高炉高压操作
高炉高压操作
20世纪50年代以前，高炉都是在炉顶煤气剩余压力低于30kPa 的情况下生产的，通常称为常压操作。
1944-1946年美国在克利夫兰厂的高路上将炉顶煤气压力提高到70kPa，试验获得成功（产量提高12.3%，焦比降低2.7%，炉煤量大幅度降低），从这时起将炉顶煤气压力超过30kPa的高炉操作称为高压操作。
在此后十年中，美国采用高压操作的高炉座数增加很多。
苏联于1940年开始在彼得罗夫斯基工厂进行提高炉顶煤气压力操作的试验，它比美国的试验稍早一点，但初次试验并未成功，后来改进了提高炉顶煤气压力的设施后才取得进展，但其发展速度却很快，到1977年高压操作高炉冶炼的生铁占全部产量的97.3%。
我国从50年代后期开始，也先后将1000m³级高炉改为高压操作，同样取得较好的效果，但是炉顶压力均维持在50-80kPa，而宝钢1号高炉（4063m³）的炉顶压力已达到250 kPa，进入世界先进行列。
一、高压操作系统
高炉炉顶煤气剩余压力的提高是由煤气系统中的高压调节阀组控制阀门的开闭度来实现的。
前苏联早期试验时，曾将这一阀组设置在煤气导出管上，它很快被煤气所带炉尘所磨坏，因而试验未获成功。
后来改进阀组结构并将其安装在洗涤塔之后，才能取得成功（见图1）。
我国1000m³级高炉的调压阀组是由三个φ700mm电动蝶式调节阀，一个设有自动控制的φ400mm蝶阀和一个φ200mm常通管道所组成。
高压时，φ700mm阀常闭，炉顶煤气压力由φ
400mm阀自动控制在规定的剩余压力，这样自风机到调压阀组的整个管路和高炉炉内均处于高压之下，只有将所有阀门都打开，系统才转为常压，长期以来，由于炉顶装料设备系统中广泛使用着双钟马基式布料器，它既起着封闭炉顶，又起着旋转布料的作用，布料器旋转部位的密封一直阻碍着炉顶压力的进一步提高。
只有到70年代实现了“布料与封顶分离”的原则，即采用双钟四阀，无钟炉顶等以后，炉顶煤气压力才大幅度提高到150kPa，甚至到200-300 kPa。
图1 高压操作工艺流程图
图2 余热发电工艺流程图
应当指出，消耗在调压阀组的剩余压力是由风机提供的，而风机为此提高了风压是消耗了大量的能量的（由电动机或蒸汽透平提供）。
为有效利用这部分压力能，从20世纪60年代开始，试验高炉炉顶煤气余压发电，先后在前苏联和法国取得成功。
采用这种技术后，可回收风机用电的25%-30%，节省了高炉炼铁的能耗。
图2为采用余压发电的高压操作系统。
二、高炉高压操作对高炉冶炼的影响
如前所述，高压操作给高炉冶炼带来提高产量、降低焦比和大幅度降低炉尘吹出量的良好效果，这是高压操作对高炉冶炼影响的综合表现。
1、对燃烧带的影响
由于炉内压力提高．在同样鼓风量的情况下．鼓风体积变
小．从而引起鼓风动能的下降。
根据计算．由常压(15KPa)提高到80kPa 的高压后。
鼓风动能降到原来的76％。
同时，由于炉缸煤气压力的升高，煤气中2O 和2CO 的分压升高，促使燃烧速度加快。
鼓风
动能降低和燃烧速度加快导致高压操作后的燃烧带缩小。
为维持合理的燃烧带以利于煤气量分布，就可以增加鼓风量，这对增加产量起了积极的作用。
2、对还原的影响
从热力学上来说，压力对还原的影响是通过压力对反应
2CO 十C ＝2CO
的影响体现的，由于这个反应前后有体积的变化，压力的增加有利于反应向左进行，即有利于2CO 的存在。
这就有利于间接还原的
进行。
同时，高炉内直接还原发展程度取决于上述反应进行的程度，高压不利于此反应向右进行．从某种意义上讲，是抑制了直接还原的发展，或者说将直接还原推向更高的温度区域进行，同样有利于CO 还原铁氧化物而改善煤气化学能的利用。
从动力学上来说，压力提高加快了气体的扩散和化学反应速
度，有利于还原反应的进行。
但是有的研究者认为压力的提高也加快了直接还原的速度，因此压力对铁的直接还原度不会产生明显的影响，单从压力对还原的影响分析，高压操作对焦比没有影响。
所有研究者和实际操作者都肯定高压对Si 的还原是不利的，这表明高压对低硅生铁的冶炼是有利的。
这里顺带指出，由于煤气总压力和其中2CO 分压随炉顶压力的升
高而升高，石灰石在高炉内的分解将向高温区转移，一般其开始分解温度和沸腾分解温度要升高30-50℃，这有可能增加2
