鞍鋼鲅魚圈2 號4038 m3 高爐合理鼓風動能探討

吳官印，李黎明，姜彥冰，蔣益，何沖，邵思維

（1. 海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009；2. 鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；3. 鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007）

鼓風動能是高爐各種復雜參數(shù)的綜合體現(xiàn)，也是高爐下部調(diào)劑效果的量化結(jié)果，目前已經(jīng)成為高爐操作與爐況調(diào)劑的一個重要參數(shù)。 鼓風動能決定了風口回旋區(qū)的大小和形狀，對初始煤氣流分布和爐料下降有著重要影響[1]。鼓風動能過大和過小都將導致煤氣流分布不合理，爐況不穩(wěn)定。實踐證明，高爐只有在合理風速條件下生產(chǎn)才能保證爐缸的正常工作，才能實現(xiàn)高爐生產(chǎn)的長期穩(wěn)定與順行。

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司統(tǒng)計了2 號高爐（4038 m3）歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，分析了各階段生產(chǎn)運行特點，重點探討了2 號高爐鼓風動能的合理范圍及其適用性，為高爐調(diào)整鼓風參數(shù)提供了理論依據(jù)。

1 高爐各階段生產(chǎn)運行特點

2 號高爐于2009 年4 月開爐，高爐鼓風動能變化趨勢如圖1 所示。 由圖1 可以看出，鼓風動能 的變化趨勢具有明顯的階段性特征。

圖1 高爐鼓風動能變化趨勢Fig. 1 Variation Trend for Blast Kinetic Energy of BF

收集2 號高爐歷史數(shù)據(jù)，并將歷年生產(chǎn)數(shù)據(jù)中高爐計劃檢修、年修、中修以及因為設備等外界原因短暫影響的數(shù)據(jù)刪除掉。 結(jié)合高爐生產(chǎn)實踐情況，將2009 年6 月至2020 年8 月分成多個具有典型特征的生產(chǎn)階段，對各階段高爐生產(chǎn)運行特點進行分析。 高爐各階段主要經(jīng)濟技術指標見表1。

表1 高爐各階段經(jīng)濟技術指標及評價Table 1 Economic and Technical Indexes and Evaluation for BF at Each Stage

1.1 開爐達產(chǎn)階段

2009 年6 月至2010 年8 月在開爐達產(chǎn)階段，2 號高爐順行穩(wěn)定，強度得到有效釋放，富氧率最高達到4.5%，平均風量達到6 486 m3/min，利用系數(shù)達到2.270 t/（m3·d），鼓風動能維持在119～138 kJ/s。但由于開爐初期設備和人員都處于一個磨合階段，開爐達產(chǎn)階段幾乎每個月都發(fā)生了設備事故，對高爐各項經(jīng)濟技術指標進一步向優(yōu)產(chǎn)生一定影響。

1.2 低焦比經(jīng)濟冶煉階段

2011 年5 月至2014 年12 月隨著高爐限產(chǎn)、干熄焦比例波動、設備事故等因素影響，高爐進入低焦比經(jīng)濟冶煉階段。此階段高爐通過增加焦炭負荷、減少送風面積、降低富氧率、控制入爐風量等手段實現(xiàn)低強度、低消耗的冶煉特征，燃料比最低達到473 kg/t。但隨著時間延長，低鼓風動能導致高爐爐缸活性下降，高爐接受風量能力下降，順行狀態(tài)也逐漸變差，異常爐況多發(fā)。

1.3 使用經(jīng)濟料冶煉階段

2015 年1 月至2016 年4 月高爐中修前，高爐受使用低價料以及冷卻設備漏水嚴重等因素影響，鼓風動能維持在103 kJ/s 左右，最低降至91.9 kJ/s，平均利用系數(shù)下降到1.805 t/（m3·d），燃料比平均值為543 kg/t，風量平均值為5 573 m3/min，高爐穩(wěn)定性極差，崩滑料、管道、懸料等異常爐況時有發(fā)生。

1.4 “平臺+漏斗”料制階段

2016 年6 月高爐中修開爐至2016 年12 月，2 號高爐進行了為期7 個月的“平臺+漏斗”料制生產(chǎn)探索，此階段鼓風動能在95.0～123.8 kJ/s 波動，平均值為110.8 kJ/s，風量平均值為5 933 m3/min，燃料比平均500 kg/t（2 號高爐一代爐役歷史上平均燃料比最優(yōu)值即出現(xiàn)在這一時期），利用系數(shù)平均1.919 t/（m3·d）左右，雖然此階段燃料消耗低，但由于風量一直維持偏少，鼓風動能長期維持在110 kJ/s左右，中心氣流不夠充沛，在實驗后期高爐出現(xiàn)爐缸活性變差，爐況呈現(xiàn)典型的堆積特征，邊緣熱負荷頻繁波動，高爐操作難度巨大。

