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[摘 要]高炉区段界面热能运行主要是要保证稳定、高质量地提供铁水，该区段的界面匹配对钢铁生产流程的动态-有序化运行起着重要作用，尤其是对优化铁水运输节奏、铁水入炉温度起着决定性作用。同时，高炉区段工艺技术界面合理與否对减少物料、能源消耗及环境负荷来说，也具有极其重要的作用。
[关键词]高炉；界面模式；热能平衡；优化
中图分类号：S873 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）24-0052-01
高炉区段工艺技术界面是指钢铁生产中炼铁、炼钢间的衔接、匹配、协调、缓冲技术及相应的装置（装备），包括物质流、能量流、温度及时间等基本参数的衔接、匹配、协调与稳定，也包括工序、装置、容量、运输、管理等多方面内容。高炉区段工艺技术界面模式因铁水预处理、运输及承载容器不同而呈现多样性。
一、高炉热平衡原理
热平衡是根据能量守恒定律，将物料平衡作为基础来计算的。现代高炉热平衡分析和计算主要是针对高炉内不同体系能量收入与去向所进行的，包括三种热平衡分析方式。首先为第一总热平衡分析，根据盖斯定律，将进入炉内物料的最初形态与出炉的最终形态为基础，对入炉与出炉所带出热量进行计算，并计算燃料实际额燃烧所产生的热量。其次为第二总热平衡分析，根据高炉内实际的氧化还原反应，对产生与消耗的热量进行计算，进而获得高炉实际冶炼热效应。其与第一总热平衡分析的区别就在于燃烧放热、氧化无的分解、还原与脱硫耗热。另外一种热平衡分析为区域热平衡分析，是以高炉内分段反应为基础，评价原燃料的质量，并判断炉体状况，进而为改进与维护炉体提供参考。
二、现有高炉区段工艺技术界面模式
国内外现有高炉区段工艺技术界面主要有以下几种模式：
（1）高炉铁水→铁水包（火车运输）→混铁炉→兑铁包→转炉。此模式铁水经2次倒包、4次空冷，混铁炉设置不仅增加成本且需补充能量，以保持铁水温度，带来温降大、铁损大、能耗大及烟尘污染等问题。
（2）高炉铁水→铁水包（汽车运输）→转炉。是“一包到底”的炼铁-炼钢界面模式。受铁包和兑铁包为同一容器，无预处理工序。当受铁罐的容量和转炉容量一一对应时可直接将铁水兑入转炉，从高炉运输到转炉的整个过程中只有2次空冷，入转炉前无倒包的热量损失；当受铁罐的容量和转炉容量不对应时须兑铁，流程中增加了1次空冷和1次倒包，会多1次倒包热损。
（3）高炉铁水→鱼雷罐（火车运输）→兑铁包→兑铁包脱硫→扒渣→转炉。该脱硫模式在兑铁包中进行，脱硫在炼钢厂内转炉垮的脱硫站、扒渣在炼钢厂内转炉垮的扒渣位进行。其特点是，鱼雷罐的周转时间缩短，而兑铁包的周转时间延长。此模式有3次空冷，1次倒包。
（4）高炉铁水→鱼雷罐（火车运输）→鱼雷罐脱硫→扒渣→兑铁包→转炉。此模式1次倒包，3次空冷，脱硫在鱼雷罐中进行，脱硫站位于高炉与转炉之间。设置不仅增加成本且需补充能量，以保持铁水温度，带来温降大、铁损大、能耗大及烟尘污染等问题。
（5）高炉→铁水沟脱硅→鱼雷罐→扒渣→鱼雷罐同时“三脱”→扒渣→兑铁包→转炉。此模式把脱硅单独分离出来在高炉出铁场或受铁罐内进行处理，脱硫和脱磷同时进行，转炉的冶炼功能主要是快速脱碳升温，效果比模式4要好。
（6）高炉→铁水沟脱硅→鱼雷罐→扒渣→鱼雷罐脱硫→扒渣→兑铁包→转炉脱磷→脱碳转炉。此种模式实现了“分工序精炼”的理念，把脱硅、脱硫、脱磷分开，为每一个冶金反应分别创造了最适宜的热力学和动力学条件。由于脱硫、脱磷、脱碳升温的热力学和动力学条件明显改善，造渣剂消耗量大幅度下降，处理过程时间大为缩短，处理效果将明显提高。
三、高炉区段工艺技术界面热能节能优化措施
