一种新的高炉设计系统XIANG Zhong-yong, CHEN Ying-ming, ZOU Zhong-ping(CISDI Engineering Co Ltd,Chongqing,China)摘要：随着富氧和喷煤技术的发展，它不会呈现出一种一成不变的方法来设计高炉基础冶炼强度和燃烧强度，为此随着时间的发展，中国高炉的设计需要更加的系统化。

高炉的生产应该满足我们的生产要求。

在目前的论文中，使用近代气体动力学的成果，科学的分析了衡量高炉强化冶炼过程的因素——炉腹煤气量指数，用以指导高炉设计，形成新的高炉设计体系。

关键字：高炉；设计体系；炉腹煤气量指数；设计过程1 前言高炉富氧技术和喷煤技术的发展，需要炉腹煤气量指数在原有基础上进行一些新的改变。

过去的高炉设计是从燃料或焦炭量开始的，而这些对于需要降低能量消耗和降低二氧化碳排放量的系统来说是不完美的。

2 过去的高炉设计系统过去的高炉设计系统主要集中在高炉冶炼强度上，或者是我们一直沿用的前苏联设计和定义的高炉生产和设备系统。

冶炼强度和燃烧强度都是由每天单位有效高炉容积消耗的焦炭量所决定。

然后，高炉的设计用燃料来定义焦比，以确定高炉燃烧强度或冶炼强度，并获得生产率和产出。

由燃煤燃油定义的风量会决定风机的容量。

而从燃烧强度或冶炼强度来说，炉缸直径可以被锻造，从而炉型也是固定的。

鼓风量将有助于决定鼓风机和气体系统的设计，甚至是炉子的参数容量。

高炉的强化主要是通过压降和气体的上升，而从来都不是通过提高燃煤燃油的数量来决定的，这一点远比生产者想象的更为复杂。

但是，把增加燃料的燃烧量来提高高炉产量导致了燃料和能源的大量消费。

下面将讨论一些高炉设计的基础概念和方法论以及炉腹煤气体积等。

自从引进来自前苏联的高炉冶炼强度的概念，就一直在论证着和炼铁职业有关的合适的冶炼强度。

从而对立着这样两种观点，一种是提倡高的冶炼强度，而另一种是提倡中等冶炼强度。

半个世纪过去了仍然没有明确的结论，即使一些观点在某些方面下达成共识，而冶炼强度和冶炼条件的选择始终是摆在大家面前的问题。

经过讨论和意见交换，在这方面终于达成共识，并最终得出了冶炼强度对高炉产量产生影响的现实意义。

近年来，高炉作业只能围绕在所谓的冶炼强度方面。

然而，由于没有其他的更好的方法，冶炼强度仍然在不合理的高炉设计中起到副作用，甚至直接与鼓风量挂钩，其结果必须是导致高炉产量十分低下。

资源，能源和投资都处在一个居高不下的水平。

3 中国新的高炉设计系统中国的发展必须考虑到前苏联可用资源和能量的利用情况，从而踏上资源和节约资源的新的道路。

我们必须把高炉设计的基础放在正确的层次上，要在高炉设计和经营理念方面有充分的监管，而根据中国国家惯例的框架，我们对资源和能源的利用需采取科学和谨慎的态度，而这就是新的高炉设计系统的开端的重要基础，实际上就是承诺在炼铁过程中保护能源、减少污染排放和可持续发展。

