曹維超 范文生 方麗平 司新國(guó) 黃亞玲 王少寧

(河鋼集團(tuán)唐鋼公司)

0 前言

隨著高爐大型化的發(fā)展，精料對(duì)大型高爐穩(wěn)定順行的決定性作用已經(jīng)成為煉鐵生產(chǎn)的共識(shí)。隨著高爐噴煤比的大幅提升，焦炭的還原劑和發(fā)熱劑的作用已經(jīng)被部分替代，但焦炭作為料柱骨架的作用反而更加重要。這是由于高爐大型化，噴煤比大幅提升以及礦焦比的不斷增加，焦炭質(zhì)量對(duì)料柱透氣性起著關(guān)鍵作用，對(duì)爐缸狀態(tài)起決定性作用[1]。

近年來(lái)，行業(yè)利潤(rùn)大幅下降，鋼鐵企業(yè)都把降低成本作為一項(xiàng)主要課題。隨著成本空間的壓縮，高爐原燃料質(zhì)量都呈下降趨勢(shì)。特別是進(jìn)入2016年9月份以來(lái)，煉焦煤價(jià)格上漲，焦炭成本大幅上升，但由于資源質(zhì)量的下降和焦炭供不應(yīng)求的市場(chǎng)狀態(tài)，外購(gòu)焦炭質(zhì)量呈(現(xiàn))劣化趨勢(shì)。

唐鋼南區(qū)高爐有效容積為3 200 m3，設(shè)計(jì)利用系數(shù)為2.50 t/m3d，2007年9月投產(chǎn)，2012年9月～11月中修，投產(chǎn)后南區(qū)高爐保持高產(chǎn)低耗，日產(chǎn)鐵量8 000 t，煤比150 kg/t，燃料比505 kg/t。但進(jìn)入2015年下半年以來(lái)，高爐爐況頻繁波動(dòng)，恢復(fù)困難，日產(chǎn)量下降到7 000 t，燃料比升高到530 kg/t。唐鋼自產(chǎn)干熄焦焦?fàn)t為2座65孔7 m型焦?fàn)t，周轉(zhuǎn)時(shí)間為24 h，標(biāo)準(zhǔn)溫度為1 240 ℃、1 290 ℃，產(chǎn)量為150 萬(wàn)t/年。

唐鋼南區(qū)3 200 m3高爐面對(duì)焦炭質(zhì)量的波動(dòng)，主要表現(xiàn)為焦炭冷熱強(qiáng)度下降，灰分上升，水分波動(dòng)大，爐況出現(xiàn)穩(wěn)定性下降，爐溫波動(dòng)大，產(chǎn)量下降，燃料比大幅升高等現(xiàn)場(chǎng)，采取了一系列措施，摸索出一套應(yīng)對(duì)焦炭質(zhì)量波動(dòng)的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 焦炭質(zhì)量對(duì)高爐指標(biāo)影響分析

唐鋼煉焦制氣廠老系統(tǒng)于2014年7月停產(chǎn)，只留一套干熄焦系統(tǒng)生產(chǎn)。南區(qū)高爐的焦炭結(jié)構(gòu)正常生產(chǎn)情況下為40%～50%的自產(chǎn)干熄焦，50%～60%的外購(gòu)一級(jí)濕熄焦，其中濕熄焦包括10%～20%的山西濕熄焦1和40%～50%的山西濕熄焦2。唐鋼南區(qū)高爐2016下半年焦炭質(zhì)量和技術(shù)指標(biāo)變化見(jiàn)表1。

表1 2016年唐鋼南區(qū)高爐焦炭質(zhì)量和技術(shù)指標(biāo)