3.1 优化炉内煤气流速与分布
煤气内部传递给炉内的热量与煤气内部的流速以及气体内部的分布情况存在着直接关系。当煤气量越大时，炉内的煤气流速将增加，热交换量将增加，这时炉料的吸热能力也增强，但是炉内顶部温度的数值变化也增加，煤气带走的热量损失也增大。所以，煤气含量以及流速之间存在着一个最优值。通过使用高压以及超高压的操作方式，增加炉内边缘的矿焦比，将能够有效的提高高炉的热交换效率，同时降低煤气带走的热量，减少由此带来的热量损失。
对于高炉的炉墙处，当煤气量越少时，煤气的流速就越低，这时热交换量就越少，炉内的热负荷量将下降，所造成的热损失将减少。所以，可以在此处采用分装多环布料的方式来提高高炉的边沿矿焦比。不但能够减少煤气量，而且还能够降低煤气的流速，提高煤气与内部炉料的接触时间。
3.2 提高炉料的热传导性能
高炉内炉料导热性能较好时有利于改善炉内煤气的热传导性能，同时能够提高炉内的热交换量，减少带走的热量与热损失。为此，可采用提高矿石的还原性、增加预还原料的用量等方式来达到改善炉料导热性能得到目的，进而实现热交换量的增加，降低炉顶温度。由于炉墙的导热系数越低，高炉与外界热量交换越少，因此要保证高炉渣皮与炉墙热面的隔热性能与稳定性。
3.3 采用富氧喷煤技术
在高炉生产中，可采用富氧喷煤技术，经计算，富氧率提高1%，并将喷煤量增加到12-13kg/t（烟煤增加量为17-23kg/t），能够显著的降低焦比。在高炉生产中采用干熄焦时，将使入炉焦炭含水量降低至1%左右，焦比则降低2%，不仅能够提高冶炼的热效率，同时能够增加经济效益。
3.4 荒煤气管道外保温
在生产实践中发现，在其他条件不变的条件下，TRT发电量与入口温度呈正比，当入口温度降低10℃，工况煤气体积就能够减少2.31%，吨煤发电量则减少1.25千瓦时。大高炉因荒煤气管道散热面积大，布袋荒煤气入口温度和高炉顶温之间具有20-30℃的温降，而荒煤气管道外表面则比环境温度高30℃。局部采用管道外保温则能够使管道表面温度与环境温度的温差低于5℃，根据其外保温效果来看，将荒煤气管道均采用外保温，可将煤气入口处温度与高炉顶温度的温差控制在8℃以内，并将TRT入口煤气温度提高12℃以上。
3.5 充分回收高炉渣热量
高炉渣损失的热量是非常大的，目前进行高炉渣回收的有效方式主要包括了两种，一是冲渣水余热回收，二是高炉渣显热回收。采用冲渣水余热回收技术是比较成熟的一种高炉渣回收技术，能够用于供暖与加热饮水水源。其中渣水余热采暖技术，就具有较好的应用效果，同时可对高炉渣进行干式粒化处理，主要方式包括两种，即普通式与流化床式。
3.6 对高炉煤气、热风炉余热余压进行回收
高炉热风炉在换炉时均将热风炉内高压和高温气体排放到烟道，然后经大烟囱排空，这不仅在排放的过程中产生噪音，同时也造成了高温、高压气体的浪费。为此，可采用相应的热风炉余热余压回收技术。而对高炉煤气余热利用主要是转成富热煤气，或者利用煤气中的CO制成草酸、炭黑的化工产品；对炉顶一次、二次均压放散的煤气进行回收等。此外可采用TRT工艺利用炉顶高压余压进行发电。
四、结语
高炉区段是钢铁生产流程中物质流输入输出种类和量最多的区段，同时又是联接高温物质流运行的重要区段。对区段物质流运行及热能利用进行优化，尤其是铁水输送与处理过程的优化是影响铁水预处理铁水到站温度和转炉冶炼节奏的重要因素。经高炉热平衡分析发现，在实现炼铁工艺节能中，其主要方向为减少一次能源的消耗和加强二次能源的回收与利用，即在减少能源消耗的同时实现余热、余压的回收利用，进而提高冶炼企业的经济效益。
参考文献
[1] 王秀英.承钢2500m3高炉热平衡测算与节能探讨[J].河北冶金，2014（8）.
