中国十九冶集团有限公司 四川成都 617000
摘要：考虑CO还原碳的反应，热储备区温度对煤气利用系数的影响在热力学和动力学方面存在竞争关系。本文以单界面未反应核模型为基础，就温度对高炉煤气利用系数的影响推导理论模型，然后利用此模型解析高炉热储备区温度对煤气利用系数的影响规律，进而探讨高炉焦炭反应性与含碳炉料还原性的匹配。结果表明，高炉使用高反应性焦炭降低热储备区温度，进而提高煤气利用系数的前提是矿石具有高的还原性。矿石还原性低时，高反应性焦炭的使用会导致煤气利用系数下降，而期望通过增加矿石停留时间或提高压力来改变这样规律的操作空间甚小。矿石还原性高时，热储备区所能承受的温降在理论上仍有一个极限。因此，在实际生产中不必盲目追求焦炭的高反应性，应根据矿石的还原性选择具有适宜反应性的焦炭。
关键词：高炉;热储备区温度;煤气利用系数;矿石还原性;焦炭反应性
热储备区是高炉炉身中下部煤气与炉料间热交换非常缓慢的区域，其中煤气和炉料的温差较小，且各自的温度沿高度基本不变。理论研究和生产实践表明，高炉热储备区内主要发生碳至Fe的间接还原，且热储备区温度由入炉焦炭的溶损反应起始温度决定。因此，热储备区下沿通常被认为是高炉内直接还原和间接还原的过渡界限。鉴于CO还原碳为放热反应，热储备区温度的降低会使反应向生成CO2的方向移动，意味着高炉煤气利用系数的提高。正是基于此，一些学者提出了使用高反应性焦炭降低热储备区温度，进而提高煤气利用系数和降低燃料比的高炉冶炼技术路线。即高炉热储备区温度对煤气利用系数的影响。需要说明的是，解析高炉热储备区对煤气利用系数的影响固然可以采用目前备受青睐的全高炉动力学模型。但考虑到此类模型一般参数繁多且解算过程复杂，本文仍采用钢铁冶金领域应用最为广泛，也是最为基础的单界面未反应核模型。事实上，全高炉动力学模型中核心的还原速率皆是通过未反应核模型计算的。综上所述，本文以单界面未反应核模型为基础，就温度对高炉煤气利用系数的影响推导理论模型，然后利用此模型解析高炉热储备区温度对煤气利用系数的影响规律，进而探讨高炉焦炭反应性与含碳炉料还原性的匹配，以期抛砖引玉，引起高炉工作者对相关问题的充分理解和重视。
1模型描述
如前所述，本文的模型基础为未反应核模型，故其基本假设和简化同样限定本文模型。鉴于未反应核模型已作为固定内容出现在相关教材中，本文对其基本假设、简化以及具体推导过程不再重复，感兴趣的读者可参阅相关教材或著作。考虑高炉生产实际，本文模型增加以下两条简化。
(1)鉴于高炉实际操作条件下的高风压、高风量和高风温，模型忽略外扩散的影响。
(2)H2还原碳为吸热反应，降低热储备区温度无论是从热力学角度还是从动力学角度均会降低煤气利用系数。然而，就CO还原碳的反应来说，热储备区温度对煤气利用系数的影响在热
力学和动力学方面截然相反，存在竞争关系。因此，本文模型煤气中反应物组元忽略H2，仅考虑情况更复杂的CO，以及惰性组元N2。更一般地讲，若降低热储备区温度对CO利用率不利，则对CO+H2利用率更不利。
2结果与讨论
两种铁矿后高炉(热储备区)煤气利用系数随温度的变化，计算中停留时间(τ)和操作压力(P)分别为3.0×103s和2.0×105Pa。平衡系数(η)随热储备区温度的降低而升高。若使用还原性高的矿球II，实际煤气利用系数在所研究范围内随温度的变化遵循相同规律，但两者间的动力学差距随温度的降低逐渐增大。
