0 引言

高炉是一个气-固-液三相逆流的反应器，风口处产生的高温煤气向上流动，兼具传热和还原的作用，因此，高炉料柱的透气性对高炉生产至关重要。含铁炉料在煤气的加热作用下发生还原、软化和滴落，最终导致高炉内形成块状带、软熔带、滴落带和死料柱、死铁层区域。由于性质的不同，导致各个区域透气性的影响因素各不相同。目前，对高炉透气性的研究多是基于含铁炉料的性质或单独对某一区域的透气性特征进行研究^[1-6]，对改善高炉运行的研究却有限。本文在总结前人研究成果的基础上，结合高炉生产实践，系统地介绍了高炉料柱透气性的影响因素及改善措施，为高炉炼铁提高料柱透气性提供思路和参考。

1 炉料性质及其在高炉内的物理化学反应对透气性的影响 1.1 炉料性质对块状带透气性的影响

高炉的炉料为块状，发生软熔前所形成的区域为块状带，可将其简单视为固体颗粒填充床。块状带的透气性主要受炉料颗粒粒度和填充方式的影响。在前人的研究成果中，固体颗粒填充床的透气性可用欧根公式和孔喉公式表示^[7-8]：

(1)

(2)

式（1）、式（2）中：为单位距离压降，Pa；μ为气体黏度，（Pa·s）；ρ为气体密度，kg/m³；ε为堆积床孔隙度；V_s为气流速度，mm/s；D_p为当量直径，mm；β为孔喉度；τ为迂曲度。

由式（1）和式（2）可以看出，在气体成分、黏度和密度不变的情况下，影响固体填充床透气性的主要因素有孔隙度、炉料当量直径、煤气流速、孔喉度和迂曲度。其中，孔隙度、炉料当量直径、孔喉度越大，单位距离内的压降越小，料层透气性越好；迂曲度、煤气流速越大，单位距离内的压降增加，料层透气性越差。

高炉块状带透气性影响因素如图 1所示。由图 1可以看出，转化为高炉块状带透气性的影响因素包括炉料平均粒径、烧结矿还原粉化、球团矿的还原膨胀、炉料的抗压强度、炉料的耐磨强度及布料方式等。当炉料的平均粒径较小时，造成块状带的孔隙度减小，烧结矿的还原粉化性能变差，在烧结矿还原过程中会发生破碎，使小粒级增加，降低块状带的孔隙度；焦炭抗压强度（M₄₀）、焦炭耐磨性（M₁₀）、烧结矿的转鼓强度和球团矿的抗压强度等炉料冷强度较差，会使块状带的粉末增加；不同粒径的炉料混合、球团矿的还原膨胀异常会造成料层的迂曲度增加；块矿的热爆裂性能差同样会造成料层的孔隙度下降。

目前，提高块状带透气性的措施有：提高炉料的转鼓、耐磨和抗压性能，在装料和炉料下降过程中降低炉料粉末产生量；优化炉料的粒度组成，综合考虑还原和孔隙度，稳定炉料的平均粒度在合理的范围内，加强槽下筛分，减少小粒级入炉量；改善烧结矿的还原粉化、球团矿异常还原膨胀和块矿的热爆裂性能等含铁炉料的热物理性质。在高炉操作过程中，还可通过扩大料批、减少焦炭和含铁炉料产生界面层、分级入炉等措施来保证块状带的透气性^[8]。

由图 1可以看出，炉料的各种物理化学性能最终取决于含铁炉料的矿物相组成，因此，在改善块状带的透气性时，应从炉料成分和矿物相组成入手，改善原料质量。如通过提高烧结矿中SFCA（针状复合铁酸钙）含量提高烧结矿的转鼓指数^[9]；通过延长烧结矿的高温保持时间优化烧结矿的粒度组成；合理控制烧结矿的MgO含量并优化烧结矿的物相组成以提高烧结矿的低温还原粉化性能^[10]；使用结晶水和碳酸盐含量低的块矿，以防止爆裂产生更多的粉末；通过改变球团矿的成分优化还原膨胀性能等。

