高炉设计的原则.doc

一种新的高炉设计系统
XIANG Zhong-yong, CHEN Ying-ming, ZOU Zhong-ping
(CISDI Engineering Co Ltd,Chongqing,China)
摘要：随着富氧和喷煤技术的发展，它不会呈现出一种一成不变的方法来设计高炉基础冶炼强度和燃烧强度，为此随着时间的发展，中国高炉的设计需要更加的系统化。高炉的生产应该满足我们的生产要求。在目前的论文中，使用近代气体动力学的成果，科学的分析了衡量高炉强化冶炼过程的因素——炉腹煤气量指数，用以指导高炉设计，形成新的高炉设计体系。
关键字：高炉；设计体系；炉腹煤气量指数；设计过程
1 前言
高炉富氧技术和喷煤技术的发展，需要炉腹煤气量指数在原有基础上进行一些新的改变。 过去的高炉设计是从燃料或焦炭量开始的，而这些对于需要降低能量消耗和降低二氧化碳排放量的系统来说是不完美的。
2 过去的高炉设计系统
过去的高炉设计系统主要集中在高炉冶炼强度上，或者是我们一直沿用的前苏联设计和定义的高炉生产和设备系统。冶炼强度和燃烧强度都是由每天单位有效高炉容积消耗的焦炭量所决定。然后，高炉的设计用燃料来定义焦比，以确定高炉燃烧强度或冶炼强度，并获得生产率和产出。由燃煤燃油定义的风量会决定风机的容量。 而从燃烧强度或冶炼强度来说，炉缸直径可以被锻造，从而炉型也是固定的。鼓风量将有助于决定鼓风机和气体系统的设计，甚至是炉子的参数容量。高炉的强化主要是通过压降和气体的上升，而从来都不是通过提高燃煤燃油的数量来决定的，这一点远比生产者想象的更为复杂。但是，把增加燃料的燃烧量来提高高炉产量导致了燃料和能源的大量消费。
下面将讨论一些高炉设计的基础概念和方法论以及炉腹煤气体积等。
自从引进来自前苏联的高炉冶炼强度的概念，就一直在论证着和炼铁职业有关的合适的冶炼强度。从而对立着这样两种观点，一种是提倡高的冶炼强度，而另一种是提倡中等冶炼强度。 半个世纪过去了仍然没有明确的结论，即使一些观点在某些方面下达成共识，而冶炼强度和冶炼条件的选择始终是摆在大家面前的问题。 经过讨论和意见交换，在这方面终于达成共识， 并最终得出了冶炼强度对高炉产量产生影响的现实意义。近年来，高炉作业只能围绕在所谓的冶炼强度方面。然而，由于没有其他的更好的方法，冶炼强度仍然在不合理的高炉设计中起到副作用，甚至直接与鼓风量挂钩，其结果必须是导致高炉产量十分低下。资源，能源和投资都处在一个居高不下的水平。
3 中国新的高炉设计系统
中国的发展必须考虑到前苏联可用资源和能量的利用情况，从而踏上资源和节约资源的新的道路。我们必须把高炉设计的基础放在正确的层次上，要在高炉设计和经营理念方面有充分的监管，而根据中国国家惯例的框架，我们对资源和能源的利用需采取科学和谨慎的态度，而这就是新的高炉设计系统的开端的重要基础，实际上就是承诺在炼铁过程中保护能源、减少污染排放和可持续发展。
一般来说，新的高炉设计系统以炉气动力学为理论基础。炉生产条件和渗透阻力系数的实践为基础，渗透率作为参考来定义炉的设备能力。
3.1 理论基础
早在1950年代，关于容积电荷的气体动力学额尔古纳方程就被应用于分析鼓风炉，并且在这方面一直有巨大的推动作用。
它涉及到的知识有压降、气体的上升、渣铁在高炉内的下降等因素。
存在于高炉上部的气体阻力可通过Ergun方程计算，在高炉的中部和下部存在着固-液-气-粉这四个阶段。化学和物理反应发生的复杂和不确定性主要集中在高温领域即软熔带、滴落带。然而，在软熔带的气体阻力方程、限制炉集约化的因素上已经有了富有成效的研究，如液化条件、保留在填充床的流体，以及软熔带和焦炭床的分布等其他方面。
总之，所有这些研究服务的目的在于提高炉的气体通量，简而言之，提高炉的透气性和控制炉气流量。在这其中，炉气体流量与炉腹煤气指数直接相关。考虑到炉腹煤气生成体积比鼓风量和燃料体现的更为全面。这是因为炉腹煤气指数体积包含富氧、水分、喷煤和其他因素的影响。在炉腹煤气指数的限制条件下，以提高高炉产量为目标，降低燃料比的同时提高顶部压力和富氧条件，这样做可以使炉腹煤气体积和单位鼓风量降低下来。
3.2 新的设计系统和高炉生产
3.2.1高炉透气性阻力系数
在实际炉操作中，渗透阻力系数K通常用来测量气体通量和限制因素。K是由卡门方程简化如下：
（1）
其中，VBG-炉腹煤气指数，PB-风口前爆破压力；PT-顶部压力。
K对炉的平稳运行，高收益和稳定操作等非常重要。当K保持在正常的范围内，它代表了炉的顺利运行；当K超出正常范围，它表明了渗透率十分糟糕；如果K不断地上升，就有挂炉的风险或其他故障；当K低于正常范围，它可能会发生溢炉。从上面看，K指标可以作为炉正常运行的条件。也就是说，K和炉腹煤气指数VBG关系着炉的操作和设计。
K可以使炉的体积变小。根据2004年到2006年上半年从宝钢、上海1号钢厂、鞍钢、本溪钢厂、包头钢厂、首钢秦皇岛钢厂和重庆钢厂的统计情况来看，炉体积和渗透率之间的关系曲线阻力系数得关系可以获得如下图1。