一般来说，新的高炉设计系统以炉气动力学为理论基础。

炉生产条件和渗透阻力系数的实践为基础，渗透率作为参考来定义炉的设备能力。

3.1 理论基础早在1950年代，关于容积电荷的气体动力学额尔古纳方程就被应用于分析鼓风炉，并且在这方面一直有巨大的推动作用。

它涉及到的知识有压降、气体的上升、渣铁在高炉内的下降等因素。

存在于高炉上部的气体阻力可通过Ergun方程计算，在高炉的中部和下部存在着固-液-气-粉这四个阶段。

化学和物理反应发生的复杂和不确定性主要集中在高温领域即软熔带、滴落带。

然而，在软熔带的气体阻力方程、限制炉集约化的因素上已经有了富有成效的研究，如液化条件、保留在填充床的流体，以及软熔带和焦炭床的分布等其他方面。

总之，所有这些研究服务的目的在于提高炉的气体通量，简而言之，提高炉的透气性和控制炉气流量。

在这其中，炉气体流量与炉腹煤气指数直接相关。

考虑到炉腹煤气生成体积比鼓风量和燃料体现的更为全面。

这是因为炉腹煤气指数体积包含富氧、水分、喷煤和其他因素的影响。

在炉腹煤气指数的限制条件下，以提高高炉产量为目标，降低燃料比的同时提高顶部压力和富氧条件，这样做可以使炉腹煤气体积和单位鼓风量降低下来。

3.2 新的设计系统和高炉生产3.2.1高炉透气性阻力系数在实际炉操作中，渗透阻力系数K通常用来测量气体通量和限制因素。

K是由卡门方程简化如下：7.122B -BG TV PPK （1）其中，V BG-炉腹煤气指数，P B-风口前爆破压力；P T-顶部压力。

K对炉的平稳运行，高收益和稳定操作等非常重要。

当K保持在正常的范围内，它代表了炉的顺利运行；当K超出正常范围，它表明了渗透率十分糟糕；如果K不断地上升，就有挂炉的风险或其他故障；当K低于正常范围，它可能会发生溢炉。

从上面看，K指标可以作为炉正常运行的条件。

也就是说，K和炉腹煤气指数V BG关系着炉的操作和设计。

K可以使炉的体积变小。

根据2004年到2006年上半年从宝钢、上海1号钢厂、鞍钢、本溪钢厂、包头钢厂、首钢秦皇岛钢厂和重庆钢厂的统计情况来看，炉体积和渗透率之间的关系曲线阻力系数得关系可以获得如下图1。

图1 炉体积渗透率之间的关系当高炉产量确定时，炉腹煤气指数V BG 取决于单位高炉容积消耗的焦炭量。

在原料和燃料确定的情况下，V BG 和阻力以及渗透阻力系数K 是对应的。

当阻力增加到一定程度，炉几乎不能够维持平稳运行，导致塌料、管道行程甚至溢炉。

实际上，可接受的最大阻力损失取决于控制高炉投入量的最大炉腹煤气体积V BG 。

此外，V BG 是联系传热、传质和气体动力学一体化的重要桥梁。

下面是与渗透阻力系数和波什气体体积相关的。

3.2.2 波什气体指数基于气体通量的基本理论，结合实际渗透阻力系数K 和炉腹煤气体积V BG ，我们提出把波什气体指数作为高炉集约化的指标，与冶炼强度相比更具有代表性、科学性和逻辑性。

因为在生产过程中，接近炉腹煤气体积的高炉截面面积基本保持不变，并且始终在炉的设计和操作方面起到关键作用。

因此在通过单位高炉截面面积上可以用波什气体指数X BG 来定义气体体积，表达如下：24d V BGBG πχ⨯=（2）其中，V BG -炉腹煤气体积，m 3/t ；d -炉直径，m炉腹煤气指数炉横截面积/m2图2 炉腹煤气指数和炉横截面积的关系图2显示了高炉横截面积在一个月的峰值和炉腹煤气之间的关系。

