CN112342327B - 一种基于理论燃烧温度控制的钒钛磁铁矿高炉冶炼方法 - Google Patents

一种基于理论燃烧温度控制的钒钛磁铁矿高炉冶炼方法 Download PDF

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Abstract

一种基于理论燃烧温度控制的钒钛磁铁矿高炉冶炼方法，包括：将风口前回旋区视为绝热环境，总结影响理论燃烧温度计算公式的因素，并基于所述影响理论燃烧温度计算公式的因素得出理论燃烧温度计算公式；将钒钛磁铁矿高炉的历史冶炼数据代入所述理论燃烧温度计算公式计算，得到基于风温、富氧率、喷煤比、鼓风湿度的理论半经验的通用计算公式；根据通用计算公式制定冶炼策略。通过本冶炼方法所制定的冶炼策略，可有效提高钒钛磁铁矿高炉冶炼炉况的稳定性，对炉况温度的突发变化的处理有良好的应对措施。

Description

一种基于理论燃烧温度控制的钒钛磁铁矿高炉冶炼方法
技术领域
本发明属于炼铁技术领域，涉及一种基于理论燃烧温度控制的钒钛磁铁矿高炉冶炼方法。
背景技术
在高炉冶炼过程中，高炉炉缸是高炉的“心脏”和“发动机”，为高炉冶炼过程提供源源不断的热量和还原反应过程所必须的煤气，还是铁水渗碳、渣铁分离的主要场所，同时还负责排出渣铁，为上部物料的下行提供空间。因此，炉缸工作状态是否良好，直接影响到整个高炉生产的稳定顺行和高产高效。而高钛型钒钛磁铁矿在冶炼过程中，由于生成的炉渣TiO2含量高于20％，在充满炙热焦炭的高炉内，温度过高，极易被还原生成高熔点Ti(C,N)；温度过低，造成渣铁粘稠，严重时引起炉缸中心堆积和粘结，恶化高炉料柱透气透液性，缩小炉缸有效工作空间，增加渣铁分离和排出炉缸的难度。犹如人体心脏血液浓度变稠、多处形成血栓堵塞，必然引起高炉炉况的恶化。及时量化的反馈高炉炉缸工作状态，反馈下部调剂的结果，指导高炉操作人员进行准确及时的调整，确保高炉稳定顺行，是十分重要的。高炉生产人员常用铁水的物理温度，以及以Si或Si+Ti为代表的化学温度来判断炉缸热状态，但结果存在滞后性，不能及时反馈。故炼铁生产人员将风口燃烧区域假想成一个绝热的环境，对燃料在该区域进行不完全燃烧时进行热平衡分析，在此基础上提出能够及时和实时反映炉缸热状态的参数(理论燃烧温度)来表征炉缸热状态。然而，纯理论的计算公式涉及参数过多，计算过程复杂，很难指导高炉生产；各企业总结的经验公式又不具有通用性，也难以合理准确的指导高炉生产。因此，寻求一种适合于钒钛磁铁矿高炉冶炼特点，并基于理论燃烧温度控制的高炉冶炼方法，对钒钛磁铁矿高炉冶炼是十分重要的。
发明内容
基于上述目的，本发明提出一种基于理论燃烧温度控制的钒钛磁铁矿高炉冶炼方法，包括以下步骤：
将风口前回旋区视为绝热环境，总结影响理论燃烧温度计算公式的因素，并基于所述影响理论燃烧温度计算公式的因素得出理论燃烧温度计算公式；
将钒钛磁铁矿高炉的历史冶炼数据代入所述理论燃烧温度计算公式计算，得到基于风温、富氧率、喷煤比、鼓风湿度的理论半经验的通用计算公式；
根据通用计算公式制定冶炼策略。
在本发明的实施例中，基于上述影响理论燃烧温度计算公式的因素得出的理论燃烧温度计算公式为：
Figure BDA0002715961290000021
其中，Tf–为理论燃烧温度，℃；
Q焦—为焦炭带入风口区域物理热，kj；
Q煤—为喷吹煤粉带入物理热，kj
QR焦—为焦炭中C进行不完全燃烧生产CO放热，kj；
QR煤—为喷吹煤粉中C进行不完全燃烧生产CO放热，kj；
Q风—为热风带入风口区域物理热，kj；
Q载气—为煤粉载气带入风口区域物理热，kj；
Q水—为大气鼓风湿度水分解所需热，kj；
Q分—为煤粉分解热，kj；
Q灰—灰分带走物理热及灰分熔化耗热，kj；
QSiO—为灰分中SiO2气化热，kj；
QS—未燃煤粉带走物理热，kj；
C(CO+N2)—为CO和N2的平均热容，CH2为H2热容，kj/(m3·℃)；
