梁南山

（涟源钢铁有限公司）

摘  要  根据某公司2026年1-3月的实际生产作业数据，使用数据分析工具研究了各高炉理论燃烧温度（Tf）对其它操作参数、渣铁成分、高炉冷却壁温度、炉底炉缸温度等方面的影响。研究表明：Tf显著影响高炉的压差与炉顶温度，对炉渣S及生铁Si、Ti含量影响较大，对冷却壁及炉底炉缸温度的影响通常因高炉状况而异。指出应根据稳定炉况所要求的压差来控制相应的Tf，并根据各高炉自身特性去合理调控Tf。

关键词  高炉  富氧  理论燃烧温度 

1  前言

高炉富氧鼓风是现代高炉炼铁技术中强化冶炼的重要技术手段。提高高炉富氧率可以有效提高高炉产量和喷煤量，提升高炉生产的综合经济性。为进一步提高高炉产能，某公司投资建设了两套变压吸附制氧装置，其中与Ｂ高炉配套的变压吸附制氧装置于2020年11月投运，与Ａ、Ｃ高炉配套的变压吸附制氧装置则于2022年3月投运，高炉的富氧及生铁产量由此得到了较大的提升。

采用高富氧后随之带来一系列问题,其中最明显的就是理论燃烧温度的急剧升高。根据文献资料［1］， 在不考虑其他因素对理论燃烧温度的影响的条件下,富氧率与理论燃烧温度（Tf）呈线性关系,富氧率fo每增加1%,Tf升高约30.6℃ ;鼓风湿度每提高1%,Tf降低4.6℃ ;喷煤量每提高10 kg/t,Tf降低约6℃。

理论燃烧温度国外通常以RAFT（Raceway Adiabatic Flame Temperature）来表示，他们对其有着较为明确的控制要求（见图1），即要求RAFT不低于2050℃同时确保高炉炉顶温度不低于110℃，富氧率应与喷煤率的大小相适应。国外的经验值是：每吨生铁每添加10 kg的额外煤粉，高炉产量会降低约2.5%，同时RAFT也会下降约32 ℃。国外高炉RAFT通常在2000－2300℃的范围内［2］。而该公司高炉目前的Tf则经常性地处在2400℃以上的较高水平。当然，其中有部分原因就是国外喷煤对RAFT的影响取值远高于国内。

国内对高炉风口前理论燃烧温度通常以Tf表示，其计算方法各有差异，对其认识也存在迥然不同的观点。有文献指出［3］，高炉风口前Tf提高以后，一是炉内煤气压差升高，使炉内尤其是炉腹部位炉料下降的条件明显恶化，反应出来即高炉上部压差较高；二是炉子下部温度过高，会使 Si O 大量还原并挥发，煤气将它带往上部，并且在炉腹凝聚在焦块间隙分解成固态，大大恶化了料柱的透气性，高炉下部压差升高，严重时造成炉子难行，并发展为恶性悬料。而文献［4］根据首钢 A、B 高炉的生产数据进行统计整理得出风口前Tf不能完全表征炉缸热状态，风口前Tf高时铁水温度和铁水［Si］含量不一定很高，用铁水温度来表征炉缸热状态可能更合适。马钢马琦琦等人则认为在生产中Tf只能作为判断炉缸热状态的一个重要指标参数，而不是单纯依据Tf的高低判断炉况的顺行与否［5］。故该公司各高炉主控画面上虽然也显示了Tf，但许多高炉操作者对其并不是特别在意。

该公司高炉伴随着富氧率从5%以下提高到9%左右，Tf大幅提高，其波动幅度也显著加大，高炉炉况的稳定性相比原来低富氧条件下也有些变差，高炉频繁出现崩塌料及炉墙结厚等现象（如图2）。

为探求高富氧条件下Tf对高炉操作的实际影响，特收集整理了该公司三座高炉2026年1－3月的实际生产作业数据，运用数据分析工具来研究Tf对高炉操作的具体影响，以期更好地为高炉稳定提供参考。

