高爐熱制度化學(xué)溫度

鐵水溫度多在1400-1530℃之間。爐渣溫度約比鐵水溫度高50-100℃。在一定原料和冶煉條件下，生鐵含硅量([Si]%)與爐溫成正比關(guān)系。爐溫高則生鐵含硅量高；反之，則低。以鐵水和爐渣溫度代表的爐溫稱"物理溫度"，以[Si]%代表的爐溫稱“化學(xué)溫度” 。

高爐熱制度(Blast furnace heating system)是根據(jù)冶煉鐵種、原料、燃料條件和爐容大小而確定的爐缸應(yīng)具有的溫度水平稱為高爐熱制度。一般以鐵水和爐渣的溫度為代表，由于原料質(zhì)量、爐容大小、冶煉鐵種和操作制度不同，各個(gè)高爐的鐵水和渣水的溫度水平是不同的 。

由于測量鐵水和爐渣的溫度比較麻煩，而生鐵含硅量又是一個(gè)重要控制成分，所以高爐操作者習(xí)慣以生鐵含硅量作為衡量爐溫的標(biāo)志。于是熱制度實(shí)際上就成了高爐操作者對(duì)根據(jù)原料條件和冶煉鐵種而選定的生鐵含硅水平的控制。冶煉煉鋼生鐵時(shí)[Si]%較低，爐溫較低，確定熱制度時(shí)應(yīng)充分考慮爐缸的“物理溫度” 。

當(dāng)原料熟料比高，還原性好時(shí)，爐缸“物理溫度”高，[Si]%可確定在較低水平，同理，當(dāng)爐渣堿度較高時(shí)[Si]%也應(yīng)選擇低些；反之，[Si]%則選擇在較高的范圍。爐容太小時(shí)[Si]%應(yīng)選擇在較高的范圍。當(dāng)原料含TiO₂較高時(shí)，[Si]%應(yīng)控制得盡可能低些。除[Si]外，還要控制[Ti]%。[Ti]%也是隨爐溫高低而升降的，[Ti]不宜超過0.2%。否則由于欽還原生成的TiC、TiN、Ti(N,C)過多，導(dǎo)致鐵水、渣水黏稠而使高爐不能正常生產(chǎn)。冶煉鑄造生鐵時(shí)，焦比高，爐缸熱量充足，確定[Si]%的范圍只需滿足冶煉的牌號(hào)即可。冶煉錳鐵時(shí)，焦比更高，爐溫也更高。確定熱制度時(shí)，主要是確定[Mn]%的水平，[Mn]%必須達(dá)到冶煉牌號(hào)的要求 。

在現(xiàn)代高爐生產(chǎn)中，更以通過計(jì)算機(jī)運(yùn)算和顯示的風(fēng)口前理論燃燒溫度t_理和燃燒帶的爐溫指數(shù)t_c及時(shí)判斷爐缸熱狀態(tài)。因?yàn)楦郀t的高溫?zé)崃縼碜燥L(fēng)口前燃料的燃燒，t_理說明能提供多高溫度，t_c則說明燃燒帶形成的高溫煤氣能通過傳熱加熱爐料或形成的產(chǎn)品達(dá)到多高溫度，特別是在高爐噴吹燃料之后，這一點(diǎn)尤為重要。t_理一般應(yīng)在2050~2300℃，而t_c則應(yīng)達(dá)到0.75t_理 。

高爐高溫區(qū)熱平衡是以高爐下部發(fā)生直接還原的高溫區(qū)作為研究對(duì)象，分析計(jì)算其中各種熱量收支情況的。 高爐煉鐵焦比主要取決于高溫區(qū)的熱交換，因此，高溫區(qū)熱平衡計(jì)算，對(duì)研究高爐冶煉工藝過程更具有實(shí)際意義。