图2描述的和图1是同一个高炉。

从图2知，炉腹煤气气体量通过单位炉膛截面面积近似相等，即炉腹煤气体积指数在相同的条件下近似相等。

考虑到目前所有的可用原材料和燃烧条件，在非常良好的高炉操作中炉腹煤气指数可以处于58-66。

总之，大量的统计数据和分析以及新的理念都用来发展炉腹煤气指数。

在理想操作条件下，炉腹煤气指数可以暂时最大化为70.0，正如图2的水平直线所示。

考虑到高炉气体通量丰富，它可以改善炉腹煤气指数并加强炉的冶炼。

在相对较高的K 值情况下，应当控制炉腹煤气体积不变，但减少单位炉腹煤气体积可以加强炉的冶炼。

换句话说，当炉的冶炼达到极限强度时通过增加鼓风量，炉腹煤气指数应当保持并且高炉运行平稳，在这个时刻，它就需要适当的减少鼓风量而增强富氧来实现高收益的目标。

这是一个不同于以往的革命性的概念，而这就是新的高炉设计和操作意识形态。

3.2.3 强化高炉操作的方法增加鼓风量必然会增加产量的片面观点从来都是不明智的，相反，创造一些有利条件如富氧、高压以及其他的有利条件来达到满意的生产目标。

通过采取在高炉操作中尽可能接近炉腹煤气体积可以最大程度上提高高炉产量。

下面的公式和图表将富氧和顶压对冶炼强度和产量的影响表现出来。

以4000m3高炉为例，它的条件燃料比是505kg/t，煤比202kg/t，生产力2.3，炉渗透阻力系数不变，高炉水分量9g/nm3，煤和氢含量6%。

假如提供的炉腹煤气体积是最大炉腹煤气指数的90%，也就是说，如果波什气体指数是64.44，因此，可以得出炉腹煤气体积是9223.9。

然后富氧的计算对高炉操作的影响为下表1。

从上面的表中看出，当富氧从0上升到5%，如果炉腹煤气体积持续固定，燃料比将不会受到影响，但是，生产力和冶炼强度大大增加。

在燃烧强度上超过了中等强度，尽管如此，高炉容积也会明显的下降，从7400Nm3/min下降到6766Nm3/min。

表1 4000m3高炉富氧对产量和冶炼强度的影响富氧量生产率/（t·m-3·d-1）冶炼强度/（t·m-3·d-1）高炉鼓风量/（Nm3·min-1）0% 2.23 1.126 7402.21% 2.33 1.176 7379.72% 2.38 1.203 7222.43% 2.43 1.229 7067.74% 2.48 1.253 6915.7然而，制备高消耗的氧气需要能量，它意味着过高的富氧对节能来说是不值得的。

在鼓风炉炼铁流程设计监管GB50427-2008（国标）一书中没有任何规定要求富氧，书中所建议的是以低的富氧来获得高的喷煤比。

在所有的条件下，富氧都要以成本为前提。

然后，来继续分析燃料比对生产力的影响，如下表2所示。

富氧的设定是1%，其他条件一样和上述是一样的，然后再计算生产效果。

表2 4000m3高炉燃料比对产量和冶炼强度的影响燃料比/（kg·t-1）生产率/（t·m-3·d-1）冶炼强度/（t·m-3·d-1）高炉鼓风量/（Nm3·min-1）520 2.20 1.112 7242.6510 2.26 1.140 7242.0500 2.31 1.169 7241.3490 2.36 1.194 7240.7480 2.41 1.220 7240.1从上述的表中，当燃料比降低，高炉生产率和冶炼强度得到提高。

由于单位高炉鼓风量很少，因此鼓风量可以保持不变，增加鼓风量可以产生更多的铁水。

值得注意的是，只有波什气体指数是被添加，会产生高收益。

否则，忽视理性的炉腹煤气指数盲目强化冶炼，将会违背其高收益的期望。

以1%的富氧运行时，炉腹煤气指数会随顶压的改变而改变。

下面表3给出了高炉顶压对炉腹煤气通量的影响，在一定条件的生产率和冶炼强度下，K值是固定的，顶压的上升以及其他条件的影响和上述氧气的影响是一样的。

从上面的表中看出，高炉的顶压对炉腹煤气通量产生很大的影响。

因此，增加顶部压力对大高炉的生产起到基础作用。

表3 4000m3高炉顶部压力对产量和冶炼强度的影响顶部压强/kPa 炉腹煤气指数（Nm3·min-1）生产率/（t·m-3·d-1）冶炼强度/（t·m-3·d-1）高炉鼓风量/（Nm3·min-1）150 7379.1 1.86 0.940 5903.8175 7840.3 1.98 1.000 6272.8200 8301.5 2.10 1.059 6641.8225 8762.7 2.21 1.117 7010.8250 9223.9 2.33 1.176 7379.7275 9697.6 2.44 1.236 7758.8投入越多不代表着产出越多。