高壓操作

高壓操作(high top gas pressure operation)高爐強化冶鍊技術措施之一。指爐頂煤氣壓力在30kPa以上的高爐操作。

高壓操作的思想早在1871年就為法國冶金學家貝塞麥所提出。1915年俄國工程師葉斯曼斯基明確提出，提高爐內煤氣壓力可加速間接還原，並使高爐截面上的氣流分佈均勻，有利於冶鍊過程。1940年前蘇．聯柯羅波夫(M．M．KoponoB)在彼德羅夫斯克工廠進行了首次高壓操作試驗，但未獲成功。1938年美國J．厄弗里取得高爐使用高壓的專利；1944年在共和鋼鐵公司克里夫蘭的柯里鋼廠5號高爐上進行了提高爐頂煤氣壓力到70kPa的高壓操作試驗，並在1946年試驗取得了很好的效果：產量提高12．3%，焦比降低2．7%，爐塵吹出量大為減少。此後美國其他高爐相繼採用高壓操作。1950年以後，高壓操作技術在世界範圍內得到了廣泛應用，爐頂壓力水平也在逐漸提高。1956年中國在鞍山鋼鐵公司9號高爐率先採用高壓操作，1000m3級以上的高爐均已實現了高壓操作，頂壓水平多在100～170kPa之間。到1990年中國高壓高爐的生鐵產量佔全國高爐總產量的60%以上。70年代以來，隨著高風溫和高爐噴吹燃料技術的發展，高爐焦比大幅度降低，引起高爐料柱結構和爐內流體力學方面一系列變化，更加需要實行高壓操作來保證高爐強化和爐況順行。一些巨型高爐，如日本大分廠2號高爐(5070m3)，爐頂壓力高達280kPa；扇島廠1號高爐(4052m3)，頂壓高於200kPa，俄國某廠的一高爐(5500m3)頂壓220kPa；中國寶山鋼鐵(集團)公司煉鐵廠3號高爐(4360m。)，頂壓在220kPa以上(設計水平250kPa)，1989年獲得利用係數2．202t／(m3•d)，綜合焦比496kg／t(入爐焦比434kg／t)的良好效果。近年世界新設計的4000m3級以上的巨型高爐，頂壓一般均按250～300kPa考慮。可以說，高壓操作是自高爐使用熱風以來的一項重大改革，是大型高爐強化冶鍊的必由之路。

操作原理從流體連續性方程G=γw(式中G為氣體的質量流量，kg／(m2•s)；)，為氣體的密度，kg／m2；w為氣流速度，m／s)可知，氣體的質量流量不變時，氣體密度與其流速成反比。提高爐頂壓力后，高爐內各部分的壓力或爐內平均壓力相應提高，煤氣被壓縮，體積變小，密度(γ)增加。這時有兩種可能供煉鐵工作者選擇：一種是氣體質量流量G不變，則w必然減小，使得與煤氣流速w的平方成正比的爐內料柱全壓差△聲降低(見高爐煤氣運動)，促進爐況順行。頂壓水平愈高，對煤氣流速和△聲降低的作用愈強，愈有利於高爐順行；另一種是保持爐內煤氣的平均流速(面)不變，則G便由於γ的增加而增加。這就是說，往高爐鼓送的風量體積流量保持不變，它的質量流量增加了，即相應單位時間內送入高爐的氧量增加了，高爐冶鍊強度就可以提高，在焦比基本不變或略有下降的情況下，產量也提高。這就是高壓操作的理論基礎。這一原理可用高壓操作特性曲線(圖1)來描述。從圖1可看出在相同冶鍊強度(如i1)下，高壓比常壓具有較低的△p，而且頂壓水平愈高，△p愈低(△p3<△p2<△p1)。若在高壓下保持與常壓相同的△p(如△p1)，則隨著頂壓水平的提高，冶鍊強度將從i1提高到i2和i3。這樣，在常壓操作時高爐不能接受的風量，高壓操作時卻能有效地使用；常壓時高爐難於達到的冶鍊強度，高壓時卻能順利實現。

