（冶金工程专业论文）宝钢高炉测试与评价研究.pdf

辽宁科技大学工程硕士学位论文 摘要 摘要 高炉是个逆流式的热交换竖炉，现代高炉体积庞大，内部反应涉及了 物质三态和“三传”，反应机理以及动力学表现都相当复杂，兼之炉体密闭， 使得认识和了解其内部物质变化和作用的规律比较困难。高炉冶炼是在高 温下发生的包含许多物理、化学变化传输过程的一个复杂过程。 在正常生产条件下，测定高炉热平衡，对其进行分析研究提高高炉的 操作效益、探索炉体合理的热负载管理、维持合理的操作炉型是必不可少 的。由计算结果可以得出高炉热能利用指标，为评价高炉热利用水平，为 加强科学管理，降低燃耗提供依据。 宝钢高炉的技术经济指标比较先进，在国际上也属于领先地位。本文 介绍了炼铁的发展的简史、高炉工艺流程及产品和炼铁技术发展的方向， 以及宝钢2 b f 、3 b f 、4 b f 的基本情况。 根据成熟通用的计算方法，结合高炉炼铁工艺的配料计算、物料平衡、 能量平衡、高温区热量平衡、还原剂与热量的耗炭量计算、理论最低焦比 计算，r i s t 操作线计算与图解应用等计算内容，本文用v b 语言程序设计编 制成一个应用软件。应用此软件可迅速完成上述所有计算。 结合物料平衡计算和热平衡计算，并对2 b f 2 0 0 0 年和2 0 0 5 ，3 b f l 9 9 8 年和4 b f 2 0 0 6 年的物料平衡和热平衡进行对照分析，为以后的发展提供建 议。 关键词：高炉，物料平衡，热平衡，v b 语言 辽宁科技大学工程硬士学位论文 a b s 竹a c t a b s t r a c t b l a s tf u r n a c e ( b f ) i sac o u n t e r c u r r e n ts h a f tf u r n a c ew i t hh e a te x c h a n g e am o d e r nb fi sw i t hah u g ev o l u m e ，i nw h i c h ”t h r e es t a t e ”( 1 i q u i d ，s o l i da n d g a ss t a t e ) a n d ”t h r e et r a n s f e r r i n g “( h e a t ，m a s sa n dm o m e n t u mt r a n s f e r r i n g ) a r e e x i s t e d s ot h er e a c t i o nm e c h a n i s ma n dk i n e t i ca r ec o m p l i c a t e d f u r t h e r m o r e ， t h eb l a s tf u r n a c ei sa l s oac l o s e dc e l l ，s oi ti sv e r yd i f f i c u l tt ok n o wt h ei n n e r c h a n g eo fm a t e r i a la n dw o r kp r i n c i p l ec l e a r l y s m e l t i n gi nb l a s tf u r n a c ei sa c o m p l i c a t e dp r o c e s su n d e rt e m p e r a t u r ei n c l u d i n gal o to fp h y s i c a lc h a n g e ， c h e m i c a lc h a n g ea n dt r a n s m i s s i o np r o c e s s a tt h ec o n d i t i o no fi t sn o r m a lw o r k ，i ti sn e c e s s a r yt om e a s u r ei t sb a l a n c e o fh e a ta n da n a l y z ei tt oi m p r o v ei t so p e r a t i o nb e n e f i t ，e x p l o r ei t sp r o p e rh o t l o a dc o n t r o la n dm a i n t a i ni t sp r o p e ro p e r a t i o nf u r n a c es h a p e t h eu t i l i z a t i o n t a r g e t so ff u r n a c eh e a te n e r g yc a nb eo b t a i n e df r o mc a l c u l a t i o nr e s u l t s t h i s p r o v i d e sas o u n db a