李萬全，張 超

(河鋼集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050023)

高爐提高利用系數(shù)是煉鐵降本增效的核心和關(guān)鍵，也是反映高爐運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)。X高爐冶煉釩鈦礦，日產(chǎn)水平長期維持在6 000噸左右，爐況基本達(dá)到了穩(wěn)定順行的狀態(tài)，但階段性的煤氣流波動(dòng)時(shí)常發(fā)生，且同期國內(nèi)同立級高爐先進(jìn)日產(chǎn)水平已達(dá)到7 500噸以上，對比國內(nèi)先進(jìn)高爐存在巨大差距。為了進(jìn)一步提高產(chǎn)量水平，高爐打破固有的釩鈦礦冶煉操作理念和經(jīng)驗(yàn)，樹立超常規(guī)的操作思路，以高風(fēng)速、高動(dòng)能為切入點(diǎn)，改善爐缸工作狀態(tài)和煤氣流穩(wěn)定性，為高爐大幅度加風(fēng)提產(chǎn)創(chuàng)造條件，實(shí)現(xiàn)了高爐高效生產(chǎn)，成功探索出了一條釩鈦礦冶煉高爐高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的工藝操作方法。

1 X高爐提高產(chǎn)能前參數(shù)指標(biāo)情況

針對當(dāng)前的參數(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，其中：富氧量受制氧能力的限制，已經(jīng)達(dá)到最大能力；頂壓設(shè)計(jì)能力245 kPa，提升空間不大；風(fēng)溫已用盡。通過對比分析，進(jìn)一步提產(chǎn)只能通過提高入爐風(fēng)量來進(jìn)行，工藝操作的核心是通過上下部操作參數(shù)的調(diào)整為高爐加風(fēng)創(chuàng)造條件。

表1 X高爐提產(chǎn)前參數(shù)指標(biāo)

2 對高爐風(fēng)速和動(dòng)能的認(rèn)識

高爐的爐缸工作均勻活躍是高爐加風(fēng)提產(chǎn)、提高高爐穩(wěn)定性的核心，高風(fēng)速、高動(dòng)能為活化爐缸提供動(dòng)力基礎(chǔ)，是爐缸活躍的關(guān)鍵。高風(fēng)速、高動(dòng)能的工藝技術(shù)路線已在國內(nèi)多座先進(jìn)高爐應(yīng)用并取得顯著的效果，一批指標(biāo)比較優(yōu)秀的1000～2000 m3級的高爐鼓風(fēng)動(dòng)能都超過了12 000 kg·m/s、2000 m3級的高爐超過了15 000 kg·m/s，如天鋼1# 3200 m3高爐風(fēng)速260 m/s、鼓風(fēng)動(dòng)能14 000-16 000 kg·m/s，月均日產(chǎn)量9500噸、噴煤比155 kg/t、燃料比505 kg/t；重鋼1# 2500 m3高爐風(fēng)速270 m/s、鼓風(fēng)動(dòng)能16 000-17 000 kg·m/s，月均日產(chǎn)量7800噸、噴煤比170 kg/t、燃料比505 kg/t；黃驊中鐵2500 m3高爐風(fēng)速270 m/s、鼓風(fēng)動(dòng)能17 000 kg·m/s，月均日產(chǎn)量8200噸、噴煤比150 kg/t、燃料比510 kg/t；還有興澄鋼鐵、陜鋼、鏈鋼、山西建邦、漢冶特鋼、四川德勝、湘鋼等高爐，均通過提風(fēng)速、提動(dòng)能，高爐穩(wěn)定性大幅改善，產(chǎn)量和燃料消耗均取得較大的進(jìn)步，這些高爐的指標(biāo)都已經(jīng)進(jìn)入全國指標(biāo)最好的第一梯隊(duì)，成就顯著。對比行業(yè)先進(jìn)高爐的普遍控制水平，X高爐的風(fēng)速和動(dòng)能水平顯著偏低，因此，提高風(fēng)速和動(dòng)能水平是X高爐進(jìn)一步加風(fēng)的首選做法，也是最經(jīng)濟(jì)的做法。

