1、对高炉低碳低成本炼铁几个技术问题的剖析,王筱留 北京科技大学冶金与生态工程学院钢冶系北京市海淀区学院路30号,100083Tel:13520786882E-mail:,2,提 纲,1 前言2 向高炉喷吹H2或富H2燃料 2.1 热力学和动力学分析 2.2 实验研究 2.3 生产实践中H2行为 2.4 分析结果3 经济喷煤量,4 焦炭质量4.1 质量评估4.2 焦炭反应性4.3 捣固焦质量5 操作上的中心加焦6 成本7 结论,3,1 前言,当前高炉炼铁受原燃料价格上涨，市场疲软和环保要求的压力，正在努力实现低碳低成本生产。为此在寻求适合于本地区，本厂的一些技术措施来降低燃料比实现低碳低排放，来降
2、低吨铁生产成本为企业创造更多的效益。人们在找新技术，新措施。高炉炼铁技术已有很长的历史发展历程。到今天一方面仍然属于黑匣子。对很多内在的规律还没有找到或没有解决（例如热交换，特别是对流传热和辐射传热），另一方面很多技术已经相当成功地应用于生产，再找新的极为困难，虽然有专家，教授等在1-2百年来的专利中找出一些在生产中难于实现或难于取得好的效益的专利技术加以改头换面，并大力宣传，成为当前所谓的新技术，新流程。,4,1 前言,本人认为新旧是相对的，有些技术在其他厂和高炉已成功地应用，不是新技术了，但是对从未用过的厂和高炉来说就是新技术。对这些厂和高炉想采用，那就要作科学的研究和分析，这个“新”技术
3、是否适合你厂高炉的冶炼条件，或者你有无创造必要的条件来应用这个“新”技术的可能，作者想通过本文来剖析一些技术，作为厂家和高炉炼铁工作者选用这些技术时的参考资料，作者希望这样的剖析对厂家在选用“新”技术时有所帮助。,5,2 向高炉喷吹H2或富H2燃料,近年来，国内外的部分专家，教授宣传最多的技术之一是向高炉喷吹H2或富H2燃料，其目的是用H2来代替碳和CO还原铁氧化物，达到低碳炼铁，“中国钢铁工业科学与技术发展指南（2011年-2020年）”，将喷吹焦炉煤气列为炼铁工艺关键技术，要求喷吹焦炉煤气量达到或超过100m3/t，高炉要不要喷吹富H2燃料，例如焦炉煤气，能不能达到喷吹焦炉煤气量100m3
4、/t，是需要认真分析的，作者在2013年曾发表过多篇论文，阐说喷吹焦炉煤气存在的理论和实践问题，现再补充剖析。,6,2.1热力学和动力学分析,从高炉炼铁的基本工艺原理来研讨。高炉炼铁是火法冶金。它生产的产品是液态高温（1475-1510）铁水，生产单位生铁需要消耗9-11GJ/t热量，这个巨大数量的热，主要是由碳在炉内氧化成CO和CO2放出的（约占总热量的75%-80%），其中碳在风口前燃烧放热占25%左右，碳在直接还原中放热占9%-10%;而CO在间接还原中放热占43%-45%，而H2在间接还原过程中放出热量只占5%左右。向高炉喷吹H2或焦炉煤气，其特点是在高炉内放热少，因为碳氢化合物中的H
5、2在风口前燃烧时，只有其中的碳氧化成CO放热而氢是不能氧化成H2O放热的。焦炉煤气含H2多含C少。因此从风口喷入高炉后在风口前燃烧放热很少：焦炭或煤粉中C燃烧 C+1/2O2=CO焦炉煤气中碳氢化合物燃烧（以CH4为例）CH4+1/2O2=CO+2H2,7,表1和表2列出不同燃料喷入高炉后燃烧放热与焦炭燃烧放热的比较。,表1 不同燃料在风口前燃烧放热比较,表2 焦炉煤气成分（%）和燃烧放热量（GJ/m3）,8,所以从高炉炼铁的供热角度看喷吹H2，焦炉煤气等高H2燃料是难于代替碳发热作用的，那么从还原角度有如何呢？从铁氧化物还原的热力学规律（图1）来分析，图1显示CO和H2的还原能力，即从FeO
6、夺取氧的能力在810发生了变化，在810以上H2还原能力比CO强，还原中需要平衡产物H2O，以保证反应向生成金属Fe方向进行的还原剂过剩系数n小于CO的n值，而在温度低于810时相反。H2的还原能力不如CO，过程系数n值H2的比CO的大（见表3）,它说明在高炉中上部中低温区的间接还原中H2的作用不如CO。,9,图1 叉子曲线,10,表3 不同温度下FeO还原到Fe的还原剂过程系数n值,从动力学规律来分析H2和H2O的密度和黏度都小于CO和CO2，因此前者在气-固相还原反应过程中扩散能力大于后者；也就是H2可以扩散到CO不能到达的铁矿石的微孔隙进行间接还原，从而加快还原速率发展间接还原，降低铁的
