鞍鋼鲅魚圈2號(hào)4038 m3高爐爐役末期生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)踐

吳官印 ，姜彥冰 ，蔣益 ，何沖 ，趙華 ，張智勇

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口115007）

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司（以下簡(jiǎn)稱 “鲅魚圈”）2號(hào)4038 m高爐于 2009年 4月 26日開爐，至今已安全運(yùn)行11年多。自2013年?duì)t缸環(huán)炭溫度出現(xiàn)異常升高以來，高爐一直處于間斷性護(hù)爐生產(chǎn)階段。2017年，爐缸出現(xiàn)明顯整體侵蝕后，高爐轉(zhuǎn)變護(hù)爐理念，由僅強(qiáng)調(diào)減少入爐風(fēng)量、降低富氧率、降低冶煉強(qiáng)度的護(hù)爐思維轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄏ蚓植孔o(hù)爐結(jié)合活躍爐缸的整體護(hù)爐理念，并在護(hù)爐過程中不斷優(yōu)化高爐操作，本文對(duì)此做一介紹。

1 高爐概況

1.1 高爐冷卻結(jié)構(gòu)

鲅魚圈2號(hào)高爐爐缸1、3、4、5段冷卻設(shè)備采用低鉻光面鑄鐵冷卻壁，2段及鐵口區(qū)域采用光面銅冷卻壁，爐腹采用4段銅冷卻板，爐身7～11段采用銅冷卻壁、12～16段采用球墨鑄鐵鑲磚冷卻壁；爐缸內(nèi)襯采用美國 UCAR小塊炭磚，全部鐵口區(qū)域以及容易產(chǎn)生象腳侵蝕的區(qū)域外環(huán)均使用NMD小塊炭磚，其余部位使用NMA小塊炭磚，爐底采用四層大塊炭磚；無陶瓷杯，爐底炭磚上部采用莫來石磚形成800 mm陶瓷墊保護(hù)層；風(fēng)口采用大塊組合灰剛玉磚；爐腹采用氮化硅結(jié)合碳化硅磚；爐腰、爐身下部區(qū)域熱面噴涂不定形耐火材料，整個(gè)爐體為薄壁爐襯結(jié)構(gòu)。 爐體軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)分為三個(gè)區(qū)域，分別為Ⅰ系列、Ⅱ系列以及新增爐缸軟水系統(tǒng)。Ⅰ系列主要為爐底水冷管供水,Ⅱ系列冷卻范圍包括7～11段銅冷卻壁和12～16段鑄鐵冷卻壁，爐缸軟水系統(tǒng)冷卻范圍主要包括爐缸冷卻壁和爐腹冷卻板。

1.2 原燃料條件

鲅魚圈2號(hào)高爐原料結(jié)構(gòu)為高堿度燒結(jié)礦+球團(tuán)礦+塊礦，燒結(jié)礦按照大小粒分級(jí)混合使用，焦炭不分級(jí)入爐。2018年8月，由于焦炭不夠用，高爐開始大量使用料場(chǎng)中塊焦生產(chǎn)，最高配比達(dá)到106 kg/t。2019年下半年之后，高爐開始大量使用直付濕焦、外購焦、本部濕焦，直付干焦比例由70%下降到33%左右，焦炭品種和成分波動(dòng)較大，對(duì)高爐生產(chǎn)造成一定影響。2020年，高爐開始不定期使用料場(chǎng)回裝燒結(jié)礦，原燃料結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

