“喇叭花”形煤气曲线探讨

“喇叭花”形煤气曲线探讨

提高高炉内煤气利用的程度，是降低炼铁能耗的重要手段。目前，我国重点炼铁企业的燃料比，比国外先进企业高100～150 kg，其原因除了在精料、顶压、风温方面有较大差距外，煤气利用程度低是一个重要的原因，而煤气利用水平除了受上述因素和炉顶设备条件影响外，主要由炉内控制技术决定，所以高炉工作者常常把煤气利用程度作为高炉操作水平的标志。

国外先进高炉的煤气利用水平是很高的，一般炉顶混合煤气中的CO₂含量不低于20％，煤气利用率CO₂(CO CO₂)超过50％，表1列出日本一些高炉的煤气利用率。

近年来，我国高炉的冶炼条件得到显著改善，操作水平也有所提高，因而煤气利用水平不断提高，但比起国外先进高炉来，还有很大差距。1980年6月是我国重点企业综合焦比较低的月份，这个月重点企业大于200 m³的高炉中，混合煤气CO，高于l8％的只占高炉总座数的3．3％；17％～17．9％的占13．1％；16％～16．9％的占32．8％；15％～15．9％的占18％；14％～14．9％的占11．5％；13％～13．9％的占6．5％；12％～12．9％的占3．3％，低于12％的占11．5％。煤气利用率高的高炉不多。表2列出各类高炉中煤气利用较好的情况。

国内有些高炉的冶炼条件和日本高炉差异不大，但煤气利用水平却差距很大，主要是操作上的差距。

提高煤气利用水平，对降低炼铁能耗有重要影响。日本鹿岛钢铁厂的经验，CO／CO₂降低1％，燃料比可降低约10 kg／t。神户制钢加古川厂煤气利用率和燃料比的关系见图1。

在研究降低我国炼铁燃料消耗的工作中，结合国外经验，研究改进我国高炉煤气利用是非常必要的。

一、几种常见的煤气曲线及其效果

我国高炉目前常用的炉喉煤气曲线可分为下列五种形式：

(一)边缘发展型

曲线形式见图2。特点是边缘很轻，中心重，边缘CO₂比中心低5％或更多，尖峰在第四点，甚至第五点(馒头形)。煤气利用很差，混合煤气CO₂含量一般不超过15％。

建国初期，因原料条件差，冶炼强度低，操作水平不高，高炉多采用发展边缘的装料方法，如CCOO↓、COOC↓及小料批等，以保持顺行，加之风速很低，形成了这种煤气曲线，有些高炉一直沿用至今。目前，重点企业采用这种煤气分布的高炉约占高炉总座数的20％～30％，中小企业采用较为普遍。

采用边缘发展型煤气曲线害多利少：

(1)煤气利用差、燃料比高。如某厂300 m³高炉，矿批3300～3600 kg，装料制度30C 4CO，风速很小，煤气曲线边缘1％～2％，中心14％～15％，尖峰在第四点16％～17％，虽然人炉矿石品位高达57％～59％，熟料比80％，混合煤气CO₂只有11％～12％，燃料比高达650 kg／t。

(2)高炉不能长期稳定顺行。边缘过分发展，虽然能降低压差，维持暂时的顺行，但中心不能“吹透”，炉缸工作不活跃，煤气沿圆周分布不均匀，高炉容易偏行和产生边缘管道，热制度波动大，甚至造成急剧炉凉、炉缸堆积等事故，高炉很难维持长期稳定顺行，生铁质量也不好。

(3)炉壁侵蚀快，高炉寿命短 国外高炉炉衬能维持一代寿命8～10年。而我国高炉开炉2～3年后，炉体中、下部衬砖往往被烧蚀殆尽，一代高炉需中修1～2次，究其原因，与煤气边缘发展有很大关系。

(二)双高峰形

曲线形式见图3。在苏联早期书刊上称为两条通路。其特点是边缘和中心都很发展，边缘CO₂5％～7％，中心1％～3％，显得两峰很高，实际煤气利用很差。我国某些高炉使用此种曲线时，混合煤气CO₂只有11％～12％。

