（冶金工程专业论文）酒钢1＃高炉热平衡测试与节能研究.pdf

嚣藏建筑辩搜大学壤士论文 酒钢1 4 黼炉热平衡测试与节能研究 专犍：冶金工程 礤究生：薅毙攀 攒导教师：华建社剽教授 马矮艨辩工 耩受 高炉热平衡测试是评价嵩炉热能利用、分析高炉热工特性昀有效方法；对寻求 高炉节麓醛髓、提离垒产效率秘提高设备寿俞霄蕊大突际意义；通过热平衡溪4 试与 分橱，为改谶糍炉的操作及技术改造撼供科学依撼。 本漂爨懿翳戆是逶过霹灌镄1 4 蘸萨遂嚣热乎稳溅试，译蛰蒺热憝穗罨农乎；嚣 弼f i s t 搽佟线，确定酒锻1 4 嵩炉的簿焦潜力；提如洚焦措施。 通过对滔钢1 。高炉的熬平徽测试，进行1 8 裔舻的物料平衡和热平衡计算，理论 低碳比计算，r i s t 曲线的绘制。得嫩高炉髓源利用率为9 0 4 9 ，炉身效率秀 鞲啦，理论激低焦魄为5 0 6 7 2 k g t ，降低燃料比姚潜力为8 3 3 7 k g t 。 缝会滋试诗葵续果，应潮校关豹蹇炉炼铁褒论翘谈察热力学理论辩谖，势辑7 滔钢高炉一年采在热能剃塌方掰取得逡步的原嚣。能鬣剩用率提高酌主舞原因在于 离炉操馋搜术的避步；铁品位撮离：入炉粉末窘娥黪低。热能利用方越枣在熬不是 之处主要膏总热损失大；炉尘含摄高，商达2 0 9 7 的余热未被利用，热损失大。提 迄节能辫焦戆搭麓有；改善妒料的还原蠖；采翔大蹴羹、多环蠢辩、全开风毯传遂 瓣装耨裁壤；魏买蔫菇穰入炉矿石、炉精分缓入妒；添热潆气袭鼓风浆麓涅设薅巍 逶萼亍热风炉默燃空气彝煤气鞭热鼹裹袋澹等。势鞭溅了熬分荣藏懿效袋。疆麓实蓬 盾，入炉焦比降低了4 3 k g t ，综含焦比降低了4 7 k g t 。 关键诞：藤炉，热平袋，陲焦接藏 论文类激；寝焉硒突 西安建筑科技大学硕士论文 t h eb l a n c eo f h e a t t e s t i n ga n d d i c l i n es a v ee n e r g y s t u d y i n ga b o u t n o 1 t h eb l a s tf u r n a c eo ft h ej i u q u a ni r o na n d s t e l l c o m s p e c i a l i t y ：m e t a l l u r g ye n g i n e e r i n g s t u d e n t ：f u g u a n g j n n i n s t r u c o r ：n aj i a n s h e m az h i l i a n a b s t r a c t t h eb l a s tf u r n a c et h e r m a le q u i l i b r i u mt e s ti se f f e c t i v em e t h o da p p r a i s i n gb l a s tf u r n a c eh e a t e n e r g yu t i l i z a t i o na n da n a l y s i sh o tw o r k e r ss p e c i f i cp r o p e r t yo f b l a s tf u r n a c e ； s e e k i n g b l a s tf u r n a c es a v ee n e r g yf a l l sa n dc o n s u m e s ，r a i s e s p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y a n dr a i s e s e q u i p m e n t t oh a v et h eg r e a tr e a l m e a n i n gi n l i f e s p a n ；t e s ta n da n a l y s e sb yw a yo ft h e r m a l e q u i l i b r i u m ，a n dp r o v i d i n gt h es c i e n c eb a s i sf o ri m p r o v i n go p e r a t i n go fb l a s tf u r n a c ea n dt e c h n i c a l t r a n s f o r m a t i o n p u r p o s et h a tt h i s l e s s o np a s s t o j i u q u a ni r o n & s t e e ln o 1 t h eb l a s tf u m a c ep r o c e e d sh o t e q u i l i b r i u mt e s t ，e v a l u a t ei t st h e r m a le n e r g ym a k e u s eo f t h el e v e l ；m a k eu s eo f t h er i s to p e r a t i o nt h e l i n e ，c e r t a i np o t e n t i a lo fr e d u s et h ec o k eo f t h ej i u q u a ni r o na n d s t e e l c o m ：b r i n gu pt o d e c l i n et h ec o k em e a s u r e 。 