1.3 爐缸侵蝕情況

2013年 8月，高爐1、2鐵口中間偏南下部第10層環(huán)炭TE5305（第二段第4塊冷卻壁上部）溫度出現(xiàn)明顯上升（見圖1），最高達(dá)到 408℃，爐皮溫度達(dá)到32℃。 2017年4月，爐缸環(huán)炭溫度開始出現(xiàn)多點(diǎn)多方向的異常升高，代表爐缸整體侵蝕已經(jīng)初步形成。2017年4月26日，4鐵口左下部第10層環(huán)炭 TE5315（第二段第39塊冷卻壁中上部）溫度開始上升（見圖2），最高達(dá)到 386℃；2017年5月4日，3、4鐵口中間下部第 10層環(huán)炭 TE5313（第二段第32塊冷卻壁中上部）溫度也開始上升（見圖2），最高達(dá)到 470℃；2017年7月5日，1、4鐵口中間下部第 10層環(huán)炭 TE5317（第二段第45塊冷卻壁中上部）溫度開始上升（見圖2），最高達(dá)到 542℃，單塊冷卻壁水溫差最高超過1℃，熱流強(qiáng)度最高達(dá)到 44 kW/m。由于爐皮溫度、熱流強(qiáng)度、環(huán)炭溫度彼此相關(guān)，且圓周方向均有所升高，因此認(rèn)為2號(hào)高爐爐缸存在整體侵蝕現(xiàn)象，且4鐵口下方環(huán)炭溫度高，經(jīng)理論計(jì)算得出，4鐵口下方殘余炭磚厚度不足370 mm，侵蝕比較嚴(yán)重。2017年以后，2號(hào)高爐進(jìn)入了長期護(hù)爐階段，高爐生產(chǎn)強(qiáng)度受到明顯制約。

圖1 1#、2#鐵口中間偏南下部第10層環(huán)炭TE5305溫度趨勢(shì)圖Fig.1 Temperature Trend Diagram of Circumference Carbon Brick TE5305 on Tenth Floor in the Middle of No.1 and 2 Tapholes by South

圖2 第10層環(huán)炭TE5313、TE5315、TE5317溫度趨勢(shì)圖Fig.2 Temperature Trend Diagrams of Circumference Carbon Brick TE5313,TE5315,TE5317 on Tenth Floor

2 護(hù)爐理念、措施及優(yōu)化操作

2.1 護(hù)爐理念

通常降低冶煉強(qiáng)度就意味著減少入爐風(fēng)量和氧量，目的是通過將降低冶煉強(qiáng)度與其他護(hù)爐手段結(jié)合來維持爐缸侵蝕的動(dòng)態(tài)平衡，延長高爐使用壽命。但通過降低入爐焦比、大批重等手段來控制入爐風(fēng)量往往會(huì)帶來其他方面問題，如風(fēng)量減少后，爐缸初始煤氣分布發(fā)生很大變化，邊中氣流需要新的平衡過程，此過程的上下部調(diào)劑比較復(fù)雜，調(diào)整不到位很可能會(huì)造成高爐熱負(fù)荷劇烈波動(dòng)，熱量調(diào)劑難度加大，爐溫波動(dòng)加劇，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)管道、結(jié)瘤、懸料等異常爐況。且高爐長期少風(fēng)量運(yùn)行，易導(dǎo)致鼓風(fēng)動(dòng)能降低、回旋區(qū)縮短、爐缸吹不透、死料柱變大現(xiàn)象，爐缸出現(xiàn)堆積征兆，最終造成爐缸工作狀態(tài)變差，煤氣流分布紊亂，嚴(yán)重影響高爐順行，難于恢復(fù)。鲅魚圈2號(hào)高爐通過借鑒國內(nèi)外大型高爐護(hù)爐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合自身實(shí)際情況，提出了定向局部護(hù)爐和活躍爐缸的整體護(hù)爐兩種理念，并應(yīng)用于實(shí)踐。

2.2 護(hù)爐措施

2.2.1 鈦球護(hù)爐

從爐頂加入的鈦球在高爐內(nèi)的高溫還原氣氛下會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)，形成高熔點(diǎn)的TiC（熔點(diǎn)3 140 ℃）和 TiN（熔點(diǎn) 2 293 ℃）及 Ti（C，N）固溶體。由于侵蝕嚴(yán)重部位襯體的表面溫度較低，故鈦的碳、氮化物容易在該處遷移、積聚，最后形成以鈦的氮、碳化物為主的鈦物積層，當(dāng)沉積量達(dá)到一定厚度后就能起到護(hù)爐效果。