2  Tf的计算

高炉的理论燃烧温度（Tf）是指燃料在风口区不完全燃烧，燃料和鼓风所含热量及燃烧反应放出的热量全部传给燃烧产物时所能达到的温度。Tf若按纯理论计算相对比较繁杂，故世界各国炼铁工作者对Tf多采用经验公式进行计算，许多人在基本公式的基础上提出过各种修正公式［6-7］。但基本上都是以风温、鼓风湿度、喷煤、富氧等几个关键操作参数作为变量来计算的。如武钢在多年的生产中一般采用下列公式对所有高炉的Tf计算［8］：

Tf＝1563 +0.794Tb-1.34PCI-6Moi+40.3O2        (1) 

式中，Tb 为风温，℃； PCI 为煤比，kg/t； Moi 为加湿量，g/m3；O2为富氧率，%。

而该公司高炉则是基本参照武钢陈令坤等人针对武钢5号高炉风口前Tf的在线计算研究所得的新回归公式Tf＝1488 +0.725TＢ-4.6ＨＢ+3379ＶＯ2-1309Ｖcoal［8］，具体采用以下公式计算高炉的Tf，并在高炉主控屏幕上予以实时显示：

Tf＝1488+热风总管(围管前)热风温度*0.725+[(富氧之和/冷风流量温压补偿)*56.3167]-[(喷吹率/冷风流量温压补偿)*2181.667]-选择湿度(分为自动计算湿度和手动输入湿度)*4.6

（式中单位：热风温度℃，富氧之和m3/h, 湿度g/m3, 喷吹率t/h, 冷风流量m3/min.）

从这些国内Tf计算的经验公式来看，大多沿袭了文献[1]的数据，普遍对喷煤影响Tf的赋值严重偏低，从而造成计算出的Tf值相比国外的ＲＡＦＴ普遍偏高。当然，国内也有研究文献指出，对烟煤，喷煤比每提高１０ｋｇ，理论燃烧温度降低约 ３０℃；对 于 无 烟 煤，则 理 论 燃 烧 温 度 降 低约２０～２５℃，即随着喷煤量提高，烟煤的理论燃烧温度降低幅度大于无烟煤[9]。但并没有被绝大多数钢铁企业采用。

该公司三座高炉中仅有Ｂ高炉安装了鼓风湿度在线检测装置，另外两座高炉的鼓风湿度则是参照Ｂ高炉显示的大气湿度由主控室人员手工输入数据，用以计算Tf。根据该公司所处地方的气候变化特点，其同一天中昼夜湿度在夏秋高温季节通常会存在约4-5 g/m3的变化，而在冬春低温季节则仅有2 g/m3左右的变化，Ａ、Ｃ高炉显示的Tf可能会存在10-20℃的偏差。因此，虽然采用的计算方法相同，但三座高炉的Tf以Ｂ高炉显示的较为准确。

3  Tf对高炉其它操作参数的影响

为研究Tf对高炉的相关影响，考虑到冬春低温季节大气湿度较低且变化不大，特从各高炉二级机上收集了该公司三座高炉2026年1月1日-3月23日的小时级作业数据，同时从检化验系统中收集三座渣铁成分数据。由于各种数据的取样频次不一致，如铁水每个炉次都取样，而炉渣则每班仅取2个样，故将各种数据都按日平均值进行统计，再通过这些数据之间的关系来研究Tf对高炉的影响。

表1列出了2026年1－3月该公司三座高炉Tf与其它主要操作参数的相关系数。因Tf是以风温、鼓风湿度、喷煤、富氧、风量等几个关键操作参数作为变量计算出来的，故Tf与这几个参数均具有较高的相关系数是理所当然的。但除了与这几个参数密切相关的高炉主要操作指标之外，从表１中我们可以看出Tf对三座高炉共有的显著影响：

（1）Tf与高炉压差具有很高的正相关系数，这意味着过高的Tf极易带来较高的压差，从而给高炉的顺行造成影响。

（2）Tf与高炉炉顶温度具有很大的负相关系数，这意味着过高的Tf极易造成高炉炉顶温度偏低，从而影响炉料在炉内的充分预热，并可能影响着高炉煤气的处理。

鉴于Ｂ高炉Tf的数据较为准确，特选取Ｂ高炉的小时级数据（剔除掉因休风等因素所造成的压差100ＫＰa以下的异常数据）来进一步分析Tf对高炉压差及炉顶温度的影响及其适宜的控制范围。

