摘要：为持续改进大型高炉炼铁技术。依据4号高炉投产1年来的生产实践。分析了提高高炉产量、稳定炉体热负荷、低燃料比操作、热风炉高风温烧炉等方面的工艺，认为高炉产量的提高可以采用多元化措施。并提出了炉体热负荷是一项重要的高炉操作制度等观点。对大型高炉稳定、低耗、长寿具有借鉴意义。

关键词：高炉；热负荷；铁水产量；热风炉

    宝钢4号高炉于2005年4月27日投入生产，内容积为4 747m³，是宝钢投入生产的第4座4 000m³级大型高炉，也是国内目前运行中内容积最大的高炉。为达到高效、长寿、清洁和可持续发展的生产目标，许多新技术和新装备在宝钢4号高炉上得到了应用，如：改进炉型设计，降低高炉高径比；炉前采用高效吸尘系统、双层式平坦化作业平台，提高了作业效率；水渣采用无蒸汽排放的环保型新INBA系统，大幅度降低了有害蒸汽的排放等。

    1  宝钢4号高炉概况

    投产1年来，这座更大、更新的高炉创造了一些骄人的业绩，如在开炉阶段，投产1星期内日产量突破10 000t，投产1个月内煤比突破200kg／t，创造了宝钢大型高炉开炉最好水平。在4号高炉一年来的生产过程中，通过精心维护和操作，在保持生产稳定的基础上，煤比、燃料消耗、铁水质量等关键指标保持了先进的水平。

    4号高炉取得这些先进的经济技术指标，得益于操作观念的进步，在提高高炉产量、炉体热负荷管理、低燃料比操作等方面的认识。

2        对提高高炉产量的认识

    风量是影响高炉产量的主要因素，但不是唯一因素。高炉产量还受到富氧率、燃料消耗率等多种高炉操作条件影响，特别对大喷煤、高富氧的高炉来说，这些操作条件的影响力更加明显。从最大限度降低高炉能耗、提高高炉效率角度出发，应采取多元化技术措施来提高高炉产量。

    (1)适宜鼓风能力的选择

    增加高炉鼓风量是提高高炉产量的重要措施，但鼓风机能力应和高炉炉容相匹配，特别对于大型高炉不宜保留过剩的鼓风能力，造成不必要的运行成本上升。宝钢4号高炉鼓风机能力主要根据炉容大小来确定，高炉炉容对鼓风机能力需求的简要确定方法如下。

    首先依据风口前燃料燃烧反应方程(式(1))，在不考虑喷吹物带入0₂的情况下，可以近似得到吨铁的消耗氧量V_O2(式(2))。

    2C+02=2C0    (1)

    V_O2，=22．4×C_h／(2×12)    (2)

    宝钢高炉采用富氧操作，因此可以进一步得到吨铁的耗风量V_f计算公式：

  V _f=V_O2／(0．21+β_O2)=(22．4×C_h／(2×12)／(0．21+β_O2)    (3)式中，C_h为风口前吨铁的耗碳量；β _O2为富氧率。

    宝钢高炉在200kg／t煤比的操作条件下，风口前吨铁耗碳水平为260kg左右，富氧率可以达到4％。因此可以计算出宝钢4号高炉预计的吨铁风耗量为970m³ 。

    最后结合预计铁水产量、热风炉换炉充风等相关因素，便可以建立和高炉炉容相匹配的鼓风能力K计算方法：V_g=f(V_f，V_n，P_Fe,a)=(V_n×P_Fe×V_f)／(24×60))×(1+∝)    (4)式中，V_n为高炉内容积，取4 747m³；P_Fe为利用系数，参考国内外大炉一流指标，取2．5t／(m³·d)；

    ∝为热风炉充风增加系数，根据外燃式热风炉充风特点，取10％。

    计算结果表明，和宝钢4号高炉炉容相匹配的鼓风能力：

    V_g=8 793m³／min。

    作为4号高炉配套工程，宝钢增加了l台鼓风能力8 800m³／min的鼓风机，与原来4 063m³高炉相配的风机一致，这是系统考虑4号高炉容积、指标后的科学选择，也是从高炉设计上努力降低高炉工序能耗的具体表现。

