修鶴

(河鋼集團(tuán)承鋼公司煉鐵事業(yè)部，河北承德067002)

摘要: 研究了富氧率對大高爐冶煉釩鈦磁鐵礦的影響規(guī)律，認(rèn)為穩(wěn)定風(fēng)量的富氧方式是高產(chǎn)能高爐選擇的較好富氧模式。在實(shí)際生產(chǎn)中通過優(yōu)化送風(fēng)制度、裝料制度、熱制度、造渣制度和操作細(xì)節(jié)等措施，使釩鈦磁鐵礦大高爐實(shí)現(xiàn)了長周期穩(wěn)定、高爐經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)一步改善。

關(guān)鍵詞: 高爐；釩鈦磁鐵礦；富氧率；穩(wěn)定風(fēng)量；操作制度

0 引言

高爐富氧技術(shù)是當(dāng)今世界鋼鐵工業(yè)增產(chǎn)節(jié)焦的重要技術(shù)。富氧可以提高煤粉在高爐風(fēng)口前的燃燒率，維持合適的理論燃燒溫度，增加噴煤量，從而實(shí)現(xiàn)以更多的廉價(jià)動(dòng)力煤粉代替價(jià)高的冶金焦，降低生鐵成本中的燃料費(fèi)用。并且在高爐冶煉過程中，富氧可以提高高爐生產(chǎn)率，增加產(chǎn)量，獲得顯著經(jīng)濟(jì)效益?？梢娞岣吒谎趼屎兔罕纫殉蔀楹愉摮袖摳郀t增產(chǎn)節(jié)焦、提高效益的潛力所在。為了進(jìn)一步改善高爐冶煉的效果、降低生鐵成本，對2 500 m³ 高爐富氧進(jìn)行系統(tǒng)研究，具有重要的實(shí)際意義。

1 理論研究

高爐富氧鼓風(fēng)可概括為3 種操作方式: ( 1) 保持風(fēng)量不變，提高氧氣配入量，即穩(wěn)定風(fēng)量的富氧操作; ( 2) 增加氧氣配入量，減少風(fēng)量，以維持爐腹煤氣量穩(wěn)定，即穩(wěn)定爐腹煤氣量的富氧操作; ( 3) 保持氧氣量不變，通過減少風(fēng)量以應(yīng)對爐內(nèi)壓差升高，使壓差相對穩(wěn)定以維持爐況順行，即穩(wěn)定壓差的富氧操作。高爐煉鐵中，高產(chǎn)能及經(jīng)濟(jì)效益是在爐況穩(wěn)定前提下實(shí)現(xiàn)的，而不同的富氧操作方式對爐況穩(wěn)定及高產(chǎn)能的影響存在差異^{［1，2］}。因此，有必要研究不同富氧操作方式對高爐冶煉的影響規(guī)律。相關(guān)理論研究得出如下結(jié)論:

①穩(wěn)定風(fēng)量的富氧操作方式，不同于傳統(tǒng)上的“減風(fēng)富氧”的操作方式，雖然兩者均以提高高爐產(chǎn)量為主要目的，但兩者的技術(shù)著眼點(diǎn)完全不同。對于爐內(nèi)物質(zhì)流的增大問題，前者重視“化解”，而后者則注重“抑制”。

②以“減風(fēng)富氧”為特征的穩(wěn)定爐腹煤氣量或者穩(wěn)定壓差的富氧操作方式，雖然能抑制爐腹煤氣量，但它們的風(fēng)口回旋區(qū)工作狀態(tài)以及滴落帶狀況等很難滿足高物質(zhì)流高爐的順行要求。特別是穩(wěn)定壓差的富氧操作方式更不可取。

③穩(wěn)定風(fēng)量的富氧操作方式下，盡管爐腹煤氣量相對大，但它具有高的鼓風(fēng)動(dòng)能、良好的回旋區(qū)工作狀態(tài)以及滴落帶透氣、透液通道增加等特征，對化解爐內(nèi)物質(zhì)流增大等高產(chǎn)能、高爐順行問題有重要作用，是高產(chǎn)能高爐選擇富氧操作的較好方式^［3］。故采用穩(wěn)定風(fēng)量的富氧操作方式。

1． 1 不同富氧噴煤條件對理論燃燒溫度的影響

當(dāng)鼓風(fēng)量不變時(shí)，提高鼓風(fēng)富氧率，風(fēng)口前燃燒的碳量增加，理論燃燒溫度隨之升高。穩(wěn)定較高的富氧量和高風(fēng)溫，不但可以保證大噴煤所需要的適宜的風(fēng)口前理論燃燒溫度，提高煤粉燃燒率，而且可對爐內(nèi)的成渣帶產(chǎn)生較大影響^［4］。

