大型高爐布料參數(shù)對煤氣流的影響

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(1.東北大學(xué)冶金學(xué)院，沈陽110819；2.山西太鋼不銹股份有限公司煉鐵廠，太原030003)

裝料制度是高爐操作中一個重要的組成部分，主要是通過爐料裝入順序、裝入方法、料線、批重、焦炭負(fù)荷、布料方式、布料溜槽傾動角度、圈數(shù)的變化等調(diào)整爐料在爐內(nèi)的分布，以達(dá)到煤氣流合理分布的目的，是高爐穩(wěn)定、順行、低耗、高效的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1,2].裝料制度與爐況參數(shù)存在著內(nèi)在的緊密聯(lián)系，高爐布料仿真模型是裝料制度與爐況參數(shù)的紐帶，可以通過布料仿真模型計算得出不同裝料制度下的布料參數(shù)，再與爐況參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析，得出兩者之間的關(guān)系[3-6].

1 高爐布料仿真模型介紹

本文將利用高爐布料仿真模型對高爐布料參數(shù)與煤氣流參數(shù)進(jìn)行分析.布料仿真模型以無料鐘布料過程中物料運(yùn)動機(jī)理為基礎(chǔ)，改進(jìn)了料流軌跡的修正方法，對料面形狀計算方法進(jìn)行了創(chuàng)新，利用高爐開爐實際測量數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進(jìn)行修正和驗證，結(jié)合生產(chǎn)實踐需求進(jìn)行布料仿真計算[3].

2 布料模式與布料參數(shù)調(diào)整方式

由于高爐的冶煉條件各不相同，尤其是原燃料質(zhì)量和穩(wěn)定性差異很大，高爐操作者需結(jié)合高爐自身條件不斷優(yōu)化裝料制度，以達(dá)到最佳的冶煉效果.高爐布料模式種類雜多，主要分為平臺+漏斗模式和中心加焦模式，本文將分別對這兩種布料模式進(jìn)行研究，兩種模式的基準(zhǔn)布料矩陣如表1所示.

其他布料參數(shù)采用相同值：料線1.5 m，焦批23.5 t，礦批112.0 t，焦丁批1.0 t，球團(tuán)比例28%.

表1 平臺+漏斗模式和中心加焦模式的布料矩陣參數(shù)Table 1 Charging matrix parameters of platform-funnel mode and central coke charging mode

當(dāng)調(diào)整布料參數(shù)時，高爐操作者主要調(diào)整料線、布料角度、圈數(shù).正常情況下每次調(diào)劑幅度如下：料線10%～50%，布料角度2.5%～5.0%，布料圈數(shù)1～2圈.現(xiàn)場生產(chǎn)的高爐操作者在調(diào)整布料參數(shù)時通常以經(jīng)驗為主，缺乏量化分析，經(jīng)常出現(xiàn)調(diào)整不足或調(diào)整過量現(xiàn)象，導(dǎo)致爐況調(diào)整不及時、不準(zhǔn)確，引起氣流分布不合理，尤其當(dāng)爐況不順時，嚴(yán)重影響高爐恢復(fù)進(jìn)度.如何能更加準(zhǔn)確地調(diào)整布料參數(shù)，是迫切需要解決的問題.

本文選取了高爐操作中常見的布料參數(shù)調(diào)整方式進(jìn)行研究，如表2所示.

表2 高爐操作中常見的布料參數(shù)調(diào)整方式Table 2 Common adjustment methods of charging parameters in BF operation

3 布料參數(shù)與爐況參數(shù)回歸分析

與高爐布料參數(shù)相關(guān)程度高，且對高爐爐況影響較大的煤氣流參數(shù)有：透氣性、熱負(fù)荷和邊緣氣流.通常用K值表征透氣性，代表高爐整體的壓量關(guān)系；熱負(fù)荷代表高爐爐身煤氣流分布；爐喉鋼磚溫度表征邊緣氣流強(qiáng)弱，是高爐煤氣流控制的重要指標(biāo)[8-9].