高壓操作不僅能有效提高冶鍊強度，而且能有效降低焦比(燃耗)，但這種效果隨頂壓升高而遞減。在常壓改為100kPa高壓時，頂壓每提高10kPa，高爐可增產約2%～3%，而頂壓超過100kPa后，每提高10kPa產量升高降為1.1%±0.2%，相應的焦比(燃耗)降低量為1%～2%和0.5%±0.2%。高壓操作的降焦原因主要是改善了爐況順行和煤氣能量利用，發展了爐內間接還原，抑制了直接還原。在冶鍊強度不變的情況下，高壓操作降低了煤氣流速，延長了煤氣在爐內與礦石接觸的時間，同時Ap的降低減少或消除了管道行程，改善了煤氣分佈，從而改善了塊狀帶內的間接還原，使煤氣能量得到充分利用。如果提高冶鍊強度而保持△p不變時，節焦量就小很多。總的來說，在高壓操作的高爐上，隨頂壓提高，爐頂煤氣CO2含量和一氧化碳利用率(ηCO)均有所提高。直接還原反應取決於碳素溶解損失反應CO2+C一2CO的發展。提高頂壓，爐內平均壓力和各部分壓力相應提高，促使該反應平衡向氣體體積減小的方向移動，也就是有利於CO2的存在，從而在某種程度上抑制了直接還原反應的發展。同理，高壓操作可抑制硅還原反應SiO2+2C—Si+2CO，有利於降低生鐵含硅量，使焦比降低。頂壓提高，氣相中CO分壓相應提高，禹而硅在鐵水中的平衡濃度與聲晶。成反比，故[si]顯著降低。另外據現代硅還原遷移的理論(見高爐鐵礦石還原)，硅主要是通過風口高溫區揮發的Si()氣體為中介而還原進入生鐵的。高頂壓可抑制SiO揮發，從而抑制了硅還原。高壓操作改善了煤氣分佈，降低了煤氣流速，爐塵吹出量顯著減少，促進爐溫穩定，爐況順行，因而可降低燃耗。同時，由於高壓促進了順行，可使高爐接受更高的風溫，噴吹燃料可發揮更大的作用，促使焦比和燃耗比降低。

高壓調節裝置及工作原理 高壓操作是通過安裝在高爐煤氣系統凈煤氣管道上的高壓調節閥組，改變煤氣通道截面，增加煤氣通過的阻力，從而提高爐頂煤氣壓力的。高壓調節閥組裝置如圖2所示。在閥組上有5條相互平行的通道和4個閥門組成。最小的一條通道是ψ200～300mm的常通道，不設閥門，起安全保護作用。即當頂壓突然增高(如由爐內爆炸和崩料所引起)，或其他閥門失靈全部關閉時，仍有一個自由的煤氣通道，以減小破壞作用。另外各閥門前用水清洗沉積的泥漿亦集中從此通過，排入灰泥捕集器。3條ф750mm的通道各設有一個電控(或液壓控制)蝶形調節閥；還有一條的通道設一個自動蝶形調節閥。4個閥門全開時，高爐為常壓操作狀態。當各閥逐漸關小時，爐頂和爐內煤氣壓力漸高，高爐即處於高壓操作狀態。爐頂壓力提高的程度由各閥的關閉程度來決定。一般是根據高爐冶鍊的需要，選定一個爐頂煤氣壓力值，使3個ф750mm閥門關閉到某一確定位置，由ф400mm自動調節閥，按照頂壓與執行機構(常用油壓鼓膜或自動壓力調節器)的互感作用，將爐頂壓力自動調節並穩定在預定水平。當頂壓高於預定值時，此閥自動開大，降低頂壓；當頂壓低於預定值時，此閥自動關小，使頂壓升高。高壓閥組除調節頂壓的功能外，還具有良好的除塵作用，在頂壓高於40kPa的條件下，通過高壓閥組后的煤氣含塵量可降到10mg／m。以下，除塵效率高達90%以上。

