降低焦比的措施及原理全解.docx

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降低焦比的措施及原理全解

摘要

目前的国际国内趋势下，如何降低焦比的措施及所采取相应的措施，从原料优化到系统设备以及工艺方法等的改进和优化，不断地提升冶炼水平，降低成本，保护环境，保障钢铁事业的稳定快速可持续发展。

本文从焦炭利用，热量有效利用，高炉内还原反应情况等角度出发综合分析并论述了降低高炉焦比的六项具体的途径与措施，即提高铁矿石的品位；采取高风温；喷吹燃料；综合鼓风喷吹；炉顶高压操作；改善焦炭质量，减少灰分。

关键词：

节焦，富氧鼓风，提高风温，喷煤，焦炭质量

1前言

1.1焦比

焦比是高炉每冶炼一吨生铁所耗用焦炭的公斤数。

它是高炉炼铁的主要技术经济指标。

综合反映了高炉炼铁原料、燃料、设备和技术操作的水平。

1.2国内焦比情况

20世纪六七十年代我国钢铁企业焦比约550kg/t，高炉利用系数在1.5t/（m3.d）左右。

上世纪末焦比降低到520kg/t左右,平均利用系数为1.8t/（m3.d）左右。

近几年焦比平均为300kg/t--420kg/t炉子利用系数上升到2.2t/（m3.d）---2.5t/（m3.d）。

据中国钢铁企业网上的资料显示，2009年前5个月全国重点钢铁企业高炉入炉焦比为374kg/t，比上年度下降25kg/t，是近年来下降幅度最大的一年，创造出历史最好水平。

焦比较低的企业有：

宝钢294kg/t，太钢301kg/t，武钢311kg/t，首钢314kg/t，鄂钢330kg/t，鞍钢331kg/t，长冶332kg/t，马钢340kg/t，湘钢345kg/t，莱钢348kg/t；最高值的企业达到549kg/t。

2降低焦比的措施

2.1提高矿石品位和还原性

铁矿石品位是指铁矿石的含铁量，以TFe%表示，是评价铁矿石质量的主要指标。

铁矿石含铁量高有利于降低焦比和提高产量。

根据生产经验证实，矿石品位提高1%，焦比降低2%，产量提高3%。

铁矿石还原性是指铁矿石被还原性气体CO或H2还原的难易程度,也是其质量的主要指标。

铁矿石的还原性好，有利于焦比降低，但只有直接还原与间接还原在适宜的比例范围内，维持适宜的直接还原度Yd,才能降低焦比。

实践证明适宜的直接还原度为0.2—0.3.

铁矿石品位提高的方法

提高铁矿石的铁含铁量，减少脉石成分，溶剂用量和渣量也相应减少，对于富矿，可直接入炉。

而对于贫矿，要进行选矿和造块加工处理，即人造富矿。

常用重力，磁力或浮游选矿法，在选矿时，根据各矿物物理化学性能的不同，借助各种选矿设备和药剂，将矿石中有用矿物和脉石分离，以使有用矿物富集，矿石品位提高，回收铁有用成分，去除有害杂质。

再将各种含铁矿粉配加一定数量的燃料和熔剂，加热到1150℃---1500℃，使其粘结成块矿或者把细磨铁精矿粉或其他铁矿粉料添加剂混合后再加水润湿的条件下，通过造球机滚动成球。

