高炉冶炼是高温物理化学反应，参与反应的主要元素是Fe-C-O。Fe来源于矿石，包括烧结矿、球团矿、块矿等。碳来源于燃料，包括焦炭及各种喷吹物。O2来源于高炉鼓风和富氧。原先矿石和燃料是由高炉上部装入的，而从高炉下部进入炉内的仅是鼓风，后来发展高炉综合鼓风技术，即从高炉下部进入炉内的不仅有鼓风，还有富氧及各种可燃的碳氢化合物，甚至还有含铁、含CaO的粉状物质。
富氧的目的原先主要为提高风中含氧，强化高炉冶炼，后来由于喷吹燃料技术发展，高炉喷吹的天然气、重油或煤粉量过大时，导致高炉理论燃烧温度过度下降，使高炉过程困难，同时也难于继续提高喷煤量。而高炉富氧之后，可以相应提高理论燃烧温度，提高反映区的氧化气氛，形成富氧喷吹技术，特别是富氧喷煤技术，更适合国内的实际。
现在国内高炉喷煤量已普遍达到100kg/t，而宝山高炉达到200kg/t的国际水平，还有一大批高炉煤比超过了150kg/t，从高炉喷吹煤粉的实践可知道，在无富氧的条件下，煤比一般能达到100kg/t，个别可达到120kg/t，若想达到更高的水平必须配备富氧，否则将导致高炉喷煤置换比降低。目前国内高炉富氧一般在1—3%的水平，个别可能高些。国外有的国家电力充足，富氧可达到10%，甚至更高。敬业高炉这次富氧仍然是用炼钢余氧，但更大的目的在强化高炉冶炼，多出铁，当然也应相应提高煤比，所以一旦富氧，立即达到较高水平，富氧率达到2-3%，没有多余的实践时间，更要求预先能掌握较多的富氧喷煤知识。
一、氧气的特点和制备方法
氧气是自然界一种普通重要的物质元素，存在于大气中，存在于水中，存在于地壳的各种氧化物中，是人类生存的必备条件，也是自然界变化的必备条件。
氧气和自然界的其他物质一样，有三种存在状态，一般为气态。在温度高于-183℃其为气态，无色透明，比重为1.429g/cm3。温度在-183℃— -219℃之间其为兰色的液体，当温度低于-219℃时，其为淡兰色的固体。就像水蒸气、水和冰一样。
氧元素在元素周期表中处在第二周期，第Ⅵ族。原子序号为8，原子量为16，其原子核有8个质子和8个中子，核外有8个电子绕核旋转，电子层为2层，第一层有2个电子（饱和时为2个）第二层为6个电子（饱和时为8电子）因此极需从别处拉过2个电子，使外层电子饱和、稳定。在一定的条件下，极易和其他物质产生化合反应，生成相应的氧化物，CO、CO2、H2O、……。其中应特别注意的是CO和CO2。任何氧化物或其他化合物的分子，随温度升高，原子间的结合力变弱，即容易将其原子分开。唯CO和CO2完全相反，随温度升高，其原子结合更牢固。因此不论焦炭也好，煤粉也好，虽然其燃烧是放热反应，随环境温度升高，其反应越激烈，这就是在高炉喷吹煤粉和其他碳氢化合物时，要求提高风温的原因。
正常状态下，高炉的燃烧反应是在大气中的氧和燃料中的碳之间发生的，大气中参与反应的O2仅占21%，其余79%是N2和其他少量元素，实际不参与化学反应，只有温度的变化，因此高炉内的实际燃烧反应化学式应为：
2C+O2+79N2/21=2CO+79N2/21+2340千卡/千克碳
如果鼓风中O2由21%升高到25%，其燃烧反应式为：
0 2C+O2+79N2/21=2CO+79N2/21 V物=129.07升
1 2C+O2+78N2/22=2CO+78N2/21 V物=124.22升
2 2C+O2+77N2/23=2CO+77N2/21 V物=119.79升
3 2C+O2+76N2/24=2CO+76N2/21 V物=115.73升
4 2C+O2+75N2/25=2CO+75N2/25 V物=112.00升
