首鋼股份3號(hào)高爐爐缸活躍度量化研究

馬洪修，程洪全，于連成，羅德慶，王榮剛，林春山

(北京首鋼股份有限公司煉鐵作業(yè)部，河北唐山064404)

爐缸壽命決定了高爐一代爐役的長(zhǎng)短，提高爐缸活躍度以保證爐缸長(zhǎng)壽成為了當(dāng)下一大研究課題。在爐缸活躍度量化方面有了較多的研究，煉鐵人員通過(guò)爐缸溫度與側(cè)壁溫度比值以及高爐爐缸渣鐵滯留量等角度研究了爐缸活躍度［1-5］。丁汝才等［2］將爐底熱電偶溫度與爐缸側(cè)壁熱電偶溫度進(jìn)行直接做比。國(guó)外Shibaike等［6］給出了計(jì)算爐芯死料柱溫度的公式。部分學(xué)者用爐芯溫度及Kozeny-Car man方程來(lái)解釋高爐活躍度［7-10］。首鋼股份3號(hào)高爐自2010年投產(chǎn)以來(lái)，多次出現(xiàn)爐缸不活躍現(xiàn)象，而對(duì)爐缸活躍度的判斷基于現(xiàn)場(chǎng)外圍出鐵等情況，沒(méi)有定量化的標(biāo)準(zhǔn)。因此，有必要量化首鋼股份3號(hào)高爐爐缸活躍度，并明確活躍度指數(shù)與操作參數(shù)的關(guān)系，探析其影響因素，從而通過(guò)日常操作達(dá)到活躍爐缸的目的。

本文統(tǒng)計(jì)了首鋼股份3號(hào)高爐溫度比值趨勢(shì)(爐底中心溫度與爐缸側(cè)壁異常升溫處的溫度比值)，計(jì)算了爐缸活躍度指數(shù)，分析了爐缸活躍度指數(shù)與鼓風(fēng)風(fēng)量、風(fēng)溫、噴煤量及鼓風(fēng)動(dòng)能之間的關(guān)系，明確了爐缸分區(qū)、分段活躍度趨勢(shì)及活躍度變差的原因，總結(jié)了提高爐缸活躍度的措施，為同等立級(jí)高爐操作提供一定的參考。

1 高爐爐缸活躍度參數(shù)取值及指數(shù)計(jì)算

1.1 高爐爐缸活躍度參數(shù)取值

首鋼股份3號(hào)高爐容積4000 m3，于2010年1月開(kāi)爐，本文中側(cè)壁溫度取自鐵口中心線下方2.4 m處的第7層最內(nèi)環(huán)熱電偶溫度，如圖1所示。爐芯溫度取值為高爐爐底中心熱電偶溫度。第7層內(nèi)環(huán)與爐底中心熱電偶溫度能有效地反應(yīng)熱量在側(cè)壁與爐底的分配。

圖1 首鋼股份3號(hào)高爐爐缸第七層熱電偶布置圖

1.2 高爐爐缸活躍度指數(shù)計(jì)算

爐缸活躍度表征為爐缸排出渣鐵的順利程度。首先從爐缸工作狀態(tài)的表征方面，發(fā)現(xiàn)了爐缸爐底中心熱電偶溫度與爐缸側(cè)壁熱電偶溫度之間的一般關(guān)系。丁汝才等［2］將爐底熱電偶溫度與爐缸側(cè)壁熱電偶溫度進(jìn)行直接做比，提出了爐缸活躍度指數(shù)的概念，爐缸爐底溫度在一定程度上反應(yīng)了爐缸熱量在爐缸中心死料柱的傳遞能力，也反應(yīng)了鐵水爐渣在爐缸中心死料柱的滲透能力［7］。但不同高爐的爐缸結(jié)構(gòu)及監(jiān)測(cè)熱電偶位置不同，為了更準(zhǔn)確地反應(yīng)首鋼股份公司3號(hào)高爐爐缸內(nèi)溫度場(chǎng)分布，定量分析活躍度，對(duì)首鋼股份3號(hào)高爐爐底中心溫度與側(cè)壁異常升溫點(diǎn)(圖1中紅色點(diǎn))求比值，如式(1)。

