1582 工程科学学报，第43卷，第12期 秦民生等I建立了FOBF工艺高炉炼铁过程 率和低的燃料消耗.但有一点需要特别注意，由于 综合数学模型，全面解析了FOBF工艺的运行状 含铁炉料的还原速度大幅度提高，容易导致炉料 态.文献[36)]建立了氧气高炉能量转化模型，对氧 低温还原粉化的加剧5，在今后的氧气高炉操作 气高炉炉顶煤气热值、外供煤气量、喷煤量的影 中需要采取相应措施以减轻还原粉化所造成的负 响因素进行了模拟计算.此后，Zhang等B叨、韩毅 面影响， 华等B8-判、陈永星【oI以FOBF、OCF工艺为基础， 2.2.2含铁炉料的软熔 根据炉顶煤气是否脱除CO2、是否预热、采用一排 炉料软熔行为因是影响高炉操作的重要因素 还是两排风口喷吹为研究变量，对氧气高炉流程 而备受关注.软熔带的位置、形状和厚度对高炉 进行了系统对比研究.结果发现，采用炉缸和炉身 运行有着显著影响，它决定了高炉内还原介质和 两排风口喷吹加热到900℃的脱除CO,的炉顶煤 热量的分布状况.而氧气高炉条件下软熔带可能 气是较为优化的工艺方案.相比传统高炉，单排风 会变薄甚至消失.An等s发现氧气高炉条件下矿 口和两排风口喷吹循环煤气工艺的CO,排放量分 石开始软熔温度显著增加，软熔温度区间减小及 别达到45.91%和49.02%，燃料比降低22.9%，并且 软熔带气流阻损系数减小，因此软熔带将变得越 明确了增加循环煤气量，提高循环煤气温度有利 来越低，越来越薄甚至消失，因而氧气高炉料柱的 于降低高炉燃料比，减少CO2排放.韩毅华还 透气性得到了明显提高.Zhang等s通过模拟传 对包括FOBF在内的几种典型氧气高炉工艺进行 统高炉和氧气高炉条件下的高温反应实验，研究 了总结，发现典型流程均采用从外部向炉身补充 了烧结矿、球团矿及混合炉料的软化和熔融行为. 煤气和热量的方式解决“上凉”，FOBF、OCF和 结果表明，与传统高炉相比，氧气高炉中烧结矿和 NKK流程则采用化学反应吸热的方式解决“下 球团的软化区变宽，而熔化区变窄.烧结矿和球团 热”的问题，而W-KLu和Fik流程采用物理吸热 的透气性均得到改善，混合炉料的软化区间温度 解决“下热”难题.几种工艺中FOBF工艺流程的 扩大了63K,而熔融区的温度收窄了76K,炉料的 间接还原度最高，焦比最低，燃料比最低.因此，包 透气性得到了显着提高 括TGR-OBF等后续进一步深入研究并进人工程 潘玉柱5网研究了氧气高炉气氛下的不同预还 技术开发的流程基本依据FOBF流程变化而来 原度含铁炉料的软熔行为，获得了软化开始温度 2.2炉内反应研究 T10%(样品收缩10%时的温度)、软化结束温度即 2.2.1高还原势条件下含铁炉料的还原 熔融开始温度Tm、滴落温度Ta、最大压差△Pmax 炉顶煤气循环氧气高炉工艺的明显特征是煤 和熔滴性能特征值S等指标，结果如图3所示.与 气中的CO、H2分压加大，煤气还原势提高.高还 传统高炉对比，氧气高炉气氛下炉料的软化区间 原势煤气条件下的含铁炉料的还原反应与交互作 变宽，熔融区间变窄，软熔带的厚度变窄且位置下 用及其对高炉操作过程影响始终是研究的重点. 移，有利于炉料透气性的提高.在此基础上建立了 以Zhang等、Lan等2和Han等1为代表 软熔带区域模型，对不同工况条件下的软熔带压 的研究者发现，与传统高炉相比，氧气高炉条件下 差及煤气流分布进行解析. 