摘  要  高爐工長(zhǎng)日常操作的兩個(gè)重要任務(wù)，一個(gè)是穩(wěn)定氣流，一個(gè)是穩(wěn)定爐溫，氣流穩(wěn)定則料速均勻，料速均勻則爐溫穩(wěn)定，穩(wěn)定的爐溫又反作用于氣流促進(jìn)氣流的穩(wěn)定。因此，保持合理穩(wěn)定的爐溫水平是保持高爐生產(chǎn)穩(wěn)順的關(guān)鍵之一，而爐溫控制是一種滯后的預(yù)測(cè)控制，它要求當(dāng)班工長(zhǎng)對(duì)當(dāng)前爐溫的變化趨勢(shì)進(jìn)行準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)，并提前采取相應(yīng)的調(diào)劑手段。

關(guān)鍵詞  高爐爐溫  熱平衡  煤氣利用

1  引言

高爐工長(zhǎng)調(diào)節(jié)爐溫的依據(jù)包括看渣樣、看鐵水、看風(fēng)口、計(jì)算綜合負(fù)荷等等。這些手段是建國(guó)以來(lái)我國(guó)無(wú)數(shù)煉鐵工作者總結(jié)出來(lái)的寶貴經(jīng)驗(yàn)，是一筆值得永久傳承的寶貴財(cái)富。然而，多數(shù)煉鐵工作者（包括筆者）在剛?cè)胄袝r(shí)都會(huì)對(duì)爐溫調(diào)劑產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)：加煤（加焦）則多燒一些煤（焦），爐溫向熱；減煤（減焦）則少燒了一些煤（焦），爐溫向涼。這個(gè)錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)往往會(huì)將爐溫調(diào)劑帶到一個(gè)誤區(qū)。

通常，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)操作高爐是不會(huì)出什么太大問(wèn)題的，但是，如果無(wú)法把經(jīng)驗(yàn)上升到理論的高度，以正確的理論來(lái)指導(dǎo)高爐操作，往往得不到最優(yōu)的結(jié)果。筆者有幸走出這個(gè)誤區(qū)，故嘗試從理論的角度來(lái)解釋高爐爐溫的調(diào)劑，并對(duì)一些與爐溫相關(guān)的問(wèn)題進(jìn)行分析探討。

2 高爐爐溫調(diào)劑的理論依據(jù)

2.1  高爐爐溫調(diào)劑的理論依據(jù)是高爐熱平衡

熱平衡是指系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中以熱形式表現(xiàn)的輸入量和輸出量之間的數(shù)量平衡。它是按照能量守恒定律并以物料平衡為基礎(chǔ)來(lái)計(jì)算的。在日常操作中，高爐工長(zhǎng)只要對(duì)高爐的熱收入及熱支出的變化趨勢(shì)做到心里有數(shù)，即可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出爐溫的變化趨勢(shì)，并做出正確地調(diào)劑。

2.2  高爐熱平衡簡(jiǎn)介

根據(jù)研究的目的和方法的不同，高爐的熱平衡可分為第一總熱平衡、第二總熱平衡及區(qū)域熱平衡等。第一總熱平衡法是以蓋斯定律為依據(jù)，不考慮爐內(nèi)的反應(yīng)過(guò)程，而以物料的最初和最終狀態(tài)所具有和消耗的能量為計(jì)算依據(jù)。其中熱收入第一項(xiàng)為焦炭和噴吹燃料完全燃燒（C氧化為CO2，H2氧化為H2O）放出的熱量。而第二總熱平衡法依然是以蓋斯定律為依據(jù)，其與第一總熱平衡法的主要區(qū)別在于熱收入的第一項(xiàng)為碳素不完全燃燒（C氧化為CO）放出的熱量，這與高爐內(nèi)實(shí)際冶煉過(guò)程基本相符。故此，本文將以第二總熱平衡法展開(kāi)討論。

表1是以第二總熱平衡編制方法為依據(jù)，以噸鐵為計(jì)算單位編制的熱平衡表，摘錄自《高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)手冊(cè)》P797（周傳典 主編）

