大比例球團礦在安鋼2 800 m3高爐的應用

焦虎豐 王雪峰 牛富軍

（安陽鋼鐵股份有限公司）

0 前言

合理的爐料結構是高爐生產(chǎn)獲得優(yōu)質、高產(chǎn)、低耗、長壽、低成本的重要因素之一，在我國傳統(tǒng)的高爐爐料結構中，約60%以上為燒結礦，主要是高堿度燒結礦[1]。在鋼鐵行業(yè)中，燒結工序是主要的污染環(huán)節(jié)，據(jù)統(tǒng)計，鋼鐵行業(yè)中75.97%的SO2、73.09%的NOX、55.38%的煙粉塵均來自于燒結工序[2]。隨著環(huán)保壓力的日益增加，環(huán)保季京津冀及周邊地區(qū)燒結限產(chǎn)已成為常態(tài)化，降低高爐爐料結構中的燒結礦配比，提高球團礦比例正在成為我國煉鐵發(fā)展的新趨勢。高爐配料正經(jīng)歷著從用塊礦代替球團礦的模式[3]向使用大比例球團礦模式[4]的轉變。

1 現(xiàn)狀

安鋼2 800 m3高爐設計出鐵口3個，30個風口，采用串罐式無料鐘爐頂，卡魯金頂燃式熱風爐，聯(lián)合軟水密閉循環(huán)冷卻，第一代爐役于2007年6月28日點火開爐，2016年9月20日打水降料面停爐大修，由原來的陶瓷杯水冷爐底改為陶瓷墊水冷爐底，并對部分冷卻壁進行了更換，對風口平臺進行了拓寬改造，第二代爐役于2016年11月28日點火投產(chǎn)[5]。

安鋼現(xiàn)有3臺燒結機（1×360 m2、1×400 m2、1×500 m2），正常生產(chǎn)模式下，可實行爐機匹配供料，其中360 m2燒結機主供2 800 m3高爐。隨著環(huán)保形勢日趨嚴峻，特別是進入2019年以來，按照環(huán)保管控要求，幾乎每個月都會有1 - 2臺燒結機停機限產(chǎn)，燒結礦產(chǎn)能的不足導致原有的爐機匹配供料模式被打亂，2 800 m3高爐經(jīng)常被迫減風、減氧控制冶煉強度，甚至休風待料，對高爐的生產(chǎn)組織造成了很大影響。隨著燒結機停機限產(chǎn)的常態(tài)化，以往的大比例燒結礦的爐料結構模式已不能滿足高爐生產(chǎn)需要。為了應對環(huán)保季燒結機停限產(chǎn)的局面，安鋼2 800 m3高爐逐步改變原有的爐料結構，大幅度提高入爐球團比例。

1.1 近年來安鋼2 800 m3高爐爐料結構

安鋼2 800 m3高爐近幾年的爐料結構以“高堿度燒結礦+球團礦+塊礦”為主，燒結礦比例為71%～78%，球團礦比例為8%～14%，塊礦比例為13%～17%，詳見表1。

表1 安鋼2 800 m3高爐2015年—2019年上半年爐料結構

從2015年開始，安鋼2 800 m3高爐爐料結構中燒結礦比例逐年下降，燒結礦比例從2015年的77.67%降到了2019年上半年的71.44%，燒結礦比例降低了6.23%；球團礦比例逐年升高，球團礦比例從2015年的8.87%升高到2019年上半年的13.94%，球團礦比例升高了5.07%。隨著環(huán)保形勢的日趨嚴重，特別是2016年以后，安鋼2 800 m3高爐配料結構模式已經(jīng)逐漸開始了提高球團礦比例，但提高幅度不是很大。

1.2 國內(nèi)使用大比例球團礦現(xiàn)狀

發(fā)展大比例高品質球團礦為主的高爐爐料結構不僅是安鋼綠色發(fā)展的需要，也是我國未來高爐煉鐵合理爐料結構的發(fā)展趨勢[6]。目前，我國已有部分高爐實現(xiàn)了較高比例的球團礦入爐。其中，首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司球團礦的使用比例達到了57.55%，八鋼高爐球團礦的使用比例高達80%[7]。國內(nèi)部分鋼鐵廠的高爐爐料結構見表2。

