CN113570108A - 大型高炉炉料直接还原率及其确定入炉焦比的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及大型高炉炉料直接还原率及其确定入炉焦比的计算方法，通过分析不同有效炉容大型高炉，在不同运行参数条件下，从而得出炉内炉料直接还原率，分析出高炉适宜的入炉焦比控制水平，从而实现高炉低耗高效化冶炼。

Description

大型高炉炉料直接还原率及其确定入炉焦比的计算方法
技术领域
本发明涉及钢铁工业中炼铁技术领域，特别涉及大型高炉炉料直接还原率及其确定入炉焦比的计算方法。
背景技术
作为当今世界生铁制造的主流工艺，高炉对于炼铁生产的重要性是不言而喻的，即表现为炼钢制造所用的铁水原料中，90％以上是来源于高炉工艺所生产。而高炉工艺对比其它炼铁工艺的优势，可以说是主要体现在如下几个方面：一是原燃料用料广泛，并且适应性强，甚至在某些外界制约条件下，可以使用较为劣质的原燃料，进行高炉日常生产；二是加工制造成本低，经过权威统计表明，高炉制造铁水工艺的成本，是先进所有存在炼铁工艺中成本最低的，使得企业能够在市场中获得较好得竞争性；三是热利用效率最高，作为世界上最大的单体容器，并且具有最高得热利用效率，使得其能够以最少得能源消耗数量，实现生铁加工制造，对于社会资源和环境保护具有重要意义；四是装备简单、一次性投资成本较低，且易于维护，工艺运行作业率与稳定率高；五是自控水平、监控手段丰富，使得炼铁操作者操作简便，同时劳动效率高，单人吨铁生产能力远远高炉其它工艺，而以上诸多优点所在，使得高炉在目前炼铁生产众多工艺中，地位仍是不可动摇的。而对于今天不同冶金企业的高炉炼铁生产来讲，冶炼工作者最为关注的核心问题之一，还是燃料消耗数量的多少，因为其与企业的运营成本息息相关。虽然高炉大型化、自控化的水平不断攀升，燃料消耗数量不断下降，但对于适合燃料消耗数量的确定，仍还是以经验为主，即表现在生产中，就是人为的来设定入炉焦炭和喷吹煤粉数量，从而组织日常生产。而在高炉所用燃料结构中，焦炭是占据着主体地位，其消耗数量的多少，直接决定燃料消耗数量与炼铁加工制造成本。而对于高炉冶炼过程来讲，入炉焦炭在炉内的消耗过程主要由以下两个过程所决定：首先，就是入炉焦炭中的碳与炉料中的氧所进行的直接还原反应，而在这一过程中，会消耗掉一定数量的焦炭；再有就是焦炭与下部热风混合后所产生的还原性气体，而这些还原性气体再与炉料所发生的间接还原反应，再消耗掉一定数量的焦炭，从而才能够完成高炉炉内的冶炼过程。但在这里需要说明的是，由于炉内冶炼进程中，所产生的还原性气体，具有较好的流动性，其反应进程也是优先于直接还原反应，因此说来，炼铁生产者是希望炉内间接还原比例多一些，直接还原能够少一些。为此，也就需要了解不同有效炉容下，不同原燃料和运行条件下的炉内间接还原比例与直接还原比例情况，并以此作为依据，分析出不同有效炉容高炉运行过程中的改进之处，如喷吹煤量控制水平，入炉焦炭消耗数量等等，从从而能够更加优化高炉生产，降低生铁冶炼成本。
而在日常生产过程中，炉料还原效率的好坏，还原进程的速率，对于高炉获得良好生产指标是具有重要意义的。因此无论是钢铁企业，还是外部院校研究机构，都对此十分重视，也纷纷采取措施，并从企业的实际出发，来改善高炉运行状态，如通过改进原燃料质量、炉体装备水平、改善外部辅助运行条件等不同举措，来改善高炉冶炼进程，提升高炉自身冶炼效率，从而实现低耗、高效化生产。在这里需要说明的是，随着装备技术、自控技术、监控技术等进步，今天高炉的冶炼特点，较过去有了较大的区别，显著不同之一的就是喷吹煤量大幅度提升、入炉焦炭数量有较大程度减少，这也是高炉经济性的优势所在，与此同时，随着喷吹煤粉数量的增加、入炉焦炭数量的减少，也带来了炉内的冶炼进程较过去有较大变化，如炉料的直接还原比例和间接还原比例情况发生很大变化。