高爐原料及布料矩陣對高爐料面形狀的影響

陳黔湘， 周 健，劉清才， 張東升， 陳海英， 丁云江

(1.首鋼水城鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 貴州 六盤水 553028； 2.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶 400044)

高爐生產(chǎn)對入爐原燃料質(zhì)量有著嚴(yán)格的要求，當(dāng)原燃料質(zhì)量發(fā)生變化時，不可避免地會造成高爐爐況波動[1-2]。隨著高爐煉鐵的不斷發(fā)展，鐵礦石和焦炭等不可再生資源日漸匱乏，入爐原燃料品質(zhì)越來越低，導(dǎo)致高爐操作制度與原燃料條件不相匹配，高爐順行難以維持，出現(xiàn)蹦料、懸料等狀況，高爐煤氣利用率不高，煉鐵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)大幅度下滑[3-5]。此外，入爐原燃料的質(zhì)量還受到市場價格的波動、原燃料產(chǎn)地的變遷和高爐操作制度的變化等各種因素的影響。因此，要保證高爐穩(wěn)定順行，必須對原燃料性質(zhì)和高爐操作制度進(jìn)行全方位深入研究。

高爐順行的核心是確保高爐時刻保持一個合適的上下部調(diào)劑，其中高爐布料控制技術(shù)是高爐操作的核心，因此需要深入了解爐頂設(shè)備及爐頂操作技術(shù)[6]。相對于大鐘布料器而言，無鐘布料器具有以下優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備質(zhì)量小、高度低、拆裝靈活；溜槽角度變動易于控制；密封性好、能承受高壓、密封閥不與爐料直接接觸，有利于提高閥體壽命等，因此現(xiàn)在無鐘爐頂技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。無鐘爐頂操作的基本原理是利用裝置的功能和爐料特性，控制爐料裝入爐內(nèi)時的落點(diǎn)、堆積厚度、粒度等的徑向分布和圓周分布，最后在高爐內(nèi)形成合理的料面形狀及礦焦比分布[7-10]。合理的料面形狀不僅能保證高爐順行，而且能提高煤氣利用率。目前對于料面形狀的檢測有3種方法：一是人進(jìn)入爐內(nèi)用標(biāo)尺進(jìn)行測量，這種方式費(fèi)時費(fèi)力，具有一定的危險性；二是裝料前在爐內(nèi)安裝鋼筋十字網(wǎng)格，裝料后通過數(shù)網(wǎng)格的方式來測量料面形狀，這種方式測量全面但是不精確；三是裝料后用激光掃描技術(shù)直接測出料面形狀，這種方式測量準(zhǔn)確但成本過高[11-12]。這3種料面形狀的檢測方法都是對于實際高爐而言的，本文將介紹一種基于物理模擬測量料面形狀的檢測方法，并通過改變布料矩陣的溜槽角度研究其對料面形狀的影響，得到布料矩陣的變化對高爐料面形狀的影響規(guī)律，為實際高爐生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 實驗

1.1 實驗原料

本研究中所采用的焦炭和燒結(jié)礦均源自于貴州六盤水水城鋼鐵股份有限公司。由于爐頂布料設(shè)備是按照水鋼4號高爐1/10設(shè)計的，因此對原料的粒度和批重進(jìn)行設(shè)計。表1和表2分別為水鋼實際用燒結(jié)礦和焦炭的粒度分布。根據(jù)相似理論，在李志全等[13]的研究基礎(chǔ)上，首先進(jìn)行了預(yù)實驗，然后對預(yù)實驗結(jié)果進(jìn)行分析，最終確定了如表3和表4所示的實驗用燒結(jié)礦和焦炭粒度分布。

表1 水鋼實際燒結(jié)礦粒度分布 %

表2 水鋼實際焦炭粒度分布 %

水鋼實際燒結(jié)礦和焦炭粒度都分為3個梯度，沒有上限要求。實驗用燒結(jié)礦和焦炭粒度分布為4個梯度，有上限要求，這樣粒度更趨于均勻化，料面形狀測量更容易，有利于減小實驗測量誤差。