含铁炉料的开始还原温度降低，还原速度加快，间 22.3回旋区内煤粉燃烧 接还原度提高.Zhang等I进行了TGR-OBF条件 回旋区内的煤粉燃烧状态是影响燃烬率、炉 下的含铁炉料还原研究，结果表明氧气高炉炉腹 缸热状态及初渣流动的重要因素.为此，学者们针 煤气明显提高了炉身炉料的还原程度，铁矿石还 对不同燃烧条件下的煤粉燃烧及燃烬率提高措施 原度可达到90%以上，炉料在高炉中的停留时间 开展了大量研究 缩短，生产率提高.Lan等]和Han等1发现在 Chai等s阿通过自主搭建设备获得了氧气高炉 氧气高炉气氛下，烧结矿的还原度和还原速度显 条件下喷吹煤粉燃烧速率，并通过数学推导建立 著提高，在900℃下还原117min时还原度(RI)达 了喷吹煤比与氧碳比的关系（图4）.实验结果表 到98.2%，而传统高炉气氛中还原180min时， 明，随着氧碳比的增加，燃烧条件变好，煤粉的燃 RI仅为88.3%.多位研究者从不同角度对氧气高 烬率增加.在研究的四种煤粉中，C煤的可燃性最 炉条件下的炉料变化进行了系统研究“0，取得 好，当喷煤量为每吨铁350kg时，燃烬率达到79%. 的研究成果均表明氧气高炉含铁炉料还原速度加 Li等5使用微流化床动力学分析仪(MFBKA)研 快，还原度提高，有利于氧气高炉获得高的生产效 究了两相流中粉煤燃烧的动力学特性，发现表观秦民生等[33] 建立了 FOBF 工艺高炉炼铁过程 综合数学模型，全面解析了 FOBF 工艺的运行状 态. 文献 [36] 建立了氧气高炉能量转化模型，对氧 气高炉炉顶煤气热值、外供煤气量、喷煤量的影 响因素进行了模拟计算. 此后，Zhang 等[37]、韩毅 华等[38−39]、陈永星[40] 以 FOBF、OCF 工艺为基础， 根据炉顶煤气是否脱除 CO2、是否预热、采用一排 还是两排风口喷吹为研究变量，对氧气高炉流程 进行了系统对比研究. 结果发现，采用炉缸和炉身 两排风口喷吹加热到 900 ℃ 的脱除 CO2 的炉顶煤 气是较为优化的工艺方案. 相比传统高炉，单排风 口和两排风口喷吹循环煤气工艺的 CO2 排放量分 别达到 45.91% 和 49.02%，燃料比降低 22.9%，并且 明确了增加循环煤气量，提高循环煤气温度有利 于降低高炉燃料比，减少 CO2 排放. 韩毅华[38] 还 对包括 FOBF 在内的几种典型氧气高炉工艺进行 了总结，发现典型流程均采用从外部向炉身补充 煤气和热量的方式解决“上凉” ， FOBF、 OCF 和 NKK 流程则采用化学反应吸热的方式解决“下 热”的问题，而 W-K Lu 和 Fink 流程采用物理吸热 解决“下热”难题. 几种工艺中 FOBF 工艺流程的 间接还原度最高，焦比最低，燃料比最低. 因此，包 括 TGR−OBF 等后续进一步深入研究并进入工程 技术开发的流程基本依据 FOBF 流程变化而来. 2.2    炉内反应研究 2.2.1    高还原势条件下含铁炉料的还原 炉顶煤气循环氧气高炉工艺的明显特征是煤 气中的 CO、H2 分压加大，煤气还原势提高. 高还 原势煤气条件下的含铁炉料的还原反应与交互作 用及其对高炉操作过程影响始终是研究的重点. 