这种曲线在能源浪费、炉墙损害方面和边缘发展型基本相同，在高炉稳定和炉缸工作方面略优于边缘发展型。

(三)双峰形

曲线形式见图4。其特点是边缘和中心CO₂值相近。图4a边缘比中心轻2％左右，尖峰在第三、四点间，图4b边缘比中心重2％左右，尖峰在第三点。

双峰形煤气曲线煤气利用较边缘发展型和双高峰形好，而图4b更优于图4a，图4a混合煤气CO₂一般为14％～16％，图4b可达到16％～18％，高炉行程也比较稳定。

取得这种煤气曲线一般是通过中等的风速、较大的料批、较多的正装比例达到的。图5是首钢4号高炉的煤气曲线，该高炉容积为1200 m³，矿石批重26 t，装料制度OOOCC↓，风口标准风速106 m／s。

双峰形曲线在我国使用最为广泛，占重点企业高炉总数的60％以上，国内一些指标好的高炉，大多采用。但采用双峰形曲线，煤气利用和燃料比难以达到国外已经达到的先进水平，因此，国内有必要在煤气分布上有所突破，采用更理想的煤气曲线。

(四)平峰形

首钢容积为：1327 m³的新2号高炉，开炉后采用过一段时间平峰形煤气曲线(图6)，曲线水平较高，两端与尖峰相差不大于3％。

此种曲线煤气利用水平较高，同期混合煤气OO芝为19．4％。，但由于边缘和中心都重，炉内软熔带的塔式结构高度过低，煤气没有足够通路，结果压差很高，炉缸中心不活跃，热制度不稳定，脱硫效率低，很难持久顺行，该高炉2月底发生炉凉和灌渣。

(五)“喇叭花”形·

曲线形式见图7，其特点是边缘较重，仅略低于尖峰，尖峰在二、三点，中心轻、低于尖峰5％或更多。这是国际上20世纪70年代出现的煤气曲线，现在国外先进高炉已普遍采用，给高炉带来了稳定、顺行、高产、低耗和长寿。

首钢2号高炉在采用这种曲线时取得较好的冶炼效果。该高炉1980年6月和7月的平均煤气分布情况见图8。边缘：16％～17％，尖峰20％～21％，中心8％～12％，尖峰在第二点与第三点间。7月份混合煤气CO₂为18．3％，CO／CO₂为1．3，CO₂／(CO CO₂)为43．6％。首钢2号高炉采用无料钟炉顶，7月份的装料制度是：料线1．4 m，矿批28．5～29 t，焦炭批重7．9～8 t，炉喉处矿层厚为0．55 m，焦层厚为0．6 m，采用溜槽环形布料，溜槽角度，矿石为28°～32°，焦炭比矿石小3°～7°，风口标准风速为150 m／s。首钢2号高炉开炉时间不长，设备和操作规律还在摸京中，技术经济指标还赶不上国外先进高炉，但已看出“喇叭花"形曲线比双峰形或翼他形式曲线优越。

重钢620 m³高炉也采用这种曲线，在很差的原料条件下，取得了较好的冶爝效果。

本文重点讨论“喇叭花”形曲线的优点，并主要结合重钢高炉的实践(重钢为双钟式炉顶，对国内更有普遍意义)，讨论“喇叭花"形曲线的形成条件。

二、“喇叭花”形曲线的优点

边缘发展型、双高峰形和双峰形曲线虽能得到不同程度的顺行，但煤气利用不佳；平峰形曲线煤气利用虽好，但不能顺行。而“喇叭花"形曲线兼有煤气利用好和顺行的优点，是比较理想和应推广采用的曲线。“喇叭花"形曲线的优点如下。

(一) 利于高炉顺行

由高炉解剖可知，各种不同的煤气曲线，高炉内软熔带的形状不同，见图9。

“喇叭花”形煤气曲线软熔带呈塔形(倒V形)，煤气有足够的通道。

(二)炉缸热量充足

高炉沿半径方向的温度分布和煤气CO₂曲线是相对应的。CO₂高处温度低，

反之温度高。煤气分布呈“喇叭花”形时，高炉中心温度高，炉缸中心活跃，热量充足，能保持热制度稳定和良好的脱硫能力，有利于冶炼低硅低硫生铁。

首钢2号高炉的硫负荷、渣量、生铁含硅和4号高炉基本相同，炉渣碱度还较低，由于煤气分布不同(4号高炉为双峰形，2号高炉为“喇叭花”形)，2号高炉脱硫系数比4号高炉高15％，生铁含硫低0．006％，生铁一级品率高24．5％，见表3。

