分布在炉子
横断面上分布均匀，煤气对炉料的加热和还原就充分。

但是从炉料下降，
炉况顺行角度分析，则要求炉子边缘和中心气流适当发展。

边缘气流适当
发展有利于降低固体料柱与炉墙间的摩擦力，使炉子顺行；适当发展
2
中心是使炉缸中心活跃的重要手段，也是炉况顺行的重要措施。

在生
产中由原燃料条件的差异和操作技术水平的不同，存在不同煤气分布情况。

生产者应根据各自的生产条件，选定适合于生产的煤气分布类型，然
后应用炉料在炉喉分布规律，采用不同的装料制度来达到具体条件下的炉
况顺行，煤气利用好的状态。

可供生产者选择的装料制度内容有以下几项：批重、装料顺序、料线、装料装置的布料功能变动(例如双钟马基式旋转
布料器的工作制度，变径炉喉活动板工作制度，无钟炉顶布料溜槽工作制度)等来达到预定的目的。

送风制度
送风制度是指通过风口向高炉内鼓送具有一定能量的风的各种控制参
数的总称。

它包括风量、风温、风压、风中含氧、湿分、喷吹燃料以及风
口直径、风口中心线与水平的倾角，风口端伸入炉内的长度等等。

由此确
定两个重要的参数：风速和鼓风动能。

调节上述诸参数以及喷吹量常被称
为“下部调节”，下部调节是通过上述诸参数的变动来控制风口燃烧带状况和煤气流的初始分布。

与上部调节相配合是控制炉况顺行、煤气流合分布和提高煤气利用的关键。

一般来说下部调节的效果较上部调节快。

因此它是生产者常用的调节手段。

生产实践表明，不同的燃料条件，不同的炉缸直径应达到相应的鼓风动能值，过小的鼓风动能使炉缸不活跃，初始煤气分布偏向边缘；而过大的鼓风动能则易形成顺时针方向的涡流造成风口下方堆积而使风口下端烧坏。

3
鼓风动能不仅与炉子容积和炉缸直径有关，而且还与原燃料条件和高炉冶炼强度等有关。

原燃料条件差的应保持较低的正，取表中的低值，而原燃料条件好的则需要较大的丑以维持合理的燃烧带，应取表中的高值。

在合理的鼓风动能范围内，随着E的增大，燃烧带扩大，边缘气流减少，中心气流增强。

喷吹燃料以后，风口端的鼓风动能变得复杂，主要是喷吹的燃料在离开喷枪后在直吹管至风口端的距离内已部分燃烧，结果使原来的鼓风变成由部分燃料燃烧形成的煤气和余下的鼓风组成的混合气体，它的体积和温度都比原鼓风的增加较多，而到底有多少煤粉或其他喷吹燃料在这区间内燃烧是很难测得的。

所以精确计算喷吹燃料后的鼓风动能是困难的。

在生产中有的厂家根据经验，选定喷吹煤粉在直吹管内燃烧气化的分数，然后算出混合气体的数量、密度和温度。

再代入E的计算式中算出实际鼓风动能(计算过程可参阅成兰伯主编《高炉炼铁工艺及计算》)。

喷吹燃料后的鼓风动能由于上述原因高于全焦冶炼时的鼓风动能，因此喷吹燃料后，应
相应地扩大风口，以维持合适的鼓风动能。

根据我国的喷煤实践，每增加10％喷煤量，风口面积应扩大8％左右。

造渣制度
造渣制度包括造渣过程和终渣性能的控制。

造渣制度应根据冶炼条件、生铁品种确定。

炉渣性能作是选择造渣制度的依据。

为控制造渣过程，应
对使用的原料的冶金性能作全面了解，特别是它们的软化开始温度，熔化
开始温度，软熔区间温度差，熔化终了温度以及软熔过程中的压降等。

目
前推广的合理炉料结构就是要将这些
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性能合理搭配，使软熔带宽度和位置合理，料柱透气性良好，煤气流
分布合理。

终渣性能控制是使炉渣具有良好的热稳定性和化学稳定性以保证良好
的炉缸热状态和合理的渣铁温度，以及控制好生铁成分，主要是生铁中的[Si]和[S]。

造渣制度应相对稳定，只有在改换冶炼产品品种或原料成分大变动造
成有害杂质量增加或出现不合格产品，炉衬结厚需要洗炉，炉衬严重侵蚀
需要护炉，排碱以及处理炉况失常等特殊情况下才调整造渣制度。

