高爐高壓操作.doc

高爐高壓操作20世紀(jì)50年代以前，高爐都是在爐頂煤氣剩余壓力低于30kPa的情況下生產(chǎn)的，通常稱為常壓操作。1944-1946年美國(guó)在克利夫蘭廠的高路上將爐頂煤氣壓力提高到70kPa，試驗(yàn)獲得成功（產(chǎn)量提高12.3%，焦比降低2.7%，爐煤量大幅度降低），從這時(shí)起將爐頂煤氣壓力超過(guò)30kPa的高爐操作稱為高壓操作。在此后十年中，美國(guó)采用高壓操作的高爐座數(shù)增加很多。蘇聯(lián)于1940年開(kāi)始在彼得羅夫斯基工廠進(jìn)行提高爐頂煤氣壓力操作的試驗(yàn)，它比美國(guó)的試驗(yàn)稍早一點(diǎn)，但初次試驗(yàn)并未成功，后來(lái)改進(jìn)了提高爐頂煤氣壓力的設(shè)施后才取得進(jìn)展，但其發(fā)展速度卻很快，到1977年高壓操作高爐冶煉的生鐵占全部產(chǎn)量的97.3%。我國(guó)從50年代后期開(kāi)始，也先后將1000m級(jí)高爐改為高壓操作，同樣取得較好的效果，但是爐頂壓力均維持在50-80kPa，而寶鋼1號(hào)高爐（4063m）的爐頂壓力已達(dá)到250 kPa，進(jìn)入世界先進(jìn)行列。一、高壓操作系統(tǒng)高爐爐頂煤氣剩余壓力的提高是由煤氣系統(tǒng)中的高壓調(diào)節(jié)閥組控制閥門的開(kāi)閉度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。前蘇聯(lián)早期試驗(yàn)時(shí)，曾將這一閥組設(shè)置在煤氣導(dǎo)出管上，它很快被煤氣所帶爐塵所磨壞，因而試驗(yàn)未獲成功。后來(lái)改進(jìn)閥組結(jié)構(gòu)并將其安裝在洗滌塔之后，才能取得成功（見(jiàn)圖1）。我國(guó)1000m級(jí)高爐的調(diào)壓閥組是由三個(gè)700mm電動(dòng)蝶式調(diào)節(jié)閥，一個(gè)設(shè)有自動(dòng)控制的400mm蝶閥和一個(gè)200mm常通管道所組成。高壓時(shí)，700mm閥常閉，爐頂煤氣壓力由400mm閥自動(dòng)控制在規(guī)定的剩余壓力，這樣自風(fēng)機(jī)到調(diào)壓閥組的整個(gè)管路和高爐爐內(nèi)均處于高壓之下，只有將所有閥門都打開(kāi)，系統(tǒng)才轉(zhuǎn)為常壓，長(zhǎng)期以來(lái)，由于爐頂裝料設(shè)備系統(tǒng)中廣泛使用著雙鐘馬基式布料器，它既起著封閉爐頂，又起著旋轉(zhuǎn)布料的作用，布料器旋轉(zhuǎn)部位的密封一直阻礙著爐頂壓力的進(jìn)一步提高。只有到70年代實(shí)現(xiàn)了“布料與封頂分離”的原則，即采用雙鐘四閥，無(wú)鐘爐頂?shù)纫院?，爐頂煤氣壓力才大幅度提高到150kPa，甚至到200-300 kPa。圖1 高壓操作工藝流程圖圖2 余熱發(fā)電工藝流程圖應(yīng)當(dāng)指出，消耗在調(diào)壓閥組的剩余壓力是由風(fēng)機(jī)提供的，而風(fēng)機(jī)為此提高了風(fēng)壓是消耗了大量的能量的（由電動(dòng)機(jī)或蒸汽透平提供）。為有效利用這部分壓力能，從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，試驗(yàn)高爐爐頂煤氣余壓發(fā)電，先后在前蘇聯(lián)和法國(guó)取得成功。采用這種技術(shù)后，可回收風(fēng)機(jī)用電的25%-30%，節(jié)省了高爐煉鐵的能耗。圖2為采用余壓發(fā)電的高壓操作系統(tǒng)。