在實(shí)際操作中，工長(zhǎng)只需要對(duì)爐溫的變化趨勢(shì)做出正確的預(yù)測(cè)即可，而沒(méi)有必要做精準(zhǔn)的熱平衡計(jì)算，因此，在對(duì)爐溫的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)要抓住主要矛盾，某些計(jì)算項(xiàng)可以忽略不計(jì)，某些計(jì)算項(xiàng)在正常情況下可以認(rèn)為是恒定不變的值。

2.3  高爐的熱收入分析（單位時(shí)間內(nèi)）

通過(guò)對(duì)表1的觀察，不難發(fā)現(xiàn)，高爐的熱收入主要來(lái)源于風(fēng)口前碳素的燃燒和鼓風(fēng)帶入的物理熱，爐料帶入的熱量幾乎可以忽略不計(jì)。因?yàn)楦郀t需要大量的過(guò)剩焦炭來(lái)充當(dāng)料柱骨架的作用，所以高爐內(nèi)的碳素總是過(guò)剩的，我們常說(shuō)爐缸煤氣的最終成分為CO、N2、H2，就是因?yàn)闋t內(nèi)碳素過(guò)剩造成的。因此，高爐熱收入量的決定因素不是每批料加了多少焦炭，也不是每小時(shí)噴吹了多少煤粉，而是風(fēng)量、氧量以及風(fēng)溫，風(fēng)量越大，富氧越多，則單位時(shí)間內(nèi)燃燒的碳素越多，熱收入越大；風(fēng)量越小，富氧越少，則單位時(shí)間內(nèi)燃燒的碳素越少，熱收入越??；若風(fēng)量、氧量保持不變，而風(fēng)溫又恒定的話，高爐的熱收入則保持穩(wěn)定。

碳素燃燒發(fā)熱：

C + O2 = 2CO + QI （1）

鼓風(fēng)帶入物理熱：

QII = V * C * T （2）

式中 V — 風(fēng)量，m3/min;

C — 熱風(fēng)的平均比熱容，KJ/m3*℃;

T — 熱風(fēng)溫度，℃。

高爐的熱收入總量：

Q 收入= QI + QII （3）

2.4  高爐的熱支出分析（單位時(shí)間內(nèi)）

高爐的熱支出主要集中在煤氣帶走熱量、冷卻與散熱、鐵水物理熱、爐渣物理熱、氧化物的還原及脫硫等幾項(xiàng)中。碳酸鹽的分解熱及水分的蒸發(fā)、分解熱幾乎可以忽略不計(jì)，事實(shí)上，由于近年來(lái)精料技術(shù)的廣泛使用，爐料結(jié)構(gòu)中熟料的配比往往高達(dá)85%-90%，隨爐料帶入的碳酸鹽和結(jié)晶水已可以忽略不計(jì)。

I、煤氣帶走熱量：

Q1 = V * C * T （4）

式中 V — 爐頂煤氣發(fā)生量，m3/min;

C — 爐頂煤氣的平均比熱容，KJ/m3*℃;

T — 爐頂煤氣的平均溫度，℃。

而 V = 爐缸煤氣量 + 碳素熔損量 + 碳酸鹽分解 + 結(jié)晶水分解 + 游離水蒸發(fā)

日常操作中，當(dāng)滿足風(fēng)氧穩(wěn)定、氣流基本穩(wěn)定、原燃料基本穩(wěn)定等條件時(shí)，可以認(rèn)為爐頂煤氣帶走熱量基本保持不變。

II、冷卻與散熱： Q2

日常操作中，除非有大范圍渣皮脫落，這部分熱量也可以認(rèn)為是一個(gè)穩(wěn)定的值。

III、氧化物的還原以及脫硫：

Q3 = 鐵氧化物還原耗熱 + 合金元素（Si、Mn、S、P）還原耗熱 + 脫硫耗熱

IV、鐵水物理熱及爐渣物理熱： 

Q鐵 = m鐵 * C 鐵* T鐵 （5）

式中 m鐵  — 單位時(shí)間內(nèi)生成鐵的質(zhì)量，kg；

C鐵  — 鐵水比熱容，KJ/kg*℃;