一经调
整则应尽量维持其稳定。

热制度
热制度是指在工艺操作上控制高炉内热状态的方法的总称。

高炉热状
态是指炉子各部位具有足够相应温度的热量以满足冶炼过程中加热炉料和
各种物理化学反应需要的热量，以及过热液态产品达到要求的温度。

通常
用热量是否充沛、炉温是否稳定来衡量热状态。

人们特别重视炉缸热状态，因为决定高炉热量需求和吨铁燃料消耗的是高炉下部，所以用炉缸能说明
热状态的一些参数来作为稳定热制度的调节依据。

例如直观地从窥视孔观
察，出渣出铁时的观察，渣铁样的观察等。

但是后二种观察到的是热状态
的结果，而不是实际热状态的瞬时反映。

现代高炉采用风口前的t理，燃
烧带的炉热指数tc和保证炉缸正常工作的最低(临界)热贮量Q临来判断。

它们能及时反映炉缸热状态。

这里要强调的是炉缸热状态是由强度因素—高温和容量因素—热量两
个因素合在一起来描绘的，它们合起来就是高温热量。

单有
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图9不同铁种对鼓风动能及冶炼强度的影响
风口长短与鼓风动能的关系
所谓风口长短，是指风口伸人炉缸内部的长短。

伸人炉缸内较长的风口，易使风口前的回旋区向炉缸中心推移，等于相对缩小炉缸直径，所以
它比伸人炉缸内短的风口的风速和鼓风动能应小一些。

一般长风口适用于
低冶炼强度或炉墙侵蚀严重、边缘煤气容易发展的高炉，见图10。

风口数目与鼓风动能的关系
在高炉容积、炉缸直径相似的情况下，一般是风口数目越多，鼓风动
能越低，但风速越高。

从鼓风动能的计算公式可知当冶炼强度一定时，风
量(Q)也一定，则风口数目(n)越多，鼓风动能(E)必然
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降低见图11。

图10风口长度对鼓风动能及冶炼强度的影响
图11风口数目对鼓风动能及冶炼强度的影响
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合适的鼓风动能的波幅范围
一定条件下合适的鼓风动能不是一个定值，因鼓风动能与风量是三次
方的关系，微小的风量波动就会造成较大的鼓风动能波动。

允许的正常波
动范围，随高炉容积大小而变，一般波幅在20％左右，1000m3以上的高
炉动能波幅约为10kJ/，而且这个允许波幅的大小与原料质量等影响炉料
透气性的因素有关，原料含铁量低、含粉末率高、透气性差时，容易破坏
顺行，允许鼓风动能的波幅小，相反，炉料透气性好时，允许鼓风动能波
幅大些，有时高达2000kg·m/。

确定合适的风口直径
选择合适鼓风动能的目的就是为了确定风口直径的大小。

如前所述鼓
风动能与9个因素有关，而其中的固定因素(炉型、炉缸直径、风口数目等)对鼓风动能的影响也是固定的；在变动因素中，对鼓风动能，也是对
风口直径影响最直接的是冶炼强度、鼓风压力、风温等送风参数。

上面还
讲到合适的鼓风动能有一个允许的波幅，为了不因少量风量变动就调整风
口直径，在计算风口直径时，以选择其上限为宜，其计算公式是：3(272t)KS4.351033(760736p)nE式中S－每个风口的平均截面积，m2；t－送风温度，℃；
P－送风压力，kgf/cm2(1kgf/cm2=0.1Mpa)；n－风口数目，个；E－
鼓风动能，kgf·m/(1kgf·m=10J)；K－每昼夜燃烧的燃料量，t/d。

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风口前理论燃烧温度在高炉冶炼中的和计算的方法
高炉的热量几乎全部来自风口前燃料燃烧和鼓风带入的物理热，风口
前燃烧带热状态的主要标志就是理论燃烧温度。

它的高低不仅决定了炉缸
的热状态，而且由于它决定煤气温度，因而也对炉料传热、还原、造渣、
脱硫以及铁水温度、化学成分等产生重大影响。

在喷吹燃料的情况下，理
论燃烧温度低于界限值后，还会使燃料的置换比下降，燃料消耗升高，甚
至使炉况恶化。

所以，风口前理论燃烧温度是炉缸热状态的一个重要指标。

理论燃烧温度可通过计算公式(热力学的平衡)，也可用经验公式求得。

下面介绍几个国内外厂家的经验公式供参：
日本君津厂：
t理=1559+0.839t+4.972O2-4.972W油-6.033WH2O日本中山厂：
t理=1573+0.818t+4.866O2-4.972W油-5.775WH2O澳大利亚BHP厂：
t理=1570+0.808t+4.372O2-4.4W油-5.85WH2O-(2.37~2.75)W煤首钢
一高炉：
t理=1563+0.7938t+40.3O2-2.0W煤
以上各式中t—热风温度，℃；
O2—国外为每1000m3鼓风中的富氧量，m3；
首钢－高炉为富氧率，％；
W油—每1000m3鼓风中喷吹的重油量，kg；W煤—每1000m3鼓风中
喷吹的煤粉量，kg；
WH2O—鼓风湿度，g/m3。