1.5 爐役后期護爐階段

從2017 年4 月開始，高爐爐缸環(huán)碳溫度出現(xiàn)多點多方向異常升高，爐缸出現(xiàn)整體侵蝕現(xiàn)象。至此，2 號高爐進入了長期護爐階段，高爐生產(chǎn)強度受到明顯制約。

（1）2017 年4 月至2018 年3 月為護爐第一階段。該階段主要通過限氧、控制風量、增加鈦球、提高爐溫等傳統(tǒng)護爐手段來控制生產(chǎn)強度，達到護爐效果，但由于對活躍爐缸的整體護爐理念還缺乏認識，雖然平均鼓風動能維持在123 kJ/s 左右，但風量偏低，爐缸熱收入不足，最終造成爐缸出現(xiàn)堆積癥狀，導致低產(chǎn)高耗局面。

（2）2018 年4 月至2019 年10 月為護爐第二階段。 該階段已經(jīng)認識到提高鼓風動能，保持合理風口回旋區(qū)深度，進一步活躍爐缸對高爐長期護爐操作的重要性，在干焦比例不斷下降的情況下，通過不斷降低焦炭負荷，保證入爐風量，平均風量達到6 310 m3/min，鼓風動能最高達到163.9 kJ/s。 但由于對低焦炭負荷條件下，高爐合理鼓風動能以及高爐長壽與冶煉強度極限平衡值的認識不足，高爐最終經(jīng)濟技術指標也只達到低產(chǎn)高耗水平。

（3）2019 年11 月至2020 年8 月為護爐第三階段。 這一時期高爐焦炭負荷進一步降低，為了保證適當產(chǎn)能，高爐將富氧率由1.70%提升至2.41%，隨著富氧增加，高爐氣流出現(xiàn)了新的變化，鼓風動能平均水平較前一階段大幅下降至126.7 kJ/s，煤氣利用效率變差，燃料比上升至550 kg/t，但總體上實現(xiàn)了爐役后期提產(chǎn)增效的冶煉目的。

從高爐爐役后期生產(chǎn)運行實踐來看，保持合理鼓風動能，持續(xù)活躍爐缸，對高爐爐役后期保持長期穩(wěn)定順行，減少爐缸鐵水環(huán)流侵蝕具有重要的意義。

2 高爐合理鼓風動能探討

2.1 鼓風動能與爐缸活躍性關系

風口回旋區(qū)產(chǎn)生的始發(fā)煤氣在爐缸進行最重要的一次分配，始發(fā)煤氣分布合理是高爐實現(xiàn)順行穩(wěn)定、高效低耗的關鍵。 同時，爐缸也是盛放熔融渣鐵的地方，渣鐵液在爐缸發(fā)生劇烈反應，爐缸內(nèi)渣鐵的流動形態(tài)、滴落路徑、液位高低、熱焓高低、偏析與否都將影響著高爐的順行穩(wěn)定和健康長壽。因此，爐缸工作狀態(tài)不僅對高爐生產(chǎn)的長期穩(wěn)定順行，技術經(jīng)濟指標的提高，生鐵質(zhì)量和爐前作業(yè)的改善等有著重要影響，而且事關高爐的生產(chǎn)安全和長壽[2]。

根據(jù)爐缸活性的定義可以知道，影響高爐爐缸活性的因素大致有三個：①焦炭所提供“透氣、透液通道”的數(shù)量；②渣鐵流動性能；③風口回旋區(qū)的形狀和大小。 三個因素相輔相成，相互影響[2]。 每個高爐都有一個合適的回旋區(qū)形貌，一般認為，風口回旋區(qū)前端所圍成的環(huán)形區(qū)域面積與爐缸面積比值為0.5 左右時，高爐初始煤氣流分布較為合理[3]，風口回旋區(qū)形狀和大小不合理將影響高爐爐缸活性狀態(tài)；鼓風動能對爐缸活性的影響主要體現(xiàn)在對風口回旋區(qū)的形狀和大小上，根據(jù)昆鋼2000 m3高爐的研究總結(jié)得出了回旋區(qū)大小的經(jīng)驗公式[4]：