1.2 炉料性质对软熔带透气性的影响

虽然通过提高块状带的透气性能够提高整个料柱的透气性，但块状带是固体填充层，其透气性远优于固液共存的软熔带、滴落带和死料柱区域，因此，提高软熔带、滴落带和死料柱等固液共存区域的透气性至关重要。含铁炉料在高炉内发生还原反应而升温，同时，在上部有效压力的作用下，最终会发生软化和熔化而形成软熔带，高炉解剖亦证实了软熔带的存在^[11-13]。由于含铁炉料软熔，料层变得致密，焦炭层是软熔带内唯一的气体通道，软熔带内的压降可以用式（3）表示^[7]：

(3)

式（3）中：B为软熔带的径向宽度，m；w为气体流动速度，m/s；n为软熔带内软熔层数；h_c为软熔带内焦炭层的厚度，m；ε_c为焦炭层的孔隙度；K为系数。

由式（3）可以看出，减少软熔层数、增加焦炭层厚度和焦炭层数、降低煤气流速以及提高焦炭层的孔隙度均能减小软熔带的压降，但这需要高的焦炭质量或高的焦比来支撑。软熔带内软熔层、矿石层和焦炭层的透气性之比（气体流量）为1∶4∶52^[14]，可见在焦炭质量和焦比一定的情况下，扩大焦批，增加软熔带内焦炭层厚度，同时，设法提高软熔层透气性、缩小软熔层的径向宽度、减小软熔带的厚度均能有效提高软熔带透气性。

受高炉炉顶设备、软熔带自身性质的限制，焦批和矿批存在极限值。因此，通过缩小软熔带的径向宽度、减小软熔层的温度区间对提高软熔带透气性显得至关重要。通过大量对炉料冶金性能的研究和高炉解剖发现，软熔带的形成与炉料的软熔性以及不同炉料之间的交互作用密切相关^{[11-13, 15-19]}。有研究人员基于CaO-SiO₂-FeO体系对酸性和碱性炉料之间的交互作用进行了研究，CaO-SiO₂-FeO体系交互作用的相图如图 2所示。研究结果表明，酸性的球团矿和块矿还原后的物相主要为低熔点的2Fe·SiO₄，而烧结矿中主要物相为2Ca·SiO₄，前者可以与后者发生反应生成熔点介于两者之间甚至更低的CaFeSiO₄物相，从而使炉料呈现酸性以促进碱性的球团矿发生熔化滴落。

有研究人员对富氢冶炼、氧气高炉和金属化炉料的交互作用进行研究发现，随着还原气氛和还原度的升高，炉料的软熔性质发生改变，并且交互作用被抑制，软熔过程透气性大幅度提高^[15-19]。主要有以下两方面原因：一是还原度的升高，炉料中的金属铁含量增加，提高了炉料的抗变形能力；二是炉料自身渣相中的还原中间氧化物FeO含量降低，提高了渣相的熔化温度，降低了等温条件下的液相率。在上述原因的共同作用下，炉料的软熔区间向高温区移动，且液相出现熔化和滴落的时间间隔、温度区间减小，从而使炉料表现出熔化即滴落的现象，大幅度提高了软熔过程中的透气性。

除此之外，研究人员还对CaO-SiO₂-FeO以及CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO-FeO渣相渗入焦炭层的行为进行了研究^[20-21]。CaO-SiO₂-FeO渣相渗入焦炭床过程如图 3所示。由图 3可知，渣相经历了软化、熔化和渗入的过程。FeO含量、V（CO）/V（CO+CO₂）及碱度对CaO-SiO₂-FeO渣相渗入焦炭床过程的影响如图 4所示。由图 4可知，FeO含量、V（CO）/ V（CO+CO₂）和碱度发生变化时，对渣相的软化和熔化产生影响，渗入焦炭层的温度维持在1 450 ℃。研究结果表明，炉料渗入焦炭层时与炉料产生的液相率无关，而与炉料和焦炭层的润湿性相关。炉料和焦炭最终的润湿性取决于炉料中金属铁的熔化，当炉料中的金属铁熔化时，润湿性发生改变，液相的炉料开始渗入焦炭层，完成软熔和滴落的转化。该研究还指出，未熔化的高熔点脉石滞留在焦炭层，对软熔带的透气性没有负面的影响。