理論燃燒溫度經(jīng)驗(yàn)公式如式( 1) 所示:

t_理= 1 570 + 0． 808T_{風(fēng)溫}－ 5． 85W_濕度+ 4． 37W_氧量－ 2． 5W_煤           (1)

式中，T_{風(fēng)溫}———熱風(fēng)溫度，℃;

W_濕度———鼓風(fēng)濕度，g /m³ ;

W_氧量———1 000 m³ 風(fēng)中的富氧量，m³ ;

W_煤———1 000 m³ 風(fēng)中噴煤量，kg。

提高富氧率后，爐缸理論燃燒溫度升高。當(dāng)焦比、煤比不變，高爐冶煉其他參數(shù)不變時(shí)，鼓風(fēng)富氧率增加1%，理論燃燒溫度升高43 ℃。而噴煤使理論燃燒溫度下降，如果保持理論燃燒溫度不變，噴煤量增加10 kg /t，鼓風(fēng)富氧率應(yīng)增加0． 57%。因此，為保持合理的理論燃燒溫度必須增加噴煤量^{［5，6］}。

根據(jù)高爐經(jīng)驗(yàn)及理論計(jì)算，目前高爐理論燃燒溫度維持在2 250 ～ 2 300 ℃，爐況基本穩(wěn)定順行。若理論燃燒溫度維持2 250 ～ 2 300 ℃，富氧穩(wěn)定至2%，煤比必須提高至125 ～ 135 kg /t; 富氧提高至2． 5%，煤比應(yīng)該提高至135 ～ 145 kg /t; 富氧提高至3%，則煤比必須達(dá)到145 ～ 155 kg /t。

1． 2 富氧量對直接還原度的影響

不同富氧噴煤條件下直接還原度的確定，單從富氧對直接還原度的影響看，富氧既有利于間接還原發(fā)展的一面( CO 濃度增加) ，也有不利于間接還原發(fā)展的一面( 中溫區(qū)700 ～ 1 000 ℃縮短，爐料在中溫區(qū)停留時(shí)間縮短) ，2 個(gè)方面作用的結(jié)果，使直接還原度略有上升。富氧鼓風(fēng)往往與高爐噴煤相結(jié)合，使得爐內(nèi)煤氣還原勢大為增加，從而影響爐內(nèi)的間接還原和直接還原^［7］。不同噴吹條件下，直接還原度的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如式( 2) 所示:

γ_d = γ⁰_d × 10^－Sλ ( 0．684 + 0．01t^0．5_B) /( 0． 96 + 4φ)                (2)

式中，γ⁰_d———基準(zhǔn)期的值;

S———還原性物質(zhì)的噴吹量，m³ ( kg) /kg;

φ———鼓風(fēng)濕度，m³ /m³ ;

t_B———熱風(fēng)溫度;

λ———表明噴出物化學(xué)成分的系數(shù)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合目前生產(chǎn)條件下富氧率對高爐噴吹煤比的影響，得出隨著富氧率的上升，噴吹量增大，直接還原度下降，間接還原改善。

1． 3 對爐腹煤氣量的影響

風(fēng)口前生成的煤氣離開循環(huán)區(qū)直接進(jìn)入爐腹，所以爐腹煤氣量X_BG就是循環(huán)區(qū)形成的煤氣量，即爐腹煤氣量數(shù)值上等同于燃燒帶生成的煤氣量。

1． 3． 1 富氧后最大爐腹煤氣量的確定

高爐爐腹煤氣量是保證高爐順行和強(qiáng)化的重要指標(biāo)，爐腹煤氣量過大，透氣阻力過大，高爐容易發(fā)生管道、懸料等生產(chǎn)事故。爐腹煤氣量計(jì)算公式如式( 4) 所示:

V_BG = 1． 2V_B + 2V_氧+ 44． 8W_B × ( V_B + V_氧) /18 000+ 22． 4P_cH/120       (4)

式中，V_B———純風(fēng)量，Nm³ /min;

V_氧———富氧量，Nm³ /min;

W_B———濕份，g /Nm³ ;

P_C———噴吹煤粉量，t /h;

H———煤粉中［H］含量，%。

爐腹煤氣指數(shù)X_BG的定義如式( 5) 所示:

X_BG = 4V_BG /( πd² )                  (5)

