鞍鋼4號(hào)2580 m3高爐多品種燒結(jié)礦入爐條件下提產(chǎn)實(shí)踐

邵思維 ，李忠武 ，李仲 ，何沖 ，車玉滿 ，姜喆

（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,遼寧 鞍山 114021）

鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠（以下簡(jiǎn)稱“煉鐵總廠”）4號(hào)2580 m高爐第一代爐齡始于2006年12月，采用串罐無(wú)料鐘爐頂、DDS液壓矮炮、爐腹至爐身下部4段銅冷卻壁、反滲透除鹽水密閉循環(huán)系統(tǒng)、爐缸大塊碳磚陶瓷杯結(jié)構(gòu)、冷INBA沖渣工藝、環(huán)保型干法除塵煤氣清洗技術(shù)；第二代爐齡始于2015年8月。目前，煉鐵總廠有8座高爐，但僅有7條燒結(jié)生產(chǎn)線生產(chǎn)成品燒結(jié)礦，燒結(jié)礦存在比較明顯的缺口，有時(shí)還需要從鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司長(zhǎng)距離運(yùn)輸燒結(jié)礦。由于4號(hào)高爐擁有汽運(yùn)補(bǔ)料口，因此承擔(dān)了廠內(nèi)燒結(jié)礦的平衡調(diào)劑工作，長(zhǎng)期使用兩種燒結(jié)礦，且配比和品種需要按各燒結(jié)產(chǎn)線的產(chǎn)能頻繁調(diào)整，其中東鞍山燒結(jié)位于廠外，需火車長(zhǎng)途運(yùn)輸，而產(chǎn)能富余的西區(qū)燒結(jié)也需要汽運(yùn)。因此，4號(hào)高爐在運(yùn)料環(huán)節(jié)的運(yùn)輸路線周期長(zhǎng)，受天氣影響大，燒結(jié)礦劣化程度大。第二代爐齡開爐以來(lái)，4號(hào)高爐爐況始終未進(jìn)入長(zhǎng)期穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)能指標(biāo)偏低，2018年高爐利用系數(shù)僅為 2.2 t/（m·d）左右。為了提高產(chǎn)量，4 號(hào)高爐于2019年進(jìn)行了提產(chǎn)實(shí)踐，本文對(duì)此做一介紹。

1 多品種燒結(jié)礦入爐存在問題

（1）入爐燒結(jié)礦無(wú)法實(shí)現(xiàn)單一料種，且各品種燒結(jié)礦配比頻繁變化。雨季及冬季依靠汽運(yùn)、火車運(yùn)輸對(duì)原料水分、篩分效果影響很大。不同品種燒結(jié)礦間存在還原粉化性能、軟熔滴落性能等差異，對(duì)高爐軟融帶位置、邊緣煤氣流、熱量水平、終渣堿度等影響大。高爐在料種變更后頻繁出現(xiàn)難行爐況，具體表現(xiàn)為透氣性持續(xù)惡化、高爐爐溫及操作焦比劇烈波動(dòng)、崩料等。2018年燒結(jié)變料種次數(shù)及產(chǎn)能影響如圖1所示，可以看出，變料種次數(shù)和產(chǎn)能受到的影響正相關(guān)，變料種次數(shù)多，則產(chǎn)能降低多。

圖1 2018年燒結(jié)變料種次數(shù)及產(chǎn)能影響Fig.1 Times of Changing Types of Sintered Ore and Influence of Type-Changing on Production Capacity in 2018

（2）主要使用的兩種燒結(jié)礦粒度組成差異大，混用后的填充效應(yīng)使高爐透氣性惡化。東鞍山燒結(jié)礦和西區(qū)燒結(jié)礦粒度組成如表1所示，可以看出，東鞍山燒結(jié)礦<5 mm粉末比例高，長(zhǎng)途運(yùn)輸后整體粒級(jí)不受控。