首先，對高爐參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、篩選，在選取數(shù)據(jù)時，為了更真實的反映高爐運(yùn)行參數(shù)，剔除了休風(fēng)、慢風(fēng)、外圍導(dǎo)致減風(fēng)、護(hù)爐期間、原燃料明顯變差時的數(shù)據(jù)；其次，利用Minitab軟件對高爐布料參數(shù)、操作控制參數(shù)與K值、熱負(fù)荷、爐喉鋼磚溫度(分別用K、Q、T表示)進(jìn)行多元線性回歸分析；最終得到回歸方程式(1～3)：

K=11.8+0.0679×R3+0.0635×R7+
0.0640×R8+0.307×R9-0.232×R10+
0.103×LCC+0.183×LOE-0.116×LOM+
0.0465×q爐腹/TP+0.000287×BV-
14.7×S風(fēng)口-0.00693×CSR-0.0220×V風(fēng)

(1)

其中，R-Sq=95.2%，R-Sq(調(diào)整)=95.2%(擬合度在70%～90%時回歸分析的結(jié)果是可以接受的，擬合度大于90%表明回歸式可靠度很高[10]).

Q=4638-4300×R3-2955×R7+3542×R8-
7927×R9-10865×R10+9721×LCM+1302×LCC+
7296×LOM-13718×LOC+32684×S風(fēng)口+
8432×ω球團(tuán)-3.49×P+6.00×q爐腹+
170×q爐腹/TP-104×CP+19.8×Tf-
596×M40+4341×H料線

(2)

其中，R-Sq=76.2%，R-Sq(調(diào)整)=75.8%.

T=250-45.9×R3-48.7×R7-53.7×R8-
56.0×R9-69.1×R10-106×LCE+
58.4×LCM+39.1×LCC+62.4×LOE+
58.8×LOM-43.7×LOC

(3)

其中，R-Sq=87.6%，R-Sq(調(diào)整)=87.4%.

假設(shè)除布料參數(shù)外其他參數(shù)為常數(shù)，整理后得到如下回歸關(guān)系式：

K=2.3+0.0679×R3+0.0635×R7+
0.0640×R8+0.307×R9-0.232×R10+
0.103×LCC+0.183×LOE-0.116×LOM

(4)

Q=23000-4300×R3-2955×R7+3542×R8-
7927×R9-10865×R10+9721×LCM+1302×LCC+
7296×LOM-13718×LOC+4341×H料線

(5)

其中，R1～R10為徑向等距離10等分后的區(qū)域焦炭負(fù)荷指數(shù)，其中R3、R7～R10與煤氣流參數(shù)相關(guān)；LCE為焦炭邊緣落點(diǎn)，LCM為焦炭中間落點(diǎn)，LCC為焦炭中心落點(diǎn)，LOE為礦石邊緣落點(diǎn)，LOM為礦石中間落點(diǎn)，LOC為礦石中心落點(diǎn)，m；q爐腹為標(biāo)狀下爐腹煤氣量，Nm3/min；TP為頂壓，kPa；BV為標(biāo)狀下風(fēng)量，Nm3/min；S風(fēng)口為風(fēng)口面積，m2；CSR為焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度；V風(fēng)為風(fēng)速m/s；ω球團(tuán)為球團(tuán)礦比例，%；p為每天下料批數(shù)，批/d；Tf為理論燃燒溫度，℃；M40為焦炭冷態(tài)強(qiáng)度；H料線為料線深度，m.

4 布料參數(shù)對高爐煤氣流的影響及分析

將不同編號的布料矩陣輸入布料仿真模型，輸出結(jié)果如表3和4所示.

將布料模型計算結(jié)果帶入公式(3～5)，假設(shè)送風(fēng)參數(shù)不變，可得出不同編號布料條件下的K、Q、T；依次計算不同布料參數(shù)的布料仿真結(jié)果與基準(zhǔn)參數(shù)的布料仿真結(jié)果的變化率，然后將變化率進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，結(jié)果如表5和6所示.