式中，D為回旋區(qū)深度，m；E為鼓風動能，kJ/s；M為噴煤流量，kg/h；n為風口數(shù)。

從式（1）中可以看出，鼓風動能是決定回旋區(qū)形狀和大小的主要原因，盲目通過擴大風口面積追求高風量，造成低風速、低鼓風動能，極易引起風口回旋區(qū)縮小，鼓風吹不透中心，爐缸中心堆積，爐缸活躍性降低；同樣，邊緣過重，風口面積過小，高爐長期處于高風速、高鼓風動能的送風狀態(tài)，容易造成中心煤氣流過分發(fā)展，風口回旋區(qū)擴大，中心過吹，爐缸邊緣堆積[5]。

2.2 鼓風動能、風量下限值

2 號高爐鼓風動能與異常爐況關系見圖2，2 號高爐風量與異常爐況關系見圖3。

圖2 2 號高爐鼓風動能與異常爐況關系Fig. 2 Relationship between Blast Kinetic Energy and Abnormal Condition in Terms of No.2 BF

圖3 2 號高爐風量與異常爐況關系Fig. 3 Relationship between Blast Volume and Abnormal Condition in Terms of No.2 BF

由圖2 和圖3 可以很明顯地看出，高爐異常爐況發(fā)生比較多的時間段基本上都集中在高爐鼓風動能長時間低于120 kJ/s 的區(qū)間和風量低于6 000 m3/min 時。 實際生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)通過縮小風口面積以保持合適的鼓風動能時，風量卻降低較多甚至長期低于6 000 m3/min，且這種狀態(tài)并不持久，最后高爐順行仍會變差。因此，高爐鼓風動能和風量都應該有下限值，即鼓風動能不能長時間低于120 kJ/s，風量不能長時間低于6 000 m3/min，當高爐因為原燃料、操作制度等原因?qū)е嘛L少、鼓風動能低時，高爐應該盡快通過采取降低焦炭負荷、縮小風口或者改制增加氣流中心通道等措施，控制風量和鼓風動能在合理區(qū)間波動。

2.3 鼓風動能、風量合理范圍

高爐保持順行穩(wěn)定、高效生產(chǎn)的階段一般都是高爐煤氣流分布合理、能量利用高效、爐缸活躍的階段，因此，這個階段鼓風動能一定是合適的。 2 號高爐在一代爐役期間經(jīng)濟技術評價最好的時期為開爐達產(chǎn)階段，此時鼓風動能在119～138 kJ/s，風量維持在6 246～6 691 m3/min。2 號高爐鼓風動能與燃料比和利用系數(shù)關系見圖4，2 號高爐風量與燃料比和利用系數(shù)的關系見圖5。 由圖4和圖5 中數(shù)據(jù)回歸結(jié)果可以看出，高爐鼓風動能在120～140 kJ/s、 風量在6 200～6 700 m3/min 時，高爐的燃料比和利用系數(shù)都接近最優(yōu)。可見，大數(shù)據(jù)回歸結(jié)果與生產(chǎn)實踐能夠很好的吻合上。

圖4 2 號高爐鼓風動能與燃料比和利用系數(shù)的關系Fig. 4 Relationship among Blast Kinetic Energy, Fuel Ratio and Utilization Coefficient in Terms of No.2 BF

圖5 2號高爐風量與燃料比和利用系數(shù)的關系Fig. 5 Relationship among Blast Volume, Fuel Ratio and Utilization Coefficient in Terms of No.2 BF

2.4 合理鼓風動能適用性探討

由表1 可以看出，“平臺+漏斗” 料制階段，高爐鼓風動能只維持在110 kJ/s 左右，在強度水平不低的情況下，燃料比實現(xiàn)了歷史最低水平；高爐護爐第一階段，鼓風動能維持在120 kJ/s 左右，但高爐經(jīng)濟技術評價為低產(chǎn)高耗，后期異常爐況多發(fā)，高爐出現(xiàn)爐缸堆積的癥狀；高爐護爐第三階段，高爐鼓風動能維持在126 kJ/s 左右，風量均值為6 307 m3/min，但高爐經(jīng)濟技術評價也只是低產(chǎn)高耗?？梢?，實際生產(chǎn)中存在高爐合理鼓風動能和風量與高產(chǎn)低耗沒有對應出現(xiàn)的情況，也就是說大數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到的合理鼓風動能和風量范圍不能簡單地作為指導高爐生產(chǎn)的依據(jù)，還需要對其適用性進行進一步探討。

