高爐冶煉是高溫物理化學反應，參與反應的主要元素是Fe-C-O。Fe來源于礦石，包括燒結礦、球團礦、塊礦等。碳來源于燃料，包括焦炭及各種噴吹物。O2來源于高爐鼓風和富氧。原先礦石和燃料是由高爐上部裝入的，而從高爐下部進入爐內的僅是鼓風，后來發展高爐綜合鼓風技術，即從高爐下部進入爐內的不僅有鼓風，還有富氧及各種可燃的碳氫化合物，甚至還有含鐵、含CaO的粉狀物質。
富氧的目的原先主要為提高風中含氧，強化高爐冶煉，后來由于噴吹燃料技術發展，高爐噴吹的天然氣、重油或煤粉量過大時，導致高爐理論燃燒溫度過度下降，使高爐過程困難，同時也難于繼續提高噴煤量。而高爐富氧之后，可以相應提高理論燃燒溫度，提高反映區的氧化氣氛，形成富氧噴吹技術，特別是富氧噴煤技術，更適合國內的實際。
現在國內高爐噴煤量已普遍達到100kg/t，而寶山高爐達到200kg/t的國際水平，還有一大批高爐煤比超過了150kg/t，從高爐噴吹煤粉的實踐可知道，在無富氧的條件下，煤比一般能達到100kg/t，個別可達到120kg/t，若想達到更高的水平必須配備富氧，否則將導致高爐噴煤置換比降低。目前國內高爐富氧一般在1—3%的水平，個別可能高些。國外有的國家電力充足，富氧可達到10%，甚至更高。敬業高爐這次富氧仍然是用煉鋼余氧，但更大的目的在強化高爐冶煉，多出鐵，當然也應相應提高煤比，所以一旦富氧，立即達到較高水平，富氧率達到2-3%，沒有多余的實踐時間，更要求預先能掌握較多的富氧噴煤知識。
一、氧氣的特點和制備方法
氧氣是自然界一種普通重要的物質元素，存在于大氣中，存在于水中，存在于地殼的各種氧化物中，是人類生存的必備條件，也是自然界變化的必備條件。
氧氣和自然界的其他物質一樣，有三種存在狀態，一般為氣態。在溫度高于-183℃其為氣態，無色透明，比重為1.429g/cm3。溫度在-183℃— -219℃之間其為蘭色的液體，當溫度低于-219℃時，其為淡蘭色的固體。就像水蒸氣、水和冰一樣。
氧元素在元素周期表中處在第二周期，第Ⅵ族。原子序號為8，原子量為16，其原子核有8個質子和8個中子，核外有8個電子繞核旋轉，電子層為2層，第一層有2個電子（飽和時為2個）第二層為6個電子（飽和時為8電子）因此極需從別處拉過2個電子，使外層電子飽和、穩定。在一定的條件下，極易和其他物質產生化合反應，生成相應的氧化物，CO、CO2、H2O、……。其中應特別注意的是CO和CO2。任何氧化物或其他化合物的分子，隨溫度升高，原子間的結合力變弱，即容易將其原子分開。唯CO和CO2完全相反，隨溫度升高，其原子結合更牢固。因此不論焦炭也好，煤粉也好，雖然其燃燒是放熱反應，隨環境溫度升高，其反應越激烈，這就是在高爐噴吹煤粉和其他碳氫化合物時，要求提高風溫的原因。
正常狀態下，高爐的燃燒反應是在大氣中的氧和燃料中的碳之間發生的，大氣中參與反應的O2僅占21%，其余79%是N2和其他少量元素，實際不參與化學反應，只有溫度的變化，因此高爐內的實際燃燒反應化學式應為：
2C+O2+79N2/21=2CO+79N2/21+2340千卡/千克碳
如果鼓風中O2由21%升高到25%，其燃燒反應式為：
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