表1 燒結(jié)礦粒度組成Table 1 Component of Particle Sizes on Sintered Ore%

（3）操作爐型不合理，冶煉強(qiáng)度長(zhǎng)期偏低，風(fēng)量偏少，加風(fēng)困難，爐身溫度場(chǎng)10段銅冷卻壁和鑄鐵冷卻壁交界處，溫度值長(zhǎng)期偏低。溫度場(chǎng)圓周均勻性差。6～8段銅冷卻壁局部溫度過(guò)低（<45℃）。爐身整體冷卻強(qiáng)度偏高，雨季和原料變差時(shí)，爐身上部易發(fā)生小范圍粘結(jié)。

2 提產(chǎn)措施

2.1 “焦包礦”上部裝料制度

2.1.1 歷年裝料制度特點(diǎn)分析

2017年，4號(hào)高爐采取6個(gè)礦石環(huán)位布料，礦石平臺(tái)角位差為12°，總體布料特點(diǎn)為平臺(tái)寬度寬、邊緣負(fù)荷重、中心加焦比例大（35%以上）。由于二代爐齡改造后爐身和爐缸各有一套閉路系統(tǒng)單獨(dú)供水，爐身及爐缸的冷卻水量都有了大幅提高，由原來(lái)爐缸及爐身共用4 700 m水量，改為爐身單獨(dú)用4 700 m冷卻水量，爐缸單獨(dú)用5 000 m冷卻水量。冷卻強(qiáng)度提升后，上部裝料制度并未做明顯的相應(yīng)調(diào)整。同時(shí)，由于風(fēng)量、風(fēng)壓較低，即使大比例中心加焦也仍未起到吹透中心的效果。爐身熱負(fù)荷長(zhǎng)期偏低，高爐依靠中心氣流應(yīng)對(duì)原料波動(dòng)的能力差。2018年，高爐逐步采取5個(gè)礦石環(huán)位布料，但平臺(tái)縮短后，中心和邊緣兩股氣流未能得到很好的匹配，隨著原料波動(dòng)，邊緣渣皮處于波動(dòng)和局部結(jié)厚交替出現(xiàn)的不穩(wěn)定狀態(tài)。

2.1.2 上部裝料制度調(diào)整過(guò)程

采取“焦包礦”上部裝料制度應(yīng)對(duì)燒結(jié)小粒級(jí)偏多及雨季運(yùn)輸影響。2019年鞍鋼4號(hào)高爐基本料制的摸索調(diào)整分為四個(gè)階段，主要裝料制度調(diào)整過(guò)程如表2所示，系統(tǒng)熱負(fù)荷、中心焦比例如圖2所示。

圖2 2019年系統(tǒng)熱負(fù)荷、中心焦比例Fig.2 Heat Load for System and Central Coke Ratio in 2019

表2 2019年主要裝料制度調(diào)整過(guò)程Table 2 Adjustment Process of Main Charging Systems in 2019

（1）Ⅰ階段：整體提升熱負(fù)荷。年初系統(tǒng)熱負(fù)荷低于55 000 MJ/h水平，渣皮偏厚，風(fēng)量偏少僅為4 350 m/min。主要采取減少邊緣焦炭負(fù)荷、疏導(dǎo)邊緣氣流的措施；同時(shí)，適度下調(diào)中心焦炭比例，并配合爐身水量的整體下調(diào)（3 900 m/h降至3 500 m/h）及局部減水，以提升系統(tǒng)熱負(fù)荷水平。目標(biāo)是處理局部偏厚渣皮，改變系統(tǒng)熱負(fù)荷過(guò)低現(xiàn)狀。2月初，系統(tǒng)熱負(fù)荷恢復(fù)至60 000 MJ/h以上水平，風(fēng)量逐步提升至4 500 m/min水平。

（2）Ⅱ階段：吹活中心，優(yōu)化死料柱狀態(tài)。通過(guò)增加中心焦比例，徹底打通中心，增加風(fēng)量及鼓風(fēng)動(dòng)能，活躍爐缸。料制上逐步嘗試在第5環(huán)和第4環(huán)設(shè)置擋墻焦炭，減少礦石向中心的滾動(dòng)。最終改變4號(hào)高爐長(zhǎng)期以來(lái)因原料條件導(dǎo)致的中心不暢、整個(gè)料柱狀態(tài)不佳的頑癥。通過(guò)增加中心焦量和提升風(fēng)壓操作的結(jié)合，整體提升風(fēng)量及爐缸狀態(tài)。4月，風(fēng)量提升至4 650 m/min，但壓差隨即升高至175 kPa，風(fēng)量提升并未明顯提高鼓風(fēng)動(dòng)能。中心焦比例增大后，邊緣氣流不夠穩(wěn)定，熱負(fù)荷和渣皮厚度波動(dòng)較大，產(chǎn)能逐步提升至5 950 t/d，但原料波動(dòng)導(dǎo)致的順行難題并未完全好轉(zhuǎn)。