本研究组对不同还原度炉料软熔行为和不同渣相的交互作用进行了研究^[22-23]。不同还原度对炉料软熔行为的影响如图 5所示。由图 5可知，随着还原度的提高，料层的软化温度区间和熔化温度区间逐步向高温区移动，并且软化温度、熔化温度和滴落温度都大幅度提高。软熔过程的最大压降和透气性指数随着还原度提高而逐步减小，说明透气性随着还原度升高而大幅度改善。不同还原度对炉料软熔行为的影响如图 6所示。由图 6可知，随着还原度升高，渣中的FeO含量降低，熔渣的液相率逐步降低，交互作用逐步向高温区移动，也验证了高还原度抑制交互作用的机理。

综合炉料交互作用、还原度对软熔性质的影响以及炉料渗入焦炭层的影响等研究结果，可以推测出较优的炉料软熔性质，即缩短铁相熔化和渣相熔化的时间差，在铁相熔化时渣相大量熔化并渗入焦炭层，从而使炉料表现出熔化即滴落的现象。这种状态应是未来高炉炉料结构、装入制度、下部鼓风制度和富氧研究的重点方向，望获得合理的工艺参数以达到上述状态。

综上所述，提高软熔带的透气性措施可以总结为提高焦炭粒度以提高软熔带焦炭层的孔隙度、扩大矿批和焦批或增加焦比以增加软熔带内焦炭层厚度、提高还原性和抑制交互作用以缩小软熔带的径向宽度的同时提高软熔层的透气性。

1.3 滴落带和死料柱区域透气性的影响因素

滴落带以及死料柱压降可以通过式（4）得出^[7]：

(4)

式（4）中：K₁，K₂为透气系数；h_Z为焦炭床中的渣铁滞留率，%；ε_C为焦炭层的孔隙度；ρ为气体密度，kg/m³；V_s为气流速度，mm/s；d为焦炭颗粒平均直径，mm。

由式（4）可知，在滴落带和死料柱区域，提高焦炭粒度，增加焦炭床孔隙率，降低渣量和焦炭床中炉渣和铁的滞留量，有利于减小滴落带和死料柱的压差。

焦炭是软熔带以下部位唯一的固体，因此，焦炭在高炉下部的劣化是高炉透气性恶化的主要原因，而焦炭的溶损反应是焦炭劣化的主要原因。焦炭在软熔带和死料柱区域的溶损可达到30%。CO₂、H₂O和铁氧化物的直接还原都会使焦炭发生溶损反应。研究表明，CO₂与H₂O对溶损后焦炭强度影响不同，其主要原因是H₂O与焦炭反应后焦炭的平均孔隙度变小，这有利于保持焦炭强度。CO₂倾向于与原始孔隙表面的碳反应，并扩大原始孔隙尺寸。因此，在溶损率相同的情况下，由于反应后焦炭孔结构的差异，与H₂O反应后的焦炭强度高于CO₂^[24-28]。除此之外，碱金属和锌也对焦炭的溶损反应起催化作用，因此，需降低焦炭的碱金属和锌元素的入炉量。

炉渣的性质是焦炭床中熔渣滞留量和透气性的重要影响因素。研究表明，影响焦炭床中滞留量的决定性因素是熔体的密度，这意味着滴落带和死料柱区域主要的滞留物为熔渣。影响熔渣滞留量的因素由强到弱为密度 > 表面张力 > 黏度^[29]。通过模拟焦炭床与铁的炉渣流动行为发现，在气流的作用下，炉渣的滞留比液态铁更敏感，气体流量增加5%~10%，相应的炉渣的滞留率增加了20%~30%^[30]。在高炉生产实践中，应密切关注熔渣成分，尤其是Al₂O₃的变化对炉渣黏度的影响，应保证足够的w（MgO）/w（Al₂O₃）^[31-33]，以避免温度波动时，黏度急剧增加。

