高爐長(zhǎng)周期穩(wěn)定高效低耗生產(chǎn)實(shí)踐

高 爽，張文政

（天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 301500）

1 前 言

為了夯實(shí)鋼鐵行業(yè)發(fā)展過(guò)程的“雙碳”基礎(chǔ)，進(jìn)一步推動(dòng)高爐煉鐵綠色建設(shè)，天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)聯(lián)合特鋼）針對(duì)高爐節(jié)能高效展開(kāi)技術(shù)研究。傳統(tǒng)高爐因爐況波動(dòng)、設(shè)備損壞等容易引起休風(fēng)，休風(fēng)導(dǎo)致的開(kāi)停爐頻繁會(huì)造成高爐破損及高爐能耗增加。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大型高爐的降本增效技術(shù)應(yīng)用成熟，寶鋼、武鋼、寶鋼湛江等公司針對(duì)大型高爐指標(biāo)較差的問(wèn)題，均采取了加強(qiáng)原料管控、調(diào)整布料制度、改善煤氣流分布、調(diào)整爐缸活躍狀態(tài)等措施，降低了高爐的焦比、燃料比，促進(jìn)了高爐低耗高效冶煉。

2 高效低耗生產(chǎn)措施

2.1 高爐原料質(zhì)量控穩(wěn)技術(shù)

高爐原燃料質(zhì)量是影響高爐長(zhǎng)周期高效低耗冶煉的關(guān)鍵因素。隨著外圍市場(chǎng)、原燃料價(jià)格及資源條件的波動(dòng)與限制，高爐原燃料結(jié)構(gòu)難以長(zhǎng)期穩(wěn)定。如何科學(xué)評(píng)價(jià)入爐原燃料質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)高爐穩(wěn)定生產(chǎn)的一大難題。

聯(lián)合特鋼基于高爐不同爐料的實(shí)際粒級(jí)分布，建立了基于蒙特卡洛算法計(jì)算高爐爐料孔隙度的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了高爐單一原燃料焦炭、燒結(jié)礦和球團(tuán)礦散堆料層的空隙度計(jì)算方法，結(jié)合無(wú)黏性流體動(dòng)力學(xué)歐根方程，明晰了高爐單一原燃料散堆料層對(duì)壓降損失的影響規(guī)律，形成了高爐原燃料空隙度及壓降損失的三元等值線圖。結(jié)果表明，焦炭的空隙度遠(yuǎn)好于燒結(jié)礦，燒結(jié)礦的空隙度好于球團(tuán)礦。三種類(lèi)別爐料的空隙度分布規(guī)律相一致。爐料的粒度分布越均勻，孔隙度越高，透氣性越好。煤氣流通過(guò)礦石的壓降遠(yuǎn)高于煤氣流通過(guò)焦炭的壓降，焦炭、燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的平均壓降值分別為16.7、82.2 和91.2 kPa。高爐爐料應(yīng)確保將較小粒度的爐料質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在15%以下，同時(shí)增加較大粒度的爐料，確保高爐的透氣性?；诖耍⒘烁郀t焦炭、燒結(jié)礦及球團(tuán)礦的分質(zhì)分類(lèi)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為高爐入爐原燃料的選擇評(píng)價(jià)提供指導(dǎo)。

良好的高爐透氣性是高爐低碳高效冶煉的基礎(chǔ)。不同爐料結(jié)構(gòu)及焦丁配比對(duì)高爐料層的透氣性影響較大，同時(shí)礦焦混合層因焦炭和燒結(jié)礦/球團(tuán)礦粒度差別大、空隙度低，透氣阻力大，如何優(yōu)化高爐爐料結(jié)構(gòu)及高爐裝料制度，是優(yōu)化高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的關(guān)鍵難題。

聯(lián)合特鋼基于高爐原燃料實(shí)際粒級(jí)組成，將焦炭分為25～40 mm、40～60 mm和60～80 mm三級(jí)，燒結(jié)礦分為5～1 mm、10～20 mm 和20～30 mm 三級(jí)，球團(tuán)礦分為5～8 mm、8～12 mm 和12～16 mm三級(jí)，構(gòu)建了多種原燃料混合條件下的散料堆空隙度計(jì)算模型。通過(guò)研究不同燒結(jié)礦、球團(tuán)礦配比及焦丁配加量對(duì)高爐料層透氣性的影響規(guī)律，明確了高爐合理的爐料結(jié)構(gòu)。通過(guò)研究不同礦石批重及焦炭批重條件下礦焦混合層對(duì)高爐料層透氣性的影響，研發(fā)了基于礦焦混合層優(yōu)化調(diào)控為目標(biāo)的大礦批高效冶煉新技術(shù)。結(jié)果表明，當(dāng)球團(tuán)礦與燒結(jié)礦混合時(shí)，其孔隙度近似呈線性變化。當(dāng)混合料粒度較大時(shí)，孔隙度對(duì)料層透氣性的影響起主導(dǎo)作用，反之則粒度起主導(dǎo)作用，球團(tuán)礦的適宜比例為28%。在爐料結(jié)構(gòu)中加入30～40 kg/t 的HM 的焦丁，有利于提高透氣性。使用較大的礦石批量和焦炭批量都有利于提高高爐的透氣性，焦炭批量增加或礦石批量降低10%，壓降減少約10.8 kPa，高爐合理礦批為55 t。建立高爐運(yùn)行反饋機(jī)制，高爐運(yùn)行不暢時(shí)，及時(shí)反饋高爐運(yùn)行情況至燒結(jié)礦生產(chǎn)車(chē)間，燒結(jié)車(chē)間依據(jù)高爐生產(chǎn)情況及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)，通過(guò)改善燒結(jié)礦有害元素等措施維護(hù)高爐的穩(wěn)定順行[1］。