高爐熱平衡確定高溫區(qū)的原則

高溫區(qū)熱平衡 在以整個(gè)高爐為研究對(duì)象的全爐熱平衡中把高爐上部與下部收支的熱量看作是等價(jià)的。但實(shí)際上，高爐冶煉過程能否順利進(jìn)行不僅取決于所需要的熱量，而且還取決于過程所在區(qū)域的溫度，人們已完全了解清楚，同樣的熱量，在高爐不同部位因溫度不同而具有完全不同的價(jià)值，例如熱風(fēng)帶入的高溫1kJ熱量能使?fàn)t缸變熱，促進(jìn)Si還原而使生鐵含Si量升高；而熱燒結(jié)礦帶入爐喉的1kJ熱量只能使?fàn)t頂溫度升高，仍然由煤氣帶出爐外，而不能使?fàn)t缸變熱。因此，用全爐熱平衡分析高爐的熱現(xiàn)象有片面性。由于高爐內(nèi)存在熱交換空區(qū)(見高爐熱交換)，邊界上的煤氣和爐料溫度選擇相對(duì)較穩(wěn)定和易于切合生產(chǎn)實(shí)際，再加上決定高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的過程也較多地集中在爐子下部，所以區(qū)域熱平衡常以區(qū)域邊界煤氣溫度950～1000℃以上的下部高溫區(qū)為對(duì)象。

高爐熱平衡高溫區(qū)熱量

高溫區(qū)熱平衡類似于第二種全爐熱平衡，它的收入為碳素在風(fēng)口前氧化為CO的放熱和熱風(fēng)帶入的有效熱量等兩項(xiàng)；而熱支出為直接還原耗熱、脫硫耗熱、石灰石在高溫區(qū)分解耗熱、分解出的CO₂。參與溶損反應(yīng)耗熱，鐵水和爐渣的焓(扣除進(jìn)入邊界區(qū)時(shí)的焓)以及煤氣離開高溫區(qū)時(shí)的焓(扣除生成煤氣的焦炭進(jìn)入高溫區(qū)時(shí)的焓)，為簡化計(jì)算，將它們歸入高溫區(qū)熱平衡的熱損失項(xiàng)中；在噴吹燃料時(shí)還要計(jì)算煤粉分解耗熱和加熱到邊界溫度時(shí)的耗熱。高溫區(qū)熱損失也是采用總收入扣除上述消耗后的差值來表示。 2100433B

一、高爐煤氣需要預(yù)熱

同體積的高爐煤氣的發(fā)熱量較焦?fàn)t煤氣低得多，一般為3300—4200KJ/m3。熱值低的高爐煤氣是不容易燃燒的，為了提高燃燒的熱效應(yīng)，除了空氣需要預(yù)熱外，高爐煤氣也必須預(yù)熱。因此使用高爐煤氣加熱時(shí)，燃燒系統(tǒng)上升氣流的蓄熱室中，有一半用來預(yù)熱空氣，另一半用來預(yù)熱煤氣。煤氣與空氣一樣，經(jīng)過斜道進(jìn)入燃燒室立火道進(jìn)行燃燒。

二、燃燒系統(tǒng)的阻力大

用高爐煤氣加熱時(shí)，耗熱量高（一般比焦?fàn)t煤氣高15%左右），產(chǎn)生的廢氣多，且密度大，因而阻力也較大。而上升氣流雖然供入的空氣量較少，但由于上升氣流僅一半蓄熱室通過空氣，因此上升氣流空氣系統(tǒng)和阻力仍比焦?fàn)t煤氣加熱時(shí)要大。