注：表中成分為自產(chǎn)干熄焦、濕熄焦1和濕熄焦2按入爐比例的加權(quán)平均成分。

2016年9月份后，唐鋼南區(qū)高爐處于爐況恢復(fù)期，技術(shù)指標(biāo)較之前大幅下降，煤比維持在較低水平。從表1可以看出，入爐焦炭的灰分穩(wěn)定在12.6%左右，高于一級(jí)冶金焦標(biāo)準(zhǔn)。焦炭灰分的主要成分是SiO2和Al2O3等酸性氧化物，焦炭在高爐內(nèi)被加熱到高于煉焦溫度時(shí)，由于焦質(zhì)與灰分的熱膨脹性不同，焦炭沿灰分顆粒周圍產(chǎn)生并擴(kuò)大裂紋，使焦炭碎裂粉化，強(qiáng)度降低。另外，焦炭灰分中的堿金屬氧化物對(duì)焦炭反應(yīng)性有正催化作用，所以應(yīng)該降低焦炭灰分。此外，南區(qū)高爐的焦炭水分波動(dòng)大，特別是外購(gòu)濕熄焦，2016年11月份，濕熄焦水分在8.1%～9.8%之間波動(dòng)。實(shí)踐表明，含有一定量水分的焦炭能夠降低爐頂煤氣溫度，但水分過(guò)高且大幅波動(dòng)會(huì)造成高爐熱制度波動(dòng)，影響爐況穩(wěn)定順行，造成高爐焦比大幅升高[2]。

1.1 焦炭冷態(tài)強(qiáng)度對(duì)高爐指標(biāo)影響

焦炭冷態(tài)強(qiáng)度主要用抗碎強(qiáng)度M40 和耐磨強(qiáng)度M10來(lái)表征[3]。表1 中，唐鋼南區(qū)高爐入爐焦炭M40在88%，M10在6.1%的水平，在同級(jí)別的高爐中，焦炭質(zhì)量處于較低水平，且進(jìn)入2016年下半年以來(lái)，焦炭質(zhì)量呈下降趨勢(shì)。

焦炭冷態(tài)強(qiáng)度M40、M10是焦炭質(zhì)量的重要指標(biāo)，是反映焦炭在冷態(tài)下抗擠壓破碎成為粉末的能力，是焦炭熱強(qiáng)度的基礎(chǔ)。焦炭冷態(tài)強(qiáng)度取決于配煤質(zhì)量、備煤工藝、焦?fàn)t爐型及操作制度和熄焦工藝等。冷態(tài)強(qiáng)度也是焦炭能否起到爐料骨架支撐作用、保證高爐透氣性的重要指標(biāo)[3]。唐鋼南區(qū)高爐2016年7月～11月焦炭冷態(tài)強(qiáng)度M40、M10對(duì)焦比、煤比的影響分別如圖1、圖2所示。

南區(qū)高爐規(guī)定入爐焦炭的M40≥88%，M10≤6%，但受外購(gòu)濕熄焦質(zhì)量下降的影響，入爐焦炭的冷態(tài)強(qiáng)度難以保障。從圖1和圖2可以看出，隨著焦炭M40下降和M10的上升，高爐焦比升高，煤比下降。這是由于焦炭冷態(tài)強(qiáng)度能夠保持其粒度和較低的含粉率，保證高爐料柱特別是塊狀帶的透氣性，改善爐況順行的程度。隨著焦炭冷態(tài)強(qiáng)度的降低，焦炭抵抗料柱壓力和各種侵蝕的能力下降，高爐透氣性明顯變差，壓差升高，難以維持高煤比和低焦比。還可以看到，與M40相比，焦炭M10對(duì)焦比和煤比的影響更加顯著，這與文獻(xiàn)[4]的結(jié)論一致。唐鋼南區(qū)高爐采用中心加焦的布料方式，焦炭M10差，抗磨性差，含粉率高，惡化料柱特別是中心焦的透氣性，造成高爐中心主導(dǎo)氣流弱，上部壓差大，料尺行走不暢，風(fēng)量波動(dòng)，爐缸不活。

圖1 M40對(duì)焦比和煤比的影響

圖2 M10對(duì)焦比和煤比的影響

1.2 焦炭熱性能對(duì)高爐指標(biāo)影響

焦炭熱性能主要用熱態(tài)強(qiáng)度CSR和反應(yīng)性CRI來(lái)表征。焦炭的熱態(tài)性能不好(CRI高、CSR低)，會(huì)使塊狀帶透氣性變差，軟熔帶位置下移，表現(xiàn)為中心氣流變?nèi)?，邊沿氣流增?qiáng)，爐缸中心死料柱增大，風(fēng)口及回旋區(qū)的碎焦量增加，爐缸透液性變差，鐵口深度減小等，這些都會(huì)嚴(yán)重影響高爐順行[5]。唐鋼南區(qū)高爐2016年7月-11月焦炭熱態(tài)性能CRI、CSR對(duì)焦比、煤比的影響如圖3、圖4所示。