式中：

TD——爐缸底部中心熱電偶溫度，℃；

TC——爐缸側(cè)壁內(nèi)環(huán)熱電偶溫度(異常升溫點(diǎn))，℃。

爐缸活躍度指數(shù)見(jiàn)圖2，TE31303及TE31304為1#出鐵口附近熱電偶；TE31294為2#出鐵口附近熱電偶；TE31296為3#出鐵口附近熱電偶；以上熱電偶?xì)v史上均數(shù)次發(fā)生異常升溫現(xiàn)象，其均在鐵口夾角30°之間，這也符合爐缸鐵口下方鐵水流動(dòng)規(guī)律。從圖2中可以看出，活躍度指數(shù)均在0.5～4.5之間，爐缸活躍度指數(shù)越高，則說(shuō)明爐缸越活躍，反之，則活躍度越差。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)，明確了活躍度指數(shù)＜2.0為爐缸不活躍；2.0～2.5為爐缸較活躍；＞2.5為爐缸活躍。

圖2 爐缸活躍度指數(shù)

2 爐缸活躍度指數(shù)影響因素及階段分析

2.1 爐缸活躍度指數(shù)與操作參數(shù)關(guān)系分析

高爐日常操作對(duì)爐缸活躍度有著重大影響［11］，尤其下部調(diào)節(jié)、鼓風(fēng)風(fēng)量、風(fēng)溫、煤量和鼓風(fēng)動(dòng)能，對(duì)下部死料柱透氣透液性影響更加明顯。另外，高爐鼓風(fēng)動(dòng)能作為綜合參數(shù)，通過(guò)影響回旋區(qū)深度，及保證高爐截面的合理分配，是保證爐缸活躍的前提［7］。通過(guò)統(tǒng)計(jì)高爐2018年11月1日至2019年11月1日之間的數(shù)據(jù)，將爐缸活躍度指數(shù)(TE31304點(diǎn)處)與高爐鼓風(fēng)風(fēng)量、風(fēng)溫、噴煤量及鼓風(fēng)動(dòng)能做了相應(yīng)對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。

圖3 爐缸活躍度指數(shù)與操作參數(shù)之間的關(guān)系

圖3 (a)為活躍度指數(shù)與風(fēng)量之間的關(guān)系圖，可見(jiàn)活躍度指數(shù)趨勢(shì)與風(fēng)量趨勢(shì)呈現(xiàn)正相關(guān)，風(fēng)量趨勢(shì)比活躍度指數(shù)趨勢(shì)較提前，當(dāng)風(fēng)量變化，活躍度指數(shù)隨之逐漸變化。這是因?yàn)楣娘L(fēng)風(fēng)量越大，加之現(xiàn)在風(fēng)口都有一定的向下傾斜，風(fēng)量越大鼓風(fēng)動(dòng)能越大，越易吹透爐缸死料柱，則透氣透液性越好，活躍度指數(shù)越高。

圖3(b)為活躍度指數(shù)與煤粉量之間的關(guān)系圖，可見(jiàn)活躍度指數(shù)趨勢(shì)與煤粉量趨勢(shì)呈現(xiàn)正相關(guān)，但煤粉操作趨勢(shì)比活躍度指數(shù)趨勢(shì)有一定的延遲，這是因?yàn)閲娒毫吭黾?，雖然使?fàn)t內(nèi)壓量關(guān)系偏緊，但是提高了爐內(nèi)熱量，增加了鐵中［Si］含量，提高了爐溫，活躍了爐缸。另外，高爐是一個(gè)“黑匣子”，這致使高爐操作者對(duì)高爐判斷是有一定程度延遲的，因此提高操作經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展高爐可視化技術(shù)，可進(jìn)一步明確爐缸活躍度變化趨勢(shì)。