鼓風(fēng)動(dòng)能的本質(zhì)是熱風(fēng)做功的功率，除了用于煤氣上升過程中克服爐料的阻力之外，主要是在風(fēng)口前克服爐料和死料堆中焦炭和渣鐵的阻力，形成一定深度的循環(huán)區(qū)，降低死料堆的填充率，從而保持爐缸的活躍，為高爐提供順行的基礎(chǔ)。在這個(gè)過程中，風(fēng)速是熱風(fēng)做功的工具和消耗能源的路徑，鼓風(fēng)動(dòng)能為做功提供了能源，回旋區(qū)深度是對熱風(fēng)所做功的度量，是我們所要的最終結(jié)果。

過去的一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，提高風(fēng)速確實(shí)會(huì)加劇風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)焦炭粒度的降解，使本來就因?yàn)楦呙罕榷到獾慕固苛６冗M(jìn)一步碎化，如何選擇風(fēng)速給高爐操作者帶來了一定的糾結(jié)：提高噴煤比之后本應(yīng)提高風(fēng)速，加大鼓風(fēng)動(dòng)能活躍爐缸，化解諸多不利于順行的因素，保證高爐的穩(wěn)定順行；但另一方面，則需要降低風(fēng)速，保護(hù)回旋區(qū)內(nèi)的焦炭粒度不再破碎，以此來保證高爐的穩(wěn)定順行。國內(nèi)寶鋼實(shí)測數(shù)據(jù)表明，風(fēng)口回旋區(qū)小焦粒比例先是隨著風(fēng)速的提高而提高，當(dāng)風(fēng)速提高到超過260 m/s之后，回旋區(qū)內(nèi)的小焦粒占比會(huì)隨著風(fēng)速的提高而降低，進(jìn)入死料堆表面的小焦粒也呈現(xiàn)出同樣的規(guī)律。這些數(shù)據(jù)反映出，較高的風(fēng)速既維系了回旋區(qū)深度，保證原有爐缸的活躍性，又可以避免焦炭在風(fēng)口回旋區(qū)被進(jìn)一步破壞，減少碎焦顆粒在死料堆表面富集，避免產(chǎn)生新的爐缸濾液性下降問題[1]。風(fēng)速是否合理可以用兩個(gè)維度來檢驗(yàn)，首先是焦炭在風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)是否被嚴(yán)重碎化，再次是燃料比會(huì)不會(huì)因?yàn)橹行倪^吹而升高，風(fēng)速過高一定會(huì)造成除塵灰中碳含量增加，如果爐頂除塵灰中碳含量沒有出現(xiàn)明顯的增量，那么說明這個(gè)風(fēng)速不偏高。

3 加風(fēng)提產(chǎn)工藝操作過程

3.1 風(fēng)口面積調(diào)整

根據(jù)預(yù)定的提高風(fēng)速和動(dòng)能的操作思路，采取最有效的調(diào)整方式，即縮小風(fēng)口面積。X高爐共計(jì)有30個(gè)風(fēng)口，26個(gè)直徑為120 mm風(fēng)口，4個(gè)直徑為130 mm風(fēng)口，送風(fēng)面積0.3471 m2。為提高鼓風(fēng)動(dòng)能和保持風(fēng)口均勻性，利用檢修機(jī)會(huì)將4個(gè)直徑為130 mm風(fēng)口改為直徑120 mm，送風(fēng)面積調(diào)整為0.3393 m2。通過風(fēng)口面積的調(diào)整，風(fēng)速逐步由230 kPa提高到270 kPa，鼓風(fēng)動(dòng)能由12 000 kg·m/s提高到15 000 kg·m/s以上。隨著風(fēng)速和鼓風(fēng)動(dòng)能的提高，高爐爐缸活躍性提升，爐況穩(wěn)定性有了明顯改善，伴隨著風(fēng)量的增加產(chǎn)量逐步提高，效果明顯(見圖1)。