再经过干燥焙烧固结成具有一定强度和冶金性能要求的球型含铁原料，已获得烧结矿块或球团矿块，这样就粒度均匀，微气孔多，强度高，品位高，还原性好，有利于其强化冶炼。

2.2采用高风温

提高风温根本原因在于鼓风带入的物理热能够代替部分焦炭的燃烧热，节约了焦炭的用量，这样焦比就降低了。

热风温度提高100℃可使高炉燃料比降低15kg/t，可使炉缸理论燃烧温度升高60℃，可以多喷吹煤粉约30公斤，有较好的经济效应。

热风温度是依靠燃料约45％的低热值高炉煤气获得的。

所以说，热风温度是廉价的能源。

高炉炼铁所需热量中是有19％左右是由热风带入的。

提高风温降低高炉焦比的原理及分析

1）高炉内热量来源于两方面：

一是风口前碳素燃烧放出的化学热，二是热风带入的物理热。

后者增加，前者减少，焦比即可降低。

但是碳素燃烧放出的不能在炉内全部利用，高炉内热量有效利用率Kt随冶炼操作水平不同而变化，一般情况下80%左右。

提高风温后，焦比降低，炉顶温度降低，煤气带走的热量减少，单位生铁热损失亦减少，热量利用系数Kt提高生铁质量稳定，喷吹燃料效率提高了，有利于间接还原，改善煤气利用效果。

可以说，热风带入的热量比碳素燃烧放出的热量要有用得多。

2）从热风炉中带到高炉内的热风热量比碳素燃烧放出的热量要有用得多，并且是全部被高炉所吸收。

例如，高炉有效容积利用率Kt=0.8时，如果风温提高多带入100KJ的热量，其他条件不变，从而节省风口前燃烧的焦炭，相当于100/0.8=125KJ热量的碳.这些热量要预热炉料，燃料，维持炉内化学反应正常进行。

3）提高风温还可以加快风口碳素燃烧，热量要集中于炉缸，使高温区下移，中温区扩大，有利于间接还原发展，直接还原度降低。

焦炭燃烧反应生成的CO气体直接作用在矿石，完成还原反应。

不同风温水平在提高风温后降低焦比的幅度也不尽相同。

当然，当风温提高到某一水平时，超过这一水平后，提高风温就不经济，此风温称为经济风温。

它与吨铁的耗风量和热风炉热效率有关，若风耗小于2000m3/t时或热风炉热效率结构不合理，高风温是不合理的。

提高热风炉风温的方法：

热风炉交叉并联送风

交错并联送风方式不是通过混风调节阀混入冷风来控制送入高炉的风温，而是通过先行炉较低的风温混合后行炉较高的风温，通过不同风量的配比最终得到稳定的需要温度，由于采用交错并联方式时的先行炉风温远远高于现有送风方式通过混风阀送入冷风的风温，因此交错并联送风总热值高于现有送风方式的总热值，送风量相同时，送风温度自然就要高于现有的送风温度。

通过武汉钢铁公司5号高炉交错并联送风自动控制系统使用情况看，在原有年平均风温1150℃、不改变热风炉烧炉总热值情况下，通过采用交错并联送风自动控制，可有效稳定提高送风温度50℃，且无论是在正常送风抑或是换炉时，风温均可以稳定在+/-5~10℃范围内。

无论是节能降耗还是稳定高炉生产，热风炉交错并联送风自动控制系统都表现优异。

采用高风温后焦比降低的效果

当前我国大高炉平均风温在1050℃--1100℃。

2009年前5个月全国重点钢铁企业高炉热风温度为1158℃，比上年升高25℃。

热风温度较高的企业有：

太钢1218℃，宝钢1195℃，三明1192℃，攀钢1189℃，首钢1186℃，鞍钢1182℃，长治1164℃，新兴铸管1164℃，津西1164℃，邯钢1157℃。

国外风温水平达到1300℃--1350℃。

1955—1979年间日本高炉燃料比降低了253kg/t，其中提高风温因素占31%。

据统计，风温950℃--1350℃之间，每提高100℃可降低焦比8—20公斤，增加产量2%--3%；风温由1000℃提高到1250℃，焦比可降低22.5公斤，增产12.5%。

由此可见，提高风温是降低焦比的重要途径。

2.3喷吹燃料

喷吹燃料能大幅度降低焦比的主要原因（原理分析如下）

（1）燃料中的碳代替了焦炭中的碳，生成了还原性的气体CO，参加化学反应，代替了焦炭中的碳作为发热剂和还原剂的作用。

（2）燃料中的氢气代替焦炭中的碳，尤其是气液体燃料，含H2量都远高于焦炭，在高温区，有效地代替碳参加还原反应，同时本身氧化放出热量，也置换了一部分碳，因而使入炉焦比降低。