p a s st ot h et h eb l a s tf u r n a c e sh o te q u i l i b r i u mt e s to fj i u q u a ni r o na n ds t e e ln o 1 ， p r o c e e d s n o 1t h em a t e r i a l e q u i l i b r i u m o ft h en u m b e rt h eb l a s tf u r n a c ew i t hh o te q u i l i b r i u m c a l c u l a t i o n ，l o w e s tc a r b o no f t h e o r i e sr a t i oc a l c u l a t i o n ，t h e r i s tc u e d r a w 。n o 1 t h ed e c l i n i n g o f t h e b l a s tf u r n a c eb o d yo ft h en u m b e rt h eb l a s tf u r n a c ee f f i c i e n c yi s8 4 9 2 ，t h el o w e s tc a r b o no f t h e o r i e sc o m p a r e t 0 4 1 6 6 5k g s t s ，a n d l o w e r t h e f u e l t h e p o t e n t i a l t h a tc o m p a r e t o8 3 3 7k g s t s 。 c o m b i n a t i o nt e s tc a l c u l a t i o nr e s u l t ，a p p l i e dk n o w l e d g eo fr e l a t e dp r o d u c e i n gi r o no ft h eb l a s t f u r n a c ea n dt h et h e o r i e sw i t ht h e r m o d y n a m i c st h e o r i e sk n o w l e d g e ，a n a l y z e dt h ew i n es t e e lt h eb l a s t f u r n a c eat h ei nt h el a s ty e a r sm a k eb s eo f t h ea s p e c tt h ea c q u i s i t i o ni nt h et h e r m a le n e r g ya d v a n c eo f r e a s o n 。t h em a i nr e a s o nt h a te n e r g yu t i l i z a t i o ni n c r e a s ec o n s i s ti n st h eb l a s tf u r n a c eo p e r a t i o nt h e p r i n c i p l e sa d v a n c e ：i r o ng r a d ei sr a i s e d ；g o i n gi n t os t o v ep o w d e r c o n t e n tr e d u c e s t h es h o r t c o m i n g t h a tt h eh e a te n e r g yu t i l i z a t i o na s p e c te x i s t sc h i e f l yh a st o t a lh e a tt ob el o s tg r e a t l y ；s t o v ed u s t c o n t e n ti s h i g h ，a n dr e a c h e st h es u r p l u se n e r g yo f2 0 9 7 n o tt ob eu s e d ，a n dt h eh e a ti s l o s tv e r y g r e a t l y p u t t i n gf o r w a r ds a v ee n e r g yf a l l st h a tt h eb u r n tm e a s l l r eh a s ：i m p r o v e sr e d u c t i o no f f u r n a c e c h a r g e ；u s el a r g eq u a n t i t i e so fw e i g h t sa n dm a n yr i n g sc o t t o nm a t e r i a la n dt h ef e e d i n gs y s t e mo f s t a n d a r d - s i z e ds h e e tw i n dg a ps