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要求圆周进风均匀的意义
炉缸工作良好，不仅要求煤气流径向分布合理，也要求圆周气流分布
均匀。

长时间圆周工作不均匀会出现炉型部分侵蚀，破坏正常的工作剖面。

影响圆周工作不均匀的原因主要是风口进风不匀，如首钢3号高炉
1970～1972年之间，铁口上方风口长期堵塞，此风口上方的炉墙就结厚。

另外，不均匀喷吹燃料，也会影响圆周工作。

如首钢试验高炉有4个风口，其中两个风口喷煤粉，另两个不喷，不喷煤的风口由于风口前理论燃烧温
度高，经测定炉腹平面的焦炭分别达到1655℃、1680℃；而喷煤的风口，理论燃烧温度低一些，同一炉腹平面的焦炭温度只有1420℃、1250℃。

这种圆周工作的不均匀必然导致上部矿石预还原程度不均匀，从而破坏炉
缸工作的均匀与稳定。

现在，一般操作稳定顺行，生产指标好的高炉，各
风口前理论燃烧温度相差不大于50℃。

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利用直观现氮与仪表判断送风制度的合理性
判断送风制度是否合理除了计算风速、鼓风动能、理论燃烧温度、测
量回旋区深度外，还可通过直观现象与有关仪表的反映进行判断。

表3列
出了长期生产实践中积累分析风速和鼓风动能过大、过小的经验。

表3判断鼓风动能的直观表象
鼓风动能过大鼓风动能过小波动大而有规律，曲线死板，风压稳定并
在一定仪表风压出铁前出渣前显著升高时容易发生小范围内波动升高，出
铁后降低崩料悬料波动大，随风压升曲线死板，风压稳定，在小范围风量
高风量减少，风压升高，崩料后风内波动降低，风量增加量下降很多不均匀，有时出不均匀，出铁前料仪料尺下料均匀整齐现滑尺与过满现表慢，
出铁后料快象宽窄，波动大，料炉顶温带宽正常，温度带宽，四个方向快
时温度低，料慢度波动小有分岔时温度高风口明亮，易不各风口工作均风
口活跃，但显凉，均匀与生降，炉风口工作匀活跃，风口破严重时破损多，且况不顺时自动灌损少多坏风口内侧下端渣，风口破损多渣温足，流动性
渣温不够均匀，上渣温不均，上渣好，上下渣均匀，渣带铁多，易喷花，
热而变化大，有炉渣上渣带铁少，渣不好放上渣，渣口时带铁多坏渣口口
破损少破损多多物理热足，炼钢物理热低一些，但铁水暗红，炼钢生铁铁
常是灰口，有炼钢铁白口多而硫铁为白口，硫高，石磨析出低，石磨少几
乎没有石磨内容鼓风动能正常
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送风制度主要参数在日常操作中的调节内容
送风制度主要参数的调节是在炉况出现波动，特别是炉缸工作出现波
动时进行的。

调节的目的是尽快恢复炉况顺行、稳定，并维持炉缸工作均匀，热量充沛，初始煤气分布合理。

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备事故，所以加强炉内外精心操作和设备的科学管理，消除隐患，是
减少高压改常压操作的重要措施。

(4)鼓风湿度。

在不喷吹燃料的全焦冶炼时，加湿鼓风对高炉生产是
有利的，而且还是调节炉况的好措施，它既可消除昼夜和四季大气湿度波
动对炉况波动的影响，还可保证风温用在最高水平。

利用湿分在燃烧带分
解耗热，用加减蒸汽的办法来稳定炉缸热状态，而且分解出来的O2还可
起到调节风量(1m3风加10g湿分约相当于加风3％)的作用，H2则可以扩
大燃烧带。