图3、图4分别为该公司Ｂ高炉2026年1-3月压差、顶温与Tf的关系图。从中可知：

（1）当Tf较低时，高炉压差也通常较低，变化的范围也较宽，高炉抗气流波动的能力也比较强。而当Tf较高时，高炉压差变高，变化范围也变窄，高炉抵抗气流波动的能力也就相对变弱。根据图3中的关系式，其压差Y=-1.946X2+99.23X-1056(其中的Ｘ＝Tf/100),该公司Ｂ高炉若要维持基本稳定的200ＫPa压差操作,其适宜的Tf应控制在2340℃以下；若要维持更低的195ＫPa压差操作，其适宜的Tf应控制在2290℃左右。

（2）高炉炉顶温度有伴随Tf的升高而加速下降的趋势，且在Tf较低时具有较宽的变化范围，在Tf较高时变化范围显著收窄。根据图4中的关系式，该公司Ｂ高炉若要维持较佳的150℃顶温操作,其Tf可控制在2420℃左右；若参照国外要求按110℃顶温操作，其最高Tf可控制在2560℃以下。

由此可见，若Tf能够满足压差控制的要求，通常也就能够达到炉顶温度的控制要求。鉴于压差过高极易引发炉况失常，因此各高炉应主要根据稳定炉况所要求的压差来控制相应的Tf。按Ｂ高炉同样的方式，可得到Ａ高炉压差与Tf的关系式为Y=-1.127X2+62.01X-666(其中的Ｘ＝Tf/100)，Ｃ高炉压差与Tf的关系式为Y=-2.86X2+135.5X-1447(其中Ｘ＝Tf/100)。各高炉可据此根据各自高炉正常的操作压差算出相适应的Tf值。当高炉压差较正常压差偏高时，应注意及时采取降低富氧量或增加喷煤量等手段去降低Tf。

同时从表1中也可看出：Tf对一些操作参数的影响会因高炉而异。比如对煤气利用率的影响，在Ａ高炉上它表现出极高的正相关系数，而在Ｃ高炉上却表现出较低的负相关系数。这表明通过提高Tf来改善煤气利用显然只会对部分高炉有效，而在有些高炉上甚至还会降低煤气利用。而对冷却壁水温差的影响，在Ｂ高炉上它表现出极高的正相关系数，在Ｃ高炉上却表现出极低的相关系数。这表明不同高炉之间因布料方式、外环炉料结构以及冷却壁壁上粘结物特性等的不同，Tf对煤气利用、冷却水温差的影响在不同高炉之间迥异。

4  Tf对高炉渣铁成分的影响

表2列出了2026年1－3月该公司三座高炉Tf与渣铁成分的相关系数，从中可以看出：

（1）各高炉炉渣成分与Tf的相关系数存在着较大的差异且绝大多数相关系数较低。这表明炉渣成分主要受各高炉自身原料条件的影响，Tf的高低对其炉渣特性影响不大。但三座高炉中，炉渣中的硫含量都与Tf具有相对较高的负相关系数，这表明Tf过高将不利于炉渣将硫带出炉外，加剧硫在高炉内的循环。

（2）各高炉生铁成分中，Ti、Si与Tf均存在着较高的负相关系数。这表明Tf对炉内Ti、Si氧化物的还原有着较大的影响，过高的Tf将不利于Ti、Si氧化物被还原进入铁水。其它生铁成分与Tf的相关系数中，各高炉之间差异很大，这表明Tf对其它生铁成分不构成显著影响。特别值得指出的是：Tf与铁水物理温度Ｔm之间的相关系数不是很高且各高炉之间差异较大。在中修后新近开炉的Ａ高炉上相关系数相对高一些，而在炉役期较长的Ｂ、Ｃ高炉上相关系数则很低。这表明铁水物理温度Ｔm更多地受炉内贮热量的影响，Tf对其不构成决定性影响。