c h o o l a s s i g n m e n t ；a d d i n g c o a l g a sa n d b l a s t s h e d d i n gt h ew e t i n s t a l l a t i o na n d p r e h e a t i n gr a i s i n g t h ew i n dt e m p e r a t u r ee t cw i t hc a r r y i n go nh o t - b l a s ts t o v e c o m b u s t i o n s u p p o r t i n ga i ra n dc o a lg a s a n dc a l c u l a t et h e e f f e c to fp a r to fm e a s u r e a i d e rt h e m e a s u r ei m p l e m e n t a t i o n ，t h ei n c o m es t o v ec o k er a t i oh a sr e d u c e dt h es y n t h e t i c a lc o k er a t i oo f 4 3 k g t ，a n dh a sr e d u c e d4 7 k g ，t k e y w o r d s ：t h e b l a s tf u r n a c e ，h o te q u i l i b r i u m t h em e a s u r ed e c l i n e i n gd o s a g eo f c o k e p a p e r t y p e r ：a p p l i c a t i o n r e s e a r c h 2 声瞩 本人郑熏声明我所熙交的论文是我个人在导师指好下 避行的研究工 乍及取褥懿磷究成果。尽我爨知，除了文中特 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 戴撰骂过熬醪究畿渠，连不毽含本人鬣其镶入在其它单位己 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我同工作的间志 对本硪究嚣撇麓所有贡献均已在论文孛俸了甓确麓落明并 表示了致谢。 窜请学位论文与资料若有不实之处，本人承握一讶稠关 赞任。 论文作卷签名：乎参寥 日期：删季w 关于论文使用授权的说明 本人完全了解透安建筑科技大学有关保留、使震学位论 文的规定，嚣p ：学校有权保留遴交论文的复印件，允许论文 被查阕蕃耍借阗；学校可以公布论文鲍全部或部分悫容，可数 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 僳密的论文在论文解密矮应遵守照规定) 论文作者签翻捕翩签名：笋隰川、? 西安建筑科技大学硕士论文 1 1 能平衡与热平衡 1 绪论 1 1 1 高温热工设备的能平衡与热平衡关系 能源是人类赖以生存的重要物质基础。在实际工程中，各种工艺设备随着生产 过程的进行，都伴随着各种形式的能量传递和转换过程。因此，能量的合理、科学 利用和能量平衡的研究与控制一直是工业企业乃至人类生活的各个方面的重要课 题。在当今的以热和高温为特征的工业企业中，热是能量利用的主要形式，因此， 开展能量平衡研究主要是热平衡研究。有鉴于此，在国标g b 2 5 8 7 8 1 中明确指出： “能量平衡简称能平衡，又称热平衡”。所谓热平衡，就是对用能进行科学的数量 分析，探索能源使用最优化的方法。热平衡是进入体系的热量与离开体系的热量之 间在数量上的平衡。 1 1 2 热平衡测试方法 一般而言，热平衡有两大类型：一是国家( 地区) 的热平衡，二是企业( 包括 设备) 的热平衡。设备热平衡是企业热平衡的基础；企业热平衡又是国家( 地区) 热平衡的基础：国家( 地区) 热平衡是企业( 设备) 热平衡的保证。设备热平衡是 以设备为体系，研究进入设备的热量和离开设备的热量在数量上的平衡关系( 一般 用热平衡方程式、热平衡表和热流图表示) ，并用热效率指标来体现设备的用能水 平。 设备热平衡试验( 测试) 一般采用正平衡法( 直接法) 、反平衡法( 间接法) 和 综合平衡法“。 正平衡法主要是直接测量设备的工质( 工况) 流量、参数和燃料消耗数量及其 发热量，按一定的公式求出设备的效率。正平衡法只能了解设备的出力状况和效率 高低，不能得出各项热损失，因而不能找出原因，不能得出改善设备工作的方法。 反平衡法是用测量设备各项热损失的方法来确定设备效率的方法。它不仅可了 解设备工作经济性好坏，并可从各项损失的分析中。找出减少损失、提高效率的途 径。 综合平衡法是将正平衡法和反平衡法的优点综合在一起，全面测定设备的各种 西安建筑科技大学硕士论文 参数的方法。它避免了正平衡法和反平衡法的缺点，包括、综合了二者的优点。是 目前所有热平衡试验中应用最多、最普遍的方法。 1 1 3 热平衡测试目的 开展热平衡测试的目的主要有：摸清体系的能耗状况：掌握用能水平；加强能 源科学管理；制定节能规划：改进工艺与设备。 1 1 4 高炉及其热平衡测试 炼铁高炉在世界工业史上起着非常重要的作用，它曾经是而且将继续是重工业 的主要基石的金属铁的主要生产工具。 