C灰、Cs—为灰分、未燃煤粉的热容，kj/(kg·℃)；
VCO、VN2、VH2—为炉腹煤气中CO、N2、H2量，m3；
W灰、WS—为吨铁产生灰量和未燃煤粉量，kg/t。
在本发明的实施例中，所述煤粉分解热Q分通过将钒钛磁铁矿高炉使用的喷吹煤发热值、元素成分值代入盖斯定律公式计算得到。
在本发明的实施例中，所述通用计算公式为：
Tf＝1555.470+0.697TB-5.234HB+3385.625VO2-1818.404VCoal
其中，
TB为风温，单位为℃；
HB为鼓风湿度，单位为g/m3；
VO2为富氧率，单位为m3/m3；
VCoal为喷煤比，单位为kg/m3。
通常使用的喷煤比是指生产一吨铁消耗的喷吹煤量，此处因为是瞬时值，指的是平均每立方风量喷了多少kg煤粉。
在本发明的实施例中，所述冶炼策略包括：通过调剂风温、富氧量、喷煤量和鼓风湿度，对理论燃烧温度进行控制，使理论燃烧温度控制在预定范围内。
在本发明的实施例中，所述冶炼策略还包括：通过调整单位时间的喷煤量使理论燃烧温度保持在预定范围内；
若喷煤量调整后仍不能使理论燃烧温度保持在预定范围内，则通过调整富氧量使理论燃烧温度保持在预定范围内；
若调整富氧量仍不能使理论燃烧温度保持在预定范围内，且维持预定时间后，则停止喷煤和富氧输送后，通过调整风温使理论燃烧温度保持在预定范围内。
在本发明的实施例中，当理论燃烧温度超过预定范围的上限时，增加喷煤量和/或降低富氧量；当理论燃烧温度低于预定范围的下限时，降低喷煤量和/或增加富氧量。
在本发明的实施例中，通过调整单位时间的喷煤量使理论燃烧温度保持在预定范围内包括：以每小时喷煤量增加1t/h，理论燃烧温度的理论值降低10.2℃为基准进行调整；和/或，
通过调整富氧量使理论燃烧温度保持在预定范围内包括：以富氧量每增加1％，理论燃烧温度的理论值增加45.6℃为基准进行调整。
在本发明的实施例中，通过调整风温使理论燃烧温度保持在预定范围内包括：风温每增加10℃，理论燃烧温度的理论值增加6.94℃。
在本发明的实施例中，所述冶炼策略还包括：所述理论燃烧温度的预定范围为2160-2320℃。
本发明提出的一种基于理论燃烧温度控制的钒钛磁铁矿高炉冶炼方法，为冶炼高钛型钒钛磁铁矿的高炉生产人员提供一个更为合适的理论燃烧温度计算公式，以及理论燃烧温度生产控制方案，为高炉生产人员更及时、更准确的反馈下部调剂效果和炉缸热状态，促进高炉稳定顺行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
图1为非正常情况下风温对理论燃烧温度的影响。
图2为富氧率对理论燃烧温度的影响。
图3为本发明方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图对本发明实施例进一步详细说明。
如图3所示，本发明提供了一种基于理论燃烧温度控制的钒钛磁铁冶炼方法，包括以下步骤：
S1、将风口前回旋区视为绝热环境，总结影响理论燃烧温度计算公式的因素，并基于所述影响理论燃烧温度计算公式的因素得出理论燃烧温度计算公式；
S2、将钒钛磁铁矿高炉的历史冶炼数据代入所述理论燃烧温度计算公式计算，得到基于风温、富氧率、喷煤比、鼓风湿度的理论半经验的通用计算公式；
S3、根据通用计算公式制定冶炼策略。
在步骤S1中，将风口前回旋区视为绝热环境，总结影响理论燃烧温度计算公式的因素，除了考虑常规计算公式中考虑的焦炭和煤粉的物理化学热、风温物理热、煤粉和水分的分解热、煤粉输送载气热，还充分考虑了完全燃烧的焦炭和煤粉灰分对热支出项和分子项的影响，灰分中SiO2气化生成SiO的影响，以及未燃煤粉对热支出项和分子项的影响，分子项不再局限于煤气成分，考虑灰分和未燃煤粉后，成为了气--固两相。基于所述影响理论燃烧温度计算公式的因素得出的理论燃烧温度计算公式为：
Figure BDA0002715961290000051
其中：
Tf–为理论燃烧温度，℃；
