高炉高压操作
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5.3 高压操作
提高炉顶煤气压力的操作称为高压操作，是相对于常压操作而言的。一般常压 高炉炉顶压力(表压)低于30kPa，凡炉顶压力超过此值者，均为高压操作。它是 通过安装在高炉煤气除尘系统管道上的高压调节阀组，改变煤气通道截面积，使 其比常压时为小，从而提高炉顶煤气压力的。由于炉顶压力提高，高炉内部各部 分的压力都相应提高。整个炉内的平均压力也提高，使高炉内发生一系列有利于 冶炼的变化，促进了高炉强化和顺行。 自20世纪50年代开始，高压操作成为强化高炉冶炼的有力手段。特别是对 2000m³ 以上大型高炉，高压操作更为明显。可以说，高炉容积愈大，为保证强 化顺行所需的炉顶压力应愈高；高炉强化程度愈高。愈需要实行高压操作。因此 国外一些巨型高炉，如日本大分厂2号高炉(内容积5070m³ )，炉顶压力高达 275kPa，1980年7月平均获得利用系数2.04t／(m³ ∙d)，燃料比426kg/t 铁(焦比383．4kg/t)的优良结果。日本扇岛1号高炉(4052m³ )，炉顶压力高 于196kPa，炉顶煤气CO2含量达到20％一30％，获得了煤气能量利用的高水 平。其他4000m³ 级高炉，炉顶压力一舶都在200一300kPa。新设计的巨型高 炉，一般都按250kPa以上的高压操作考虑。
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5.3.2
5.3.2.3
高压操作的影响
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p高较常压 操作时的p常大，因而常压操作时煤气流通过料柱的阻力损失∆ p常大于高压操作时 的∆ p高。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。
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5.3.2
高压操作的影响
高压操作使炉尘吹出量显著减少，单位矿石消耗降低．实际焦炭负荷得到保证 ，批料出铁量增加，铁的回收率提高，焦比应有所降低。实践证明，实行高压操 作，不断提高炉顶压力水平，是强化高炉冶炼，增产节能的一条重要途径。根据 国内外经验，1000m³ 级高炉，炉顶压力应达到120kPa左右；2000m³ 级高 炉，应达到150kPa以上；3000m³ 级高炉，应达到200kPa左右；
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5.3.2
5.3.2.4
高压操作的影响
对焦比影响
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％一1.5％。 提高炉顶压力的这种增产作用只有伴随着风量的增加或冶炼强度的提高才能明 显表现出来。因为在焦比不变，焦炭负荷一定的情况下，高炉生产率与风量， 亦即单位时间内燃烧的焦炭量成正比。因此，在一定冶炼条件下，冶炼强度应 与炉顶压力成正比，即提高炉顶压力可相应地提高冶炼强度，从而提高高炉生 产率。 高压操作的这种降焦节能作用已为越来越多的高炉实践所证实。根据实践分析 ，高压降低燃耗的原因归结为改善了顺行和煤气利用，发展了高炉内的间接还 原，抑制了直接还原。 首先，高压操作降低了煤气流速，延长了煤气在炉内与矿石的接触时间．同时 减小或消除了管道行程，改善了煤气分布，从而改善了铁矿石的还原条件．使 块料带内的间接还原得到充分发展，煤气能量得到充分利用。
4000m³ 级以上巨型高炉，应达到250一300kPa。
高压操作不可避免地要增加鼓风机电耗、但可采取炉顶煤气余压发电予以回收 。 一般回收的发电量相当于高炉风机电耗的30％。
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5.3.2
高压操作的影响
其次，直接还原反应取决于反应CO2十C＝2CO的发展。提高炉顶压力．炉内 平均压力相应提高，促使该反应的平衡向气体体积减小的方向(逆向)移动．从而 抑制了直接还原的发展，或者说使直接还原推向更高的温度区域进行。这同压低 软熔带，扩大块料带，提高CO利用率的要求相一致。高压操作对碳的气化反应 的抑制作用，在某种意义上也相当于降低焦炭的反应性。这对减少碳素溶解损失 ，提高焦炭高温强度，改善软熔带和滴落带的透气(液)性，增加风口燃烧有效碳 量都是有利的。 同样，高压可抑制硅还原(SiO2+2C=Si+2CO)，有利于降低生铁含硅量． 促进焦比降低。研究指出，在提高CO压力时，生铁中[Si]显著降低，这是因为 硅在生铁中的平衡浓度与CO分压的平方成反比。另外，由反应 SiO2+CO=SiO+CO2的平衡常数K＝， 可得pSiO=X· AI)／9m。 因此提高炉顶压力，则气相中pCO／pCO2降低，抑制了SiO的挥发．从而减少了 硅的还原．导致了燃料的节省。 高压操作改善了煤气分布，促进炉况稳定顺行和炉温稳定，因而可减少不必要 的热量储备，适当降低炉缸和炉腹温度，使燃料消耗降低，也为降低生铁含硅量 创造了条件。高压的顺行作用可保障喷吹燃料和高风温发挥更大效用，促进燃耗 进一步降低。
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Table of Contents
5.3.1
高压操作系统
5.3.2
高压操作的影响
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5.3.1
5.3.1
高压操作系统
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织控制阀门的开 闭度来实现的。前苏联最早试验时，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。后来在改进阀组结构并将其安装在 洗涤塔之后，才取得成功(图5—4)。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20世纪70年代实现了“ 布料与封顶分离”的原则，即采用双钟四阀、无钟炉顶等装备以后，炉顶煤气压 力才大幅度提高到150kPa，甚至达到200一300kPa。