區(qū)域焦炭負(fù)荷指數(shù)變化率標(biāo)準(zhǔn)化方法：依次計算不同編號下的Ri(1≤i≤10)與基準(zhǔn)布料矩陣下Ri差值的絕對值，取其平均值，除以基準(zhǔn)布料矩陣下R1～R10平均值；爐料落點(diǎn)變化率標(biāo)準(zhǔn)化方法：依次計算不同編號下焦炭和礦石的邊緣落點(diǎn)、中間落點(diǎn)、中心落點(diǎn)與基準(zhǔn)布料矩陣下對應(yīng)落點(diǎn)差值的絕對值，取其平均值，除以基準(zhǔn)布料矩陣下各落點(diǎn)的平均值；K值變化率的標(biāo)準(zhǔn)化方法：依次計算不同編號下K值與基準(zhǔn)布料矩陣下K值差值的絕對值，除以基準(zhǔn)布料矩陣下的K值；熱負(fù)荷和鋼磚溫度的變化率以此類推；所有數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化即歸一化后，為了與標(biāo)準(zhǔn)化前的數(shù)據(jù)比較，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為百分?jǐn)?shù).

將表5和6中的計算結(jié)果進(jìn)行整理、排序，重點(diǎn)分析不同布料參數(shù)調(diào)整方式對各參數(shù)影響較大的項目，依據(jù)變化率大小排序如表7和8所示.

由表7和8可知，調(diào)整礦石內(nèi)檔圈數(shù)對區(qū)域焦炭負(fù)荷、平臺+漏斗模式的熱負(fù)荷、中心加焦模式的K值影響較大；調(diào)整料線對爐料落點(diǎn)、鋼磚溫度、平臺+漏斗模式的K值、中心加焦模式的熱負(fù)荷影響較大；調(diào)整所有礦石角度對區(qū)域負(fù)荷、鋼磚溫度影響較大.從上述分析可以看出，不同的布料參數(shù)調(diào)整方式對各項參數(shù)的影響各異，高爐操作者需結(jié)合高爐實際運(yùn)行效果和高爐自身的主要矛盾進(jìn)行綜合分析，以達(dá)到操作參數(shù)最優(yōu)化.結(jié)合表5和6計算結(jié)果，將區(qū)域負(fù)荷、爐料落點(diǎn)、K、Q、T五個維度的變化率等權(quán)加權(quán)排序(即取各編號下數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)后的區(qū)域負(fù)荷、爐料落點(diǎn)、K、Q、T變化率的平均值，然后進(jìn)行排序)，得出不同布料模式下布料參數(shù)調(diào)整方式對高爐總體影響排序，如表9所示.

表4 中心加焦模式下布料仿真模型計算結(jié)果Table 4 Calculation results of the charging model under central coke charging mode

表5 平臺+漏斗模式下布料參數(shù)變化時煤氣流參數(shù)變化率Table 5 The change ratio of gas flow parameters when charging parameters changes under platform-funnel mode

表6 中心加焦模式下布料參數(shù)變化時煤氣流參數(shù)變化率Table 6 The change ratio of gas flow parameters when charging parameters changes under central coke charging mode

表7 平臺+漏斗模式下布料參數(shù)調(diào)整方式對煤氣流參數(shù)影響排序Table 7 Influence sequence of charging parameters on gas flow parameters under platform-funnel mode

表8 中心加焦模式下布料參數(shù)調(diào)整方式對煤氣流參數(shù)影響排序Table 7 Influence sequence of charging parameters on gas flow parameters under central coke charging mode

表9 不同布料模式下布料參數(shù)調(diào)整方式對高爐總體影響排序Table 9 Overall effect of the adjustment methods on BF under different charging modes