Q焦—为焦炭带入风口区域物理热，kj；
Q煤—为喷吹煤粉带入物理热，kj
QR焦—为焦炭中C进行不完全燃烧生产CO放热，kj；
QR煤—为喷吹煤粉中C进行不完全燃烧生产CO放热，kj；
Q风—为热风带入风口区域物理热，kj；
Q载气—为煤粉载气带入风口区域物理热，kj；
Q水—为大气鼓风湿度水分解所需热，kj；
Q分—为煤粉分解热，kj；
Q灰—灰分带走物理热及灰分熔化耗热，kj；
QSiO—为灰分中SiO2气化热，kj；
QS—未燃煤粉带走物理热，kj；
C(CO+N2)—为CO和N2的平均热容，CH2为H2热容，kj/(m3·℃)；
C灰、Cs—为灰分、未燃煤粉的热容，kj/(kg·℃)；
VCO、VN2、VH2—为炉腹煤气中CO、N2、H2量，m3；
W灰、WS—为吨铁产生灰量和未燃煤粉量，kg/t。
在计算煤粉分解热Q分时，通过将钒钛磁铁矿高炉使用的喷吹煤发热值、元素成分值代入盖斯定律公式计算得到。
焦炭热为焦炭带入的热量Q焦和焦炭燃烧释放的热量QR焦，煤粉热为煤粉带入的热量Q煤和煤粉燃烧释放的热量QR煤总和。
由风量、富氧、鼓风湿度等确定鼓风总量中的氧气总量。
灰分不仅考虑灰的升温热，还要考虑灰分的熔化热。
在计算水分的分解热时，充分考虑季节变化对大气湿度的影响，进一步对计算值变化的影响。分子项气—固相的综合热熔，采用迭代循环计算的方式使分子项热熔温度与理论燃烧温度相同，以增加其准确性。
在步骤S2中，将钒钛磁铁矿高炉的历史冶炼数据代入所述理论燃烧温度计算公式计算，通过线性回归的计算方法得到基于风温、富氧率、喷煤比、鼓风湿度的理论半经验的通用计算公式：
Tf＝1555.470+0.697TB-5.234HB+3385.625VO2-1818.404VCoal(式2)
其中，TB为风温，单位为℃；
HB为鼓风湿度，单位为g/m3；
VO2为富氧率，单位为m3/m3；
VCoal为喷煤比，单位为kg/m3。
在一些实施方式中，根据步骤S2的方法，代入单个钒钛磁铁矿高炉的历史冶炼数据获得适用于该高炉的半经验的计算公式，例如：
Tf＝1530.252+0.715TB-4.835HB+3370.109VO2-1829.913VCoal R2＝0.998
其中R2表示回归拟合度。
在步骤S3中，所述冶炼策略是指对理论燃烧温度的调剂策略，主要通过调剂风温、富氧量、喷煤量和鼓风湿度，对理论燃烧温度进行控制，使理论燃烧温度控制在预定范围内。
在实际生产环境中，攀西地区钒钛磁铁矿高炉冶炼，风温每增加10℃，理论燃烧温度增加约6.94℃；富氧每增加1％，理论燃烧温度增加约45.6℃；鼓风湿度每增加1g/m3，理论燃烧温度降低约4.95℃；喷煤比每增加10kg/t，理论燃烧温度降低14.2℃；小时喷煤量增加1t/h，理论燃烧温度降低10.2℃；进入风口燃烧带的SiO2气化还原率每增加1％，理论燃烧温度降低1℃；煤粉燃烧率每增加1％，理论燃烧温度升高0.55℃；喷吹煤灰分每增加1％，理论燃烧温度降低1.42℃；焦炭灰分每增加1％，理论燃烧温度降低2.4℃；煤粉预热温度每增加10℃，理论燃烧温度增加0.45℃。
风口燃烧带的SiO2气化还原量受煤粉和焦炭的代入灰分总量影响，同时还受到理论燃烧温度高低的影响，灰分和理论燃烧温度过高SiO2气化还原量越多，故而要稳定高炉生产过程中原燃料的质量，喷吹煤粉和焦炭灰分的变化幅度较小，此外，为保证生产安全，煤粉预热温度增长幅度低50℃，对理论燃烧温度的影响也很有限。
因此，喷吹煤粉灰分、SiO2气化还原量、煤粉预热不会成为调剂理论燃烧温度的手段。调剂理论燃烧温度的手段主要是风温、富氧率、喷煤量、鼓风湿度，调节的目的主要是将不同调剂手段搭配条件下的理论燃烧温度稳定控制在预定范围2160～2320℃内。进一步，在鼓风湿度经过脱湿处理再加湿使鼓风湿度稳定后，理论燃烧温度的控制范围可在2180～2290℃，在炉况失常条件下，钒钛磁铁矿高炉冶炼理论燃烧温度控制范围在1980～2190℃范围内，不同温度下理论燃烧温度的控制值按图1来控制。