（3）喷吹燃料可促进高炉顺喷吹燃料的主要目的是以其他形式的廉价燃料代替冶金焦炭，从而降低焦比。

行，中小型高炉尤为明显，炉况顺行可提高焦炭负荷操作，因而促进焦比降低。

下表是各种燃料中碳，氢气含量，从表中可以看出喷吹燃料是一种很有效的降低焦比的措施。

表1某焦炭的灰分分析

成分％

无烟煤

烟煤

重油

天然气

焦炉煤气

碳

71.9

73.26

86.75

71.6

82.1

氢气

3.98

4.24

11054

72.95

37.11

影响喷吹效果的因素

喷吹效果大小决定于喷吹量和置换比

 由燃料喷吹量与焦比的关系可得，焦比随喷吹量的增加而逐渐减少，控制要合适的喷吹量，使燃料在经济节省的条件下最大化的充分利用。

燃料喷吹量与焦比的关系

在喷吹量一定时，则主要决定于置换比R。

置换比就是喷吹单位重量或体积的燃料所替代的焦炭量（kg焦/kg（m3）燃料）

置换比可用下式计算 R=（K0-K）/Q

置换比高意味着等量的燃料所取代的焦炭量多，焦比降低幅度大，喷吹效果好。

置换比同喷吹燃料的种类，数量，质量，煤粉粒度，重油雾化，天然气裂化程度及风温水平，富氧鼓风等有关，以随着冶炼条件和喷吹制度的变化而不同。

 实践证明，喷吹量增大，焦比降低幅度减小。

在一定冶炼条件下，确定最佳置换比就能在置换比不降低，喷吹效果不减弱的情况下，可加大喷吹量。

 因此改善操作，高炉原料质量，提高燃烧率才能获得最佳置换比。

在最佳置换比的前提下，达到最大的喷吹量。

根据经验，在风温1000℃---1100℃条件下，每吨生铁的适量喷吹量和相应置换比见表2：

表2每吨生铁的适量喷吹量和相应置换比

重油

天然气

煤粉

每吨生铁的适量喷吹量

65—70kg/t铁

70—80m3/t铁

120—140kg/t铁

相应置换比

1.23kg焦/kg油

0.99kg焦/m3气

0.68kg焦/kg煤

2.4综合鼓风

在高炉鼓风中，实行喷吹燃料同富氧和高风温相结合的方法，统称为综合鼓风喷吹。

应用综合鼓风技术可以有效地强化高炉冶炼，明显地改善喷吹效果，大幅度地降低焦比，促进炉缸风温升高，促进硅还原和硅升高，但由于焦比降低和软熔带下移，煤气中CO分压升高，在一定程度上也起到了抑制硅还原的作用。

综合鼓风也有利于冶炼高温生铁低硅生铁。

综合鼓风喷吹的优越性论述：

（1）有效地提高冶炼强度，增加产量。

鼓风中每增加1%的氧，相当于高炉增加风量（干）0.01/0.21=4.76%。

理论上相应增产4.76%实际上3%--5%，富氧燃烧强化，下料加速；同时使煤气体积相应减少，煤气流速降低，阻力损失减少，ΔP降低，有利于快料顺行，因而焦炭的滞留时间缩短焦炭热量有效利用和还原反应充分进行，热损失减少，焦比自然降低。

（2）提高炉缸温度，降低炉顶温度，改善煤气能量利用，同时利于喷吹燃料。

计算表明，鼓风含量每提高1%，煤气量减少3%--4%理论燃烧温度可提高40℃，使热量集中于炉缸，，但若炉缸温度过高，将会引起高炉不顺，而综合鼓风即富氧加喷吹正好解决了这一问题。

（3）富氧有富化还原性煤气的作用，由于氧增加，氮减少，使煤气中的co含量相应提高，因而可促进还原，降低焦比。

综合鼓风的效果

日本采用富氧与重油综合喷吹技术，鼓风中含氧达到22%--24%，喷油量为60—80kg/t铁，风温1250℃左右，获得系数2.0t/（m3.d）以上，焦比400kg/t的良好效果。