T鐵  — 鐵水溫度

Q渣 = m渣 * C 渣* T渣 （6）

式中 m渣 — 單位時(shí)間內(nèi)生成爐渣的質(zhì)量，kg；

C 渣 — 爐渣比熱容，KJ/kg*℃;

T渣 — 爐渣溫度

Q4 = Q鐵 + Q渣 （7）

綜合以上則有：

Q支出 = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 （8）

Q支出 = Q收入 （9）

2.5  爐溫調(diào)劑的實(shí)質(zhì)是控制料速

據(jù)上述分析，如果熱收入恒定，則熱支出亦恒定，若將支出項(xiàng)中的Q1與Q2視為穩(wěn)定項(xiàng)，那么（Q3+Q4）亦將保持不變。在單位時(shí)間內(nèi)還原的氧化物越多，則還原消耗的熱量越多，相應(yīng)的Q3越大，而Q4則就越小，而當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)還原的氧化物增多時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)生成的渣鐵亦增多，即m鐵、m渣增大，據(jù)式（5）與式（6），T鐵、T渣必然下降。其中單位時(shí)間內(nèi)還原氧化物的多少即我們常說(shuō)的料速，而T鐵與T渣即爐溫。

因此，筆者認(rèn)為：高爐爐溫調(diào)劑的實(shí)質(zhì)就是控制料速，在同等的風(fēng)、氧、風(fēng)溫條件下，料速越塊，爐溫越低，料速越慢，爐溫越高。

3  爐溫調(diào)劑操作總結(jié)

3.1  高爐爐溫調(diào)劑操作總結(jié)（見(jiàn)表2）

3.2  噴吹煤粉的補(bǔ)充說(shuō)明

從上表中可以看出，煤粉和焦炭對(duì)爐溫的作用機(jī)理實(shí)質(zhì)還是調(diào)劑料速，而并非本文開(kāi)篇所說(shuō)的

多燒或少燒了煤粉或焦炭，當(dāng)然，噴吹煤粉對(duì)高爐冶煉的作用卻遠(yuǎn)不止調(diào)劑料速這么簡(jiǎn)單。

（1）煤粉帶入的揮發(fā)份分解需要吸收熱量，降低理論燃燒溫度。嚴(yán)格的熱平衡計(jì)算中，揮發(fā)份分解消耗的熱量應(yīng)歸類于熱支出。但鑒于煤粉是從下部噴入，直接作用于爐缸，為了便于理解，本文在表2中將之歸類于熱收入。

（2）煤粉的比表面積遠(yuǎn)小于焦炭，因此煤粉的燃燒速率要遠(yuǎn)大于焦炭，僅從這一點(diǎn)上說(shuō)來(lái)，噴吹煤粉是縮小風(fēng)口燃燒帶的。但是，因煤粉帶入的H2在風(fēng)口前燃燒成H2O，而H2O的擴(kuò)散能力強(qiáng)于CO2，此時(shí)，風(fēng)口燃燒帶的定義為：從風(fēng)口前端開(kāi)始直至煤氣中H2O含量降低至1%的位置。從這一點(diǎn)上說(shuō)來(lái)，噴吹煤粉又?jǐn)U大了風(fēng)口燃燒帶，這就是某些書(shū)上所說(shuō)的噴煤發(fā)展中心氣流的原因。

（3）增加煤粉噴吹量，爐缸煤氣中H2的百分含量將增大，在800-1200℃的區(qū)域里，H2將參與到FeO的還原中，這將減少FeO的直接還原，雖然H2的還原也是吸熱反應(yīng)，但其需要的熱量比直接還原要低得多，對(duì)減少熱支出起到一定的作用。

FeO + C = Fe + CO – 151.86（KJ/mol）

FeO + H2 = Fe + H2O – 27.7 (KJ/mol)

