陳黔湘,周奇榮,龍國榮,高長益
(1.首鋼水城鋼鐵(集團)有限責任公司制造管理部,貴州 六盤水 553028;2.首鋼水城鋼鐵(集團)有限責任公司能源事業(yè)部,貴州 六盤水 553028)
目前,水鋼有3#和4#兩座高爐生產(chǎn),3#、4#高爐的投產(chǎn)時間分別是2004年9月、2011年3月,公稱容積分別是1350 m3、2500 m3,日產(chǎn)量分別為3950 t、6310 t,兩座高爐年產(chǎn)生鐵共369萬噸。在2016~2017年,水鋼針對4#高爐,開展了提高煤氣利用率的生產(chǎn)實踐。對高爐的操作制度進行優(yōu)化,尤其是合理送風參數(shù)的選擇,包括選用合適的風口面積、風量、風溫、富氧率等參數(shù),控制適宜的爐腹煤氣量,并根據(jù)爐況變化對這些參數(shù)進行調節(jié),以達到穩(wěn)定爐況和改善煤氣利用的目的[1]。
水鋼4#高爐布料采用倒同裝,料線深度基本為1.3 m,礦批為46~49 t,焦批為9~10.5 t。2016年1~10月,水鋼4#高爐具體裝料制度見表1及圖1所示。
表1 2016年1~10月水鋼4#高爐平均礦焦批重及煤氣利用系數(shù)
圖1 2016年1~10月水鋼4#高爐平均礦焦批重及煤氣利用系數(shù)
一般來說,增大焦炭負荷,有利于提高煤氣利用率。這是因為焦炭負荷為礦石重與焦炭重的比值,焦炭負荷越大,礦石重相對較大,有利于煤氣熱能與化學能的交換,提高煤氣利用率。但從表1及圖1可以看出,焦炭負荷大,高爐煤氣利用率有時還會降低,這是因為高爐煤氣利用率還與其它因素有關。例如,4月份和10月份焦炭負荷較大,特別是10月份,而煤氣利用率反而較低。這是因為4月份礦石僅布了4個角度,且角度較大、變化較小,礦石主要集中在爐墻與高爐中心之間,導致邊緣與中心氣流過度發(fā)展,不利于煤氣利用率的提高。10月份焦炭布料角度為34°~20°,邊緣和中心焦炭偏少,不利于邊緣和中心氣流發(fā)展,同樣阻礙煤氣利用率的提高。3月份焦炭布料角度為34.5°~16.5°,礦石角度為34°~26°,角度較為合理,能夠合理地發(fā)展邊緣與中心氣流,因此煤氣利用率較高。
因此,根據(jù)以上分析,針對水鋼現(xiàn)有原燃料條件,應使用較高的焦炭負荷,即提高礦批重量,并使用擴大的焦炭布料角度間距(選擇38°~15°的布料角度),且礦石應分為5個布料角度,以便合理發(fā)展邊緣與中心氣流,提高煤氣利用率。
水鋼4#高爐風口大小分布為:120 mm直徑22個,130 mm直徑8個,風口面積為0.355 m2。2016年1~10月,水鋼4#高爐送風制度參數(shù)見表2及圖2所示。
表2 2016年1~10月水鋼4#高爐送風制度參數(shù)
圖2 2016年1~10月水鋼4#高爐送風制度參數(shù)
由表2及圖2可知,水鋼4#高爐風量、風速和鼓風動能變化趨勢相同。鼓風風量越大,則風速與鼓風動能越大。反之,鼓風風量越小,風速與鼓風動能也越小。鼓風動能與煤氣利用率的關系見圖3所示。
圖3 2016年1~10月水鋼4#高爐各月份平均鼓風動能及煤氣利用系數(shù)
水鋼4#高爐的理論鼓風動能應在92.12~98 kJ·s-1之間,而鼓風風量與風口面積對鼓風動能影響較大,擁有合理的鼓風動能的同時,要有合理的風量與風口面積[2]。圖4所示為統(tǒng)計國內外139座不同容積高爐所使用的風量,并加以擬合,得到鼓風風量與高爐容積的公式,見式(1)。
Q=615.84+1.41L
(1)
式中:Q─ 鼓風風量,m3/min;L─高爐容積,m3。
由式(1)計算可知,水鋼4#高爐理論鼓風風量為4140.84 m3/min。由于鼓風濕度及富氧影響,風量應略大于該值。但是水鋼4#高爐鼓風風量為4600~4950 m3/min,鼓風風量明顯偏大。雖然較大的鼓風風量可以提高產(chǎn)量,但是過高的高爐風量,給高爐冶煉帶來了嚴重的困難:(1)在原燃料質量變差的情況下,依然追求高風量,焦炭沒有足夠的透氣性,壓差迅速增大,管道行程大量出現(xiàn),爐況波動頻繁;(2)焦比升高,煤氣利用率偏低。因此,4#高爐應適當降低鼓風風量,保證高爐順行。