在高炉冶炼过程中，追求高炉稳定，为了缓解高炉风量和风压的紧张关系会经常加减风。
在本发明的实施例中，当炉况稳定时，可以通过同时增加单位时间的喷煤量和富氧量，从而使冶炼强度增加，相应地，可以通过同时降低单位时间的喷煤量和富氧量，从而使冶炼强度降低。
在本发明的实施例中，通过调整单位时间的喷煤量使理论燃烧温度保持在预定范围内；以每小时喷煤量增加1t/h，理论燃烧温度的理论值降低10.2℃为基准进行调整。
若喷煤量调整后仍不能使理论燃烧温度保持在预定范围内，则通过调整富氧量使理论燃烧温度保持在预定范围内，以富氧量每增加1％，理论燃烧温度的理论值增加45.6℃为基准进行调整。
进一步，若调整富氧量仍不能使理论燃烧温度保持在预定范围内，且维持预定时间后，则停止喷煤和富氧输送后，通过调整风温使理论燃烧温度保持在预定范围内。
风温是高炉最经济的热量来源，在高炉能够承受，热风炉及送风系统能够提供的前提下，且在高炉炉况正常的情况下，由于风温与理论燃烧温度为正相关关系，风温每变化10℃，则理论燃烧温度变化6.94℃，风温的调节范围在通常在80℃范围内，一般情况下在1180℃～1260℃，对理论燃烧温度的影响在50℃左右，如图1所示。
在炉况明显恶化炉况失常并停止喷煤和停止富氧后，由于煤气利用率变差，高炉炉顶气密箱等设备能承受的温度不高于400℃，这时需要将风温降低至650—1100℃，保证炉顶煤气温度不超过上限值。
在炉况状态不好的情况下，单位时间的喷煤量很低，富氧量也很低，风温较高时，炉内压力较大时，可通过增加鼓风湿度降低理论燃烧温度值。
在本发明的实施例中，对于鼓风湿度的处理，还需考虑外界大气的空气湿度，再对鼓风加湿设备做调整，对外界大气空气湿度变化不稳定时，可先对大气作干燥处理后再进行加湿处理，可使理论燃烧温度的变化更加稳定。
在本发明的冶炼策略中，单位时间的喷煤量实际指的是单位时间每立方米风量的喷煤量。操作人员调整设备上的该数值，设备内的计算单元会将该数值自动换算为VCoal，进行计算。相应地，操作人员输入富氧量的值，设备内的计算单元会将富氧量值自动换算为富氧率。
在本发明的实施例中，上述方法的各个计算、采样和控制环节都已嵌入高炉操作系统，对理论燃烧温度的进行实时显示和计算，指导操作人员实施具体的调控手段。理论燃烧温度的理论值不同于可以在设备仪表盘看到的实时理论燃烧温度的数值，其仅是用来知道操作人员对各项指标的调整程度。
实施例1
A高炉于2019年初在开炉过程中出现炉况失常，采取了停煤、停氧的措施，即喷煤＝0kg/t；富氧＝0m3/h；风温维持在780℃左右。由于焦炭负荷轻，焦比达到1643kg/t、中心和边缘煤气流开放，炉顶温度高达320℃，操作人员在没有应用本发明之前，采取了加湿鼓风，鼓风湿度达到32g/m3，导致理论燃烧温度仅有1931℃，频繁出现炉缸温度波动剧烈，反复出现炉热、炉凉等问题。后在本发明的指导下，取消加湿鼓风，让鼓风湿度回到该月份值13g/m3，并将风温提升至920℃，适当调整料制，并采用炉顶打水冷却的方式保护上料密封阀，让理论燃烧温度恢复至2130℃左右，高炉炉缸工作状态逐步稳定，炉况得以逐步恢复。
实施例2
B高炉于2020年开始，在入炉品位从51.5％降低至51.1％、风量维持在3200m3/min不变的情况下，富氧率逐步从2.0％提高至4.0％，喷煤却一直维持在140kg/t，风温从1200℃提高至1220℃，理论燃烧温度从2240℃提高至2345℃左右，上升了近100℃，炉缸内气化反应增加，高炉风量和风压关系趋于紧张，炉内煤气流稳定控制难度增大。经技术人员在本发明指导下，建议将喷煤提升至150kg/t，小时喷煤量从之前的22t/h提高至25t/h；适当增加鼓风湿度，将鼓风湿度由当前旱季的7g/m3增加至雨季的16g/m3，使得理论燃烧温度降低至2265℃，高炉风量和风压关系得到缓解。进入雨季后，大气湿度明显增加，受喷吹煤灰分增高的不利影响，适当将喷煤降低至130kg/t左右，小时喷煤量降低至20t/h，但大气湿度已增加至19.5g/m3，不再加湿鼓风，理论燃烧温度稳定在了2290℃左右，高炉仍然保持了稳定顺行。