（3）Ⅲ階段：采用焦炭外探，提升邊緣氣流穩(wěn)定性。5月中旬，開始使用焦炭外探的裝料矩陣，熱負(fù)荷在60 000～75 000 MJ/h之間，趨于受控。邊緣采取“焦包礦”后，系統(tǒng)熱負(fù)荷下降且波動(dòng)范圍變小，其接受壓差能力及下料狀態(tài)也逐步好轉(zhuǎn)，為高爐提升風(fēng)量創(chuàng)造了條件。中心焦比例逐步降低。氣流由中心為主轉(zhuǎn)向邊緣和中心兩股氣流匹配。風(fēng)量提升至4 800 m/min水平，產(chǎn)能達(dá)到6 200 t/d水平。隨著順行狀態(tài)提升，高爐對(duì)原料波動(dòng)承受能力增強(qiáng)。但8月受連續(xù)下雨影響，高爐使用回裝料，邊緣再次出現(xiàn)局部結(jié)厚，配合局部減水的同時(shí)，外探焦臨時(shí)加至2圈后改回。

此階段總體效果顯著，經(jīng)分析認(rèn)為，4號(hào)高爐原料頻繁變更、東鞍山燒結(jié)礦粉末比例偏高以及爐身冷卻強(qiáng)度偏高的特點(diǎn)，都決定了其需要相對(duì)更充分的邊緣氣流和更低的邊緣焦炭負(fù)荷才能保證順行和均勻穩(wěn)定的渣皮。中心加焦比例應(yīng)控制在30%以下。礦石起始角度固定為理論計(jì)算的切爐墻角度39°，以減少邊緣爐料滾動(dòng)帶來(lái)的氣流變化。爐身熱負(fù)荷應(yīng)控制在60 000～80 000 MJ/h區(qū)間之內(nèi)，以55 000 MJ/h為下限警戒值。

（4）Ⅳ階段：鞏固與降耗階段。由于Ⅲ階段提升產(chǎn)能目標(biāo)已基本實(shí)現(xiàn)，本階段嘗試將礦石平臺(tái)角差由9°縮減到8°，以進(jìn)一步提升風(fēng)量。在爐身溫度場(chǎng)改善的情況下，嘗試減掉外探焦，以降低消耗指標(biāo)。但從實(shí)際效果來(lái)看，外探焦減掉后熱負(fù)荷波動(dòng)再次加劇，平臺(tái)寬度減少后風(fēng)量也未明顯升高。順行狀態(tài)較第三階段反而有所下滑。因此，受冬季氣溫低及雨雪影響，外探焦仍有階段性保留的必要。

2.1.3 焦炭外探料制特點(diǎn)及操作

五環(huán)布料及“焦包礦”的布料制度，在原料條件變化，尤其是入爐燒結(jié)礦＜5 mm粉末比例偏多、燒結(jié)礦堿度頻繁波動(dòng)的情況下，能夠較好的保持穩(wěn)定的邊緣氣流，實(shí)現(xiàn)風(fēng)量和冶煉強(qiáng)度的增加。但在日常操作中，原料變化帶來(lái)的邊緣和中心氣流的匹配問題仍是操作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。該種裝料模式較窄的平臺(tái)寬度，較輕的邊緣負(fù)荷都增加了原料變化后煤氣流通路變化的可能，需要操作者根據(jù)原料質(zhì)量和高爐自身溫度場(chǎng)對(duì)兩股氣流進(jìn)行頻繁的調(diào)整，從而達(dá)到兩者關(guān)系的適度匹配。

