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富氧鼓风(enrichment     oxygen   in  blast   fur—nace)
一种高炉强化冶炼技术。在高炉大气鼓风中加入工业氧,以提高鼓风含氧浓度,强化风口区燃料燃烧,从而提高生铁产量。
简史早在1876年贝塞麦就提出采用富氧鼓风来强化高炉冶炼,1913年比利时乌格尔厂第一次进行了高炉富氧鼓风试验,鼓风含氧增加到23%,产量提高12%,焦比降低2.5%~3.o%。以后德国、前苏联也相继进行了试验。但是富氧鼓风作为一项实际应用技术,是从50年代开始的,1951年美国国家钢铁公司威尔顿厂建立一台氧气纯度达95%的制氧机用于高炉富氧,鼓风含氧量达到22.5%~25.O%,并取得富氧1%增产4%~5%的效果。进入60年代由于大功率低能耗高炉专用制氧机的诞生和高炉喷吹燃料技术的开发和广泛应用,高炉富氧鼓风在欧、美、日本及前苏联等国得到迅速推广。1976~1981年苏联新利比茨克2000m3高炉,先后进行富氧35%和40%的试验,创造高炉富氧最高水平,喷吹天然气156m3/t,高炉增产9.4%,利用系数达到2.5t/(m3•d),焦比398kg/t,获得了较好的经济效益。
50年代中国科学院化学冶金研究所叶渚沛提出“三高”理论(高压操作、高风温和高压蒸汽结合使用)并在首都钢铁公司(首钢)的试验高炉上进行冶炼试验。60年代以来,随着高炉喷吹燃料技术的发展,首钢、鞍山钢铁公司(鞍钢)、马鞍山钢铁公司、上海钢铁一厂等先后在高炉上采用富氧鼓风。1966年首钢1号高炉鼓风富氧量达24%~25%,喷吹煤粉量最多达到270kg/t,效果是鼓风增氧1%即增产4%~5%。1986~1987年鞍钢2号高炉进行高富氧大喷吹工业试验,鼓风含氧达到28.59%,喷煤量170.02kg/t,效果十分明显,鼓风增氧1%增产2.5%~3%,同时可增加喷煤12~13kg/t。
对冶炼的影响与作用   (1)单位碳素燃烧生成的煤气量减少,风口前理论燃烧温度上升。热量集中于高炉下部,炉缸温度上升,对硅、锰等一些难还原元素的还原十分有利,因此冶炼锰铁、硅铁等采用富氧鼓风效果明显。(2)富氧使煤气体积减少,煤气对炉料下降阻力减小,允许进一步提高冶炼强度增加产量。如入炉风量不变,鼓风含氧由原来大气鼓风时的a0增加到a,其理论增产(焦比不变)为冶炼实际增产范围在2%~5%之间,其值主要取决于原燃料条件,喷吹燃料状况等。(3)富氧鼓风后,氮含量相对降低,生成煤气中还原剂CO浓度增高,尤其喷吹含H/C比高的燃料时,煤气中H2含量增加,有利于高炉间接还原的发展,减少焦炭消耗。鼓风中每增加1%氧,焦比降低O.5%左右,但若鼓风含氧过高,由于吨铁风量减少,当风温不变时,鼓风带入炉内热量减少,又不利于降低焦比。(4)煤气内氮含量减少,发热值相应提高(每增氧1%,提高100~130kJ/m3),从而改善了煤气质量。(5)富氧鼓风使风口前理论燃烧温度提高,可进一步增加喷吹燃料数量,产生更大的经济效益。
方法与操作   富氧鼓风的方法主要有两种:一种是从鼓风机吸入口加入低压氧气,其优点是氧气不用专门氧压机加压,可节约投资与电耗,高炉操作方便;其缺点是需设高炉专用制氧机,氧漏损较多,该方法在前苏联普遍采用;另一种是采用高压供氧即工业氧通过加压后直接加入高炉管道内,工艺流程见图1,其优点是可与炼钢用氧联网,保持制氧机全负荷运行,比较经济,但需增设氧压机加压,投资多,电耗高。最近一些国家正在研究发展高炉氧煤燃烧器,即将工业氧通过氧煤燃烧器送入,与喷吹煤粉有效混合,实现充分燃烧和大量喷吹煤粉。