圖1 高爐風(fēng)速、鼓風(fēng)動(dòng)能和產(chǎn)量的變化趨勢圖

3.2 定富氧定煤比操作

富氧和噴煤是高爐強(qiáng)化的主要手段之一，也對爐內(nèi)煤氣流的分布起重要作用。富氧的作用一是可以加快焦炭的燃燒速度，提高高爐的冶煉強(qiáng)度，按理論計(jì)算，富氧率每提高1%，高爐產(chǎn)量可提高3%～6%；二是富氧后渣溫充沛、爐渣流動(dòng)性得到改善，能夠降低高Al2O3爐渣對爐缸的不利影響，改善爐缸活躍性，且煤氣中N2含量減少，CO濃度提高，促進(jìn)爐內(nèi)間接還原，有利于提高煤氣利用率，降低燃料消耗。另外，提高富氧率后，理論燃燒溫度升高，需要通過提高煤比來維持合理的理論燃燒溫度，為高煤比操作創(chuàng)造條件，同時(shí)爐內(nèi)溫度場和煤氣流分布發(fā)生變化，爐內(nèi)溫度上涼下熱，中心氣流會(huì)減弱、邊緣氣流會(huì)增強(qiáng)[2]，需要優(yōu)化上下部操作制度，調(diào)整煤氣流分布。

富氧和噴煤是相輔相成的，噴煤一方面是減少焦炭消耗降低成本的重要手段，另一方面降低理論燃燒溫度，且有利于中心煤氣流的發(fā)展，抵消富氧給高爐冶煉帶來的不利影響。因此高富氧對應(yīng)高煤比是高爐提產(chǎn)降本操作的經(jīng)典搭配，并且為確保煤氣流分布的穩(wěn)定性，應(yīng)盡可能減少富氧和噴煤的調(diào)劑幅度，定富氧定煤比操作，減少煤氣流波動(dòng)。根據(jù)行業(yè)先進(jìn)單位經(jīng)驗(yàn)，富氧率6%以上是最經(jīng)濟(jì)的范圍，國內(nèi)常規(guī)高爐最高富氧率達(dá)到10%左右。富氧和噴煤量的高低，主要取決于富氧和噴煤設(shè)備能力的大小，以高爐理論燃燒溫度作為兩者平衡的依據(jù)。

針對X高爐12 000 m3/h富氧上限能力，以及43 t/h的噴煤系統(tǒng)設(shè)備能力冶煉釩鈦礦，將煤比控制在140～150 kg/t范圍內(nèi)，在日常操作過程中，富氧上限使用，不作為調(diào)劑手段，噴煤量調(diào)劑盡可能早調(diào)、少調(diào)、微調(diào)，減少爐腹煤氣量的波動(dòng)，穩(wěn)定煤氣流分布。

3.3 提高頂壓和壓差

在下部高風(fēng)速、高動(dòng)能操作的同時(shí)，上部提高頂壓操作，可以改善爐料透氣性，有利于高爐加風(fēng)。提高爐頂壓力實(shí)質(zhì)上是壓縮了煤氣體積、降低了煤氣流速、延長煤氣在高爐內(nèi)的停留時(shí)間，進(jìn)而改善間接還原動(dòng)力學(xué)條件，從而有助于煤氣和鐵礦石之間的氣-固相反應(yīng)，增強(qiáng)煤氣的擴(kuò)散、穿透能力，強(qiáng)化煤氣吸附、界面反應(yīng)等還原過程。在宏觀上提高頂壓可以有效提高高爐透氣性，促進(jìn)高爐穩(wěn)定順行[3]。近年來，一些先進(jìn)高爐的頂壓已經(jīng)達(dá)到280 kPa、接近300 kPa，有效提高了煤氣利用率、降低了燃料消耗。

高爐爐頂壓力的提高，主要受爐頂設(shè)備能力的限制。X高爐頂壓雖然接近設(shè)計(jì)頂壓，但還有一定的提升空間。隨著加風(fēng)過程，將爐頂壓力由240 kPa提高到設(shè)計(jì)頂壓245 kPa，熱風(fēng)壓力由400 kPa提高到420 kPa，全爐壓差由160 kPa提高到175 kPa。在加風(fēng)過程中，隨著熱風(fēng)壓力的提高，適當(dāng)提高爐頂壓力，全爐壓差雖然有所升高，但升高幅度明顯小于熱風(fēng)壓力升高幅度，高爐整體透氣性改善，更有利于接受風(fēng)量，為高爐進(jìn)一步加風(fēng)創(chuàng)造了條件(見圖2)。

圖2 高爐頂壓和壓差控制趨勢圖

3.4 裝料制度調(diào)整

3.4.1 布料矩陣調(diào)整

隨著風(fēng)量、動(dòng)能上升，上部裝料制度進(jìn)行同步調(diào)整，兼顧中心與邊緣的氣流分配，保證中心和邊緣氣流分配比例大致不變，一是礦焦角度同步外擴(kuò)，保證中心氣流的穩(wěn)定；二是適當(dāng)增加焦炭角差，拓寬焦炭平臺，改善布料料層的穩(wěn)定性，提高煤氣利用率，降低消耗(見表2)。