圖3(c)為活躍度指數(shù)與風(fēng)溫之間的關(guān)系圖，活躍度指數(shù)與風(fēng)溫有著正相關(guān)的關(guān)系，同樣風(fēng)溫趨勢(shì)比活躍度指數(shù)有所提前。這是因?yàn)?，提高風(fēng)溫，增加理論燃燒溫度，可增加煤粉燃燒率，增加死料柱透氣透液性，提高活躍度，反之，降低活躍度。因此，風(fēng)溫趨勢(shì)與爐缸活躍度趨勢(shì)有正相關(guān)，且風(fēng)溫操作較活躍度指數(shù)變化趨勢(shì)較提前。

圖3(d)為活躍度指數(shù)與鼓風(fēng)動(dòng)能之間的關(guān)系圖，活躍度指數(shù)趨勢(shì)與鼓風(fēng)動(dòng)能趨勢(shì)密切相關(guān)，呈正相關(guān)，并且鼓風(fēng)動(dòng)能變化可提前影響高爐爐缸活躍度指數(shù)變化趨勢(shì)。這是因?yàn)楹侠砉娘L(fēng)動(dòng)能和風(fēng)量能夠保證中心及邊緣的合理分布，即一次煤氣分布，可保證整體的活躍度，避免邊緣堆積和中心堆積。高爐操作者應(yīng)適當(dāng)結(jié)合鼓風(fēng)動(dòng)能、風(fēng)量、風(fēng)溫及噴煤量，來(lái)判斷爐缸活躍度指數(shù)的趨勢(shì)變化，從而達(dá)到活躍爐缸，高爐長(zhǎng)壽的目的。

2.2 爐缸活躍度指數(shù)區(qū)域及階段分析

首先，通過(guò)爐缸活躍度指數(shù)在三個(gè)鐵口的趨勢(shì)規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，爐缸活躍度指數(shù)在圓周上分布并不完全一致，從溫度上分析即為三個(gè)出鐵場(chǎng)附近很難出現(xiàn)同時(shí)異常升溫現(xiàn)象；從內(nèi)部機(jī)理可以判斷為，三個(gè)出鐵場(chǎng)出現(xiàn)了爐缸活躍度不均的現(xiàn)象，因此日常操作中有必要將爐缸活躍度進(jìn)行分區(qū)分析，首鋼股份3號(hào)高爐可將高爐爐缸分為4個(gè)區(qū)域，每個(gè)出鐵場(chǎng)分為一個(gè)區(qū)域。而區(qū)域之間的差異可能與并罐布料及風(fēng)口距離熱風(fēng)圍管總管的風(fēng)量分配不均均有關(guān)系，具體情況需要進(jìn)一步探析。

通過(guò)2013～2019年之間的爐缸活躍度指數(shù)數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，可將爐缸活躍度指數(shù)變化分為三個(gè)階段。

第一階段：開(kāi)爐至2013年為高爐爐缸初期階段，爐缸操作內(nèi)型逐漸形成，小塊熱壓炭磚開(kāi)爐初期均出現(xiàn)多次異常侵蝕現(xiàn)象，加鈦?zhàn)o(hù)爐后，爐缸則開(kāi)始穩(wěn)定，爐缸活躍度逐漸增加。

第二階段：2014年至2017年為常態(tài)化護(hù)爐階段，高爐初期熱電偶溫度控制住后，則高爐進(jìn)入常態(tài)化護(hù)爐階段，高爐操作也進(jìn)入穩(wěn)定階段。常態(tài)化護(hù)爐的優(yōu)勢(shì)：1)通過(guò)鈦平衡計(jì)算，增加爐缸內(nèi)部鈦含量，可增加Ti(C，N)保護(hù)層的富集［12］。2)可維護(hù)爐門，降低爐門孔道出鐵中的沖刷，增加出鐵時(shí)間，及時(shí)出凈渣鐵。弊端：1)由于初期異常侵蝕是不可逆轉(zhuǎn)的，所形成的鈦保護(hù)層是需要鈦富集的，因此必須常態(tài)化護(hù)爐，增加了生產(chǎn)成本。2)為了增加鈦保護(hù)層富集，必須保證一定的Si含量，保證爐溫，增加Ti(C，N)的析出，以維持當(dāng)下穩(wěn)定操作［12-14］。因此，當(dāng)爐缸活躍度下降時(shí)，可適當(dāng)進(jìn)行護(hù)爐操作，從而為提高爐缸活躍度提供條件。