式中可见，当鼓风中的氧由21%上升到25%时，虽然燃烧同样的碳，产生同样的热量，但燃烧产物的体积下降了13.23%，这样就便于高炉强化。初期用氧就是为高炉强化冶炼的。富氧率提高之后，燃烧产物减少，带到上部去的热量也少了，高炉热量集中在下部区域，产生下热上凉现象。而高炉喷煤多，理论燃烧温度下降多，高炉产生下凉上热现象，如果两者适当配合，使高炉内的温度分布趋于均匀，有利于整个高炉冶炼过程的进行。
氧气制备在实验室用含氧化合物分解制备。工业上一般采用分馏法制备，由于当初冶金工厂的氧主要为炼钢转炉准备的，转炉要求氧纯度达到99.5%以上，而高炉用氧对纯度要求不严。制备高纯度的氧能耗大，合理的方案应该单为高炉配备制氧机，现在国内已有个别厂用变压吸附的方式为高炉配备了制氧机。天津铁厂用液氧压缩技术，为高炉配备了一台15000m3/h制氧机，由于其出塔压力即可达到0.6mpa，可直送高炉，不采用加压再减压的流程，氧的成本较低，仅0.32元/m3（正常的0.48元/ m3）已正常使用六年多了，敬业高炉使用的仍然是炼钢余氧，但由于氧气供应能力大，高炉可以使用较多的氧气来提高产量，增加煤比。
二、富氧对高炉冶炼过程影响
高炉鼓风含O2提高之后，能加速高炉风口前的燃烧过程，提高理论燃烧温度，强化高炉冶炼，增加高炉煤比，但其和高炉提高风温不同，它不能带入附加的热量，其影响如下：
1、提高高炉冶炼强度
由于鼓风含O2提高之后，高炉燃烧焦炭和煤粉的能力提高，也就是提高了高炉的冶炼强度，由于鼓风和富氧含纯氧不同，富氧率提高1%，能提高冶炼强度4.76%，也就是说高炉产量按理论计算应提高4.76%。
2、高炉富氧有利于炉况顺行
高炉富氧后，由于燃烧同样的碳，其燃烧产物量下降，在一定的条件下相当于高炉减风，炉内煤气上升阻力减少，有利于高炉顺行，如果保持原有的煤气量，则相当于高炉加风。
3、对高炉焦比的影响
高炉富氧对高炉综合焦比影响有好有坏，一般变化不大，但由于富氧后，煤比大大提高，可促使焦比降低。
4、 高炉富氧之后，能提高高炉煤气的热值
富氧后，由于煤气中N2量减少，有效的CO、H2相对增加，能提高煤气的热值，鞍钢统计富氧1%，高炉煤气的热值提高3.4%，热风炉反应好烧炉。
5、高炉富氧更有利于冶炼能耗高的铁种
对于综合焦比很高铸造铁、硅铁等耗热量大的铁种，不仅能大大降低其燃耗，还能提高其产量。
敬业高炉富氧是在氧气富余的条件下进行，预计8月15日第三台制氧投产，9月1日高炉必须应用富氧来大幅度提高生铁产量，满足炼钢生产。将增煤比放在第二位，适当增煤，使风口理论燃烧温度维持合理水平，保高炉顺行。
三、高炉富氧供氧方法和安全用氧
目前高炉富氧供氧方式分为三种，第一种机前供氧，即将氧气送入鼓风机吸风口和鼓风一起加压，经送风系统进入高炉风口内，国外有使用此种办法的，国内没有，第二种方式，机后供氧，即在鼓风从风机主管出来之后，在放风阀前某处，将氧气加入和冷风混合经加热送入炉内，这是国内大多数厂家使用的办法，第三种实际也是机后供氧，在炉台通过氧煤枪和煤粉混合，直送风口前，目的是提高局部区域氧浓度，使煤粉更完全燃烧，鞍钢作高煤比试验时用过，攀钢用过，包钢试验时也用过。天津铁厂5#高炉有一套比较完整的氧煤枪供氧装置，由于安全原因，未敢使用，在2003年该高炉改造性大修已拆除。现在有的厂家应用的氧煤枪介质实际是压缩空气，因为从理论研究和实验室试验并不能证明这种方法，局部区域含O2升高，只要氧和空气混合，立即能达到均匀混合的程度，而且是在极短的时间内完成。
敬业高炉富氧采用机后供氧的方法。从氧气厂来氧压力为1.6mpa，经两次减压进入冷风管道，高炉工长只要控制氧气压力调节阀即可达到所需的供氧量比较方便。