7、直接还原度。但是这种优势，受到两方面的制约：一是铁矿石装入高炉后，逐渐被加热到一定程度矿石的气空隙因烧结，软熔作用而变小，原来的空隙被堵塞、熔合而消失。H2的扩散也被阻，另一是随着煤气中H2含量的增加，H2的作用递减，其中原因之一是高炉内存在着热力学上基本上已达到平衡的水煤气置换反应：,11,H2还原生成的H2O被炉内的CO置换成CO2和H2。这个平衡反应限制了H2的作用和利用率，但与此同时，却提高了CO的还原和CO利用率。结果是高炉内H2的利用率总是低于CO的利用率。前苏联著名炼铁专家A.H.拉姆教授研究CO和H2与煤气中H2/CO比值变化范围0-1的条件下，最高CO和H2变化相应为0.58
8、-0.64和0.37-0.52。这从理论上证明H2的利用率低于CO的利用率。,图3 前苏联契钢喷吹天然气后CO和H2的变化,12,2.2 实验研究,许多研究者对H2还原铁氧化物还原做过很多研究，这里介绍武汉钢铁公司于仲洁等在实验室中进行了富H2还原气体还原烧结矿，球团矿的实验研究，重点在研究喷吹富H燃料对发展高炉内间接还原，提高煤气利用率的作用。还原试验采用恒温法以还原温度900还原时间180min的试验为主，还做了部分还原温度600，700和1000的试验。还原气体由高纯CO，H2和N2按CO定量为40%，H2分别为2.5%，5.0%，7.5%，10.0%，12.0%和15.0%。其余为N2
9、的设定比例配制而成。试样为武钢高炉使用的自产烧结矿和鄂州球团矿，试样粒度10-12.5mm，还原剂流量为15L/min。试验研究结果列入表4。,13,表4 温度和还原气成分对铁矿石还原的影响,14,试验研究结果表明：1）在中低温度区间内（600-900）H2含量从2.5%提高到5%-7%时，烧结矿和球团矿还原度提高很明显，而H2含量继续提高到10%及以上，还原度提高幅度不大。2）在试验研究的温度和煤气H2含量的范围内，烧结矿的还原性明显优于球团矿，而在900-1000时，低H2含量（2.5%）烧结矿的还原性仍明显优于球团矿，高还原气体中H2含量提高到5%以上时，烧结矿与球团矿的还原性差异很微小
10、。由此得出结论还原性气体中H2含量5%-7%对改善高炉间接还原，提高煤气利用率有重要作用，过高的H2含量这一作用不大或无作用。,15,在高炉生产中风口前燃料燃烧形成的煤气中含H2量与喷吹燃料中的含H2量和喷吹量，鼓风中湿度和富氧量等有关，在喷吹重油，天然气，高挥发分的长焰烟煤时，燃烧带中形成煤气中含H2量就高，同样高富氧（8%-14%）时为维持合适的理论燃烧温度而加湿鼓风时，煤气中N2含量减少，H2含量和CO含量增加。例如前苏联契钢（现俄罗斯“北方巨人”）喷吹天然气50m3/t时，燃烧带形成的煤气中H2 5.6%，CO 39.3%，N2 55.1%而喷吹天然气100m3/t时煤气中H2达11%
11、以上，CO则降为38.5%，N2 50.9%，随着天然气喷吹量增加，CO和H2的变化示于图3。,2.3 生产实践中H2行为,16,从图中可以观察到，在天然气喷吹量低于80m3/t时，煤气中H2发展了铁矿石的间接还原，H2提高也促进了CO提高。而在喷吹量超过80m3/t时，H2趋于降低，而CO则明显降低。而当天然气喷吹量到100m3/t，H2开始下降，CO则由0.43降到0.42以下，而当天然气喷吹量提高到150m3/t时，CO降低到不喷吹天然气时的水平，如果天然气喷吹量超过150m3/t，则CO降到0.40以下，比不喷吹时还要低8%。,图3 前苏联契钢喷吹天然气后CO和H2的变化,17,从上面
12、冶炼过程热力学和动力学分析，实验室研究结果以及生产高炉富H2煤气的生产业绩，可以得出结论，在高炉炼铁中，煤气中H2含量并不是越多越好，而需要适量，即燃烧带形成的煤气中H2含量5%-8%。至于喷吹焦炉煤气则需要分析高炉冶炼的生产条件。特别要分析投入和产出是否合理，是获利还是亏损。喷吹焦炉煤气的投入有：煤气需加压, 焦化厂出来的焦炉煤气，压力低（在0.2KPa左右）要喷入高炉，必须加设加压站将焦炉煤气压力加压到超过热风压力；增添焦炉煤气清洗设施，焦化厂出来的煤气中残留有相当数量的焦油，硫化氢等，它们会腐蚀煤气加压机，所以进加压机前要再进行一次精清洗，以保证加压机长期安全运行；喷吹焦炉煤气的喷嘴不同
