高炉高压操作详解

高炉高压操作
20世纪50年代以前，高炉都是在炉顶煤气剩余压力低于30kPa 的情况下生产的，通常称为常压操作。

1944-1946年美国在克利夫兰厂的高路上将炉顶煤气压力提高到70kPa，试验获得成功（产量提高12.3%，焦比降低2.7%，炉煤量大幅度降低），从这时起将炉顶煤气压力超过30kPa的高炉操作称为高压操作。

在此后十年中，美国采用高压操作的高炉座数增加很多。

苏联于1940年开始在彼得罗夫斯基工厂进行提高炉顶煤气压力操作的试验，它比美国的试验稍早一点，但初次试验并未成功，后来改进了提高炉顶煤气压力的设施后才取得进展，但其发展速度却很快，到1977年高压操作高炉冶炼的生铁占全部产量的97.3%。

我国从50年代后期开始，也先后将1000m³级高炉改为高压操作，同样取得较好的效果，但是炉顶压力均维持在50-80kPa，而宝钢1号高炉（4063m³）的炉顶压力已达到250 kPa，进入世界先进行列。

一、高压操作系统
高炉炉顶煤气剩余压力的提高是由煤气系统中的高压调节阀组
控制阀门的开闭度来实现的。

前苏联早期试验时，曾将这一阀组设置在煤气导出管上，它很快被煤气所带炉尘所磨坏，因而试验未获成功。

后来改进阀组结构并将其安装在洗涤塔之后，才能取得成功（见图1）。

我国1000m³级高炉的调压阀组是由三个φ700mm电动蝶式调节阀，一个设有自动控制的φ400mm蝶阀和一个φ200mm常通管道所组成。

高压时，φ700mm阀常闭，炉顶煤气压力由φ400mm阀自动控
制在规定的剩余压力，这样自风机到调压阀组的整个管路和高炉炉内均处于高压之下，只有将所有阀门都打开，系统才转为常压，长期以来，由于炉顶装料设备系统中广泛使用着双钟马基式布料器，它既起着封闭炉顶，又起着旋转布料的作用，布料器旋转部位的密封一直阻碍着炉顶压力的进一步提高。

只有到70年代实现了“布料与封顶分离”的原则，即采用双钟四阀，无钟炉顶等以后，炉顶煤气压力才大幅度提高到150kPa，甚至到200-300 kPa。

图1 高压操作工艺流程图
图2 余热发电工艺流程图
应当指出，消耗在调压阀组的剩余压力是由风机提供的，而风机为此提高了风压是消耗了大量的能量的（由电动机或蒸汽透平提供）。

为有效利用这部分压力能，从20世纪60年代开始，试验高炉炉顶煤气余压发电，先后在前苏联和法国取得成功。

采用这种技术后，可回收风机用电的25%-30%，节省了高炉炼铁的能耗。

图2为采用余压发电的高压操作系统。

二、高炉高压操作对高炉冶炼的影响
如前所述，高压操作给高炉冶炼带来提高产量、降低焦比和大幅度降低炉尘吹出量的良好效果，这是高压操作对高炉冶炼影响的综合表现。

1、对燃烧带的影响
由于炉内压力提高．在同样鼓风量的情况下．鼓风体积变小．从而引起鼓风动能的下降。

根据计算．由常压(15KPa)提高到80kPa 的高压后。

鼓风动能降到原来的76％。

同时，由于炉缸煤气压力的升高，煤气中2O 和2CO 的分压升高，促使燃烧速度加快。

鼓风动能降低
和燃烧速度加快导致高压操作后的燃烧带缩小。

为维持合理的燃烧带以利于煤气量分布，就可以增加鼓风量，这对增加产量起了积极的作用。

2、对还原的影响
从热力学上来说，压力对还原的影响是通过压力对反应
2CO 十C ＝2CO
的影响体现的，由于这个反应前后有体积的变化，压力的增加有
利于反应向左进行，即有利于2CO 的存在。

这就有利于间接还原的进
行。

同时，高炉内直接还原发展程度取决于上述反应进行的程度，高压不利于此反应向右进行．从某种意义上讲，是抑制了直接还原的发展，或者说将直接还原推向更高的温度区域进行，同样有利于CO 还原铁氧化物而改善煤气化学能的利用。

从动力学上来说，压力提高加快了气体的扩散和化学反应速度，有利于还原反应的进行。

但是有的研究者认为压力的提高也加快了直接还原的速度，因此压力对铁的直接还原度不会产生明显的影响，单从压力对还原的影响分析，高压操作对焦比没有影响。

所有研究者和实际操作者都肯定高压对Si 的还原是不利的，这表明高压对低硅生铁的冶炼是有利的。

这里顺带指出，由于煤气总压力和其中2CO 分压随炉顶压力的升
高而升高，石灰石在高炉内的分解将向高温区转移，一般其开始分解温度和沸腾分解温度要升高30-50℃，这有可能增加2
CO （分解出来的2CO 与C 发生分解的程度），这对焦比消耗会有影响。