在制度調(diào)整過(guò)程中，需要注意制度調(diào)整趨勢(shì)和原料質(zhì)量趨勢(shì)的相互適應(yīng)。2019年4號(hào)高爐除受雨季落地料導(dǎo)致的結(jié)厚外，也出現(xiàn)過(guò)因?yàn)橛昙净匮b料篩分效果差，造成中心氣流堵塞的情況。上部塊狀帶溫度大幅升高 （爐身11～13段局部升高至300℃以上），邊緣管道明顯，導(dǎo)致1～2個(gè)冶煉周期的爐況失常，主要依靠臨時(shí)中心加罐焦平整料面及打通中心氣流來(lái)處理。

由于取消了十字測(cè)溫，只能依靠爐頂溫度、爐喉溫度、爐身溫度場(chǎng)分布判斷氣流分布。尤其要區(qū)別判斷爐身局部溫度值升高，到底是邊緣“重”還是“輕”造成的，不能簡(jiǎn)單認(rèn)為爐身局部溫度值升高就是邊緣氣流發(fā)展的征兆。按照4號(hào)高爐的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，中心過(guò)分發(fā)展的“W型”軟融帶，在煤氣進(jìn)行第三次分布時(shí)，過(guò)剩的中心氣流會(huì)沿著上部塊狀帶焦窗向邊緣運(yùn)動(dòng)，造成爐身下部溫度場(chǎng)溫度降低，而上部溫度場(chǎng)溫度升高的現(xiàn)象。而由于持續(xù)雨天原料惡化導(dǎo)致的塊狀帶中心氣流堵塞，邊緣出現(xiàn)管道行程，也會(huì)造成爐身上部溫度值升高的現(xiàn)象。兩者機(jī)理和調(diào)整方向完全相反。日常需要根據(jù)各部位溫度場(chǎng)升高程度、上部圓周均勻程度、爐頂成像以及崩料后的氣流變化情況等加以綜合判斷區(qū)別。

同時(shí)，要避免對(duì)邊緣焦炭的依賴。避免在原料波動(dòng)過(guò)程中，采取風(fēng)量少則加中心焦，效果不好又減邊緣負(fù)荷，最終導(dǎo)致邊緣和中心加焦兩部分比例越來(lái)越大，環(huán)狀帶焦炭越來(lái)越少的情況。焦炭外探0.5～1圈即可，增加至1圈以上將導(dǎo)致系統(tǒng)熱負(fù)荷波動(dòng)增加。應(yīng)對(duì)原料質(zhì)量惡化，應(yīng)以調(diào)整10環(huán)礦環(huán)數(shù)為主。

2.2 縮小風(fēng)口面積

在Ⅱ階段2月到4月的調(diào)整過(guò)程中，風(fēng)量提升200 m/min后壓差也緊隨升高，鼓風(fēng)動(dòng)能并未明顯增加（2月為101 kJ/s，4月僅升至104 kJ/s）。4月30日將風(fēng)口面積由0.347 0 m縮小至0.339 1 m，7月25日縮小至0.328 2 m。同時(shí)，適當(dāng)降低頂壓設(shè)定值，通過(guò)降低頂壓，為提高風(fēng)量提供空間。風(fēng)速提高后，逐步將壓差控制范圍由≤170 kPa，逐步調(diào)整為≤185 kPa。

通過(guò)鼓風(fēng)動(dòng)能的逐步提升，改善料柱的孔隙特征。此過(guò)程看似隨壓差升高料柱整體阻力升高，但考慮爐腹煤氣量的增加，實(shí)際阻力系數(shù)K值是升高的，等流速單位體積煤氣量在料柱中的阻力是降低的，因此動(dòng)能反而有所提高。但在提高壓差的過(guò)程中，必須根據(jù)實(shí)際探尺反映的下料情況，循序漸進(jìn)地逐步提高，堅(jiān)持風(fēng)量不能減少的原則，控制極限風(fēng)速不超標(biāo)。高爐的操作區(qū)間應(yīng)由極限風(fēng)壓、極限風(fēng)速、極限壓差三個(gè)參數(shù)共同確定，并在實(shí)際操作中逐步摸索，緩慢嘗試，避免因壓差突然提高造成的崩料。