现实来看，作为大型黑箱操作体容器的高炉，在炉内冶炼进程中，气、固、液三相共存，物理和化学反应过程及其复杂，因此，在这种复杂条件下，如何确定出不同运行条件下的炉内间接还原与直接还原比例，是困恼冶金工作者的一个难题之一。鉴于了解炉内还原反应进程的重要性，还是需要对此进行必要分析，以此作为指导高炉操作的依据。大部分企业，针对此类问题的判断，还是离不开如下几种方法措施，一是传统经验法，就是依据燃料消耗数量及结构种类，并结合高炉实际运行状态，人为的进行间接还原与直接还原比例判定；再有还有就是采用实验室和中试设备进行试验分析，依托实验室下可视化结果和所收集到的数据等等，来分析不同炉料在炉内的反应进程，以此来分析间接还原比例和直接还原比例。还有就是采用数值模拟技术，通过输入部分参数，并结合计算机仿真模拟，进行此类问题的解决，这目前也是比较新颖和前沿的技术方向之一。但这里还是需要指出的是，无论是采取何种判断方法作为炉内反应进行的依据，现实来看，都还是有其不完善之处的，如准确性、及时性以及实用差等缺点，因此，还是需要在炉内复杂的反应进程下，寻找出一种可靠且可实施的方法，分析出间接还原与直接还原所占比例，来真实掌握炉内炉料运行状态，从而找出高炉炉况需要改进之处，借此来实现入炉焦比数量的确定，从而实现低耗、高效化的生产。
而对于现炼炼铁工艺来说，实现炉内炉料较好的还原效果，是高炉冶炼工作者的第一任务，为此，就需要获得炉内适合的间接还原比例和直接还原比例，从而实现低燃料消耗下的高效冶炼。为此，就需要找出一种方法，来分析出炉内炉料间接和直接还原所占份额，而面对这个问题，不少国内外冶金企业和相关院校研究机构，也纷纷开展此方面工作，力图从不同角度来做到改善高炉运行状态，如通过采取外部措施，来改善炉内间接还原，降低直接还原效果的技术(见中国环利“强化高炉间接还原的方法及其专用气的制造方法”专利申请号：CN101818218A，“一种强化高炉间接还原的方法及其专用气的制造方法”专利申请号：CN101812555A，“处理金属矿石的方法和金属生产用的高炉”专利申请号：CN105793442B，“一种高炉配加高反应性焦炭后能量利用”专利申请号：CN102952910B等等)，此类技术，通过采取不同的炉外或者炉内增加还原气体等措施，从而实现炉料间接还原比例的增加，来提高高炉的间接还原段的还原度，降低直接还原度，改善炉内运行环境，以最终实现低耗高产的效果。通过实施这些技术手段及措施，无论是从理论上，还是实际应用中，是可以实现炉内还原比例增加的，降低直接还原度，对于高炉生产是有一定益处的，但在这里需要指出的是，此类发明创造，仅仅给出增加还原比例的方法，但对于如何确定炉内间接还原和直接还原的份额，并未有所提及。还有就是一些计算性方法之类的新颖技术(见中国专利“高反应性焦炭下高炉直接还原度及煤气利用率的计算方法”专利申请号：CN102876823A，“一种高炉CO利用率影响因素分析方法及系统”专利申请号：CN108009343A，“一种高炉冶炼水平分析系统”专利申请号：CN104313213B，“一种预测高炉煤气利用率的方法”专利申请号：CN102703627B等等)，此类计算方法，是针对冶炼工艺遇到的不同问题，通过各种监测到的数据，采取的计算性解决方案，这类计算对于找寻冶炼过程中存在的问题，是具有重要意义，但这里也需要明确的是，指导本发明创造之前，还是未能够查询到与直接还原有关的计算性方法。