高炉操作       (blast furnace operation)

基本操作制度   热制度   造渣制度    送风制度

                        风量      风速         风温       鼓风湿度           理论燃烧温度     风压 

装料制度       炉况的判断和调节       炉温炉温向热            炉温向凉            炉子大凉          炉渣碱度        煤气流分布           炉衬侵蚀情况      

冶炼过程自动控制

指对高炉炼铁过程的监测、判断和控制。高炉操作的任务是保持炉况稳定、顺行并且高效地生产，以达到产量高、质量好、消耗低、炉龄长的目的。高炉操作的内容包括：基本操作制度的制订和控制，对炉况的判断和调节，对失常炉况的诊断和处理(见高炉故障)，出渣、出铁操作(见高炉炉前操作)，慢风操作，休风与复风，高炉开炉、高炉闷炉和高炉停炉。

                                                               基本操作制度

为使高炉生产达到高效、优质、低耗、长寿的目的，须根据高炉使用的原料、燃料条件，设备状况以及冶炼的铁种，制定基本操作制度。它包括热制度、造渣制度、送风制度和装料制度。各项基本操作制度之间彼此有内在联系，制定基本操作制度时要综合全面考虑。例如装料制度可以影响炉料和煤气流分布，送风制度也影响煤气流分布，必须将二者结合起来考虑。又如造渣制度与热制度也须综合考虑：炉渣碱度定得低时生铁含硅量不能定得太低，否则，生铁含硫量太高，影响生铁质量；反之，当炉渣碱度较高或渣中MgO较高时，生铁含硅量则可定得低些。送风制度与热制度也有联系：炉温高时(例如冶炼铸造生铁或锰铁)冶炼强度要低些；炉温低时则冶炼强度应高些。

热制度           

根据冶炼铁种、原料、燃料条件和炉容大小而确定的炉缸应具有的温度水平称为高炉热制度。一般以铁水和炉渣的温度为代表。由于原料质量、炉容大小、冶炼铁种和操作制度不同，各个高炉的铁水和渣水的温度水平是不同的。铁水温度多在1400～1530℃之间，炉渣温度约比铁水温度高50～100℃。在一定原料和冶炼条件下，生铁含硅量([Si]％)与炉温成正比关系。炉温高则生铁含硅量高；反之，则低。以铁水和炉渣温度代表的炉温称“物理温度”，以[Si]％代表的炉温称“化学温度”。由于测量铁水和炉渣的温度比较麻烦，而生铁含硅量又是一个重要控制成分，所以高炉操作者习惯以生铁含硅量作为衡量炉温的标志。于是热制度实际上就成了高炉操作者对根据原料条件和冶炼铁种而选定的生铁含硅水平的控制。冶炼炼钢生铁时[Si]％较低，炉温较低，确定热制度时应充分考虑炉缸的“物理温度”。当原料熟料比高，还原性好时，炉缸“物理温度”高，[Si]％可确定在较低水平，同理，当炉渣碱度较高时[Si]％也应选择低些；反之，[Si]％则选择在较高的范围。炉容太小时[Si]％应选择在较高的范围。当原料含TiO₂较高时，[Si]％应控制得尽可能低些。除[Si]外，还要控制[Ti]％。[Ti]％也是随炉温高低而升降的，[Ti]不宜超过0．2％。否则由于钛还原生成的TiC、TiN、Ti(N，C)过多，导致铁水、渣水黏稠而使高炉不能正常生产。冶炼铸造生铁时，焦比高，炉缸热量充足，确定[Si]％的范围只需满足冶炼的牌号即可。冶炼锰铁时，焦比更高，炉温也更高。确定热制度时，主要是确定[Mn]％的水平，[Mn]％必须达到冶炼牌号的要求。

在现代高炉生产中，更以通过计算机运算和显示的风口前理论燃烧温度t_理 和燃烧带的炉温指数t_c 及时判断炉缸热状态。因为高炉的高温热量来自风口前燃料的燃烧，t_理说明能提供多高温度，良则说明燃烧带形成的高温煤气能通过传热加热炉料或形成的产品达到多高温度，特别是在高炉喷吹燃料之后，这一点尤为重要。t_理一般应在2050～2300℃，而t_c 则应达到0．75T_理。