式中，V_BG———爐腹煤氣量，m³ /min;

d———爐缸直徑，m。

在良好的操作條件下，各廠操作較好的高爐爐腹煤氣量指數(shù)均在58 ～ 66^［8］。通過高爐爐內(nèi)流態(tài)化和液泛分析，在理想操作狀態(tài)下，最大爐腹煤氣量指數(shù)限制在71． 0 以內(nèi)。當(dāng)最大爐腹煤氣量指數(shù)達(dá)70 時(shí)，計(jì)算得高爐的最大允許爐腹煤氣量為7 200m³。2 500 m³ 高爐目前爐腹煤氣量6 500 m3 左右，爐腹煤氣指數(shù)一般在62 ～ 64。可見2 500 m3 高爐爐腹煤氣進(jìn)一步增大的潛力很大，即提高富氧的潛力很大。

1． 3． 2 富氧率對爐腹煤氣量的影響

爐腹煤氣量隨富氧率的變化規(guī)律如圖1 所示。

保持鼓風(fēng)量不變，隨鼓風(fēng)中富氧率的提高，高爐單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的爐腹煤氣量增加，當(dāng)富氧率0 ～1． 5%時(shí)，富氧率每提高1%，單位時(shí)間生成的爐腹煤氣量平均增加3． 08%。當(dāng)富氧率1． 5% ～2． 5%時(shí)，富氧率每提高1%，單位時(shí)間生成的爐腹煤氣量平均增加2． 77%。當(dāng)富氧率2． 5% ～3． 5%時(shí)，富氧率每提高1%，單位時(shí)間生成的爐腹煤氣量平均增加1． 15%。

隨著富氧率的提高，送入高爐爐內(nèi)的氧氣總量增加，此時(shí)高爐需要提高冶煉強(qiáng)度，增加生鐵產(chǎn)量。

由于鼓風(fēng)氧氣濃度的增加，爐腹煤氣中的CO 濃度提高，從而提高了單位體積和單位生鐵的爐腹煤氣的熱能和化學(xué)能，既滿足冶煉單位生鐵熱能和化學(xué)能的需要，又為降低單位生鐵需要的爐腹煤氣量創(chuàng)造條件。因此高爐爐腹煤氣量增加，但生鐵產(chǎn)量較煤氣產(chǎn)量增加速度更快，單位生鐵的煤氣產(chǎn)量仍會隨著富氧率的增加而減少，如圖2 所示。

綜上可知，應(yīng)該采取必要的措施使?fàn)t腹煤氣量接近最大值。已經(jīng)接近最大值時(shí)，應(yīng)為高爐創(chuàng)造必要的條件，采取減少噸鐵爐腹煤氣量措施，保持爐況穩(wěn)定和順行，達(dá)到高產(chǎn)。

2 高爐提高富氧率操作

堅(jiān)持“以下部調(diào)劑為主，上部調(diào)劑為輔”，優(yōu)化高爐操作制度，保證高爐提高富氧率后，高爐指標(biāo)進(jìn)一步優(yōu)化。

2． 1 送風(fēng)制度關(guān)鍵技術(shù)

( 1) 在保證風(fēng)量不變的前提下提高富氧、煤比，均使?fàn)t缸生產(chǎn)的煤氣體積增大( 富氧提高1%，煤氣量變化能增加0． 83%) ，故在提高富氧率及噴煤比的情況下，各高爐根據(jù)煤氣量變化適當(dāng)擴(kuò)大風(fēng)口面積。富氧率由1． 91%提高至3． 0%左右時(shí)煤氣的體積變化如表1 所示。

隨著富氧率提高，風(fēng)口前理論燃燒溫度上升，煤氣體積膨脹，爐缸徑向溫度梯度徒增。在通過增加噴煤量降低風(fēng)口前理論燃燒溫度的同時(shí)，為保證合理的鼓風(fēng)動(dòng)能，高爐風(fēng)口面積擴(kuò)大2． 27%，高爐實(shí)際風(fēng)速維持在270 m /s 以上，鼓風(fēng)動(dòng)能在13 000 kJ /s以上，頂壓由原來的235 kPa 提高至240 kPa，保證了合理的爐缸煤氣流初始分布，同時(shí)爐缸的活躍程度得到明顯改善。

2． 2 裝料制度關(guān)鍵技術(shù)

( 1) 借鑒2015 年2 500 m³ 高爐提產(chǎn)攻關(guān)經(jīng)驗(yàn)，在高爐冶強(qiáng)大幅度提高的情況下，當(dāng)前裝料制度模式無法滿足高冶強(qiáng)生產(chǎn)，通過擴(kuò)大礦批及增大布料帶寬來穩(wěn)定中心煤氣流，具體如表2 所示。