约瑟夫e 约翰逊等在1 9 1 7 年给高炉下的定义如下【l 】： “高炉是一种使氧化铁矿石还原成液态铁的鼓风竖炉，它用的燃料必须是固体 而且要求适当的块度，还要求不含焦油成分，以保证炉缸燃烧产生的煤气通过。” 虽然这一定义对现代高炉并不很准确，但它至少包括了高炉的主体成分。定义 中提到的鼓风竖炉和使用燃料，明确说明了高炉属于高温热工设备。因此，高炉热 平衡测试就是高炉的能平衡测试。高炉热平衡测试通常是采用综合平衡法的方法进 行。 1 2 高炉炼铁发展史 回顾高炉炼铁的发展历程，无论是从洞穴炼铁还是到竖炉炼铁，直到如今的现 代高炉炼铁，炼铁生产一直是围绕着提高生产效率、降低能源消耗、提高设备寿命 和降低生产成本这条主线，进行着设备的更新和改进、生产工艺的改进和完善、生 产技术的提高和完善。1 1 】 1 2 1 古代炼铁 炼铁始于3 0 0 0 多年前的青铜时期。最初的炼铁是在洞穴中进行，所炼生铁是和 炉渣混合在一起的，所用燃料为木材。鼓风设备主要为人力风机；生产为间隙性生 产。 铁矿石在地球中和在地壳表面中的含量远高于铜，铁的金属性能优于铜，铁也 比铜更易于冶炼生产。由于社会生活与军事生活的需要，铁及铁器制品的需求量越 来越大，因而，铁的生产得到了大力发展，逐渐取代了铜，并发展成为炼铁行业。 2 西安建筑科技大学硕士论文 尽管中国的液态生铁生产早于欧洲1 4 0 0 多年，但具有标志性的炼铁是在1 4 世 纪及其以后，它是随着机械鼓风设备在炼铁生产中的广泛应用，炼铁业有了较快的 发展。其主要表现在： 设备与炉型方面 德国投入了被认为是世界最早的鼓风炉斯地克炉，它应用了水力风箱，将 炼铁鼓风设备由人力鼓风发展到水力鼓风，提高了风压； 炼铁炉型从洞穴演变为由两个截头锥体叠成，尤如现代高炉的炉身和炉腹，开 始币式大量生产液态生铁。较大的炉身减少了热损失，可以使炉内的温度达到较高 的温度。 工艺技术方面 此时的炼铁生产使用了两步法生产熟铁，即先在斯地克炉中生产出生铁，再在 缸形炉中将生铁熔化并脱炭，这近似于现代高炉炼铁生产和氧气转炉炼钢生产流 程。从此，高炉炼铁从整个炼铁过程中独立出来，这对进一步扩大竖炉起到了非常 重要的作用。 生产技术方面 使用斯地克炉使炼铁生产由过去的间隙性生产变为连续性生产，这为连续装料 和铸铁、提高能量利用率和提高生产能力、提高生产效率创造了必要条件。 12 2 近代高炉炼铁 由于斯地克炉提高了生铁产量，木炭及木材的使用量也大幅度增加，木材资源 日渐减少，木材的供应变得越来越紧张。这在当时处于世界炼铁业龙头地位的英国 表现的尤为突出。因此，英国人达贝( a b r a h a md a r b y ) 于1 7 1 3 年创造了以焦炭为 基础的炼铁操作，这是整个炼铁史上最重要的事件之一。焦炭的应用，使原来用于 支撑炉身中炉料的平坦的炉腹已不必要存在，炉子高度增加，鼓风得到强化。与木 材高炉相比，焦炭高炉的生产效率大幅度提高，能量消耗大幅度降低。 工业革命时期，随着机械工业的发展，金属铁的需用量也大幅度增加，高炉炼 铁工业取得了飞速发展。这首先表现为炉型快速提高扩大，生产能力和生产效率大 幅度提高。1 8 4 0 年前后，高炉的高度已达1 8 2 9 m ，内部起化学反应的容积达到了 2 0 0 m 3 ：到1 9 世纪末期，高炉有效容积达到6 0 0 m 3 左右。 随着炉容的扩大，高炉布料技术也得到了发展。高炉操作工人开始在炉顶进行 西安建筑科技大学硕士论文 料面的平整等原始布料操作，该操作技术的发明与应用使炼铁的生产能力提高，能 耗降低。 高炉大型化实现了高炉炉顶的密封和高炉煤气的回收；降低高炉能源消耗和提 高生产效率、降低高炉生产成本等实际要求使得炉顶高炉煤气的应用被提到了非常 重要的位置。1 8 2 9 年，苏格兰人杰门斯纳尔逊发明了预热鼓风。该发明提高了鼓 风温度，从而降低了燃料的使用量，使入炉铁矿石的单位入炉量增加，进而使高炉 产量提高了3 0 以上，能耗也相应的大幅度降低。1 8 3 1 年，加热空气的专用设备一 一热风炉在苏格兰克拉依特工厂投入使用。从此，高炉煤气开始得到了实际回收应 用。高炉的二次能源回收利用工作开始进行。 在这一时期，制定出了生铁的质量标准。 1 2 3 现代高炉炼铁 进入2 0 世纪，高炉设备、生产工艺与生产技术发生了根本性的变化，高炉炉型 已与现代高炉炉型一样，高炉有效容积大幅度提高。2 0 世纪初期，高炉有效容积达 7 0 0 m 3 以上。在此期间，炼铁工业的主要设备、工艺改进有： 高炉结构与设备 高炉结构 在此之前，高炉主要使用耐火材料作为高炉炉壳，尤如现在的土烧石灰窑外壳。 高炉寿命短、能耗高、生产成本高、生产效率低。2 0 世纪初，随着机械制造业的发 展，高炉结构使用的钢板和钢梁制造达到了钢铁工业的要求，高炉开始使用钢板和 钢梁，同时使用冷却板来保护钢结构，从而延长了炉子寿命。高炉标准寿命由两年 延长到了8 年。特别是冷却设备的应用，使高炉大型化有了保证，为进一步降低炉 身热损失、大幅度提高炉身效率创造了条件。 高炉设备 高炉冷却设备的生产与应用、控制技术取得了较大进步。