造渣制度       

根据原料、燃料条件和冶炼铁种来确定炉渣的成分和碱度，称为高炉造渣制度。据此获得熔化性、流动性、稳定性均好，脱硫和排碱能力均强的高炉炉渣。炉渣碱度(CaO／SiO₂或(CaO+MgO)／SiO₂)是造渣制度的一个重要参数。碱度高，脱硫效率高；反之，则脱硫效率低。碱度的选择主要根据原料、燃料含硫量的高低。但碱度过高的炉渣熔点高，流动性差，稳定性不好，不利于炉况顺行，且多消耗焦炭，因此，在保证生铁含硫量合乎要求的前提下应选择较低的炉渣碱度。冶炼炼钢生铁时的碱度(CaO／SiO₂)多在1．0～1．25之间；冶炼铸造生铁时；为避免炉缸堆积和有利于硅还原，碱度应较前者低一些。冶炼含碱金属高的原料时，为利于炉渣排碱，宜选用较低的碱度。冶炼锰铁时，为提高锰的收得率，碱度要高些，CaO／SiO₂达到1．50左右。炉渣成分中的MgO一般控制在6％～12％，这有利于改善炉渣流动性和脱硫，有利于获得炼钢炉所需要的低硅低硫铁，也有利于炉渣排碱。Al₂O₃不宜超过15％，否则炉渣流动性差。

送风制度       

根据炉容大小、设备状况、原料、燃料条件、风口喷吹状况和冶炼铁种确定鼓风数量、压力、温度、湿度、富氧率、风口风速(或鼓风动能)、风口前火焰温度等参数。

风量          单位时间进入高炉的风在标准状态下的体积(m³ / min或m³／h)。在相同条件下，风量越大，产量越高。高炉风量首先取决于高炉容积，一般是每立方米炉容2．0～2．2  m³ / min。由于风量的测定常因漏风和仪表本身误差而失准，而风量又与焦炭和喷吹燃料的消耗量成正比，故高炉操作人员多习惯于以冶炼强度来估量风量。又因在同一条件下，高炉上料批数与风量成正比，故高炉操作者实际上是按上料批数来控制风量的。冶炼强度取决于原料、燃料质量和冶炼的铁种，一般在0．9～1．2t／(m³ •d)之间。原料、燃料质量好时取上限；反之，取下限。冶炼铸造生铁时的冶炼强度应比冶炼炼钢生铁时的低，冶炼锰铁时又比冶炼铸造生铁时的低。这是因为炉温越高，炉内煤气实际体积越大，穿过料柱越困难。当高炉需要限产时，冶炼强度和风量根据额定生铁产量来确定。鼓入高炉的风量和每小时上料的批数(炉内下料速度)应力求稳定。风量波动会影响料速和炉温波动，进一步会引起风压波动和炉况不稳。为此，高炉风量选定在某一适当水平后不宜随意增减。只有在炉凉、下料不顺或设备故障需要减风处理时才减风。减风后一旦条件允许恢复风量时，应及时逐步恢复。

风速         鼓风在风口出口处的速度，通常以m／s为单位。风速对高炉下部的煤气流分布有重要影响。风速高，穿透力强，有利于延长风口回旋区，增加中心煤气流，提高中心温度。但风速并非越高越好，它根据不同条件有一个合适的范围。风速过小，容易导致炉缸中心堆积；风速过大又容易形成边沿堆积(见炉缸堆积)。风速有标准风速和实际风速之分：前者按标准状态下的风量计算，后者按高炉实际风温、风压下的风量来计算。高炉的标准风速多在80～200m／s之间。高炉越大，风口越多或越短，高炉的高径比越小，冶炼强度越低，富氧率越高，喷吹燃料越少，风速越接近上限；反之，则靠近下限。风速选择恰当，炉缸活跃，炉况稳定、顺行。故高炉操作者在确定风量以后，都要根据具体条件精心选取风速，并据此确定风口直径。有的高炉工作者用鼓风动能来衡量鼓风在风口前的穿透能力。鼓风动能对回旋区的影响比风速更切合实际一些，但计算更复杂。现在二者均通用。