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。
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5.3.2
高压操作的影响
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％一15％ ，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％一1.8％)／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％一3.0％。我国宝钢的生产经验是顶压每提高10kPa，风量可 增加200—250m³ ／min。
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。 研究和实际操作都肯定高压对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。
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5.3.2
高压操作的影响
研究者们用不同的方式对高压操作后∆ p高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
200一300kPa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，炉子部的阻损下降得多， 下部的下降得少(图5—6)。造成这种
。图5-5为采用余压发电后的高压操作系统。
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5.3.1
高压操作系统
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5.3.2
5.3.2.1
高压操作的影响
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O2和CO2
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，这对增加产量起着积极的作用。
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5.3.2
5.3.2.2
高压操作的影响
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CO2十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CO2的存在。这就有利于间接还原的进行。同时，高炉内直接还原
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5.3.1
高压操作系统
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)。为有效地利用这部分压力能，人 们从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％一30％，节省了高炉炼铁的能耗
提高炉顶煤气压力的操作称为高压操作，是相对于常压操作而言的。一般常压 高炉炉顶压力(表压)低于30kPa，凡炉顶压力超过此值者，均为高压操作。它是 通过安装在高炉煤气除尘系统管道上的高压调节阀组，改变煤气通道截面积，使 其比常压时为小，从而提高炉顶煤气压力的。由于炉顶压力提高，高炉内部各部 分的压力都相应提高。整个炉内的平均压力也提高，使高炉内发生一系列有利于 冶炼的变化，促进了高炉强化和顺行。 自20世纪50年代开始，高压操作成为强化高炉冶炼的有力手段。特别是对 2000m³ 以上大型高炉，高压操作更为明显。可以说，高炉容积愈大，为保证强 化顺行所需的炉顶压力应愈高；高炉强化程度愈高。愈需要实行高压操作。因此 国外一些巨型高炉，如日本大分厂2号高炉(内容积5070m³ )，炉顶压力高达 275kPa，1980年7月平均获得利用系数2.04t／(m³ ∙d)，燃料比426kg/t 铁(焦比383．4kg/t)的优良结果。日本扇岛1号高炉(4052m³ )，炉顶压力高 于196kPa，炉顶煤气CO2含量达到20％一30％，获得了煤气能量利用的高水 平。其他4000m³ 级高炉，炉顶压力一舶都在200一300kPa。新设计的巨型高 炉，一般都按250kPa以上的高压操作考虑。
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5.3.2.3
高压操作的影响
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p高较常压 操作时的p常大，因而常压操作时煤气流通过料柱的阻力损失∆ p常大于高压操作时 的∆ p高。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。
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高压操作使炉尘吹出量显著减少，单位矿石消耗降低．实际焦炭负荷得到保证 ，批料出铁量增加，铁的回收率提高，焦比应有所降低。实践证明，实行高压操 作，不断提高炉顶压力水平，是强化高炉冶炼，增产节能的一条重要途径。根据 国内外经验，1000m³ 级高炉，炉顶压力应达到120kPa左右；2000m³ 级高 炉，应达到150kPa以上；3000m³ 级高炉，应达到200kPa左右；
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高压操作的影响
对焦比影响