5  f对高炉冷却壁温度的影响

高炉在实际生产过程中，操作炉型主要受原燃料条件、送风制度、热制度及造渣制度等因素的影响不断的变化，高炉操作炉型会发生黏结或渣皮脱落等变化，对高炉顺行造成很大的影响，严重的渣皮脱落，还会导致冷却壁大面积的损坏。控制合理的操作炉型对高炉的长期稳定顺行和技术经济指标的提高至关重要。一般将高炉生产过程中炉内煤气流和料流速度顺利、炉体温度分布合理、高炉生产指标达到最佳状态、高炉长期稳定顺行、长寿状态下的炉型称为合理操作炉型[10]。对操作炉型反应最为直接的无疑是冷却壁温度的变化。

    为了更全面地评价冷却壁壁温度与操作炉型之间的关系，除了统计了各高炉各段冷却壁各测点温度的平均值，还统计了各高炉各段冷却壁各测点温度之间的标准偏差，用以评估炉型在高炉周向上的均匀性。

表3列出了2026年1－3月该公司三座高炉Tf与各段冷却壁温度均值及标准差的相关系数，从中可以看出：

（1）各段冷却壁温度及标准差与Tf的相关系数在各高炉之间存在着巨大的差异。表现为Tf对Ａ、Ｂ高炉风口以上中下部冷却壁的影响比较显著，而对Ｃ高炉的影响较小。Ｃ高炉仅最上第16段冷却壁与Tf具较高的负相关系数。从该公司多年来的高炉历史看，该公司Ａ、Ｂ高炉都出现过炉墙结厚乃至结瘤的情况，而该公司Ｃ高炉自首次炉役开炉至今从来都没有出现过炉墙结厚与结瘤的情况，而且其冷却水温差长期以来通常也要高于Ａ、Ｂ高炉。这主要是由于每座高炉槽下各仓的布置与安排不同，炉料转运的途径与方式也存在不同，装料的程序也不尽相同，最终分布于炉内的炉料也会不同。特别是实际分布于外环的炉料，它对冷却壁上形成渣皮保护层具有重要影响[11]。而Ａ、Ｂ高炉之间也存在着较大的差异，Tf在Ａ高炉上表现为对其炉腹、炉腰、炉身下部三段铜冷却壁的影响较为显著，而在Ｂ高炉上表现为对其炉身下部第7段铜冷却壁及炉身中部8-12段铸铁冷却壁的影响较为显著。且表现为这些部位的冷却壁温度将随着Tf的升高而升高。这可能主要是由于Ａ、Ｂ高炉采用的布料方式不同所导致的，因为Ａ高炉自1月初中修开炉以来主要采用平台+漏斗的布料模式，而Ｂ高炉主要采用中心加焦的布料模式，这导致两者的软融带根部位置存在差异。同时Tf的升高亦将造成Ａ、Ｂ高炉炉身中下部冷却壁各测温点之间的标准差变大，这意味着容易造成这两座高炉中部煤气流分布的失衡，相对容易产生边缘管道行程。

（2）当然，Tf对三座高炉的冷却壁也有比较一致的影响，那就是三座高炉最上层冷却壁各点温度的标准差均会伴随Tf的升高而降低。这主要是由于Tf升高之后，通常高炉上部煤气温度均会降低，最上层冷却壁各点温度之间的偏差自然也会降低。

6  Tf对炉底炉缸温度的影响

高炉炉底炉缸的工作状态对高炉长寿意义重大，其温度测点分布众多。为研究Tf对炉底炉缸温度的影响，特统计了各部位测点的温度，并剔除那些明显异常的测点数据，为简化起见，在此仅列出了各标高部位的测点平均温度与Tf之间的相关系数，如表4。

