萊鋼高爐風(fēng)口取樣研究

周小輝

（萊蕪鋼鐵集團有限公司技術(shù)中心，山東萊蕪 271104）

試驗研究

萊鋼高爐風(fēng)口取樣研究

周小輝

（萊蕪鋼鐵集團有限公司技術(shù)中心，山東萊蕪 271104）

通過風(fēng)口取樣，對萊鋼1#1 080 m3高爐風(fēng)口區(qū)域焦炭、堿金屬以及爐渣成分的變化情況進行了詳細(xì)的檢測分析。結(jié)果表明，在高爐結(jié)瘤操作時，高爐風(fēng)口區(qū)焦炭粉化嚴(yán)重，死料柱的透氣性與透液性差，風(fēng)口焦炭堿金屬含量增加；高爐炸瘤后，隨著噴吹煤比的增加，風(fēng)口焦平均粒度有減小趨勢；風(fēng)口焦樣粒度沿高爐徑向向爐缸中心減小；風(fēng)口邊緣渣堿度比靠近中心渣堿度低。

高爐；風(fēng)口取樣；風(fēng)口焦；堿金屬

1 前言

焦炭在高爐中不僅提供熱源，而且起到料柱骨架、還原劑、滲碳劑的作用。當(dāng)前高冶強、大噴煤條件下高爐用焦炭質(zhì)量備受煉鐵工作者關(guān)注，尤其是軟熔帶及其以下高溫區(qū)焦炭質(zhì)量直接影響著高爐冶煉順行及經(jīng)濟指標(biāo)。焦炭在高爐內(nèi)的劣化，對爐料下行及透氣性有很大影響。一直以來，除高爐解剖外，人們無法真實了解高爐高溫區(qū)狀況，而風(fēng)口取樣是一種從高爐風(fēng)口徑向熱態(tài)取樣技術(shù)，具有取樣簡單方便、還原保真性強等特點。國內(nèi)寶鋼［1-3］和攀鋼［4-5］都利用風(fēng)口取樣技術(shù)進行了相關(guān)研究。通過風(fēng)口取樣分析不僅可定量地了解焦炭劣化程度和煤粉燃燒效果，對焦炭質(zhì)量和煤粉燃燒條件進行直接評價，而且可以了解高爐下部及死料柱的活性，為爐缸侵蝕控制提供有益的指導(dǎo)。

鑒于風(fēng)口取樣技術(shù)對高爐操作指導(dǎo)的重要性，萊鋼對1#1 080 m3高爐進行了風(fēng)口取樣，研究不同噴吹煤比情況下風(fēng)口焦炭劣化狀況以及渣鐵滯留等變化規(guī)律。

2 風(fēng)口取樣方法

目前國內(nèi)外風(fēng)口取樣技術(shù)有兩種：一種是在線取樣，另一種是離線取樣。離線又可分為風(fēng)口扒焦與取樣機爐芯取樣。

1）在線取樣。在線取樣是高爐正常生產(chǎn)時，用水冷取樣管通過直吹管插入風(fēng)口，測定回旋區(qū)鳥巢區(qū)的深度，風(fēng)口前火焰溫度和焦層溫度，同時可取出風(fēng)口前不同部位煤氣及固體顆粒等，但由于取樣少，很難獲得死料柱信息。這種取樣方法具有實時性，獲取的信息真實反應(yīng)了爐內(nèi)狀況，但對設(shè)備和高爐操作存在一定的危險性，并且對設(shè)備技術(shù)及安全密封要求嚴(yán)格。

2）離線風(fēng)口扒焦取樣。離線扒焦取樣就是在高爐休風(fēng)后，將直吹管及小套拆下，直接用鐵耙子從風(fēng)口扒出焦樣進行分析。這種方法只能取出沿爐墻下落的大塊爐腹焦，對風(fēng)口前焦炭的分析范圍有限，只能對入爐焦炭質(zhì)量和焦炭劣化情況作粗略的評價。

