【高炉氧煤炼铁】
拼译：blast furnace pulverized coal injection with enriched blast
指在高炉冶炼过程采用富氧鼓风，与此同时从风口向炉内喷吹大量煤粉借以提高产量、降低焦炭消耗的技术措施。这项技术始于20世纪60年代，80年代后在世界范围内得到推广。
高炉炼铁的实质是从炉顶装入矿石和焦炭，从下部风口鼓入热风，借助热风燃烧焦炭形成高温还原性煤气使矿石熔融并将铁从氧化物中还原出来。由此不难理解，焦炭燃烧是高炉冶炼过程最主要的化学反应之一。单位时间内燃烧焦炭多，则形成的煤气多，还原出来的铁也多，即冶炼强化。采用富氧鼓风，即维持鼓风含氧率＞21%，由于入炉N2减少，使同体积鼓风中可供焦炭燃烧的O2量增大，故是强化生产的有力措施。这项技术在20世纪40年代首先为前苏联所采用(最高含氧率达40%)，后在各国得到推广。但富氧鼓风对高炉冶炼也有不利一面，即由于煤气量减少，煤气上升带走热量相应减少，使热量较多集中于下部炉缸，故富氧率过大时会导致炉缸过热使炉况不顺。为避免炉缸过热，60年代以前，富氧鼓风多与加湿鼓风相配合，即靠水分分解来吸收这部分热量。从风口喷煤旨在节约昂贵的冶金焦。炼焦离不开结焦煤，而喷煤则可采用价廉易得的非结焦煤。从风口喷煤的想法是法国人S．M．Banks于1840年提出的，随后在法国得到工业性实施并于1881年获得专利。直至20世纪60年代，在美国、中国才得到发展。70年代以来，由于石油危机，原喷重油的高炉不得不陆续改喷煤粉，至使喷煤成为世界范围得以推广的炼铁新技术。高炉喷煤，由于煤粉加热及碳氢化合物分解等均需耗热，故随喷煤率提高炉缸温度将会降低，这对冶炼不利；但此时若能采用富氧鼓风，则煤粉恰可吸收由富氧引起的炉缸过热，故富氧与喷煤同时进行，则二者相得益彰，这样既可增产又能节焦，由此使生铁成本降低。氧煤炼铁技术发展最快的国家是日本，其次是西欧一些国家。这是由于这些国家在二次世界大战后投产的焦炉目前已经老朽化，与其大量投资建新焦炉，不如靠喷煤来弥补焦炭不足，何况煤粉比焦炭便宜。同样，为强化生产，与其新建高炉莫如购置制氧机，在不改变现流程和设置条件下大幅度增产。当然，这项技术的发展也与近年来机械、电力工业的迅猛发展密不可分。20世纪60年代，氧煤炼铁尚处初级阶段。由于当时重油便宜，各国对提高喷煤率未予重视，除中国喷煤率较高外，多在50kg／t水平。后随油价上涨，80年代喷油停止后，各国喷煤率逐渐提高，目前在日本和西欧，大型高炉喷煤率多在70～100kg／t，先进炉可达150kg／t以上，但富氧率多较低，在25%以内。从目前来看，尽管在一些试验装置上喷煤已达300kg／t甚至进行过全氧喷煤试验，但对大规模工业实施来说，喷煤率超过200kg／t尚有一定困难。在现阶段，限制喷煤率提高的限制环节是煤粉在风口前的燃烧率。因喷入的煤粉需在几十毫秒内燃烧掉，否则弥散在料层中，会堵塞气流通路，或使炉子中心温度降低导致炉况不顺。为提高煤粉燃烧率，一是要及时供氧，二是要强化煤粉与氧气的混合，同时为提高喷煤率也必须维持较高风温。为此，必须研制结构合适的喷嘴以促进煤粉与氧气的混合，同时相应提高富氧率或风温。近年来，新日本钢铁公司先后开发出同轴式、涡流式及多孔式各种喷嘴，目的即在于此。从风温水平看，日本和西欧已可达1250℃，中国高炉尚多在1050℃左右，所以尚有待提高。就富氧率而言，既存在与喷煤率合适匹配问题，也受目前制氧能力和成本制约。从长远来看，富氧率还有待进一步提高。就煤种选择而言，日本及西欧多喷烟煤，中国喷烟煤和无烟煤的高炉都有。烟煤含挥发分高，易着火燃烧，故风口前燃烧率高。从燃烧的动力学条件来看，粉愈细则燃烧愈快，且对输粉管路的磨损愈小。故一般多将煤粉碎到数十微米(－200网目)，但粉愈细，粉碎消耗电能愈高，且要对原煤进行充分干燥，故也有采用较粗煤粉的厂家。采用富氧喷煤技术，随喷煤率提高，炉内压差升高，特别是在喷煤率达160～180kg／t之后。这主要是由于采用富氧及高风温使炉缸温度升高，使煤气体积增大造成的。由于大量喷煤使料层中焦炭比例降低，致使炉料透气性变坏也将导致炉内煤气压力损失(压降ΔP)增大，煤气量增大更易形成边缘气流，这样既不利煤气利用又会损坏炉墙，为此在操作上宜采用疏通高炉中心的上下部调剂措施。