三、高爐煤氣燃燒火焰較長

高爐煤氣中的惰性氣體約占60%以上。因而火焰較長，焦餅上下加熱的均勻性較好。

由于通過蓄熱室預(yù)熱的氣體量多，因此蓄熱室、小煙道和分煙道的廢氣溫度都較低。小煙道廢氣出口溫度一般比使用焦?fàn)t煤氣加熱時(shí)低40—60℃。

四、高爐煤氣毒性大

高爐煤氣中CO的含量一般為25%—30%，為了防止空氣中CO含量超標(biāo)，必須保持煤氣設(shè)備嚴(yán)密。高爐煤氣設(shè)備在安裝時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)定達(dá)到試壓標(biāo)準(zhǔn)，如果閑置較長時(shí)間再重新使用前，必須再次進(jìn)行打壓試漏，確認(rèn)管道、設(shè)備嚴(yán)密后才能改用高爐煤氣加熱。日常操作中，還應(yīng)對(duì)交換旋塞定期清洗加油，對(duì)水封也應(yīng)定期檢查，保持滿流狀態(tài)，蓄熱室封墻，小煙道與聯(lián)接管處的檢查和嚴(yán)密工作應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行。

高爐煤氣進(jìn)入交換開閉器后即處于負(fù)壓狀態(tài)。一旦發(fā)現(xiàn)該處出現(xiàn)正壓，應(yīng)立即查明原因組織人力及時(shí)處理，確保高爐煤氣進(jìn)入交換開閉器后處于負(fù)壓狀態(tài)。

五、高爐煤氣含塵量大

焦?fàn)t所用的高爐煤氣含塵量要求最大不超過15mg/m³。2012年以來由于高壓爐頂和洗滌工藝的改善，高爐煤氣含塵量可降到5mg/m³以下，但長期使用高爐煤氣后，煤氣中的灰塵也會(huì)在煤氣通道中沉積下來，使阻力增加，影響加熱的正常調(diào)節(jié)，因而需要采取清掃措施。

另外，高爐煤氣是經(jīng)過水洗滌的，它含有飽和水蒸汽。煤氣溫度越高，水分就越多，會(huì)使煤氣的熱值降低。從計(jì)算可知，煤氣溫度由20℃升高到40℃時(shí)，要保持所供熱量不變，煤氣的表流量約增加12%。因此要求高爐煤氣的溫度不應(yīng)超過35℃。當(dāng)煤氣溫度發(fā)生一定變化時(shí)，交換機(jī)工應(yīng)立即調(diào)整加熱煤氣的表流量，以保證供給焦?fàn)t的總熱量的穩(wěn)定。

按照能量守恒定律，以高爐物料平衡為基礎(chǔ)對(duì)高爐連續(xù)鑄鋼|煉鐵過程的各項(xiàng)熱收入和熱支出進(jìn)行計(jì)算，然后匯編制成熱平衡表，據(jù)此能夠了解高爐內(nèi)熱量消耗狀況，分析高爐冶煉過程熱消耗的問題，找出進(jìn)一步改善能量利用，降低燃料消耗的途徑。它還是計(jì)算理論焦比及各種因素對(duì)焦比之影響的基礎(chǔ)。在高爐采用某些新技術(shù)措施時(shí)，通過熱平衡計(jì)算，高gao并同物料平衡一起可預(yù)測冶煉效果，從而可以擬定出最適宜的冶煉制度。根據(jù)分析的需要，熱平衡計(jì)算可分為兩類：一類是以整個(gè)高爐為對(duì)象的，稱為全爐熱平衡計(jì)算；另一類是以高爐局部區(qū)域?yàn)閷?duì)象的，稱為區(qū)域熱平衡計(jì)算。20世紀(jì)60年代前連續(xù)鑄鋼|煉鐵工作者大都采用全爐熱平衡計(jì)算，其原因在于區(qū)域熱平衡的邊界條件，特別是邊界處爐料和煤氣溫變差的確定有較大的任煮性，而這個(gè)溫度差的大小又在很大程度上決定著區(qū)域熱平衡分析的可靠性。60年代以來，高爐傳輸過程研究和高爐解剖研究的結(jié)果幫助了這一溫度差的選定。而且決定高爐冶煉指標(biāo)的因素又較多地集中在處于高爐下部的高溫區(qū)，因此高溫區(qū)的區(qū)域熱平衡得到普遍重視和廣泛應(yīng)用。