表4列出了2026年1－3月该公司三座高炉Tf与炉底炉缸温度的相关系数，从中可以看出：

（1）各标高位置的炉底炉缸温度与Tf的相关系数因所在高炉不同而差异巨大。三座高炉中，Tf在Ａ高炉上表现为对各标高位置的炉底炉缸温度均具有相当显著的影响，且均为较高的正相关系数，即表现为各部位砖衬温度均将随Tf的升高而升高；在Ｃ高炉上表现为对绝大多数标高位置的炉底炉缸温度影响不是很大，多数为较低的正相关系数；而在Ｂ高炉上则表现为对其多数标高位置的炉底炉缸温度影响甚微，且大多为负相关系数，即异常地表现为多数部位砖衬温度将随Tf的升高而降低。其中的原因应该主要在于炉缸状态及采用的材料不同：Ａ高炉是2026年1月初中修烧注炉缸后新近开炉的高炉，其炉缸尚处初始工作状态，透液性及传热条件较优，炉芯温度较高，故风口前Tf的变化能够较好地传导到炉底炉缸各部位；而Ｂ、Ｃ高炉虽然也都是浇注的炉缸，但浇注后已经历数年炉役，炉底炉缸好些部位可能已形成牢固的铁焦混合物凝固层，特别是这几个月中两座高炉炉缸工作状态不良，两座高炉的炉芯温度都处于很低的水平，风口前Tf的变化难以有效地传导到炉底炉缸的各个部位，尤其是其中Ｂ高炉炉缸浇注采用的是高导热浇注料，其炉底炉缸各部位温度可能更容易受到来自冷却水的影响，Ｃ高炉与Ａ高炉炉缸浇注采用的都是低导热浇注料，故还是表现出了一定程度的相似性。

（2）Tf对各高炉影响较为相似的地方在于：大体而言，风口前Tf对位置较高的炉底炉缸测点温度的影响要大于位置较低的测点。这主要是由传热条件所决定的，它们距离风口回旋区的距离越远，受Tf的影响也就越弱。

7  结论与建议

（1）Tf会显著影响高炉的压差与炉顶温度。通常而言，在高富氧条件下，若Tf能够满足压差控制的要求，通常也就能够达到炉顶温度的控制要求。鉴于压差过高极易引发炉况失常，各高炉应注意重视Tf的影响并主要根据稳定炉况所要求的压差来控制相应的Tf。当压差较正常压差偏高时，应注意及时采取降低富氧量或增加喷煤量等手段去降低Tf。同时建议最好能让Ａ、Ｃ高炉能与Ｂ高炉一样将湿度数据纳入Tf实时计算，并完善现在Tf计算经验公式。

（2）高炉之间因布料方式、外环炉料结构以及冷却壁壁上粘结物特性等的不同，Tf对煤气利用、冷却水温差的影响在不同高炉之间迥异。在改善煤气利用、防止炉墙结厚等方面各高炉不能盲目照搬其它高炉的经验，而应根据本高炉的特性去把控Tf。

（3）Tf基本上不影响炉渣特性，但Tf过高将不利于炉渣将硫带出炉外，加剧硫在高炉内的循环。

（4）Tf对炉内Ti、Si氧化物的还原有着较大的影响，过高的Tf将不利于Ti、Si氧化物被还原进入铁水。因此，对于处于炉役末期采用钒钛矿护炉的高炉而言，对Tf应注意从低控制。铁水物理温度Ｔm更多地受炉内贮热量的影响，Tf对其不构成决定性影响。

（5）因外环实际炉料结构及主要布料方式等的不同，Tf对冷却壁温度的影响在各高炉之间迥异。在需要调控冷却壁温度时各高炉应根据自身特点与需要去调控Tf。特别是炉身中下部冷却壁温度对Tf较为敏感的Ａ、Ｂ高炉，应特别注意保持Tf的相对稳定，以避免在高富氧操作条件下破坏正常操作炉型。

（6）大体而言，风口前Tf对位置较高的炉底炉缸测点温度的影响要大于位置较低的测点。但因炉缸状态、材料及冷却等方面的不同，Tf对炉底炉缸温度的影响会因高炉而异。对于股役期长或炉缸不够活跃的高炉而言，Tf对炉底炉缸温度的影响通常不大。

参考文献

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[11] 梁南山，该公司8号高炉铜冷却壁破损原因探讨[J]，该公司科技与管理，2021（5）：1-11。