但是综合鼓风发展后，加湿鼓风的作用被综合鼓风取代，在大
喷煤时不但取消加湿，还要脱湿。

(5)喷吹煤粉。

它不仅置换了焦炭，降
低了高炉焦比和生铁成本，而且成为炉况调节的重要手段，即将过去常用
的风温、湿分调节改为喷煤量的调节。

在采用喷煤量调节时应注意几点：
一、要早发现、早调节；
二、调节量不宜过大，一般为0.5～1.0t/h，最大控制在2t/h；三、
喷煤有热滞后现象，它没有风温和湿分见效快，一般滞后2~4h，所以要正确分析炉温趋势，做到早调而且调节量准确。

(6)富氧。

在
我国富氧首先是作为保证喷煤量的措施，其次是提高冶炼强度以提高产量。

目前还很少有高炉专用制氧设备来保证高炉用氧，大部分是利用炼钢的余氧，因此要常用富氧量来调节尚有困难。

一般是在喷煤量大变动时，用氧
量才作调整，而且是先减氧后减煤，先停氧后停煤。

(7)风口面积和长度。

风口面积和风口直径是在适宜的鼓风动能确定
后再通过计算确定风口面积和直径。

一般面积确定后就不宜经常变
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动。

在有计划地改变操作条件，例如换大风机，大幅度提高喷煤量等
应相应改变风口面积。

在处理事故或炉况长期失常时也动风口面积，例如
早期出现炉缸中心堆积时就可缩小风口，经常采用风口加砖套的办法来缩
小风口，或临时堵风口缩小风口面积，目的是将煤气引向中心，提高炉缸
中心区温度。

在炉况改善后，捅去砖套或堵风口的泥。

为活跃炉缸和保护风口上方的炉墙也可采用长风口操作，一般风口长度在中小高炉上是240~260mm，在大高炉上是380~450mm有时更长一些，例如
宝钢的风口长度达650~700mm。

为提高炉缸温度，现在很多厂使用斜风口，其角度控制在5左右，而中小高炉有时增大到7~9
装料制度和上部调节
料线及其高低对布料的影响
在我国料钟式高炉，以大钟最大行程的大钟下沿为零点，无料
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钟式高炉，以溜槽垂直位置下端为零点，也有用距下端0.5～0.9m作为料线零点，从零点到炉内料面的距离叫做料线。

高炉生产时要选定一个加料的料线高度，一般中小高炉的料线在1.2～1.5m，大高炉的在1.5～2.0m。

料线的高低，可以改变炉料堆尖位置与炉墙的距离(见图12)，料线在炉料与炉喉碰撞点(面)以上时，提高料线，炉料堆尖逐步离开炉墙；在碰撞点(面)以下时，提高料线会得到相反的效果。

一般选用料线在碰撞点(面)以上，并保证加完一批料后仍有0.5m以上的余量，以免影响大钟或溜槽的动作，损坏设备。

碰撞点(面)以下的料线在生产中一般不使用，因为炉料经碰撞点反弹后，形成的料面和堆尖，缺少规律性，只有在开炉装料和赶料线时才用来判断装料的深度。

图12不同料线时炉料堆尖的位置
批重及对布料的影响和合理的批重
装入炉内一批料的质量称为批重，一批料中矿石部分的质量称为矿石批重，焦炭部分的质量称为焦炭批重，知道其中之一的批重
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料面由平台和漏斗组成，通过平台形式调整中心焦炭和矿石量，漏斗内用少量的焦炭稳定中心气流。

适宜的平台由实践决定。

(2)粒度分布。

钟式布料小粒度随堆尖的位置较多地集中在边缘，大粒度滚向中心；无钟布料采用多环布料，小粒度分布在较宽的范围。

(3)矿焦比。

钟式布料时由于所谓矿焦层间产生的边界效应，即矿石把焦炭推挤向中心形成焦炭与矿石的混料区，使矿焦比发生变化；无钟布料时料流小而面宽，布料时间
长，矿石对焦炭的推挤作用小，焦炭料面被改动的程度轻，平台范围内的
矿僬比稳定，层状比较清晰，有利于稳定气流分布。

(4)利用矿角、焦角及角度差调节和控制气流分布，一般ao=ac+(2～4)，首钢的经验是ao和ac同时同值增大，边缘和中心同时加重，而ao
和ac同时同值减小，则边缘和中心都减轻；ao单独增大，加重边缘，减
轻中心；ac单独增大，加重中心作用大，控制中心气流很敏感，而ac减
小时，则中心发展；炉况失常需要发展边缘和中心，保持煤气两条通路时，可采用两个ac将焦炭一半布到边缘，另一半布到中心，而ao不动。