第一種全爐熱平衡 這種方法出現(xiàn)較早，原理簡單，屬經(jīng)典性質(zhì)的。它建立在蓋斯定律的基礎(chǔ)上，即依據(jù)爐料入高爐時(shí)的初始狀態(tài)和離開高爐時(shí)的最終狀態(tài)來計(jì)算產(chǎn)生的和消耗的熱量，而不考慮它們?cè)诟郀t內(nèi)進(jìn)行的實(shí)際過程。例如是按FeO分解為Fe和l/2O2的耗熱和C 1/2O₂結(jié)合成CO的放熱計(jì)算的，而不是按實(shí)際吸熱反應(yīng)計(jì)算的。

高爐熱平衡熱量的收入項(xiàng)

熱量收入 分為兩類：一類是化學(xué)反應(yīng)熱，它由每kg或m³反應(yīng)物在反應(yīng)中放出的熱效應(yīng)與反應(yīng)物數(shù)量的乘積算出；另一類是物理熱，它由物料量與它們的比熱容(c料)和溫度(t料)的乘積算出。第一種全爐熱平衡的熱收入有5項(xiàng)：

1)碳素氧化熱。在高爐內(nèi)每1kg氧化成CO放熱9800kJ，氧化成CO₂放熱33400kJ，每1m3CO氧化成CO₂放熱12600kJ。高爐內(nèi)碳素氧化分為風(fēng)口前碳素燃燒成CO和直接還原中C氧化成CO，間接還原中CO氧化成CO₂：qc=9800(C_風(fēng) C_d)，qco一co₂=12600CO₂i，kJ/t。碳素氧化熱是熱收入的主要項(xiàng)，約占熱收入的70%～80%。

(2)熱風(fēng)物理熱。常將鼓風(fēng)中濕度分解耗熱在本項(xiàng)收入中扣除，每1m3H₂O分解耗熱10800kJ，q_風(fēng)=V _風(fēng)c_風(fēng)t_風(fēng)—10800V _風(fēng)Ψ，kJ/t。

(3)氫氧化放熱。這是H₂還原氧化物時(shí)氧化成H₂O放出的熱，每1m3H₂氧化成H₂O放熱為10800kJ，qH₂一2H₂O=10800H₂O還。

(4)成渣熱。這是熔劑和生礦帶入高爐內(nèi)的CaO和MgO造渣時(shí)放出的熱量，每1kgCaO或MgO成渣放熱1130kJ，q成渣1130(CaO MgO)kJ/t，式中CaO、MgO為每噸生鐵熔劑和生礦帶入的自由CaO和MgO量，kg/t。在現(xiàn)代高爐生產(chǎn)中已大量使用熔劑性燒結(jié)礦、自熔性燒結(jié)礦和高堿度燒結(jié)礦或球團(tuán)礦，加入高爐的熔劑量很少或完全不加入，所以為簡化熱平衡，常將此項(xiàng)微少的熱收入在熱支出項(xiàng)的碳酸鹽分解耗熱中扣除。

(5)爐料物理熱。對(duì)使用冷礦的高爐，這項(xiàng)熱量很少，可以忽略不計(jì)。在仍使用熱燒結(jié)礦的高爐，這項(xiàng)熱量為q_料=G_料c_料t_料，kJ/t。

高爐熱平衡熱量支出項(xiàng)

熱量支出 第一種全爐熱平衡的熱量支出有9項(xiàng)：

(1)氧化物分解耗熱。它包括鐵氧化物和生鐵中少量元素(Si，Mn，P，V，Ti等)氧化物分解耗熱，它們以生鐵中所含數(shù)量與該氧化物分解熱的乘積算得；

(2)脫硫。按每噸生鐵進(jìn)入爐渣的硫量u(S)和硫化物分解熱計(jì)算；

(3)碳酸鹽分解耗熱。進(jìn)入高爐的碳酸鹽有FeCO₃(菱鐵礦中的)、MnCO₃(菱錳礦中的)、CaCO₃(石灰石和白云石中的)、MgCO₃(白云石中的)；有時(shí)為了簡化將成渣熱從此項(xiàng)中扣除1130；