13、于喷煤粉，需要专门设计改造风口和直吹管结构达到煤气与鼓风很好地混合，使焦炉煤气在燃烧带内全部燃烧成CO和H2，如果混合不好，焦炉煤气不能全部燃烧成CO和H2则在高温下裂化而产生大量碳黑，其负面影响远大于未燃煤粉。,2.4 分析结果,18,喷吹焦炉煤气的产出：在前面已述及，焦炉煤气在风口前燃烧放热非常少仅为焦炭在风口前燃烧放热的1%-2%，煤粉燃烧放热的3%左右，甚至只有天然气的1/10-1/20。同时燃烧消耗的风量很小（0.5-0.6m3/m3），热风带入热量也随之减少（只有喷吹煤粉的10%）；焦炉煤气的置换比在低喷吹量时不超过0.45kg/m3，而在高喷吹量时降到0.35-0.40 kg/m
14、3。因此寄希望于喷吹焦炉煤气来降低燃料比是不现实的。喷吹100m3/t焦炉煤气是需要认真地论证和研究，不宜冒然在高炉生产中推广。在现代技术水平的条件，焦炉煤气利用的最佳途径是生产甲醇，效益最好。,19,3 经济喷煤量,高炉喷吹煤粉的目的是用煤粉中的碳置换焦炭中的碳，在风口前燃烧放热和形成间接还原的还原剂CO和H2，但是焦炭的重要作用之一是保证高炉料柱具有良好的透气性和透液性，以保证高炉冶炼过程顺利进行，也就是常说的焦炭的骨架作用和高炉顺行的保证者，所以喷吹燃料，包括喷吹煤粉量是受焦炭这个作用的限制，到目前为止，一般认为喷煤量的极限量是燃料比的50%，人们设定的目标是250kg/t煤比，250k
15、g/t焦比，燃料比500kg/t， ，但是至今燃料比可以长期维持在500kg/t以下（最低420-460kg/t），但是没有一座高炉能长期维持喷煤率达到50%。只有少数高炉维持在40%左右，大多数高炉维持在25%-30%，即在燃料比500kg/t喷吹煤粉量维持在125-150kg/t。,20,长期以来，作者根据中国高炉炼铁的冶炼条件：入炉品位571%；渣量32020kg/t；燃料比53020kg/t；吨铁风量1200200m3/t；风温1100100；富氧1.5%-3.5%；鼓风湿度不调湿波动在1%-3%。计算出适合于此条件的喷煤量在13020kg/t。因而提出经济喷煤量概念，它就是最适合于冶
16、炼条件的，置换比0.8kg/kg以上，燃料比稳定在53020kg/t可取得较好效益的喷煤量。但是有的炼铁工作者，专家认为我们这种提法制约了生产者提高喷煤量的积极性，认为目前中国炼铁喷煤量还有相当大的差距，应该鼓励创造条件进一步提高喷煤量以节约更多的焦炭。,21,我们认为在任何时候喷煤量都应该适应于冶炼条件，超越冶炼条件的大喷煤量必定是置换比较低，燃料比升高。目前相当多的中小高炉的燃料比高的原因之一，就是喷煤量超越了冶炼条件允许的经济喷煤量，例如有的高炉入炉品位降到57%以下，渣量超过了350kg/t达到400kg/t，风温不足1100，富氧很少或者不富氧，而喷煤量则超过170kg/t。造成大量
17、未燃煤粉进入炉尘和布袋灰，使布袋灰成为含碳45%-50%的高灰分煤粉，置换比下降，燃料比在550kg/t以上。实际生产表明，世界上任何高炉不会这样片面追求高喷煤量，结果只会是燃料比升高，CO2排放量增大。,22,要使高炉炼铁获得好的业绩，必须具有一定的最基本条件，喷吹煤粉也是如此，要提高喷煤量，1）必须解决和克服制约喷煤量提高的因素，最关键的是保证煤粉在风口前的燃烧率，减少随煤气流入料柱的未燃煤粉，喷吹无烟煤时燃烧率应80%，喷吹烟煤或挥发分20%左右的混合煤时，燃烧率应70%，燃烧率过低。一则减少了煤粉中碳在风口前燃烧放热，降低了煤粉碳置换焦炭碳的作用；二则产生的过多未燃煤粉降低了料柱的孔隙
18、度，增加煤气穿过料柱的阻力，严重时影响炉况顺行；三则随煤气逸出高炉，使重力灰和布袋灰中的碳含量升高，降低了喷吹煤粉在高炉内的利用率，导致置换比降低例如某厂高炉大喷煤时煤比超过250kg/t，重力灰中碳含量升高，煤气洗涤水表面漂浮油花般的煤粉，超过200kg/t以上煤粉的置换比降到0.5-0.6kg/kg），要保证煤粉燃烧率要采用富氧使燃烧的空气过剩达到1.15以上；要提高风温加速反应速度，要将煤粉磨到适当细度（无烟煤-200目超过80%，烟煤或混合煤达70%以上）以增加煤粉反应表面积和表面活性点来加快燃烧速度，要均匀喷吹；,23,2）消除个别风口脉冲式黑团煤气流，保证高炉炉况顺行，提高喷煤量后