图1 炉体积渗透率之间的关系
当高炉产量确定时，炉腹煤气指数VBG取决于单位高炉容积消耗的焦炭量。在原料和燃料确定的情况下，VBG和阻力以及渗透阻力系数K是对应的。当阻力增加到一定程度，炉几乎不能够维持平稳运行，导致塌料、管道行程甚至溢炉。实际上，可接受的最大阻力损失取决于控制高炉投入量的最大炉腹煤气体积VBG。此外，VBG是联系传热、传质和气体动力学一体化的重要桥梁。下面是与渗透阻力系数和波什气体体积相关的。
3.2.2 波什气体指数
基于气体通量的基本理论，结合实际渗透阻力系数K和炉腹煤气体积VBG，我们提出把波什气体指数作为高炉集约化的指标，与冶炼强度相比更具有代表性、科学性和逻辑性。
因为在生产过程中，接近炉腹煤气体积的高炉截面面积基本保持不变，并且始终在炉的设计和操作方面起到关键作用。因此在通过单位高炉截面面积上可以用波什气体指数XBG来定义气体体积，表达如下：
（2）
其中，VBG-炉腹煤气体积，m3/t；d-炉直径，m
炉腹煤气指数

炉横截面积/m2
图2 炉腹煤气指数和炉横截面积的关系
图2显示了高炉横截面积在一个月的峰值和炉腹煤气之间的关系。图2描述的和图1是同一个高炉。
从图2知，炉腹煤气气体量通过单位炉膛截面面积近似相等，即炉腹煤气体积指数在相同的条件下近似相等。
考虑到目前所有的可用原材料和燃烧条件，在非常良好的高炉操作中炉腹煤气指数可以处于58-66。总之，大量的统计数据和分析以及新的理念都用来发展炉腹煤气指数。在理想操作条件下，炉腹煤气指数可以暂时最大化为70.0，正如图2的水平直线所示。
考虑到高炉气体通量丰富，它可以改善炉腹煤气指数并加强炉的冶炼。在相对较高的K值情况下，应当控制炉腹煤气体积不变，但减少单位炉腹煤气体积可以加强炉的冶炼。换句话说，当炉的冶炼达到极限强度时通过增加鼓风量，炉腹煤气指数应当保持并且高炉运行平稳，在这个时刻，它就需要适当的减少鼓风量而增强富氧来实现高收益的目标。这是一个不同于以往的革命性的概念，而这就是新的高炉设计和操作意识形态。
3.2.3 强化高炉操作的方法
增加鼓风量必然会增加产量的片面观点从来都是不明智的，相反，创造一些有利条件如富氧、高压以及其他的有利条件来达到满意的生产目标。
通过采取在高炉操作中尽可能接近炉腹煤气体积可以最大程度上提高高炉产量。下面的公式和图表将富氧和顶压对冶炼强度和产量的影响表现出来。
以4000m3高炉为例，它的条件燃料比是505kg/t，煤比202kg/t，生产力2.3，炉渗透阻力系数不变，高炉水分量9g/nm3，煤和氢含量6%。假如提供的炉腹煤气体积是最大炉腹煤气指数的90%，也就是说，如果波什气体指数是64.44，因此，可以得出炉腹煤气体积是9223.9。然后富氧的计算对高炉操作的影响为下表1。
从上面的表中看出，当富氧从0上升到5%，如果炉腹煤气体积持续固定，燃料比将不会受到影响，但是，生产力和冶炼强度大大增加。在燃烧强度上超过了中等强度，尽管如此，高炉容积也会明显的下降，从7400Nm3/min下降到6766Nm3/min。
表1 4000m3高炉富氧对产量和冶炼强度的影响
富氧量
生产率/（t·m-3·d-1）
冶炼强度/（t·m-3·d-1）
高炉鼓风量/（Nm3·min-1）
0%
2.23
1.126
7402.2
1%
2.33
1.176
7379.7
2%
2.38
1.203
7222.4
3%
2.43
1.229
7067.7
4%
2.48
1.253
6915.7
然而，制备高消耗的氧气需要能量，它意味着过高的富氧对节能来说是不值得的。在鼓风炉炼铁流程设计监管GB50427-2008（国标）一书中没有任何规定要求富氧，书中所建议的是以低的富氧来获得高的喷煤比。在所有的条件下，富氧都要以成本为前提。
然后，来继续分析燃料比对生产力的影响，如下表2所示。富氧的设定是1%，其他条件一样和上述是一样的，然后再计算生产效果。