4 爐溫調(diào)劑中的幾個(gè)誤區(qū)

4.1  綜合負(fù)荷不足為憑

綜合負(fù)荷 = 礦批重 / (焦批重 + 小時(shí)噴吹量 / 小時(shí)料批數(shù) * 0.8)

在日常操作中，綜合負(fù)荷往往成為工長(zhǎng)判定爐溫趨勢(shì)的重要指標(biāo)，但從計(jì)算式來(lái)看，綜合負(fù)荷更像是一個(gè)體現(xiàn)燃料消耗水平的指標(biāo)，而并非一個(gè)判定爐溫趨勢(shì)的指標(biāo)。前已言之，當(dāng)熱收入恒定不變時(shí)，決定爐溫的主要因素是料速，而與焦批沒(méi)有任何關(guān)系，與煤粉噴吹量關(guān)系亦不大。舉個(gè)例子，在全焦冶煉時(shí)，綜合負(fù)荷是恒定不變的，為什么爐溫不能保持穩(wěn)定不變呢？原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)榱纤僭谧兓?！另外，不知出于什么原因，工長(zhǎng)在記錄作業(yè)日志時(shí)，每小時(shí)的料批數(shù)通常記錄為整數(shù)，這也與實(shí)際狀況是不相符的，事實(shí)上，每小時(shí)0.5批料的差異都將引起爐溫較大的波動(dòng)。

4.2  看爐溫的困惑

通過(guò)觀察渣、鐵來(lái)判定爐溫高低是每一個(gè)工長(zhǎng)的基本技能，那是不是說(shuō)，能看準(zhǔn)爐溫就一定能將爐溫調(diào)劑好呢？事實(shí)并非如此，本文開(kāi)篇就已說(shuō)過(guò)，爐溫控制是一種滯后的預(yù)測(cè)控制，也就是說(shuō)，這需要工長(zhǎng)正確的預(yù)測(cè)爐溫走勢(shì)并提前施展正確的調(diào)劑手段，等看到爐溫波動(dòng)時(shí)再采取措施，將永遠(yuǎn)慢爐溫一步。

4.3  日產(chǎn)量與爐溫的矛盾

產(chǎn)量和爐溫會(huì)存在矛盾嗎？存在！前已言之，料速?zèng)Q定爐溫，料速快，爐溫下行，料速慢，爐溫上行；料速同樣決定產(chǎn)量，料速快，產(chǎn)量高，料速慢，產(chǎn)量低。因此，魚(yú)和熊掌不可兼得，要保持高產(chǎn)，就難以維持充足的爐溫，要維持充足的爐溫，就難以高產(chǎn)。有沒(méi)有辦法兼得魚(yú)和熊掌？有！第一種方法是增加熱收入，加風(fēng)、加氧、提風(fēng)溫，可加風(fēng)加氧后料速不是會(huì)更快嗎？這時(shí)，又需要增加煤粉噴吹量來(lái)控制料速。且不論加風(fēng)加氧后的送風(fēng)制度是否合適，至少這不是一種經(jīng)濟(jì)的方法。第二種方法是減少熱支出，回頭看前文對(duì)熱支出的分析，其中Q1、Q2是穩(wěn)定項(xiàng)，可想的辦法不多，收益也不高，而Q3為氧化物還原耗熱，減少Q(mào)3則可增大Q4以提高T鐵和T渣因此，因此，想方設(shè)法提高煤氣利用率以減少直接還原耗熱才是兼顧產(chǎn)量、爐溫以及消耗的行之有效的辦法。

5  煤氣利用率對(duì)爐溫的影響

5.1  高爐煤氣利用率的定義

爐頂煤氣中的CO2%與CO2%、CO%之和的比值。即：

ηCO = CO2% / (CO2% + CO%)

高爐煤氣利用率是衡量在高爐煉鐵過(guò)程中高爐內(nèi)氣固相還原反應(yīng)中CO轉(zhuǎn)化為CO2的指標(biāo)，是評(píng)價(jià)爐內(nèi)間接還原程度的重要指標(biāo)。