以 Zhang 等[41]、Lan 等[42] 和 Han 等 [43] 为代表 的研究者发现，与传统高炉相比，氧气高炉条件下 含铁炉料的开始还原温度降低，还原速度加快，间 接还原度提高. Zhang 等[41] 进行了 TGR−OBF 条件 下的含铁炉料还原研究，结果表明氧气高炉炉腹 煤气明显提高了炉身炉料的还原程度，铁矿石还 原度可达到 90% 以上，炉料在高炉中的停留时间 缩短，生产率提高. Lan 等[42] 和 Han 等 [43] 发现在 氧气高炉气氛下，烧结矿的还原度和还原速度显 著提高，在 900 ℃ 下还原 117 min 时还原度（RI）达 到 98.2%，而传统高炉气氛中还 原 180  min 时 ， RI 仅为 88.3%. 多位研究者从不同角度对氧气高 炉条件下的炉料变化进行了系统研究[44−50] ，取得 的研究成果均表明氧气高炉含铁炉料还原速度加 快，还原度提高，有利于氧气高炉获得高的生产效 率和低的燃料消耗. 但有一点需要特别注意，由于 含铁炉料的还原速度大幅度提高，容易导致炉料 低温还原粉化的加剧[51] ，在今后的氧气高炉操作 中需要采取相应措施以减轻还原粉化所造成的负 面影响. 2.2.2    含铁炉料的软熔 炉料软熔行为因是影响高炉操作的重要因素 而备受关注. 软熔带的位置、形状和厚度对高炉 运行有着显著影响，它决定了高炉内还原介质和 热量的分布状况. 而氧气高炉条件下软熔带可能 会变薄甚至消失. An 等[52] 发现氧气高炉条件下矿 石开始软熔温度显著增加，软熔温度区间减小及 软熔带气流阻损系数减小，因此软熔带将变得越 来越低，越来越薄甚至消失，因而氧气高炉料柱的 透气性得到了明显提高. Zhang 等[53] 通过模拟传 统高炉和氧气高炉条件下的高温反应实验，研究 了烧结矿、球团矿及混合炉料的软化和熔融行为. 结果表明，与传统高炉相比，氧气高炉中烧结矿和 球团的软化区变宽，而熔化区变窄. 烧结矿和球团 的透气性均得到改善，混合炉料的软化区间温度 扩大了 63 K，而熔融区的温度收窄了 76 K，炉料的 透气性得到了显着提高. 潘玉柱[54] 研究了氧气高炉气氛下的不同预还 原度含铁炉料的软熔行为，获得了软化开始温度 T10%（样品收缩 10% 时的温度）、软化结束温度即 熔融开始温度 Tm、滴落温度 Td、最大压差 ΔPmax 和熔滴性能特征值 S 等指标，结果如图 3 所示. 与 传统高炉对比，氧气高炉气氛下炉料的软化区间 变宽，熔融区间变窄，软熔带的厚度变窄且位置下 移，有利于炉料透气性的提高. 在此基础上建立了 软熔带区域模型，对不同工况条件下的软熔带压 差及煤气流分布进行解析. 2.2.3    回旋区内煤粉燃烧 回旋区内的煤粉燃烧状态是影响燃烬率、炉 缸热状态及初渣流动的重要因素. 为此，学者们针 对不同燃烧条件下的煤粉燃烧及燃烬率提高措施 开展了大量研究. Chai 等[55] 通过自主搭建设备获得了氧气高炉 条件下喷吹煤粉燃烧速率，并通过数学推导建立 了喷吹煤比与氧碳比的关系（图 4）. 实验结果表 明，随着氧碳比的增加，燃烧条件变好，煤粉的燃 烬率增加. 在研究的四种煤粉中，C 煤的可燃性最 好，当喷煤量为每吨铁 350 kg 时，燃烬率达到 79%. Li 等[56] 使用微流化床动力学分析仪 (MFBKA) 研 究了两相流中粉煤燃烧的动力学特性，发现表观 · 1582 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期