3）離線取樣機爐芯取樣。離線的爐芯取樣法則避開了在線取樣的安全隱患，對取樣管材質(zhì)、冷卻條件和設(shè)備操作的要求明顯放寬。這種方法是在高爐休風(fēng)后用液壓設(shè)備將取樣機的取樣管推入爐內(nèi)，將取樣管上的蓋子拉出，爐內(nèi)焦炭落入取樣管內(nèi)，然后拉出樣品，讓樣品自然冷卻，分段取出樣品。該法較真實地還原了高爐風(fēng)口徑向?qū)嶋H狀況，取樣量也夠試驗分析，同樣可得到在線取樣獲得的信息和參數(shù)。所以，從實用、安全的角度，采用休風(fēng)后進行爐芯取樣的方法是非常適宜的。

為了既安全又較全面了解高爐風(fēng)口區(qū)域徑向狀況，萊鋼此次取樣采用了GQJ-2型離線爐芯取樣機，取樣深度最深達到4 m，取樣管按等分500 mm進行格分，以便于分析風(fēng)口徑向樣品狀況。

3 取樣結(jié)果分析

3.1 焦炭粒度

3.1.1入爐焦炭粒度

入爐焦炭粒度的大小及均勻性對高爐布料及爐料孔隙率有著很大影響，因此，高爐入爐焦炭粒度要求合理，而且要確保均勻。每次風(fēng)口取樣前進行了相應(yīng)入爐焦炭取樣，取樣點為振動篩上或過篩的焦炭，表1為入爐焦炭粒級組成。從表中可以看到，萊鋼入爐焦炭平均粒度約為59 mm，焦炭粒度集中分布在40～80 mm，處于兩頭粒度的焦炭比例占25%，比例偏大，有必要進一步控制焦炭粒度范圍，使焦炭更加均勻。

表1 萊鋼入爐焦炭粒級組成

3.1.2風(fēng)口焦炭粒度

風(fēng)口徑向焦炭的粒度變化是焦炭在高爐內(nèi)受到碳溶反應(yīng)、磨損、破碎后最直接的表觀體現(xiàn)。其粒度分布狀況受入爐焦炭粒度、熱態(tài)性能及高爐操作條件等綜合影響。圖1為不同噴吹煤比情況下風(fēng)口取樣徑向焦炭粒度分布。從所取試樣直觀來看，風(fēng)口回旋區(qū)靠近爐墻邊緣的焦塊較大，細(xì)小焦炭很少，這些焦炭主要是從上方掉落下來的大塊焦，與入爐焦炭差不多，幾乎沒有受到損壞，而向越向中心粉末越多，小塊焦比例也增加，且觀察到1 000～1 500 mm段的風(fēng)口焦樣小塊較多，大多呈圓形，無明顯棱角。這是由于該區(qū)處在回旋區(qū)，焦塊在鼓風(fēng)作用下，焦炭相互磨損所致。向高爐中心，焦炭大小塊區(qū)別明顯，中間粒度焦炭相對較少。

從圖1中可以看到，風(fēng)口徑向焦炭在爐體邊緣最大，向爐中心焦炭平均粒度降低，煤比119 kg/t時由于高爐結(jié)瘤，高爐焦炭劣化特別嚴(yán)重，向爐中心焦炭平均粒度急劇下降，中心透氣性降低，這也是導(dǎo)致高爐結(jié)瘤后不接受風(fēng)量，高爐生產(chǎn)率顯著下降的原因。而在高爐正常生產(chǎn)時，可以看到，隨著噴煤比由150 kg/t增加至188 kg/t，風(fēng)口徑向焦炭劣化程度也增加。

由于噴吹煤比的增加，焦炭負(fù)荷增加，焦炭在高爐內(nèi)的停留時間延長，焦炭在高爐內(nèi)的劣化加劇，焦炭的粉化率升高，高爐內(nèi)粉末量增加。圖2和圖3為高爐不同噴吹煤比時風(fēng)口徑向＜1 mm和＜5 mm的粉末量變化，從中可以看出，兩種變化趨勢相同，即向高爐中心粉末量增加，且噴吹煤比增大，風(fēng)口徑向粉末量增多。煤比150 kg/t及181 kg/t時，在1.5～2.0 m處粉末量顯著增加，而煤比188 kg/t時，在1.0～1.5 m處粉末量顯著增加?？梢源致怨烙嬤@是回旋區(qū)的外圍，估計回旋區(qū)長度在1.5 m左右，并且噴吹煤比增加，回旋區(qū)外圍有縮短趨勢。