风口由钢质风1 2 1 变为 铜质风口；炉体冷却设备由冷却板变为冷却壁，材质由普通铸铁变为球墨铸铁，直 到如今的铜质冷却壁，冷却设备形式也有了较大改进： 高炉大型化的发展，使高炉有效容积达到了6 0 0 0 m 3 以上。高炉大型化使炉料在 炉内的分布对高炉生产、高炉能源消耗、高炉寿命的影响越来越大，已成为现代炼 铁生产中极其重要的一个环节。因此，机械的炉顶装料和布料装置得到了实际应用， 后来成为标准化设备的双料钟料斗在2 0 世纪初也开始使用。该布料装置的应用， 4 西安建筑科技大学硕士论文 使煤气利用率大幅度提高，生铁硅含量的进一步降低也有了保证；到了6 0 年代后 期，德国第一次使用炉顶可调喉板，实现了炉料的分布控制。与此同时，在现代高 炉具有革命性意义的“无料钟”炉顶设备在卢森堡保罗伍尔斯公司( s a p a u lw u l t h ) 开发出来。“无料钟”的生产应用，使炉料的分布控制从理论上达到了随心所欲的 地步。 3 0 年代以后，前苏联开发的炉顶高压设备在高炉上得到了推广应用。炉顶高压 设备和高压控制技术使高炉煤气在炉内的停留时间延长、高炉鼓风的质和量得到提 高，增加了高炉产量，提高了煤气利用率，降低了高炉能源消耗【2 j 。 高炉测量与自动控制技术 1 9 0 3 年，高炉开始应用仪表。这是一件有着非常特别重大意义的事件。高炉仪 表的应用，为高炉生产操作逐步实现自动控制提供了必要手段，也为炼铁工艺研究 创造了条件。最初应用在高炉上的仪表是炉顶温度和风压测量仪表。 随着高炉测控仪表的增加，自动控制技术在高炉中得到了广泛的应用和发展。 2 0 世纪5 0 年代以来，计算机开始应用在高炉的生产与管理之中。特别是炉体解剖 调查结果与在高炉物料平衡、热平衡的基础上得出的生产过程的各种数学模型越来 越接近实际生产，高炉智能控制技术从2 0 世纪8 0 年代正式进入高炉生产过程控制。 高炉工艺与生产控制技术 提高鼓风质量技术 1 9 0 4 年8 月，伊瑟贝尔高炉首先用冷冻法进行鼓风脱湿的工业试验，取得了产 量提高2 5 ，焦比降低近2 0 的效果：1 9 3 9 年9 月在前苏联马格尼托哥尔斯克工厂 进行冶炼试验，取得了产量提高2 1 6 6 ，焦比降低4 3 6 的效果；1 9 4 9 年，法国乃 夫买逊工厂和美国分别在矮炉身高炉上进行了高炉富氧鼓风工业试验并获得成 功。1 9 5 2 年2 月威尔顿工厂在四座容积为1 2 0 0 - - 1 4 2 7 m 3 的高炉上开始了富氧鼓风作 业和蒸汽的加湿鼓风作业。加湿鼓风的应用，使高炉风温使用水平大幅度提高，从 而降低了焦炭的使用量，增加铁矿石的单位入炉量；富氧鼓风提高了风中的氧含量， 使鼓风质量提高。由于脱湿鼓风主要应用于高湿度地区，因此脱湿鼓风技术在高炉 上的大力推广应用主要始于2 0 世纪6 0 年代的日本。日本高炉采用该技术使鼓风中 的水分含量降低到5 9 m 3 。效果比较明显。 煤气处理技术 日本人将脱湿鼓风技术的原理运用于煤气处理工艺中，发明了煤气干式处理工 艺，如如今的布袋除尘工艺等。煤气干式处理技术使高炉煤气的发热值提高，含尘 西安建筑科技大学硕士论文 量降低，从而提高了鼓风温度，并有利于提高热风炉的寿命。 高炉喷吹技术1 3 1 9 4 8 年，前苏联开始了高炉喷吹煤粉及其他炭氢化合物的试验及工业应用。该 项技术的应用，降低了焦炭的用量和提高生铁产量，同时保护了煤炭资源和生态环 境。 加湿鼓风、富氧鼓风和燃料喷吹技术的推广应用使高炉生产过程的调节控制手 段得以丰富和加强。 低硅生铁冶炼技术 炼钢冶炼优质钢需要高炉提供优质的铁水，钢铁工业需要进一步降低能耗，提 高效益。因此，高炉低硅生铁冶炼技术得到了研究、应用和发展。该技术使高炉产 量提高和能耗降低。 高炉精料研究与应用 燃料技术 烟煤炼制的焦炭已成为高炉标准的燃料和还原剂，木材高炉开始逐步退出历史 舞台。炉体解剖调查结果使得炼铁工作者认识到了焦炭对高炉生产的巨大影响，特 别是对高温区透气性的影响是巨大的，它的高温性能对高炉高效生产具有决定性的 作用。同时得出炉型越大，高炉对焦炭和原料质量的要求越高的结论。因而，提出 了新的焦炭质量标准。 原料技术 随着铁品位高的富矿储量的急剧下降，贫铁矿和富矿粉的利用逐渐被广大炼铁 生产管理人员所重视。在选矿业发展的基础上，1 9 世纪中期，细铁精矿的烧结技术 已研究出来，该烧结技术首先使用在有色金属的冶炼上，1 9 0 8 年，美国人在墨西哥 首先进行了铁矿石的烧结工业试验，随后在1 9 1 0 年，美国宾夕法尼亚州的勃洛克 炼铁公司首先利用细铁精矿生产的烧结矿使用在高炉上，这也是整个炼铁史上最为 重要的事件之一。从此，作为人造富矿的烧结矿得到了快速发展，烧结生产技术也 得到了大力发展。到目前，烧结矿的使用量已成为高炉最主要的原料。烧结矿的生 产应用，使高炉生产能力得到了大幅度提高，能源消耗快速降低。在此基础上，1 9 4 0 年球团矿的生产技术研究成功并得到应用。 炉料整粒技术 1 9 世纪8 0 年代，英国就进行了入炉料的整粒和控制工业试验并获得成功，但 6 西安建筑科技大学硕士论文 由于没有配套的铁矿粉的利用技术，未能得到应用和推广。随着烧结技术的应用推 广，入炉矿石的整粒技术又开始为人们所研究和应用。