鞍鋼10號(hào)3 200 m3高爐合理鼓風(fēng)動(dòng)能的研究

姜　喆　車玉滿　郭天永 　姚　碩　孫　鵬　王傳榮

(1.鞍鋼股份有限公司技術(shù)中心，遼寧鞍山　114009；2.鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠，遼寧鞍山　114021)

合理的煤氣流分布是高爐穩(wěn)定順行的基礎(chǔ)，直接影響著高爐的煤氣利用率和爐缸活躍程度[1]。高爐煤氣流的初始分布主要取決于鼓風(fēng)動(dòng)能[2]。保證合理的鼓風(fēng)動(dòng)能是貫徹鞍鋼煉鐵“安全長(zhǎng)壽、指標(biāo)優(yōu)化、穩(wěn)定順行”的重要技術(shù)保障。

1　合理鼓風(fēng)動(dòng)能的意義

高爐風(fēng)口回旋區(qū)長(zhǎng)度合適與否是判斷高爐下部送風(fēng)制度是否合理的標(biāo)準(zhǔn)，只有風(fēng)口回旋區(qū)的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)其高爐爐缸保持長(zhǎng)短合適時(shí)，高爐才能穩(wěn)定順行。長(zhǎng)期的生產(chǎn)與理論實(shí)踐表明，高爐鼓風(fēng)動(dòng)能是影響高爐風(fēng)口回旋區(qū)長(zhǎng)短的最直接因素，鼓風(fēng)動(dòng)能越大，風(fēng)口回旋區(qū)越長(zhǎng)；反之，則回旋區(qū)長(zhǎng)度越短[3]。每一座高爐都有一個(gè)適宜的風(fēng)口回旋區(qū)長(zhǎng)度范圍，即有一個(gè)適宜的鼓風(fēng)動(dòng)能大小范圍[4]，鼓風(fēng)動(dòng)能過(guò)大或過(guò)小都會(huì)造成高爐長(zhǎng)期處于失常狀態(tài)，使任何調(diào)劑失去意義。鼓風(fēng)動(dòng)能過(guò)大則中心煤氣流越旺盛，容易造成邊緣堆積；鼓風(fēng)動(dòng)能過(guò)小則邊緣煤氣流越旺盛，容易造成中心堆積，爐缸不活躍。只有鼓風(fēng)動(dòng)能處于合理的范圍，高爐才能長(zhǎng)期處于高產(chǎn)、低燃耗和低[S]的生產(chǎn)階段[5]。

2　鞍鋼10號(hào)3 200 m3高爐合理鼓風(fēng)動(dòng)能的控制

2.1　鞍鋼10號(hào)3 200 m3高爐合理鼓風(fēng)動(dòng)能的范圍

鞍鋼本部10號(hào)高爐容積3 200 m3，爐缸直徑為12.3 m。在投產(chǎn)初期，操作上處于摸索階段，末能充分認(rèn)識(shí)到控制合理的鼓風(fēng)動(dòng)能對(duì)高爐冶煉的作用。高爐長(zhǎng)期處于大風(fēng)量和高風(fēng)速操作，鼓風(fēng)動(dòng)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同容積高爐，造成爐缸中心過(guò)吹，爐況波動(dòng)頻繁，煤氣利用率長(zhǎng)期處于較低水平。從2015年末開(kāi)始，在認(rèn)識(shí)鼓風(fēng)動(dòng)能的重要性之后，高爐操作者開(kāi)始有意識(shí)地將鼓風(fēng)動(dòng)能嚴(yán)格控制在一定范圍之內(nèi)，在此范圍內(nèi)，再根據(jù)富氧、噴煤、風(fēng)溫和壓差等冶煉條件適度調(diào)整，最終取得了良好實(shí)效，使10號(hào)高爐的燃料比下降約20 kg/t。