表2 X高爐布料料制調(diào)整

3.4.2 批重調(diào)整

X高爐要求在實(shí)際生產(chǎn)中，爐喉的焦炭層厚度要確?！?00 mm，才能保證爐料及軟熔帶的透氣性。所以在強(qiáng)化冶煉的過程中，要考慮選擇焦炭批重確保必要的焦炭層厚度。根據(jù)計(jì)算公式：

CB=K×DT3

式中：CB——焦碳批重，t/批；

DT——高爐爐喉直徑，m；

K——焦碳批重系數(shù)，范圍0.03～0.04，一般取0.035。

得出最小焦炭批重計(jì)算公式是：

CB最小=πD2KHγ/4

式中：CB最小——焦炭最小批重；

D——爐喉直徑；

K——料面形狀系數(shù)，取1.1；

γ——焦炭的堆比重，取0.5；

H——焦炭的料層厚度。

根據(jù)X高爐的爐喉直徑8.4 m計(jì)算，最小的焦炭批重是15 t。

在一定條件下，大礦批有利于礦石的均勻分布和穩(wěn)定上部氣流，改善軟熔帶透氣性，從而促進(jìn)爐溫的穩(wěn)定順行[4]。X高爐將礦批由68 t提高至74 t，焦批保證大于15 t，批重增加后，減少了爐內(nèi)的料層數(shù)，大幅降低礦焦間的界面效應(yīng)，改善爐內(nèi)透氣性。

3.5 加風(fēng)進(jìn)度控制

高爐加風(fēng)過程以透氣性作為依據(jù)，當(dāng)高爐透氣性差，不接受風(fēng)量時(shí)，風(fēng)量使用以熱壓數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，按照各階段熱壓上限要求控制；高爐透氣性好，接受風(fēng)量時(shí)，風(fēng)量使用按照各階段風(fēng)量流量要求控制，盡量上用風(fēng)量。

X高爐在加風(fēng)提產(chǎn)過程中，隨著風(fēng)量上升，高爐透氣性并未下降，反而呈上升趨勢，分析原因；一是隨著風(fēng)量和鼓風(fēng)動(dòng)能上升，高爐死料柱的置換周期縮短，死料柱內(nèi)焦炭置換速度加快，能夠有效提升死料柱焦炭的質(zhì)量，提高高爐透氣性；二是采用“中心加焦+平臺漏斗”相結(jié)合的布料制度，調(diào)整中心區(qū)域礦焦比例，兼顧中心與邊緣的氣流分配，在穩(wěn)定中心氣流的同時(shí)，保證邊緣透氣性，有效提高了高爐透氣性；三是鼓風(fēng)動(dòng)能上升后風(fēng)口回旋區(qū)增大，死料柱形狀發(fā)生變化，體積縮小，尤其是爐缸區(qū)域死料柱的直徑縮小，爐缸渣鐵滲透死料柱難度降低，爐缸活躍性上升。當(dāng)風(fēng)量達(dá)到(5400±50)m3/min后，熱風(fēng)壓力維持在410～420 kPa，鼓風(fēng)動(dòng)能≥15 000 kg·m/s，高爐日產(chǎn)達(dá)到7200 t以上，達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)。

4 結(jié)語

(1)高風(fēng)速、高動(dòng)能是高爐加風(fēng)提產(chǎn)的基礎(chǔ)，縮小風(fēng)口面積是提高風(fēng)速和鼓風(fēng)動(dòng)能最有效的措施。

(2)高頂壓操作有利于改善料柱透氣性，有利于高爐加風(fēng)。

(3)上部裝料制度必須根據(jù)送風(fēng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保證邊緣和中心氣流分配比例穩(wěn)定；適當(dāng)提高焦炭批重和礦石批重，有利于降低礦焦間的界面效應(yīng)，改善高爐透氣性。

(4)高爐加風(fēng)過程要循序漸進(jìn)，保持風(fēng)溫、富氧、噴煤等操作參數(shù)的基本穩(wěn)定，減少對爐腹煤氣指數(shù)的大幅影響，有利于加風(fēng)過程中的煤氣流穩(wěn)定。