圖2 風(fēng)口徑向＜1 mm粉末量

圖1 不同煤比風(fēng)口徑向焦炭粒度

圖3 風(fēng)口徑向＜5 mm粉末量

3.2 焦炭成分

3.2.1焦炭灰分

將風(fēng)口焦外表層渣鐵剝除干凈，對風(fēng)口焦中灰分變化分析見圖4。從圖中看出，隨著離風(fēng)口距離的增加，焦炭中的灰分含量先降低后升高，在爐內(nèi)回旋區(qū)焦炭中的灰分含量較小。風(fēng)口焦中灰分大于入爐焦。這是由于爐內(nèi)焦炭經(jīng)過渣鐵浸泡，灰分含量增加。由于高爐中心難以吹透，溫度相對于爐內(nèi)其他部位是較低位置，渣鐵流動性較差，浸泡作用明顯。且中心死料柱更新慢，中心焦炭相對浸泡時間長，因而灰分高。這在高爐爐況不順時更為明顯，圖4中煤比119 kg/t時風(fēng)口焦灰分顯著比煤比150 kg/t時高，且越向爐中心，灰分越高，就是因為當(dāng)時高爐結(jié)瘤，爐況不順造成的。

3.2.2堿金屬

風(fēng)口徑向焦炭堿金屬含量見圖5和圖6。從圖中可以看出，堿金屬K2O和Na2O含量變化趨勢相同，都是從爐墻向中心先減小后增大，且都比入爐焦炭堿金屬含量高。圖中煤比119 kg/t時風(fēng)口焦炭堿金屬含量向中心顯著增加，這是由于高爐爐況不順，高爐結(jié)瘤引起高爐爐況失常，高爐排堿能力差所致。

3.3 渣鐵滯留狀況

3.3.1渣鐵滯留量

高爐風(fēng)口徑向渣鐵滯留情況（見圖7）一定程度上反應(yīng)死料柱的透氣性與透液性好壞。死料柱活性好，爐缸活躍，高爐順行，渣鐵滯留情況不明顯；相反，渣鐵滯留嚴(yán)重時，則一定程度上表明死料柱工作不好，高爐操作者應(yīng)進行高爐操作調(diào)整，加快死料柱的更新，促進爐況順行。

從圖7可以看出，風(fēng)口徑向渣鐵滯留量沿爐缸徑向中心呈逐漸升高趨勢。說明向高爐中心，爐內(nèi)的透氣性變差，這實質(zhì)上是由于焦炭向爐中心粉化率升高，粉末含量增加，焦炭平均粒度減少而引起的。爐缸中心死料柱的透氣性差，必然導(dǎo)致煤氣無法穿透死料柱中心，因而死料柱內(nèi)溫度不足，導(dǎo)致中心渣鐵溫度不足，滯留量增大，進一步惡化了中心死料柱的透氣性及透液性。因此，可以想象煤氣無法穿透中心死料柱，必然會助長渣鐵液滴向風(fēng)口回旋區(qū)端部偏流，兩者的相互作用就有可能造成液滴的溢流，出鐵過程中也易加劇鐵水的環(huán)流，從而加劇對爐墻沖刷，冷卻壁溫度升高，不易于高爐長壽。可以通過風(fēng)口取樣獲得死料柱信息，及時調(diào)整高爐操作，減少鐵水環(huán)流，促進高爐長壽。

對風(fēng)口焦炭粒度與渣鐵滯留量進行擬合分析，發(fā)現(xiàn)渣鐵滯留量Y與焦炭平均粒度X之間呈線性關(guān)系（見圖8），線性方程為：Y＝2 089－88.86X。