表2 國內(nèi)部分鋼鐵廠高爐爐料結構

1.3 國外使用大比例球團礦現(xiàn)狀

北美25座高爐中13座高爐使用100%球團礦，其他12座高爐球團礦比例為51%～99%。南美巴西某鋼鐵廠2座3 284 m3高爐使用40%球團礦；歐州瑞典SSAB廠高爐，使用100%球團礦；荷蘭艾默伊登廠高爐球團礦比例為60%；塞爾維亞鋼廠使用75%～100%球團；俄羅斯下塔吉爾鋼鐵廠高爐使用53%球團礦；亞州日本某高爐使用70%球團礦[8]。

全球的大比例球團礦生產(chǎn)實踐表明，各種不同比例的球團礦，甚至包括100%球團礦，都可以在高爐冶煉條件下穩(wěn)定運行。

2 球團礦與燒結礦理化特性對比

2.1 球團礦特點

與燒結礦相比，球團礦具有品位高、氣孔度低、FeO含量低、冷強度好、自然堆角小等特點。同時，球團生產(chǎn)工序能耗較低，污染物排放量少。據(jù)統(tǒng)計，鋼鐵行業(yè)中球團工序的SO2排放量僅為燒結工序的1/8，NOX的排放量僅為燒結工序的1/32，煙粉塵排放量僅為燒結工序的2/11。但是，由于體積膨脹，球團礦的熱還原強度較差。

2.2 燒結礦與球團礦成分及軟熔性能比較

安鋼2 800 m3高爐當前主要使用的燒結礦和球團礦成分見表3，荷重軟化及熔滴性能見表4。

表3 燒結礦及球團礦成分

從表3可以看出，安鋼2 800 m3高爐使用的球團礦的品位均在60%以上，比燒結礦品位高5%～11%；球團礦的Al2O3含量比燒結礦的低0.6%～1.6%，其中球團1為鎂質球團，球團2為堿性球團。

從成分上看，由于球團礦品位較高，提高球團礦比例，可以提高入爐品位，降低入爐焦比和燃料比。由于球團礦的Al2O3含量較低，提高球團礦比例，可以降低渣中的Al2O3含量，提高爐渣的脫硫能力，改善爐渣的流動性。

表4 燒結礦與球團礦荷重軟化及熔滴性能[9]

從表4可以看出，軟熔性能方面，球團礦與燒結礦荷重軟化溫度（T10）及軟化溫度區(qū)間（T40－T10）相差不大；滴落性能方面，球團礦滴落開始溫度為1 390～1 450 ℃，比燒結礦的低50～120 ℃，球團礦熔滴溫度區(qū)間為124～150 ℃，比燒結礦窄44～128 ℃，其中球團2為堿性球團，其熔化溫度較酸性球團高，與燒結礦接近，特性值Sn遠低于酸性球團3。從荷重軟化及熔滴性能看，球團礦的熔滴溫度區(qū)間比燒結礦的窄，提高球團礦比例，有利于改善高爐透氣性。

3 提高球團礦比例過程

安鋼2 800 m3高爐于2019年6月20日開始逐漸提高球團礦比例，球團礦使用的是酸性球團礦，9月24日后改用堿度大于0.80的熔劑性球團。

安鋼2 800 m3高爐提高球團礦比例，分為幾個階段：

（1）2019年6月20日－7月18日，燒結礦比例降至66%，球團礦比例提高到20%，塊礦比例為14%。期間爐料結構比較穩(wěn)定，但是從7月9日起，由于高爐壓差升高，煤氣利用率開始下降，高爐退負荷。煤氣利用率隨著焦炭負荷的降低而降低，如圖1所示。

圖1 6月20日－7月18日煤氣利用率隨焦炭負荷變化趨勢

（2）7月19日－2019年8月23日，因燒結礦產(chǎn)能有所緩解，把燒結礦比例提高到了70%，把球團礦降到了15%，煤氣利用率逐漸恢復到48%以上。然后把球團礦比例提高到了20%，結果煤氣利用率又開始下降，把球團礦比例降到了15%后，煤氣利用率恢復到了48%以上，如圖2所示。

（3）8月24日－9月23日，燒結礦配比約為63%，球團礦比例約為21%，塊礦比例為16%左右。9月中下旬隨著新一輪環(huán)保管控的開始，360 m2燒結機產(chǎn)量急劇下降，9月下旬360 m2燒結機停機。由于燒結礦緊張，2 800 m3高爐被迫增加落地燒結礦比例，落地燒結礦含粉高，同時把焦炭負荷從4.70降到4.33，煤氣利用率均呈下降趨勢，如圖3所示。