高炉应用富氧冶炼一定要保证安全生产，国内高炉在应用富氧时造成过燃爆，导致人员伤亡，还有的厂在初次应用富氧时，由于氧气流量表不准，使实际供氧大大增加，而大量的烧坏高炉风口，它不是渣铁烧坏的，而是高温的气体将其熔蚀、烧坏的。
应用氧气发生安全事故的原因，一者氧气本身就是强氧化剂，易燃易爆。二者使用不当，特别是送氧初期开启最后一道阀门，瞬间氧气流速极高，若管道内有残存的尘粒，铁锈片等杂物，也随氧气在管道内高速流动和管壁摩擦，产生火花，使氧气和金属铁迅速反应生成FeO，温度高，其为液体状态在管道内流动，使管壁变薄而爆裂，再引燃其他物质。因此，为防止事故氧气管道阀门必须干净，经过强度和严密性试验，脱脂和严格吹扫，不使管内有残留杂物。再者在开启氧气阀门前在管道内充N2，能减少阀门前后的压差，N2也能熄灭火源，等氧气阀门全开，氧气接通后关闭充N2阀门。
用氧虽然危险，只要按操作规程正确使用，还是可以安全应用富氧和富氧喷吹煤粉技术的。
高炉富氧喷煤学习材料（Ⅱ）
敬业高炉富氧系统流程和操作注意事项
敬业高炉鼓风富氧系统原由安钢设计院设计，从氧气厂出来的氧气压力为1.6mpa到炼铁区后经过一次减压到0.8mpa，再分配到各高炉区后，再减一次压，进入高炉冷风管道。其流程长、设备复杂，在2004年10月5#高炉富氧时将其改造。在制氧厂，氧气压力由1.6mpa减为0.8mpa，经Φ159×4.5的管道直送5#高炉富氧阀门站，再减压进入高炉冷风管道，流程简化，但试验仅进行44小时，即因无氧停止，效果比较明显，喷煤量达到7.82t/h，日产铁也达到较高水平。
此次富氧机动处组织研究修改了设计方案，从氧气厂来氧的压力为1.6mpa到炼铁区后减压到0.8mpa，分成4支，分别进入4#、5#、6#（予留）和小高炉阀门站，小高炉再分为3支，进入各高炉阀门站，具体流程和设备如下：
1、流量孔板 2、阻火器 3、截止阀DN250 4、过滤器YG-40P 5、快速切断阀ZSPQ-40KDN250 6、氧气压力调节阀组OZXT250 7、截止阀YTJW-25PDN150 28、止回阀 29、截止阀
第一次减压：氧气厂来氧压力为1.6mpa ,首先打开29阀充N2，然后依次打开3号阀（前后），5号阀和6号减压阀组，用6号调压阀组控制氧气压力，为0.8 mpa然后分送各支管，该阀组为自动控制，关闭29号阀设定压力后，阀组保持规定的压力。
一次减压后，氧气将进入各高炉阀门站，仅以4号高炉为例说明其操作程序，其流程和阀门编号如下图示：
7、截止阀DN150 8、自动式压力调节阀DN80 9、流量孔板DN150 10、快速切断阀 11、逆止阀 12、阻火器 13、逆止阀DN40 14、截止阀DN40 15、截止阀DN50
接通支管系统：和总管接通原则一样，首先开启15号、14号截止阀在系统内通N2，然后逐步打开7号阀和10号阀，此时8号阀门前为氧气
（压力0.8mpa）8号阀门后为空气加N2气（压力略高于高炉冷风压力）。然后远距离开启8号氧气压力调节阀，系统贯通，关闭15号、14号阀。工长可用8号阀（小高炉19号）调节供氧量，一般500、1000、1500、2000、2500m3/h(小高炉300、500、860 m3/h)氧气进入高炉参与炉内的冶炼过程。同时相应调整焦炭负荷和喷煤量。保证高炉在新的热平衡状态下顺利进行。
其他高炉接通氧和调整氧也按此程序进行。
用氧量调整一般高炉是逐步提高的，敬业高炉用氧也需遵循此原则，但由于生产任务要求，进行速度应快些，使大高炉供氧量尽快达到2500 m3/h（富氧率2.32%）,尽量多增产，满足炼钢要求为企业完成全年生产任务作贡献。