1 9 4 8 年，美国矿业局的一个 研究小组首先研究出了铁矿石整粒的控制技术，同时法国科学艾根( e r g u n ) 利用“空 塔”理论，根据其对气体在散料层中的运动研究结果，提出了著名的艾根( e r g u n ) 公式 4 ： a p a l = 1 5 0 u u ( 1 一) 1 ( 由1 d l p 3 ) + 1 7 5p u 2 ( 1 一) ( 中d p e3 ) ( 1 - 1 ) 式中：p l 流体单位长度上的压力损失5 u 流体在散料床层截面的表观平均( 空塔) 流速，u = e u ； u 一流体在管道内的实际平均流速； e 散料床层的孔隙率； u 流体的粘度： 巾颗粒的形状系数； d 。颗粒的算术平均直径； p 流体密度。 由式( 1 1 ) 计算出的炉料整粒与分级入炉操作与高压操作效果将使高炉生产效 率大幅度提高。而且与实际生产试验结果基本一致。从此以后，炉料整粒技术和炉 料的分级入炉技术、高压和超高压生产控制技术开始正式在高炉生产中得到推广应 用，从而使高炉生产上了一个新台阶。尤其是在日本高炉生产中首先获得了巨大的 成功。 炉料的高温性能控制技术 5 0 年代中后期开始的高炉炉体解剖调查结果使炼铁工作者认识到了炉料的冶金 性能( 中高温的还原粉化性能、高温软化熔滴性能等) 和焦炭对高炉生产的巨大影 响。在此后的半个多世纪，入炉炉料的冶金性能得到了提高，炉料质量得到了进一 步提高。 炉料结构控制技术 随着炉料冶金性能的深入研究，合理的高炉炉料结构得到了发展，并成为高炉 精料技术中的重要内容。 高炉配套设备 高炉热风炉 7 西安建筑科技大学硕士论文 蓄热式热风炉代替了管式热风炉，高炉风温由此前的6 0 0 c 以下进一步提高到 9 0 0 4 c 以上，使高炉的单位铁矿石入炉量大幅度提高，炉顶温度降低，高炉煤气c o 利用率和炉身效率提高： 高炉鼓风机 随着高炉大型化，原有的机械鼓风设备已不能保证高炉对风量和风压的要求， 鼓风能力明显不足，因此，送风能力更大的煤气内燃机开始得到使用。随着鼓风机 设备的生产、操作技术的提高，透平鼓风机也逐步得到应用并最终取代了煤气内燃 机； 煤气处理设备 煤气净化与处理设备随着高炉产生的二次能源高炉煤气的回收与应用水 平的提高而提高。2 0 世纪初，煤气重力除尘器和煤气洗涤塔在高炉上得到了应用， 这使得高炉煤气的质量大幅度提高，高炉煤气的应用范围得到扩大。 1 3 高炉炼铁热平衡的发展 众所周知，高炉是一个气、液、固逆流的高温反应器。其内的各种物理变化、 化学反应都是在温度和热量的作用下进行的。因此，研究高炉内的热量和温度变化， 进行热平衡测试与分析，对于高炉生产具有极其重要的作用和意义。 最早研究高炉物理和化学现象的高炉科学家可能是德国人查理士 “热的测量技艺及其在工业部门的合理利用”的研究，突破了1 9 世纪中期存在的 对高炉理论上的无知。通过对“热”的研究，发现此前许多公认的高炉操作原理是 不正确的。琴兹开始开展了关于高炉的广泛的研究，并试图进行高炉作业的物料和 热平衡定量计算，但非常缺乏准确的热力学数据。在其进行的实验室工作中，确定 了有关的物料及其反应的热容和生成热，并首次测定了铁矿石的还原性。最主要的 是他把高炉内部划分成几个区域，并确定了每个区域发生的主要化学反应。 1 8 6 6 年法国工程师特法尔节提出把各种来源收入的热量和各种支出的热量作 对照并提出了计算方法，同时提出炉顶煤气的化学成分应该作为计算热平衡的基 础，根据炉顶煤气的化学成分可以计算出高炉中煤气的生成量，送入高炉的风量以 及高炉中燃烧碳素所发生的热量和热风带入的热量。在进行第一个热平衡计算时， 首先采用了“反应物质的最初态和终态”的原理。1 8 6 9 年，英国科学家和优秀的炼 铁工作者罗斯安1 8 7 2 年发 表了“炼铁的化学”一书，被公认为高炉炼铁的第一部教科书。他首次论述了高炉 渣的各组分的功用，炉渣熔化性温度的重要性，炉渣的复杂结构，一定组成范围的 西安建筑科技大学硕士论文 炉渣具有良好的流动性和脱硫能力；其最重要的是对高炉中化学变化“炭的氧 化物c o 与铁氧化物作用生成金属铁”的交换及其可能的两种途径同时存在；确定 了在一定的c o 和c 0 2 浓度下铁或氧化铁可能被氧化或还原，这主要取决于系统的 温度；确定了f e o c 系统的平衡，说明高炉生产中c o 的过剩系数对高炉生产的 重要性。他认为高炉炉身是非常重要的，因为它使矿石在进入炉内高温区之前得到 预热和还原，黑渣和出格铁是由于生料降入炉腹和炉缸的结果，研究了炉子高度对 产量和燃料消耗的影响，认为每座高炉都应有适当的高度，太矮不利于矿石预还原 和准备，太高会造成投资浪费，并对高炉过程作了炭、氧和氮的平衡计算，证明加 入的炭有一部分在炉身被c 0 2 消耗，以及炭在炉身的“溶解损失”。 1 9 世纪后期，法国著名的冶金学教授m l 格留涅尔发展了贝尔提出的计算高炉 热平衡的方法，他把不同高炉作业中所需的热量差异与炉子容积和高度联系起来， 得出了著名的格留涅尔原理。即高炉的“完美作业”是在c o 最大限度转变为c 0 2 ， 而不需消耗固体炭。 贝尔和格留涅尔没有正确解释热风对高炉产量和燃料比的巨大作用，也没有将 1 8 5 0 年问世的热力学第二定律应用到炼铁计算中，但他们是将热力学第一定律应用 到高炉热平衡计算的主要创造者。 首次将热力学第二定律应用到高炉过程的是1 9 世纪末期2 0 世纪初期的美国著 名科学家j e 约翰逊。