鋼鐵生產與氧氣的關系及對制氧機的要求
  【摘要】本文介紹了鋼鐵生產與氧氣的關系，分析了鋼鐵行業生產對氧氣制氧機選型的基本要求，最后闡述了鋼鐵企業氧氣放散等氧氣設施的幾個問題。
關鍵詞：空分設備；鋼鐵工業；關系；選型；要求；設施
中圖分類號：TQll6．11 文獻標識碼：A
1 鋼鐵生產與氧氣的關系
世界鋼鐵工業已經歷過幾次變革，1865年前后，在英國出現空氣側吹轉爐煉鋼法、平爐煉鋼法，后以平爐取代側吹轉爐。為強化平爐冶煉，進而采用吹氧操作。1952年奧地利發明氧氣頂吹轉爐煉鋼法（LD法）后，世界鋼鐵工業進入了一個大飛躍發展時期。隨著鋼鐵工業的大飛躍，制氧機迅速向大型化發展，氧與鋼緊密地聯系在一起。
美國是繼奧地利之后，世界上較早采用氧氣頂吹轉爐的國家。日本從1957年引進該技術并大力發展，僅十年時間，就把鋼產量從一千萬噸猛增到了一億噸，其發展速度之快，氧鋼比例之大，當時均稱世界第一。而這期間，氧的生產也迅速增加，若1951年氧總產量為100，則1967年就達到637，十年增長了6．4倍，到1973年達1998，十六年增長了20倍。日本1973年產鋼突破1億噸。美國到1978年產鋼1．06億噸，消耗氧氣65．23億立方米。鋼鐵部門一直是氧氣行業最大的工業用戶，鋼鐵生產用氧量占總氧產量的2／3。
1996年我國鋼產量突破1億噸大關，近年來我國鋼鐵生產持續走高，有人預計2003年鋼產量可超過2．1億噸。鋼鐵生產的增長帶動了氣體行業的增長，2002年氣體分離設備行業所訂大中型空分設備的應用領域以鋼鐵為主， 占83．29％[2]。1988～2000年，我國空分設備行業共生產大中型空分設備300套，折合制氧總容量為1305815m3／h，其中冶金（鋼鐵和有色）行業，在空分設備套數和制氧容量市場占有率分別達到60．59％和64．4％。
鋼鐵生產傳統的是長流程，即燒結、焦化、煉鐵→煉鋼→軋鋼，后來又發展了短流程，即電爐→ 連鑄→連軋，電爐用氧迅速增長；此外，隨著鋼鐵質量的提高和新技術的發展，爐外精煉、頂底復合吹煉以及濺渣護爐等技術的采用，不但氧氣用量迅速增加，而且氮氣、氬氣用量也增長較快。高爐富氧鼓風、高爐爐頂密封、煤粉噴吹等也是用氧、用氮的大戶。熔融還原煉鐵（corex）技術的用氧量很大，氧耗在500～700m302／t鐵，使用這項技術的裝置已在南非及韓國等地建成投產。
國外鋼鐵廠通常在不考慮高爐大量富氧情況時，每1百萬噸鋼配置1萬m3／h的制氧能力，即（萬m3／h02）／百萬噸鋼的比值為1。1999年我國10家鋼鐵企業制氧機配套規模統計見表1，其中（萬m3／h02）／百萬噸鋼的平均比值為1．33。
有一個通俗的說法，“有氧就有鋼”，它雖然不夠全面和準確，但卻從一個側面形象地說明了鋼與氧的緊密關系。
2 鋼鐵企業對制氧機選型的基本要求
隨著鋼鐵工業的發展以及空分設備的技術進步，鋼鐵廠內的制氧機也不斷更新和進步。現就鋼鐵行業對制氧機選型的基本要求敘述如下。
2．1 運行安全、穩定、可靠
鋼鐵企業的生產具有連續性，平時不允許制氧機停產，制氧機的選型必須考慮能長期安全、穩定、可靠地運行。
2．2 設備容量趨向大型化
過去鋼廠設置的1500m3／h、3200m3／h、6000m3／h制氧機已逐漸為10000～30000m3／h制氧機所替代，目前國內鋼廠在用的最大制氧機為72000m3／h。設備的容量要根據鋼廠的主體工藝規模和廠內原有的制氧機情況等各方面的因素，經分析比較后確定，總的趨向是大型。但不是越大越好，要考慮單臺設備與其他設備的配合與協調。
2．3 氧、氮、氬并重