高炉使用氧气安全注意事项
1、 首先供氧设备保证合乎要求，系统用四氯化碳清洗并用N2或干燥压缩空气吹扫，经过严密性和强度试验合格。
2、正确使用，即按技术规程用氧，特别是初次送氧有关领导应亲自指挥，开启阀门顺序正确，先通N2隋化。
3、用氧高炉及其周围环境干净，不能有油污及其他易燃品、劳保品、工具亦要无油污，注意防止静电。
4、快速切断阀能在非常状态下，迅速关闭，切断氧源。在支系统中，10号阀（小高炉为21号阀）在氧气压力<0.5 mpa或>0.9mpa，即自动关闭，也可根据管网实际情况作调整。另外，当高炉冷风压力<0.13mpa（小高炉<0.08mpa）快速切断阀10号（21号）也自动关闭。
在总系统中来氧压力为1.6mpa，当其降低到1.0mpa，说明供氧系统故障，立即关闭5号阀，支系统关闭10号（21号）阀，充N2，隋化、保压，迅速联系，查明原因，决定如何继续处理。
5、高炉确定操作氧气阀门负责人，未经负责人指派，其他人员不可操纵氧气有关阀门，防止发生意外。
富氧喷煤学习资料（Ⅲ）
天津铁厂富氧喷吹煤粉技术介绍
天津铁厂原有五座高炉（3×550、600、300），1988年开始喷吹煤粉，1992年全厂煤比达到87kg/t，为了在原有焦炉生产能力的基础上将生铁产量提高到200万吨以上，只能靠增加煤比补充燃料不足。当煤比超过100kg/t（1995年）之后如何继续提高煤比，除尽可能提高风温外，只能靠采用富氧技术。而1994年天铁3×30吨转炉、2×6000m3/h制氧机投产，也为高炉采用富氧喷吹煤粉技术提供物质基础。
一、5#（300 m3）高炉首先采用富氧喷吹煤粉技术
天铁5#高炉1989年10月建成，1992年7月采用喷煤技术，当年就达到较高煤比，它距炼钢空分车间也近，决定先在5#高炉建立试验性的富氧设施，经过多次考察，选定氧气阀门站的设计方案。来氧压力为0.75mpa，供氧能力1000—3000m3/h经减压后进入冷风管道，管线长约250米，全部选用Φ159×4.5的不锈钢管，其阀门站的内部流程和主要设备
如下图：
1、J41W-25T型截止阀 DN150 铜质 3个
2、流量计PN16 量程0—5000m3/h
3、ZMN-40K型薄膜调节阀DN100 1Cr18Ni9Ti
4、H41W-30T型止回阀 DN150 铜质1个
5、ZSPC-16KS型气动活塞切断阀DN150 1Cr18Ni9Ti
6、氧气压力表0—1.0mpa 2个
另外还有吹扫和充压的N2系统对保证安全用氧很重要。
5#高炉富氧系统是1995年3月25提正式投入运行的初次用氧仅500 m3/h，并相应调整喷煤量和焦炭批重，使用比较顺利，二季度煤比就达到145kg/t，下面列出其初次用氧和2004年的生产技术指标：
1995年二季度（300 m3） 2004年度（380 m3）
有效容积利用系数t/m3.d 2.156 3.158
入炉焦比kg/t 424 365
煤比kg/t
145 156
富氧率% 1.34 2.82
富氧量m3/h 851 2297
氧单耗m3/t 32 46
高炉风量m3/min 833 1068
风温℃ 989 1119
数据表明氧耗32m3/t，使煤比增加了40kg/t和预测的每增1kg/t煤比需增氧0.6-1.0m3/t比较吻合，特别是从1996年10月1日到1997年9月30日，一年时间内连续用氧，富氧率为1.71%煤比达到151kg/t，个别月份富氧率2.48%，，煤比达到186kg/t处于当时国内较高水平。5#高炉富氧用的是炼钢余氧。和其他厂一样，炼钢富余就用，不富余就停。随炼钢生产发展，富余的氧越来越少，1997年四季度5#高炉终止了富氧喷煤试验。