二、高爐高壓操作對(duì)高爐冶煉的影響如前所述，高壓操作給高爐冶煉帶來(lái)提高產(chǎn)量、降低焦比和大幅度降低爐塵吹出量的良好效果，這是高壓操作對(duì)高爐冶煉影響的綜合表現(xiàn)。1、對(duì)燃燒帶的影響由于爐內(nèi)壓力提高在同樣鼓風(fēng)量的情況下鼓風(fēng)體積變小從而引起鼓風(fēng)動(dòng)能的下降。根據(jù)計(jì)算由常壓(15KPa)提高到80kPa的高壓后。鼓風(fēng)動(dòng)能降到原來(lái)的76。同時(shí)，由于爐缸煤氣壓力的升高，煤氣中和的分壓升高，促使燃燒速度加快。鼓風(fēng)動(dòng)能降低和燃燒速度加快導(dǎo)致高壓操作后的燃燒帶縮小。為維持合理的燃燒帶以利于煤氣量分布，就可以增加鼓風(fēng)量，這對(duì)增加產(chǎn)量起了積極的作用。2、對(duì)還原的影響從熱力學(xué)上來(lái)說(shuō)，壓力對(duì)還原的影響是通過(guò)壓力對(duì)反應(yīng)十C2CO的影響體現(xiàn)的，由于這個(gè)反應(yīng)前后有體積的變化，壓力的增加有利于反應(yīng)向左進(jìn)行，即有利于的存在。這就有利于間接還原的進(jìn)行。同時(shí)，高爐內(nèi)直接還原發(fā)展程度取決于上述反應(yīng)進(jìn)行的程度，高壓不利于此反應(yīng)向右進(jìn)行從某種意義上講，是抑制了直接還原的發(fā)展，或者說(shuō)將直接還原推向更高的溫度區(qū)域進(jìn)行，同樣有利于CO還原鐵氧化物而改善煤氣化學(xué)能的利用。從動(dòng)力學(xué)上來(lái)說(shuō)，壓力提高加快了氣體的擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)速度，有利于還原反應(yīng)的進(jìn)行。但是有的研究者認(rèn)為壓力的提高也加快了直接還原的速度，因此壓力對(duì)鐵的直接還原度不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響，單從壓力對(duì)還原的影響分析，高壓操作對(duì)焦比沒(méi)有影響。所有研究者和實(shí)際操作者都肯定高壓對(duì)Si的還原是不利的，這表明高壓對(duì)低硅生鐵的冶煉是有利的。這里順帶指出，由于煤氣總壓力和其中分壓隨爐頂壓力的升高而升高，石灰石在高爐內(nèi)的分解將向高溫區(qū)轉(zhuǎn)移，一般其開(kāi)始分解溫度和沸騰分解溫度要升高30-50，這有可能增加（分解出來(lái)的與C發(fā)生分解的程度），這對(duì)焦比消耗會(huì)有影響。好在目前已廣泛采用自熔性或高堿度燒結(jié)礦，取消石灰石入爐。因此，這種影響已經(jīng)消除了。3、對(duì)料柱阻損的影響這是高壓操作對(duì)高爐冶煉影響的最重要的一個(gè)方面。從著名的卡門公式不難看出，料層的阻力損失與氣流的壓力成反比。在其他條件不變的情況下，可寫成：由于料層的阻力損失與氣流的壓力成反比，高壓操作以后，爐內(nèi)的總壓力較常壓操作時(shí)的大，即/1，因而常壓操作時(shí)煤氣流通過(guò)料柱的阻力損失大于高壓操作時(shí)的。這就使得在常壓高爐上因p過(guò)高而引起的諸如管道行程，崩料等爐況失常現(xiàn)象在高壓操作的高爐上大為減少，而且還可彌補(bǔ)一些強(qiáng)化高爐冶煉技術(shù)使p升高的缺陷。研究者們用不同的方式對(duì)高壓操作后下降進(jìn)行了測(cè)定和計(jì)算，所得結(jié)果不盡相同，但其平均值約為頂壓每提高100kPa，料柱阻損下降3kPa。