s i sf o rf u r t h e rr a i s i n gf u r n a c eh e a te n e r g yu t i l i z a t i o nl e v e l ， s t r e n g t h e n i n gs c i e n t i f i cm a n a g e m e n ta n dr e d u c i n gf u e lc o n s u m p t i o n t h et e c h n o l o g yo fb a o s t e e li sa d v a n c e d ，a n di ti sa l s ob e l o n g st ot h e l e a d i n gs t a t u si nt h ei n t e r n a t i o n a l i nt h i sa r t i c l e ，i ti sb e e ni n t r o d u c e dt h e h i s t o r yo ft h ei r o nm a k i n gt h ep r o c e s so ft h eb f ，t h ep r o d u c t so ft h eb f ，t h e f u t u r eo ft h ei r o nm a k i n gt e c h n i c a l ，a n di ti sb e e ni n t r o d u c e d2 b f 、 3 b f a n d 4 b fb a s i cs i t u a t i o no fb a o s t e e l t h ec a l c u l a t i o no fb ft e c h n o l o g yi n c l u d e sb u r d e nc a l c u l a t i o n ，b u r d e n b a l a n c e ，e n e r g yb a l a n c e h e a tb a l a n c ei nh i g ht e m p e r a t u r er e g i o n ，c a l c u l a t i o n o fc a r b o nc o n s u m p t i o n ，c a l c u l a t i o no f t h e o r i t i c a lc o k er a t e ，a n dp l o t t i n go f a r i s to p e r t h e rd i a g r a m a n dap r a c t i c a ls o f t w a r ei sc o m p o s e dt h r o u g hv b p r o g r a m m i n gi nt h i sa r t i c l e t h et e c h n o l o g yq u i c k l ya n do u t p u tt h er e s u l td a t a t a b l e si nc h i n e s ec h a r a c t e r s 。 i t i sb e e na n a l y z e dt h ed i f f e r e n c eo f2 b f2 0 0 0a n d2 0 0 5c o n d i t i o n 3 b f 1 9 9 8c o n d i t i o na n d4 b f2 0 0 6c o n d i t i o n ，c o m b i n i n gw i t ht h ec a l c u l a t i o no f m a s sb a l a n c ea n dh e a tb a l a n c e s o m ep i e c e so fa d v i c eh a v eb e e ns u g g e s t e d k e y w o r d s ：b f ，m a s sb a l a n c e ，h e a tb a l a n c e ，v i s u a lb a s i cp r o g r a m m i n g i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，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或撰写过的研究成果，也不包含为获得辽宁科技 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：垒薄日期：塑2 。3c f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 、 日期：盟：13 ：g 辽宁科技大学工程硕士学位论文 文献综述 1 1 炼铁发展简史 1 文献综述 据历史资料记载，殷代时期就出现了铁器。