高壓高爐設備特點採用高壓操作，對高爐結構和附屬設備提出了一系列要求。從送風系統到高爐本體和爐頂裝料設備以及高壓調節閥組前的煤氣除塵系統，都要有能承受高壓的強度和足夠的氣密性。頂壓水平愈高，要求愈嚴。高壓含塵煤氣具有很強的磨蝕力，只要設備稍有漏氣就會迅速擴大，影響正常生產。這種破壞作用對爐頂裝料設備尤為突出，要求它必須使用優良的材質和具有高密封性。為了保護雙鍾式爐頂的鐘、斗接觸面或無鍾爐頂料罐密封閥不被含塵的高壓、高速煤氣流磨蝕，同時為了保證在高壓下大、小料鍾或料罐上、下密封閥能自由開啟，順利裝料，必須採用均壓裝置，以均衡爐內和裝料裝置之間以及裝料裝置與大氣之間的壓力。均壓介質一般採用半凈煤氣(見高爐煤氣)，以防均壓閥很快磨損。對無鍾爐頂還採用氮氣作為二次均壓介質。均壓裝置按功能由充壓閥和放氣閥組成。充壓閥安裝在引入均壓介質的管道上並與裝料裝置空間接通，一般處於開啟狀態，進行充壓，以均衡裝料裝置空間與爐頂壓力。放氣閥安裝在由裝料裝置空間引出並通向大氣的放散管上。當向裝料裝置內裝料時，充壓閥暫時關閉，放氣閥打開，高壓半凈煤氣放入大氣，大小鍾之間的壓力或無鍾裝料裝置的料罐內壓力轉為大氣壓力，保證小料鍾或料罐上密封閥順利開啟、裝料，裝料完畢，放氣閥即行關閉，充壓閥打開，高壓半凈煤氣充入大小鍾之間或料罐，以保護裝料裝置，並保證大料鍾或料罐的下密封閥順利開啟、裝料入爐。在先進高爐上，均壓放散管上還裝有消音器，以消除或減小放氣閥打開時的雜訊；在一些高爐上還裝有煤氣回收裝置，以回收放出的這部分煤氣，減少能量損失，同時可不用消音器，免除其維修帶來的麻煩。

爐頂煤氣壓力回收裝置高壓操作不可避免地要增加高爐鼓風機的能耗，但同時產生了具有相當大壓力能的爐頂高壓煤氣。過去這種壓力能經過調壓閥組白白地損失了。現在可在高爐煤氣除塵系統文氏管除塵(或乾式除塵)后的凈煤氣管道上，同高壓調節閥組並聯安裝煤氣渦輪機，實行爐頂煤氣余壓發電。一般煤氣渦輪機回收的發電量相當於高爐鼓風機電能消耗的30%。這種利用高壓爐頂煤氣壓力發電的煤氣渦輪機裝置簡稱為TRT裝置(top recoveryy turbine的縮寫)。爐頂煤氣壓力渦輪機回收方式有3種：(1)部分回收方式。使通過渦輪機的最大設計煤氣量比高爐實際生產的煤氣量(包括波動幅度的低值)少，可保證通過渦輪機的煤氣量保持不變。此時爐頂壓力仍由高壓調節閥組控制。(2)全部回收方式。使通過渦輪機的最大設計煤氣量比高爐實際生產的煤氣量(包括波動幅度的峰值)大。此時關閉高壓調節閥組，代之以煤氣渦輪機，爐頂壓力由渦輪機的調節閥或靜葉自動調節來控制。(3)平均回收方式。使通過渦輪機的最大設計煤氣量為高爐實際生產煤氣量波動幅度的平均值，爐頂壓力由高壓調節閥組和渦輪機調速閥聯合控制。無論是何種回收方式，當煤氣渦輪機發電機組發生故障或需要檢查時，高壓調節閥組仍按高爐冶鍊的需要照常工作。3種回收方式中，平均回收方式渦輪機發電能力較高，設備投資較低，且能保證爐頂煤氣壓力的穩定。中國寶山鋼鐵公司1、2號高爐(4063m。)即採用這種方式，其裝機容量達17440kw。可根據工藝操作需要，分為常壓、高壓不發電和高壓發電等幾種情況來運行。它們的高壓調節閥組系由ф900和500ｘ１4個閥組成。其中1個≠9。()閥保持常開度56.1o“量程閥”，起常通道作用。1個ф900閥全關閉(即0o另一個9ф00閥和1個ф500閥起自動調節作用。煤氣渦輪機發電機組的出力由煤氣流量，煤氣入口溫度、壓力和出口壓力來確定。一般隨煤氣入口溫度的升高渦輪機發電出力增加。乾式除塵較濕式除塵具有較高的煤氣入口溫度，故有利於提高煤氣渦輪機發電出力。中國梅山冶金公司、首都鋼鐵公司和武漢鋼鐵公司等的高爐都已有了TRT裝置。

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