圖3 CSR對(duì)焦比和煤比的影響

圖4 CRI對(duì)焦比和煤比的影響

從圖3和圖4可以看出，唐鋼南區(qū)高爐CSR在67%水平，CRU在23.5%水平，在同級(jí)別高爐中焦炭質(zhì)量屬于中下。隨著CSR降低和CRI的升高，高爐焦比也呈顯著上升趨勢(shì)，煤比下降，且CSR對(duì)焦比和煤比影響的趨勢(shì)更加顯著。生產(chǎn)實(shí)踐中，南區(qū)高爐使用熱性能劣化的焦炭后，下部壓差升高，風(fēng)口活躍性差，風(fēng)口容易燒壞破損，鐵水硫易出現(xiàn)超標(biāo)，燃耗上升。

2 應(yīng)對(duì)措施

2016年11月初，唐鋼自產(chǎn)干熄焦系統(tǒng)檢修，生產(chǎn)少量濕熄焦，加之外購(gòu)濕熄焦價(jià)格上升，質(zhì)量大幅波動(dòng)。唐鋼南區(qū)高爐11月5日和11月6日的焦炭質(zhì)量指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 唐鋼南區(qū)高爐焦炭質(zhì)檢成分

注：自產(chǎn)濕熄焦與自產(chǎn)干熄焦配比不同。

從表2可以看出，11月5日和11月6日的入爐焦炭質(zhì)量波動(dòng)很大，M10基本都在6.0%以上，山西濕熄焦1最高達(dá)到了7.4%；M40大幅下降，最低為85%；熱性能除了山西濕熄焦2外，其他三種焦炭都出現(xiàn)嚴(yán)重劣化，自產(chǎn)干熄焦CSR最低僅為64.18%，CRI最高達(dá)到了26.15%；此外，三種濕熄焦的水分波動(dòng)很大，最高達(dá)到了9.6%。11月5日之前焦炭配比為40%自產(chǎn)干熄焦+20%山西濕熄焦1+40%山西濕熄焦2，11月5日白班改為40%自產(chǎn)干熄焦+20%自產(chǎn)濕熄焦+40%山西濕熄焦2，11月5日～11月10日期間，焦炭配比保持為40%自產(chǎn)干熄焦+20%自產(chǎn)濕熄焦或山西濕熄焦1 +40%山西濕熄焦2。

質(zhì)量較差的焦炭入爐后，經(jīng)過(guò)一兩個(gè)冶煉周期的反應(yīng)，高爐順行出現(xiàn)明顯變化。開(kāi)始表現(xiàn)為上部壓差增大，小幅度的偏滑尺，之后發(fā)展為風(fēng)口不活躍，幾個(gè)鐵口渣鐵分布不均，鐵水硫含量波動(dòng)大，再之后變現(xiàn)為風(fēng)量波動(dòng)大，料尺不暢，有小幅度竄氣，焦比上升，產(chǎn)量下降，期間19號(hào)風(fēng)口小套燒壞。11月5日～11月12日的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 唐鋼南區(qū)高爐2016年11月初技術(shù)指標(biāo)

從表3可以看出，11月7日開(kāi)始，由于高爐透氣性變差，爐況波動(dòng)，利用系數(shù)下降，焦比上升，煤比大幅下降。面對(duì)劣化的焦炭指標(biāo)對(duì)高爐順行的影響，南區(qū)高爐采取了一系列措施。

2.1 降低焦炭負(fù)荷

現(xiàn)代大型高爐采用大礦批、高焦炭負(fù)荷的裝料制度，但當(dāng)原燃料條件惡化，特別是粉末增加時(shí)，透氣性變差，不宜擴(kuò)大礦批、增加焦炭負(fù)荷。應(yīng)對(duì)焦炭質(zhì)量劣化，唐鋼南區(qū)高爐首先采取逐步降焦比、退礦批的措施。11月7日中班入爐焦比由435 kg/t提高到445 kg/t，11月8日白班入爐焦比由445 kg/t提高到455 kg/t，同時(shí)礦批由77 t降低到75 t，焦炭負(fù)荷由3.90 t/t降低到3.81 t/t。采取上述措施之后，高爐壓差明顯降低，透氣性變好，中心氣流也由弱變強(qiáng)，提高爐況抗波動(dòng)能力，減小焦炭質(zhì)量劣化對(duì)高爐的影響程度。