提高塊礦入爐比例有助于高爐低成本綠色低碳冶煉。受到塊礦含水量高、含粉量等特點(diǎn)影響，高爐塊礦加入量受到制約。如何降低塊礦含水量，避免粉末容易黏附在塊礦表面影響高爐的透氣性，是制約高比例配加塊礦的關(guān)鍵難題[2］。

全外礦粉燒結(jié)時(shí)，燒結(jié)礦氧化鋁含量高，會(huì)導(dǎo)致高爐渣中氧化鋁含量較高，爐渣的流動(dòng)性降低。在燒結(jié)礦中添加氧化鎂可以避免氧化鋁影響。聯(lián)合特鋼通過(guò)在球團(tuán)礦中添加MgO 開(kāi)展高鎂球團(tuán)礦生產(chǎn)技術(shù)研究。自2020 年1 月開(kāi)始采用高鎂球團(tuán)以來(lái)，平均球團(tuán)品位62.38%，最大MgO 含量達(dá)到1.52%，高爐入爐球團(tuán)質(zhì)量穩(wěn)定性提高。

2.2 高爐裝備維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化及低休風(fēng)率管控技術(shù)

高爐裝備長(zhǎng)期面臨高溫環(huán)境，受到高溫氣流沖擊等容易造成損壞。設(shè)備損壞所引起的高爐休風(fēng)會(huì)提高高爐冶煉能耗。如何提高高爐設(shè)備使用壽命，降低設(shè)備損壞對(duì)高爐休風(fēng)的影響是實(shí)現(xiàn)高爐低耗冶煉的關(guān)鍵難點(diǎn)。

聯(lián)合特鋼進(jìn)行高爐長(zhǎng)周期探索實(shí)踐之前，高爐檢修周期只有2～3個(gè)月。高爐檢修頻繁導(dǎo)致高爐休風(fēng)率較高，嚴(yán)重影響高爐生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)對(duì)高爐頻繁檢修原因的探索，確定關(guān)鍵裝備的使用壽命是聯(lián)合特鋼高爐檢修周期短的主要原因。為延長(zhǎng)高爐檢修周期，降低休風(fēng)率，聯(lián)合特鋼深挖高爐輔助裝備存在的問(wèn)題，并針對(duì)問(wèn)題積極改建，實(shí)現(xiàn)了高爐裝備使用壽命一體化延長(zhǎng)。針對(duì)料車(chē)襯板、中間倉(cāng)襯板、翻板、料罐襯板等不耐爐料磨損等問(wèn)題，聯(lián)合特鋼采用陶瓷材質(zhì)對(duì)襯板進(jìn)行升級(jí)改造，顯著提高了襯板耐磨性能，大幅延長(zhǎng)了使用壽命。經(jīng)過(guò)排查分析，上下密部位的密封膠圈是造成聯(lián)合特鋼高爐休風(fēng)的關(guān)鍵因素。對(duì)上下密膠圈進(jìn)行材質(zhì)升級(jí)，選用硅膠材質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了使用壽命由2～3個(gè)月延長(zhǎng)至8個(gè)月以上，休風(fēng)率降低至0.5%。

2.3 研發(fā)可視化氧槍

高爐開(kāi)鐵口時(shí)熱量不足容易在鐵口區(qū)域形成凝固的渣鐵殼，造成鐵口堵塞。如何提高高爐開(kāi)停爐效率，避免鐵口堵塞，防止渣鐵在爐內(nèi)堆積引發(fā)安全事故，是實(shí)現(xiàn)高爐高效低耗生產(chǎn)的關(guān)鍵難題。