    (2)提高富氧率达到提高高炉产量目的

    在不增加鼓风机能力的前提下，提高鼓风富氧率是提升高炉产能的又一重要措施。利用公式(3)经过一定的理论推导，结合宝钢高利用系数生产经验，得到在风量维持不变前提下宝钢高炉富氧率与吨铁风耗、产量之间对应的关系。

    随着富氧率的不断提高，可能引起风口前理论燃烧温度过高而影响高炉顺行，但宝钢高炉具有高煤比特点，在200kg／t煤比的操作条件下，即使富氧率提高到6％，风口前理论燃烧温度仍能保证在2 300℃以内。

    (3)降低吨铁燃料消耗来提高高炉产量

    降低高炉燃料消耗来提高高炉产量更加具有经济性和技术性，在当前炼铁行业成本、环保压力巨大状况下，更应提倡通过技术进步来改善高炉各项经济技术指标。在相同的风氧量条件下通常认为产量提高率和吨铁风耗下降率一致，因此结合公式(3)，并假设焦比的下降主要影响风口前耗碳量，可以总结出高炉产量提高率和焦比下降量之间的近似关系，见式(5)。

    P=(CR_d ×C_g×100)／Cr    (5)

式中，P为高炉产量提高率； CR_d为焦比下降量；C_g为焦炭固定碳含量，取87％。

    利用式(5)，在宝钢4号高炉操作条件下，假如入炉焦比下降．5kg／t，铁水产量预计可提高1．67％左右。以宝钢4号高炉日产铁水ll 000t计算，如果焦比下降5kg／t，日铁水产量可提高180t左右，经济效益非常突出。因此宝钢高炉在实际操作中，努力采取各种措施来降低焦比，如控制合理的煤气流分布来提高煤气利用率、提高风温、减少炉墙脱落等，通过不断改进高炉操作技术，4号高炉开炉以来一直保持了较低的燃料消耗，对提高铁水产量和降低成本都起到了积极的作用。

    3  炉体热负荷管理是一项重要的高炉操作制度

    高炉炉体热负荷的强弱反应了高炉炉体各部分的热量散失状况，根据热负荷的分布状况能够获得高炉煤气流分布、炉墙侵蚀等方面的信息，鉴于热负荷管理的重要性把热负荷管理提升为一项重要的高炉操作制度，并成为和炉温控制一样的高炉日常管理内容。合理控制热负荷的高低和其在炉体各部位的分布，对高炉保持稳定顺行、降低能耗、达到长寿的目标都有重要意义。相反，如果热负荷控制不当，则会对高炉生产起到不良的影响，比如炉体热负荷过高，会加剧炉墙耐材的侵蚀，从而影响高炉长寿，热负荷过高还不利于降低燃料消耗，使高炉生产成本上升。宝钢4号高炉在设计及生产过程中都非常重视炉体热负荷的管理。

    3．1  设计上有利于炉体热负荷的跟踪和管理

    在宝钢其它高炉生产操作过程中，对炉体热负荷管理的重要性有了比较全面的认识，因此在4号高炉设计过程中就把高炉炉体热负荷管理纳入重要设计项目。为更加具体、分区域了解炉体热负荷在高炉炉体各部位的实际分布状况，炉体热负荷在炉体范围内进行网格化分区，实际操作中便可以对炉体不同高度和不同圆周方向同时进行数据跟踪和分析，为高炉操作调整提供详尽的判断依据，充分发挥了炉体热负荷管理的优势，为炉体稳定和高炉顺行创造了条件。