操作方面,随鼓风含氧提高,风口前理论燃烧温度升高,高炉内气固比减少,因此炉缸热状态、炉内温度分布、煤气流分布以及料柱透气性等均发生较大变化,必须采取相应措施以维持合理的煤气流分布与适宜的炉缸热状态,保证炉况稳定顺行。
控制适宜的理论燃烧温度理论燃烧温度过低,炉料加热与还原不足,将导致炉凉、渣铁温度低、喷吹燃料燃烧不充分;理论燃烧温度过高,煤气体积迅速膨胀,与SiO大量气化,将会造成炉况不顺。实践证实:随鼓风含氧增加,吨铁煤气量减少,为满足正常冶炼条件下对炉料的加热与还原所需要的热量,必须相应提高理论燃烧温度,增加煤气热焓。中国鞍钢2号高炉普通鼓风时炉缸煤气量为1818m3/t,理论燃烧温度为2098℃,当鼓风含氧量达到28%时,理论燃烧温度上升到2320℃。控制理论燃烧温度的方法,主要是控制合适的喷吹燃料数量。理论计算鼓风含氧增加1%,理论燃烧温度上升40~50℃,而每增加喷吹10kg/t煤粉,理论燃烧温度降低20~25℃。降低理论燃烧温度使用天然气效果最明显,重油次之,煤粉较差。因此为了控制正常冶炼时的适宜理论燃烧温度,鼓风含氧每增加1%,需增加的喷吹燃料量:天然气为8~10m3/t,重油11~14kg/t,煤粉则以13~18kg/t为宜。
保证氧过剩系数   为保证喷吹燃料在风口前充分燃烧,需控制一定的氧过剩系数。鞍钢喷吹煤粉实践证实,氧过剩系数不宜低于1.15。喷吹重油时不宜低于1.05。当喷吹燃料量较少时大气鼓风就可以维持必要的氧过剩系数水平(>1.5)。但当喷煤量超过120kg/t时,就要用富氧来保证氧过剩系数。有的国家因高炉的吨铁风量小,富氧率较高;中国的实践是采用低富氧,如宝钢高炉富氧3%左右,达到喷煤200kg/t以上。
上下部调剂富氧鼓风后由于喷吹量增加,焦炭负荷上升,料柱透气性变差,炉缸径向温度梯度增加,中心不活跃。为此应采取以下措施以维持炉况稳定:(1)适当缩小风口面积,维持一定的风速与鼓风动能,以保持适宜的风口回旋区深度与良好的炉缸工作状态。鞍钢2号高炉,鼓风含氧每增加1%,风口面积缩小1%~4%;以保持其适宜的回旋区深度(1.0~1.2m);(2)上部采用以疏通中心为主并适当发展边沿煤气流的装料方法以改善料柱透气性,降低料柱阻损与提高炉缸渣铁渗透性。中心加焦装料方法是解决富氧鼓风后炉缸中心不活跃,料柱透气性恶化的有效手段。
展望   随着钢铁工业不断发展,传统的高炉炼铁工艺所需要的大量炼焦煤日趋枯竭,迫使炼铁工作者寻求新的焦炭代用品。因此,在发展富氧大量喷吹燃料的同时,高炉全氧(无氮)鼓风技术是近年各国广泛关注的新工艺(见图2),在日本、前苏联等国家已进行了试验研究。这种工艺具有高生产率、高喷煤量、低焦比、128高煤气热值、环境污染少、投资省的特点。1986年日本钢管公司在3.9m3试验炉上进行了全氧鼓风试验,每吨铁喷吹煤粉量增加到320kg/t,高炉炉况稳定顺行,利用系数达到5.1t/(m3•d),直接还原度与入炉焦比均降低一半以上,生铁质量明显改善。中国炼铁工作者在大量实验室研究的基础上,也已提出了一种新的高炉氧煤炼铁工艺,并将进行工业规模试验。

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