表3 實驗用燒結(jié)礦粒度分布 %

表4 實驗用焦炭粒度分布 %

表5 50 kg燒結(jié)礦堆密度的測量參數(shù) cm

將一定質(zhì)量m1的水鋼生產(chǎn)使用的燒結(jié)礦置于1 m高的裝置中，讓其自由下落形成圓錐體，測量圓錐體的高和半徑，通過計算可得圓錐體的體積V1，進(jìn)而可求出燒結(jié)礦的堆密度ρ1。根據(jù)水鋼生產(chǎn)所用礦批重M，可得水鋼生產(chǎn)一批礦所占體積V。實驗?zāi)Ｐ褪前凑諏嶋H高爐1/10縮小設(shè)計的，所以實驗用一批礦體積為V/1 000，再用上述測量堆密度的方法測量實驗用燒結(jié)礦的堆密度ρ2，即可得到實驗用燒結(jié)礦的礦批重M1=V/1 000·ρ2。表5為堆密度的測量參數(shù)，表6為水鋼2017年6月份實際礦批重和焦批重。根據(jù)表5和表6即可得到實驗礦批重為47.3 kg，又因為水鋼實際礦焦比為4.7，所以實驗的焦批重選擇為10 kg。

表6 水鋼2017年6月份礦批重和焦批重 t

1.2 實驗方法

燒結(jié)礦低溫還原粉化性檢測方法：按照國標(biāo)(GB/T13242—91)標(biāo)準(zhǔn)方法測定燒結(jié)礦低溫還原粉化性。稱取10～12.5 mm燒結(jié)礦試樣(500±1)g，實驗在(500±10)℃下還原，還原時間為60 min，還原氣體的標(biāo)準(zhǔn)流量為(15± 1)L/min，還原氣體的成分保持CO(20%±0.5%)、N2(60%±0.5%)。把還原后的試樣全部裝入小轉(zhuǎn)鼓(φ130 mm×200 mm)內(nèi)進(jìn)行檢驗。該轉(zhuǎn)鼓內(nèi)有2個高20 mm的擋板，以30 r/min的速度旋轉(zhuǎn)10 min，將轉(zhuǎn)后的試樣進(jìn)行篩分，以+6.3、+3.15、-0.5 mm級的質(zhì)量與還原后入轉(zhuǎn)鼓的試樣總質(zhì)量之百分比作為評價標(biāo)準(zhǔn)[14-15]。

表7 實驗采用的布料矩陣

為了研究布料矩陣對高爐料面形狀的影響，首先對水鋼的實際布料矩陣進(jìn)行分析。如表7中的(1)(3)(5)矩陣為水鋼實際生產(chǎn)所采用的布料矩陣，在采用此3個布料矩陣進(jìn)行生產(chǎn)后，水鋼4號高爐爐況發(fā)生了波動，所以對此3個矩陣所形成的料面形狀進(jìn)行研究。由于(1)(3)(5)矩陣最大礦焦角跨度較大，所以在實際生產(chǎn)所采用的3個布料矩陣基礎(chǔ)上將最大角度下調(diào)1.5°，組成如表7所示的布料矩陣組。在布料矩陣組確定之后，用篩子將原料按表3和表4的粒度組成進(jìn)行篩分，混勻后裝入料罐，溜槽旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為8 r/min，按表7布料矩陣組進(jìn)行布料實驗。為了測量料面形狀，以高爐模型中心線與爐料底面交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，從中心向爐墻每隔2 cm測量一個數(shù)據(jù)，以中心到爐墻的距離為橫坐標(biāo)，以測量高度數(shù)據(jù)為縱坐標(biāo)，則可繪出不同布料矩陣下的斷面形狀。

2 結(jié)果與討論

2.1 焦炭的性質(zhì)分析

由表8可以得出，水鋼4號高爐所用焦炭已達(dá)到二級焦炭的標(biāo)準(zhǔn)(灰分ad/%≤13.5、硫分ad/%≤0.80、反應(yīng)性CRI/%≤35、揮發(fā)分Vdtf/%≤1.8、耐磨強(qiáng)度M10/%≤8.5、抗碎強(qiáng)度M40%≥76.0、反應(yīng)后強(qiáng)度CSR/%≥50)。其中水鋼4號高爐焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度和耐磨強(qiáng)度分別達(dá)到65.14%和6.37%，已經(jīng)超過一級焦的標(biāo)準(zhǔn)(耐磨強(qiáng)度M10/%≤7.5、反應(yīng)后強(qiáng)度CSR/%≥55)。由于焦炭在高爐中的骨架作用，高強(qiáng)度的焦炭不僅支撐著煉鐵原料，又起到煤氣的透氣窗作用，保證了高爐料層的透氣性[16]。