风温       高炉鼓风的温度。风温越高，鼓风带入炉内的热量越多，高炉的燃料比越低。因此，通常都将风温用到高炉可能接受的最高水平。高炉接受风温的程度主要决定于冶炼条件。原料、燃料质量越好，喷吹燃料越多，鼓风湿度越高，炉况越稳定、顺行，高炉能接受的风温越高。中国高炉风温多在900～1250℃之间；工业发达国家的高炉风温多在1150～1350℃之间。增减风温是调节炉况的重要手段，提高风温可以使炉温升高，降低风温可以使炉温降低。但先进的高炉多把风温稳定在最高水平，而用调整燃料喷吹量或鼓风湿度的办法来调节炉况。只有在非常必要时才降低风温。这样可以获得较低的燃料比。

鼓风湿度      鼓风中的水蒸气含量。多以g／m³ 为单位。自然鼓风的湿度随大气湿度而变化，而鼓风湿度波动对料速和炉温都有影响，故不能任鼓风湿度自然波动。通常采用两种办法：通过脱湿鼓风将鼓风湿度控制在最低水平；或通过加湿鼓风将鼓风湿度控制在某一适当水平。喷吹燃料多时宜采用脱湿鼓风；不喷吹燃料或喷吹量少时宜采用加湿鼓风。采用加湿鼓风时变更鼓风湿度可以作为调节炉况的一个手段。

理论燃烧温度        风口前焦炭和喷吹燃料燃烧时的最高火焰温度。此温度难于直接测定，多由理论计算得出，故称理论燃烧温度。理论燃烧温度有一个合适的范围，约在2000～2350℃之间。过低，炉缸温度低，容易导致炉缸工作失常；过高则生成SiO多，容易引起炉况不稳。原料、燃料质量好，渣量少，焦比低，炉况稳定时可偏上限控制；反之，偏下限控制。现代高炉多采用综合鼓风，影响理论燃烧温度的因素随之增多。理论燃烧温度与风温和富氧率成正变关系，与喷吹燃料数量和鼓风湿度成反变关系(见高炉火焰温度)。几个因素要合理配合，以使理论燃烧温度保持在合理范围。为降低高炉燃料比，通常将风温保持在最高水平，将湿度控制在最低水平，而将喷吹燃料量和富氧率作为调整因素。

风压         鼓风进入高炉前的压力。风压与炉顶压力、炉容和料柱透气性有关。炉容为1000～5000m³ 的现代高炉的炉顶压力多在0．1～0．25MPa之间，风压多在0．2～0．45MPa之间。风压等于炉内料柱阻力与炉顶压力之和。高炉操作人员先根据设备状况确定炉顶压力。炉顶压力越高越有利于高炉生产(见高压操作)。炉顶压力是自动调节的，其数值相对稳定，因此风压的水平及其变化可以反映炉内料柱阻力的水平和变化。它是高炉操作人员判断炉况的一个重要指标。风压越稳定，炉况越顺行。

装料制度       

根据装料设备的类型、炉容大小和原料、燃料条件及配比确定批重、料线、装入顺序、布料器旋转角度和无钟炉顶旋转溜槽的工作程序：多环布料、螺旋布料或单环布料、料流调节阀开度，炉喉导料板的工作程序等。制订装料制度的目的是使炉料在炉内分布合理。合理的炉料分布结合适宜的风速可以得到合理的煤气分布，这是高炉稳定运行的基础。炉料分布合理的标志是：焦炭层和矿石层的厚度适当；环向分布均匀；径向分布：炉子中心矿焦比最低，由中心到边沿矿焦比逐渐升高，到靠近边沿处矿焦比又略有下降。焦层和矿层的厚度由批重决定，根据经验焦炭批重(t)约等于0．03d_t³(d_t 为炉喉直径，m)或焦层厚度在炉喉为450～650mm。焦炭批重确定之后可根据焦比算出矿石批重。炉料的环向均匀分布靠旋转布料器或无钟炉顶的旋转溜槽的正确工作来实现；合理的径向分布靠调节料线、装入顺序和炉喉导料板的档位或无钟炉顶旋转溜槽的倾角来实现。