式中可見，當鼓風中的氧由21%上升到25%時，雖然燃燒同樣的碳，產生同樣的熱量，但燃燒產物的體積下降了13.23%，這樣就便于高爐強化。初期用氧就是為高爐強化冶煉的。富氧率提高之后，燃燒產物減少，帶到上部去的熱量也少了，高爐熱量集中在下部區域，產生下熱上涼現象。而高爐噴煤多，理論燃燒溫度下降多，高爐產生下涼上熱現象，如果兩者適當配合，使高爐內的溫度分布趨于均勻，有利于整個高爐冶煉過程的進行。
氧氣制備在實驗室用含氧化合物分解制備。工業上一般采用分餾法制備，由于當初冶金工廠的氧主要為煉鋼轉爐準備的，轉爐要求氧純度達到99.5%以上，而高爐用氧對純度要求不嚴。制備高純度的氧能耗大，合理的方案應該單為高爐配備制氧機，現在國內已有個別廠用變壓吸附的方式為高爐配備了制氧機。天津鐵廠用液氧壓縮技術，為高爐配備了一臺15000m3/h制氧機，由于其出塔壓力即可達到0.6mpa，可直送高爐，不采用加壓再減壓的流程，氧的成本較低，僅0.32元/m3（正常的0.48元/ m3）已正常使用六年多了，敬業高爐使用的仍然是煉鋼余氧，但由于氧氣供應能力大，高爐可以使用較多的氧氣來提高產量，增加煤比。
二、富氧對高爐冶煉過程影響
高爐鼓風含O2提高之后，能加速高爐風口前的燃燒過程，提高理論燃燒溫度，強化高爐冶煉，增加高爐煤比，但其和高爐提高風溫不同，它不能帶入附加的熱量，其影響如下：
1、提高高爐冶煉強度
由于鼓風含O2提高之后，高爐燃燒焦炭和煤粉的能力提高，也就是提高了高爐的冶煉強度，由于鼓風和富氧含純氧不同，富氧率提高1%，能提高冶煉強度4.76%，也就是說高爐產量按理論計算應提高4.76%。
2、高爐富氧有利于爐況順行
高爐富氧后，由于燃燒同樣的碳，其燃燒產物量下降，在一定的條件下相當于高爐減風，爐內煤氣上升阻力減少，有利于高爐順行，如果保持原有的煤氣量，則相當于高爐加風。
3、對高爐焦比的影響
高爐富氧對高爐綜合焦比影響有好有壞，一般變化不大，但由于富氧后，煤比大大提高，可促使焦比降低。
4、 高爐富氧之后，能提高高爐煤氣的熱值
富氧后，由于煤氣中N2量減少，有效的CO、H2相對增加，能提高煤氣的熱值，鞍鋼統計富氧1%，高爐煤氣的熱值提高3.4%，熱風爐反應好燒爐。
5、高爐富氧更有利于冶煉能耗高的鐵種
對于綜合焦比很高鑄造鐵、硅鐵等耗熱量大的鐵種，不僅能大大降低其燃耗，還能提高其產量。
敬業高爐富氧是在氧氣富余的條件下進行，預計8月15日第三臺制氧投產，9月1日高爐必須應用富氧來大幅度提高生鐵產量，滿足煉鋼生產。將增煤比放在第二位，適當增煤，使風口理論燃燒溫度維持合理水平，保高爐順行。
三、高爐富氧供氧方法和安全用氧
目前高爐富氧供氧方式分為三種，第一種機前供氧，即將氧氣送入鼓風機吸風口和鼓風一起加壓，經送風系統進入高爐風口內，國外有使用此種辦法的，國內沒有，第二種方式，機后供氧，即在鼓風從風機主管出來之后，在放風閥前某處，將氧氣加入和冷風混合經加熱送入爐內，這是國內大多數廠家使用的辦法，第三種實際也是機后供氧，在爐臺通過氧煤槍和煤粉混合，直送風口前，目的是提高局部區域氧濃度，使煤粉更完全燃燒，鞍鋼作高煤比試驗時用過，攀鋼用過，包鋼試驗時也用過。天津鐵廠5#高爐有一套比較完整的氧煤槍供氧裝置，由于安全原因，未敢使用，在2003年該高爐改造性大修已拆除。現在有的廠家應用的氧煤槍介質實際是壓縮空氣，因為從理論研究和實驗室試驗并不能證明這種方法，局部區域含O2升高，只要氧和空氣混合，立即能達到均勻混合的程度，而且是在極短的時間內完成。
敬業高爐富氧采用機后供氧的方法。從氧氣廠來氧壓力為1.6mpa，經兩次減壓進入冷風管道，高爐工長只要控制氧氣壓力調節閥即可達到所需的供氧量比較方便。
