高爐中心加焦實驗及技術分析

車玉滿，郭天永，孫　鵬，姚　碩，姜　喆

（鞍鋼集團鋼鐵研究院,遼寧鞍山114009）

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高爐中心加焦實驗及技術分析

車玉滿，郭天永，孫鵬，姚碩，姜喆

（鞍鋼集團鋼鐵研究院,遼寧鞍山114009）

摘要：中心加焦有利于高爐順行，但如果中心加焦傾角過大和加焦量過多，則造成中心料柱沸點，燃料比上升。利用溜槽結構參數，提出高爐中心加焦溜槽傾角計算方法，模擬計算爐料在爐內二次分布，分析認為球團更容易滾入中心，因此，需要根據爐料結構中球團所占比例，確定是否實施中心加焦。中心加焦量與球團比例相關，球團配比<10％，可以取消中心加焦，當球團配比>15％時，則需要實施中心加焦，此結論得到高爐實驗驗證。

關鍵詞：高爐；溜槽傾角；中心加焦量；球團配比

車玉滿，碩士，教授級高工，鞍山鋼鐵集團公司一級專家。E-mail:cheyumang2000@sina.com

Experim ent of Adding Coke into Center of Blast Furnace and Technology Analysis

Che Yuman,Guo Tianyong,Sun Peng,Yao Shuo,Jiang Zhe
(Iron & Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation,Anshan 114009,Liaoning,China)

Abstract Adding coke into the center of the blast furnace is conducive to the smooth operation of blast furnace.However,the boiling point of stock column in the center of BF would be increased while the fuel ratio will be also raised if the dip angle at the center of BF where coke is charged is too big and the amount of adding coke is too much.Based on the structural parameters of the chute the method for calculating the dip angle of the chute for adding the coke into the center of BF was proposed.By thismethod the analog computation for the binomial distribution of furnace burden in the furnace can be done.By analysis it is believed that pellets can run down into the center of BF much more easily.So whether the coke is added into the center of BF or not depends on the ratio of pellets in burden composition.The amount of adding coke into the center of BF is related to the ratio of the pellets which will be charged.W hen the ratio of pellets to be charged is less than 10％ ,adding coke into the center of BF can be cancelled,butwhen the ratio of the pellets to be charged ismore than 15％ ,adding coke into the center of BF has to be done, which has been verified by the testing in the blast furnace.

Key words blast furnace;dip angle of chute;amount of adding coke into center of BF;ratio of pellets

為解決200 kg/t以上煤粉大噴吹所帶來中心氣流不足問題，1987年日本加古川開發(fā)出高爐中心加焦技術，將15％～25％焦炭布于高爐中心區(qū)域，在高爐中心形成金字塔形焦炭柱，可以改善高爐塊狀帶和軟融帶中心區(qū)域透氣性。

1991年9月，鞍鋼學習日本中心加焦技術，在11號高爐(2580 m3)開展中心加焦實驗，初始中心加焦1圈，中心加焦量為7.7％，后期中心加焦為3圈，中心加焦量為25％，11號高爐爐頂煤氣CO2含量提高1％ ,日產量增加74 t、燃料比下降5 kg/t。利用高爐檢修休風機會，從爐頂人孔觀察料面中心有直徑約為1m圓形凸起部分，凸起部分煤氣火較大，說明中心煤氣流活躍［1］，之后中心加焦技術逐漸得到普及。

隨著近年來鋼鐵行業(yè)進入微利時期，幾乎所有企業(yè)都把降低高爐生產成本作為重點，尤其是在降低高爐燃料消耗方面做過大量實驗。一些過去曾經采用中心加焦技術的高爐在取消中心加焦實驗中發(fā)現，高爐燃料比先前降低10～20 kg/t，而且高爐順行并沒有受到大的影響。因此，取消中心加焦觀點又被重新提出，而且許多企業(yè)已經開展或計劃開展取消中心加焦實驗。本文從爐料結構中球團所占比例和爐料在爐內二次分布入手，分析如何準確實施中心加焦、如何準確取消中心加焦或減少中心加焦量。