19、，造成料柱空隙度降低，风口前燃烧形成的炉腹煤气量增加，结果单位高度上的压差 升高，当 升高接近甚至超过炉料的堆积密度r料时，高炉就首先出现难行，继续发生悬料，而顺行是高炉生产头等重要的炉况，高炉难行，悬料必然造成生产指标恶化，本来希望提高喷煤来改善操作及其指标，结果适得其反，因此要提高喷煤量，必须使 不升高，就要通过技术措施使料柱的空隙度维持在较好的数值，炉腹煤气量不增加或增加到允许的数量，这要求重视原燃料质量和提高富氧量。,24,3）维持高喷煤量下炉缸活跃和具有良好的热状态。活跃的炉缸表现在有足够大的燃烧带保证煤气初始分布合理， n=燃烧带环圈面积/炉缸截面积的比值：大高炉应维持在0.5左右
20、，而中型高炉则维持在0.55-0.6，小高炉维持在0.65左右，活跃炉缸的另一个重要标志就是死料柱有良好的透气性和透液性，这要有优质焦炭和较低的炉渣滞留来保证，良好的炉缸热状态特征是t理维持在220050，焦炭进入燃烧带时的温度达到0.75t理和有必要的热贮备630KJ/kg生铁，其中最重要的是t理，大喷煤后煤粉分解耗热增加，焦炭带入燃烧带热量减少，煤气体积增大，将导致t理下降：长焰烟煤3.5/kg，烟煤2.8/kg，无烟煤1.5-1.8/kg。需要通过提高风温和富氧来补偿，每100风温提高t理60-80，每1%富氧提高t理45-50。,25,基于以上分析，我们提出喷吹180200kg/t煤粉
21、的必要条件：渣量280kg/t以下，200kg/t以上时要260kg/t以下；风温12501280；富氧3.0%5.0%；焦炭质量灰分在12%以下，S 0.7%以下，M40 90%以上，M10 6%以下，CRI 24%以下，CSR 65%以上，平均粒度5055mm，烧结矿以SFCA的高碱度烧结矿与含MgO酸性球团或低SiO2低Al2O3块矿搭配的炉料结构，均匀喷吹各风口之间的不均匀应在3%不超过5%，煤粉的灰分和硫均应低于焦炭，挥发分18%-20%，灰熔点在1500等，如果上述条件有1-2项达不到要求，就不宜冒然提高喷煤量，否则将造成燃料比升高，达不到低碳低成本炼铁。现在我国高炉冶炼条件在劣化
22、，入炉品位降低，渣量增加，焦炭质量在降低，部分原来高喷煤量的高炉的喷煤量有所下降，例如宝钢2013年已降到与其冶炼条件相适应的经济喷煤量160-170kg/t达到低燃料比低碳和低成本炼铁。,26,4.1质量评估从焦炭是高炉冶炼过程中热量的提供者的作用分析，焦炭的质量要求是固定碳含量要高，灰分要低，S要低，以焦炭在高炉内放出的净热量，即焦炭中碳燃烧成CO放出的热量扣除自身的灰分造渣和脱S消耗热量以后，可以提供给冶炼的热量，从计算式可以看出：,4.焦炭质量,27,但是中国炼焦煤的特点就是灰分高S低，因此中国焦炭的特点也就是灰分高S低，用国产煤炼焦挥发降到12%以下是很困难的，炼铁工作者要理智地认清
23、国情，而用1/3焦煤（即气煤）炼捣固焦可以少量降低灰分，因为气煤与焦煤正好相反，灰分低而S偏高。从焦炭的骨架作用分析任何生产液态铁水的竖炉（包括高炉，COREX熔融还原炉，Finex熔融还原炉等），都离不开焦炭，其离不开的原因就是料柱骨架作用，为保证这一作用高炉用焦炭质量指标中最重要的是强度指标冷强度M40，M10，热强度CSR（与CO2反应后强度）。炼铁工作者都知道，焦炭在高炉内经受了4个方面的劣化：,28,1）热应力 焦炭入炉后被加热，由于它的导热性能较差，焦块表面与中心之间温度差在150-250，这个温差造成的应力作用，使焦炭沿着出炉时就存在的微孔隙破裂，产生5mm的焦粉；2）摩擦 不同
24、运动速度的焦炭与炉料之间，焦炭与炉墙之间的摩擦使耐磨性能差的焦块（M10指标差的焦炭）产生大量粉末，或随煤气进入炉尘，或残留在料柱，降低料柱空隙度而影响 ，特别在炉缸燃烧带作循环运动的焦炭与死料柱边界焦炭之间摩擦产生焦粉，影响炉缸状态及死料柱的空隙度；3）碳素溶解损失反应 焦炭中的碳与煤气中的CO2反应C+CO2=2CO，将焦炭表面溶蚀成蜂窝状，强度降低，CRI指标差的焦炭，以及入炉K2O，Na2O等有害元素高的高炉，这个劣化作用最大，是焦炭质量变差的主要原因；4）铁渗碳反应溶蚀 滴落带中的焦炭以及炉缸中浸堆在铁水中的焦炭，受此劣化作用大，它对死料柱透气性和透液性影响严重，也影响炉缸铁水环流。
