摘  要  高爐工長日常操作的兩個重要任務(wù)，一個是穩(wěn)定氣流，一個是穩(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測控制，它要求當班工長對當前爐溫的變化趨勢進行準確地預測，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

高爐工長調(diào)節(jié)爐溫的依據(jù)包括看渣樣、看鐵水、看風口、計算綜合負荷等等。這些手段是建國以來我國無數(shù)煉鐵工作者總結(jié)出來的寶貴經(jīng)驗，是一筆值得永久傳承的寶貴財富。然而，多數(shù)煉鐵工作者（包括筆者）在剛?cè)胄袝r都會對爐溫調(diào)劑產(chǎn)生一個錯誤的認識：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。這個錯誤認識往往會將爐溫調(diào)劑帶到一個誤區(qū)。

通常，根據(jù)經(jīng)驗來操作高爐是不會出什么太大問題的，但是，如果無法把經(jīng)驗上升到理論的高度，以正確的理論來指導高爐操作，往往得不到最優(yōu)的結(jié)果。筆者有幸走出這個誤區(qū)，故嘗試從理論的角度來解釋高爐爐溫的調(diào)劑，并對一些與爐溫相關(guān)的問題進行分析探討。

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)在運行過程中以熱形式表現(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)來計算的。在日常操作中，高爐工長只要對高爐的熱收入及熱支出的變化趨勢做到心里有數(shù)，即可準確預測出爐溫的變化趨勢，并做出正確地調(diào)劑。

2.2  高爐熱平衡簡介

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算依據(jù)。其中熱收入第一項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)實際冶煉過程基本相符。故此，本文將以第二總熱平衡法展開討論。

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》P797（周傳典 主編）

在實際操作中，工長只需要對爐溫的變化趨勢做出正確的預測即可，而沒有必要做精準的熱平衡計算，因此，在對爐溫的變化趨勢進行預測時要抓住主要矛盾，某些計算項可以忽略不計，某些計算項在正常情況下可以認為是恒定不變的值。

2.3  高爐的熱收入分析（單位時間內(nèi)）

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

碳素燃燒發(fā)熱：

C + O2 = 2CO + QI （1）

鼓風帶入物理熱：

QII = V * C * T （2）

式中 V — 風量，m3/min;

C — 熱風的平均比熱容，KJ/m3*℃;

T — 熱風溫度，℃。

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，事實上，由于近年來精料技術(shù)的廣泛使用，爐料結(jié)構(gòu)中熟料的配比往往高達85%-90%，隨爐料帶入的碳酸鹽和結(jié)晶水已可以忽略不計。

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，當滿足風氧穩(wěn)定、氣流基本穩(wěn)定、原燃料基本穩(wěn)定等條件時，可以認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為是一個穩(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，若將支出項中的Q1與Q2視為穩(wěn)定項，那么（Q3+Q4）亦將保持不變。在單位時間內(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，而當單位時間內(nèi)還原的氧化物增多時，單位時間內(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。其中單位時間內(nèi)還原氧化物的多少即我們常說的料速，而T鐵與T渣即爐溫。

因此，筆者認為：高爐爐溫調(diào)劑的實質(zhì)就是控制料速，在同等的風、氧、風溫條件下，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)（見表2）

3.2  噴吹煤粉的補充說明

從上表中可以看出，煤粉和焦炭對爐溫的作用機理實質(zhì)還是調(diào)劑料速，而并非本文開篇所說的

多燒或少燒了煤粉或焦炭，當然，噴吹煤粉對高爐冶煉的作用卻遠不止調(diào)劑料速這么簡單。

（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。嚴格的熱平衡計算中，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）煤粉的比表面積遠小于焦炭，因此煤粉的燃燒速率要遠大于焦炭，僅從這一點上說來，噴吹煤粉是縮小風口燃燒帶的。但是，因煤粉帶入的H2在風口前燃燒成H2O，而H2O的擴散能力強于CO2，此時，風口燃燒帶的定義為：從風口前端開始直至煤氣中H2O含量降低至1%的位置。從這一點上說來，噴吹煤粉又擴大了風口燃燒帶，這就是某些書上所說的噴煤發(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)劑中的幾個誤區(qū)

4.1  綜合負荷不足為憑

綜合負荷 = 礦批重 / (焦批重 + 小時噴吹量 / 小時料批數(shù) * 0.8)

在日常操作中，綜合負荷往往成為工長判定爐溫趨勢的重要指標，但從計算式來看，綜合負荷更像是一個體現(xiàn)燃料消耗水平的指標，而并非一個判定爐溫趨勢的指標。前已言之，當熱收入恒定不變時，決定爐溫的主要因素是料速，而與焦批沒有任何關(guān)系，與煤粉噴吹量關(guān)系亦不大。舉個例子，在全焦冶煉時，綜合負荷是恒定不變的，為什么爐溫不能保持穩(wěn)定不變呢？原因很簡單，因為料速在變化！另外，不知出于什么原因，工長在記錄作業(yè)日志時，每小時的料批數(shù)通常記錄為整數(shù)，這也與實際狀況是不相符的，事實上，每小時0.5批料的差異都將引起爐溫較大的波動。

