·504· 工程科学学报，第37卷，第4期 还原度的影响如图4.从图中可见最终铁矿石的还原 100 0 度随鼓风氧气含量和上部循环煤气流量的减少而降 8女 -0 低.与传统高炉相比，氧气高炉工艺采用常温氧气鼓 99 风，并取消传统热风炉，因此需要循环预热煤气补充炉 98 内热量.氧气含量和循环煤气流量偏低时，炉内所需 热量无法得到充分补充，影响铁矿石的还原效果.当 97 氧气含量和上部循环煤气流量低到一定程度时，底部 96 铁矿石还原度会低于99%，大量未还原铁氧化物进入 -g-m=500m 炉渣，氧气高炉的铁矿石还原效果较差.为了保证氧 95 气高炉有较好的铁矿石还原效果（下部铁矿石还原度 60 6 707580 85 90 大于99%)，在之后的参数分析中，将鼓风氧气摩尔分 鼓风氧气摩尔分数% 数设定在80%~99%范围内，上部循环煤气流量设定 图4氧气含量和上部循环煤气流量对底部铁矿石还原度的影响 在300~500m31范围内. Fig.4 Effect of oxygen concentration and upper gas volume on re- duction degree of ore at main tuyeres level 2.2氧气高炉工艺关键参数的影响 基于气固换热与反应动力学的高炉一维模型，选 79.2%.提高上部循环煤气流量会消耗掉大量的炉顶 定传统高炉和九种典型氧气高炉工况条件，计算获得 煤气来预热和循环，使得外供煤气量大幅减少，甚至还 主要工艺参数如表5.可以看出：氧气含量和上部循环 会需要外购燃料预热循环煤气.当氧气摩尔分数为 煤气流量的增加可以有效提高炉顶煤气和循环煤气的 90%,上部循环煤气流量为500m31,或氧气摩尔分 还原性，降低全炉的直接还原度：与传统高炉相比，氧 数为99%，上部循环煤气流量大于等于400m3t时， 气高炉工况条件的直接还原度可以降低55.2%~ 都没有可以外供的炉顶煤气 表5传统高炉与氧气高炉的主要工艺参数 Table 5 Key process parameters of the conventional blast fumace and the oxygen blast fumace VI V21 循环煤气成分 1 2/ 1 序号 % (m3t-l)(m3t1) 体积比② (m3.t-1) 炉项煤气成分② (m3t-1) % 0 22 1318 一 1750 23.2:20.1:2.1:1.1:53.5④ 1473 41.8 1 80 300 269 56.1:5.6:10.6:28.0③ 1204 36.9:33.9:7.0:3.8:18.4④ 127 18.7 80 400 269 54.5:4.8:10.1:30.68 1300 36.7:32.1:6.8:3.7:20.6④ 68 17.3 3 80 500 269 53.4:4.4:9.6:32.5③ 1395 36.8:30.6:6.6:3.6:22.4④ 20 16.8 90 300 239 64.9:5.7:12.4:16.98 1170 41.0:36.2:7.9:4.1:10.8④ 74 16.9 5 90 400 239 63.0:5.3:11.8:19.9③ 1262 41.0:34.4:7.6:4.1:12.9④ 11 15.1 6 90 500 239 61.8:4.8:11.1:22.23 1357 41.3:32.4:7.4:4.0:14.93 0 13.5 99 300 217 76.6:6.3:14.72.4③ 1132 46.6:38.3:8.9:4.6:1.5④ 15 12.0 8 99 400 217 77.0:5.8:14.0:3.2③ 1225 48.2:36.4:8.7:4.6:2.0④ 0 9.3 9 99 500 217 77.6:5.3:13.2:3.9③ 1318 50.0:34.4:8.5:4.4:2.6④ 0 87 注：①预设值：②计算值：③C0:C02:H2:N2:④C0:C02:H2:H2O:N2 上部循环煤气流量为400m·t时，氧气含量对 氧气摩尔分数为99%时，上部循环煤气流量对炉 炉内温度、组分及还原度分布的影响如图5.