高爐應用富氧冶煉一定要保證安全生產，國內高爐在應用富氧時造成過燃爆，導致人員傷亡，還有的廠在初次應用富氧時，由于氧氣流量表不準，使實際供氧大大增加，而大量的燒壞高爐風口，它不是渣鐵燒壞的，而是高溫的氣體將其熔蝕、燒壞的。
應用氧氣發生安全事故的原因，一者氧氣本身就是強氧化劑，易燃易爆。二者使用不當，特別是送氧初期開啟最后一道閥門，瞬間氧氣流速極高，若管道內有殘存的塵粒，鐵銹片等雜物，也隨氧氣在管道內高速流動和管壁摩擦，產生火花，使氧氣和金屬鐵迅速反應生成FeO，溫度高，其為液體狀態在管道內流動，使管壁變薄而爆裂，再引燃其他物質。因此，為防止事故氧氣管道閥門必須干凈，經過強度和嚴密性試驗，脫脂和嚴格吹掃，不使管內有殘留雜物。再者在開啟氧氣閥門前在管道內充N2，能減少閥門前后的壓差，N2也能熄滅火源，等氧氣閥門全開，氧氣接通后關閉充N2閥門。
用氧雖然危險，只要按操作規程正確使用，還是可以安全應用富氧和富氧噴吹煤粉技術的。
高爐富氧噴煤學習材料（Ⅱ）
敬業高爐富氧系統流程和操作注意事項
敬業高爐鼓風富氧系統原由安鋼設計院設計，從氧氣廠出來的氧氣壓力為1.6mpa到煉鐵區后經過一次減壓到0.8mpa，再分配到各高爐區后，再減一次壓，進入高爐冷風管道。其流程長、設備復雜，在2004年10月5#高爐富氧時將其改造。在制氧廠，氧氣壓力由1.6mpa減為0.8mpa，經Φ159×4.5的管道直送5#高爐富氧閥門站，再減壓進入高爐冷風管道，流程簡化，但試驗僅進行44小時，即因無氧停止，效果比較明顯，噴煤量達到7.82t/h，日產鐵也達到較高水平。
此次富氧機動處組織研究修改了設計方案，從氧氣廠來氧的壓力為1.6mpa到煉鐵區后減壓到0.8mpa，分成4支，分別進入4#、5#、6#（予留）和小高爐閥門站，小高爐再分為3支，進入各高爐閥門站，具體流程和設備如下：
1、流量孔板 2、阻火器 3、截止閥DN250 4、過濾器YG-40P 5、快速切斷閥ZSPQ-40KDN250 6、氧氣壓力調節閥組OZXT250 7、截止閥YTJW-25PDN150 28、止回閥 29、截止閥
第一次減壓：氧氣廠來氧壓力為1.6mpa ,首先打開29閥充N2，然后依次打開3號閥（前后），5號閥和6號減壓閥組，用6號調壓閥組控制氧氣壓力，為0.8 mpa然后分送各支管，該閥組為自動控制，關閉29號閥設定壓力后，閥組保持規定的壓力。
一次減壓后，氧氣將進入各高爐閥門站，僅以4號高爐為例說明其操作程序，其流程和閥門編號如下圖示：
7、截止閥DN150 8、自動式壓力調節閥DN80 9、流量孔板DN150 10、快速切斷閥 11、逆止閥 12、阻火器 13、逆止閥DN40 14、截止閥DN40 15、截止閥DN50
接通支管系統：和總管接通原則一樣，首先開啟15號、14號截止閥在系統內通N2，然后逐步打開7號閥和10號閥，此時8號閥門前為氧氣
（壓力0.8mpa）8號閥門后為空氣加N2氣（壓力略高于高爐冷風壓力）。然后遠距離開啟8號氧氣壓力調節閥，系統貫通，關閉15號、14號閥。工長可用8號閥（小高爐19號）調節供氧量，一般500、1000、1500、2000、2500m3/h(小高爐300、500、860 m3/h)氧氣進入高爐參與爐內的冶煉過程。同時相應調整焦炭負荷和噴煤量。保證高爐在新的熱平衡狀態下順利進行。
其他高爐接通氧和調整氧也按此程序進行。