圖4 風(fēng)口徑向焦炭灰分含量

圖5 風(fēng)口徑向焦炭K2O含量

圖6 風(fēng)口徑向焦炭Na2O含量

圖7 風(fēng)口徑向渣鐵滯留量

圖8 風(fēng)口焦炭平均粒度與渣鐵滯留量擬合分析

3.3.2渣成分

對風(fēng)口取樣徑向滯留渣樣進行挑選并對成分進行檢測，結(jié)果如表2所示。

表2 風(fēng)口徑向渣成分

從表2可以看出，風(fēng)口徑向渣成分有較大不同，TFe含量也比終渣要高，堿度變化也較大。這是由于此處爐渣還不是終渣，渣鐵沒有完全分離，造渣過程還沒有完成的原因?？拷L(fēng)口區(qū)域由于焦炭及煤粉的燃燒，其燃燒灰分呈酸性。而中心主要是礦石軟熔還原造渣，所以靠近風(fēng)口區(qū)爐渣堿度要低于中心爐渣堿度，這點從取樣分析結(jié)果也可以看出，邊緣渣主要是黑色玻璃渣，靠近中心是白色石頭樣的短渣。

4 結(jié)論

4.1萊鋼入爐焦炭平均粒度為59 mm左右，焦炭粒度集中分布在40～80 mm之間，處于兩頭粒度的焦炭比例占25%左右，比例偏大，有必要進一步控制焦炭粒度范圍，使焦炭更加均勻。

4.2風(fēng)口徑向焦炭平均粒度向高爐中心逐漸減小，且隨著噴吹煤比增加，平均粒度減小。萊鋼在目前焦炭質(zhì)量情況下，當(dāng)煤比增加至180 kg/t以上時，焦炭劣化嚴(yán)重，風(fēng)口徑向粉末量顯著增加。如果高爐出現(xiàn)透氣性變差，接受風(fēng)量困難的情況，高爐操作應(yīng)及時進行焦炭負(fù)荷以及噴吹煤比調(diào)整，確保高爐合理的透氣性指數(shù)。

4.3渣鐵滯留量隨向高爐中心增加，且隨著噴吹煤比增加，滯留量增加。高爐結(jié)瘤操作，高爐內(nèi)堿金屬含量顯著增加，焦炭劣化加劇，中心粉末量大幅增加，死焦堆透氣性透液性變差，高爐不順會帶來惡性循環(huán)。因此，高爐操作應(yīng)該定時進行高爐爐料堿負(fù)荷及排堿能力調(diào)查，避免爐內(nèi)堿金屬循環(huán)積累過量，造成高爐爐內(nèi)結(jié)瘤以及加劇焦炭粉化的不利影響。

4.4 對風(fēng)口焦炭粒度與渣鐵滯留量進行擬合分析，渣鐵滯留量Y與焦炭平均粒度X之間呈線性關(guān)系，線性方程為：Y＝2 089－88.86X。高爐操作應(yīng)該通過布料調(diào)整、下部調(diào)劑以及加快渣鐵排放等措施來改善死焦堆的透氣性和透液性。

［1］徐萬仁，張龍來，張永忠，等.高煤比條件下高爐風(fēng)口前現(xiàn)象的取樣研究［J］.寶鋼技術(shù)，2004（2）：37-42.

［2］徐萬仁，吳鏗，朱仁良，等.提高噴煤量對高爐風(fēng)口焦性狀的影響［J］.鋼鐵，2005，40（2）：11-14.

［3］徐萬仁，姜偉忠，張龍來，等.高爐風(fēng)口取樣技術(shù)及其在寶鋼的應(yīng)用［J］.煉鐵，2004，23（1）：13-17.

［4］蔣勝.攀鋼焦炭在爐內(nèi)的性能變化研究［J］.四川冶金，2006，28（6）：4-7.

［5］蔣勝.風(fēng)口取樣裝置在攀鋼的應(yīng)用［J］.四川冶金，2005，27（4）：7-9.

TF521

：A

：1004-4620（2014）01-0028-03

2013-11-27

周小輝，男，1981年生，2005年畢業(yè)于江西理工大學(xué)冶金工程專業(yè)，北京科技大學(xué)工程碩士?，F(xiàn)為萊鋼技術(shù)中心工程師，從事鐵前工藝技術(shù)研發(fā)工作。