本发明提出的基于理论燃烧温度控制的钒钛磁铁矿高炉冶炼方法，为冶炼高钛型钒钛磁铁矿的高炉生产人员提供了一更为合适的理论燃烧温度计算方法，理论燃烧温度控制方案，使钒钛磁铁矿高炉生产人员能够更及时、更准确的反馈高炉下部调剂效果和高炉炉缸的热状态，保证高炉稳定顺行。具有经济、高效的有益效果。
以上是本发明公开的示例性实施例，上述本发明实施例公开的顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。但是应当注意，以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于理论燃烧温度控制的钒钛磁铁矿高炉冶炼方法，其特征在于，包括以下步骤：
将风口前回旋区视为绝热环境，总结影响理论燃烧温度计算公式的因素，并基于所述影响理论燃烧温度计算公式的因素得出理论燃烧温度计算公式；
将钒钛磁铁矿高炉的历史冶炼数据代入所述理论燃烧温度计算公式计算，得到基于风温、富氧率、喷煤比、鼓风湿度的理论半经验的通用计算公式；
根据通用计算公式制定冶炼策略；
其中，所述基于所述影响理论燃烧温度计算公式的因素得出的理论燃烧温度计算公式为：
Figure FDA0003703439610000011
其中，Tf—为理论燃烧温度，℃；
Q焦—为焦炭带入风口区域物理热，kj；
Q煤—为喷吹煤粉带入物理热，kj
QR焦—为焦炭中C进行不完全燃烧生产CO放热，kj；
QR煤—为喷吹煤粉中C进行不完全燃烧生产CO放热，kj；
Q风—为热风带入风口区域物理热，kj；
Q载气—为煤粉载气带入风口区域物理热，kj；
Q水—为大气鼓风湿度水分解所需热，kj；
Q分—为煤粉分解热，kj；
Q灰—灰分带走物理热及灰分熔化耗热，kj；
QSiO—为灰分中SiO2气化热，kj；
QS—未燃煤粉带走物理热，kj；
C(CO+N2)—为CO和N2的平均热容，CH2为H2热容，kj/(m3·℃)；
C灰、Cs—为灰分、未燃煤粉的热容，kj/(kg·℃)；
VCO、VN2、VH2—为炉腹煤气中CO、N2、H2量，m3；
W灰、WS—为吨铁产生灰量和未燃煤粉量，kg/t；
所述通用计算公式为：
Tf＝1555.470+0.697TB-5.234HB+3385.625VO2-1818.404VCoal
其中，
TB为风温，单位为℃；
HB为鼓风湿度，单位为g/m3；
VO2为富氧率，单位为m3/m3；
VCoal为喷煤比，单位为kg/m3；
所述冶炼策略包括：
通过调整单位时间的喷煤量使理论燃烧温度保持在预定范围内；
若喷煤量调整后仍不能使理论燃烧温度保持在预定范围内，则通过调整富氧量使理论燃烧温度保持在预定范围内；
若调整富氧量仍不能使理论燃烧温度保持在预定范围内，且维持预定时间后，则停止喷煤和富氧输送后，通过调整风温使理论燃烧温度保持在预定范围内；
通过调整单位时间的喷煤量使理论燃烧温度保持在预定范围内包括：以每小时喷煤量增加1t/h，理论燃烧温度的理论值降低10.2℃为基准进行调整；和/或，
通过调整富氧量使理论燃烧温度保持在预定范围内包括：以富氧量每增加1％，理论燃烧温度的理论值增加45.6℃为基准进行调整；
通过调整风温使理论燃烧温度保持在预定范围内包括：风温每增加10℃，理论燃烧温度的理论值增加6.94℃。
2.根据权利要求1所述的冶炼方法，其特征在于：
所述煤粉分解热Q分通过将钒钛磁铁矿高炉使用的喷吹煤发热值、元素成分值代入盖斯定律公式计算得到。
3.根据权利要求1所述冶炼方法，其特征在于：所述理论燃烧温度的预定范围为2160-2320℃。
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