2.2 合理的操作制度和熱制度

面對(duì)焦炭質(zhì)量劣化引起的高爐透氣性下降和爐缸狀態(tài)惡化，南區(qū)高爐調(diào)整操作制度，控制整個(gè)料柱壓差，操作壓差比正常時(shí)低5 kPa ～10 kPa，減少或避免出現(xiàn)管道或大幅度滑尺，造成爐況難行。焦炭冷熱強(qiáng)度下降，導(dǎo)致高爐爐況焦炭粉末多，惡化爐缸死料柱的透氣性和透液性，造成高爐下部壓差高，爐缸工作不活躍。保持合理的熱制度對(duì)爐缸的活躍性至關(guān)重要。爐況波動(dòng)后，南區(qū)高爐按照高爐溫和低堿度的操作方針，鐵水爐溫控制不低于0.5%，爐渣二元堿度不大于1.15，控制爐溫為0.5%時(shí)，鐵水含硫不低于0.03%，保持鐵水和爐渣具有適宜的流動(dòng)性，保證爐缸活性。對(duì)于質(zhì)量較差焦炭，采用分倉(cāng)上料的方式，質(zhì)量較好和質(zhì)量差的焦炭分倉(cāng)入爐，減少劣質(zhì)焦炭入爐比。加強(qiáng)焦倉(cāng)篩網(wǎng)的維護(hù)，堵塞和損壞的篩網(wǎng)及時(shí)檢修和更換，減少入爐的焦炭粉末。加強(qiáng)爐前出鐵組織，減少出鐵間隔，提高渣鐵出盡率，必要時(shí)采用雙場(chǎng)重疊出鐵，避免渣鐵未出盡造成的爐內(nèi)憋壓。

2.3 加強(qiáng)原燃料和生產(chǎn)管理

2.4 保持穩(wěn)定的布料制度

通過(guò)采取上述措施，爐況從11月7日波動(dòng)，11月12日基本恢復(fù)到波動(dòng)之前的水平，透氣性改善，煤氣利用率由43%提高到45.26%，入爐焦比由455 kg/t降低為430 kg/t，礦批逐步恢復(fù)至77 t，高爐爐況逐漸穩(wěn)定，鐵產(chǎn)量由6 525 t/d提高到7 070 t/d。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)焦炭質(zhì)量對(duì)高爐爐況順行影響顯著，焦炭冷態(tài)強(qiáng)度、熱性能劣化以及成分波動(dòng)后，料柱透氣性變差，爐況難行，焦比上升，利用系數(shù)下降。

(2)隨著焦炭M40下降和M10的上升，高爐焦比升高，煤比下降，高爐順行變差，且M10的影響更加顯著；隨著CSR降低和CRI的升高，高爐焦比也呈顯著上升趨勢(shì)，煤比下降，且CSR對(duì)焦比和煤比影響的趨勢(shì)更加顯著。

(3)通過(guò)采取降低焦炭負(fù)荷、合理的操作制度和熱制度、加強(qiáng)原料和生產(chǎn)管理以及保持穩(wěn)定的布料制度等措施，能夠有效的降低焦炭質(zhì)量波動(dòng)對(duì)高爐爐況的影響。

[1] 王筱留．中鋼鐵冶金學(xué)(煉鐵部分)[M]．北京:冶金工業(yè)出版社，2008:7-10.

[2] 古勇合,周龍文,喻冰鶴．焦炭品質(zhì)劣化對(duì)新鋼2 500 m3高爐生產(chǎn)的影響[J]．江西冶金，2016，36(5)：14-16．

[3] 唐順兵．焦炭質(zhì)量對(duì)大型高爐穩(wěn)定生產(chǎn)的影響[J]．煉鐵，2011，30(3)：8-12．

[4] 王照華,孫存生,王偉．安鋼3#高爐對(duì)焦炭質(zhì)量的要求探討[J]．河南冶金，2015,23(4)：54-56．

[5] 龍曉陽(yáng)，萬(wàn)旭東．現(xiàn)代高爐對(duì)焦炭質(zhì)量的要求[J]． 鞍鋼技術(shù)，2002(4)： 5-9．