二、天铁高炉全部采用富氧喷吹煤粉技术
为了保证高炉应用富氧喷吹技术，在5#高炉进行富氧喷吹煤粉试验的同时，天铁启动了高炉专用的15000m3/h制氧机的研究和设计，并于1998年9月顺利投入运行。这种制氧机的特点是采用内压缩流程，即在分馏塔内，当氧气尚处于液体状态用液氧泵将其压缩使其出塔后的压力即可达到0.6 mpa,可直接送高炉使用，不再使用加压减压再送高炉使用的流程，氧气成本仅0.32元/m3(当时正常氧气成本为0.48元/ m3)有利于降低高炉能耗和成本。为全厂高炉采用富氧喷煤技术提供了条件。
全厂高炉供氧流程和设备参数选择
按氧压0.6 mpa，氧量15000 m3/h设计，从空分厂出来的氧气总管为DN400的，首先分出一支DN200的去5#高炉代替其原来的输氧管道。DN400氧气总管到南区后分成两支DN300的管道。分别进入1#-2#和3#-4#高炉阀门站区，再分为两支DN200的进入高炉的各自阀门系统。阀门站内的流程和设备基本和5#高炉相同，只是规格由DN150的改为DN200的，本系统采用的是优质碳素无缝管，中间增加多处阻燃节，使用过程一直比较安全。
全厂高炉应用富氧喷煤技术的情况
15000m3/h制氧机供五座高炉使用，平均氧量达到3000m3/h是不错的，但同样受到炼钢影响，为保证炼钢发展设计已考虑向炼钢输氧方案，炼铁只保1#、5#高炉用氧，其他高炉富余就用，不富余就减或停。1999年全厂高炉煤比达到131kg/t，其中1#高炉达到169kg/t，5#高炉达到170kg/t，6月份曾达到208kg/t，处于国内较高水平。
1#高炉虽然是首次用氧，承担国家产业化项目，使用效果较好。特别是1999年上半年煤比达到较高水平，具体指标如下：
1月 2月 3月 4月 5月 6月
利用系数t/m3.d 2.268 2.217 2.187 2.047 2.236 2.226
煤比kg/t 139 150
; 158 168 189 198
富氧率% 1.74 1.60 1.44 1.31 2.01 2.11
氧耗m3/t 26.31 25.09 23.07 22.00 32.13 33.32
风温℃ 1093 1102 1109 1093 1112 1113
可见单就一座高炉，能保证用氧，煤比可达到较高水平。2003年以后，由于炼钢新建的15000m3/h制氧机投产，高炉专用的制氧机才真正保高炉专用。各高炉积极采用富氧技术，使生铁产量和高炉煤比全面提高，特别是大修改造后的4#、5#高炉表现更好，现列出2004年9月份全厂高炉主要指标供参考
1# 2# 3# 4# 5# 全厂
高炉容积m3 550 700 600 700 380 2930
利用系数t/m3.d 2.257 2.511 2.424 2.830 3.217 2.613
焦比 kg/t 411 365 410 364 351 379
煤比kg/t 149 151 152 161 160 155
富氧率 % 2.43 2.15 2.78 2.33 2.81 2.46
氧耗m3/t 34 30 32 36 46 35
供氧量m3/h 1748 2202 1912 2968 2356 11186
风温℃ 1120 1191 1031 1097 1126 1114
高炉煤比指标已达到国内中等以上水平，仍有较大发展空间。
四、高炉富氧对高炉冶炼过程的影响
高炉富氧能加速风口前碳的燃烧过程，提高理论燃烧温度，既提高了产量，又弥补了喷煤量增加造成的理论燃烧温度下降和氧过剩系数降低的缺点，富氧和喷吹煤粉是互补技术。