當(dāng)環(huán)炭溫度大于400℃時(shí)，開始使用鈦球護(hù)爐；當(dāng)溫度降到300℃以下，逐漸停止使用鈦球。根據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)鐵水中［Ti］含量在0.1%以上時(shí)，護(hù)爐效果明顯，且一般需保證鐵水［Si］含量在0.6%～0.8%之間，［Ti］含量才能達(dá)到要求。但由于含鈦渣鐵一般都比較粘稠，再加上爐溫維持在偏高水平，易導(dǎo)致高爐出現(xiàn)透氣性迅速降低、壓量關(guān)系緊張、送風(fēng)風(fēng)量銳減、高爐順行狀態(tài)變差、產(chǎn)量大幅降低的現(xiàn)象。 因此，為了消除使用鈦球?qū)Ω郀t順行產(chǎn)生的副作用，需建立鐵水鈦負(fù)荷、鐵水［Si］含量和爐渣堿度控制體系（見表1），最大限度改善渣鐵流動(dòng)性能，達(dá)到加鈦但不破壞高爐順行的目的。在使用鈦球護(hù)爐的生產(chǎn)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)炭溫度上升趨勢(shì)變緩時(shí)突然將鐵水［Si］含量提高至0.8%以上，對(duì)降低環(huán)炭溫度作用十分明顯，且鈦球護(hù)爐是一個(gè)長期的過程，日常護(hù)爐爐溫不需要維持在太高水平，掌握這些規(guī)律可以最大限度降低使用鈦球產(chǎn)生的副作用。

表1 鐵水鈦負(fù)荷、鐵水［Si］含量和爐渣堿度控制體系Table 1 Control System of Titanium Load,Si Content of Molten Metal and Basicity of Slag System

2.2.2 爐缸壓漿

通過分析環(huán)炭異常點(diǎn)溫度波動(dòng)趨勢(shì)、同層比對(duì)、區(qū)域水溫差和熱流強(qiáng)度、爐皮測(cè)溫等數(shù)據(jù)，判斷溫度異常點(diǎn)的問題屬性，對(duì)于竄氣引起的環(huán)炭溫度異常區(qū)域一般可采取壓漿處理。鲅魚圈2號(hào)高爐在爐缸各段、風(fēng)口大套下部、鐵口區(qū)域設(shè)置了一些壓漿孔，可利用休風(fēng)機(jī)會(huì)，應(yīng)用專業(yè)設(shè)備進(jìn)行壓漿處理；且2號(hào)高爐爐前還自制了壓漿炮頭，可通過鐵口壓漿方式很好解決鐵口區(qū)域的竄氣現(xiàn)象。2017年高爐壓漿記錄如表2所示。

表2 2017年高爐壓漿記錄Table 2 Mud Iacking Record for BF in 2017

2.2.3 堵風(fēng)口

堵風(fēng)口是局部護(hù)爐的重要手段，這種局部護(hù)爐手段與活躍爐缸的整體護(hù)爐措施形成了鮮明對(duì)比，前者是要爐缸局部形成死區(qū)，降低區(qū)域活躍度，后者是要爐缸整體活躍，但這兩種手段的關(guān)系并不是互相矛盾的，而是辯證統(tǒng)一的，因?yàn)槎嘛L(fēng)口不僅可以讓該區(qū)域相對(duì)不活躍，且往往堵風(fēng)口后風(fēng)口面積減小，鼓風(fēng)動(dòng)能得到提高，提高了料柱的透液性和透氣性，降低了鐵水環(huán)流對(duì)爐缸側(cè)壁的沖刷程度，保證了中心煤氣流的充足穩(wěn)定，爐缸工作均勻活躍。高爐在日常生產(chǎn)中會(huì)利用休風(fēng)機(jī)會(huì)把侵蝕嚴(yán)重、環(huán)炭溫度高的區(qū)域上方的風(fēng)口用專門的泥芯子堵住，沒有熱風(fēng)進(jìn)入，該區(qū)域爐缸的溫度場(chǎng)將發(fā)生改變，流經(jīng)該區(qū)域的渣鐵屬性也會(huì)發(fā)生著變化，同時(shí)進(jìn)風(fēng)減少后也將減弱該區(qū)域的渣鐵環(huán)流，因此堵風(fēng)口能夠很好的起到保護(hù)該區(qū)域環(huán)炭的作用。