25、,29,随着喷煤量的增加，焦炭在炉内停留时间延长，焦炭劣化更严重，宝钢和首钢迁钢的研究表明：1）喷煤量由0kg/t到100kg/t和200kg/t，焦炭在炉内停留时间有6.5h延长到9.06h和14.92h；2）宝钢焦炭溶损率相应由不喷煤时的29.63%提高喷100kg/t煤粉时的到36.25%和喷吹200kg/t时的46.67%，迁钢焦炭的粒度降解达到60%-68%，两厂高炉到达风口前的焦炭粒度由50-54mm降低17-13.5mm。我们通过统计研究，提出了评估焦炭质量的体系，设定焦炭质量总分为100分，则最重要的灰分、M10、CSR各占20分；M40(或M25)、CRI各占15分，硫占10
26、分，并制定了评价规则，还为河北某厂建立了1780m3高炉和450m3高炉焦炭分级评分标准：,30,表5 焦炭评价规则,31,表6 1780m3高炉高炉使用焦炭分级评分标准,32,表7 450m3高炉使用焦炭分级评分标准,关于焦炭还需要分析两个问题：焦炭的反应性和捣固焦质量。,33,4.2焦炭反应性,众所周知，焦炭反应性是指焦炭在高炉内与CO2反应能力的强弱，也有人称它为焦炭气化活性大小的量度，高炉内C焦+CO2煤气=2CO的反应称之为焦炭溶损反应，是个吸热反应，在高炉内反应温度8501200，吸热170165kJ/mol。如果焦炭到达燃烧带与热风中氧气反应C焦+1/2O2=CO则是放热反应，放
27、热115 kJ/mol以上。这样如果焦炭的反应性强，它在下降过程中与高炉煤气间接还原生成的CO2和H2O反应将吸收大量的热，而又使风口前燃烧带要燃烧更多的燃料以提供其消耗的热量。历来高炉炼铁工作者不希望焦炭的反应性过强。但是目前有相当多的炼焦工作者和炼铁工作者们提出生产反应性强的焦炭，他们认为碳素溶损反应可以生成更多的CO和H2，对间接还原发展有利，可以减少单位生铁的碳消耗，有人更是提出这是当前低碳炼铁的发展方向之一。有人则认为高反应性焦炭活性大，气化快，为强化冶炼提供了良好的基础。,34,作者认为这种提法是不符合热力学原理的，这个溶损反应发展越多，不是发展间接还原，而是发展了直接还原。从还原
28、的热力学知道，高炉内的直接还原是两个气相反应的合成：FeO+COFe+CO2 放热 FeO+H2Fe+H2O 吸热CO2+C2CO 吸热 或 H2O+CH2+CO吸热FeO+CFe+CO吸热 FeO+CFe+CO吸热,35,在高炉中下部碳素溶损反应发生越多，直接还原发展也越多，消耗的高温热量也越多，需要补偿直接还原耗热而在风口前燃烧的碳也越多，单位生铁的燃料比也越高。现在高炉的直接还原度过高是燃料比高的原因之一，要大力发展间接还原，提高煤气利用率才是实现低碳炼铁应该大力提倡的方向。应该说C焦+CO2煤气=2CO的反应能力过低，也不是我们要提倡的。过低的反应性影响焦炭的气化速度，一是焦炭在风口前
29、燃烧速度减慢，降低燃烧强度和高炉强化程度，影响高炉生产指标。另一是单位时间内放热减少，影响冶炼热量供需平衡。欧洲人认为过低的焦炭反应性影响焦炭使用价值，要打8.5折。,36,4.3捣固焦质量,捣固炼焦是生产焦炭时降低炼焦煤使用数量，也就是节约炼焦煤的技术，国内外都在采用这项技术。它用适当压强的捣锤将配煤捣压，使配煤的堆积密度增加（顶装焦用煤堆积密度0.80.85t/m3，而捣固焦配煤堆积密度达到0.951.05 t/m3）。在配煤中用1/3焦煤（即气煤）代替20%25%焦煤，这样减少了总的胶质数量，但胶质粘结煤的距离因堆积密度增大而减小，使有限的胶质能黏结更多的煤粒。在堆积密度适当（1.0t/
30、m3左右）代替焦煤比例不超过25%，炼焦过程中加热和供热参数合理的情况下，可炼出适用于高炉的捣固焦。国外捣固焦已用于2500 4000 m3级高炉，我国也有2座3200m3高炉使用（涟钢和兴澄），取得较好的使用效果。但总体来说，中国捣固焦质量还存在一定的问题，阻碍了捣固焦在大高炉上使用，其原因在于：,37,1）配煤不规范配煤中焦煤和肥煤数量减少过多，气煤比例过高，有个别独立焦化厂甚至完全用气煤捣固炼焦造成捣固焦质量参差不齐。众所周知，炼焦生产焦炭主要靠胶质层，而将焦煤和肥煤减少过多使胶质大量减少，就炼不出高质量焦炭，焦炭的粒度普遍较小，满足不了大高炉生产的要求。2）捣固压强过高为弥补胶质的减少