由表9可知，當(dāng)料線調(diào)整超過30%時(0.45 m)對爐況影響大，料線的變化直接導(dǎo)致爐料落點(diǎn)變化，料線變深后落點(diǎn)距爐墻距離減小，平臺減小、漏斗增大，礦石落點(diǎn)位置會對焦炭造成推移，落點(diǎn)位置還有小顆粒爐料偏析現(xiàn)象，這些都會抑制邊緣氣流，要引起高爐操作者的重視，嚴(yán)格制定、落實料線控制標(biāo)準(zhǔn)，避免料線隨意變化，更要杜絕長時間深料線作業(yè).

調(diào)整礦石內(nèi)檔圈數(shù)對爐況影響較大，同幅度調(diào)整內(nèi)檔圈數(shù)比調(diào)整外檔圈數(shù)對爐況影響大；對于大型高爐而言，穩(wěn)定且充沛的中心氣流至關(guān)重要，在爐況變差導(dǎo)致慢風(fēng)操作，中心氣流減弱，K值升高時，及時調(diào)整礦石內(nèi)檔圈數(shù)是關(guān)鍵.

所有礦石角度調(diào)整2.5%和所有焦炭角度調(diào)整2.5%對煤氣流影響較大，可分步調(diào)整，避免調(diào)整幅度過大；同步、同幅度調(diào)整焦、礦角度或圈數(shù)會減小對爐況的影響；對煤氣流影響較小，適合微調(diào)的布料參數(shù)調(diào)整方式有：料線調(diào)整10%、焦炭最內(nèi)1檔角度調(diào)整5%、焦炭或礦石最外1檔調(diào)整1圈、焦、礦最外1檔同步調(diào)整1圈.

需要說明的是，上述結(jié)論系由太鋼6#高爐(4 350 m3)實際運(yùn)行參數(shù)分析所得，主要適用于大型高爐且冶煉條件差別不大的高爐.

5 結(jié) 論

本文利用高爐布料仿真模型建立了區(qū)域焦炭負(fù)荷指數(shù)、爐料落點(diǎn)與煤氣流表征參數(shù)K值、熱負(fù)荷、爐喉鋼磚溫度的回歸方程.在平臺+漏斗和中心加焦兩種布料模式下，計算不同布料參數(shù)調(diào)整方式下區(qū)域焦炭負(fù)荷指數(shù)、爐料落點(diǎn)、K值、熱負(fù)荷、爐喉鋼磚溫度，與基準(zhǔn)裝料制度相比的變化率，然后將變化率數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)對煤氣流影響較大的布料參數(shù)調(diào)整方式有：礦石內(nèi)檔圈數(shù)與平臺+漏斗模式下的熱負(fù)荷、中心加焦模式下的K值；料線與鋼磚溫度、平臺+漏斗模式下的K值、中心加焦模式下的熱負(fù)荷；所有礦石角度與鋼磚溫度；

(2)當(dāng)料線調(diào)整超過0.45 m時對爐況影響大，在高爐操作過程中要嚴(yán)格制定、落實料線控制標(biāo)準(zhǔn)，避免料線隨意變化，更要杜絕長時間深料線作業(yè)；

(3)同幅度調(diào)整內(nèi)檔圈數(shù)比調(diào)整外檔圈數(shù)對爐況影響大，在爐況變差導(dǎo)致慢風(fēng)操作，中心氣流減弱，K值升高時，及時調(diào)整礦石內(nèi)檔圈數(shù)是關(guān)鍵；與單向調(diào)整焦或礦參數(shù)相比，同步、同幅度調(diào)整焦、礦參數(shù)可以減小對煤氣流的影響；

(4)對煤氣流影響較小，適合微調(diào)的布料參數(shù)調(diào)整方式有：料線調(diào)整10%、焦炭最內(nèi)1檔角度調(diào)整5%、焦炭或礦石最外1檔調(diào)整1圈、焦和礦最外1檔同步調(diào)整1圈.