1　中心加焦技術認識

1.1中心加焦技術的優(yōu)點

(1)中心加焦既可以改善料柱塊狀帶的透氣性，又可以改善軟融帶透氣性，同時加快中心焦炭柱置換速度，改善爐缸內焦炭柱透液性。尤其是焦炭質量變差時，對改善高爐順行極為有利。例如: 2012年7～8月期間馬鋼B高爐(4000 m3)出現中心氣流不穩(wěn)定、高爐不易加風、熱風壓力突升突降、壓差偏高現象，采用增加中心加焦量，中心加焦由原來的4圈增加為5圈，活躍中心氣流，高爐順行得到改善［2］。

(2)輔助提高煤粉噴吹量。由于煤比提高到一定量后，邊緣煤氣流發(fā)展、中心煤氣流變弱，所以采用中心加焦克服了高煤比所帶來的中心氣流不足的問題。例如:首鋼遷鋼3號高爐隨著煤比提高、焦炭負荷增加，中心氣流變弱，為了應對這一變化，中心加焦的比例由22％逐步增加到27％左右，中心加焦溜槽傾角由15°縮小到13.5°，解決了中心煤氣的穩(wěn)定性問題，但是煤氣利用率有所降低［3］。

1.2中心加焦技術存在的不足

由于在高爐中心形成無礦區(qū)，高溫煤氣不與礦石接觸，造成熱交換效率降低，煤氣利用率變差。例如，安鋼2800 m3高爐中心加焦溜槽傾角10.6°，中心加焦6圈,加焦量高達35％～40％，造成較大中心無礦區(qū)，煤氣利用率僅為44％左右。通過實踐摸索，中心焦炭角度擴大到20°，中心加焦減少到20％，逐步形成“平臺＋漏斗”的布料模式，煤氣利用率逐步提高到49％［4］。

2　中心加焦合適溜槽傾角和用量模擬計算

日本、首鋼高爐解剖證明，球團靠近中心區(qū)域偏多，說明球團更容易向中心滾動。軟熔帶頂端首先以球團、焦炭粘結形式出現，無燒結礦粘結現象，“蘑菇頂”的溫度約為1 000℃與球團礦開始軟化溫度相符［5］。因此，選擇合適中心加焦溜槽傾角和加入量可以阻礙球團向中心滾動，降低軟融帶高度，減少軟融帶區(qū)域阻力損失，提高料柱透氣性。因此，中心加焦溜槽傾角和加入量對改善料柱透氣性和提高煤氣利用率有重大作用。

2.1中心加焦合適溜槽傾角

2.1.1中心加焦溜槽最小傾角

日本加古川中心加焦面積約占爐喉截面積的1.4％，由于中心加焦面積狹小，中心形成狹窄通道，有利于提高煤氣利用率［6］。但當中心加焦面積過大后，中心氣流過剩，造成煤氣利用率下降、燃料比升高。因此，需要保持中心加焦合適溜槽傾角。

中心加焦溜槽最小傾角與溜槽結構參數有關，保證中心加入焦炭以最小角度通過溜槽，而不碰撞溜槽橫筋，防止焦炭被打散，起不到中心加焦作用。以鞍鋼2600 m3高爐為例，其爐喉直徑為8.2 m,理論上中心加焦溜槽最小傾角(1)計算方法見式(1)。

理論計算中心加焦溜槽最小傾角為7.6°，由于爐料離開溜槽時不是一個質點，具有一定料流寬度，因此，中心加焦溜槽最小傾角需要根據高爐開爐或檢修時裝料修訂，以焦炭不碰撞溜槽第一根橫筋為準，因此，鞍鋼2600 m3高爐中心加焦最小傾角應該為10°。