(4)風(fēng)中水分分解。常將此項(xiàng)在鼓風(fēng)帶入的物理熱中扣除；

(5)噴吹物分解耗熱。每1kg噴入高爐的煤粉的分解熱波動(dòng)在1050～1250kJ，一般無煙煤用低值，煙煤用高值；

(6)爐料中水分蒸發(fā)和加熱耗熱。焦炭，天然生礦及熔劑帶入物理水，尤其是水熄焦帶入3%～5%或更高的水分，它們蒸發(fā)并加熱到爐頂溫度，如果使用褐鐵礦生礦或含有結(jié)晶水礦物(例如脈石中的高嶺土等)的生礦，這些結(jié)晶水也要分解蒸發(fā)和加熱到爐頂溫度；

(7)鐵水和爐渣的焓?？筛鶕?jù)測定鐵水和爐渣的溫度，按各組分的含量和它們的平均比熱容用加和法算得。也可根據(jù)實(shí)測溫度和冶煉生鐵品種選取統(tǒng)計(jì)出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：煉鋼生鐵Qu=(1720～1840)kJ/kg渣，Qe=(1180～1260)kJ/kg生鐵；鑄造生鐵Qu=(1885～2000)kJ/kg渣，Qe=(1260～1380)kJ/kg生鐵。這樣q鐵=1000Qe，q渣=uQu，kJ/t；

(8)爐頂煤氣的焓。它包括干煤氣、還原生成的H₂O和爐塵三者帶走的熱量，用它們數(shù)量、比熱容和爐頂溫度的乘積算得；

(9)熱損失。高爐熱損失包括冷卻水帶走的熱量、通過爐殼表面輻射散熱和對(duì)流給熱損失熱量以及通過爐底傳給地層的熱量等。除冷卻水帶走熱量可較精確地測得外，其他幾種是難于測得的，通常采用總熱收入減去1～8項(xiàng)熱支出而得出，有時(shí)也用統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)式估算。

高爐熱損失隨爐子大小，冶煉強(qiáng)度高低和冶煉生鐵品種而不同。一般煉鑄造生鐵時(shí)熱損失占全部熱收入的6%～10%，而煉鋼生鐵的熱損失為3%～8%。

第二種全爐熱平衡 是在第一種熱平衡基礎(chǔ)上發(fā)展來的，它更能反映高爐冶煉在熱量交換和熱能利用方面的實(shí)質(zhì)。因此在分析高爐熱現(xiàn)象，尋求節(jié)能降耗的途徑時(shí)被廣泛應(yīng)用。這兩種熱平衡相同的是物理熱：在熱收入上是熱風(fēng)、爐料帶入的熱量；在熱支出上是爐料中水分蒸發(fā)和加熱，生鐵、爐渣及煤氣的焓。兩種熱平衡不同的是化學(xué)反應(yīng)熱：碳的氧化放熱在第二種熱平衡中只計(jì)算風(fēng)口前碳氧化成CO的放熱q_C=9800C_風(fēng)kJ/t；還原耗熱只計(jì)算吸熱反應(yīng)的鐵直接還原和少量元素直接還原耗熱；脫硫耗熱按實(shí)際的反應(yīng)熱計(jì)算碳酸鹽分解除計(jì)算CaCO一CaO CO₂的分解熱外，還要計(jì)算進(jìn)入高溫區(qū)后該反應(yīng)分解出來的CO₂與焦炭的碳發(fā)生溶解損失反應(yīng)的耗熱；結(jié)晶水分解出來的H₂O進(jìn)入高溫區(qū)也要計(jì)算H₂O C—H₂ CO反應(yīng)的吸熱。