圖3 8月24日－9月23日煤氣利用率隨焦炭負荷變化趨勢

（4）9月24日－12月，球團礦比例逐月提高，從22%提高到34.5%。煤氣利用率從44%升高到47%。煤氣利用率隨著球團礦比例的提高而升高，兩者基本呈正比關系，如圖4所示。

圖4 2019年9月－12月煤氣利用率隨球團礦比例變化趨勢

（5）2020年1月1－12日，燒結礦比例為52%左右，球團礦比例穩(wěn)定在35%，塊礦比例約為13%，爐料結構比較穩(wěn)定。由于環(huán)保限產(chǎn)，從12月下旬起，每天只有一臺燒結機生產(chǎn)，因燒結礦嚴重不足，高爐大量使用外購落地燒結礦，落地燒結礦含粉較高，入爐后壓差升高、順行變差，焦炭負荷從4.23降低到3.87，風量從5 100 m3/min降到4 900 m3/min，煤氣利用率從47%降低到46.6%，如圖5所示。

圖5 2020年1月1日－1月12日煤氣利用率隨焦炭負荷變化趨勢

（6）2020年1月13－25日，燒結礦比例為46.7%，球團礦比例穩(wěn)定在47%，塊礦比例為6.3%。爐料結構比較穩(wěn)定，煤氣利用率隨焦炭負荷的升高而升高，如圖6所示。煤氣利用率從46.04%升高到了49.72%，比6月1－19日的煤比利用率的平均值49.68%高0.04%，成功實現(xiàn)了大比例球團礦在安鋼2 800 m3高的爐應用。

圖6 2020年1月13日－1月25日煤氣利用率隨焦炭負荷變化趨勢

4 調(diào)整措施

4.1 送風制度

由于球團礦的自然堆角小，滾動性好，布料時易向高爐中心滾動，隨著球團礦比例的提高，會導致高爐中心負荷過重、氣流不穩(wěn)，進而抑制高爐中心氣流發(fā)展。為了減少大比例球團礦對中心煤氣流的影響，隨著球團礦比例的增加，在下部送風制度上，安鋼2 800 m3高爐采取調(diào)整壓差及風口直徑、長度的方式來促進中心氣流發(fā)展、活躍爐缸。

4.1.1 壓差

隨著球團礦比例的不斷提高，加之燒結礦落地燒結礦比例的增加，高爐的壓差逐步升高，為保持正常風量，確保吹透中心，參考兄弟企業(yè)的同類型高爐壓差控制，安鋼2 800 m3高爐逐步提高壓差水平，壓差由165 kPa提高到185 kPa，如圖7所示。

圖7 安鋼2 800 m3高爐壓差隨球團礦比例變化趨勢

4.1.2 風口尺寸調(diào)整

為了進一步吹透中心，活躍爐缸，減輕球團比例提高后對中心氣流的影響，通過風口尺寸調(diào)整，有效提高了鼓風動能。9月24日調(diào)整了5個風口直徑，風口面積縮小了0.012 6 m2，增加了2個風口長度，實際風速從268 m/s提高到了284 m/s，理論風速從246 m/s提高到了257 m/s，鼓風動能從122.06 kJ/s提高到了146.59 kJ/s；12月13日調(diào)整了4個風口直徑，風口面積縮小了0.003 9 m2，增加了1個風口長度，實際風速從276 m/s提高到了279 m/s，理論風速從256 m/s提高到了260 m/s，鼓風動能從139.65 kJ/s提高到了144.14 kJ/s；2020年1月21日調(diào)整了1個風口直徑，風口面積縮小了0.001 8 m2，調(diào)整了7個風口長度，實際風速從280 m/s提高到了286 m/s，理論風速從265 m/s提高到了269 m/s，鼓風動能從146.55 kJ/s提高到了154.84 kJ/s。風口調(diào)整情況見表5。