富氧有利于高炉强化和提高煤比，但过高又将使高炉过程效益变差，天铁多年应用富氧喷吹煤粉技术的经验认为，富氧1.5—2.0%氧耗20—30m3/t，可使高炉煤比增加40—50kg/t。当然各厂冶炼条件不同，时间不同，可适当增减，比如天铁现在供氧条件较好，高炉富氧率普遍超过了2.0%，总之以获得最好的经济效益为准。
一般在高炉操作过程中，变动氧、煤、风温、湿度均按其对理论燃烧温度的影响来协调，按理论燃烧温度计算公式可计算出各种参数变化对其 影响，结果如下：
风温 100℃ 理论燃烧温度 76℃
煤比 10kg/t 理论燃烧温度 20℃
富氧率 1% 理论燃烧温度 38℃
湿度 1% 理论燃烧温度 39℃
这样掌握风温提高100℃可增加煤比40kg/t,而富氧1%煤比约增加20kg/t,然后根据高炉实际运行状态,判断其值是否合适,再适当调整后使用.另外还可用最大煤量公式和氧气过剩系数计算公式,进行核对,找出适合本高炉参数.
日常操作过程中,高炉富氧率可按下列公式计算:
ΔO2=QO2÷60ｘ0.785/Q风
式中: ΔO2……富氧率%
QO2……高炉使用的实际氧气量m3/h
Q风……高炉风量 m3/min
0.785……富氧中纯氧和风中含氧量差0.995-0.21
四、 高炉富氧喷吹煤粉经济效益分析
高炉使用氧气之后，要提高煤比同时应相应提高高炉产量，才能有真正的效益，如果增产少，可能无效益，甚至会出现负值。现将天铁1998年1月—8月和1999年1月—8月的技术数据列出，以备比较和效益计算。
产量t/d 焦比kg/t 煤比kg/t富氧率% 氧耗m3/t风温℃
1998年1—8月 5212 455.7 104.5 0 0 1018
1999年1—8月 5802 431.3 130.4 1.02 17.01 1075
变化 +590 -24.4 +25.9 +1.02 +17.01 +57
数据比较可知，由于富氧率提高1.02%，相应使煤比增加25.9kg/t，焦比下降了24.4kg/t，置换比较高，产量提高590t/d，其中包括4#高炉扩容的作用，，扣除此部分增产272.9 t/d 相当于增产5.24%。若按富氧1%计则增产5.13%高于4.76%的理论值，可见还有其他的有利因素。
按天铁当时的物资价格即可计算富氧喷煤效益。焦炭成本价410元/t，煤粉成本价210元/t，鼓风成本价0.012元/m3，氧气成本价0.32元/m3，生铁增产效益为55元/吨，结果如下：
① 增产效益（5802-5212-150Ⅹ2.144）Ⅹ55÷5802=2.54元/吨
② 节焦效益（455.7- 431.3）÷1000×410=10.00元/吨
③ 节风效益（17.01÷0.21）×0.012=0.97元/吨、
④ 多耗煤粉-（130.4-104.5）÷1000×210= -5.44元/吨
⑤ 多耗氧气-17.01×0.32= -5.44元/吨
总计 2.63元/吨
效益尚可，若是按现在的物资价格及生铁效益，其值更可观，各种物资价格及生铁效益成倍增加，电价未变也可说氧价基本未动，富氧的效果将更好。
五、安全用氧注意事项
氧气是强氧化剂，易燃、易爆。但按规程正确使用，还是安全的，特别是初次用氧开启最后一道阀门一定慎重。
① 氧气管道安装前要用四氯化碳清洗，管道密闭性好，强度试验合格，用N2或干燥、无油压缩空气充分清扫。
② 充N2隋化，开启氧气阀门前，先充N2，再开阀门，氧气接通后，及时关闭N2阀门。
③ 开启氧气阀门要慢，最后一道阀门要远距离操作。
④ 环境要干净，使用的工具、穿戴的工作服一定要无油。工具要用铜质的或镀铬的。