再有就是就是一些通过其它改善炉内运行状态的冶金技术(见中国专利“大型高炉分粒级矿焦混合装料方法”专利申请号：CN105803142B，“使还原过程的设计和操作最佳化的方法”专利申请号：CN1318610C，“一种高炉喷吹工艺”专利申请号：CN102643937A，“一种高炉全球团冶炼工艺”专利申请号：CN106119449B，“一种高炉冶炼炉料及高炉冶炼方法”专利申请号：CN107586903A，“一种合理使用多粒级烧结矿的高炉布料调节方法”专利申请号：CN110331244等等)，此类发明创造的实施，通过采取优化工艺，改进原燃料结构，同时辅助以改进上下部调剂手段、优化炉顶布料等手段措施，实现高炉过程的冶炼效果改善，从而达到降低能耗，实现较好炉况运行的效果，且目前也广泛应用于不同企业的不同高炉，但这里还是要指出的是，此类措施虽有较好效果，但是其内容和方法上与炉内直接还原度的分析，并无关系。此外就是一些国内外可查阅到的文献资料(见期刊《武钢技术》“武钢高炉直接还原度及碳熔损率的计算与分析”2015年，53卷，4期，5-8；《南方金属》“邯钢5号高炉直接还原度分析与计算”2014年，6期，59-61；《钢铁钒钛》“低品位矿高炉碳消耗与铁直接还原度关系探究”2018年，39卷，1期，92-95；《钢铁研究》“低品位复杂矿高炉直接还原度影响因素研究”2014年，46卷，6期10-12等)，此类文献资料针对炉内的不同的炉料反应过程等进行了详尽的论述，并对不同反应规律进行总结分析，并且有所提及炉内直接还原度的计算与分析，但此类文献中，所提及到的炉内直接还原度计算过程过于冗余复杂，准确性有待商榷，同时其也未能够给出入炉焦炭的控制水平建议。从以上可查询到的技术资料上来看，对于炉内炉料直接还原率和适合适的入炉焦比数量的判断，对于冶炼工作者来讲，仍然还是一个悬而未决的问题。
而本发明创造，是在实验室理论研究和工业长期生产实践基础上，是依据大型高炉冶炼过程中与炉料直接还原相关运行参数，来分析出炉内炉料直接还原率的计算方法，而在采用此技术后，通过分析不同有效炉容大型高炉，在不同运行参数条件下，从而得出炉内炉料直接还原率，可实现分析出不同有效炉容高炉运行过程中的改进之处，如入炉焦炭数量控制水平等，从而实现高炉低耗高效化冶炼。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种()，实现高炉低耗、高效化冶炼。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
大型高炉炉料直接还原率的计算方法，按公式(1)计算炉内炉料直接还原率：
Figure BDA0003131754450000041
公式中符号：
DRR为炉内炉料直接还原率，％；
RCOKE为高炉入炉焦比，kg/t；
KC为入炉焦炭固定碳含量，％；
KV为入炉焦炭挥发分含量，％；
TFe为入炉原料铁元素质量百分含量，％；
PCI为高炉喷吹煤比，kg/t；
CC为喷吹混合煤粉固定碳含量，％；
CV为喷吹混合煤粉挥发分含量，％；
Figure BDA0003131754450000051
为鼓入热风含水率，％；
Figure BDA0003131754450000052
为鼓入热风富氧率，％；
h1为系数，取值为0.15；h2为系数，取值为0.31；h3为系数，取值为0.42；h4为系数，取值为4.75；h5为系数，取值为0.37；
η1为量纲修正系数，取值为1.25，t/kg；η2为量纲修正系数，取值为0.92，t/kg；
大型高炉的有效炉容适用范围为2000m3～6000m3；
高炉入炉焦比范围为200kg/t～500kg/t；
固定碳含量的范围为75％～95％；
挥发分含量的范围为0.8％～6％；
入炉原料中铁元素质量百分含量范围为45％～65％；