2019年風(fēng)量、風(fēng)壓、壓差和鼓風(fēng)動(dòng)能指標(biāo)如表3所示，可以看出，高爐風(fēng)量、風(fēng)壓、壓差和鼓風(fēng)動(dòng)能均有所提高，最高風(fēng)量達(dá)到4 844 m/min，風(fēng)壓提升至380 kPa，月均壓差提升至175 kPa，鼓風(fēng)動(dòng)能提升至124 kJ/s。高爐冶煉強(qiáng)度增加，爐缸的活躍程度及高爐整體順行狀態(tài)均有較大改善。

表3 2019年高爐風(fēng)量、風(fēng)壓、壓差和鼓風(fēng)動(dòng)能指標(biāo)Table 3 Air Volume,Air Pressure,Differential Pressure and Blast Kinetic Energy Index in 2019

縮小風(fēng)口面積，并不一定會(huì)造成風(fēng)量的減少或鼓風(fēng)動(dòng)能的提高。鼓風(fēng)動(dòng)能是受風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量、頂壓設(shè)定關(guān)系、料柱自身阻力、風(fēng)口面積四個(gè)因素綜合影響的參數(shù)。操作中關(guān)鍵是找到適宜的鼓風(fēng)動(dòng)能區(qū)間，并通過(guò)操作措施使鼓風(fēng)動(dòng)能達(dá)到該區(qū)間。

2.3 利用中部調(diào)劑規(guī)整爐型

2019年高爐爐身及局部冷卻壁水量調(diào)整過(guò)程如表4所示。2月開始對(duì)溫度點(diǎn)偏低的西北方向共12塊冷卻壁水量進(jìn)行減水1/3～1/2處理，并根據(jù)溫度控制區(qū)間，對(duì)爐身整體水量和溫度低的冷卻壁單根水管水量進(jìn)行適度調(diào)整。該部位由使用600 mm長(zhǎng)風(fēng)口換為580 mm短風(fēng)口。通過(guò)調(diào)整水量及風(fēng)口，逐步改善爐身溫度場(chǎng)圓周的均勻性。控制各段溫度點(diǎn)下限值，6～8段銅冷卻壁溫度點(diǎn)控制≥50℃，9段以上控制≥55℃，溫度過(guò)低需進(jìn)行早期減水干預(yù)。

表4 2019年高爐爐身及局部冷卻壁水量調(diào)整過(guò)程Table 4 Water Volume Adjustment Process for BF Stack and Partial Cooling Stave in 2019

針對(duì)銅鐵交界處10段冷卻壁溫度長(zhǎng)期偏低的情況，2月開始通過(guò)局部減水，焦炭外探措施，利用足夠的邊緣煤氣流，逐步規(guī)整爐型。高爐爐身溫度如表5所示。至6月底，10段冷卻壁溫度逐步升高至65℃，高于55℃的黃色預(yù)警值，高爐工作爐型得到改善。

表5 高爐爐身溫度Table 5 Temperature of BF Stack ℃

2.4 強(qiáng)化物理熱管理

針對(duì)4號(hào)高爐爐缸活躍程度一直不佳的狀況，建立爐缸物理熱指數(shù)，量化提升爐缸狀態(tài)，公式為：

式中，N為物理熱指數(shù)；T為鐵水測(cè)溫溫度，℃；［Si］為鐵水含硅量，%。通過(guò)該指數(shù)評(píng)價(jià)爐缸物理熱狀態(tài)，并將N≥2.5設(shè)定為日常爐缸物理熱指數(shù)紅線，低于紅線值必須采取提升物理熱的措施。上部邊緣及中心氣流兩股氣流匹配的制度也為提升爐溫及物理熱提供了基礎(chǔ)條件。

在原料波動(dòng)時(shí)，統(tǒng)一操作思路，以杜絕連續(xù)低爐溫為首要目標(biāo)，以罐焦形式補(bǔ)足崩料后的熱量,同時(shí)結(jié)合高鼓風(fēng)動(dòng)能活躍爐缸。經(jīng)過(guò)多種手段，爐缸物理熱指數(shù)由2019年初的2.51提升至年底2.66。爐芯中心點(diǎn)溫度由612℃提升至644℃。爐缸活躍程度明顯好轉(zhuǎn)，且爐缸活躍程度的提高顯著提高了高爐應(yīng)對(duì)爐溫波動(dòng)的能力。