表8 水鋼焦炭工業(yè)分析 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

2.2 燒結(jié)礦的性能分析

燒結(jié)礦低溫還原后發(fā)生粉化的根本原因是：Fe2O3向Fe3O4還原時由三晶系六方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶系四方晶格，晶格轉(zhuǎn)變造成結(jié)構(gòu)扭曲并發(fā)生體積膨脹，產(chǎn)生極大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致在機(jī)械作用下產(chǎn)生嚴(yán)重破裂[17]。研究表明：燒結(jié)礦RDI+3.1.5每降低5%，焦比上升3 kg，生鐵產(chǎn)量下降1.5%～5%，并且低溫還原粉化對高爐爐齡、爐壁及熱損失都有較大影響，國內(nèi)一般要求將燒結(jié)礦的RDI+3.15控制在70%以上[18]。由表9可知：水鋼燒結(jié)礦RDI+3.15為70.13%，符合國內(nèi)的基本要求，但是低溫還原粉化率相對較高。建議降低燒結(jié)礦中Al2O3和MgO含量，因為燒結(jié)礦黏結(jié)相的黏度隨Al2O3含量的增加而增大，不利于小氣孔的合并，會增大燒結(jié)礦的氣孔率和氣孔周圍骸晶狀赤鐵礦的含量，并且黏度增加還會導(dǎo)致燒結(jié)礦內(nèi)有效黏結(jié)相減少，亦不利于提高燒結(jié)礦的抗粉化性能；MgO含量增加有利于磁鐵礦含量的增加，降低了鐵酸鈣粘結(jié)相的含量，從而降低了交織結(jié)構(gòu)和熔蝕結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

表9 水鋼燒結(jié)礦還原粉化性實驗結(jié)果質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

2.3 料面形狀分析

由圖1可知：隨著最大礦焦角(最大礦石角由41°減小至34°；最大焦炭角由40.5°減小至33°)逐漸減小，料面形狀發(fā)生了較為明顯的變化，礦石及焦平臺逐漸向高爐中心移動，中心漏斗越來越小，邊緣坡度越來越大。當(dāng)最大礦石角為39.5°～41°時(見圖1(a)和圖1(b))，中心礦石高度分別為29.2 cm和30 cm，邊緣礦石高度分別為43 cm和41.2 cm，高度差均超過了10 cm，中心氣流容易過分發(fā)展，邊緣氣流受阻，不利于提高煤氣利用率。當(dāng)最大礦石角為36.5°～38°時(見圖1(c)和圖1(d))，中心礦石高度分別為30.8 cm和31.2 cm，邊緣礦石高度分別為36.3 cm和34.3 cm，高度差均低于10 cm，邊緣和中心坡度變化較為平坦，中心和邊緣兩股氣流都有發(fā)展，是一種理想的料面形狀[19]。當(dāng)最大礦石角為34°～35.5°時(見圖1(e)和圖1(f))，中心礦石高度分別為32 cm和32.7 cm，邊緣礦石高度分別為31.7 cm和29 cm，中心礦石高度和邊緣礦石高度較為接近，中心漏斗較小，邊緣坡度過大，容易造成邊緣氣流過分發(fā)展，沖刷爐壁，中心氣流受阻，中心料柱難以吹透，甚至出現(xiàn)蹦料、懸料等狀況，嚴(yán)重影響高爐順行[20]。

圖1 布料矩陣對料面形狀的影響

3 結(jié)論

1) 水鋼4號高爐所采用的焦炭已經(jīng)達(dá)到國家二級焦炭的標(biāo)準(zhǔn)，能起到高爐的骨架作用，支撐起煉鐵原料，為高爐煤氣提供通道。

2) 水鋼4號高爐的燒結(jié)礦RDI+3.15質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70.13%，符合國內(nèi)的基本要求，但是低溫還原粉化率相對較高，在布料過程中容易產(chǎn)生粉末，影響高爐透氣性。

3) 隨著最大礦焦角逐漸減小，料面形狀發(fā)生了較為明顯的變化，礦石及焦平臺逐漸向高爐中心移動，中心漏斗越來越小，邊緣坡度越來越大。當(dāng)最大礦石角度介于36.5°和38°之間時，料面形成的漏斗深度大小適中，邊緣坡度較為平緩，能保證高爐的穩(wěn)定順行。