至春秋时代，中国就有了 较大规模的冶炼鼓风炉，发明了生铁的冶炼及铸造技术，铁器在军事上、 农业上有了广泛的应用，使社会逐步由铜器时代过渡到铁器社会。公元2 0 0 多年前的战国时代，又发明了自然钢的冶炼法，炼制出非常坚韧而锋利的 著名的“干将”、“莫邪”宝剑，由此演绎出许多迷人的传说。东汉初期，我 国南部地区又发明了水力鼓风炼铁炉，这是冶铁历史上一大创举，其结果 大大节约了人力，并实现了不间断鼓风，使炉温提高，产量增加。南北朝 前后，开始使用石炭作燃料，宋朝开始采用木风箱鼓风，风量大大增加。 至宋代，又发明了有活塞和活门的木风箱，使冶炼技术日益完善 我国炼铁技术的发明比欧洲早1 7 个世纪。至公元1 3 至1 4 世纪时，炼 铁技术才传入欧洲。 近代炼铁技术的发展，是由1 8 世纪欧洲爆发工业革命开始的，18 至 2 1 世纪的2 0 0 多年中，炼铁技术经历了以下几个突破性的发展阶段： ( 1 ) 1 7 0 9 年，英国首先开始用焦炭代替木炭，这样不仅缓解了日益严 重的木材危机，而且为以后的高炉向大型化发展打下了基础。 ( 2 ) 1 9 世纪，英饿采用蒸汽鼓风机，鼓风能力大大提高，为扩大炉缸 直径创造了条件。 ( 3 ) 1 8 2 9 年，英国人发明了用高炉煤气加热鼓风，用热风代替冷风的 技术，使燃料消耗量大幅度下降。同时，炉内温度分布更趋合理。 ( 4 ) 本世纪5 0 年代开始使用人造富矿，一举解决了天然富矿奇缺、冶 金性能差的问题。 ( 5 ) 6 0 年代开始使用综合鼓风，从风口喷入燃料直接代替一部分焦炭， 大缓解了炼焦煤的供应问题，扩大了高炉燃料的来源。 ( 6 ) 随着计算机的应用，高炉生产实现了操作的人工职能化，多数部位 实现了自动化连锁控制，大大减轻了工人的劳动强度，提高了生产率。 我国虽然是世界上炼铁发展最早的国家之，欧洲的炼铁技术也是从 中国输入的，但是欧洲正在进行工业革命，高炉生产向大型化、机械化、 电气化的方向发展，冶炼技术不断完善的时候，中国却处于落后的封建时 代，发展非常缓慢，以致到1 9 世纪末不得不从欧洲引进近代炼铁技术。 辽宁科技大学工程硕士学位论文 文献综述 1 8 9 1 年，清末洋务派首领张之洞首次在汉阳建造了两座日产1 0 0 吨的 高炉，迈出了我国近代炼铁的第一步。之后，先后在鞍山、本溪、石景山、 太原、马鞍山、唐山等地修建了高炉。1 9 4 3 年我国解放前钢产量最高的一 年，生铁产量18 0 万吨，钢产量9 0 万吨，居世界第1 6 位。后来由于战争 的破坏，到了1 9 4 9 年，生铁产量仅为2 5 万吨，钢产量1 6 万吨。 建国后，我国于1 9 5 3 年生铁产量就达到了1 9 0 万吨，当时超过了历史 最高水平。1 9 5 7 年生铁产量达到了5 9 7 万吨，高炉利用系数达到了1 3 2 1 ， 我国在这一指标上跨入世界先进行列。 随着世界经济的发展和社会物质文化生活水平的提高，特别是我国加 入w t o 以后，用户对高质量钢铁产品的需求量越来越，因此，“优质、低 耗、高产、长寿”的炼铁目标和“安全、稳定、均衡、顺产”的操作方针是炼 铁工业的发展趋势。 1 2 炼铁工艺概况 1 2 1 高炉生产工艺流程 高炉是一个煤气与炉料作逆向运动的竖炉。由矿石、焦炭和熔剂组成 的炉料靠自身的重力作用不断下降，焦炭在风口前燃烧生成煤气，矿石则 还原和熔化为液态的生铁和炉渣，并不断地排至炉外，为上边炉料的下降 腾出空间，风口前，热风和焦炭燃烧生成的煤气则受鼓风机压力的推动向 上运动。炉料和煤气在逆向运动中相互抵触，煤气作为热载体和还原剂， 一方面把热量传给炉料，使其温度提高，为还原和熔化创造条件，一方面 夺取铁氧化物中的氧，同时还原若干其它合金元素。 炉料装入高炉内，在上半部分是固相区，也称块状带，下降过程中温 度不断升高，达到矿石软化的温度时，出现软熔带。焦炭则仍保持固态作 为透气窗。软熔带的下部是液体滴下带，这时只有焦炭仍是固体，矿石则 以液态渣铁的形态沿焦炭表面向下滴落。风口前端以近似球形的焦炭循环 区，称作燃烧带，入炉的焦炭一部分以固态直接参加对矿石的还原，大部 分在这里燃烧生成c 0 2 。高炉的底部为渣铁积聚层，称作渣铁带。 煤气在风口前燃烧带生成，初始生成，初始煤气只有c o 、n 2 和少量 的氢，并具有很高的温度和压力，上升过程中煤气的温度和成分不断发生 变化，首先由于直接还原c o 的增加，继而由于间接还原c o 转而变成相 同数量的c 0 2 。煤气中的c o 的下降，c 0 2 的升高，煤气温度则由于热交 辽宁科技大学工程硕士学位论文 文献综述 换和热损失不断降低，压力也由于阻力损失而不断下降【2 】。 生铁的最终成分是在炉缸中完成的。矿石中的铁几乎全部被还原，生 铁中含铁约为9 2 至9 4 ，s i 0 2 和m n o 部分被还原，生铁中s i 和m n 的 含量视铁的标号而定。