    3．2  热负荷管理对炉体稳定具有重要性

    由于炉体稳定建立在炉体能量传递稳定的基础上，而热负荷反映了炉体热能的损失状况，因此对热负荷的管理就是对炉体能量平衡的控制，和传统水温差管理相比，更加有利于炉体粘结层的稳定。不论是宝钢2号高炉炉役后期的维护还是宝钢4号高炉投产初期的操作，都非常重视对炉体热负荷的管理。经过对炉内煤气流和炉体冷却强度的合理安排，在高强度冶炼条件下保持了稳定的炉体热负荷，减少了炉墙渣皮脱落现象的发生概率，炉墙砖衬及炉皮受到热冲击次数减少，对炉体长寿意义重大。

    3．3  热负荷管理对高炉顺行具有重要性

    在对高炉操作影响方面，炉体热负荷管理也显示出比传统水温差管理更具优势。首先，由于热负荷反映了炉体热量的传递状况，因此它能更加准确地反映高炉边缘煤气流的稳定性和强弱性，当炉体热负荷稳定时即反映出高炉煤气流分布稳定，炉况顺行良好；反之如果热负荷波动大，反映出高炉煤气流分布不稳定，炉况容易失常。

    另外，由于热负荷提示了高炉炉体散热的状况，在实际高炉操作中就成为了必须考虑的热量平衡因素，对高炉最基本的炉温控制具有指导意义。

    4  对低燃料比操作的认识

    低燃料消耗是高炉降低能耗和成本的重要技术措施，对清洁生产也有重要意义。因此即使在高煤比操作条件下宝钢也一直努力摸索低燃料比操作技术，通过控制一定燃料比下的高煤比来降低炼铁成本。通过4号高炉投产1年来的低燃料比生产实践，对高炉低燃料比操作有了进一步的认识，即经过系统控制炼铁过程的各个环节，在220kg／t喷煤比操作条件下，仍可以完成低燃料比操作，经济煤比随着技术水平的提高而提高。

    4．1  系统平衡原燃料质量和高炉操作条件

    煤比、产量、成本等关键指标的改善必须建立在炉况稳定顺行的基础上，高煤比操作条件下要达到低燃料比的目标，也必须把炉况稳定放在首位。因此根据不同高炉的操作要求系统调配焦炭质量和炉料结构，来确保高炉的稳定顺行。如操作指标要求较高的3号、4号高炉保持了80％以上的熟料比，4号高炉煤比要求最高，因此使用了反应后强度最高的三期焦炭。通过系统安排各高炉的炉料使用条件，既降低了炼铁成本，又稳定了生产，为高炉进行低燃料比操作打下了基础。

    4．2  合理调整操作参数降低燃料消耗

    高炉煤比提高后通常会出现燃料比上升现象，宝钢4号高炉开炉以来始终在高煤比状况下操作，但通过合理控制操业参数，燃料比一直控制在500kg／t以内，做到了技术指标和经济指标的统一。控制合理的煤气流分布模式降低炉顶吹出灰量(重力除尘灰和炉顶吹出灰)、提高煤粉利用率等是在实践中获得的重要低燃料比操作经验。

    降低炉顶吹出灰量非常有利于降低燃料消耗。通过对炉顶吹出灰进行化验分析发现，炉顶吹出灰中含铁物量是比较稳定的，但含碳物量明显受高炉操作条件的影响，且越是出现高灰比状况，灰中含碳比例越高，在实际生产中也就出现了炉顶吹出灰比和燃料比之间的显著关系。由于发现这种灰比越高，燃料比上升幅度越大的现象，因此在实际高炉操作中，通过控制合理的煤气流分布、减少局部区域煤气流过强现象、保持足够理论燃烧温度改善煤粉利用率等措施，来降低炉顶吹出灰量，促进了高炉低燃料比操作。

    4．3  完善炉体热负荷管理制度

    先前已介绍了炉体热负荷管理对高炉稳定的重要性，并且把热负荷管理提升为一项重要的高炉操作制度，在实际高炉操作过程中，这项措施大幅度提高了热负荷的稳定性，炉墙脱落频度降低，炉温稳定性大大提高，燃料比可控性增加，保证安全生产的燃料比得到降低。