隨著鋼鐵生產的發展，對氧、氮、氬的需求量均增大。過去鋼廠用氧為主，制氧機也多以產氧為主，現在有的鋼廠氮用量已超過氧，隨著鋼鐵質量的提高，氬用量也增長。目前鋼鐵廠制氧機氧、氮比一般為1：1。現代制氧機的氮氣產量可達氧氣產量的3倍，因此可以根據廠內情況適當提高氮產量，氬一般可按常規流程的最大量提取。這一方面是因為鋼鐵生產的需要；另一方面是因為氬的價值較高，有一定市場，而且提氬后可使氧氣提取率提高，降低氧氣的單位電耗。在有的鋼鐵廠（例如煉不銹鋼的特鋼廠）對氬氣需求量更大，可以采用一些特殊的流程（例如膨脹空氣進下塔），以獲得最高的氬提取率。
2．4 要有一定的液體量
為了確保制氧機可靠、穩定地運行，有時間處理小事故及小維修，國內外都要求氧氣站有一定的液體儲備量。一般要求儲備量為最大制氧機24小時或36小時的產量。此外，由于市場的需要，也要求制氧機有一定的產液量，既滿足了市場要求，又可為公司創造效益。液體產量可根據公司及周邊市場的需要確定。制氧機可設置最大及最小液體工況，以滿足不同時期的要求。在整個空分系統中可設有液體供應系統，但由于生產液體的能耗高，用液氧來煉鋼成本高，因此主要用作故障備用氧，不能頻繁作為煉鋼調峰氣源。
2．5 氧、氮、氬的純度要高
對于轉爐煉鋼，一般要求氧的純度不低于99．2％02，高爐用氧純度可低一些，一般在90％以上。鑒于目前制氧機的技術水平，制氧機的氧氣純度一般為99．6％，用于轉爐及高爐的氮氣純度要求不高，為99．99％以上，用于軋鋼等作保護氣的氮氣純度要求較高，為99．999％以上，目前制氧機的氮氣純度一般可到99．999％（10×10－602）以上。氬的純度一般要求99．999％以上（02≤2×10－6， N2≤3×10－6）。
2．6 氧、氮壓力要合適
筆者曾有論文論述過鋼鐵廠內的氧氣終壓以3．OMPa為宜，國內大多數鋼鐵企業已建立3．OMPa的管網系統。但有的鋼廠在運行中因球罐本體質量及廠內節電計算方法等各種因素， 曾在低于3，OMPa壓力下運行；也有同志對3．OMPa的終壓提出疑問。考慮到國內壓氧設備的現有系列、鋼鐵廠內已有的3．OMPa管網系統以及有利于減少放散等多種因素，目前鋼廠氧氣終壓仍為3．OMPa較好。氮氣壓力過去以0．8MPa為主，由于轉爐濺渣護爐等技術的采用，出現了一個以3．OMPa左右為終壓的氮氣系統。
2．7 能耗低
能耗與制氧機的大小、流程、液體的提取量等均有關，目前國內外制氧機能耗的統計與計算方法不大統一，對不同制氧機做評審時要注意此點。
2．8 具有一定的自動調節負荷和優化性能手段
為了減少鋼鐵廠氧氣的放散量和降低能耗，制氧機具有一定的自動負荷調節及優化性能手段是有利的。
2．9 流程合適
流程的選擇是與制氧機的技術發展以及用戶的工藝參數要求緊密聯系的。近年來制氧機技術發展較快，目前已普遍采用分子篩吸附、增壓膨脹、規整填料全精餾制氬等新技術。至于內、外壓縮的選用，需要具體對待。應該說內壓縮流程對保證制氧機安全特別是主冷及壓氧設備的安全，是非常有效的；另外有利于提取更多的液體。但是內壓縮流程的能耗一般比外壓縮要稍高一點。
此外，國外普遍采用內壓縮流程還有一個一次投資的原因，國外氧壓機價格高，容量愈大、壓力愈高，則價格愈貴。我國的情況不同， 國內10000m3／h制氧機的氧透在各廠已安全地長期運行，目前20000m3／h制氧機的氧透已投人生產，而氧透的價格又遠比國外低。但大型空分配套的空氣壓縮機及增壓機目前都考慮進口，因此有一個經濟比較的問題。
總之，流程選擇是一個比較復雜的問題，不宜提倡或統一套用一個模式，需要調研、綜合考慮各廠具體情況并進行技術、經濟比較后加以選擇。
2．10 提取稀有氣體
氬以外的稀有氣體氖、氦、氪、氙在鋼鐵企業工藝生產中沒有用途，大型制氧機是否提取這些稀有氣體，主要看市場需要。
以上只是簡要地介紹鋼鐵企業對制氧機的一些基本要求，限于篇幅并未深入展開討論。這些基本要求是一般性的，一定要根據每個鋼鐵企業的實際情況，包括主體工藝的情況要求和有關參數、總圖位置、水、電供應條件以及周邊市場情況等，結合基本要求統一考慮，提出窟體的選型要求。