此外，生铁中还含有一定数量的碳，一般为4 左 右，含有微量的p 、s 等有害元素。简而言之，生铁就是以铁为基础，含 有一定数量的c 和少量的s i 、m n 、s 等有害元素的合金。 高炉冶炼过程中，炉渣和生铁是同时形成的，凡是冶炼过程中未被还 原的氧化物都成为炉渣，如c a o 、m g o 等全部进入炉渣，m n o 有一部分 进入炉渣，一部分被还原。此外，炉渣中还含有c a s 、c a f 2 ，特殊情况下 还含有k 2 0 、n a 2 0 等成分。总之，常规炉渣主要成分是c a o 、m g o 、s i 0 2 、 a 1 2 0 ”f e o 、c a s 、m n o 等几种化合物，其中c a o s i 0 2 被称为碱度是决 定炉渣性能的特征指标。 图1 1 炼铁流程及主要设备示意圈 从工艺流程角度考察常规的高炉炼铁工艺3 1 ，它包括以下内容 ( 1 ) 值班工长在主控室的“炉内作业”； f 2 1 炉前的出渣、出铁作业； ( 3 ) 槽下原燃料的配料与称量：； ( 4 ) 炉顶卷扬的上料与布料； ( 5 ) 热风炉的燃烧与送风； ( 6 ) 富氧与喷吹煤粉； ( 7 ) 高炉冷却水冷却； ( 8 ) 设备维护； ( 9 ) 煤气采样与分析； ( 1 0 ) 生产调度协调，调度室配送渣罐、铁罐等： 辽宁科技大学工程硕士学位论文 文献综述 ( 1 1 ) 化验室化验原燃料、铁水、炉渣等化学成分； ( 1 2 ) 过磅站铁水称量等。 这些工序环节由不同岗位人员操作控制，并且与高炉主控室交流作业 信息， 按照值班工长的指挥，形成高炉生产过程中各个工序的相互配合与协调。 1 ，2 2 炼铁工艺流程的主要设备及其作用 现代大型高炉主要包括以下五部分： ( 1 ) 高炉本体：其作用是将铁矿石在加入各种燃料和熔剂后还原并冶炼 出含碳生铁。 ( 2 ) 供料系统：包括贮矿槽、贮焦槽、称量与筛分等设备，主要任务是 及时、准确、稳定地将合格原料送入高炉。 ( 3 ) 送风系统：包括鼓风机、热风炉及一系列管道和阀门等，主要任务 是连续可靠地供给高炉冶炼所需热风。 ( 4 ) 煤气除尘系统：包括煤气管道、重力除尘器、洗涤塔、文氏管、脱 水器等，主要任务是回收高炉煤气，使其含尘量降至1 0 m g m 3 以下，以 满足用户对煤气质量的要求。 ( 5 ) 渣铁处理系统：包括出铁场、开铁口机、堵渣口机、炉前吊车、铁 水罐车和水冲渣设备等。主要任务是及时处理高炉排放出的渣、铁，保证 高炉生产正常进行。 ( 6 ) 喷吹燃料系统：包括原煤的储存、运输、煤粉的制备、收集及煤粉 喷吹等设备，主要任务是均匀稳定地向高炉喷吹大量煤粉，以煤代焦，降 低焦炭消耗。 1 2 3 高炉炼铁主要生产技术指标 衡量高炉炼铁生产技术水平和经济效果的技术经济指标4 1 主要有： ( 1 ) 高炉有效容积利用系数( t 1 ，) 。高炉有效容积利用系数是指每昼夜、 每1 m 3 高炉有效容积的生铁产量，即高炉每昼夜的生铁产量p 与高炉有效 容积v # ，之比： 1 1 v = p v 自 ( 2 ) 焦比( k ) 。焦比是指冶炼每吨生铁消耗的焦炭量，即每昼夜焦炭消 耗量q x 与每昼夜生铁产量p 之比： 辽宁科技大学工程硕士学位论文文献综述 k 2 q x p 焦炭消耗量约占生铁成本的3 0 4 0 ，降低生铁成本必须力求降低 焦比。焦比大小与冶炼条件密切相关，喷吹煤粉可以有效地降低焦比。 ( 3 ) 煤比( y ) 。冶炼每吨生铁消耗的煤粉量称为煤比。当每昼夜煤粉的消 耗量为q y 时，则： y 2 q y p 喷吹其它辅助燃料时的计算方法类同，但气体燃料应以体积( m 3 ) 计量。 单位质量的煤粉所代替的焦炭的质量称为煤焦置换比。它表示煤粉利用率 的高低。一般煤粉的置换比大约在o 7 o 9 之间。 ( 4 ) 冶炼强度( i ) 。冶炼强度是每昼夜、每l m 3 高炉有效容积燃烧的焦炭 量，即高炉一昼夜焦炭消耗量q k 与有效容积v ；的比值： i = q k v 有 冶炼强度表示高炉的作业强度，它与鼓入高炉的风量成正比，在焦比 不变的情况下，冶炼强度越高，高炉产量越大。 ( 5 ) 生铁合格率。化学成分符合国家标准的生铁称为合格生铁，合格生 铁占总产生铁量的百分数为生铁合格率。它是衡量产品质量的指标。 ( 6 ) 生铁成本。生产1 t 合格生铁所消耗的所有原料、燃料、材料、水 电、人工等一切费用的总和，单位为元t 。 ( 7 ) 休风率。休风率是指高炉休风时间占高炉规定作业时间的百分数。 休风率反映高炉设备维护的水平，先进高炉休风率小于1 。实践征明， 体风率降低1 ，产量可提高2 。 ( 8 ) 高炉一代寿命。高炉一代寿命是从点火开炉到停炉大修之间的冶炼 时问，或是指高炉相邻两次大修之间的冶炼时间。大型高炉一代寿命为 1 0 一1 5 年。 判断高炉一代寿命结束的准则主要是高炉生产的经济性和安全性。