炉料和煤气流在炉内的分布状况是难以直接观察的，通常是根据煤气的温度和成分的分布情况来判断。在同一平面上，如果同环各点的煤气温度接近，说明炉料和煤气的环向分布均匀；反之，则不均匀。径向炉料和煤气的分布状况一般是根据沿炉喉半径各点的煤气成分(CO₂％或CO₂／(CO₂+CO))分布曲线或温度分布曲线来判断的。CO₂％或CO₂／(CO₂+CO)％高处，料层的矿焦比高，煤气流弱；反之，则矿焦比低、煤气流强。煤气温度高处，料层的矿焦比低、煤气流强；反之则矿焦比高，煤气流弱。正常的煤气分布曲线大体呈双峰的M形或喇叭花型；正常的温度分布曲线与之相反，大体呈双谷的w形或倒喇叭花型。煤气流分布形态确定之后，可以运用批重、料线、装入顺序的布料特性和旋转布料器、炉喉导料板或无钟炉顶旋转溜槽的布料功能来获得所需要的炉料分布和煤气流分布(见高炉布料)。

                                                        炉况的判断和调节

高炉运行良好时，下料平稳、料速符合规定而且均匀，煤气流分布正常，风量、风压及各层静压力曲线平稳，炉顶压力曲线不出现向上尖峰，炉体各层温度曲线平稳，同一水平面上各方位温度接近，各风口温度均匀、活跃，风口、渣口极少烧坏，铁水质量好，铁水、渣水流动性良好、温度高而且均匀，高炉利用系数高、燃料比低。这种运行正常、良好的炉况即为炉况顺行。在实际生产中，由于原料、燃料质量的变化和称量的波动，设备运转的不稳定性以及鼓风参数的波动等，常常引起高炉炉况发生变化。这种变化如不能及时发现和调节，就会导致炉况失常，甚至造成高炉故障或发生事故，因此需经常对炉况进行监视和控制。监控的主要项目是炉温、炉料和煤气流的运动状况，炉渣碱度和炉衬侵蚀情况。

炉温     

高炉的炉温常常发生向热或向凉的变化，如不及时发现和调节，生铁含硅量和含硫量就会超出控制范围，甚至产生出格品；炉况的顺行也遭到破坏。调节炉温的手段是变动各种能够影响炉温的参数。根据经验统计，各参数对焦比的影响见表。通过各参数对焦比的影响和焦比与[Si]％的关系，可算出各参数对[Si]％即对炉温的影响程度。各参数对焦比的影响程度。

炉温向热       炉温偏离正常水平向过热的方向发展或由凉向热发展。其征兆是：风口一次比一次明亮，“生降”(指未经还原的矿石直接进入炉缸的现象)减少；下料速度变慢，甚至出现炉况难行；风压逐渐升高，风量相应减少；炉渣和铁水温度升高，出铁时铁沟内火花变得稀疏且跳跃得高；生铁的[Si]％升高、[S]％降低。如原来炉温偏低，而向热势头不大，估计炉温不会高过正常水平，可以继续观察；如果向热的势头很猛，原来的炉温就不低，则依次采取减少燃料喷吹量，增加鼓风湿度，降低风温等措施。如果炉温长期偏高，而风温、喷吹燃料等又有潜力，则可增加配料中的焦炭负荷。

炉温向凉        炉温偏离正常水平向过凉的方向发展或炉温由热向凉发展。其征兆是：下料速度变快，风压平稳或逐渐降低，风量自动增加；风口亮度减弱，“生降”增多；渣水、铁水温度下降，出铁时铁沟内火花增密，生铁(Si]％降低、(S]％升高。处理方法：如原来的炉温过高，而向凉的势头又不大，估计炉温的发展不致低于要求的水平，可以继续观察；如果向凉的势头很猛或原来的炉温不高，则依次采取降低鼓风湿度，提高风温，增加燃料喷吹量等措施。如炉温长期偏低，而喷吹燃料、鼓风湿度、风温等又无潜力，则需降低配料中的焦炭负荷。