综上所述，为降低滴落带和死料柱区域的压降，需保证此区域焦炭的粒度，应采取的措施有：提高焦炭入炉粒度、降低碱金属等有害元素入炉量、降低焦炭的反应性、提高焦炭的抗压、耐磨和反应后强度。对于高炉下部的冶金熔体，应先减少易滞留的熔渣量，再通过保障炉缸热量降低其表面张力和黏度，在能够保障炉缸热量的同时降低风量。

2 高炉操作因素对透气性的影响 2.1 高炉装入制度对透气性的影响因素

合理的装入制度能够保证高炉中心和边缘两道气流，促进透气性良好的倒V型软熔带的形成和保持。目前，国内高炉的装入制度主要分为中心加焦和非中心加焦两种，其中，中心加焦是在布料时将一定比例的焦炭布在高炉的中心区域，保证高炉中心气流稳定，促进高炉的稳定顺行。中心加焦的实质是通过向高炉中心添加适量焦炭来减小高炉中心狭窄区域内矿焦比，使中心透气性得到改善，形成倒V型软熔带，同时减轻中心焦炭下降过程的溶损劣化，进而改变炉缸死焦堆充料结构，改善其透气、透液性，促使炉缸活跃，并减轻因铁水环流引起的炉缸冲刷侵蚀^[34-37]。但中心加焦可能使煤气温度升高，同时降低煤气利用率，从而增加高炉的生产成本。随着近些年中国钢铁企业原料质量的改善，多数企业取消中心加焦而采用“平台+漏斗”的布料模式^[38-39]。

无论是中心加焦还是非中心加焦，其主要目的都是保证高炉的稳定顺行，采用哪种布矿布焦方式需根据企业的原燃料情况而定。当原料条件较差时，特别是焦炭质量较差时建议采用中心加焦，以保证中心气流畅通。当原燃料条件较好时，可采用非中心加焦，在保证中心气流的情况下适当发展边缘气流。

以湖南华菱湘潭钢铁有限公司（简称湘钢，下同）2^#高炉为例，在使用强度较差的外购水熄焦时，采用中心加焦，其气流分布如图 7所示。由图 7可以看出，采用中心加焦时，中心气流大，边缘气流较弱。由于大量的煤气流经过中心的无矿区域，造成煤气利用率维持在40%左右，燃料比达到540 kg。虽然燃料比消耗较高，但使用质量较差的外购水熄焦时，采用中心加焦模式却保障了高炉生产的长期稳定。

2020年以后，湘钢2^#高炉全部使用自产干熄焦，并采用非中心加焦模式，焦炭成分、性能以及粒级分布如表 1和表 2所列。由表 1和表 2可以看出，湘钢2^#高炉使用的自产焦炭冷热强度均较高且粒度均匀，为取消中心加焦模式奠定了基础。

2^#高炉采用非中心加焦后的气流分布情况如图 8所示。对比图 7和图 8可知，采用非中心加焦后，边缘气流增强，中心气流被削弱。中心气流的相对保持和边缘气流的增强加大了高炉风量，并且中心区域不存在无矿区，煤气利用率保持在48%以上，燃料比下降到520 kg以下，极大地提高了生产效率，并降低了生产成本。

2.2 高炉热制度对透气性影响

高炉热制度是高炉生产的重要制度之一，对料柱的透气性有着重要影响。在高炉操作中，当炉温向凉时，表现出铁水硅含量降低，物理热低，煤气体积膨胀小，高炉易接受风量、煤量和高风温；当炉温向热时，高炉无法接受风量和煤量；风量不变时，下部鼓风压力持续升高，操作上被迫减氧、减风和退风温。由式（1）—式（4）可以看出，当炉温呈上行趋势时，煤气体积膨胀大，导致煤气流动的速度增加，从而在顶压不变的情况下，呈现出压差和鼓风压力均增加的趋势。