5.2  高爐內(nèi)還原反應(yīng)

間接還原反應(yīng)如下：

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 + 37.1 (KJ/mol)

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 – 20.9 (KJ/mol)

FeO + CO = Fe + CO2 + 13.6 (KJ/mol)

3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O + 21.8 (KJ/mol)

Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O – 63.6 (KJ/mol)

FeO + H2 = Fe + H2O – 27.7 (KJ/mod)

直接還原反應(yīng)如下：

FeO + C = Fe + CO – 151.86（KJ/mol）

5.3  還原反應(yīng)對(duì)熱支出的影響

通過(guò)對(duì)上述熱反應(yīng)式的觀察，可以看出間接還原的熱效應(yīng)普遍比較小。其中CO的間接還原反應(yīng)會(huì)釋放出少量熱量，這些反應(yīng)集中在塊狀帶上部低溫區(qū)，釋放出的熱量對(duì)下部的渣鐵熔融影響并不大；H2的間接還原反應(yīng)會(huì)吸收少量熱量，這些反應(yīng)集中在800℃以上的中高溫區(qū)，因其量小，也并非熱支出的大戶；而C的直接還原則集中在下部高溫區(qū)，并且吸收大量的熱，對(duì)渣鐵的熔融造成巨大影響。因此，提高煤氣利用率，減少直接還原能大量地降低還原過(guò)程中的熱支出。

6  爐溫滯后周期的探討

6.1  高爐爐溫滯后的原因

從前文的分析來(lái)看，影響高爐爐溫的兩大熱支出，一個(gè)是氧化物的還原（Q3），主要是直接還原，另一個(gè)是渣鐵的軟化熔融（Q4）。氧化物的直接還原主要集中在滴落帶，而渣鐵的熔融則發(fā)生在軟熔帶和滴落帶的交匯處。因此，只有當(dāng)爐料到達(dá)軟熔帶下部和滴落帶時(shí)，才會(huì)引起熱支出的大幅變化，進(jìn)而引起爐溫的波動(dòng)。這正是高爐爐溫滯后的原因。

6.2 風(fēng)溫調(diào)劑不引起爐溫滯后

因?yàn)轱L(fēng)溫的調(diào)劑只是直接改變了爐缸的熱收入，并不對(duì)熱支出產(chǎn)生影響，因此，調(diào)節(jié)風(fēng)溫將直接作用于爐溫，不會(huì)產(chǎn)生爐溫滯后。

6.3 風(fēng)量、氧量的調(diào)劑略有滯后

調(diào)劑風(fēng)量、氧量后首先改變了爐缸的熱收入，這一點(diǎn)與風(fēng)溫調(diào)劑相同。但是，調(diào)劑風(fēng)量氧量同時(shí)還將改變料速，一是改變焦炭的燃燒速度，二是因煤氣量的變化而導(dǎo)致還原反應(yīng)速度的變化。但是因?yàn)檫@個(gè)料速的變化是整個(gè)料柱同時(shí)發(fā)生改變，所以，爐溫的滯后周期比較短。由于條件的限制，筆者并沒(méi)有做過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼?yàn)，也就無(wú)從給出一個(gè)具體的數(shù)值。

6.4 噴吹煤粉的熱滯后

在高爐煉鐵噴煤的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，增加噴煤量后，爐缸出現(xiàn)先涼后熱的現(xiàn)象，即煤粉在爐缸分解

吸熱，使?fàn)t缸溫度降低，直到增加的煤粉量帶來(lái)的煤氣量和還原性氣體(尤其是H2量)在上部改善熱交換后和間接還原的爐料下到爐缸，使?fàn)t缸溫度上升，這種現(xiàn)象稱為熱滯后。