如 果高炉的破损程度已使生产陷入效率低、质量差、成本高、故障多、安全 差的境地，就应考虑停炉大修或改建。衡量高炉炉龄的指标有两条，一是 高炉的炉龄，二是一代炉龄内单位容积的产铁量。 1 2 4 高炉产品 ( 1 ) 生铁 生铁是以f e 为基，含有c 、s i 、m n 、p 、s 、t i 六大元素的合金。 辽宁科技大学工程硕士学位论文文献综述 ( 2 ) 炉渣 水渣是水泥的主要原料，渣棉可以作为绝热材料，炉渣经过处理还可 以作建筑材料。 ( 3 ) 高炉煤气 1 吨生铁可以产生1 0 0 02 0 0 0 m 3 的高炉煤气，可作为燃料供给其他 厂或用于煤气发电。 ( 4 1 炉尘 炉尘中含有5 15 的碳，3 0 5 0 的铁，因而可以返回烧结厂再次利用。 随着燃料条件的改善和实行高压操作，炉尘会逐步减少。 1 2 5 高炉生产过程特点 高炉生产过程特点有： f 1 1 过程的极端复杂性。可以说高炉是目前为止最复杂的一种冶金反应 器，发生在高炉内部，特别是高炉下部的各种物理化学现象，至今还没有 得到完全和充分的认识。 f 2 ) 检测信息不完全。具体表现在检测项目少，且多局限于过程的边界 f 炉顶、渣铁、风口、炉身静压力等) ，很多重要检测数据的采样频度很低。 ( 3 ) 反应迟钝，即控制动作的响应十分缓慢，时间常数很大。 ( 4 1 可控范围狭窄。这有两方面的含义，一是因为铁水质量必须满足炼 钢等用户的严格要求，使得高炉的各种控制参数的可调范围相对比较小； 二是炉况必须早调、小调，才不至于发生过大的波动，否则炉况将会急剧 恶化导致失控。 高炉的这些特点，使得高炉的过程控制，特别是实时在线控制成为一 项特别复杂的工作。高炉的控制长期以来不得不主要依赖冶炼专家的经 验。高炉的这些特点，还决定着必须同时在三个水平的时间尺度上对高炉 过程实施有效的控制，即长期控制、中期控制和短期控制，才能达到预期 的目的。长期控制又称生产计划，内容是根据铁矿石、焦炭、喷吹煤粉等 固体原料的种类、质量及价格，公司内部或外部市场对生铁品种规格和数 量的要求，热风炉、装料设备等的工作状况，公司内部的煤气平衡计划等 基本条件，提前制定高炉相应的生产计划，时间尺度为一周到一个月。中 期控制的内容，主要是针对难以检测的长期而微小的原料和燃料质量以及 入炉量的变化及高炉操作炉型等的变化，定期核查炉热水平，进行炉型管 辽宁科技大学工程硕士学位论文文献综述 理，预报及控制崩、悬料、炉凉等异常炉况，时间尺度为几小时到一周。 短期控制的内容，主要是针对不可避免的原料性质和入炉重量的波动以及 渣皮脱落和冷却器漏水等因素，对炉热水平进行实时监控，尽早发现或预 测炉况失常，及时采取必要的调剂措旌，保证高炉优质、低耗、高效、长 寿，时间尺度为1 分钟到几小时。 1 3 关于高炉热平衡理论的研究 高炉热平衡测定是评价高炉热能利用水平，确定其热效率的重要手 段。在冶金过程理论及物料平衡与热平衡的基础上 5 - 7 ，通过对高炉实体 的现场测定、计算，搞清热量收支情况，得出热能利用指标，按高炉冶炼 规律建立数学模型，通过计算研究给定冶炼条件下的各项冶炼指标，准确 的预测冶炼效果，从而为高炉生产操作及设备结构的改进提供依据，为企 业制订节能规划，提高工艺技术和科研发展提供参考【8 】。 1 3 1 高炉炼铁热平衡理论的发展 众所周知，高炉是一个极其复杂的封闭的反应体系，在其内部各种物 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【9 l 。晟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 10 】关于“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f 确的。琴兹i l l j 开始开展了关于高炉的广 泛的研究，并试图进行高炉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。 l8 6 6 年法国工程师特法尔节i l2 j 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 辽宁科技大学工程硕士学位论文文献综述 表了“炼铁的化学”一书，被公认为高炉炼铁的第一部教科书。 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l8 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( c 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 世纪末期至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施与方法，高炉冷却设备的 改进计算等许多方面。 