高炉各项标准指标

生产中常用差值置换比来评价，R差=（k1-k2）/（M2-M1），R理与R差对比可以分析煤粉在炉内利用率的水平。

应指出，置换比服从高炉内的普遍规律—递减规律。

即随着喷煤量的增加，置换比会有所降低。

例如，某高炉喷煤150kg/t左右时，置换比在0.95左右，而煤比上升到180kg/t，置换比降到0.9左右。

而超过200kg/t时，超过部分的置换比降到0.6以下。

这时，置换比就成为限制喷煤量的决定性因素，一些高炉出现了超过一定喷煤量以后，煤比提高了，而燃料比不但不降，反而升高的现象。

炼铁工作者曾设定的目标是：燃料比＜500kg/t，其中焦比＜250kg/t，煤比＞250kg/t。

通过半个世纪的实践，国内外曾有两座高炉实现最高煤比为月平均266-263kg/t，但仅维持一个月。

至今稳定喷吹煤粉量一般维持在130-160kg/t，高的达到200kg/t左右，但是还没有一座高炉能长期喷吹煤粉220kg/t以上。

而且在燃料比低于500kg/t时，喷吹煤粉一般在200kg/t以下。

保证炉缸具有充沛的高温热量是喷吹煤粉的必要条件，良好的炉缸热状态的标志为：风口前理论燃烧温度t理=（2200±50）℃；焦炭进入燃烧带时的温度tc达到0.75t理，足够的热贮备约630kg/kJ，而其中最重要的是t理。

例如，喷吹混合煤200kg/t，则t理降低250-280℃，如果喷煤前t理维持在2200℃，则喷煤后t理降到2000℃以下，在我国的高炉生产实践中，这个温度是不允许的。

为此，必须采取措施来补偿，常用手段是提高风温，既带来热量又提高t理。

实践表明，风温提高100℃可提高t理（50±10）℃。

现在中国高炉生产中风温已达到1100℃左右，而在现代热风炉上承受的最高风温为1250-1300℃，显然单靠提高100-200℃风温已无法完全补偿t 理的下降，需要采用富氧鼓风。

富氧并不能增加热量的来源，但可以提高t理，每1%富氧可提高t理45℃左右。

tc受两个因素影响：加热焦炭的煤气温度和高炉内的热交换。

喷煤后，通过提高风温和富氧保证必要的t理后，需要通过上下部调剂，将煤气流分布更趋合理，保证料柱内有很好的热交换，使tc达到0.75t理。

2 煤粉燃烧率
风口前煤粉燃烧与焦炭燃烧同属气-固相反应，有相同的机理，但它们在风口前的燃烧率都由不同因素决定，而且燃烧率的高低对高炉冶炼过程有着不同的影响。

焦炭在风口前的燃烧率是由炉内下部高温区直接还原的程度决定的，而煤粉的燃烧率则由其燃烧特点决定。

即80℃的煤粉在风口前有限空间（煤枪口到燃烧带边缘长度在1500-2000mm形成的空间），有限的时间（0.01-0.04s）及高速加热（103-106k/s）的情况下完成加热脱气，挥发分燃烧和残炭燃烧三个阶段。

研究表明，磨细的煤粉依次完成三个阶段需3.8-4.3s，实际生产中不同煤粉在气流中三个阶段是部分叠加的。

即使这样，煤粉在上述条件下也不可能完全气化，而必然有部分煤粉成为燃煤粉随煤气流上升。

不仅如此，煤粉在加热脱气时，析出的挥发份中大量碳氢化合物在高温缺氧的情况下，还发生裂解产生炭黑，形成的速度极快为10-4S，形成的炭黑也随煤气上升而成为C未的部分，所以进入料柱的未燃煤粉由两部分组成，即未完全气化的煤粉颗粒+挥发份中碳氢化合物裂解的炭黑。

随煤气上升的C未氧化速度比它们生成的速度慢几个数量级，因为它们的各向异性结构使其有很高的抗氧化能力。

研究表明，C未的反应形式如下：
C未+（FeO）→[Fe]+CO
C未+（MnO）→[Mn]+CO
C未+（SiO）→[Si]+CO
2C未+（SiO2）→[Si]+2CO
5C未（P2O5）→2[P]+5CO
C未+CO2→2CO
C未+[S]+（CaO）→（CaS）+CO
C未+3[Fe]→[Fe3C]
其中以碳素溶损反应为主要形式，另外有部分C未吸附在焦炭表面，随着焦炭进入燃烧带燃烧。

生产中遇到的问题是大喷煤时，燃烧率过低，C未过多给高炉生产带来不良后果。

首先是沉积于炉渣中，增加炉渣黏度而影响炉渣流动性，使滴落带中炉渣滞留率增大，影响焦塔（死料柱）的透气性和透液性；其次是沉积于料柱的炉料中，降低了料柱的孔隙度，影响煤气流分布，最明显的特点是中心打不开，边缘气流发展，这两方面严重影响高炉顺行，并随煤气流逸出高炉进入除尘器，降低噪粉利用率和置换比。