高炉喷吹煤比范围为80kg/t～250kg/t，入炉焦炭中固定碳含量为50％～80％，入炉焦炭中挥发分含量范围为6％～40％；
鼓入热风中的含水率范围为0.1％～2％；
鼓入热风中的富氧率范围为0％～10％。
大型高炉炉料直接还原率确定入炉焦比的计算方法，按公式(2)确定高炉入炉焦比的修正量，对高炉生产过程中入炉焦炭数量进行修订；
Figure BDA0003131754450000053
公式中符号：
Figure BDA0003131754450000054
为高炉入炉焦比的修正量，kg/t；
k1为量纲修正系数，取值为148.45，kg/t；
λ1为系数，取值为5.77。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
本申请通过分析不同有效炉容大型高炉，在不同运行参数条件下，从而得出炉内炉料直接还原率，分析出高炉适宜的入炉焦比控制水平，从而实现高炉低耗高效化冶炼。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明：
以下实施例对本发明进行详细描述。这些实施例仅是对本发明的最佳实施方案进行描述，并不对本发明的范围进行限制。
实施例1(某钢铁厂有效炉容2580m3高炉应用为例说明)
2580m3高炉相关运行参数详见表1。
表1：2580m3高炉运行相关参数
Figure BDA0003131754450000061
还原率计算结果
依据有效炉容2580m3高炉冶炼过程中与炉料直接还原相关运行参数，通过数学关系式(1)，来实现高炉冶炼过程中直接还原情况的分析，分析结果见表2。
表2：2580m3高炉炉内炉料直接还原率
项目 数值
炉内炉料直接还原率DRR，％ 51.72
修正入炉焦比
在分析出的炉内炉料直接还原率基础上，采用如上数学关系式(2)，来实现高炉适合入炉焦比，的修正，入炉焦比的修正量见表3。
表3：2580m3高炉入炉焦比的修正量
项目 数值
高炉入炉焦比的修正量，kg/t 348.29
高炉取得效果
2580m3高炉采用此技术后的应用效果见表4。
表4：2580m3高炉应用效果
项目 入炉焦比，kg/t 日产量，吨 吨铁成本，元/吨
实施前 370 5800 2200
实施后 348.29 5950 2170
效果 -21.71 +150 -30
通过分析出炉内炉料的直接还原率基础上，实现了适宜入炉焦炭数量的确定，此技术在2580m3高炉实施后，达到了降低入炉焦比21.71kg/t，日产量增加150吨，节约吨铁炼铁生产成本30元的良好运行效果，实现高炉低耗高效生产的目的。
实施例2(某钢铁厂有效炉容3200m3高炉应用为例说明)
高炉相关运行参数
炉容3200m3高炉相关运行参数详见表5。
表5炉容3200m3高炉运行相关参数
Figure BDA0003131754450000071
还原率计算结果
依据有效炉容3200m3高炉冶炼过程中与炉料直接还原相关运行参数，采用入炉焦炭、入炉原料、喷吹煤粉、鼓入热风、富氧率等具体运行参数，通过数学关系式(1)，来实现高炉冶炼过程中直接还原情况的分析，分析结果见表6。
表6有效炉容3200m3高炉炉内炉料直接还原率
项目 数值
炉内炉料直接还原率(注：DRR)，％ 44.36
适宜入炉焦比数量
在应用如上技术方案计算后，在分析出的炉内炉料直接还原率基础上，采用如上数学关系式(2)，来实现高炉适合入炉焦比的分析，来进行入炉焦炭数量的确定，入炉焦比的修正量见表7。
表7有效炉容3200m3高炉入炉焦比的修正量
项目 数值
入炉焦比的修正量，kg/t 308.99
2.4高炉取得效果
有效炉容3200m3高炉采用此技术后的应用效果见表8。
表8炉容3200m3高炉应用效果