总之无料钟布料，在溜槽的有效角度调节区内，可以把炉料布到炉喉
截面的任何一个位置上，是一种多变、灵活、反应快的布料装置。

炉料分布中的界面效应
不同的炉料装入炉内，在两料料面接触的边界上相互作用造成混料和
料面变形的现象叫界面效应。

因为这种界面效应大都是在矿
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石装到焦炭层料面时发生的，有人称它为矿石对焦炭的推移作用，也
有人称它为焦炭层的崩塌现象(图14)。

图b中：炭
图14界面效应示意图
(a一界面效应机理；b一大小批重的影响)
一原焦炭料面；2一撞击后的焦炭料面；3一球团矿；37
4一焦1在钟式布料和使用导料板布料时，这种现象严重，而用无钟
布膨成焦炭平台时，几乎不发生这种现象，但在无钟布料中仅用单环布料
将堆尖布在靠近炉墙时，这种现象依然发生。

所以无钟炉顶应采用多环布料，建成稳定的焦炭平台。

两种粒度组成不同的炉料装入炉内，在界面上互相渗透、混合是不可
避免的，一般焦炭层中混入的矿石体积约为15%。

焦炭与矿石的粒度差别
越大，渗混层所占比例越大。

渗混层由于小颗粒渗人大颗粒，空隙度变小，透气性变差，煤气通过时的阻力损失增大(在实验室模拟试验测得的渗混
层阻力损失占每层料总阻力损失的9%~26%)，对高炉强化不利。

因此要整粒，尽量缩小炉料间粒度差别，特别要将粉末筛尽。

矿石对焦炭的推挤作用会使料层中的矿僬比发生变化，根据测定，一
般被推挤的焦炭量占每层焦炭总量的4%~16%。

在特定的条件下(焦炭粒度
与矿石粒度差别太大，矿石粉末太多时)也会出现后装入的矿石把先装入
的矿石冲击而推挤向中心。

这种现象应该尽量避免，因为它会造成中心气
流不足和炉缸死料柱温度不足，给生产带来不利影响。

矿石性质对炉料在炉内的分布的影响
矿石影响布料的因素主要是堆密度、粒度等对堆角与滚动性的影响。

天然矿石堆密度大、滚动性差、堆角大，相对地在炉内边缘堆得多；烧结
矿疏松多孔，堆密度小，同等重量的体积大，炉内分布面宽，相对地减少
了边缘堆积量；球团矿虽然密度比烧结矿大些，
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但形状整齐呈球形，堆角小易滚到中心。

按加重边缘由重到轻排列，
其顺序是：天然矿烧结矿球团矿。

另外，石灰石之类的熔剂，应尽量布放
到中心，防止边缘生成高黏度初渣，使炉墙结厚。

特别要重视矿石粒度对堆角变化的影响，一般焦炭在炉内的堆角略小于大块矿石的堆角，而接近于小块矿石的堆角，图15显示了装料顺序和粒度对布料的影响。

同样是正装，小块矿换成大块矿时，边缘的矿焦比变化不大，但中心的矿僬比却变化很大，小块矿时的矿焦比只有原来大块矿时的20％。

在生产中如果冶炼条件没有变动，而出现煤气流大的变化，就应查证是否是粒度组成变化而引起的。

图15装料顺序和粒度对布料的影响
煤气流分布、煤气能量利用与高炉顺行之间的关系
炉内煤气流的分布状况直接影响煤气能量的利用与高炉顺行。

由于上升气流具有一定的压力和流速，对下降炉料构成阻力，影响
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下料。

为了使煤气的化学能和热能得到充分利用，希望煤气流与炉料尽可能均匀地接触，但这样的接触方法对下降炉料却产生最大的阻力，不利于高炉顺行。

从高炉顺行的角度来说，希望煤气流有明显的两股通道，即有较为发展的边缘气流和中心气流，边缘气流可减少炉料与炉墙之间的摩擦力，中心气流消除中心死区，可减少料块之间的摩擦阻力，但煤气流的这种分布对煤气能量利用很不利。

可见，高炉顺行与煤气能量利用之间有一定的矛盾，合理的煤气分布就是采用适当的送风制度和装料方法控制好炉内两股煤气流的发展程度，在保证顺行的基础上，达到煤气能量利用最好和燃料消耗最低的目的。

炉顶二氧化碳(CO2)曲线和用它来判断炉内煤气流的分布
答：炉顶CO2曲线，就是定期(一般是每班1~2次)从炉喉下面的周边4个互成90的方向(或两个互成180的方向)上取出径向各点(一般取5个。