用氧量調整一般高爐是逐步提高的，敬業高爐用氧也需遵循此原則，但由于生產任務要求，進行速度應快些，使大高爐供氧量盡快達到2500 m3/h（富氧率2.32%）,盡量多增產，滿足煉鋼要求為企業完成全年生產任務作貢獻。
高爐使用氧氣安全注意事項
1、 首先供氧設備保證合乎要求，系統用四氯化碳清洗并用N2或干燥壓縮空氣吹掃，經過嚴密性和強度試驗合格。
2、正確使用，即按技術規程用氧，特別是初次送氧有關領導應親自指揮，開啟閥門順序正確，先通N2隋化。
3、用氧高爐及其周圍環境干凈，不能有油污及其他易燃品、勞保品、工具亦要無油污，注意防止靜電。
4、快速切斷閥能在非常狀態下，迅速關閉，切斷氧源。在支系統中，10號閥（小高爐為21號閥）在氧氣壓力<0.5 mpa或>0.9mpa，即自動關閉，也可根據管網實際情況作調整。另外，當高爐冷風壓力<0.13mpa（小高爐<0.08mpa）快速切斷閥10號（21號）也自動關閉。
在總系統中來氧壓力為1.6mpa，當其降低到1.0mpa，說明供氧系統故障，立即關閉5號閥，支系統關閉10號（21號）閥，充N2，隋化、保壓，迅速聯系，查明原因，決定如何繼續處理。
5、高爐確定操作氧氣閥門負責人，未經負責人指派，其他人員不可操縱氧氣有關閥門，防止發生意外。
富氧噴煤學習資料（Ⅲ）
天津鐵廠富氧噴吹煤粉技術介紹
天津鐵廠原有五座高爐（3×550、600、300），1988年開始噴吹煤粉，1992年全廠煤比達到87kg/t，為了在原有焦爐生產能力的基礎上將生鐵產量提高到200萬噸以上，只能靠增加煤比補充燃料不足。當煤比超過100kg/t（1995年）之后如何繼續提高煤比，除盡可能提高風溫外，只能靠采用富氧技術。而1994年天鐵3×30噸轉爐、2×6000m3/h制氧機投產，也為高爐采用富氧噴吹煤粉技術提供物質基礎。
一、5#（300 m3）高爐首先采用富氧噴吹煤粉技術
天鐵5#高爐1989年10月建成，1992年7月采用噴煤技術，當年就達到較高煤比，它距煉鋼空分車間也近，決定先在5#高爐建立試驗性的富氧設施，經過多次考察，選定氧氣閥門站的設計方案。來氧壓力為0.75mpa，供氧能力1000—3000m3/h經減壓后進入冷風管道，管線長約250米，全部選用Φ159×4.5的不銹鋼管，其閥門站的內部流程和主要設備
如下圖：
1、J41W-25T型截止閥 DN150 銅質 3個
2、流量計PN16 量程0—5000m3/h
3、ZMN-40K型薄膜調節閥DN100 1Cr18Ni9Ti
4、H41W-30T型止回閥 DN150 銅質1個
5、ZSPC-16KS型氣動活塞切斷閥DN150 1Cr18Ni9Ti
6、氧氣壓力表0—1.0mpa 2個
另外還有吹掃和充壓的N2系統對保證安全用氧很重要。
5#高爐富氧系統是1995年3月25提正式投入運行的初次用氧僅500 m3/h，并相應調整噴煤量和焦炭批重，使用比較順利，二季度煤比就達到145kg/t，下面列出其初次用氧和2004年的生產技術指標：
1995年二季度（300 m3） 2004年度（380 m3）
有效容積利用系數t/m3.d 2.156 3.158
入爐焦比kg/t 424 365
煤比kg/t
145 156
富氧率% 1.34 2.82
富氧量m3/h 851 2297
氧單耗m3/t 32 46
高爐風量m3/min 833 1068
風溫℃ 989 1119