(三)煤气利用好

一座炉喉直径为8 m的高炉，边缘2 m的环形面积占炉喉面积的43．7％，而中心直径为2 m的圆面积只占总面积的6．25％，因此，边缘CO₂的提高对混合煤气利用率的影响要比中心大得多。“喇叭花"形煤气曲线边缘较重，因此，煤气利用好。

三、“喇叭花”形曲线形成条件

国外先进高炉大多采用“喇叭花”形煤气曲线，这些高炉一般渣量少，焦炭强度高，矿石粒度均匀，粉末少，许多高炉使用活动炉喉护板或溜槽布料(无料钟炉顶)，因此人们往往认为只有高水平的原料和先进的炉顶设备才能达到这种曲线的效果。

但重钢高炉的实践使我们对这个问题有了新的认识，重钢的两座620 m³的高炉，渣量高达1 t，但1979年以来，在原料和高炉上下部调剂方面做了大量工作，摸索出一条既能顺行又能获得较好煤气利用的煤气曲线。图10是重钢在1980年5月两个时期的煤气曲线。

曲线的特点是第一点较重，尖峰在第二点，第二点、第三点都较高，第四点开始轻，中心轻于边缘。

这样的曲线，基本具备了“喇叭花”形曲线的特点，虽然由于重钢矿石含铁量过低(1980年5月为42．61％)，整条曲线水平不算高，但由于边缘CO₂含量高，因而煤气利用较好。图10中两个时期混合煤气CO₂分别为15．0％和15．6％，只比尖峰CO₂含量低1．4％和1．1％，从而获得了较低的燃料比。

重钢“喇叭花”形曲线的形成是在一定原料条件下，通过大风速、大料批和多正装达到的。

(一)下部是关键

要使软熔带呈“塔式”结构，尤其是高度较高的“塔式”结构，在煤气初始分布上，必须强调中心比较发展，这就要求在送风制度上要能“吹透"中心，这是形成“塔式”结构也就是形成“喇叭花”形煤气曲线的关键。

虽然鼓风动能和实际风速对风口前鼓风吹透能力的影响更为重要，但计算复杂，因而人们还是常用标准风速来代表鼓风的吹透能力。

日本高炉标准风速的经验公式是：

y=81 8.22d

式中 y=标准风速，m/s

d=炉缸直径，m。

我国高炉风速远比上式计算数值低。表4列出我国高炉与日本高炉风速的对比。笔者认为，风速普遍偏低是当前阻碍我国高炉突破传统装料制度和煤气分布的主要原因。

重钢高炉标准风速为93～95 m／s，由于是常压且风温较高，所以实际风速达到205 m／s，不仅比国内同容积高炉，而且比1000 m³左右的高炉要高得多，这是重钢高炉能够达到“喇叭花"形曲线效果的关键。

首钢2号高炉风速也较高，增加风速一般可用增加风量和缩小风口的方法来达到。

风速的选择，不仅与炉缸直径有关，还受以下因素影响：

(1)冶炼强度。合适的鼓风动能与冶炼强度呈双曲线关系。当冶炼强度较高时，可适当减小风速，反之，应增加风速。

(2)风口长度。调节风口长度对“吹透"中心作用很大。首钢1号高炉，1977年边缘发展，中心过重，增加风量和缩小风口均未达到预期目的，后来将风口长度由380 mm加长到450 mm，改变了边缘发展的状况，生产状况有显著改善。

(3)喷吹。风口有喷吹物时，有助于吹透中心。根据首钢高炉实测，喷煤率每增加10％，炉缸氧化带长度增加5％～8％。

(4)炉缸透气性。炉缸透气性好，易吹透中心，风速可小些。影响炉缸透气性的因素，除了风口循环区的状态(由送风制度决定)外，主要受焦炭强度和渣量影响。因此，焦炭强度高和渣量少的高炉，风速可低些。