项目 入炉焦比，kg/t 日产量，吨 吨铁成本，元/吨
实施前 320 7700 2100
实施后 308.99 7800 2080
效果 -11.01 +200 -30
通过分析出炉内炉料的直接还原率基础上，实现了入炉焦炭数量的确定，此技术在3200m3高炉实施后，达到了降低入炉焦比比-11.01g/t，日产量增加100吨，节约吨铁炼铁生产成本20元的良好运行效果，实现高炉低耗高效生产的目的。
实施例3(某钢铁厂有效炉容4038m3高炉应用为例说明)
炉容4038m3高炉相关运行参数详见表9。
表9炉容4038m3高炉运行相关参数
Figure BDA0003131754450000081
高炉炉内炉料直接还原率计算结果
依据有效炉容4038m3高炉冶炼过程中与炉料直接还原相关运行参数，采用入炉焦炭、入炉原料、喷吹煤粉、鼓入热风、富氧率等具体运行参数，通过数学关系式(1)，来实现高炉冶炼过程中直接还原情况的分析，分析结果见表10。
表10有效炉容4038m3高炉炉内炉料直接还原率
项目 数值
炉内炉料间接还原率DRR，％ 41.71
入炉焦比的修正量
在应用如上技术方案计算后，在分析出的炉内炉料直接还原率基础上，采用如上数学关系式(2)，来实现高炉适合入炉焦比的分析，来进行入炉焦炭数量的确定，入炉焦炭数量见表11。
表11有效炉容4038m3高炉入炉焦比的修正量
项目 数值
入炉焦比的修正量，kg/t 294.50
高炉取得效果
4038m3高炉采用此技术后的应用效果见表12。
表12有效炉容4038m3高炉应用效果
项目 入炉焦比，kg/t 日产量，吨 吨铁成本，元/吨
实施前 280 9400 2050
实施后 294.50 9500 2030
效果 +14.50 +100 -50
通过分析出炉内炉料的直接还原率基础上，实现了适宜入炉焦炭数量的确定，此技术在4038m3高炉实施后，采取适度提升入炉焦比14.50kg/t，稳定炉况，可实现日产量增加100吨，节约吨铁炼铁生产成本20元的良好运行效果，实现高炉低耗高效生产的目的。
实施例4(某钢铁厂有效炉容4747m3高炉应用为例说明)
效炉容4747m3高炉相关运行参数详见表13。
表13效炉容4747m3高炉运行相关参数
Figure BDA0003131754450000091
高炉炉内炉料直接还原率计算结果
依据有效炉容4747m3高炉冶炼过程中与炉料直接还原相关运行参数，采用入炉焦炭、入炉原料、喷吹煤粉、鼓入热风、富氧率等具体运行参数，通过数学关系式(1)，来实现高炉冶炼过程直接还原情况的分析，分析结果见表14。
表14有效炉容4747m3高炉炉内炉料直接还原率
项目 数值
炉内炉料直接还原率(注：DRR)，％ 44.41
入炉焦比的修正量
在应用如上技术方案计算后，在分析出的炉内炉料直接还原率基础上，采用如上数学关系式(2)，来实现高炉适合入炉焦比的分析，来进行入炉焦炭数量的确定，入炉焦炭数量见表15。
表15有效炉容4747m3高炉入炉焦比的修正量
项目 数值
入炉焦比的修正量，kg/t 309.24
高炉取得效果
4747m3高炉采用此技术后的应用效果见表16。
表16高炉应用效果
项目 入炉焦比，kg/t 日产量，吨 吨铁成本，元/吨
实施前 330 10300 2000
实施后 309.24 10450 1970
效果 -20.76 +150 -30
通过分析出炉内炉料的直接还原率基础上，实现了适宜入炉焦炭的确定，此技术在4747m3高炉实施后，达到了降低入炉焦比比20.76kg/t，日产量增加150吨，节约吨铁炼铁生产成本30元的良好运行效果，实现高炉低耗高效生产的目的。
实施例5(某钢铁厂有效炉容5500m3高炉应用为例说明)