2.2.4 大風(fēng)量、高鼓風(fēng)動(dòng)能冶煉

大風(fēng)量、高鼓風(fēng)動(dòng)能冶煉要求風(fēng)量不少于6 200 m/min，鼓風(fēng)動(dòng)能不低于120 kJ/s，日常吹風(fēng)不用考慮風(fēng)口面積，盡可能最大限的吹足風(fēng)量、風(fēng)壓，提高鼓風(fēng)動(dòng)能，吹透中心，充分活躍爐缸，減少鐵水環(huán)流沖刷；在生產(chǎn)實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)量大于6 400 m/min，鼓風(fēng)動(dòng)能大于 140 kJ/s，長期運(yùn)行環(huán)炭溫度往往能夠得到很好的控制。

2.2.5 規(guī)范出鐵操作

爐役后期，實(shí)際爐容擴(kuò)大，加之高爐冶煉強(qiáng)化，產(chǎn)量提高，按時(shí)出凈渣鐵，是確保爐況穩(wěn)定順行和強(qiáng)化冶煉的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。同時(shí)爐前渣鐵的有序組織對(duì)活躍爐缸有著十分重要的意義，高爐通過分析爐缸鐵口周圍關(guān)鍵點(diǎn)炭磚溫度與高爐出鐵參數(shù)相關(guān)性，找出影響炭磚溫度的關(guān)鍵因素，找出高爐出鐵操作制度參數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)，制定出最佳出鐵模式：① 標(biāo)準(zhǔn)出鐵次數(shù)為6～8次；② 出鐵過程見渣率為100%；③ 有效出鐵時(shí)間接近23.5 h；④ 三鐵口輪流出鐵；⑤ 使用無水炮泥，固定打泥量，維持鐵口深度3.4～3.6 m；⑥ 鐵水和熔渣排出速度與爐內(nèi)生成速度相等，維持鐵量差、渣量差在1%左右。

2.2.6 發(fā)展中心氣流

抑制邊緣煤氣，同時(shí)適當(dāng)發(fā)展中心，有利于延長高爐壽命。在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高爐出現(xiàn)風(fēng)量少、邊緣活躍、水溫差波動(dòng)頻繁的時(shí)候，環(huán)炭溫度往往會(huì)從低點(diǎn)開始快速升高，其原因可能是風(fēng)量少時(shí)放邊操作會(huì)打破高爐爐缸的平衡狀態(tài)，使原本粘附在碳磚表面的渣鐵殼脫落，造成侵蝕邊界暴露在鐵水中，環(huán)炭溫度出現(xiàn)大幅、快速的上升。因此在目前爐況下，應(yīng)慎重發(fā)展邊緣，尤其要杜絕發(fā)展邊緣后出現(xiàn)風(fēng)量減少的情況。

大型高爐護(hù)爐既需要局部定向的護(hù)爐手段，也需要爐缸整體環(huán)境的配合，只有這兩者完美統(tǒng)一才能讓爐缸環(huán)炭侵蝕部位重新回到平衡狀態(tài)，但這種平衡是動(dòng)態(tài)的，隨時(shí)會(huì)隨著內(nèi)外環(huán)境的改變而發(fā)生變化，應(yīng)在動(dòng)態(tài)變化中抓住主要矛盾，采取對(duì)應(yīng)措施，維護(hù)好爐缸的平衡狀態(tài)。