3 有關鋼鐵企業氧氣設施的幾個問題
3．1 氧氣放散問題
由于鋼鐵生產的用氧量大，配置的制氧機組容量大，臺數多，而鋼鐵生產（特別是頂吹轉爐）的間隙生產波動量大，因此在保證生產的前提下如何減少氧氣放散是鋼鐵企業氧氣生產中一個重要的問題。筆者在“鋼鐵企業氧氣放散與空分設備的負荷調節”一文中已就此做了論述，其他一些相關的文章和資料也做了介紹。氧氣放散問題還需引起大家的重視，各單位應相互交流經驗，以期整個行業取得更好的效益。
3．2 安全問題
由于鋼鐵生產的全廠連續性，鋼鐵主體停產會帶來巨大經濟損失，另外氧氣生產的安全還關聯到氧氣設備本身和操作人員，因此對氧氣設施的安全生產應高度重視，任何時候都不能放松。前一段時間在新余鋼廠和萍鄉鋼廠等發生了制氧機重大事故，引起了大家的高度重視。近一段時間雖未發生類似上述的重大事故，但仍有一些小事故，例如某廠俄制氧氣透平壓縮機著火燒毀；某廠調壓站調壓閥及氧氣過濾器著火燃燒；某廠煉鋼廠氧氣管道燃燒等。由于部、委機構的精簡，一些行業協會的工作未能及時跟上，再加上其他原因，未能及時總結事故的教訓，交流經驗，這不利于安全生產及防范，希望能引起有關部門的重視。
3． 3 設備更新改造
近年來鋼鐵生產很熱，除了一些新建廠新增制氧設備外，一些老廠一方面淘汰老設備，或者對老設備進行更新改造，例如由切換板式流程改為分子篩吸附及無氫制氬流程等，另一方面又新增設備。由于主體工藝的急需及資金的限制等，沒有一個總體規劃，有的上得比較零亂。如果有可能，最好能有一個總體規劃。
3．4 管理問題
由于每個鋼鐵廠內的制氧機套數越來越多，單機的容量不斷增大，設備流程和技術不斷提高，因此對操作者的素質要求也越來越高，而管理顯得格外重要。
以上就鋼鐵生產與氧氣的關系、鋼鐵企業對制氧機的基本要求以及當前氧氣生產的幾個問題，談了一點個人看法，其中有些觀點是否合適，請同行和專家指正。
參考文獻：
[1]顧福民．制氧機與鋼鐵生產[J]．冶金動力，1985（3）．
[2]中國通用機械氣體分離設備行業協會．氣體分離設備行業年鑒[R]．2003．
[3]世界金屬導報．2003（35）（總1654期）．
[4]鋼鐵廠內部統計資料．
[5]肖家立．鋼鐵企業氧氣放散與空分設備的負荷調節
[J]．深冷技術，2002（6）：1～5．
作者簡介：肖家立（1932－），男，教授級高級工程師，1952年華南工程學院化工系畢業，原北京鋼鐵設計研究總院燃氣室主任。

   鋼鐵生產中對工業制氧機生產氧氣的數量和質量有什么要求
   1、轉爐煉鋼，要求高純度的氧氣，含氧大于99.5％。同時，對壓力也有一定要求，工作壓力大于1.3MPa。冶煉噸鋼的氧氣消耗量在50～60立方米。
   2、高爐富氧鼓風。提高高爐鼓風中的含氧，可以增加煤粉的噴吹量，提高生鐵產量。當噸鐵噴煤量達200kg／t時，要求鼓風含氧量在25％～29％。鼓風中含氧量提高1％，生鐵產量增加3％，每噸鐵的噴煤量可增加13kg。目前，富氧含量一般為23％～25％，最高達27％。高爐鼓風量很大，每噸鐵需12000立方米的空氣，雖然富氧程度不高，氧氣的消耗量也是相當大的。含氧提高1％，對每噸鐵約需16～18立方米的氧氣。雖然煉鐵對氧氣純度沒有什么特殊要求，但是，如果專門為煉鐵配置單獨的制氧機系統，與煉鋼用氧不能相互調配，所以一般仍由高純氧系統供氧。氧氣一般從鼓風機進口吸入，所以對氧氣壓力沒有要求。
   3、熔融還原煉鐵。它用煤對鐵礦石進行還原，要求氧氣純度在95％以上，每噸鐵的氧消耗量為500～550立方米。
   小常識：空分設備中的擴壓器是壓縮機上主要元件之一，氣體進入擴壓器后流通面積增大，流速降低，后面的氣體不斷推擠前面的氣體，進而氣體密度增大，壓力升高。