4.2  看爐溫的困惑

通過觀察渣、鐵來判定爐溫高低是每一個工長的基本技能，那是不是說，能看準爐溫就一定能將爐溫調(diào)劑好呢？事實并非如此，本文開篇就已說過，爐溫控制是一種滯后的預測控制，也就是說，這需要工長正確的預測爐溫走勢并提前施展正確的調(diào)劑手段，等看到爐溫波動時再采取措施，將永遠慢爐溫一步。

4.3  日產(chǎn)量與爐溫的矛盾

產(chǎn)量和爐溫會存在矛盾嗎？存在！前已言之，料速決定爐溫，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)。有沒有辦法兼得魚和熊掌？有！第一種方法是增加熱收入，加風、加氧、提風溫，可加風加氧后料速不是會更快嗎？這時，又需要增加煤粉噴吹量來控制料速。且不論加風加氧后的送風制度是否合適，至少這不是一種經(jīng)濟的方法。第二種方法是減少熱支出，回頭看前文對熱支出的分析，其中Q1、Q2是穩(wěn)定項，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程中高爐內(nèi)氣固相還原反應(yīng)中CO轉(zhuǎn)化為CO2的指標，是評價爐內(nèi)間接還原程度的重要指標。

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)對熱支出的影響

通過對上述熱反應(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)，釋放出的熱量對下部的渣鐵熔融影響并不大；H2的間接還原反應(yīng)會吸收少量熱量，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

從前文的分析來看，影響高爐爐溫的兩大熱支出，一個是氧化物的還原（Q3），主要是直接還原，另一個是渣鐵的軟化熔融（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，只有當爐料到達軟熔帶下部和滴落帶時，才會引起熱支出的大幅變化，進而引起爐溫的波動。這正是高爐爐溫滯后的原因。

6.2 風溫調(diào)劑不引起爐溫滯后

因為風溫的調(diào)劑只是直接改變了爐缸的熱收入，并不對熱支出產(chǎn)生影響，因此，調(diào)節(jié)風溫將直接作用于爐溫，不會產(chǎn)生爐溫滯后。

6.3 風量、氧量的調(diào)劑略有滯后

調(diào)劑風量、氧量后首先改變了爐缸的熱收入，這一點與風溫調(diào)劑相同。但是，調(diào)劑風量氧量同時還將改變料速，一是改變焦炭的燃燒速度，二是因煤氣量的變化而導致還原反應(yīng)速度的變化。但是因為這個料速的變化是整個料柱同時發(fā)生改變，所以，爐溫的滯后周期比較短。由于條件的限制，筆者并沒有做過嚴謹?shù)脑囼灒簿蜔o從給出一個具體的數(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，使爐缸溫度降低，直到增加的煤粉量帶來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，使爐缸溫度上升，這種現(xiàn)象稱為熱滯后。

對于此，筆者有不同的看法，首先，近年來，隨著技術(shù)的進步，高爐越來越趨于大型化，風溫水平較之前也有很大提高，隨著大風、大氧、高風溫的使用，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，而噴吹量的調(diào)劑卻并沒有太多變化，日常操作中噴吹量的調(diào)劑不過±1-2 t/h，這樣的調(diào)劑帶來的熱支出的變化相對于總的熱收入有幾個數(shù)量級的差別，也就是說，這個變化量小到可以忽略不計。

其次，隨著風量、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，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，但其對爐溫的影響卻遠不如小高爐

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  焦炭負荷調(diào)劑以及凈焦的滯后

經(jīng)驗認為，高爐在調(diào)劑焦炭負荷或者加凈焦后，將在一個周期后，也就是爐料到達風口平面時發(fā)生作用。

對于此看法，筆者同樣持有異議。前文中提到：變化的爐料到達軟熔帶下部和滴落帶時，將引起熱支出地大幅波動，進而引起爐溫的波動，而渣鐵熔融后從滴落帶進入爐缸的速度要遠大于塊狀爐料和軟熔爐料的下降速度。因此，調(diào)劑了焦炭負荷或加凈焦后，當爐料到達軟熔帶和滴落帶的交匯處時將引起爐溫的變化，而不是到達風口平面。為什么前輩們會總結(jié)出滯后一個冶煉周期的經(jīng)驗來？筆者認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，軟熔帶的位置相對較低，距離風口平面比較近，因此，給人的錯覺就是當爐料到達風口平面時發(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)劑的實質(zhì)是控制料速，煤粉噴吹量、焦炭負荷、加凈焦，甚至風、氧等調(diào)劑的實質(zhì)都是在控制料速，在同等的風、氧、風溫條件下，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，在發(fā)覺料速持續(xù)向同一方向變化約3-5批料時，就應(yīng)該及時采取調(diào)劑措施，如果等看到爐溫波動了再調(diào)劑，將永遠慢爐溫一步！

8  參考文獻

[1] 那樹人 著. 煉鐵計算. 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. 冶金工業(yè)出版社.

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