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％一1.5％。 提高炉顶压力的这种增产作用只有伴随着风量的增加或冶炼强度的提高才能明 显表现出来。因为在焦比不变，焦炭负荷一定的情况下，高炉生产率与风量， 亦即单位时间内燃烧的焦炭量成正比。因此，在一定冶炼条件下，冶炼强度应 与炉顶压力成正比，即提高炉顶压力可相应地提高冶炼强度，从而提高高炉生 产率。 高压操作的这种降焦节能作用已为越来越多的高炉实践所证实。根据实践分析 ，高压降低燃耗的原因归结为改善了顺行和煤气利用，发展了高炉内的间接还 原，抑制了直接还原。 首先，高压操作降低了煤气流速，延长了煤气在炉内与矿石的接触时间．同时 减小或消除了管道行程，改善了煤气分布，从而改善了铁矿石的还原条件．使 块料带内的间接还原得到充分发展，煤气能量得到充分利用。
4000m³ 级以上巨型高炉，应达到250一300kPa。
高压操作不可避免地要增加鼓风机电耗、但可采取炉顶煤气余压发电予以回收 。 一般回收的发电量相当于高炉风机电耗的30％。
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高压操作的影响
其次，直接还原反应取决于反应CO2十C＝2CO的发展。提高炉顶压力．炉内 平均压力相应提高，促使该反应的平衡向气体体积减小的方向(逆向)移动．从而 抑制了直接还原的发展，或者说使直接还原推向更高的温度区域进行。这同压低 软熔带，扩大块料带，提高CO利用率的要求相一致。高压操作对碳的气化反应 的抑制作用，在某种意义上也相当于降低焦炭的反应性。这对减少碳素溶解损失 ，提高焦炭高温强度，改善软熔带和滴落带的透气(液)性，增加风口燃烧有效碳 量都是有利的。 同样，高压可抑制硅还原(SiO2+2C=Si+2CO)，有利于降低生铁含硅量． 促进焦比降低。研究指出，在提高CO压力时，生铁中[Si]显著降低，这是因为 硅在生铁中的平衡浓度与CO分压的平方成反比。另外，由反应 SiO2+CO=SiO+CO2的平衡常数K＝， 可得pSiO=X· AI)／9m。 因此提高炉顶压力，则气相中pCO／pCO2降低，抑制了SiO的挥发．从而减少了 硅的还原．导致了燃料的节省。 高压操作改善了煤气分布，促进炉况稳定顺行和炉温稳定，因而可减少不必要 的热量储备，适当降低炉缸和炉腹温度，使燃料消耗降低，也为降低生铁含硅量 创造了条件。高压的顺行作用可保障喷吹燃料和高风温发挥更大效用，促进燃耗 进一步降低。
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高压操作的影响
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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织控制阀门的开 闭度来实现的。前苏联最早试验时，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。后来在改进阀组结构并将其安装在 洗涤塔之后，才取得成功(图5—4)。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20世纪70年代实现了“ 布料与封顶分离”的原则，即采用双钟四阀、无钟炉顶等装备以后，炉顶煤气压 力才大幅度提高到150kPa，甚至达到200一300kPa。
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。
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高压操作的影响
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％一15％ ，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％一1.8％)／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％一3.0％。我国宝钢的生产经验是顶压每提高10kPa，风量可 增加200—250m³ ／min。
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。 研究和实际操作都肯定高压对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。
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高压操作的影响
研究者们用不同的方式对高压操作后∆ p高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
200一300kPa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，炉子部的阻损下降得多， 下部的下降得少(图5—6)。造成这种
。图5-5为采用余压发电后的高压操作系统。
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高压操作系统
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5.3.2
5.3.2.1
高压操作的影响
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O2和CO2
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，这对增加产量起着积极的作用。
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5.3.2.2
高压操作的影响
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CO2十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CO2的存在。这就有利于间接还原的进行。同时，高炉内直接还原
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高压操作系统
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)。为有效地利用这部分压力能，人 们从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％一30％，节省了高炉炼铁的能耗