[2] 刘娟利.高炉热平衡分析炼铁工艺的节能方向[J].科技传播，2014（11）.
[关键词]高炉；界面模式；热能平衡；优化
中图分类号：S873 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）24-0052-01
高炉区段工艺技术界面是指钢铁生产中炼铁、炼钢间的衔接、匹配、协调、缓冲技术及相应的装置（装备），包括物质流、能量流、温度及时间等基本参数的衔接、匹配、协调与稳定，也包括工序、装置、容量、运输、管理等多方面内容。高炉区段工艺技术界面模式因铁水预处理、运输及承载容器不同而呈现多样性。
一、高炉热平衡原理
热平衡是根据能量守恒定律，将物料平衡作为基础来计算的。现代高炉热平衡分析和计算主要是针对高炉内不同体系能量收入与去向所进行的，包括三种热平衡分析方式。首先为第一总热平衡分析，根据盖斯定律，将进入炉内物料的最初形态与出炉的最终形态为基础，对入炉与出炉所带出热量进行计算，并计算燃料实际额燃烧所产生的热量。其次为第二总热平衡分析，根据高炉内实际的氧化还原反应，对产生与消耗的热量进行计算，进而获得高炉实际冶炼热效应。其与第一总热平衡分析的区别就在于燃烧放热、氧化无的分解、还原与脱硫耗热。另外一种热平衡分析为区域热平衡分析，是以高炉内分段反应为基础，评价原燃料的质量，并判断炉体状况，进而为改进与维护炉体提供参考。
二、现有高炉区段工艺技术界面模式
国内外现有高炉区段工艺技术界面主要有以下几种模式：
（1）高炉铁水→铁水包（火车运输）→混铁炉→兑铁包→转炉。此模式铁水经2次倒包、4次空冷，混铁炉设置不仅增加成本且需补充能量，以保持铁水温度，带来温降大、铁损大、能耗大及烟尘污染等问题。
（2）高炉铁水→铁水包（汽车运输）→转炉。是“一包到底”的炼铁-炼钢界面模式。受铁包和兑铁包为同一容器，无预处理工序。当受铁罐的容量和转炉容量一一对应时可直接将铁水兑入转炉，从高炉运输到转炉的整个过程中只有2次空冷，入转炉前无倒包的热量损失；当受铁罐的容量和转炉容量不对应时须兑铁，流程中增加了1次空冷和1次倒包，会多1次倒包热损。
（3）高炉铁水→鱼雷罐（火车运输）→兑铁包→兑铁包脱硫→扒渣→转炉。该脱硫模式在兑铁包中进行，脱硫在炼钢厂内转炉垮的脱硫站、扒渣在炼钢厂内转炉垮的扒渣位进行。其特点是，鱼雷罐的周转时间缩短，而兑铁包的周转时间延长。此模式有3次空冷，1次倒包。
（4）高炉铁水→鱼雷罐（火车运输）→鱼雷罐脱硫→扒渣→兑铁包→转炉。此模式1次倒包，3次空冷，脱硫在鱼雷罐中进行，脱硫站位于高炉与转炉之间。设置不仅增加成本且需补充能量，以保持铁水温度，带来温降大、铁损大、能耗大及烟尘污染等问题。
（5）高炉→铁水沟脱硅→鱼雷罐→扒渣→鱼雷罐同时“三脱”→扒渣→兑铁包→转炉。此模式把脱硅单独分离出来在高炉出铁场或受铁罐内进行处理，脱硫和脱磷同时进行，转炉的冶炼功能主要是快速脱碳升温，效果比模式4要好。
（6）高炉→铁水沟脱硅→鱼雷罐→扒渣→鱼雷罐脱硫→扒渣→兑铁包→转炉脱磷→脱碳转炉。此种模式实现了“分工序精炼”的理念，把脱硅、脱硫、脱磷分开，为每一个冶金反应分别创造了最适宜的热力学和动力学条件。由于脱硫、脱磷、脱碳升温的热力学和动力学条件明显改善，造渣剂消耗量大幅度下降，处理过程时间大为缩短，处理效果将明显提高。
三、高炉区段工艺技术界面热能节能优化措施
3.1 优化炉内煤气流速与分布