在常壓提高到100kPa時(shí)，p下降值略大于3kPa；而頂壓由100kPa進(jìn)一步提高到200-300kPa時(shí)，此值降到2kPa/100kPa。應(yīng)當(dāng)指出，高壓操作以后，爐內(nèi)料柱阻損的下降并不是上下部均相同的，研究表明，爐子上部的阻損下降得多，下部的下降得少(圖3)。造成這種現(xiàn)象的原因是料柱上下部透氣不同，高爐下部由于被還原礦石的軟熔，空隙度急劇下降，壓力對(duì) p的作用為空隙度的下降所減弱。圖3 高壓高爐高度上的煤氣壓力變化眾所周知，煤氣通過(guò)料柱的阻力損失，相當(dāng)于自下而上的浮力，它與爐料與爐墻之間的摩擦力、爐料與爐料之間的摩擦力等一起，阻礙著靠重力下降的爐料運(yùn)動(dòng)。高壓操作后p的下降無(wú)疑減少了爐料下降的阻力，可使?fàn)t況順行。如果p維持在原來(lái)低壓時(shí)的水平，則可增加風(fēng)量，即提高高爐的冶煉強(qiáng)度。早期的生產(chǎn)實(shí)踐表明，在由常壓改為80kPa的高壓后鼓風(fēng)量可增加10-15，相當(dāng)于提高29.8kPa左右；現(xiàn)在的實(shí)踐表明，再?gòu)?00kPa往上提高時(shí)，這個(gè)數(shù)值下降到(1.7-1.8)9.8kPa。這比理論計(jì)算的3左右要低很多。造成這種差別的原因在于：（1）高爐內(nèi)限制冶煉強(qiáng)度提高的是爐子下部，如前所述，下部p減少的數(shù)值較?。唬?）高壓以后，焦比有所降低爐塵量大幅度降低，在入爐爐料準(zhǔn)備水平相同的情況下，上部塊狀帶內(nèi)料柱透氣性也變差；（3）高壓以后，燃燒帶和爐頂布料發(fā)生變化，上下部調(diào)劑跟不上也阻礙著高壓操作作用的發(fā)揮。為此，要充分發(fā)揮高壓對(duì)增產(chǎn)的作用，需要改善爐料的性能，特別是焦炭的高溫強(qiáng)度，礦石的高溫冶金性能和品位(降低渣量)，以及掌握燃燒帶和布料變化規(guī)律，應(yīng)用上下部調(diào)劑手段加以控制。隨著這些工作進(jìn)展的情況不同，各廠家每提高10kPa的增產(chǎn)幅度波動(dòng)在1.1-3.0。我國(guó)寶鋼的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)是頂壓每提高10kPa，風(fēng)量可增加200-250mmin。4、對(duì)爐頂布料的影響高壓操作降低了離開(kāi)料柱和爐頂?shù)拿簹獾膭?dòng)壓頭：這首先影響到爐塵吹出量，在冶煉強(qiáng)度相同和爐料粒度結(jié)構(gòu)相同的情況下，被吹出爐塵的粒徑變小，數(shù)量減少。按照斯托克斯定律進(jìn)行計(jì)算，從常壓提高到250kPa，爐頂煤氣能帶走的最大顆粒的直徑縮小了一半，顆粒的質(zhì)量減少到原來(lái)的12.5%。要用計(jì)算方法確定爐塵吹出量是不可能的，因?yàn)闋t喉煤氣流速和溫度分布不均勻，不同時(shí)間內(nèi)的吹出量也不同（裝料時(shí)吹出量最大）。根據(jù)統(tǒng)計(jì)由常壓改為高壓操作后，爐塵吹出量降低2050，有的甚至高達(dá)75%。在目前爐頂煤氣壓力達(dá)到150-250%kPa的現(xiàn)代高爐上，爐塵吹出量經(jīng)常在10Kg/t以下。高壓操作后動(dòng)壓頭的減小，對(duì)爐料從裝料設(shè)備（大鐘或布料流槽）落到料面的運(yùn)動(dòng)有著一定的影響。根據(jù)測(cè)定和計(jì)算，這種影響表現(xiàn)為邊緣料層加厚，料面漏斗加深，而影響的程度則取決于爐料準(zhǔn)備情況（5m