圖4 高爐容積與風量的關系
由于4#高爐爐缸直徑為10.9 m左右,在風量減小的條件下,需要更高的鼓風動能來吹透中心,那么就需要縮小風口面積[3-4],加快中心死焦堆中焦炭的燃燒,減少死焦堆的焦炭數(shù)量,減小渣鐵流動阻力,同時提高爐缸中心熱量,從而提高死焦堆中滯留渣鐵的溫度和流動性,加快渣鐵流入爐缸的速度,改善整個爐缸的熱交換條件,有效提高爐缸活性。
風口面積計算公式見式(2)[5]。
(2)
式中:S—每個風口的平均面積,m2;t—送風溫度,℃;p—送風壓力,MPa;n—風口個數(shù);E—鼓風動能,kJ·s-1;K—每晝夜燃燒的燃料量,t/d。
水鋼4#高爐的送風壓力400 kPa,鼓風動能98 kJ·s-1,風口個數(shù)30個,每晝夜燃燒的燃料量2200 t/d,送風溫度1200 ℃,則根據(jù)式(2)可計算出合適的風口面積為:
S總=n·S=30×0.01086=0.3259 (m2)
目前,水鋼4#高爐風口大小分布為:120 mm直徑22個,130 mm直徑8個,風口面積為0.355 m2,與計算值相比偏大,應逐步減少130 mm直徑風口的個數(shù)為4個左右,以便減小風口面積。
冶煉過程中控制充足而穩(wěn)定的爐溫是保證高爐穩(wěn)定順行、生產(chǎn)優(yōu)質鐵水的基本前提,爐溫過高或過低都會導致爐況不順,如管道、崩懸料等,這都與爐缸工作狀態(tài)有關,而熱制度直接反映高爐爐缸的工作狀態(tài)。在高爐日常生產(chǎn)中熱制度通常用鐵水[Si]和鐵水溫度表示。表3及圖5為水鋼4#高爐2016年1~10月份各月份平均技術指標。
表3 2016年1~10月份水鋼4#高爐技術參數(shù)
圖5 水鋼4#高爐2016年1~10月各月份平均技術指標趨勢圖
由表3及圖5可以看出,理論燃燒溫度越高,則鐵水溫度與鐵水中[Si]含量越高。這是因為高溫是由燃料在風口燃燒帶內熱風流股中燃燒達到的,理論燃燒溫度是它理論上所能達到的最高溫度水平,是燃料燃燒過程中放出熱量的反映,理論燃燒溫度越高表示熱量越充足。而且硅全部是直接還原,爐缸熱量越充足,越有利于硅的還原,生鐵中含硅量就高,所以生鐵含硅量的高低,在一定條件下可以表示爐缸熱量的高低。但鐵水中[S]含量與之相反。因為脫硫為吸熱反應,需消耗大量熱量,需要高溫,鐵水溫度降低不利于脫硫反應進行。同時,鐵水溫度下降,爐渣粘度增加,流動性變差,降低硫在渣中的傳質速度。
通過冷態(tài)模型物理實驗與Fluent模擬相結合,并在充分分析水鋼4#高爐現(xiàn)有操作制度的基礎上,對水鋼4#高爐裝料制度、送風制度及熱制度等操作制度進行改進,優(yōu)化高爐操作制度,提高煤氣利用率,降低燃料比。
由冷態(tài)物理模型實驗和Fluent模擬,分析水鋼裝料制度可知,水鋼2500 m3高爐礦石批重應增加至50 t左右,焦批10 t左右比較適宜;增大焦炭最大布料角度,減小最小布料角度,并增加最小角度布料環(huán)數(shù),以便合理發(fā)展邊緣與中心兩股氣流;縮小礦石環(huán)帶角度差幅度,防止由于布料過程中礦石的滾動效應,即環(huán)帶的礦石滾到中心,影響中心煤氣流的穩(wěn)定,同時形成更合理的礦石帶和礦石層厚度。因此,優(yōu)化后裝料制度見表4所示。
表4 優(yōu)化前后水鋼4#高爐裝料制度對比
合理的送風制度不僅是保持爐缸活性良好的前提條件,更是高爐操作者調節(jié)爐況的重要手段之一。2016年水鋼4#高爐風量為4800~5000 m3/min,風速為244~260 m/s,風溫為1100~1220 ℃,風壓390~400 kPa,鼓風動能93.1~117.6 kJ·s-1。
由實驗可知,當鼓風風量大于4900 m3/min時,通過料層氣流的流速明顯變緩,表明料層透氣性變差。在原料透氣性條件較差情況下,壓差迅速增大,極易出現(xiàn)大量管道行程,危害高爐冶煉的順利進行。