煤气内部传递给炉内的热量与煤气内部的流速以及气体内部的分布情况存在着直接关系。当煤气量越大时，炉内的煤气流速将增加，热交换量将增加，这时炉料的吸热能力也增强，但是炉内顶部温度的数值变化也增加，煤气带走的热量损失也增大。所以，煤气含量以及流速之间存在着一个最优值。通过使用高压以及超高压的操作方式，增加炉内边缘的矿焦比，将能够有效的提高高炉的热交换效率，同时降低煤气带走的热量，减少由此带来的热量损失。
对于高炉的炉墙处，当煤气量越少时，煤气的流速就越低，这时热交换量就越少，炉内的热负荷量将下降，所造成的热损失将减少。所以，可以在此处采用分装多环布料的方式来提高高炉的边沿矿焦比。不但能够减少煤气量，而且还能够降低煤气的流速，提高煤气与内部炉料的接触时间。
3.2 提高炉料的热传导性能
高炉内炉料导热性能较好时有利于改善炉内煤气的热传导性能，同时能够提高炉内的热交换量，减少带走的热量与热损失。为此，可采用提高矿石的还原性、增加预还原料的用量等方式来达到改善炉料导热性能得到目的，进而实现热交换量的增加，降低炉顶温度。由于炉墙的导热系数越低，高炉与外界热量交换越少，因此要保证高炉渣皮与炉墙热面的隔热性能与稳定性。
3.3 采用富氧喷煤技术
在高炉生产中，可采用富氧喷煤技术，经计算，富氧率提高1%，并将喷煤量增加到12-13kg/t（烟煤增加量为17-23kg/t），能够显著的降低焦比。在高炉生产中采用干熄焦时，将使入炉焦炭含水量降低至1%左右，焦比则降低2%，不仅能够提高冶炼的热效率，同时能够增加经济效益。
3.4 荒煤气管道外保温
在生产实践中发现，在其他条件不变的条件下，TRT发电量与入口温度呈正比，当入口温度降低10℃，工况煤气体积就能够减少2.31%，吨煤发电量则减少1.25千瓦时。大高炉因荒煤气管道散热面积大，布袋荒煤气入口温度和高炉顶温之间具有20-30℃的温降，而荒煤气管道外表面则比环境温度高30℃。局部采用管道外保温则能够使管道表面温度与环境温度的温差低于5℃，根据其外保温效果来看，将荒煤气管道均采用外保温，可将煤气入口处温度与高炉顶温度的温差控制在8℃以内，并将TRT入口煤气温度提高12℃以上。
3.5 充分回收高炉渣热量
高炉渣损失的热量是非常大的，目前进行高炉渣回收的有效方式主要包括了两种，一是冲渣水余热回收，二是高炉渣显热回收。采用冲渣水余热回收技术是比较成熟的一种高炉渣回收技术，能够用于供暖与加热饮水水源。其中渣水余热采暖技术，就具有较好的应用效果，同时可对高炉渣进行干式粒化处理，主要方式包括两种，即普通式与流化床式。
3.6 对高炉煤气、热风炉余热余压进行回收
高炉热风炉在换炉时均将热风炉内高压和高温气体排放到烟道，然后经大烟囱排空，这不仅在排放的过程中产生噪音，同时也造成了高温、高压气体的浪费。为此，可采用相应的热风炉余热余压回收技术。而对高炉煤气余热利用主要是转成富热煤气，或者利用煤气中的CO制成草酸、炭黑的化工产品；对炉顶一次、二次均压放散的煤气进行回收等。此外可采用TRT工艺利用炉顶高压余压进行发电。
四、结语
高炉区段是钢铁生产流程中物质流输入输出种类和量最多的区段，同时又是联接高温物质流运行的重要区段。对区段物质流运行及热能利用进行优化，尤其是铁水输送与处理过程的优化是影响铁水预处理铁水到站温度和转炉冶炼节奏的重要因素。经高炉热平衡分析发现，在实现炼铁工艺节能中，其主要方向为减少一次能源的消耗和加强二次能源的回收与利用，即在减少能源消耗的同时实现余热、余压的回收利用，进而提高冶炼企业的经济效益。
参考文献
[1] 王秀英.承钢2500m3高炉热平衡测算与节能探讨[J].河北冶金，2014（8）.
[2] 刘娟利.高炉热平衡分析炼铁工艺的节能方向[J].科技传播，2014（11）.