CO （分解出来的2CO 与C 发生分解的程度），这对焦比消耗会有影响。
好在目前
已广泛采用自熔性或高碱度烧结矿，取消石灰石入炉。
因此，这种影响已经消除了。
3、对料柱阻损的影响
这是高压操作对高炉冶炼影响的最重要的一个方面。
从著名的卡门公式
不难看出，料层的阻力损失与气流的压力成反比。
在其他条件不变的情况下，可写成：
由于料层的阻力损失与气流的压力成反比，高压操作以后，炉内的总压力高p 较常压操作时的常p 大，即高p /常p ＞1，因而常压操作时煤气流通过料柱的阻力损失常p ∆大于高压操作时的高p ∆。
这就使得在常
压高炉上因∆p 过高而引起的诸如管道行程，崩料等炉况失常现象在高压操作的高炉上大为减少，而且还可弥补一些强化高炉冶炼技术使∆p 升高的缺陷。
研究者们用不同的方式对高压操作后高p ∆下降进行了测定和计
算，所得结果不尽相同，但其平均值约为顶压每提高100kPa ，料柱阻损下降3kPa 。
在常压提高到100kPa 时，∆p 下降值略大于3kPa ；而顶压由100kPa 进一步提高到200-300kPa 时，此值降到
2kPa/100kPa 。
应当指出，高压操作以后，炉内料柱阻损的下降并不是上下部均相同的，研究表明，炉子上部的阻损下降得多，下部的下降得少(图3)。
造成这种现象的原因是料柱上下部透气不同，高炉下部由于被还原矿石的软熔，空隙度急剧下降，压力对∆ p 的作用为空隙度的下降所减弱。
图3 高压高炉高度上的煤气压力变化
众所周知，煤气通过料柱的阻力损失，相当于自下而上的浮力，它与炉料与炉墙之间的摩擦力、炉料与炉料之间的摩擦力等一起，阻碍着靠重力下降的炉料运动。
高压操作后∆p的下降无疑减少了炉料下降的阻力，可使炉况顺行。
如果∆p维持在原来低压时的水平，则可增加风量，即提高高炉的冶炼强度。
早期的生产实践表明，在由常压改为80kPa的高压后．鼓风量可增加10％-15％，相当于提高2％／9.8kPa左右；现在的实践表明，再从100kPa往上提高时，这个数值下降到(1.7％-1.8％)／
9.8kPa。
这比理论计算的3％左右要低很多。
造成这种差别的原因在于：（1）高炉内限制冶炼强度提高的是炉子下部，如前所述，下部∆p减少的数值较小；（2）高压以后，焦比有所降低．炉尘量大幅度降低，在入炉炉料准备水平相同的情况下，上部块状带内料柱透气性也变差；（3）高压以后，燃烧带和炉顶布料发生变化，上下部调剂跟不上也阻碍着高压操作作用的发挥。
为此，要充分发挥高压对增产的作用，需要改善炉料的性能，特别是焦炭的高温强度，矿石的高温冶金性能和品位(降低渣量)，以及掌握燃烧带和布料变化规律，应用上下部调剂手段加以控制。
随着这些工作进展的情况不同，各厂家每提高10kPa 的增产幅度波动在1.1％-3.0％。
我国宝钢的生产经验是顶压每提高10kPa ，风量可增加200-250m ³／min 。
4、对炉顶布料的影响
高压操作降低了离开料柱和炉顶的煤气的动压头：
p
t g p t g •••••=•=00022动22h γωγω 这首先影响到炉尘吹出量，在冶炼强度相同和炉料粒度结构相同的情况下，被吹出炉尘的粒径变小，数量减少。
按照斯托克斯定律进行计算，从常压提高到250kPa ，炉顶煤气能带走的最大颗粒的直径缩小了一半，颗粒的质量减少到原来的12.5%。
要用计算方法确定炉尘吹出量是不可能的，因为炉喉煤气流速和温度分布不均匀，不同时间内的吹出量也不同（装料时吹出量最大）。
根据统计由常压改为高压操作后，炉尘吹出量降低20~50％，有的甚至高达75%。
在目前炉顶煤气压力达到150-250%kPa 的现代高炉上，炉尘吹出量经常在10Kg/t 以下。
高压操作后动压头的减小，对炉料从装料设备（大钟或布料流槽）落到料面的运动有着一定的影响。
根据测定和计算，这种影响表现为边缘料层加厚，料面漏斗加深，而影响的程度则取决于炉料准备情况（＜5mm 粒度的含量和大小粒度的组成）和炉顶煤气压力
提高的幅度。
这种炉料在炉喉径向上分布的变化有可能恶化边缘区域的炉料透气性，从而使炉内压降增大，削弱了顶压提高的作用。
5、对焦比的影响
由于高压操作促进炉况顺行，煤气分布合理，利用程度改善，有利于冶炼低硅生铁等，而且使焦比有所下降。
国内外的生产经验是，顶压每提高10kPa，焦比下降0.2％-1.5％。