可以看 内温度、组分及还原度分布的影响如图6.可以看出， 出：当氧气摩尔分数由80%提高到99%时，全炉温度 当上部循环煤气流量由300m3·t提高到500m3t 都会有所提高，下排风口处固体温度提高了113K,炉 时，上部固体温度会有明显提高，炉料软融开始位置提 料软融开始位置(1573K处)提高0.34m(L,),炉料软 高了0.22m(13),热滞留区（固体温度在1173K和 融相变会更早开始；全炉气体C0摩尔分数可以提高 1273K之间)的距离由3.12m(l)提高到4.17m(l,): 18.5%~31.2%,其中下排风口处气体C0摩尔分数 炉内上部区域气体C0含量有所提高，其中炉顶气体 提高18.5%，炉顶气体C0摩尔分数提高31.2%，全炉 C0摩尔分数提高了7.5%：铁矿石还原完成位置提高 气体的还原性得到加强：全炉范围的铁矿石还原度都 了0.83m(l。),全炉还原速度有所提高. 会有所提高，其中铁矿石还原完成位置提高1.50m 氧气含量和上部循环煤气流量对风口燃烧温度和 (2),全炉还原速度更快，铁矿石全部还原更早完成 炉顶煤气温度的影响如图7.可以看出，氧气摩尔分数工程科学学报，第 37 卷，第 4 期 还原度的影响如图 4． 从图中可见最终铁矿石的还原 度随鼓风氧气含量和上部循环煤气流量的减少而降 低． 与传统高炉相比，氧气高炉工艺采用常温氧气鼓 风，并取消传统热风炉，因此需要循环预热煤气补充炉 内热量． 氧气含量和循环煤气流量偏低时，炉内所需 热量无法得到充分补充，影响铁矿石的还原效果． 当 氧气含量和上部循环煤气流量低到一定程度时，底部 铁矿石还原度会低于 99% ，大量未还原铁氧化物进入 炉渣，氧气高炉的铁矿石还原效果较差． 为了保证氧 气高炉有较好的铁矿石还原效果( 下部铁矿石还原度 大于 99% ) ，在之后的参数分析中，将鼓风氧气摩尔分 数设定在 80% ～ 99% 范围内，上部循环煤气流量设定 在 300 ～ 500 m3 ·t － 1范围内． 2. 2 氧气高炉工艺关键参数的影响 基于气固换热与反应动力学的高炉一维模型，选 定传统高炉和九种典型氧气高炉工况条件，计算获得 主要工艺参数如表 5． 可以看出: 氧气含量和上部循环 煤气流量的增加可以有效提高炉顶煤气和循环煤气的 还原性，降低全炉的直接还原度; 与传统高炉相比，氧 气高炉工况条件的直接还原度可以降低 55. 2% ～ 图 4 氧气含量和上部循环煤气流量对底部铁矿石还原度的影响 Fig． 4 Effect of oxygen concentration and upper gas volume on re￾duction degree of ore at main tuyeres level 79. 2% ． 提高上部循环煤气流量会消耗掉大量的炉顶 煤气来预热和循环，使得外供煤气量大幅减少，甚至还 会需要外购燃料预热循环煤气． 当氧气摩尔分数为 90% ，上部循环煤气流量为 500 m3 ·t － 1，或氧气摩尔分 数为 99% ，上部循环煤气流量大于等于 400 m3 ·t － 1时， 都没有可以外供的炉顶煤气． 表 5 传统高炉与氧气高炉的主要工艺参数 Table 5 Key process parameters of the conventional blast furnace and the oxygen blast furnace 序号 xO2 / % V① up / ( m3 ·t － 1 ) V② b / ( m3 ·t － 1 ) 循环煤气成分 体积比② V② top / ( m3 ·t － 1 ) 炉顶煤气成分② V② out / ( m3 ·t － 1 ) r ② d / % 0 22 — 1318 — 1750 23. 