1 9 5 2 年，人们首次弄清楚了f e 0 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 t 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，而间接还原吸收热量很少，就化学需求上讲，直接还原一分子f e o 只 辽宁科技大学工程硕士学位论文文献综述 要一个c 分子，而间接还原则需要三个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，只有在高温下刁能进行，7 5 0 以上，炭 被氧化生成c o ；6 0 0o c 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【l3 。1 6 j 。 1 9 6 7 年4 月a r i s t 和n m e y s s o n 发表了文章“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o f e 为坐标，绘制出c o f e 图f 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制定决策提供依据 【l ” 1 3 2 高炉工艺计算方法概述 高炉冶炼过程的计算分析法( 或简称高炉工艺计算) ，是生铁冶金学的 重要组成部分，也是生产技术分析及科学研究中的重要计算。它包括：配料 计算( 变料计算) 、物料平衡、能量平衡、温区热量平衡、还原剂与热耗炭 量计算、直接还原度计算、理论最低焦比计算、r i s t 操作线计算等 1 。它 是根据物理化学及冶金热力学与动力学原理，对高炉内的物理化学反应及 传质、传热过程进行计算分析，确定给定冶炼条件下的全部冶炼指标，预 测采用某种新的冶炼技术( 如富氧鼓风、喷吹燃料等) 或冶炼条件发生重大 变化( 如大幅度提高风温、采用高品位矿石、改变炉料结构等) 时，可能达 到的新的冶炼指标，并且指明优化高炉操作及进一步改善冶炼指标的方向 与限度。正确的计算方法，可以省去耗资巨大的冶炼试验，直接通过计算 获得必要的数据，为新技术的应用与推广提供科学依据。在为新建高炉确 定炉容与炉型、选择各大系统主要设备的容量与工艺尺寸、计划动力供应 与运输能力时，也离不开基于物质不灭定律与能量守恒定律的这种计算分 析【1 9 2 0 1 。 各种冶炼指标当中，最重要的一项就是焦比。它是代表高炉能耗高低 9 辽宁科技大学工程硕士学位论文 文献综述 的基本指标，其它许多指标都是由它派生出来的，如风量、煤气量、煤气 成分、渣量、相对产量等，焦比一旦被确定，这些指标亦随之确定。因此， 通过计算弄清各种因素对焦比的影响，并确定两者之间的定量关系，是高 炉工艺计算中的核心问题。 计算焦比的依据是炉内热平衡。虽然焦炭在炉内的作用不局限于提供 热量，还有还原剂与保证料柱透气性的骨架作用，但当前条件下，决定焦 比的限制性因素是单位生铁的热量需要，因此，可以根据热平衡确定焦比。 为此，需要建立以焦比因素为待解未知数的热平衡方程，同时计算全部热 支出。 在简易计算中。计算焦比的热平衡方程如下式： q 自x c f 2 q c u 式中： q * 一风口前燃烧每l k gc 的有效热收入，它等于l k gc 在风口前 的不完全燃烧热加上鼓风物理热减去炉顶煤气带走的热量。单位是 k j k g c 。 q c u 一全部热支出( 不包含炉顶煤气带走的热) ，单位是k j t f e 。 c f 风口前燃烧的c ，k g t f e 。 通过上述热平衡方程式解出风口前燃烧的碳c f 之后再加上根据选定 条件计算的进入生铁中的碳c e 与直接还原消耗的碳c d ，三者之和就是 每单位生铁所消耗的焦炭中的碳。根据焦炭中的含c 量把它换算成为焦炭 量，就是焦比。 为了利用上述热平衡方程式来计算焦比，必须选定炉顶温度和炉内铁 的直接还原度，并且由于热支出中亦含有与焦比有关的炉渣带走的热量与 石灰石分解热等项，所以，须把它列成含有末知数的求和式之后，进行同 类项合并的代数运算，才能解出焦比。 在拉姆创立的联合计算中，计算焦比的热平衡方程如下式： q k s hxk = 一q p s l t e d 式中： q k s h 一加石灰石以后的焦炭自由热，单位是k j k g 焦； k 一焦比，单位是k g k g 铁； q p s h 一加石灰石之后的矿石自由热，单位是k j k g 矿； e p 一矿石理论出铁量，单位是k g k g 矿。 只要按选定条件计算出q k s h ，q p s h 和e 。，就可以用上式解出焦比k 。 i 0 辽宁科技大学工程硕士学位论文文献综述 式中的q k s h 和q v s r t 值受各种冶炼条件，如风温、富氧度、矿石成份、焦 炭成份等因素的影响。 