對(duì)于此，筆者有不同的看法，首先，近年來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，高爐越來(lái)越趨于大型化，風(fēng)溫水平較之前也有很大提高，隨著大風(fēng)、大氧、高風(fēng)溫的使用，高爐的熱收入較之前的小高爐有著數(shù)倍乃至數(shù)十倍的增長(zhǎng)，而噴吹量的調(diào)劑卻并沒(méi)有太多變化，日常操作中噴吹量的調(diào)劑不過(guò)±1-2 t/h，這樣的調(diào)劑帶來(lái)的熱支出的變化相對(duì)于總的熱收入有幾個(gè)數(shù)量級(jí)的差別，也就是說(shuō)，這個(gè)變化量小到可以忽略不計(jì)。

其次，隨著風(fēng)量、氧量、噴吹量的增大，高爐的煤氣發(fā)生量也是數(shù)倍地提高，1-2t/h的噴吹物調(diào)劑引起的煤氣成分的變化也是非常微小的，也就是說(shuō)，煤氣中H2含量的變化并不大。

因此，在大型高爐上，高爐噴煤的熱滯后依然存在，但其對(duì)爐溫的影響卻遠(yuǎn)不如小高爐

那么大。爐溫主要還是因噴吹量調(diào)劑后引起的料速變化而發(fā)生改變的。

6.5  焦炭負(fù)荷調(diào)劑以及凈焦的滯后

經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，高爐在調(diào)劑焦炭負(fù)荷或者加凈焦后，將在一個(gè)周期后，也就是爐料到達(dá)風(fēng)口平面時(shí)發(fā)生作用。

對(duì)于此看法，筆者同樣持有異議。前文中提到：變化的爐料到達(dá)軟熔帶下部和滴落帶時(shí)，將引起熱支出地大幅波動(dòng)，進(jìn)而引起爐溫的波動(dòng)，而渣鐵熔融后從滴落帶進(jìn)入爐缸的速度要遠(yuǎn)大于塊狀爐料和軟熔爐料的下降速度。因此，調(diào)劑了焦炭負(fù)荷或加凈焦后，當(dāng)爐料到達(dá)軟熔帶和滴落帶的交匯處時(shí)將引起爐溫的變化，而不是到達(dá)風(fēng)口平面。為什么前輩們會(huì)總結(jié)出滯后一個(gè)冶煉周期的經(jīng)驗(yàn)來(lái)？筆者認(rèn)為是以前的高爐以小高爐為主，小高爐的煤氣發(fā)生量小，熱收入也少，軟熔帶的位置相對(duì)較低，距離風(fēng)口平面比較近，因此，給人的錯(cuò)覺(jué)就是當(dāng)爐料到達(dá)風(fēng)口平面時(shí)發(fā)生作用。而高爐大型化后，熱收入和煤氣發(fā)生量都大幅度增加，這將引起軟熔帶整體上移，故而，爐料不到風(fēng)口平面就已發(fā)生了作用，具體滯后周期與高爐軟熔帶的位置有關(guān)。

7  結(jié)論

高爐爐溫調(diào)劑的實(shí)質(zhì)是控制料速，煤粉噴吹量、焦炭負(fù)荷、加凈焦，甚至風(fēng)、氧等調(diào)劑的實(shí)質(zhì)都是在控制料速，在同等的風(fēng)、氧、風(fēng)溫條件下，料速快，爐溫高；料速慢，爐溫低。

因此，判定爐溫變化趨勢(shì)的依據(jù)也是料速，料速加快，爐溫向涼；料速減緩，爐溫向熱。在調(diào)劑爐溫時(shí)，在發(fā)覺(jué)料速持續(xù)向同一方向變化約3-5批料時(shí)，就應(yīng)該及時(shí)采取調(diào)劑措施，如果等看到爐溫波動(dòng)了再調(diào)劑，將永遠(yuǎn)慢爐溫一步！

8  參考文獻(xiàn)

[1] 那樹(shù)人 著. 煉鐵計(jì)算. 冶金工業(yè)出版社. 

[2] 周傳典 主編. 高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)手冊(cè). 冶金工業(yè)出版社.

[3] 王筱留 主編.《鋼鐵冶金學(xué)（煉鐵部分）.第二版 冶金工業(yè)出版社.