当炉温由低到高发展时，高炉热制度发生波动，极易造成渣皮脱落，使渣量增加，可能会引起高炉下部透气性变差。除此之外，高炉的炉温向热时，会造成更多的炉料发生软熔，表现为软熔带的径向宽度增加。由式（3）可以看出，软熔带的径向宽度增加，单位距离内的压降增加，从而使高炉内的透气性恶化。在高炉操作中，稳定燃料比是确定热制度的保证。调整燃料比要充分考虑煤粉热量发挥的滞后性，应根据下料速度提前调整燃料比。

2.3 下部鼓风制度对高炉透气性的影响

高炉顺行时煤气流的分布表现为中心气流强劲，边缘气流发展，此种煤气分布形态除了与料柱的透气性有关外，还受鼓风风量、风速、富氧、喷煤、风口参数等因素影响。其中，鼓风量和风速对炉缸活跃状态、煤气一次分布影响较大，为能达到“吹透中心”的目的，常采用提高鼓风动能的方法。由式（5）可以看出，鼓风动能由热风的风量和风口出口速度决定，因此，通过增大风量和风速可以提高鼓风动能。

(5)

式（5）中：E_i为通过第i个风口的热风鼓风动能，J；m_i为通过第i个风口的热风鼓风质量，kg；v_i为通过第i个风口的热风鼓风速度，m/s。

由式（5）可知，风速会对鼓风动能产生影响。但在固定鼓风量的情况下，风速由风口的长度、直径决定。基于此，有研究者提出了风口气体流动阻力的概念。增加风口长度或减小风口面积都将使风口流动阻力增加。调整风口面积时存在临界值，当调整风口个数小于临界值时，已调整风口的风速和鼓风动能降低；当调整风口个数大于临界值时，已调整风口的风速和鼓风动能才能增加；而未调整风口个数时风口的风量、风速和鼓风动能都增加，且增加幅度远大于缩小面积的风口^[40-42]。但该结论是基于总风量不变的情况下得到的，研究中提高缩小风口面积和增加风口长度会使风口流动阻力增加，因此，在实际操作中可能造成风量减少。

富氧、鼓风温度和喷煤等因素也会对煤气流的分布产生影响，其中，富氧会使风量减小，从而降低鼓风动能；喷煤量的增加也会使风口长度缩小。两者都是发展边缘气流的主要措施，应根据高炉中心和边缘气流的实际情况作出相应的合理调整。富氧方式、风温会影响回旋区区域煤粉的燃烧率，未燃煤粉在软熔带下部聚集，恶化软熔带的透气性，因此，应设法提高煤粉的燃烧率。

3 渣铁排放对高炉透气性的影响

炉缸中渣铁的良好排放也是降低高炉压差的一个重要因素。首先，熔渣的顺利排出能够维持高炉内的热制度稳定，避免炉温过热；其次，良好的渣铁排放能为高炉料柱下沉、滴落带和死料柱内渣铁流出提供空间；最后，渣铁顺利的排放，炉缸空间增加使煤气流速减小，进一步促进焦炭层中滞留的渣铁流出。综上所述，在高炉生产中应采取合理的渣铁排放工艺以确保高炉的透气性。例如，使用高质量炮泥和合适的打泥压力以保障合理的铁口深度；根据下料速度选取钻头，确定合理的出铁时间；堵口前确定铁口正常喷射煤气火，以防止“假来风”。

4 结束语

高炉的透气性对于高炉生产至关重要，由炉料性质、装入制度和鼓风制度等因素共同决定。基于前人的研究成果，本文综合阐述了高炉各个区域透气性的影响因素和高炉操作因素对透气性的影响，分析了各个因素对透气性影响的机理，介绍并总结了提高高炉透气性的主要方法：提高炉料冷、热、反应前后强度；提高炉料粒度和均匀性，降低粉末入炉量；控制有害元素入炉；提高品位降低渣量的同时控制熔渣成分合理；保障热制度、装料制度、出铁制度和鼓风制度合理，以获得有利于透气性的煤气分布。