31、，生产者想借用高压强捣固来尽可能缩小煤粒之间的距离，将配煤的堆积粒度增大到1.10以上，达到1.15t/m3，生产出的焦炭捣鼓层内孔隙极少，而两捣固层间出现大的横向闭气孔，影响焦炭质量。用普通顶装焦测定反应性和反应后强度方法测得捣固焦CRI和CSR都达到顶装焦指标的要求，但装入高炉后，捣固焦表现则差，造成炉况波动，甚至失常，这样的例子屡见不鲜。,38,3）顶装焦炉生产已相当成熟，其加热工艺参数已很完善。 而捣固焦生产的工艺参数尚在研究之中，不够完善。焦炉两端明显地出现黑头焦，也就是结焦未很好完成，基本上是无定形碳而缺少必要数量的石墨（焦炭中石墨占50%左右，使焦炭断面呈银灰色），质量较差。加入
32、高炉后经过劣化因素的作用，产生大量粉末，使炉况失常。 总的来说捣固焦生产还需要加强研究，优化参数，规范配煤和捣固压强等使捣固焦质量提高以适应2000m3级以上高炉使用。,39,4.4 国内外高炉焦炭比较,有专家以国外大型高炉原料条件为依据，得出高炉大型化对原料品质提高的要求是有限的，表8是专家提出的德国蒂森公司4座容积2132m3，2500m3，4407m3和5513m3高炉操作指标的对比。,表8 德国蒂森高炉操作指标（2011,1-5月）,40,从指标看，4座高炉原燃料条件基本一致，而炉容相差很大，高炉操作指标基本相同，如果我们仔细地分析，不难看出，德国高炉用的原燃料是真正的精料，从渣量28
33、8kg/t，估算其2132m3高炉和比它大的2500，4407，5513m3的入炉品位都相当高，也达到我国5000m3高炉的入炉品位，而焦炭的CSR/CRI指标比中国5000m3级高炉用焦还好，更不说德国焦炭的灰分只有9-10%，比我国最好的宝钢焦炭还低2-3%，也就是说德国2132m3高炉的原燃料条件，已能满足5000m3级高炉生产的要求，总体上比中国5000级高炉用原燃料质量只高不低，而在中国就完全不一样了，如果我们也用目前中国2000m3级高炉的原燃料用到5000m3级高炉进行生产，那5000m3高炉生产将会出现什么样的情景。不用说整体质量，就仅一项焦炭变差，就够咱们炼铁工作者折腾的，这
34、样的例子已很多了，所以任何国外的经验都要按国内具体条件来分析，是否适用！故不可不顾条件而盲目适用，其结果只会带来负面作用。,41,对不同容积的高炉提出适合于相应炉容的原燃料质量要求，证实符合中国高炉炼铁实际情况的。不应降低这种符合国情的质量要求，视作是对高炉炼铁原燃料质量的苛求，特别是为了焦炭成本而片面降低焦炭质量只会造成燃料的升高，CO2排放增加，与当前降低单位产品能耗，低碳炼铁是背道而驰的。,42,表 焦炭质量要求,43,44,5.操作上的中心加焦,中心加焦是无钟炉顶布料技术中的一项内容，现广泛应用于国内外无钟炉顶的高炉生产。据不完全统计，世界上有90%95%高炉应用中心加焦。在中心加焦技
35、术上存在两种观点：一是加焦是控制高炉顺行的重要手段，另一是中心加焦使高炉中心部无矿或矿很少，不利于煤气利用，使炉顶CO低，是中国高炉目前燃料比偏高的原因之一。两种观点各有生产高炉的业绩作为依据。对于各生产厂和高炉操作者应该如何应用这项中心加焦技术，需要从高炉生产煤气流分布和高炉料柱的透气性、透液性的规律来观察分析。,45,首先应明确的，中心加焦并不是单纯从炉顶炉料分布考虑的，而是从全炉煤气流分布和料柱的阻力考虑的。全面地分析中心加焦作用有五个方面：1）减少中心带的矿焦比，以稳定和加强中心气流；2）降低中心带焦炭的溶损以阻止焦炭表面的剥落和溶蚀，中心矿少，气流中CO2少，焦炭的熔损气化反应进行少