要解決這種理論和生產(chǎn)之間存在的差異，必須明確以下兩點：①影響爐缸活性的因素不只是回旋區(qū)形貌，焦炭提供的透氣通道、渣鐵流動性能也會影響爐缸活性，且影響力往往更大，并同時影響回旋區(qū)形貌。 ②合理的鼓風動能雖然和高爐料柱透氣性密切相關[1]，但鼓風動能決定不了能耗高低，高爐能耗水平取決于煤氣利用是否高效，而煤氣流在整個高爐縱向分布是否合理、 煤氣能量利用是否高效，又取決于煤氣三次分布過程中所遭遇的上中下部調(diào)劑制度、原燃料質(zhì)量、操作爐型、渣鐵流動性能等因素，因此高爐燃料消耗水平往往很難與合理鼓風動能區(qū)間簡單對應上。

結(jié)合生產(chǎn)實際情況分析，高爐采用“平臺+漏斗”料制期間，由于上部料制的改變，煤氣利用率均值達到48.5%，因此出現(xiàn)鼓風動能在110 kJ/s 左右而能耗指標實現(xiàn)歷史最低水平的情況；高爐護爐第一階段大量使用鈦球，造成渣鐵粘稠，雖然通過縮小風口面積、降低風壓等手段穩(wěn)定鼓風動能，但仍造成了長期風少且爐缸出現(xiàn)堆積前兆；高爐護爐第三階段，雖然鼓風動能和風量都處在合理范圍，但由于焦炭結(jié)構復雜、濕焦使用比例高，2 號高爐采取了提高入爐焦比、 增加中心焦量等措施以確保穩(wěn)定順行，高爐煤氣利用率均值只有42.9%左右，導致高爐燃料消耗居高不下?？梢?，合理的鼓風動能與實際生產(chǎn)階段的原燃料條件、操作制度、渣鐵性能等方面均有關系，應綜合考慮。

總體而言，在非護爐階段采取中心加焦料制時，2 號高爐合理風量應該控制在6 246～6 691 m3/min，合理鼓風動能控制在119～138 kJ/s；在2 號高爐爐役后期護爐階段，應重視保持高爐鼓風動能和風量在合適范圍，同時采取降低焦炭負荷、增加中心氣流通道、 降低終渣堿度、 維持合理鎂鋁比等手段，使影響高爐爐缸活性的三個因素都保持在合理范圍內(nèi)，以實現(xiàn)高爐爐役后期高質(zhì)量運行。

但也應該清楚認識到，在爐役后期護爐階段，尤其是焦炭負荷比較低的條件下，既要保持高爐風量和鼓風動能在合適范圍，又要實現(xiàn)低耗生產(chǎn)是非常難的，或者說這兩者如果都要實現(xiàn)，必然會導致高爐冶煉強度的提高，而高爐爐缸侵蝕與冶煉強度極限平衡關系還需要不斷探索。2 號高爐爐役后期的生產(chǎn)優(yōu)化空間就是提高焦炭質(zhì)量，降低焦炭負荷，提高煤氣利用效率，適當增加富氧，同時探索好爐缸侵蝕與冶煉強度的動態(tài)平衡關系。而同時應該客觀認識到，統(tǒng)計出來的各項參數(shù)合理區(qū)間只是歷史生產(chǎn)實踐累積出來的數(shù)據(jù)，并不一定是高爐能達到的最優(yōu)結(jié)果。

3 結(jié)論

（1）2 號高爐鼓風動能和風量都應該有下限值，即鼓風動能不能長時間低于120 kJ/s，風量不能長時間低于6 000 m3/min。

（2）2 號高爐在非護爐階段采用中心加焦料制生產(chǎn)時，合理鼓風動能應控制在118～139 kJ／s，合理風量應控制在6 246～6 691 m3／min；2 號高爐爐在役后期護爐階段，應重視保持高爐鼓風動能和風量在合適范圍，同時采取降低焦炭負荷、增加中心氣流通道、降低終渣堿度、維持合理鎂鋁比等手段，使影響高爐爐缸活性的三個因素都保持在合理范圍內(nèi)，以實現(xiàn)高爐爐役后期高質(zhì)量運行。

（3）2 號高爐爐役后期的生產(chǎn)優(yōu)化空間就是提高焦炭質(zhì)量，適當降低焦炭負荷和增加富氧，并通過合理上下部調(diào)劑，提高煤氣利用效率，同時探索好爐缸侵蝕與冶煉強度的動態(tài)平衡關系。

（4）合理的鼓風動能與實際生產(chǎn)階段的原燃料條件、操作制度、渣鐵性能等方面均有關系，應綜合考慮。 不同的高爐應根據(jù)實際情況選擇合理的鼓風動能。