  5  对高风湿的认识

  高风温操作对高炉降低焦比、改善风口前煤粉有焦炭燃烧状况非常有益，增加高热值焦炉煤气的使用量有利于风温的提高。但随着能源消耗成本的不断上升和公司内焦炉煤气资源的限制，改进热风炉用气结构成为热风炉操作技术发展的重点。

    5．1  改进设计使热风炉适合使用高炉煤气和转炉煤气

    一方面出于成本、资源等考虑，热风炉降低焦炉煤气使用量是一种客观需求，另一方面在钢铁企业内转炉煤气的全部回收并用于热风炉烧炉其热利用最好，转炉煤气是焦炉煤气的理想替代品，因此把使用高炉煤气和转炉煤气为主定为4号高炉热风炉设计改进的主要方向。

    由于宝钢高炉煤气利用率高，导致高炉煤气的热值低，热风炉如何在使用低热值高炉煤气和中等热值转炉煤气情况下长期输出1 250℃以上高风温，是4号高炉热风炉技术改进的关键。首先，为了达到改善余热回收热效率的目的，4号高炉改进了炉算子材质，使热风炉废气温度上限从350℃提高到400℃，高炉煤气和助燃空气换热后的温度达到180℃左右，进入热风炉的燃烧气体物理热得到提高，为热风炉使用中、低热值燃气后继续向高炉提供高风温创造了条件。另外，为适合4号高炉4 747m³的大炉容，在热风炉体积不变情况下，适当提高热风炉格子砖加热面积，格孑L砖直径从Ø43mm缩小到Ø40ram，格子砖的单位体积的加热面积保持在比较合理的68m²／m³左右水平上，热风炉具备了和高炉炉容相匹配的蓄热能量。

    5．2  改进烧炉操作来提高热风炉效率

    转炉煤气热值适中，但压力和热值波动大，热风炉不使用焦炉煤气烧炉后，高炉煤气使用量增加，这恰恰可以消除转炉煤气热值、压力波动的影响。另外，得益于余热回收效果的改善，4号高炉单烧高炉煤气时，拱顶温度就可以达到1330℃，转炉煤气投入短时间内，拱顶温度很快可以达到1 400℃以上，因此烧炉过程对转炉煤气流量的控制是维持稳定安全拱顶温度的关键。在烧炉后期，当废气温度达到管理值后，减少高炉煤气量后继续烧炉，促使按设定的烧炉时间来控制废气温度上升到目标值。通过合理调整烧炉过程中高炉煤气、转炉煤气和助燃空气流量，热风炉在使用高炉煤气和转炉煤气后也达到了良好的烧炉效果，目前热风炉热效率达到86％左右，输出风温可以长期保持在1 250℃以上，为4号高炉获得理想的送风制度创造了条件。

    5．3  高炉稳定风温操作

    在热风炉具备高风温输出能力的基础上，高炉则经过控制合理的煤气流分布，稳定炉体热负荷，减少炉温波动幅度，达到了稳定的风温操作。研究4号高炉近1年来的风温分布特性(日均风温数据，删除了休风引起的异常数据)，可以看出344个样本大部分分布在1 230～1 270℃，平均风温达到l 253℃。高炉的稳定风温操作为热风炉提供了稳定的烧炉环境，非常有利于热风炉热效率的发挥，对实现高风温操作也非常重要。

    6  结论

    (1)高炉产量的提高可以通过多种途径达到，如降低燃料消耗、提高富氧率等，鼓风机能力的选择应和炉容相匹配，不应追求过剩的鼓风能力。

    (2)炉体热负荷管理也是一项重要的高炉操作制度，对高炉顺行、低燃料消耗和炉体稳定都有重要意义。

    (3)通过合理调整高炉煤气流分布，降低炉顶吹出灰量，稳定炉体热负荷，高炉在220kg／t煤比操作条件下，也可以长期达到小于500kg／t燃料比的操作结果。

    (4)经过科学设计热风炉结构、改进热风炉操作和稳定高炉风温等措施，高炉煤气加转炉煤气的燃气结构在4号高炉热风炉上得到了成功应用，1 250℃以上风温可长期保持。(郑刚节选自《钢铁》2007年第3期)