(二)装料制度

国外高炉拥有先进的炉顶设备，可以按炉况顺行和煤气利用的要求，达到最佳布料。日本高炉的装料制度是尽力压制边缘与适当疏导中心，在日本如果焦炭负荷为4．0，布料时使边缘达到7～10，中心为2～3，这样的布料，配合下部的大风速，最后的炉喉煤气分布就是“喇叭花”形曲线。

我国高炉绝大多数还是马基式炉顶，要达到所需理想布料较困难，但“喇叭花”形煤气曲线的基本要求还是可以达到的。重钢4号高炉1980年5月使用的两种装料制度和所达到的煤气曲线见表5。

简言之，重钢的装料制度就是大料批、多正装，这对形成“喇叭花”形曲线是必要的。

(1)大料批。增大每批料的重量，不仅使炉料沿高炉径向分布更趋均匀，从而使高炉行程稳定和煤气利用改善，而且炉内每层焦炭厚度较大，有利手煤气通过和高炉顺行。日本高炉每批料焦炭的重量一般是炉喉直径立方的3％。计算公式如下：

日本高炉的料批一般比我国高炉大，但重钢的料批更大，按上式计算，重钢焦批为3．1 t，在表5第一种装料制度中，实际上三批料焦炭重量是4．68 t，两批是3．12 t。第二种装料制度中，焦批分别为4．68 t、3．12 t和7．75 t，矿批则第一种装料制度为19．5 t、6．5 t，第二种为19．5 t、6．5 t和26 t，这对于炉喉直径只有4．7 m的高炉而言，已是很大的了。

重钢为了进一步加重边缘负荷，采用了“抽矿”的办法，实际上是大小料批相结合。

(2)多正装。为了压制边缘，在装料顺序上，一般采用正装，国外高炉多采用分装，这除了能够有效地压制边缘外，还能使焦炭和矿石在炉内分层更清楚，为煤气通过创造更好的通道。

重钢高炉采用100％正装，部分采用分装。重钢采用下列手段来调整边缘与中心的关系：

1)调整大小料批或分装的比例。

(三)“喇叭花”形曲线的原料条件

重钢原料的自然条件很差，矿石来自几十个矿点，种类复杂，渣量在国内最高(1 t)，可见“喇叭花"形曲线对原料的要求并不十分严格。这并不是说可不必努力改善原料条件，大料批毕竟压差较高，因此，在原料上还是要尽量创造较好的条件。重钢近年来在改善固体料柱透气性方面，做了一些工作，生矿粒度8～25 mm，人炉前过筛，小于8 mm的占2％～2．5％，二烧粒度均匀，人炉前经过筛分，粉末很少，只有一烧(使用20％～30％)含粉率较高。此外，还使用超高碱度烧结矿，改善了烧结矿的高温性能，这些就为使用大料批创造了较好条件。因此，前面所说对原料条件要求不严格是指起码条件而言。根据重钢经验，原料条件较差时，中心应更轻些，控制较高的“塔高”，以保持顺行；原料条件较好时，中心可较重，降低“塔高”，以改善煤气利用。

一般在开始试用“喇叭花”形曲线时，可使用较高的“塔高”。掌握其规律后，再逐步降低。重钢在开始阶段，中心CO₂只有5％～7％，以后随着原料条件的改善和操作水平的提高，中心逐渐提高。

国内大多数高炉冶炼条件比重钢好，更有条件突破传统的双峰形曲线而采用“喇叭花”形曲线，而且边缘和中心都可以比重钢已达到的水平更高些。“塔高”可控制得更低些，使煤气利用和燃料比达到以前未达到过的水平。国内如首钢、本钢等企业，采取此种曲线后，煤气利用和燃料比有可能赶上或接近日本高炉的水平。

四、结 语

(1)“喇叭花”形曲线，能保持顺行，活跃炉缸，改善煤气利用。是20世纪70年代高炉操作中出现的新型曲线。

(2)形成“喇叭花”形曲线的条件是大风速、大料批、多正装(或分装)。原料条件较好时，中心可较重；原料条件较差时，中心应较轻。

(3)我国多数高炉应放弃传统的边缘发展型、双高峰形和双峰形煤气曲线，采用“喇叭花”形曲线，使我国高炉的煤气利用和燃料比达到新的水平。