他认为高炉的燃料比取决于两个热方程式热力学第一定 律和第二定律。应用这一原理可以阐明风温对高炉作业的影响，最主要的是实现了 对高炉操作的理解方面的一次重大突破。他由此得出了高炉的炉温界限及在此界限 之上高炉需要的最少热量( “炉缸热”) 。热方程式和炉缸热的实际应用比其理论阐 述更重要，因为使用它可以使高炉工作者确信自己操作的合理性，可以对其操作结 果进行预言。 1 9 世纪末期2 0 世纪4 0 年代，随着高炉生产工艺和技术的发展，人们逐渐认 识到了物料平衡对高炉热平衡测试准确性的重要性，并进行了大量的测试与研究。 这是世界炼铁业第一次全球范围内的高炉热平衡和物料平衡研究与测试。目前高炉 生产中的许多工艺过程控制参数都起源于这次研究和其后的生产实践。以物质不灭 定律为依据的物料平衡是热平衡的基础。1 9 世纪的热平衡测试，人们弄清楚了炉顶 温度的高低与高炉工作容积有直接的关系，工作容积越大，炉顶温度越低，炉身热 效率越高，能源消耗越低。2 0 世纪的物料平衡与热平衡测定与计算法的发展，使人 们得出了高炉热效率的评价指标与方法、降低炼铁工序能源消耗的途径，其测试与 计算结果并可用于提出高炉生产过程控制的措旌与方法，高炉冷却设备的改进计算 等许多方面。 9 西安建筑科技大学硕士论文 1 9 5 2 年，人们首次弄清楚了f e - o c 系统的平衡，并进行了详细的物料和能量 平衡计算，确认“溶解损失”在高炉中的有利作用大于不利作用。1 9 6 2 年，r l 斯 蒂芬逊对“溶解损失”的作用作了最简单的说明。他指出氧化铁在高炉中的还原是 氧化铁的直接还原和间接还原的综合，而间接还原伴随“溶解损失”就是直接还原。 直接还原和间接还原两种途径在化学上和热量上的需求是不相同的。就热量需求上 讲，直接还原需要消耗的热量很大，而间接还原吸热量很少；就化学需求上讲，直 接还原一分子f e o 只要一个c 分子，而间接还原需要三个c 分子。因此，两种还 原方式综合起来的炭比是“溶解损失”的函数。高炉中总的需炭量既取决于化学需 要，又取决于热量上的需要；“溶解损失”实际上减少了还原需要的炭量，“溶解损 失”是一个i 临界反应，它既产生还原性气体，又冷却从燃烧带上升的热煤气。该反 应与温度关系很大，只有在高温下才能进行，7 5 0 以上，炭被氧化生成c o ：6 0 0 以下时c o 分解析出c 沉积在炉料中。对于不同的高炉，化学和热量需要是不同 的，而在其中取决定作用的是风温和铁矿石的还原性。 1 9 6 7 年4 月号的j o f m e t a l s 杂志，发表了a r i s t 和n m c y s s o n 的文章“高 炉物料和热平衡的二元图解说明”。他们认为决定高炉操作的主要反应全部都涉及 到氧，因此，根据氧的来源和去向，以o c 和0 f e 为坐标，绘制出c o f e 图( 高 炉操作线图) ，从而方便地分析和解决一些常见的、简单的、高炉生产管理和经营 者关心的高炉问题。如高炉降低燃料比的潜力与途径，各种节能措施的实施效果预 测等，从而为高炉生产管理和经营者决策提供依据。 1 4 现代高炉热平衡测试及应用 1 4 1 现代高炉热平衡测试 热平衡是按照能量守恒定律以物料平衡为基础来计算的。因研究的目的和方法 不同，现代高炉热平衡测试与计算主要是针对高炉内不同体系中的能量收入与去向 开展工作，其方法主要有三种： 第一总热平衡测试、第二总热平衡测试、区域热平衡测试。 第一总热平衡测试 此方法应用较广。第一总热平衡测试是根据盖斯定律，即以进入炉物料的最初 形态和出炉物料的最终形态，通过计算单位生铁入炉和出炉料带出的热量，以及燃 料在炉内的实际燃烧量所产生的热量，炉内的主要物质的化学反应消耗( 主要是对 氧化物的分解和还原) 来分别计算热量及其转变，它不考虑高炉内的实际反应过程。 1 0 西安建筑科技大学硕士论文 因此，它比较直观、简单。它主要用于对高炉本体进行能量利用的评价。 第二总热平衡测试 第二总热平衡测试是根据炉内实际还原反应过程来计算热量的产生和消耗，主 要用途是研究高炉节能措旅。该法基本上能反映高炉内实际冶炼反应的热效应。它 与第一总热平衡计算法的主要区别在于热量收、支中的第一项，即碳的燃烧放热与 氧化物的分解、还原及脱硫耗热部分。 众所周知，高炉内各部位的热量需求和热的价值是不同的。最简单的例子是， 入炉料的显热和鼓风的显热两者的效果就不一样，入炉料的显热愈高，炉顶温度愈 高，炉顶煤气温度愈高，煤气带走的热量增加；鼓风的显热愈高，炉缸温度越高， 炉缸热量越有保证，越有利于降低焦比。 由上可知，高炉总热平衡测试( 包括第一总热平衡测试和第二总热平衡测试) 存在的主要问题是没有指明反应的部位和放出( 或吸收) 热量的价值，因此，其测 试、计算结果的应用范围受到定的限制。 区域热平衡测试1 5 6 7 、8 i 区域热平衡测试是在考虑高炉内的分段反应的基础上进行，故其结果可对高炉 用的原燃料质量进行评价并判断炉况。因此，研究区域热平衡更有意义，特别是对 高炉a i 控制方面的应用、炉体结构的改进与维护等方面的意义与作用更大。在生 产工艺方面，该方法的应用是随着控制高炉过程的数学模型的研究和应用水平的提 高而越来越广泛，尤其是从高炉下部区域( 高于1 0 0 0 ) 热平衡着眼的控制高炉过 程的数学模型的研究和应用越来越多；在炉体结构方面，使用该方法的研究开发出 来的炉体冷却结构越来越满足生产工艺要求。 