2.1.2爐料二次分布理論計算

無料鐘布料時爐料離開溜槽末端以拋物線軌跡落入空料區(qū)堆尖位置后，具有一定勢能和入侵角度，而后分別向爐墻和中心滾動，即爐料在爐內發(fā)生二次分布。根據鞍鋼2580 m3高爐1/5物理模型試驗結果，當溜槽傾角大于39°時礦石絕大部分向爐墻側滾動；當溜槽傾角大于37°時焦炭絕大部分也向爐墻側滾動。39°被稱為礦石臨界角，37°被稱為焦炭臨界角。大于臨界角的爐料容易向爐墻側滾動，小于臨界角的爐料容易向中心側滾動，滾動距離既與爐料間摩擦系數有關，又與爐料在爐內外堆角和內堆角有關。

爐料在爐內的堆角與其自然堆角不同，焦炭自然堆角為43.5°，燒結礦為42.5°，球團為34°。根據鞍鋼2580 m3高爐1/5物理模型試驗結果，爐料向爐墻運動的外堆角有一定規(guī)律［7］，經驗計算公式見式(2)～(3)。

焦炭外堆角：

礦石外堆角：

爐料內堆角計算方法有許多，各種方法所計算的結果也不相同，根據鞍鋼2580 m3高爐1/5物理模型試驗結果，焦炭內堆角35°、燒結礦內堆角33°、球團礦內堆角26°時料面最穩(wěn)定［7］，不發(fā)生滑坡和崩塌現象。

爐料從下料罐落入溜槽初速度一般很小，可以利用文獻8中提出的計算方法。爐料離開溜槽末端速度(0)、落入堆尖位置及落下后由于勢能作用所具有速度(x)，可以參照文獻9的計算方法。爐料落下后向中心滾動距離與爐料摩擦系數有關，其中焦炭摩擦系數為0.5、燒結礦摩擦系數為0.6、球團礦摩擦系數為0.2，焦炭堆密度為0.52 t/m3、燒結礦堆密度為1.85 t/m3、球團礦堆密度為2.20 t/m3。焦炭向中心滾動距離(c)、燒結礦向中心滾動距離(s)和球團向中心滾動距離(p)可以應用牛頓第二定律進行計算。

以鞍鋼2600m3高爐為例，正常料線()1.4 m，各環(huán)位溜槽傾角所對應爐料落下堆尖位置、焦炭、燒結礦及球團向中心滾動最大距離計算結果見表1所示。

表1　2600m3高爐各環(huán)位溜槽傾角及爐料落下堆尖距中心距離

表1數據表明，球團滾動性良好，從第8環(huán)位開始，球團既能夠滾到中心，燒結礦向中心滾動距離短，如果布料制度僅選擇第8環(huán)位或第7環(huán)位，則中心無燒結礦區(qū)域半徑將達到0.52 m,約占爐喉截面積的16％；如果布料制度僅選擇第6環(huán)位，則中心無燒結礦區(qū)域半徑為0.40 m,約占爐喉截面積的10％；如果布料制度僅選擇第5環(huán)位，則中心無燒結礦區(qū)域半徑為0.32 m,約占爐喉截面積的6％。焦炭向中心滾動距離介于燒結礦和球團礦之間,第5環(huán)位焦炭剛好能夠達到中心，但不會出現中心焦炭堆積，從第4環(huán)位開始，焦炭在中心堆積，能夠起到阻滯球團向中心滾動的作用，但起作用程度與用量有關。

2.2中心加焦量理論計算

3　減少中心加焦實驗效果與分析

3.1減少中心加焦量實驗效果

表2　實驗階段各項技術經濟指標

整個實驗期間中心加焦從最多6圈逐漸減少到3圈時，高爐順行狀態(tài)良好，燃料比下降16 kg/t，效果顯著；當中心加焦減少到2圈時，燃料比不再下降；當中心加焦減少到1圈時，爐況時有波動，燃料比又開始上升。之后，由于其他工序設備故障，干熄焦比例大幅度下降，中心加焦圈數又恢復到3圈以上，取消中心加焦以及焦炭擴展到第4環(huán)位實驗均沒有進行。