鐵口采用煤氣導(dǎo)出管的方式，在高爐送風(fēng)后，鐵口區(qū)域只能依靠爐內(nèi)產(chǎn)生的熱風(fēng)從預(yù)先埋入鐵口的導(dǎo)出管?chē)姵鰜?lái)加熱鐵口區(qū)，盡管爐缸內(nèi)的煤氣導(dǎo)出管采取了保護(hù)措施，還是難以避免有小顆粒的爐料堵死導(dǎo)出管，造成爐內(nèi)的熱氣流無(wú)法噴出，鐵口區(qū)沒(méi)有加熱，導(dǎo)致開(kāi)爐后新產(chǎn)生的渣鐵本身熱量不足，很容易在鐵口區(qū)產(chǎn)生凝結(jié)的渣鐵殼，造成第一次鐵無(wú)法排出，進(jìn)而導(dǎo)致高爐憋風(fēng)。如果人工燒鐵口無(wú)法及時(shí)把鐵口前方的凝結(jié)殼燒開(kāi)，產(chǎn)生的渣鐵會(huì)一直在爐缸內(nèi)積聚，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成風(fēng)口燒穿的惡性事故，高爐只能不斷減風(fēng)維持，嚴(yán)重阻礙開(kāi)爐進(jìn)程。所以，煤氣導(dǎo)出管方式本身存在問(wèn)題和限制，需要從根本上改變這種方式。

使用氧槍開(kāi)爐是一種可行的替代方式。聯(lián)合特鋼通過(guò)技術(shù)研發(fā)，自制了兩節(jié)式構(gòu)造氧槍?zhuān)钊腓F口內(nèi)的為內(nèi)節(jié)，以外的部分為外節(jié)，內(nèi)節(jié)不可回收，外節(jié)可以回收，且在高爐需要出鐵時(shí)可以直接切斷外節(jié)，容易控制鐵口狀態(tài)。氧槍帶有觀察孔和流量計(jì)，能夠通過(guò)觀察孔直接查看氧槍前的燃燒狀態(tài)。根據(jù)開(kāi)爐后不同的壓力階段和氧槍前的燃燒狀態(tài)準(zhǔn)確調(diào)整配比，保證氧槍既不被堵塞，也不會(huì)被燒毀。

2.4 高爐爐缸活躍狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

聯(lián)合特鋼創(chuàng)新研發(fā)了基于渣鐵滯留的高爐爐缸透液性監(jiān)控平臺(tái)。首次提出以渣鐵穿焦流動(dòng)阻力為核心的爐缸透液理論體系，自主研發(fā)以高度還原高爐渣鐵穿焦過(guò)程為核心的高溫模擬裝置，探索形成以調(diào)控渣鐵滯留指數(shù)為核心的爐缸透液性調(diào)控技術(shù)，創(chuàng)新開(kāi)發(fā)以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)爐缸透液性為核心的監(jiān)控平臺(tái)。

高爐爐缸透液性是高爐操作者關(guān)注的重要指標(biāo)之一，與高爐長(zhǎng)周期穩(wěn)定順行密切相關(guān)。由于高爐爐缸透液性影響因素眾多，傳統(tǒng)的爐缸透液性狀態(tài)評(píng)價(jià)方法不統(tǒng)一，多因素非線性強(qiáng)耦合條件下使得爐缸透液性難以準(zhǔn)確評(píng)估。如何對(duì)高爐爐缸透液性進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)評(píng)價(jià)，是高爐長(zhǎng)周期穩(wěn)定順行的關(guān)鍵。

針對(duì)高爐爐缸透液性理論基礎(chǔ)薄弱的問(wèn)題，基于多孔介質(zhì)模型，首次提出渣鐵穿焦流動(dòng)阻力為研究核心的高爐爐缸透液基礎(chǔ)理論，量化表征并解析了爐缸活躍狀態(tài)及其影響因素，為高爐高效低碳生產(chǎn)表征爐缸活躍程度提供新方法和理論依據(jù)。針對(duì)無(wú)法量化表征高爐參數(shù)對(duì)爐缸透液性影響潛力的問(wèn)題，基于高爐解剖實(shí)地勘察，自主研發(fā)模擬渣鐵穿焦試驗(yàn)裝置，探明高爐爐缸渣鐵焦間物相組成及時(shí)空多尺度特征，明確渣相組分、焦炭性狀對(duì)高爐透液性的協(xié)同作用規(guī)律，修正高爐爐缸透液理論公式，實(shí)現(xiàn)高爐爐缸活躍狀態(tài)的定量化科學(xué)性評(píng)估。結(jié)果表明，高爐鐵水溫度、焦炭粒度、焦炭性能、爐渣成分對(duì)渣鐵滯留率起著至關(guān)重要的作用，各因素對(duì)渣鐵滯留率的影響程度為：鐵水溫度＞CSR＞焦炭粒度＞CRI＞爐渣堿度＞鎂鋁比，鐵水溫度貢獻(xiàn)度為36%，CSR貢獻(xiàn)度為26%。高爐冶煉參數(shù)對(duì)渣鐵滯留量的影響潛力響應(yīng)順序?yàn)椋猴L(fēng)量＞鐵口深度＞風(fēng)溫＞風(fēng)壓＞噴煤量＞氧氣量，風(fēng)量貢獻(xiàn)度為31%，鐵口深度為26%。