日本神户钢铁公司借助向高炉中心特意添加焦炭与可调炉喉相配合，使边缘矿焦比增大，中心矿焦比减小，由此确保中心煤气流开放，煤气利用改善和炉况顺行，结果获得了喷煤210kg／t，焦比月均298kg／t的良好指标。从目前氧煤炼铁实践来看，维持富氧率在30%以内，喷煤率已可达160～180kg／t以上。如法国Dunkerque4号高炉在1990年实现喷煤180kg／t，焦比295kg／t，相应富氧率30%，操作中生铁Si含量为0．208%，炉况稳顺；日本神户3号高炉，1990年富氧率从22．8%增加到24．1%，使喷煤率从162kg／t提高到180kg／t以上，实现了利用系数2．2～2．3t／(d·m3)的良好指标；德国蒂森公司Schwelgern4号高炉维持鼓风富氧率22．4%，随喷煤率提高，为抑制煤气流速过大，将风口直径由125mm改为140mm，并维持焦层厚为70cm不变，结果实现了喷煤率170kg／t的正常操作；英国钢铁公司Scunthorpe高炉，在鼓风富氧率～24%条件下，喷－2mm粒级煤粉117kg／t，由此大大降低了煤粉加工和干燥脱水费用；中国鞍山钢铁公司在富氧率＜28%条件下，喷吹烟煤170kg／t以上，炉况稳顺。氧煤炼铁是增产节焦的有力措施。但如前所述，目前突破200kg／t还有一定困难。解决的途径是：(1)进一步强化煤粉在风口前的燃烧。为使喷入煤粉在数十毫秒内充分燃烧，除了维持一定的氧过剩系数，还必须快速向各个煤粉颗粒供氧，为此有人尝试用添加剂(如石灰石和褐煤等)来加速燃烧；在进一步提高风温的同时，采用等离子体获得高温借以加快燃烧也是解决途径之一。法国曾在炉缸直径0．5m的小型试验炉上采用等离子高温技术增大喷煤量，已使焦比降至105kg／t。看来若电价便宜，采用等离子技术可使焦比降低到仅维持焦炭完成其作为料柱骨架的使命，而其发热剂、还原剂的作用均可由风口喷煤来完成。(2)进一步提高鼓风富氧率，直至实现全氧喷煤。前苏联进行过鼓风富氧率达35%的喷煤操作。理论解析表明，富氧率达334Nm
则喷煤率可达486kg／t，此时焦比可降至109kg／t。目前提高鼓风富氧率的瓶颈是电价高，致使氧成本高。此外，适于高炉应用的低浓度大容量制氧机的制造技术尚有待开发。大幅度增产的根本途径也在于提高鼓风富氧率。为此，日本NKK公司进行过全氧喷煤试验。其流程要点是从炉顶加入矿石、焦炭，从风口以常温工业氧喷入煤粉。全氧操作由于煤气量明显减少，使炉料在上部得不到充分预热。为此，NKK公司采用从炉身中下部喷入经除尘的炉顶煤气的措施(法国Fink方案是喷入脱除CO2的炉顶煤气)。全氧炼铁时，由于炉身煤气基本不含N2，使还原气体浓度增大，由此使间接还原度大为提高，同时使矿石软熔带变薄，位置下移，炉况更趋顺行。由于炉内CO分压升高，还可抑制Si等元素的还原，有助于冶炼低硅生铁。从风口喷吹铁矿粉及含铁粉尘是强化生产并使高炉接受更高富氧率的有力武器。富氧率过高时，喷入煤粉量因受燃烧率限制，不可过分增高，故其吸热效果跟不上炉缸温度升高，使炉况不顺；喷矿时由于矿粉分解吸热约为同重量煤粉的2倍，故可有效抑制炉缸过热，使富氧率大幅度提高，而铁矿粉本身在喷入后Fe可被还原回收，在富氧率不很高时，铁氧化物因带入氧又具富氧增产效果，故在风温较高条件下，不论富氧率高低，风口喷矿均是进一步强化生产的有力武器。此外，喷含铁粉尘也有助于资源的综合利用，消除污染，所以目前日本5大钢铁公司都正致力于这方面的研究。工业试验结果表明，矿粉、煤粉混合喷吹时效果尤佳。风口富氧喷煤喷矿对大幅度增产有特殊意义。目前日本有的钢铁公司已把在富氧条件下喷煤喷矿各250kg／t，使高炉利用系数达3．0t／(m3·d)乃至更高作为今后的奋斗目标。大量喷矿的关键是要使喷入矿粉在极短时间内熔融还原，否则滞留炉缸会使炉况变坏。随相关技术的不断进步，大量喷煤喷矿这个目标是有可能实现的。中国是高炉喷煤最早的国家。60年代首都钢铁公司在普通鼓风的高炉上已实现喷煤率100kg／t以上，目前全国重点企业约70%高炉喷煤，尽管风温水平较低，平均喷煤率也不在日本及西欧之下。目前氧煤炼铁的理论研究和工业试验也正在抓紧进行中。【参考文献】：1 稻叶晋一，八木顺一郎．铁と钢，1991，78(7)：1187～l197(东北大学车传仁副教授撰；王文忠教授审)