表2 4000m3高炉燃料比对产量和冶炼强度的影响
燃料比/（kg·t-1）
生产率/（t·m-3·d-1）
冶炼强度/（t·m-3·d-1）
高炉鼓风量/（Nm3·min-1）
520
2.20
1.112
7242.6
510
2.26
1.140
7242.0
500
2.31
1.169
7241.3
490
2.36
1.194
7240.7
480
2.41
1.220
7240.1

从上述的表中，当燃料比降低，高炉生产率和冶炼强度得到提高。由于单位高炉鼓风量很少，因此鼓风量可以保持不变，增加鼓风量可以产生更多的铁水。值得注意的是，只有波什气体指数是被添加，会产生高收益。否则，忽视理性的炉腹煤气指数盲目强化冶炼，将会违背其高收益的期望。
以1%的富氧运行时，炉腹煤气指数会随顶压的改变而改变。下面表3给出了高炉顶压对炉腹煤气通量的影响，在一定条件的生产率和冶炼强度下，K值是固定的，顶压的上升以及其他条件的影响和上述氧气的影响是一样的。
从上面的表中看出，高炉的顶压对炉腹煤气通量产生很大的影响。因此，增加顶部压力对大高炉的生产起到基础作用。
表3 4000m3高炉顶部压力对产量和冶炼强度的影响
顶部压强/kPa
炉腹煤气指数（Nm3·min-1）
生产率/（t·m-3·d-1）
冶炼强度/（t·m-3·d-1）
高炉鼓风量/（Nm3·min-1）
150
7379.1
1.86
0.940
5903.8
175
7840.3
1.98
1.000
6272.8
200
8301.5
2.10
1.059
6641.8
225
8762.7
2.21
1.117
7010.8
250
9223.9
2.33
1.176
7379.7
275
9697.6
2.44
1.236
7758.8