调查表明，中国的一些高炉，尤其中小型高炉，并没有重视这种现象，布袋灰中含碳高达45%，甚至50%以上。

高炉喷吹煤粉要达到多高的燃烧串，就不会出现这种现象。

根据研究结果，将煤粉磨到100μm，在800℃的风温下以150m/s的速度喷入模拟风口前燃烧带的燃烧炉内，用高速摄像机记录燃烧过程，测得煤粉在循环区内总停留时间为0.01-0.04s，而燃烧率达到65%-80%。

如果生产实际中将煤粉磨到88μm，风温提高到
1000-1100℃，以150-200m/s的速度喷入燃烧带，燃烧率将达到80%以上。

宝钢对喷吹煤粉行为进行了研究，得出喷吹混合煤时的燃烧率为70%左右，在宝钢的生产条件下，高炉能消化30%的C未而仍然保持稳定顺行。

因此，在现有条件下喷吹煤粉的燃烧率应维持在80%左。

右为好。

影响煤粉燃烧率的因素很多，如煤粉的燃烧性能、煤粉的粒度组成、环境的供氧和温度等。

要多喷吹煤粉，应在生产中创造提高燃烧率的条件。

例如，选用燃烧性能好的煤种，将煤粉尽量磨得细一点（200目），无烟煤占80%，烟煤占70%（混合煤65%以上），富氧鼓风3%-3.5%，风温在1200℃以上等。

3 炉况顺行状况
高炉冶炼首先要维持炉况顺行，只有顺行才能稳定、高产，使煤气流合理分布，提高煤气利用率，降低燃料比。

高炉顺行的前提条件是r料＞ΔP/H。

可见，决定顺行的是单位高度的压差ΔP/H。

在任何部位单位高度上的压差与煤气流速的平方成正比，而与炉料的孔隙度成反比。

喷吹煤粉以后，单位生铁产生的炉腹煤气量增加，必然造成ω增大而使ΔP/H增加。

而从料柱内炉料的孔隙度来说，喷煤使料柱内的焦炭数量减少，即ε减小。

更重要的是，C未影响孔隙度，使块状带的ε和软熔带、滴落带中的εc降低，使ΔP/H大幅度升高，影响煤气流通过。

过大的C未造成炉况顺行变差，严重时出现管道、塌料或悬料。

为使喷煤下高炉顺行，必须要控制炉腹煤气量和炉料的性能，建议用炉内透气阻力系数k的表达式来计算炉子顺行下的最大炉腹煤气量。

k值对高炉顺行、高产和高炉操作的稳定十分重要，其值随冶炼条件的变化而波动。

据统计，正常的1/值在2.6左右，波动范围在2.2-2.9。

在这范围内，当k值超过正常范围说明料柱透气性变差，允许的炉腹煤气量小，高炉炉腹煤气量过大，将导致高炉难行甚至悬料，但k值也不宜过小，有可能产生管道行程。

例如，某高炉正常生产时k=2.6，在逆风压力P热风=0.396MPa、炉顶压力P顶压=0.22MPa，计算所得炉腹煤气量为9200m3/min。

这时在富氧3.0%-3.5%的情况下，正常风量在7400m3/min，高炉冶强1.10t/（m3·d）左右，利用系数2.3-2.4t/（m3·d）。

若因为某种原因导致k值上升到3.0，则允许的炉腹煤气量就要降到8400m3/min，相应冶炼强度就要降到1.05t/（m3·d）以下，利用系数也降到2.1-2.0t/（m3·d）。

这说明，高炉顺行受到料柱的透气性或料柱最大阻力损失的限制，既决定了鼓风量和最大炉腹煤气量，也限制了喷煤量。

5.1 焦炭性能
在影响喷煤量的作用上，焦炭性能远超过烧结矿，成为决定喷煤量的因素之一。

焦炭在高炉内还发生劣化，原因包括热应力、熔损反应和机械磨损热应力。

焦炭进入高炉后被上升煤气加热，由于焦炭的导热性差，焦块表面与中心就产生温度差。

这种温差在小块焦（40mm）中可达150℃，而在大块焦（80mm）则达到250℃以上，温差造成焦块内产生热应力。

当应力大于焦炭的强度时，焦炭就沿着原有的500μm缝隙破裂，而产生大量焦粉。

熔损反应是高炉内焦炭劣化的主要因素，特别是有K2O和Na2O存在时，它们成为C+CO2=2CO反应的催化剂，导致焦炭的劣化，而Zn、ZnO 以及初生态的Fe等也都是催化剂。