好在目前已广泛
采用自熔性或高碱度烧结矿，取消石灰石入炉。

因此，这种影响已经消除了。

3、对料柱阻损的影响
这是高压操作对高炉冶炼影响的最重要的一个方面。

从著名的卡门公式
不难看出，料层的阻力损失与气流的压力成反比。

在其他条件不变的情况下，可写成：
由于料层的阻力损失与气流的压力成反比，高压操作以后，炉内的总压力高p 较常压操作时的常p 大，即高p /常p ＞1，因而常压操作时煤气流通过料柱的阻力损失常p ∆大于高压操作时的高p ∆。

这就使得在常压高
炉上因∆p 过高而引起的诸如管道行程，崩料等炉况失常现象在高压操作的高炉上大为减少，而且还可弥补一些强化高炉冶炼技术使∆p 升高的缺陷。

研究者们用不同的方式对高压操作后高p ∆下降进行了测定和计
算，所得结果不尽相同，但其平均值约为顶压每提高100kPa ，料柱阻损下降3kPa 。

在常压提高到100kPa 时，∆p 下降值略大于3kPa ；而顶压由100kPa 进一步提高到200-300kPa 时，此值降到
2kPa/100kPa 。

应当指出，高压操作以后，炉内料柱阻损的下降并不是上下部均相同的，研究表明，炉子上部的阻损下降得多，下部的下降得少(图
3)。

造成这种现象的原因是料柱上下部透气不同，高炉下部由于被还原矿石的软熔，空隙度急剧下降，压力对∆ p 的作用为空隙度的下降所减弱。

图3 高压高炉高度上的煤气压力变化
众所周知，煤气通过料柱的阻力损失，相当于自下而上的浮力，它与炉料与炉墙之间的摩擦力、炉料与炉料之间的摩擦力等一起，阻碍着靠重力下降的炉料运动。

高压操作后∆p的下降无疑减少了炉料下降的阻力，可使炉况顺行。

如果∆p维持在原来低压时的水平，则可增加风量，即提高高炉的冶炼强度。

早期的生产实践表明，在由常压改为80kPa的高压后．鼓风量可增加10％-15％，相当于提高2％／9.8kPa左右；现在的实践表明，再从100kPa往上提高时，这个数值下降到(1.7％-1.8％)／9.8kPa。

这比理论计算的3％左右要低很多。

造成这种差别的原因在于：（1）高炉内限制冶炼强度提高的是炉子下部，如前所述，下部∆p减少的数值较小；（2）高压以后，焦比有所降低．炉尘量大幅度降低，在入炉炉料准备水平相同的情况下，上部块状带内料柱透气性也变差；（3）高压以后，燃烧带和炉顶布料发生变化，上下部调剂跟不上也阻碍着高压操作作用的发挥。

为此，要充分发挥高压对增产的作用，需要改善炉料的性能，特
别是焦炭的高温强度，矿石的高温冶金性能和品位(降低渣量)，以及掌握燃烧带和布料变化规律，应用上下部调剂手段加以控制。

随着这些工作进展的情况不同，各厂家每提高10kPa 的增产幅度波动在1.1％-3.0％。

我国宝钢的生产经验是顶压每提高10kPa ，风量可增加200-250m ³／min 。

4、对炉顶布料的影响
高压操作降低了离开料柱和炉顶的煤气的动压头：
p
t g p t g ∙∙∙∙∙=∙=00022动22h γωγω 这首先影响到炉尘吹出量，在冶炼强度相同和炉料粒度结构相同的情况下，被吹出炉尘的粒径变小，数量减少。

按照斯托克斯定律进行计算，从常压提高到250kPa ，炉顶煤气能带走的最大颗粒的直径缩小了一半，颗粒的质量减少到原来的12.5%。

要用计算方法确定炉尘吹出量是不可能的，因为炉喉煤气流速和温度分布不均匀，不同时间内的吹出量也不同（装料时吹出量最大）。

根据统计由常压改为高压操作后，炉尘吹出量降低20~50％，有的甚至高达75%。

在目前炉顶煤气压力达到150-250%kPa 的现代高炉上，炉尘吹出量经常在10Kg/t 以下。

高压操作后动压头的减小，对炉料从装料设备（大钟或布料流槽）落到料面的运动有着一定的影响。

根据测定和计算，这种影响表现为边缘料层加厚，料面漏斗加深，而影响的程度则取决于炉料准备情况（＜5mm 粒度的含量和大小粒度的组成）和炉顶煤气压力提高的幅度。

这种炉料在炉喉径向上分布的变化有可能恶化边缘区域的炉料透
气性，从而使炉内压降增大，削弱了顶压提高的作用。

5、对焦比的影响
由于高压操作促进炉况顺行，煤气分布合理，利用程度改善，有利于冶炼低硅生铁等，而且使焦比有所下降。

国内外的生产经验是，顶压每提高10kPa，焦比下降0.2％-1.5％。