表5 安鋼2 800 m3高爐風口調(diào)整情況

4.2 裝料制度

為了減少球團礦比例增加對中心氣流的影響，隨著球團礦比例的不斷提高，對礦石和焦炭布料矩陣進行了調(diào)整：通過布料平臺外移開放中心氣流，以減少球團礦對中心的抑制和向邊緣滾動的幅度（見表6 ）。上部裝料制度的調(diào)整配合下部對送風制度的調(diào)整實現(xiàn)了邊沿氣流和中心氣流的合理分布，保證了爐況的穩(wěn)定順行。

表6 安鋼2 800 m3高爐布料矩陣調(diào)整情況

4.3 熱制度

為了活躍爐缸，制定了鐵水物理熱和鐵水含[Si]控制標準，鐵水物理熱控制在（1 510±10） ℃內(nèi)，鐵水[Si]含量控制在0.30%～0.50%，在實際生產(chǎn)中按上限控制。

4.4 造渣制度

4.4.1 堿度調(diào)整

為保證爐渣良好的流動性和脫硫能力，2 800 m3高爐爐渣二元堿度一般控制在1.15～1.25倍，生產(chǎn)過程中會根據(jù)入爐硫負荷變化情況及時對爐渣二元堿度進行調(diào)整。隨著環(huán)保壓力日益增加，燒結機不定期開停機限產(chǎn)、焦炭結焦時間調(diào)整頻繁，高爐外圍原燃料條件的惡化直接導致高爐穩(wěn)定性變差、煤氣利用率降低、燃料比升高，高爐被迫降低焦炭負荷，焦比升高，焦炭帶入高爐中的硫增加，硫負荷從4.44 kg/t升高至4.90 kg/t。為了改善爐渣的脫硫能力，逐步提高爐渣堿度，爐渣堿度從1.16提高至1.24，具體指標見表7。

4.4.2 鎂鋁比分段管控

在提高球團礦比例的過程中，由于燒結礦中的Al2O3含量波動較大，導致爐渣中的Al2O3含量波動較大，最高達到19.82% ，為了提高爐渣的穩(wěn)定性和脫硫能力，根據(jù)東北大學沈豐滿等[10]人的研究，制定了高爐渣適宜鎂鋁比分段管控方案：爐渣中Al2O3>18%時，高爐渣鎂鋁比控制在0.45～0.55；爐渣中Al2O3＝15%～17%時，高爐渣鎂鋁比控制在0.40～0.50；爐渣中Al2O3<14%時，不控制鎂鋁比。當Al2O3含量高時，在爐料中配加白云石調(diào)整爐渣鎂鋁比。

5 效果

通過對裝料制度、送風制度、熱制度和造渣制度的調(diào)整和控制，基本掌握了大比例球團操作的基本規(guī)律，成功實現(xiàn)了大比例球團礦的應用，球團礦比例的提高情況見表8。隨著球團礦比例的不斷提高，礦石入爐品位從57.70%提高到了60.88%， 從2019年10月份以后，燃料比逐月下降，在環(huán)保管控越來越嚴的情況下，爐況穩(wěn)定性較以往同期大幅提高，利用系數(shù)維持在了較高水平，且呈上升趨勢，2019年6月－2020年1月高爐主要經(jīng)濟技術指標見表9。

表8 安鋼2 800 m3高爐2019年7月－2020年1月爐料結構

表9 2019年6月－2020年1月主要經(jīng)濟技術指標

6 結語

（1）安鋼2 800 m3高爐成功使用了球團礦比例為47%的爐料結構，實現(xiàn)了49.72%的煤氣利用率，證明安鋼發(fā)展大比例球團礦為主的高爐爐料結構是可行的。

（2）隨著球團礦比例的提高，會導致高爐中心負荷過重和氣流不穩(wěn)，抑制高爐中心氣流發(fā)展，通過布料平臺外移、增加鼓風動能和實際風速開放中心氣流，可實現(xiàn)邊沿氣流和中心氣流的合理分布，保證爐況的穩(wěn)定順行。

（3）為了減少大比例球團礦對煤氣流的影響，可通過采取調(diào)整壓差及風口尺寸的方式來促進中心氣流發(fā)展、活躍爐缸。

（4）合理的熱制度，充足而穩(wěn)定的爐溫，是提高球團礦比例時，高爐穩(wěn)定順行的保障。

（5）在原燃料條件惡化的情況下，適當調(diào)整爐渣堿度和控制合適的鎂鋁比有利于搞高爐渣的穩(wěn)定性和脫硫能力。