计算时，以下三项指标是必须选定的： ( 1 ) 炉顶温度t d ； ( 2 ) 铁的直接还原度r d ； ( 3 ) 外部热损失占热收入的分数z 。 计算的准确性几乎完全取决于上述三项指标选定的可靠性。迄今，描 述各种冶炼条件与上述三项指标之间关系的普遍适用的数学模型尚未闻 世，因此，目前只能采用经验公式。拉姆在这方面做出了出色的工作，对 前苏联绝大部分高炉进行调查统计的基础上，提出一整套经验公式，计算 结果与生产实际相当吻合。 国内外许多文献的作者们认为通过高温区热平衡来计算焦比较全炉热 平衡来计算焦比更准确，理由是高炉上部区热交换进行的比较彻底的情况 下边界处炉料与煤气温度差很小，只有2 0 5 0 ，并且很稳定，不像在 全炉热平衡中必须选定的炉顶温度那样，随冶炼条件的变化而发生很大的 波动。但实际上在上部热交换区内炉料粒度组成与分布及其运动状态极不 均匀的情况下，难以想象上部热交换区内热交换进行的总是那样彻底，以 至于边界处炉料与煤气之间的温度差在无论何种冶炼条件下总能保持在 2 0 5 0 。c 的水平，它也会发生很大波动，因此，区域热平衡一定比全炉热 平衡更准确的论断缺乏充分的根据。 热平衡有三种不同的计算方法，第一种叫热工法，第二种叫格留涅尔 法，第三种叫奥盖尔曼法。从能量守恒的角度来看，三者没有本质上的不 同，均可以做到收入与支出的平衡。三种热平衡计算法的主要区别，在于 热收入项中对燃料燃烧放热量的不同理解上，第一种计算法认为燃料的低 发热量就是它的收入，第二种计算法认为按燃料在炉内燃烧过程中实际形 成的c 0 2 和c o 数量来计算它的热收入，第三种计算法认为只按风口前 燃烧的c 放出的热量来计算它的热收入。由于对燃料燃烧放热量的上述 不同理解，所以，三种热平衡中分别出现不同的热支出项，第一种热平衡 中有氧化物的分解热、炉顶煤气热值及未燃烧碳的热值，第二种热平衡中 有氧化物的分解热，第三种热平衡中有炉内反应吸热。根据计算分析的不 同目的，可以采用不同的热平衡计算法。对高炉整体进行热工分析时，采 用第一种热平衡较方便，对焦比的影响因素进行计算分析时，可采用第二 种和第三种热平衡 2 1 - 2 2 。 辽宁科技大学工程硕士学位论文文献综述 1 4 宝钢高炉概况 1 4 i2 b f 简介 宝钢炼铁系统现拥有4 座4 0 0 0 m 3 级特大型高炉： 1 b f 炉容4 0 6 3 m 3 ，建于1 9 8 7 年，于1 9 9 7 年5 月大修后投入第二代生 产，设计一代炉龄为15 年。 2 b f 炉容4 0 6 3 m 3 ，建于1 9 9 1 年6 月，设计一代炉龄为1 0 年。 3 b f 炉容4 3 5 0 m 3 ，建于1 9 9 4 年9 月，设计一代炉龄为1 2 年，计划于 2 0 0 7 年左右进行大修。 宝钢4 座高炉的综合技术经济指标和总体装备水平在当时都居世界一 流水平，至今在国内仍属领先，其生产操作、设备运行、高炉炉况总体上 是好的、安全的、稳定的。 宝钢2 b f 是我国自行设计建造的第一座4 0 6 3 m 3 级的高炉，自1 9 9 1 年 6 月2 9 日点火投产已来，至2 0 0 5 年炉龄已达1 4 年，一代炉役内单位炉容 生铁产量已经超过1 万吨，创造了国内高炉长寿的新记录。该高炉的技术 经济指标比较先进，在国际上也属于领先地位。附表1 1 列出了本高炉的 主要技术经济指标。 图1 2 宝钢2 b f 内型结构图 为了更好地评价该高炉在炉役后期的生产状况，对该高炉2 0 0 5 年4 辽宁科技大学工程硕士学位论文文献综述 月2 0 日前后几天的高炉物料平衡及热平衡进行了计算与分析，并和 4 b f 2 0 0 6 年、2 b f 2 0 0 0 年，以及3 b f l 9 9 8 年的测试计算结果进行比较与分 析。目的是对2 b f 炉役后期的生产特点进行评价，为其他高炉的生产提供 借鉴。 图1 2 是宝钢2 b f 的内型图。 1 4 23 b f 简介 宝钢3 b f 有效容积为4 3 5 0 m 3 ，于1 9 9 4 年9 月2 0 日投产，在当时是 我国最大的高炉。从投产后的三年多的生产实践中，生产稳定，到1 9 9 6 年9 月，月平均日产量达到1 0 2 2 6 t ，有效容积利用系数为2 3 6 m 3 d 。后来 由于原料供应和炼钢能力所限，于1 9 9 7 年5 月被迫停产，即使是这样， 3 b f 的各项技术经济指标在国内仍居前列，与具有国际先进水平的南韩浦 项相比也不相上下，可以说已经进入了国际先进行列。 当时3 b f 在生产过程中也存在一些问题，时有滑料、崩料、风压不稳 现象，炉凉是困扰3 b f 的一大难题，冷却壁水管烧损严重，炉顶煤气温度 低。但是3 b f 的装备水平是比较高的，风温可以达到1 2 5 0 以上，而且富 氧率的提高仍有余地，炉顶压力以比较高，炉体砖衬和冷却系统也是比较 先进的。 