若使用还原性低的矿球I，实际煤气利用系数在所研究范围内随温度的变化规律截然相反，即温度越低，煤气利用系数越小。同时，实际煤气利用系数(η)与平衡系数(ηe)间的动力学差距随温度降低而增大的趋势更显著。其他停留时间和操作压力下的计算结果类似，本文在此不再赘述。为便于分析，将三条曲线分别对温度求导，因平衡系数(ηe)随着温度的降低而单调升高，其随温度的变化率始终为负值。低还原性矿球I对应实际煤气利用系数随温度的变化率始终为正值，说明其随温度的降低而单调下降。然而，高还原性矿球II对应实际煤气利用系数随温度的变化率在一临界温度(Tcrit=873℃)处出现转折。高于临界温度时，实际煤气利用系数随温度的变化率为负值，即随温度的降低而提高，低于临界温度时为正值，随温度的降低而下降。得以下启示：
①实际煤气利用系数是否遵循平衡系数随温度降低而提高的规律取决于温降对两者间动力学差距的影响，矿石的还原性越高，温降对动力学差距的约束越小，实际煤气利用系数随温度的变化规律与平衡系数越同步，反之亦然;②高炉使用高反应性焦炭降低热储备区温度，进而提高煤气利用系数的前提是保证矿石的高还原性，使用低还原性矿石，降低热储备区温度会导致实际煤气利用系数的下降，徒增高炉燃料比和高反应性焦炭对应的生产成本;③即便是使用高还原性矿石，热储备区的温降理论上仍有一个极限，低于此极限所对应的临界温度，煤气利用系数随温度的降低而下降。综上，在实际生产中不必盲目追求焦炭的高反应性，应理性处理矿石还原性与焦炭反应性的匹配问题，即根据矿石的还原性选择具有适宜反应性的焦炭。使用低还原性矿石(矿球I)时，热储备区温度和矿石停留时间对煤气利用系数的影响。相同温度下，矿石在热储备区停留时间的延长使气固接触时间增加，可有效提高煤气利用系数。然而，在所研究范围内，矿石停留时间对煤气利用系数随温度变化的影响有限。当停留时间大于3.0×103s时，煤气利用系数才随温度的降低先是略有提高，但随后逐渐降低。使用低还原性矿石(矿球I)时，热储备区温度和操作压力对煤气利用系数的影响。相同温度下，操作压力的提高使气相浓度增加，可有效提高煤气利用系数。然而，在所研究范围内，操作压力对煤气利用系数随温度变化的影响有限。当操作压力大于2.0×105Pa时，煤气利用系数才随温度的降低先是略有提高，但随后逐渐降低。所示结果可知，使用低还原性矿石进行生产时，期望通过增加矿石停留时间或提高操作压力改变煤气利用系数随温度降低而下降规律的操作空间甚小。因此可以说，矿石还原性一时难以提高的情况下，若实际条件允许，考虑使用低反应性焦炭不失为一种更合理的选择。
3结论
本文以单界面未反应核模型为基础，就温度对高炉煤气利用系数的影响推导了理论模型，然后利用该模型探讨了高炉焦炭反应性与含碳炉料还原性的匹配，所得主要结论如下。
(1)CO还原碳为放热反应，平衡状态下的煤气利用系数(即平衡系数)随热储备区温度的降低而提高。但是，热储备区实际煤气利用系数是否遵循相同规律取决于温降对动力学差距的影响。矿石的还原性越高，温降对动力学差距的约束越小，实际煤气利用系数随温度的变化规律与平衡系数越同步，反之亦然。
(2)高炉使用高反应性焦炭降低热储备区温度，进而提高煤气利用系数的前提是矿石具有高的还原性。矿石还原性低时，高反应性焦炭的使用会导致煤气利用系数下降，期望通过增加矿石停留时间或提高压力改变此规律的操作空间甚小。
(3)即便是使用高还原性矿石，热储备区所能承受的温降在理论上仍有一个极限。在实际生产中不必盲目追求焦炭的高反应性，根据矿石的还原性选择具有适宜反应性的焦炭不失为一种更合理的选择。
参考文献：
［1］孟繁超，邹宗树.高炉热储备区温度对煤气利用率的影响［J］.东北大学学报(自然科学版)，2018，39(7)：985－989.
［2］王筱留。钢铁冶金学(炼铁部分)［M］。2版。北京：冶金工业出版社，2013：152。