有效炉容5500m3高炉相关运行参数详见表17。
表17有效炉容5500m3高炉运行相关参数
Figure BDA0003131754450000101
有效炉容5500m3高炉炉内炉料直接还原率计算结果
依据有效炉容5500m3高炉冶炼过程中与炉料直接还原相关运行参数，采用入炉焦炭、入炉原料、喷吹煤粉、鼓入热风、富氧率等具体运行参数，通过数学关系式(1)，来实现高炉冶炼过程中直接还原情况的分析，分析结果见表18。
表18有效炉容5500m3高炉炉内炉料直接还原率
项目 数值
炉内炉料直接还原率(注：DRR)，％ 44.81
有效炉容5500m3高炉入炉焦比的修正量
在应用如上技术方案计算后，在分析出的炉内炉料直接还原率基础上，采用如上数学关系式(2)，来实现高炉适合入炉焦比的分析，来进行入炉焦炭数量的确定，入炉焦炭数量见表表19。
表19有效炉容5500m3高炉入炉焦比的修正量
项目 数值
入炉焦比的修正量，kg/t 311.42
高炉取得效果
5500m3高炉采用此技术后的应用效果见表20。
表20高炉应用效果
项目 入炉焦比，kg/t 日产量，吨 吨铁成本，元/吨
实施前 310 12000 1950
实施后 311.42 12100 1940
效果 -1.42 +100 -10
通过分析出炉内炉料的直接还原率基础上，实现了适宜入炉焦比数量的确定，此技术在5500m3高炉实施后，采取适度提升入炉焦比1.42kg/t，稳定炉况，日产量增加100吨，节约吨铁炼铁生产成本10元的良好运行效果，实现高炉低耗高效生产的目的。

Claims (2)

1.大型高炉炉料直接还原率的计算方法，其特征在于，按公式(1)计算炉内炉料直接还原率：
Figure FDA0003131754440000011
公式中符号：
DRR为炉内炉料直接还原率，％；
RCOKE为高炉入炉焦比，kg/t；
KC为入炉焦炭固定碳含量，％；
KV为入炉焦炭挥发分含量，％；
TFe为入炉原料铁元素质量百分含量，％；
PCI为高炉喷吹煤比，kg/t；
CC为喷吹混合煤粉固定碳含量，％；
CV为喷吹混合煤粉挥发分含量，％；
Figure FDA0003131754440000012
为鼓入热风含水率，％；
Figure FDA0003131754440000013
为鼓入热风富氧率，％；
h1为系数，取值为0.15；h2为系数，取值为0.31；h3为系数，取值为0.42；h4为系数，取值为4.75；h5为系数，取值为0.37；
η1为量纲修正系数，取值为1.25，t/kg；η2为量纲修正系数，取值为0.92，t/kg；
大型高炉的有效炉容适用范围为2000m3～6000m3；
高炉入炉焦比范围为200kg/t～500kg/t；
固定碳含量的范围为75％～95％；
挥发分含量的范围为0.8％～6％；
入炉原料中铁元素质量百分含量范围为45％～65％；
高炉喷吹煤比范围为80kg/t～250kg/t，入炉焦炭中固定碳含量为50％～80％，入炉焦炭中挥发分含量范围为6％～40％；
鼓入热风中的含水率范围为0.1％～2％；
鼓入热风中的富氧率范围为0％～10％。
2.大型高炉炉料直接还原率确定入炉焦比的计算方法，其特征在于，按公式(2)确定高炉入炉焦比的修正量，对高炉生产过程中入炉焦炭数量进行修订；
Figure FDA0003131754440000021
公式中符号：
Figure FDA0003131754440000022
为高炉入炉焦比的修正量，kg/t；
k1为量纲修正系数，取值为148.45，kg/t；
λ1为系数，取值为5.77。
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