36、，且缓慢，使大粒焦保持良好的粒度和性能，置换死料柱的焦炭；3）促使倒V型软熔带的形成；4）以大块焦炭置换死料柱内的焦炭；5）改善炉缸内焦柱的透气性和透液性，活跃炉缸。,46,现在，有部分厂家高炉工作者和专家认为中心加焦造成中心部分无矿形成上下贯通的无矿焦柱，使煤气流部分通过这个焦柱未遇矿石而没有充分发挥煤气还原和热交换作用，中心气流温度过高，CO数量过多而造成煤气的化学能和热能没有充分利用，结果炉顶温度偏高，CO偏低，而造成燃料比偏高。因此他们认为中心加焦是没有必要的，若过分夸大中心加焦作用，只会造成燃料比升高，他们在国内大力推广取消中心加焦技术。,47,然而，他们是以个例来概括全部高炉生产，
37、不可避免的会得出与大部分高炉实际生产条件不相适应的片面结论。首先用模型显示中心加焦高炉上中心无矿，形成贯通的无焦料柱不全面的。中心加焦只是降低中心矿焦比，通过无钟炉顶“平台加浅漏斗”的布料不可能中心无矿，特别是使用球团矿比例较多的高炉。利用中心加焦只是寻找对中心来说合适的矿焦比以稳定和加强中心气流。第二，中心加焦很重要的作用是大块强度好的焦炭加在中心是改善目前存在的大量W型甚至V型软熔带的状况。W型和V型软熔带是煤气流利用差的软熔带，是造成炉况顺行欠佳，煤气利用率差的原因。第三，大块焦炭加在中心部位保证死料柱的透气性透液性是高炉顺行，特别是活跃炉缸的保证。,48,问题是中心加焦是加什么样的焦和
38、加多少焦，这要根据具体高炉的冶炼条件来选择，至今并无现成的方法可以照搬。当然应该在中心部位加粒度大的强度好的焦炭，使他们到达炉缸仍能有足够的块度和良好的空隙度，至于加的数量，从世界范围内看少的5%，多的20%-25%。有不少高炉利用中心加焦操作取得很好的业绩，例如德国蒂森公司，韩国浦项公司的高炉。中心加焦后的燃料比都低于我国大型高炉。,49,在这里要说清楚的，我们并不是要所有的高炉都采用中心加焦，不希望产生不用中心加焦就得不到炉况顺行的错觉。湘钢10%鞍钢18%-28%（11号炉）武钢15%（5号炉）中心加焦过多，而且加焦时焦炭粒度不均C变小，同时边缘过死。1/3R 类似于斜式 两种布料 较窄
39、平台较深漏斗，大焦块滚入中心1/2R 较宽平台较浅漏斗，中心加焦，前者要焦矿，尤其是焦炭粒度大而均匀，强度好，下部用小风口长风口配合。后者要求中心加焦的焦炭无粉和小焦，粒度大而且强度好，,50,两种十字测温曲线：,韶关取消中心加焦,51,如果焦炭质量很好，平均粒度50mm，采用合适的平台加漏斗布料，强度好而且颗粒大的滚到中心，达到有稳定和较合适的中心气流，即保证倒V型软熔带，又能使炉缸活跃，就不必中心加焦，这也是世界上并不是所有高炉都采用中心加焦的原因。是否中心加焦需要全盘考虑，保证原燃料质量是中心加焦的基础，在原燃料质量较差时，中心加焦，会改善高炉顺行状况，利于高炉吸纳各种矛盾，如果强行取消
40、中心加焦，高炉顺行保证不了，可能得不偿失。,52,高炉炼铁成本最简单的表达式为：S=KJk+MJM+PJP+J+G即：成本=焦比焦价+煤比煤价+矿石消耗矿价+熔剂消耗熔剂价+其他费用。其中：矿石消耗=烧结矿量+球团矿量+富块矿量，t/t；矿价分别为烧结矿价，球团矿价和富块矿价，元/t；熔剂消耗=石灰石量+白云石量+蛇纹石量+硅石量，t/t；熔剂分别为石灰石价，白云石价，蛇纹石价和硅石价，元/t。其他费用分为2类：一类是随生铁产量而变的，例如动力消耗费用；另一类是不随产量变动的，例如工人工资，车间费用等。,6.成本,53,从成本结构来分析，一定要建立完整的科学概念，而不是见什么便宜就买什么，以为
41、便宜了成本也随之会降低，实际上却是得不偿失，成本不降反升，因此要清晰的分析：焦炭价低生铁成本低碳消耗低煤粉价低生铁成本低低碳烧结矿成本低生铁成本一定降低碳消耗降低因为影响成本的不单纯是原燃料的价格，而是原燃料消耗原燃料价格。,54,例如前段时间广泛流传的低价低品位矿可以降低成本取得十几亿甚至几十亿的经济效益，这种片面的传言使很多企业上当。在由正常入炉品位提降低到低价矿50%2时候造成的影响：矿石消耗上升由1.65t/t上升到2.0t/t，增加矿石消耗300350kg/t。燃料上升：按现代高炉生产来计算，每降低1个品位燃料比上升1.6%，这样燃料比上升6568kg/t；由于燃料比升高，吨铁风耗增