高爐爐缸可視化程度低，高爐實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中爐缸狀態(tài)參數(shù)無(wú)法實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，爐缸透液性調(diào)控一般采用生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，且調(diào)控技術(shù)具有顯著的滯后性。針對(duì)調(diào)控后效果難以及時(shí)評(píng)判，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)高爐爐缸透液性調(diào)控技術(shù)，并對(duì)爐缸透液性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和提前預(yù)判，是高爐冶煉亟須解決的難題。

針對(duì)高爐生產(chǎn)爐缸透液性調(diào)控不成體系的問(wèn)題，明確原料粒度組成及渣鐵成分對(duì)料柱空隙度及渣鐵流動(dòng)性的定量關(guān)系，解析高爐鼓風(fēng)參數(shù)對(duì)死料柱大小的影響規(guī)律，形成集成非中心加焦布料、低鎂鋁比冶煉及高富氧高風(fēng)速大動(dòng)能強(qiáng)化冶煉操作為一體的以調(diào)控渣鐵滯留率為核心的爐缸透液性調(diào)控技術(shù)。針對(duì)高爐爐缸透液性表征使用實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和間接指標(biāo)嚴(yán)重滯后的問(wèn)題，基于高爐傳熱學(xué)、數(shù)值模擬、人工智能算法等理論和技術(shù)，建立了協(xié)同爐缸活性分級(jí)評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)預(yù)警、響應(yīng)反饋等多功能集成的高爐透液性監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)高爐爐缸透液性的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控、提前預(yù)判及調(diào)控。結(jié)果表明，高爐以“發(fā)展中心氣流，穩(wěn)定邊緣氣流，兩頭疏導(dǎo)”作為調(diào)整原則，從上部裝料制度與下部送風(fēng)制度上不斷進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，穩(wěn)定平臺(tái)、拓寬漏斗，在爐況穩(wěn)定順行基礎(chǔ)上確保煤氣流的合理分布，爐缸透液性指數(shù)提升15%以上，高爐燃料比降低34 kg/t的HM。開(kāi)發(fā)了高爐爐缸透液性監(jiān)測(cè)預(yù)警功能及響應(yīng)反饋功能，高爐塌料、滑料、管道行程等異常爐況發(fā)生頻率由28 次/月降低到3 次/月，顯著提高了高爐抗波動(dòng)能力，保障了高爐穩(wěn)定順行。

3 結(jié) 語(yǔ)

聯(lián)合特鋼以實(shí)現(xiàn)高爐長(zhǎng)周期穩(wěn)定高效低耗運(yùn)行為核心，開(kāi)展高爐合理原燃料結(jié)構(gòu)、高爐裝備維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化及低休風(fēng)率管控技術(shù)、高爐爐缸活躍狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)等方面研究。通過(guò)一系列關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，解決了高爐入爐原燃料不穩(wěn)、檢修周期短、煤氣利用率低、爐缸活躍狀態(tài)不明等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了高爐長(zhǎng)周期穩(wěn)定高效低耗冶煉。研究成果成功應(yīng)用于聯(lián)合特鋼3座1 080 m3高爐。主要實(shí)施效果有以下3方面。

（1）實(shí)現(xiàn)了焦炭、燒結(jié)礦及球團(tuán)礦成分與粒度的穩(wěn)定；塊礦含水量由3%～5%降低至0.6%，提高了塊礦入爐比例；研制了高鎂球團(tuán)，球團(tuán)MgO 含量達(dá)到1.33%～1.41%；高爐有害元素負(fù)荷降低，K負(fù)荷穩(wěn)定在1.6 kg/t 以下，Na 負(fù)荷持續(xù)降低至0.9 kg/t左右，Zn負(fù)荷穩(wěn)定在0.2 kg/t。

（2）高爐裝備使用壽命顯著提高。高爐檢修周期由原來(lái)的2～3個(gè)月延長(zhǎng)至6～9個(gè)月。研發(fā)的可視化氧槍?zhuān)@著提高了開(kāi)停爐效率。高爐休風(fēng)率由1.02%降低至0.5%。研究成果實(shí)施以后，高爐焦比下降35.17 kg/t，煤比提高19.52 kg/t，燃料比下降15.65 kg/t，為522.42 kg/t。

（3）聯(lián)合特鋼高爐在進(jìn)行長(zhǎng)周期穩(wěn)定高效低耗技術(shù)改進(jìn)之后，高爐成本顯著降低，取得良好結(jié)果。