2∶ 20. 1∶ 2. 1∶ 1. 1∶ 53. 5④ 1473 41. 8 1 80 300 269 56. 1∶ 5. 6∶ 10. 6∶ 28. 0③ 1204 36. 9∶ 33. 9∶ 7. 0∶ 3. 8∶ 18. 4④ 127 18. 7 2 80 400 269 54. 5∶ 4. 8∶ 10. 1∶ 30. 6③ 1300 36. 7∶ 32. 1∶ 6. 8∶ 3. 7∶ 20. 6④ 68 17. 3 3 80 500 269 53. 4∶ 4. 4∶ 9. 6∶ 32. 5③ 1395 36. 8∶ 30. 6∶ 6. 6∶ 3. 6∶ 22. 4④ 20 16. 8 4 90 300 239 64. 9∶ 5. 7∶ 12. 4∶ 16. 9③ 1170 41. 0∶ 36. 2∶ 7. 9∶ 4. 1∶ 10. 8④ 74 16. 9 5 90 400 239 63. 0∶ 5. 3∶ 11. 8∶ 19. 9③ 1262 41. 0∶ 34. 4∶ 7. 6∶ 4. 1∶ 12. 9④ 11 15. 1 6 90 500 239 61. 8∶ 4. 8∶ 11. 1∶ 22. 2③ 1357 41. 3∶ 32. 4∶ 7. 4∶ 4. 0∶ 14. 9④ 0 13. 5 7 99 300 217 76. 6∶ 6. 3∶ 14. 7∶ 2. 4③ 1132 46. 6∶ 38. 3∶ 8. 9∶ 4. 6∶ 1. 5④ 15 12. 0 8 99 400 217 77. 0∶ 5. 8∶ 14. 0∶ 3. 2③ 1225 48. 2∶ 36. 4∶ 8. 7∶ 4. 6∶ 2. 0④ 0 9. 3 9 99 500 217 77. 6∶ 5. 3∶ 13. 2∶ 3. 9③ 1318 50. 0∶ 34. 4∶ 8. 5∶ 4. 4∶ 2. 6④ 0 8. 7 注∶ ①预设值; ②计算值; ③ CO∶ CO2 ∶ H2 ∶ N2 ; ④CO∶ CO2 ∶ H2 ∶ H2O∶ N2 ． 上部循环煤气流量为 400 m3 ·t － 1 时，氧气含量对 炉内温度、组分及还原度分布的影响如图 5． 可以看 出: 当氧气摩尔分数由 80% 提高到 99% 时，全炉温度 都会有所提高，下排风口处固体温度提高了 113 K，炉 料软融开始位置( 1573 K 处) 提高 0. 34 m( l1 ) ，炉料软 融相变会更早开始; 全炉气体 CO 摩尔分数可以提高 18. 5% ～ 31. 2% ，其中下排风口处气体 CO 摩尔分数 提高 18. 5% ，炉顶气体 CO 摩尔分数提高 31. 2% ，全炉 气体的还原性得到加强; 全炉范围的铁矿石还原度都 会有所提高，其中铁矿石还原完成位置提高 1. 50 m ( l2 ) ，全炉还原速度更快，铁矿石全部还原更早完成． 氧气摩尔分数为 99% 时，上部循环煤气流量对炉 内温度、组分及还原度分布的影响如图 6． 可以看出， 当上部循环煤气流量由 300 m3 ·t － 1提高到 500 m3 ·t － 1 时，上部固体温度会有明显提高，炉料软融开始位置提 高了 0. 22 m( l3 ) ，热滞 留 区( 固 体 温 度 在 1173 K 和 1273 K 之间) 的距离由 3. 12 m( l4 ) 提高到 4. 17 m( l5 ) ; 炉内上部区域气体 CO 含量有所提高，其中炉顶气体 CO 摩尔分数提高了 7. 5% ; 铁矿石还原完成位置提高 了 0. 83 m( l6 ) ，全炉还原速度有所提高． 氧气含量和上部循环煤气流量对风口燃烧温度和 炉顶煤气温度的影响如图 7． 可以看出，氧气摩尔分数 · 405 ·