通過分析水鋼高爐鼓風參數(shù)及理論計算可知,理論鼓風動能應在92.12~98 kJ·s-1,理論鼓風風量為4140.84 m3/min,理論風口面積為0.3259 m2。考慮到鼓風濕度、富氧及噴吹煤粉等因素影響,實際生產(chǎn)值可大于理論計算值。因此,優(yōu)化后水鋼4#高爐送風制度參數(shù)見表5所示。同時減少風量后,應增用長風口以確保鼓風動能發(fā)展中心氣流。并且為保證高爐冶煉強度不降低,應提高富氧率。
表5 優(yōu)化前后水鋼4#高爐送風制度對比
根據(jù)原燃料條件,優(yōu)化裝料制度與送風制度,實現(xiàn)合理的煤氣流分布,提高煤氣利用率,降低生產(chǎn)成本,是高爐生產(chǎn)上的核心技術。通過建立的煤氣流模型,計算出不同優(yōu)化操作制度后煤氣利用率,結果見表6所示。
由表6可以看出優(yōu)化后的操作制度,煤氣利用率分別為47.06%、47.85%、48.91%、50.02%,比優(yōu)化前實際生產(chǎn)指標提高3%~5%。但是根據(jù)水鋼4#高爐操作參數(shù),應使用優(yōu)化2或優(yōu)化3方案,減小風量至4650 m3/min左右,風口面積減小到0.343 m2,即將130 mm直徑風口減少為2~4個。
表7為2017年1月至7月水鋼4#高爐生產(chǎn)相關數(shù)據(jù)。
表6 不同優(yōu)化操作制度的煤氣利用率
表7 2017年1~7月水鋼4#高爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)
由表7可知,1、2、3月份雖然礦批大于48 t,但是鼓風風量也偏大(大于4800 m3/min),且焦炭最大布料角度僅為35°,邊緣焦炭偏少,無法較好地發(fā)展邊緣氣流。特別是1月份焦炭最大布料角度僅為32°,導致邊緣焦炭偏少,而中心焦炭偏多,邊緣與中心氣流發(fā)展均不合理,導致煤氣利用率僅為41.96%。4~7月份雖然減小了風量,但是風口面積并未減小,導致鼓風動能偏小,無法吹透中心,中心氣流不夠活躍,致使煤氣利用率不夠高;而且礦批批重也減少至46 t左右,進一步降低煤氣的利用率。因此,通過單一調節(jié)裝料制度或送風制度無法獲得較為理想的煤氣流分布,合理發(fā)展邊緣與中心兩股氣流,提高煤氣利用率。需要合理的上部裝料制度與下部送風制度相結合,才能夠獲得較好的煤氣流分布,提高煤氣利用率,降低生產(chǎn)成本。
圖6為 4#高爐2016、2017年每月煤氣利用率對比圖。由圖6可以看出,4號高爐2017年煤氣利用率在45%~47%范圍時所占天數(shù)大于2016年各月份所占天數(shù),但是2017年煤氣利用率波動較大,2016年各月份煤氣利用率較為穩(wěn)定。這是因為2017年4#高爐布料與送風制度有所改變,特別是風量較2016有所降低。而且這三種參數(shù)不是同步合理的改變,處于一種探索期。但是煤氣利用率在45%~47%所占天數(shù)有所提高,表明風量的降低與布料角度的改變有利于提高煤氣利用率。
圖6 4#高爐2016、2017年每月煤氣利用率
通過對水鋼2500 m3的4#高爐的操作制度的優(yōu)化,改善了高爐煤氣分布,提高了煤氣利用率,得出如下結論。
(1)水鋼4#高爐布料采用倒同裝,料線深度基本為1.3 m,礦批為46~49 t,焦批為9~10.5 t。焦炭負荷越大,則高爐煤氣利用率越高。針對水鋼已有原燃料條件,應使用較高的焦炭負荷,即提高礦批至50 t,并擴大焦炭布料角度間距(選擇38°~15°的布料角度),且礦石應分為5個布料角度,以便合理發(fā)展邊緣與中心氣流,提高煤氣利用率。
(2)水鋼4#高爐風量為4800~5000 m3/min,風速為244~260 m/s,風溫為1100~1220 ℃,風壓390~400 kPa,鼓風動能93.1~117.6 kJ·s-1。根據(jù)理論計算可知,理論鼓風動能應在92.12~98 kJ·s-1,理論鼓風風量為4140.84 m3/min,理論風口面積為0.3259 m2較為合理。水鋼4#高爐鼓風參數(shù)應適當減小??紤]到鼓風濕度、富氧及噴吹煤粉的影響,鼓風參數(shù)可以略大于理論值。同時減少風量后,應增用長風口以確保鼓風動能發(fā)展中心氣流。并且為保證高爐冶煉強度不降低,應逐步提高富氧率至3.6 %左右。