第三階段：2018年至今，根據(jù)設(shè)計(jì)爐齡，高爐進(jìn)入爐役中期，通過(guò)爐缸活躍度指數(shù)分析，活躍度指數(shù)頻繁出現(xiàn)“斷崖”式波動(dòng)，很長(zhǎng)一段時(shí)間活躍度指數(shù)處于2.0～2.5的不活躍區(qū)間，甚至出現(xiàn)活躍度指數(shù)小于2.0的情況。這是因?yàn)楦郀t進(jìn)入中期后，爐缸側(cè)壁炭磚較初期脆化更加嚴(yán)重，由于環(huán)保限產(chǎn)等因素，爐料結(jié)構(gòu)變化較大，爐況變差，造成了爐缸活躍度下降，保護(hù)層異常剝落，脆化碳磚直接接觸高溫鐵水，從而造成了熱電偶溫度異常上升，表現(xiàn)為活躍度指數(shù)下降［13］。因此，當(dāng)高爐進(jìn)入中后期后，尤其進(jìn)入末期爐役時(shí)，更應(yīng)注重精料操作、穩(wěn)定操作。日常操作中，高爐可根據(jù)實(shí)際情況，實(shí)時(shí)跟蹤爐缸活躍度指數(shù)變化，從而明確爐缸活躍度變化趨勢(shì)。

3 爐缸活躍度指數(shù)變差原因及改善途徑

3.1 爐缸活躍度指數(shù)變差原因分析

由圖3可知，2019年初爐缸活躍度指數(shù)不斷波動(dòng)，但處于相對(duì)穩(wěn)定水平，但從2019年4月開(kāi)始至9月高爐爐缸活躍度指數(shù)處于較低水平，長(zhǎng)期處于2.0～2.5，甚至小于2.0，且7月份爐缸活躍度指數(shù)達(dá)到最低，2019年10月開(kāi)始，爐缸活躍度指數(shù)逐漸上升。

2019年環(huán)保壓力加大，燒結(jié)礦限產(chǎn)，配吃粒級(jí)較碎、品位較低的一燒及外購(gòu)燒結(jié)礦(＜10 mm比例達(dá)30%甚至更高，且堿度較二燒偏低)，其配吃比例由2月份20%逐漸增加到30%；至7月中旬期間，配吃比例一度增加到55%；10月開(kāi)始，高爐配吃100%二燒。由于一燒及外購(gòu)燒結(jié)礦粒級(jí)及成分均不穩(wěn)定，配吃一燒及外購(gòu)燒結(jié)礦期間，爐內(nèi)壓量關(guān)系偏緊，爐內(nèi)順行受阻，難以全風(fēng)，鼓風(fēng)動(dòng)能及風(fēng)溫均難以處于正常水平，造成爐況頻繁波動(dòng)，致使?fàn)t缸活躍度下降，鐵水環(huán)流加重，最終造成了爐缸活躍度變差，爐缸環(huán)流加重，側(cè)壁炭磚異常侵蝕，表現(xiàn)為活躍度指數(shù)降低。

3.2 活躍爐缸的途徑

(1)精料操作

高爐穩(wěn)定的原燃料、穩(wěn)定的化學(xué)成分和粒級(jí)對(duì)高爐的透氣性指數(shù)及煤氣流分布有著重要影響，化學(xué)成分波動(dòng)、堿度變化，會(huì)影響渣比及燃料比，從而對(duì)節(jié)能降耗目標(biāo)的達(dá)成造成影響。另外，原燃料穩(wěn)定能夠穩(wěn)定爐渣成分、堿度和爐渣流動(dòng)性能，從而減少虧渣鐵現(xiàn)象。穩(wěn)定的原燃料可以避免高爐堿金屬負(fù)荷及堿金屬循環(huán)富集，當(dāng)高爐有過(guò)多的堿負(fù)荷會(huì)影響焦炭穩(wěn)定性，增加其破碎的可能性，致使料柱透氣透液性下降，造成爐缸不活現(xiàn)象。