數據表明氧耗32m3/t，使煤比增加了40kg/t和預測的每增1kg/t煤比需增氧0.6-1.0m3/t比較吻合，特別是從1996年10月1日到1997年9月30日，一年時間內連續用氧，富氧率為1.71%煤比達到151kg/t，個別月份富氧率2.48%，，煤比達到186kg/t處于當時國內較高水平。5#高爐富氧用的是煉鋼余氧。和其他廠一樣，煉鋼富余就用，不富余就停。隨煉鋼生產發展，富余的氧越來越少，1997年四季度5#高爐終止了富氧噴煤試驗。
二、天鐵高爐全部采用富氧噴吹煤粉技術
為了保證高爐應用富氧噴吹技術，在5#高爐進行富氧噴吹煤粉試驗的同時，天鐵啟動了高爐專用的15000m3/h制氧機的研究和設計，并于1998年9月順利投入運行。這種制氧機的特點是采用內壓縮流程，即在分餾塔內，當氧氣尚處于液體狀態用液氧泵將其壓縮使其出塔后的壓力即可達到0.6 mpa,可直接送高爐使用，不再使用加壓減壓再送高爐使用的流程，氧氣成本僅0.32元/m3(當時正常氧氣成本為0.48元/ m3)有利于降低高爐能耗和成本。為全廠高爐采用富氧噴煤技術提供了條件。
全廠高爐供氧流程和設備參數選擇
按氧壓0.6 mpa，氧量15000 m3/h設計，從空分廠出來的氧氣總管為DN400的，首先分出一支DN200的去5#高爐代替其原來的輸氧管道。DN400氧氣總管到南區后分成兩支DN300的管道。分別進入1#-2#和3#-4#高爐閥門站區，再分為兩支DN200的進入高爐的各自閥門系統。閥門站內的流程和設備基本和5#高爐相同，只是規格由DN150的改為DN200的，本系統采用的是優質碳素無縫管，中間增加多處阻燃節，使用過程一直比較安全。
全廠高爐應用富氧噴煤技術的情況
15000m3/h制氧機供五座高爐使用，平均氧量達到3000m3/h是不錯的，但同樣受到煉鋼影響，為保證煉鋼發展設計已考慮向煉鋼輸氧方案，煉鐵只保1#、5#高爐用氧，其他高爐富余就用，不富余就減或停。1999年全廠高爐煤比達到131kg/t，其中1#高爐達到169kg/t，5#高爐達到170kg/t，6月份曾達到208kg/t，處于國內較高水平。
1#高爐雖然是首次用氧，承擔國家產業化項目，使用效果較好。特別是1999年上半年煤比達到較高水平，具體指標如下：
1月 2月 3月 4月 5月 6月
利用系數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
風溫℃ 1093 1102 1109 1093 1112 1113
可見單就一座高爐，能保證用氧，煤比可達到較高水平。2003年以后，由于煉鋼新建的15000m3/h制氧機投產，高爐專用的制氧機才真正保高爐專用。各高爐積極采用富氧技術，使生鐵產量和高爐煤比全面提高，特別是大修改造后的4#、5#高爐表現更好，現列出2004年9月份全廠高爐主要指標供參考
1# 2# 3# 4# 5# 全廠
高爐容積m3 550 700 600 700 380 2930
利用系數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
風溫℃ 1120 1191 1031 1097 1126 1114
高爐煤比指標已達到國內中等以上水平，仍有較大發展空間。
四、高爐富氧對高爐冶煉過程的影響
高爐富氧能加速風口前碳的燃燒過程，提高理論燃燒溫度，既提高了產量，又彌補了噴煤量增加造成的理論燃燒溫度下降和氧過剩系數降低的缺點，富氧和噴吹煤粉是互補技術。