当热应力、熔损反应使焦炭成蜂窝状失去一定强度后，燃烧带循环区内快速运动的焦炭与相对静止的死料柱密实区的焦炭之间的机械磨损，使燃烧带与死料柱之间形成一个碎焦层，严重影响煤气向中心分布。

5.2 含Fe料性能
含Fe料性能主要表现为两个方面：粒度均匀性和渣量粒度均匀性，因此要消除＞50mm和＜5mm的烧结矿入炉。

同时要降低烧结矿的低温还原粉化率，避免烧结矿入炉后产生＜5mm的粉末，建议以10-12mm为界限，分两级入炉，以保证块状带的空隙度。

渣量影响软熔带和滴落带内料柱的透气性，在软熔带内矿石品位低，软熔层厚将增加煤气通过软熔带的阻力。

因为软熔层透气性的比例为软：矿：焦=1：4：52。

而滴落带中渣量增加，就增加其在滴落带中的滞留率hc。

而焦炭的实际空隙度εc-ht因而降低。

焦炭柱（死料柱）的透气性和透液性使ΔP/H上升，影响顺行和喷煤量，进而影响燃料比。

宝钢生产数据表明，渣量增加10kg/t，燃料比上升，渣量增加50-60kg/t，焦比上升lOkg/t。

6 煤粉工艺性能
煤粉的工艺性能掌握不好，有时会成为大喷煤量的限制性环节。

一般地说，对煤粉工艺性能的要求已达成共识，即灰分和硫低于焦炭；用于炼焦的煤不用于喷煤；尽量选用反应性好的煤，提高煤粉在风口前燃烧带内的燃烧率；煤粉的灰熔点应高于1500℃，防止煤枪口和风口挂渣；煤的可磨性好（哈氏可磨性系数＞50）可节省磨煤电耗和延长中速磨碾辊寿命；磨细煤粉具有良好的输送性能，以避免输煤管道堵塞和空喷。

但是目前对几个工艺性能还原存在分歧，例如煤粉磨到多细，干燥后含水量的控制等。

许多研究者对粒度对喷煤影响做了很多研究，证实粒度与煤粉的燃烧率关系密切，图4为煤粉粒度与燃烧率的关系。

由图4可见，适当降低喷吹煤粉粒度能提高煤粉的燃烧率，而燃烧率是制约喷煤量的决定性因素。

长期以来人们一直认为，煤粉粒度要控制200目占80%（无烟煤）或70%（烟煤），以保证煤粉在风口前的燃烧率达到80%或更高。

自喷吹粒煤提出以后，许多厂家为降低制粉能耗，将煤粉粒度放宽。

研究认为，喷吹粒煤需要满足以下条件：
1）煤种应是含结晶水接近褐煤的烟煤，煤粉水分维持在1.5%-2.0%；
2）保持风温1200-1250℃，高富氧7%-8%；
3）入炉品位较高，保证渣量不高于270kg/t；
4）具有高质量的焦炭；
5）维持较低的冶炼强度，在燃料比500kg/t的情况下，利用系数1.9-2.0t/（m3·d）。

由于喷吹粒煤有上述要求，生产中很难完全达到，因此至今未能普及。

根据目前煤粉的资源限制，不提倡大幅放宽煤粉粒度，还是保持200目占80%左右为宜的粒度。

7 结论
目前，我国高炉炼铁的大致条件如下：
◆渣量300-350kg/t；
◆风温（1150±20）℃；
◆富氧1%-3%；
◆烧结矿的品质波动大，ΔFe±1.0%，ΔR±0.2，FeO10%以上，ΔFeO±2%；粒度＞50mm 超过lO%，＜10mm的占30%-50%；
◆球团矿酸性氧化球团的软熔性能较差；
◆煤种不稳定：灰分有的高达12%以上，S达0.8%以上；
◆焦炭质量不稳定：灰分12.5%以上，S达0.8%以上，挥发分2%以上，M40 78%±2%，M10 S%±1%，CRI 25%以上，CSR 60%以下；
◆风口间喷煤不均匀，超过5%有的甚至超过10%；
◆喷煤量宜控制在130-150kg/t。

喷吹180-200kg/t煤粉的前提条件如下：
◆风量1250-1300℃；
◆富氧3.5%以上；
◆均匀喷煤，各风口间的不均匀性应在3%，不超过5%；
◆选用混合煤，灰分和含S均低于焦炭，挥发分在18%-20%；
◆渣量280kg/t以下，煤比超过200kg/t，渣量在260kg/t以下；
◆焦炭质量：灰分12%以下，S 0.7%以下，M40 90%，M10 6%，CRI 24%以下，CSR 68%以上，平均粒度50-55mm；
◆含矿料是以针状铁酸钙为高碱度（1.8-2.0）的半粘结相与含MgO酸性球团组成的合理炉料结构。

如有1-2个条件达不到，就不适合提高喷煤量，否则将导致燃料比上升，无法达到低碳炼铁的目标。