(2)上下部調(diào)節(jié)相結(jié)合

上部調(diào)節(jié)不僅能夠調(diào)整焦炭負(fù)荷，另一方面，可以調(diào)整焦窗的多少和位置，煤氣的主要通道是焦炭層，尤其軟熔帶位置。合理的的煤氣流分布可以形成合理的煤氣流，保證合理的邊緣及中心的開(kāi)度。另外，布料深度應(yīng)合理，減少下料通過(guò)爐喉的再分布，從而增加煤氣分布的可控度。應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，優(yōu)化裝料制度，避免礦焦層交界處的過(guò)度填充所造成的透氣性指數(shù)下降現(xiàn)象。

下部調(diào)節(jié)作為重要的操作調(diào)劑手段，一方面，合理的鼓風(fēng)動(dòng)能能夠保證合理的風(fēng)口回旋區(qū)，從而影響煤氣流一次分布。另一方面，結(jié)合活躍度指數(shù)變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)合理的鼓風(fēng)動(dòng)能能夠吹透中心，保證中心死料柱的透氣透液性。另外，下部調(diào)節(jié)需結(jié)合爐容、風(fēng)量系數(shù)(風(fēng)量/爐缸截面積)。

4 結(jié)論

(1)首鋼股份3號(hào)高爐爐缸活躍度指數(shù)與操作參數(shù)密切相關(guān)，活躍度指數(shù)與鼓風(fēng)風(fēng)量、風(fēng)溫、煤粉量及鼓風(fēng)動(dòng)能變化趨勢(shì)呈正相關(guān)。但是鼓風(fēng)動(dòng)能、鼓風(fēng)風(fēng)量和風(fēng)溫是因參數(shù)，其變化趨勢(shì)會(huì)影響活躍度指數(shù)變化趨勢(shì)；因?yàn)楦郀t是一個(gè)“黑匣子”，噴煤量滯后于活躍度指數(shù)。高爐操作者更應(yīng)結(jié)合風(fēng)量及動(dòng)能，以保證合理的回旋區(qū)深度和煤氣量。

(2)首鋼股份3號(hào)高爐爐缸活躍度指數(shù)小于2.0為爐缸不活躍，2.0～2.5為爐缸較活躍，大于2.5為爐缸活躍。另外，根據(jù)鐵口分布情況，將爐缸分為四個(gè)工作區(qū)域，分區(qū)討論活躍度更加合理。

(3)首鋼股份3號(hào)高爐爐缸活躍度指數(shù)可以將開(kāi)爐以來(lái)分為三個(gè)階段，第一階段：開(kāi)爐至2013年為高爐爐缸初期?；钴S度指數(shù)特點(diǎn)：有降低趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)治理逐漸穩(wěn)定；第二階段：2014年至2017年為常態(tài)化護(hù)爐階段。活躍度指數(shù)特點(diǎn)：仍有較大波動(dòng)，但較第一階段相對(duì)穩(wěn)定；第三階段：2018年至今，爐缸進(jìn)入中期，活躍度指數(shù)特點(diǎn)：有“斷崖”式下降現(xiàn)象。當(dāng)下高爐處于第三階段。

(4)結(jié)合活躍度指數(shù)變化規(guī)律，高爐進(jìn)入爐役中期，爐缸活躍度受操作更加敏感。因此，提高活躍度更應(yīng)該基于爐況穩(wěn)定，關(guān)注原燃料條件和出鐵情況，避免爐況波動(dòng)和渣鐵出不凈，造成鈦保護(hù)層和脆化層的剝落。