10號(hào)高爐的鼓風(fēng)動(dòng)能與燃料比和平均日產(chǎn)量的關(guān)系如圖1所示。從圖中可以看出，當(dāng)鼓風(fēng)動(dòng)能處于14 000～16 500 kg·m·s- 1范圍時(shí)，燃料消耗較低，高爐平均日產(chǎn)也處于較高水平。這是因?yàn)楦郀t熱風(fēng)入爐后，在風(fēng)口前與焦炭或煤粉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)氣體膨脹做功，吹動(dòng)風(fēng)口前焦炭作回旋運(yùn)動(dòng)，在風(fēng)口前產(chǎn)生風(fēng)口回旋區(qū)，回旋區(qū)深度直接受鼓風(fēng)動(dòng)能影響。鼓風(fēng)動(dòng)能越大，則風(fēng)口回旋區(qū)越長(zhǎng)，風(fēng)口回旋區(qū)長(zhǎng)度必須與爐缸直徑相對(duì)應(yīng)處于一個(gè)合理的范圍內(nèi)，高爐的初始煤氣流分布才能合理，燃料消耗才能低，因此每個(gè)高爐都對(duì)應(yīng)一個(gè)合理的鼓風(fēng)動(dòng)能范圍。當(dāng)鼓風(fēng)動(dòng)能過(guò)高時(shí)，邊緣過(guò)重，中心過(guò)吹，中心煤氣流紊亂，煤氣利用率低；當(dāng)鼓風(fēng)動(dòng)能過(guò)低時(shí)，邊緣發(fā)展，容易造成爐缸內(nèi)部透氣和透液性差，爐缸中心堆積，煤氣利用率也不高，燃料比上升。由此，10號(hào)高爐適宜的鼓風(fēng)動(dòng)能范圍為14 000～16 500 kg·m·s- 1。

圖1　10號(hào)高爐鼓風(fēng)動(dòng)能與(a)燃料比和(b)平均日產(chǎn)的關(guān)系 Fig.1　Relationship among (a) fuel ratio and (b)daily production with blast kinetic energy for BF No.10

2.2　鞍鋼10號(hào)3 200 m3高爐合理鼓風(fēng)動(dòng)能的控制方法

為了確定3 200 m3高爐適宜的送風(fēng)量，筆者引用了送風(fēng)比的概念，送風(fēng)比是高爐單位爐容的風(fēng)量。提出送風(fēng)比概念就是結(jié)合原燃料和冶煉條件，不同容積高爐選擇適合的風(fēng)量。煉鐵人常說(shuō)“大風(fēng)治百病”，風(fēng)量在高爐操作中起著非常重要的作用，直接影響下部送風(fēng)制度，高爐只有送風(fēng)比處于合理范圍，才能保證合理爐腹煤氣量和大小適當(dāng)?shù)幕匦齾^(qū)，實(shí)現(xiàn)高爐穩(wěn)定順行和指標(biāo)優(yōu)化。根據(jù)國(guó)內(nèi)外高爐實(shí)際操作統(tǒng)計(jì)，大高爐送風(fēng)比相對(duì)小高爐要低一些，3 000～5 000 m3高爐送風(fēng)比一般處于1.4～1.6之間。根據(jù)鞍鋼10號(hào)3 200 m3高爐的生產(chǎn)實(shí)踐，高爐送風(fēng)比與燃料比和產(chǎn)量的關(guān)系如圖2所示。從圖中可以看出，當(dāng)10號(hào)高爐的送風(fēng)比為1.35～1.40時(shí)，高爐燃料消耗最低，且平均日產(chǎn)也接近于較高階段。但該數(shù)據(jù)的相關(guān)性有些發(fā)散，說(shuō)明高爐燃料比受諸多因素影響。當(dāng)10號(hào)高爐的送風(fēng)比在1.35～1.40時(shí)，燃料比基本都低于520 kg/t，說(shuō)明控制送風(fēng)比在1.35～1.40范圍內(nèi)是適合10號(hào)高爐生產(chǎn)的最優(yōu)工作范圍。10號(hào)高爐送風(fēng)比和鼓風(fēng)動(dòng)能的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示，送風(fēng)比在1.35～1.40時(shí)對(duì)應(yīng)的鼓風(fēng)動(dòng)能范圍是14 000～16 500 kg·m·s-1。說(shuō)明高爐冶煉時(shí)，應(yīng)將鼓風(fēng)動(dòng)能控制在14 000～16 500 kg·m·s-1范圍內(nèi)。得出這一規(guī)律后，通過(guò)減小風(fēng)量，控制送風(fēng)比在1.35～1.40范圍內(nèi)，高爐的順行情況得到明顯改善。

圖2　10號(hào)高爐送風(fēng)比與(a)燃料比和(b)平均日產(chǎn)之間的關(guān)系Fig.2　Relationship among (a) fuel ratio and (b) dairly production with blast volume ratio for BF No.10

圖3　10號(hào)高爐送風(fēng)比與鼓風(fēng)動(dòng)能對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.3　Relationship between blast kinetic energy and blast volume ratio for BF No.10