炉子大凉      炉温远低于正常水平，继续发展有炉缸冻结的危险。其征兆是：风口变暗，严重“生降”，风口“挂渣”，甚至有涌渣、灌渣现象；风压、风量波动，风压升高，风量减少；料速不匀，兼有难行、滑料、崩料发生；渣水温度降低，流动性差，渣沟结渣壳，渣样断口无光，甚至出现黑渣；铁水温度下降，铁水沟内火花低而密，生铁的[Si]％低、[S]％高。处理方法：集中加若干批净焦，接着降低焦炭负荷；为避免发生崩料、悬料(见悬料与坐料)，争取风压、风量由波动转为平稳，要及时减少风量。为争取下料平稳，还要临时改变装料制度使中心和边沿的煤气流都得到适当发展，并及时出净渣铁。在风压和风量恢复平稳、下料正常后，可以稳步地增加风量或提高风温。

炉渣碱度    

检查炉渣碱度是否符合规定的方法是进行化学分析，有经验的操作人员也可根据渣样外观(包括断面)作大致判断。原料成分波动和生铁含(Si]％波动大，都会引起炉渣碱度变化。由于碱度是经常波动的，所以不能根据个别炉次的分析进行调整。一般连续三次偏离规定的上限或下限才进行调整。调整的方法是根据需要调整的幅度进行计算，并据此增减熔剂配入量。

煤气流分布    

每座高炉在一定原料条件下都有一个比较合理的煤气流分布，这在制订基本操作制度时已经解决了。但由于原料和某些冶炼参数的变化，或者布料设备发生故障，煤气流分布可能偏离正常状态，如不及时纠正，则将导致炉况恶化。判断煤气流分布的主要依据是径向煤气分布曲线和温度分布曲线，以及圆周方向的各层温度曲线，有时风口状态也有反映。如出现中心气流不足而边沿气流又过分发展，则可能引起炉缸中心堆积，同时炉墙将受到损坏；反之，如果边沿气流太弱，则可能导致炉况不顺，甚至引起炉墙结厚。如果沿圆周方向各层温度中某一点或几点偏离正常值，说明沿圆周方向气流分布不均，气流过盛处炉墙可能受到损害；气流不足处炉墙可能结厚。发现煤气流分布失常，首先应检查布料设备，如有故障应及时排除，如布料设备运行正常则区别情况作相应处理。纠正径向气流分布失常可改变无钟炉顶旋转溜槽倾角或钟式炉顶的炉喉导料板位序、装入顺序、料线、批重等；纠正圆周方向的气流分布失常可运用旋转布料器(钟式炉顶)或旋转溜槽(无钟炉顶)进行定点布料或扇形布料。(见高炉布料)调整装料制度无效时，可以调整风口进风面积。高炉操作人员习惯称调整装料制度为“上部调剂”、调整风口进风面积为“下部调剂”。

炉衬侵蚀情况      

炉身内衬被侵蚀或可能被侵蚀的征兆是冷却器进出水温差升高、热流强度增大或圆周各层温度升高；炉衬测厚仪显示炉墙变薄等。这时应调整装料制度以减弱边沿煤气流。炉缸和炉底被侵蚀的征兆是：温度计显示温度升高，冷却器进出水温差升高，热流强度增大。这时可暂时改炼铸造铁或采取加含TiO₂物料护炉的措施。TiO₂加入量通常为5～10kg／t铁，生铁含[Ti]0．1％左右；严重时TiO₂可增加到20kg／t铁，生铁含[Ti]可达到0．2％左右。如炉缸局部受到侵蚀，可从相应风口喷含钛矿粉，必要时还可将被侵蚀部位的风口堵住，暂时停止进风。

                                                            冶炼过程的自动控制

高炉冶炼是十分复杂的过程，历来靠操作人员直接观察风口、铁水、渣水的温度和成分的变化；依据各种仪表提供的大量信息，凭经验进行监视、判断和调控。自从电子计算机问世以来，人们就期待着用电子计算机对高炉冶炼过程进行自动控制，并作出了巨大努力。起初人们根据热平衡方程建立起理论模型，通过电子计算机计算出炉内热状态的变化，预报生铁含[Si]％。但由于炉内变化过于复杂，效果并不理想。随着计算机应用技术的发展，人工智能技术的出现，有些高炉采用专家系统，取得了较好的效果。但它仍然只能提供操作指导或建议，尚未能实现冶炼过程的闭环控制。因此高炉冶炼过程的自动控制仍然是一个待解决的课题。