目前我国高炉富氧还不普遍，富氧程度一般不超过25%，由此大力提倡综合鼓风将会收到大生产经济效益。

2.5炉顶高压操作

分析高压操作降低焦比的原因

（1）提高炉顶压力，则煤气体积缩小，在风量大致不变的情况下，煤气在炉顶停留时间延长，增加了矿石与煤气的接触时间，有利于矿石还原。

（2）高压加快了气体在球团矿和烧结矿微小孔隙内的扩散速度。

（3）加速了CO分解反应，分解出的碳存在于矿石中，也能加快矿石还原。

（4）瓦斯灰吹出量减少，吹出的碳也相应减少。

高压操作降低焦比的效果

一般认为炉顶压力在0.03MPa以上叫高压操作。

现代高炉炉顶压力在0.15—0.25MPa。

每提高顶压0.01MPa，降低焦比5—7kg，幅度不到1%，增产率为2%--3%，且随顶压提高，增产率递减，因此降低焦比效果不明显，但要控制炉顶压力在适宜范围，保证炉况顺行。

2.6改善焦炭质量，降低灰分

焦炭质量分析

焦炭化学成分包括固定碳，灰分，硫分，挥发分，和水分。

固定碳按此式计算：

W（C固）=[100-（灰分+挥发分+硫分）]%。

目前焦炭固定碳含量为85%左右，除固定碳外，灰分主要成分是SiO2,Al2O3,杂质，灰分高使焦炭的耐磨强度降低，溶剂消耗量增加，渣量亦增加，焦比升高。

我国冶金焦炭灰分一般为11%--14%,因此对焦炭加工处理的空间很大，获得优质的焦炭。

（1）固定碳含量要高，灰分要低。

（2）磷硫杂质要低。

（3）挥发分要合适，水分适中。

（4）强度高，块度均匀焦粉少。

下图是我国重点钢铁企业09年上半年与08年上半年焦炭质量。

变化表（来自中国钢铁企业网公布的信息）见表3

表3某焦炭的灰分分析

M40％

M10％

灰分％

硫分％

2009上半年

84.12

6.73

12.52

0.70

2008上半年

83.45

6.80

12.80

0.74

提高焦炭质量的工艺途径:

 加强洗煤，合理配煤

改善焦炭质量降低焦比的效果

要降低焦比，首选考虑从焦炭本身着手，提高其固定碳含量及碳的燃烧反应性。

这样冶炼单位生铁耗焦量就大幅度减少。

生产实践证明：

固定碳含量每升高1%，可降低焦比2%，产量增加4%。

M40升高1%，焦比可下降5kg/t，M10下降0.2%，焦比可下降7kg/t，灰分下降1%焦比可下降1%-2%，硫分下降0.1%，焦比下降1.5%-2.0%

结束语

要想大幅度地降低焦比，就必须综合应用各种焦比降低的途径和措施。

首先应该提高铁矿石品位，焦炭固定碳含量，尽量精料，其次在冶炼过程中采用高风温，再者要富氧鼓风并用高热值高含量的燃料喷吹代替部分焦炭发挥作用结合高压冶炼操作，系统全面地降低焦比，强化冶炼，使焦比处在一个合理的且较低的水平。

参考文献

[1]张家驹编著，铁冶金学 ，东北工学院出版社1988

[2] 傅永宁 编著，高炉焦炭 ，冶金工业出版社，1995

[3]陈胜清、周秋松主编 ，钢铁冶炼工艺，2006

［4］任贵义 ，编著 ，炼铁学 ，冶金工业出版社，1996

致谢

我要感谢三年的大学生活，感谢大学的所有老师同学以及我的家人和那些永远也不能忘记的朋友，他们的支持与情感，是我永远的财富。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!

还要感谢贾燕璐老师，是她在我遇到不明白的问题时为我解答。