富氧有利于高爐強化和提高煤比，但過高又將使高爐過程效益變差，天鐵多年應用富氧噴吹煤粉技術的經驗認為，富氧1.5—2.0%氧耗20—30m3/t，可使高爐煤比增加40—50kg/t。當然各廠冶煉條件不同，時間不同，可適當增減，比如天鐵現在供氧條件較好，高爐富氧率普遍超過了2.0%，總之以獲得最好的經濟效益為準。
一般在高爐操作過程中，變動氧、煤、風溫、濕度均按其對理論燃燒溫度的影響來協調，按理論燃燒溫度計算公式可計算出各種參數變化對其 影響，結果如下：
風溫 100℃ 理論燃燒溫度 76℃
煤比 10kg/t 理論燃燒溫度 20℃
富氧率 1% 理論燃燒溫度 38℃
濕度 1% 理論燃燒溫度 39℃
這樣掌握風溫提高100℃可增加煤比40kg/t,而富氧1%煤比約增加20kg/t,然后根據高爐實際運行狀態,判斷其值是否合適,再適當調整后使用.另外還可用最大煤量公式和氧氣過剩系數計算公式,進行核對,找出適合本高爐參數.
日常操作過程中,高爐富氧率可按下列公式計算:
ΔO2=QO2÷60ｘ0.785/Q風
式中: ΔO2……富氧率%
QO2……高爐使用的實際氧氣量m3/h
Q風……高爐風量 m3/min
0.785……富氧中純氧和風中含氧量差0.995-0.21
四、 高爐富氧噴吹煤粉經濟效益分析
高爐使用氧氣之后，要提高煤比同時應相應提高高爐產量，才能有真正的效益，如果增產少，可能無效益，甚至會出現負值。現將天鐵1998年1月—8月和1999年1月—8月的技術數據列出，以備比較和效益計算。
產量t/d 焦比kg/t 煤比kg/t富氧率% 氧耗m3/t風溫℃
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
變化 +590 -24.4 +25.9 +1.02 +17.01 +57
數據比較可知，由于富氧率提高1.02%，相應使煤比增加25.9kg/t，焦比下降了24.4kg/t，置換比較高，產量提高590t/d，其中包括4#高爐擴容的作用，，扣除此部分增產272.9 t/d 相當于增產5.24%。若按富氧1%計則增產5.13%高于4.76%的理論值，可見還有其他的有利因素。
按天鐵當時的物資價格即可計算富氧噴煤效益。焦炭成本價410元/t，煤粉成本價210元/t，鼓風成本價0.012元/m3，氧氣成本價0.32元/m3，生鐵增產效益為55元/噸，結果如下：
① 增產效益（5802-5212-150Ⅹ2.144）Ⅹ55÷5802=2.54元/噸
② 節焦效益（455.7- 431.3）÷1000×410=10.00元/噸
③ 節風效益（17.01÷0.21）×0.012=0.97元/噸、
④ 多耗煤粉-（130.4-104.5）÷1000×210= -5.44元/噸
⑤ 多耗氧氣-17.01×0.32= -5.44元/噸
總計 2.63元/噸
效益尚可，若是按現在的物資價格及生鐵效益，其值更可觀，各種物資價格及生鐵效益成倍增加，電價未變也可說氧價基本未動，富氧的效果將更好。
五、安全用氧注意事項
氧氣是強氧化劑，易燃、易爆。但按規程正確使用，還是安全的，特別是初次用氧開啟最后一道閥門一定慎重。
① 氧氣管道安裝前要用四氯化碳清洗，管道密閉性好，強度試驗合格，用N2或干燥、無油壓縮空氣充分清掃。
② 充N2隋化，開啟氧氣閥門前，先充N2，再開閥門，氧氣接通后，及時關閉N2閥門。
③ 開啟氧氣閥門要慢，最后一道閥門要遠距離操作。
④ 環境要干凈，使用的工具、穿戴的工作服一定要無油。工具要用銅質的或鍍鉻的。