2.3 優(yōu)化操作

鲅魚圈2號(hào)高爐在爐役末期面臨長壽壓力大、原燃料結(jié)構(gòu)復(fù)雜的局面，在生產(chǎn)實(shí)踐中采取定向局部護(hù)爐和活躍爐缸的整體護(hù)爐措施后，取得了較好效果，爐缸重點(diǎn)區(qū)域的環(huán)炭溫度點(diǎn)始終控制在紅線以下，高爐實(shí)現(xiàn)了長期穩(wěn)定順行。近年鲅魚圈2號(hào)高爐燃料比、利用系數(shù)變化趨勢(shì)如圖3所示。由圖3可以看出，高爐出現(xiàn)了低產(chǎn)高耗的被動(dòng)局面。在當(dāng)下降本增效的大環(huán)境下，鲅魚圈2號(hào)高爐從2019年下半年開始，立足現(xiàn)有原燃料資源，在堅(jiān)持活躍爐缸的整體護(hù)爐理念的基礎(chǔ)上，提出優(yōu)化各項(xiàng)操作，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效。

圖3 近年鲅魚圈2號(hào)高爐燃料比、利用系數(shù)變化趨勢(shì)Fig.3 Variation Tendency for Fuel Ratio and Utilization Coefficient of No.2 BF in Recent Years in Bayuquan

2.3.1 細(xì)化備料及布料操作

鲅魚圈2號(hào)高爐使用原燃料結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，非常不利于氣流的穩(wěn)定，一旦中心氣流受阻，邊緣易出現(xiàn)波動(dòng)，造成爐身水溫差頻繁波動(dòng)；而熱負(fù)荷波動(dòng)會(huì)給高爐熱量平衡和指標(biāo)優(yōu)化帶來不利影響。為此，出臺(tái)了一系列細(xì)化備料措施，采取擴(kuò)大燒結(jié)小粒槽槽下篩孔，出臺(tái)換堆料槽位管理使用規(guī)定，堅(jiān)持低槽位停用原則，中塊焦槽提前備料，目的是為了減少入爐粉末，保障中心氣流穩(wěn)定。同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化布料制度，從穩(wěn)定邊緣、發(fā)展中心角度提出小焦布料制度，避免中塊焦進(jìn)入中心；焦炭不分級(jí)后采取定期中心抽焦，在不降低焦炭負(fù)荷的情況下進(jìn)一步減輕中心焦炭負(fù)荷，避免氣流周期波動(dòng)，穩(wěn)定中心氣流。

2.3.2 增加高爐富氧，提高冶煉強(qiáng)度

近年鲅魚圈2號(hào)高爐利用系數(shù)、富氧率如表3所示，可以看出，富氧率由2017年的1.55%提高到2020年上半年的2.47%；高爐有效容積利用系數(shù)由 1.827 t/（m·d）提高到 1.987 t/（m·d），增加了8.76%，增產(chǎn)效果顯著。從實(shí)踐表現(xiàn)來看，產(chǎn)量提高后，環(huán)炭溫度也能得到很好控制，說明在目前的產(chǎn)能水平下，依靠活躍爐缸的整體護(hù)爐手段，將利用系數(shù)提高至2.0水平，高爐也能夠很好維持爐缸的動(dòng)態(tài)侵蝕平衡。通過研究國內(nèi)外高爐爐役末期產(chǎn)能水平情況發(fā)現(xiàn)，有相當(dāng)一部分高爐在護(hù)爐技術(shù)較好發(fā)揮作用的情況下，產(chǎn)能所受影響并不大。因此，在提高富氧率水平，使產(chǎn)能最大限度的保持與環(huán)炭侵蝕平衡方面還是值得進(jìn)一步探討。

表3 近年鲅魚圈2號(hào)高爐利用系數(shù)、富氧率Table 3 Utilization Coefficients and Oxygen Enrichment Rates of No.2 BF in Recent Years in Bayuquan