1 4 ，34 b f 简介 1 4 3 14 b f 的设计特点 宝钢4 b f 的设计是综合分析前3 座高炉的生产经验基础上进行改进和 完善的。高炉综合水平不低于现有三座高炉，高炉实际炉容4 7 4 7m 3 ，年 产铁水3 5 0 万t 、水渣1 1 5 3 万t 、高炉煤气5 2 5 0 1 0 6 m 3 。高炉年平均利用 系数2 2 t m 3 d ，即同产生铁9 6 0 0 t ，燃料比5 1 0 k g t ，焦比2 9 0 k g t ，煤比 2 2 0 k g t ，风温1 2 5 0 。c ，炉顶压力o 2 8 m p a ，高炉一代无中修寿命1 8 2 0 a 。 宝钢4 b f 设计的主要技术经济指标见表1 1 。 表1 1 高炉设计主要技术经济指标 辽宁科技大学工程硕士学位论文文献综述 宝钢3 b f 的内型较矮胖，适应性较强，加风、提温、富氧都能接受， 适于强化冶炼。因此，四高炉的内型尺寸选择与三号高炉的炉型基本一致。 国内外和宝钢4 b f 相近炉容高炉的内型尺寸见表1 2 。 表1 2 高炉内犁尺寸表 1 4 辽宁科技大学工程硕士学位论文 文献综述 1 4 3 24 b f 实际生产主要经济指标 4 b f 于2 0 0 5 年4 月投产以后，指标一直良好，2 0 0 6 年4 月2 1 2 5 目 指标数据如表1 3 、表1 4 。 1 5 辽宁科技大学工程硕士学位论文 文献综述 风速k 值顶温顶压 炉顶煤气 c 0 2 c o h 2 表1 44 b f 鼓风指标 冶炼炼钢生铁元素分配率如表l 一5 。 表1 5 冶炼炼钢生铁时元素分配率 炼铁焦比：2 3 8k g t p ； 喷煤量：2 3 8 9 9k g t p 炉渣碱度：1 2 3 ； 渣比：2 5 4k g t - p ； 平均日产铁水：1 0 7 3 4 吨。 1 6 辽宁科技大学工程硕士学位论文物料平衡和热平衡的程序设计和应用 2 物料平衡和热平衡的程序设计和应用 高炉物料平衡和热平衡的计算机程序计算十分方便，可以大大提高运 算的效率及计算结果的准确率。本研究的程序设计以w i n d o w s x p 为运行 的基本操作系统，应用e x c e l 2 0 0 0 作为数据输入的工具，可以改善数据输 入的修改和保存；计算部分采用可视化极强的v i s u a lb a s i c 计算机语言， 运行过程以菜单形式显示，十分方便 2 3 1 。 2 1 程序组成 第一部分是在e x c e l 2 0 0 0 下的宝钢原燃料成分表，包括各种原料原始 成分、焦炭及煤粉的原始成分和以下辅助原料的原始成分。 第二部分是在v i s u a lb a s i c 下的计算和显示部分。包括丌始( 数据读入、 退化主窗体) 、计算、各种显示及打印等几个部分。计算过程包括原燃料 成分调整、炼铁配料计算、物料平衡及热平衡、高炉操作线基本参数等； 其中热平衡计算采用第一热平衡法。显示过程可以选择，如可以选择显示 高炉煤气成分、物料平衡表、热平衡表等。打印过程也可以根据需要进行 选择，详细内容可见程序运行时的菜单提示。 2 2 运行过程 直接运行经过编译的b a o s t e e l e x e 文件，单击后出现一个画面，在这 个画面中是菜单型的操作画面，首先将鼠标移到开始菜单，出现两个可选 内容，一个是退出主窗体，单击可退出；另一个是输入原燃料成分表，单 击可读入数据。单击后出现一个输入选择框，即输入0 1 2 数字或“去年”、 “前年”，他们分别表示您所输入的数据来源于“宝钢原料原始成分表x l s ”、 “宝钢原料原始成分表1 月份x l s ”、“宝钢原料原始成分表2 月份x l s ”、 “宝钢原料原始成分表3 月份x l s ”、“宝钢原料原始成分表4 月 份x l s ”“宝钢原料原始成分表1 2 月份x l s ”、“宝钢原料原始成分表 去年x l s ”、“宝钢原料原始成分表前年x l s ”。这样您可以保存一年1 2 个 月的原料原始成分数据，0 为默认值。如果你选择0 ，那么请先运行“宝 钢原料原始成分表，x l s ”这个文件，然后最小化，再按提示操作。这时屏 幕提示“正在读入数据，请稍候! ”。输入数据以后，可以在显示菜单下选 择计算，稍候片刻即可以查看运行计算的各个结果。荠且可以在打印菜单 辽宁科技大学工程硕士学位论文 物料平衡和热平衡的程序设计和应用 选择具体打印的内容进行打印。运行其它“宝钢原料原始成分表+ x l s ”文 件方法类同。另外，在运行b s t e e l e x e 文件以前，也可先运行“宝钢原料原 始成分表+ x l s ”，然后根据文件名选择需输入的数字( 0 - 1 2 ) 或字符( “去 年”或“前年”) ，后面的运行一样。 程序运行过程框图如下： 运行原始数据成分表 l 运行b a o s t e e l e x e l 点击开始菜单，输入数据 选择源数据，等待程序读入数据 点击“开始计算”菜单，等待