投入越多不代表着产出越多。大型高炉的生产需要合适的条件，富氧量、高压以及其他鼓风措施对达到理想的生产指标至关重要。
反应（CSR）后的焦炭强度和炉渣数量对高炉阻力系数有很大的影响。高炉的集约化决定高炉的下部。因此，改进措施是有必要的，对于液体和气体渗透率较低的高炉，改变焦炭的粒度大小和焦炭强度来增加孔隙率，这些都是提高生产力的必要措施。此外，更高的堆栈效率，热滞区的低温和更少的热损也可以提高生产力。
定量结论，炉腹煤气指数能够反映各种因素对炉冶炼的影响。在这种思想下，生产力和这些重要因素的联系可以探索到更为全面和熟练的地步。
4 高炉炼铁的设计过程
4.1 高炉资料的定义
精心设计的炉型可以带来意义重大的技术经济指标以及长期的工作寿命。特别是，由于超薄铜壁炉衬砌形式，高炉的整个工作活动都处在设计之中。任何非理性的概要设计与操作要求都会成为阻碍高炉工作寿命的因素。
下面描述的概要设计方法适用于炉腹煤气指数和薄壁炉。
已知炉的日产量P，可以由以下公式计算出炉膛直径d：
(3)
或者，炉膛直径d也可以由波什气体体积VBG来计算：
(4)
其中，VP-单位炉腹煤气容量，XBG-炉腹煤气指数，通常在58-66。
对厚壁来说，其在炉腹中受到蚀刻作用，从而在炉腹角和堆栈角方面引起大的变化。对薄壁炉来说，炉腹角和堆栈角变化较小，相对炉腹角变得更小。但由于厚壁炉中有效高度与炉腰直径的比值和炉腹高度的影响，炉腹角和堆栈角并不是规则的变化。如图3所示。
4.2 高炉鼓风机的定义
经典类型大小的高炉鼓风机，要考虑高炉的渗透率的计算，主要是由最大鼓风量VBMAX、最大炉腹煤气指数VBGMAX或指数X来决定，以此可以确定风机容量。
炉腹角和堆栈角

图3 薄壁炉的炉腹角和堆栈角
近年来高炉的重建进行了技术现代化与产能的扩张，而进行鼓风机，炉子和煤气净化系统的改进，例如，宝钢1号高炉在第三次扩张中把高炉容积从4063m3扩张到5000m3。韩国4号高炉容积从3800m3扩展到5500m3。其中，通过提高高炉富氧的能力，高炉产量得以大幅提升，然而高炉设备和煤气净化系统都是反复使用的。
因此，高炉设备的回收不仅是炼铁技术的进步，而且节约了能源的消耗。尤其是在目前钢铁行业紧缩的情况下，高炉的预算必须要处在一个合理的范围。上面提到的方法将引导未来高炉的改进走在一条正确的道路上。
5 新的高炉设计系统的优点
用炉腹煤气指数来取代高炉冶炼强度象征着高炉冶炼方面意识形态的修正，同时也是节约资源、减少排放的关键。以前，冶炼强度被唯一用来衡量高炉产量、炉的设备能力等，这对高炉设计来说是无事实根据的，从一个更为科学的角度来看，炉腹煤气指数在定义高炉设备能力上是合理的。
（1） 炉腹煤气指数是基于高炉渗透阻力系数K的情况下，从而确保平稳进行高炉生产操作和获得高收益的。
（2） K和炉腹煤气体积的上限值，可以通过经验或者简单的公式加以计算。而不应该妄加揣测冶炼强度和高炉鼓风量。
（3） 当高炉处于允许的最大炉腹煤气体积时，提高富氧能提高输出，但高炉允许的鼓风量会下降，即更高的生产率反而需要低鼓风量。这说明最大需求鼓风量对高冶炼强度来说是一个广义概念。
（4） 当高炉处于允许的最大炉腹煤气体积时，降低燃料比会降低单位炉腹煤气体积，从而提高金属产量。然而，如果保持炉腹煤气体积不变，提高生产力将相反的需要更少的鼓风量。因此，它证明高收益率意味着高冶炼强度也是不正确的。
（5） 在上面的观点中看出，通过降低冶炼强度来加强高炉设备的工作能力、减少设备的事故，并且可以避免低收益的可能。固有的资源贫乏问题是永远不可能被无视的。
（6） 应用炉腹煤气指数来改进高炉设计的方法论，可以帮助我们科学的解决设计过程中的问题。正常的炉腹煤气指数可以被设计师用来设定合适的高炉参数，如风机、高炉、燃气系统和TRT能力等。高炉的设备类型大小也可以得到保证。
在过去的五十年甚至更长的时间内我们都在使用前苏联的高炉设计系统。为了在炼铁领域屹立不倒，唯一的方法是我们必须创建一套属于中国自己的高炉设计系统。事实上，这种与时俱进的思维永远都不会停止。但仍然希望，每个人都能在未来为了钢铁行业而付出自己的努力。
参考文献：
[1] XIANG Zhong-yong.Study on Substitution of BF Bosh Gas Index for Operation Intensity,Iron & Steel,2007(9):16.
[2]XIANG Zhong-yong,WANG Xiao-liu and others.Blast Furance Design-Ironmaking Process Design Theory & Practice,Metallurgical Industry Press 2007.
[3] XIANG Zhong-yong.Establishing Scientific Outlook of Blast Furance Smelting，ChinaSteel 2008（9）：11.