3 實(shí)踐效果

鞍鋼4號(hào)高爐生產(chǎn)指標(biāo)如表6所示，可以看出，與2018年相比，2019年日均產(chǎn)量提升了319 t/d，高爐利用系數(shù)由2.20 t/（m·d）提升至2.32 t/（m·d），高爐減風(fēng)率由2.51%降低至1.88%，燃料比由543 kg/t降低至541 kg/t，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。其中5月以后日產(chǎn)（除12月檢修以外）均實(shí)現(xiàn)6 000 t/d以上。2019年9月創(chuàng)造日產(chǎn)6 450 t/d的歷史新高，利用系數(shù)達(dá)到了 2.5 t/（m·d），提產(chǎn)效果顯著。

表6 2018、2019年高爐生產(chǎn)指標(biāo)對(duì)比Table 6 Comparison of Production Indexes of BF in 2018 and 2019

4 結(jié)論

（1）焦炭外探的“焦包礦”裝料制度，對(duì)小粒級(jí)入爐比例高、原料不穩(wěn)定的高爐，能起到較好的穩(wěn)定邊緣氣流作用，處理局部結(jié)厚有較明顯效果，利于形成更穩(wěn)定的溫度場(chǎng)和更合理的爐型，同時(shí)能顯著提高雨雪季節(jié)高爐對(duì)原料運(yùn)輸途中不可控因素的應(yīng)對(duì)能力。但為了適應(yīng)煤氣流的變化，該種料制需根據(jù)原料情況和氣流情況頻繁進(jìn)行小幅調(diào)整。

（2）提升鼓風(fēng)動(dòng)能是目前高爐強(qiáng)化冶煉的關(guān)鍵。同樣原料條件下，逐步提升鼓風(fēng)動(dòng)能能有效改善死料柱及爐缸狀態(tài)。但鼓風(fēng)動(dòng)能提升必須根據(jù)極限風(fēng)壓、極限壓差、極限風(fēng)速三個(gè)參數(shù)的情況，采取綜合手段進(jìn)行調(diào)整。與原有觀點(diǎn)認(rèn)為2580 m高爐鼓風(fēng)動(dòng)能在130 kJ/s左右即可不同，目前國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的同規(guī)格高爐鼓風(fēng)動(dòng)能均達(dá)到了150 kJ/s以上，且取得了更好的爐缸狀態(tài)和更高的利用系數(shù)。

（3）以中部調(diào)劑作為爐況調(diào)整的常規(guī)手段并不被國(guó)內(nèi)大部分鋼企認(rèn)可，但對(duì)原料小粒級(jí)入爐比例高的高爐，必須重視冷卻壁溫度點(diǎn)的管理，尤其爐腹及爐腰部位，應(yīng)制定控制區(qū)間，低于控制區(qū)間則可以通過(guò)局部靈活調(diào)整水量進(jìn)行控制。

（4）煉鐵總廠燒結(jié)產(chǎn)能存在明顯缺口，為了平衡調(diào)劑所用燒結(jié)料，4號(hào)高爐長(zhǎng)期使用兩種燒結(jié)礦，且配比頻繁變化，高爐產(chǎn)量較低。為了提高高爐產(chǎn)量，分析了高爐歷來(lái)的裝料制度特點(diǎn)，提出采取“焦包礦”上部裝料制度，縮小風(fēng)口面積以提高風(fēng)速和鼓風(fēng)動(dòng)能，利用中部調(diào)劑規(guī)整爐型，以及強(qiáng)化物理熱管理，建立爐缸物理熱指數(shù)，量化提升爐缸狀態(tài)等措施，實(shí)施后高爐產(chǎn)能提高了319 t/d，高爐利用系數(shù)由 2.20 t/（m·d）提升至 2.32 t/（m·d），提產(chǎn)效果良好，值得借鑒。