42、加270m3/t300m3/t。矿石品位下降，燃料比升高，为造渣脱硫，熔剂消耗增加，总的使渣量上升100kg/t以上，有时渣量要上升至500kg/t。它将使料柱阻力增加，尤其是滴落带内炉渣滞留量增加，焦柱的实际空隙度c-ht降低，造成炉况顺行变差，为保证高炉顺行就要适当放开边缘，煤气化学能和热能利用变差，co下降，t顶升高，同时炉腹煤气量增大，有时要被迫降低冶强，因此产量影响很大。产量下降成本中的G部分增大。,55,这样计算下来生铁成本不会降低，只会增加。更为严重的是一些进口低价杂矿中含有对钢质量影响的少量元素，所以轧出来的材料夹杂很多，影响钢材性能，也影响销售。一些厂的教训是应该广泛吸取的。
43、我们认为建立原燃料质量评价系统必须是以降低铁水成本为基础，而不是只顾本部门的成本。还需重视的是成本不仅是原燃料价格和消耗的函数，而且还与生产组织有关，特别要注意市场动向。长期以来，由于中国金属基础薄弱，国民经济对钢铁发展需求大，我国的钢铁产量供不应求，所以生产厂家一直遵循着以最高产量和最大效益为目标组织生产，其效果可以从下面两个图（图4、图5）看出。,56,图4 冶炼强度与产量和燃料比的关系 1-产量；2-燃料比；I-燃料比最低时的冶炼强度；II-产量最高时的冶炼强度。,图5 供不应求时，产量（P）对生铁成本（S）和生产盈利（A）的影响,就是以提高冶炼强度为主要手段，在燃料比稍高于最低燃料比的
44、情况下组织生产，达到最高产量。又在比最低成本稍高的产量下进行生产。而为使企业获得效益最高，这样在那些年代，企业获得了相当丰厚的效益。近几年情况出现了大变化，就是产能大幅度增加，国民经济建设增长速度减慢或维持稳定的增速，对钢铁需求量减少，出现了供大于求的局面。这时市场疲软，市场价格波动和下行，即C线向下移动。随着C线下移，企业效益减少，一旦C线降到S线以下，企业就出现亏损。,I1,I2,57,所以当今生产厂家和企业领导不能再沿袭过去的那种方式组织生产，而是要以低碳低成本为目标来组织生产。这时要寻求冶炼条件下能保证炉况顺行，使高炉稳定高产的最高允许炉腹煤气量，将高炉生产稳定在最佳炉腹煤气量的情况下
45、生产，达到最低的碳消耗和低成本炼铁。而不能再维持高冶炼强度高碳消耗的生产局面，找到合适的炉腹煤气量时的冶炼强度，就可以达到图4上线2的最低燃料比，也就是最低碳消耗，实现低碳炼铁。,图6 供大于求市场价格波动（C）对生铁成本（S）和生产盈亏（B）的影响,58,计算炉腹煤气量的方法较多，这里建议按最简单的从流体力学导出的及计算方法来寻求最大允许炉腹煤气量： 式中： V炉腹max-冶炼条件下允许最大炉腹煤气量，m3/min； P热风-热风压力，100Pa； P顶-炉顶煤气压力，100Pa； K-全炉透气阻力系数，K与高炉容积关系示于图7,59,例如某4000m3级高炉P热风=0.396MPa，P顶=
46、0.22MPa，其K值从图上找出最佳2.6，最高不宜高过3.0。V炉腹max=3960+10332-(2200+1033)2 /3.00.588=8400m3/min由此得出V风max=64006500m3/min。该高炉以这样的炉腹煤气量和风量生产获得燃料比486490kg/t，利用系数2.202.24t/(m3d)。,图7 透气阻力系数K与高炉炉容Vu的关系,60,7.结论,在现代高炉冶炼条件下，大量喷吹H2或高富H2燃料，并不能获得低燃料比和高的煤气利用率，适度增加炉腹煤气中的H2含量7%左右更有利于提高煤气利用率和降低燃料比。要实现低碳低成本炼铁，一定要维持与冶炼条件相适应的经济喷煤量
47、。作者提出的在现在中国高炉冶炼条件下的经喷煤量为13020kg/t，其目的是在未创造更好的冶炼条件时，不宜盲从片面提高喷煤量。焦炭质量是决定高炉炉容大小，喷煤量高低，炉缸状态的重要因素，不宜以某一特例的生产现象而产生对焦炭质量降低要求的建议。特别要重视灰分、M10，CSR三个指标，力求达到较好的指标。对大型高炉来说，灰分低于12%，M1066%；对小型高炉，灰分低于12.5%，M1058%60%。,61,7.结论,对中心加焦要全面评估它的作用，不论是否中心加焦，一定要保证必要的中心气流，控制煤气流三次分布和活跃的炉缸。在炼铁产能过大，市场供大于求的局面下，要寻求和实现低碳冶炼达到低成本，要转变长期以来片面追求高冶炼强度达到高利用系数的传统观念，建议以最大的炉腹煤气量来组织高炉生产，实现低燃料、稳产的效果。,62,62,谢 谢！,