建立区域热平衡时，一般根据研究的目的，按高炉内的温度来划分热平衡区域。 正常情况下，一般是以9 0 0 为界，把高炉分为两个区域，即9 0 0 以下和9 0 0 以 上的区域。正常状态各区域中热量收支应该平衡，如下部吸热大于下部放热，就必 须及时采取增加热量和减少吸热的措施，如提高风温、降低湿分、减轻负荷等等。 1 4 2 现代高炉热平衡的应用 随着高炉炼铁业的发展，高炉热平衡在钢铁企业生产中的基础作用凸现得越来 越明显。尤其是在2 0 世纪6 0 年代发生的石油危机之后，全世界都对节能工作越来 越重视。6 0 8 0 年代，很多钢铁企业和研究部门进行了广泛的热平衡测试工作，并 将测试结果用于强化企业管理、工艺和设备更新改造、发展和提高生产技术等诸多 方面。 9 、1 0 1 2 1 3 】 西安建筑科技大学硕士论文 强化企业管理、明确决策方向与内容 主要用于评价炼铁企业的能耗水平和能源使用效率，为制定节能措施和规划提 供依据。 钢铁企业是国家的主要耗能行业之一，而高炉又是钢铁企业的第一耗能大户。 高炉能耗占钢铁企业能耗的5 0 7 0 。因此，降低高炉能耗是每一个钢铁厂的重大 课题。 降低高炉能耗是一项复杂的系统工程。而高炉热平衡测试和物料平衡计算是其 主要的基础工作。通过物料平衡计算和热平衡测试，可以找出影响能量合理利用的 主要因素，为企业决策者提供决策依据。 历史经验表明，通过对第一总热平衡计算结果分析，高炉节约燃料的措施一般 有：提高入炉料的含铁品位，采用高碱度烧结矿，以降低渣比和石灰石入炉量，可 减少炉渣物理热和石灰石分解热；采用合理布料和适当的冷却方式，以减少水冷、 散热及其他损失：采用冷矿和合理布料，以降低炉顶煤气物理热；采用精料、高压 炉顶和合理操作，以提高炉内煤气的利用率；采用脱湿鼓风，将鼓风中含湿量尽可 能降低到最低水平，这样即减少热损失，又有利于稳定炉况，均利于节能等等措施。 1 9 8 5 年9 月1 7 日2 3 日，酒钢炼铁厂对其1 4 高炉( 1 5 1 3 m 3 ) 进行了高炉热平 衡测试。测试结果表明，原酒钢1 4 高炉的炉身效率由1 9 8 1 年的6 6 提高到了7 7 3 ， 但比国内先进水平低1 0 ：降焦潜力为7 3 3 5 k g t 。测试结果得出了铁品位低、炉料 结构不合理、生铁含硅量高、风温低、高炉炉型结构不合理、高炉煤气带走的能量 未能充分利用等因素，是酒钢高炉能量利用率差的主要工艺技术影响因素的结论。 为此，酒钢作出了相应的决策和技术改造方案，有针对性的组织力量开展技术研究 以及引进了适合自己的先进实用技术，除入炉品位和风温低外，其余几项分别于 1 9 8 8 年装备了煤气t r t 发电装置、1 9 9 6 年实现了高碱度烧结矿配加酸性球团烧结 矿的合理炉料结构、1 9 8 9 年和1 9 9 8 年实现了2 号高炉与l4 高炉的“矮胖”型高炉 结构、1 9 9 8 年的低硅冶炼，取得了较好效果。高炉利用系数从1 9 9 7 年开始大幅度 提高，高炉能耗降低【1 4 】。 热平衡在高炉设备改进中的应用 工业炉窑热平衡测试有全炉热平衡、区域热平衡和局部热平衡三种。实际工作 中，根据需要和目的的不同，可应用不同的热平衡法。由上可知，在高炉热平衡测 试中，目前使用最多的主要有高炉总热平衡( 包括第一总热平衡计算法和第二总热 平衡计算法) 和高温区域热平衡法。其原因主要是广大高炉炼铁工作者为满足企业 生产需要，将研究高炉热平衡的目的主要用于考察冶炼过程中热量收入和支出的分 1 2 西安建筑科技大学硕士论文 配情况，寻求降低能耗的途径：或者用于某些特定的区域和部位，开展区域和局部 热平衡，为特定的目标服务。如为了确定高炉软熔带的位置和形状，就对滴落带进 行热平衡计算，通过确定软熔带的气流流速场和温度场分布的办法，确定软熔带的 位置和形状；在以风口带和直接还原带热平衡联立求解的基础上，宝钢1 。高炉建立 了炉热控制模型，用于预报和控制生铁的硅含量。由于高炉的特殊性与复杂性，高 炉局部热平衡，尤其是与炉体结构有关设备的设计、改进方面的局部热平衡的应用， 随着相关计算机应用软件的开发，目前已经开始得到重视，特别是在炉体冷却设备 的设计、改进中，使用越来越多。其实，局部热平衡在其它工业炉窑，尤其是高温 热设备中的应用非常广泛。在加热炉中，为炉型设计与改进的提供了重要的基础参 数；在顶吹氧气转炉中，为了改进氧气喷头端部、炉衬某内表面、除尘系统等特定 方面的问题，对其单独进行热平衡测试，单独制定热平衡表，分析热平衡表中的每 一项收入或支出，判断它在生产过程中所起的作用，尤其是无效热支出中的热损失， 发现热工上存在的问题，提出改进意见和措施。有鉴于此，在原冶金部1 9 8 4 年颁 布的“高炉热平衡测定与计算方法暂行规定”中，对高炉热平衡测定的目的作了全 面的说明：“评价高炉热利用水平：确定其热效率等技术经济指标：为改进高炉炼 铁操作及设备结构提供依据；为企业制定节能规划、确定科研方向等提供参考。” 冷却系统改进中的基础作用与应用 高炉冷却器的作用是降低通过炉壳的热流以保护炉壳，并维持正常的高炉操作 炉型。由此可知，通过应用局部热平衡