2.3.3 堅(jiān)持階段性提煤降焦，主動(dòng)降本增效

鲅魚圈2號(hào)高爐入爐焦比及煤比如表4所示，可以看出，高爐提煤降焦過程是階段性的，在保證高爐的順行及風(fēng)量基礎(chǔ)上，條件允許時(shí)主動(dòng)降低入爐焦比，多吹煤粉，減少中心焦量，提高煤氣利用效率，降低燃料消耗。但由于近年來高爐原燃料結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，干焦比例波動(dòng)較大，嚴(yán)重影響了入爐焦比的進(jìn)一步降低，高爐在降低入爐焦比方面還有一定空間，值得進(jìn)一步探索。

表4 鲅魚圈2號(hào)高爐入爐焦比及煤比Table 4 Coke Ratio and Coal Ratio of No.2 BF in Bayuquan kg/t

2.3.4 提高鼓風(fēng)壓力，增加入爐風(fēng)量

由于2號(hào)高爐處于爐役后期，生產(chǎn)強(qiáng)度受控，熱風(fēng)風(fēng)壓一直不高，為了提高冶煉強(qiáng)度，高爐嘗試提高鼓風(fēng)壓力，平均壓力由415 kPa提高到435 kPa，瞬時(shí)風(fēng)壓甚至達(dá)到440 kPa以上，隨著風(fēng)壓提高，風(fēng)量也由6 250 m/min提高到6 450 m/min左右，鼓風(fēng)動(dòng)能提高由115 kJ/s提高至140 kJ/s左右，高爐各項(xiàng)指標(biāo)得到改善。但從440 kPa以上高壓生產(chǎn)實(shí)踐來看，提高風(fēng)壓一定要伴隨風(fēng)量的增加，如果提高風(fēng)壓而使風(fēng)量出現(xiàn)萎縮，表明料柱透氣性與風(fēng)壓不匹配，長期壓量關(guān)系緊張往往會(huì)出現(xiàn)下料變差的情況，甚至發(fā)生管道、懸料等異常爐況，結(jié)果適得其反；且提高風(fēng)壓同時(shí)要密切關(guān)注送風(fēng)系統(tǒng)特別是風(fēng)口狀態(tài)，防止風(fēng)壓及壓差過高，風(fēng)口前端出現(xiàn)渦流，造成風(fēng)口前沿頻繁燒壞。

3 實(shí)踐效果

鲅魚圈2號(hào)高爐采取了活躍爐缸的整體護(hù)爐措施和一系列優(yōu)化操作。高爐護(hù)爐優(yōu)化前后溫度參數(shù)、運(yùn)行指標(biāo)如表5所示。由表5可以看出，高爐重點(diǎn)區(qū)域爐缸環(huán)炭溫度得到有效控制，休減風(fēng)率、異常爐況次數(shù)都明顯下降，實(shí)現(xiàn)了高爐長期穩(wěn)定順行。

表5 高爐護(hù)爐優(yōu)化前后溫度參數(shù)、運(yùn)行指標(biāo)Table 5 Temperature Parameters and Operation Indicators before and after Optimization of Protective Measures for BF

4 結(jié)語

通過借鑒國內(nèi)外大型高爐護(hù)爐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合鲅魚圈2號(hào)高爐實(shí)際情況，提出了定向局部護(hù)爐和活躍爐缸的整體護(hù)爐兩種理念。采取了鈦球護(hù)爐、爐缸壓漿、堵風(fēng)口、大風(fēng)量和高鼓風(fēng)動(dòng)能冶煉、規(guī)范出鐵操作、發(fā)展中心氣流等護(hù)爐措施；優(yōu)化了包括細(xì)化備料及布料操作，增加高爐富氧、提高冶煉強(qiáng)度，堅(jiān)持階段性提煤降焦、主動(dòng)降本增效，提高鼓風(fēng)壓力、增加入爐風(fēng)量等操作，高爐重點(diǎn)區(qū)域爐缸環(huán)炭溫度始終保持在紅線以下，休減風(fēng)率、異常爐況次數(shù)都明顯下降，實(shí)現(xiàn)了高爐長期穩(wěn)定順行，為大型高爐爐役末期高質(zhì)量運(yùn)行提供了參考和借鑒。