3.2取消中心加焦效果分析

鞍鋼2600 m3高爐原始中心加焦5～6圈，中心加焦量達到26％，最高達到30％，燃料比月平均為553 kg/t。為降低燃料比，開始長達6個月減少中心加焦實驗，實驗期間爐料結構為(69％～71％ )燒結礦+(29％～31％ )球團，焦炭質量逐步改善，冷態(tài)指標40穩(wěn)定在88％左右、10穩(wěn)定在6.20％以下，熱態(tài)指標從實驗前期接近26％逐步下降到20.63％，從實驗前期60.24％逐步提高到66.66％，為實驗提供保障。實驗按月從6圈逐漸減少2圈，最后減少到1圈，中心加焦量從最高30％減少到最低8％，實驗期間減少中心加焦量對降低燃料比作用效果見圖1。

圖1　中心加焦量與燃料比對應關系

圖1中數據表明，當中心加焦量減少到17％時，燃料比最低，此后中心加焦量再減少10％以下后燃料比反而上升。

中心加焦量減少到10％以下燃料比上升，與高爐爐料結構中球團比例達到29％～31％有關。由于球團滾動性良好，中心加焦量減少到10％時不能阻滯球團滾入中心，造成軟融帶頂端位置上移，影響爐內料柱透氣性，實驗結果與模擬計算基本相符。

鞍鋼2580 m3高爐1/5物理模型試驗期間發(fā)現，在選擇同樣布料制度時，100％燒結礦和100％球團礦的料面形狀完全不同，球團更容易向中心滾入。爐料結構中球團比例為30％和35％布料試驗，料面形狀也與100％燒結礦不同，而是與100％球團礦接近［7］。

圖2　球團配比與需要中心加焦量對應關系

圖2中數據表明，如果焦批重保持在16 t左右，球團配比在10％以下時，中心加焦需要量不足1.0 t，即不足1圈，因此，可以不使用中心加焦，僅需第4環(huán)位或第5環(huán)位增加1圈焦炭布料數量；當球團配比為15％～20％時，中心加焦需要量為1.3～1.7 t，即中心加焦1圈即可滿足要求；當球團配比25％～30％時，中心加焦需要量2.2～2.7 t，即中心加焦2～3圈達到有效阻滯球團過多地滾入中心；當球團配比35％時，中心加焦需要量超過3 t，還需要增加中心加焦圈數，才能有效阻滯球團過多地滾入中心。

4　結論

從20世紀90年代以來，中心加焦技術普遍在國內高爐推廣使用，尤其是焦炭質量變差時和高煤比噴吹時，對改善高爐順行極為有利。但由于中心加焦在高爐中心形成無礦區(qū)，如果中心加焦量過多和區(qū)域過大，造成煤氣利用率變差、燃料比上升。是否采取中心加焦、合適的中心加焦量和合適的區(qū)域與最小溜槽傾角、爐料中球團礦配比有關。

(1)中心加焦溜槽傾角應該按溜槽結構參數確定，并通過實際測量加以修訂。

(2)如果球團配比在10％以下，可以不使用中心加焦，或僅需第4環(huán)位或第5環(huán)位增加1圈焦炭；當球團配比為15％～20％時，中心加焦1圈比較適宜；當球團配比為25％～30％時，中心加焦2～3圈比較適宜；當球團配比為35％時，中心加焦量需要超過3圈，才能有效阻滯球團過多地滾入中心。

(3)球團占30％爐料結構減少中心加焦實驗表明，中心加焦從6圈減少到3圈時，燃料比下降顯著；中心加焦減少到2圈時，燃料比將不再下降，中心加焦減少到1圈時，爐況出現波動。

參考文獻

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(編輯賀英群)

修回日期：2015-09-21

中圖分類號：TF542

文獻標識碼：A

文章編號：1006-4613（2016）01-0001-05