(2)控制合理的風(fēng)口面積。鼓風(fēng)動(dòng)能與風(fēng)口面積成反比，即風(fēng)口面積越小，鼓風(fēng)動(dòng)能越大。通過(guò)調(diào)整風(fēng)口面積改變鼓風(fēng)動(dòng)能是高爐操作中常用的技術(shù)措施。風(fēng)口面積應(yīng)與富氧、風(fēng)溫、頂壓、原燃料條件、送風(fēng)比、風(fēng)量和爐型等冶煉條件相匹配。對(duì)鞍鋼10號(hào)3 200 m3高爐采取減小風(fēng)量、控制送風(fēng)比的操作后，對(duì)風(fēng)口面積也做出了調(diào)整，保證在送風(fēng)比一定的情況下，既吹透爐缸中心，又不過(guò)吹。從2015年初開(kāi)始，逐步縮小10號(hào)高爐的風(fēng)口面積，將原來(lái)φ130 mm和φ140 mm的風(fēng)口逐步全部改為φ120 mm的風(fēng)口，風(fēng)口面積由0.44 m2以上縮小到0.39 m2。通過(guò)縮小風(fēng)口面積，在一定程度上避免了送風(fēng)比減小后鼓風(fēng)動(dòng)能的大幅下降。調(diào)整風(fēng)口面積后，將鼓風(fēng)動(dòng)能控制在14 000～16 500 kg·m·s-1，取得了較好的實(shí)踐效果：風(fēng)口明亮、渣鐵流動(dòng)性改善、爐缸活躍、風(fēng)口破損情況改善、燃料比也長(zhǎng)期處于歷史較優(yōu)水平，風(fēng)口面積的調(diào)整過(guò)程如圖4所示。當(dāng)風(fēng)量一定時(shí)鼓風(fēng)動(dòng)能和風(fēng)口面積的關(guān)系如圖5所示。計(jì)算過(guò)程中控制送風(fēng)比為1.4，熱風(fēng)溫度為1 200 ℃，風(fēng)口面積由0.44 m2縮小為0.39 m2后，鼓風(fēng)動(dòng)能和風(fēng)速分別控制到15 350 kg·m·s-1和320 m/s左右。10號(hào)高爐控制的風(fēng)速和鼓風(fēng)動(dòng)能都較同容積的高爐大，屬于高風(fēng)速操作。鞍鋼10號(hào)高爐的實(shí)踐證明,在保證高爐穩(wěn)定順行的前提下，高風(fēng)速操作可以提高高爐的“抵抗力”，即高爐抵抗各種異常爐況的能力，有利于提高鐵水質(zhì)量。

圖4　10號(hào)高爐風(fēng)口面積變化Fig.4　Change of tuyere area for BF No.10

圖5　10號(hào)高爐風(fēng)口面積對(duì)風(fēng)速和鼓風(fēng)動(dòng)能的影響Fig.5　Variation of blast kinetic energy and tuyere velocity with tuyere area for BF No.10

△U)(式中：q效表示爐料有效正壓力對(duì)需求鼓風(fēng)動(dòng)能的影響，爐料條件越好，該參數(shù)越大)，可以看出，原燃料條件越好，高爐所要求鼓風(fēng)動(dòng)能越大。2014年鞍鋼投產(chǎn)兩座7 m焦?fàn)t，逐步提高10號(hào)高爐所用焦炭的冶金性能，CRI和CSR指標(biāo)顯著提高，分別達(dá)到25%以下和62%以上，原燃料條件的改善也為10號(hào)高爐接受高風(fēng)速和高鼓風(fēng)動(dòng)能提供了條件。

3　結(jié)論

(1)通過(guò)鼓風(fēng)動(dòng)能與風(fēng)口回旋區(qū)長(zhǎng)度之間的關(guān)系，提出了合理鼓風(fēng)動(dòng)能的概念，即在保證高爐生產(chǎn)穩(wěn)定順行的前提下，根據(jù)生產(chǎn)條件變化，鼓風(fēng)動(dòng)能應(yīng)在一個(gè)合理的范圍內(nèi)波動(dòng)。

(2)鞍鋼10號(hào)3 200 m3高爐鼓風(fēng)動(dòng)能的合理范圍在14 000～16 500 kg·m·s- 1，此時(shí)高爐不僅燃料消耗低，利用系數(shù)也較高。

(3)論證了鞍鋼10號(hào)高爐鼓風(fēng)動(dòng)能受送風(fēng)比、原燃料條件和風(fēng)口面積等因素影響的具體原因及應(yīng)所采取的應(yīng)對(duì)措施，即控制送風(fēng)比在1.35～1.40范圍內(nèi)，縮小風(fēng)口面積，提高原燃料條件等。

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