2016 年3 座2 500 m³ 高爐均實(shí)現(xiàn)了3%的富氧率。主要制度如表3 所示。

隨著富氧率提高，高爐產(chǎn)量、煤比大幅度提高，高爐焦比降低，料柱透氣性下降，邊緣氣流發(fā)展。裝料制度主要調(diào)整方向?yàn)橄蛲鈹U(kuò)角，最外環(huán)錯(cuò)檔位，來穩(wěn)定邊緣氣流，發(fā)展中心。

通過優(yōu)化“平臺+ 漏斗”裝料制度，增加了礦石環(huán)帶寬度，在爐喉部位形成布料平臺。同時(shí)加重邊緣負(fù)荷，抑制邊緣煤氣流，穩(wěn)定煤氣流分布，保持煤氣利用率在48． 5% 以上，爐內(nèi)間接還原改善，直接還原降低，有效抑制了TiO₂的過還原。

2． 3 熱制度與造渣制度關(guān)鍵技術(shù)

提高富氧后，高爐產(chǎn)量增加，噸鐵熱收入減少，必須保證爐缸熱量充沛。因高爐冶煉釩鈦礦的特殊性，入爐原料中含有大量的TiO₂，在高爐內(nèi)硅和鈦都是較難還原的元素，其還原均需要消耗大量的熱量，故以鐵水［Si + Ti］作為冶煉釩鈦鐵高爐熱狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)^［9］。為確保鐵水質(zhì)量及工藝安全，降低鐵水［Si + Ti］必須以保證鐵水物理熱為基礎(chǔ)^［10］。

由表4、表5 可知，Ti( C，N) 數(shù)量隨溫度的升高而增多，且鈦的溶解度隨溫度的升高而增加。因此，隨鐵水溫度不斷降低，鐵中金屬鈦不斷析出，在鐵水碳飽和條件下形成TiC 集中在鐵滴表面。為了降低生鐵［Ti］，必須提高鐵水物理熱，提高爐缸熱儲備。通過對上下部操作制度的優(yōu)化，使高爐達(dá)到了上穩(wěn)下活的工作狀態(tài)，推行低硅鈦冶煉，爐渣堿度由2015 年的1． 15 提高至2016 年的1． 20，鐵水物理熱由2015 年的1 465 ℃提高至了2016 年的1 475 ℃，鐵水［Si + Ti］均值由2015 年的0． 351% 降低至了2016 年的0． 290%。

2． 4 冷卻制度關(guān)鍵技術(shù)

通過“穩(wěn)定中心，抑制邊緣煤氣流”的操作制度，形成了“爐體超低熱流強(qiáng)度”控制技術(shù)。其核心是“全爐熱流強(qiáng)度為11 000 w /m²，銅冷熱流強(qiáng)度21 000 w /m²”，維護(hù)了高爐合理的操作爐型，為高爐的穩(wěn)定、長壽創(chuàng)造了良好的條件。冷卻制度優(yōu)化效果如表6 所示。

2． 5 出渣出鐵管理制度關(guān)鍵技術(shù)

為保證低硅鈦低硫冶煉，必須降低渣鐵在爐內(nèi)滯留時(shí)間，對出鐵出渣提出更加嚴(yán)格的要求，故高爐進(jìn)行以下方面的管理。

(1) 冶強(qiáng)大幅度提高，提高富氧初期保持鐵次不變，適當(dāng)擴(kuò)大鉆頭，大高爐鐵流速增加4% ～ 6%。

(2) 鐵量增加后，鐵口及渣鐵溝侵蝕程度較之前嚴(yán)重。

①爐前加強(qiáng)點(diǎn)檢，每班至少點(diǎn)檢2 次，杜絕爐前事故的發(fā)生。

②完善各高爐的渣鐵溝澆注方法，并優(yōu)化澆注料，提高鐵溝通鐵量，延長倒場時(shí)間，減少修補(bǔ)次數(shù)。

(3) 根據(jù)高爐生產(chǎn)需要，提高泡泥質(zhì)量，穩(wěn)定鐵口深度、鐵口孔徑。

(4) 根據(jù)高爐鐵量及爐前出鐵出渣狀況，制定出鐵控制操作方針，保持合適的鐵次，確保渣鐵排出順暢。

(5) 在出鐵組織上嚴(yán)格執(zhí)行《定點(diǎn)出鐵制度》。

2． 6 實(shí)施效果

2 500 m³ 高爐提高富氧率前后主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)如表7 所示。

3 結(jié)論

(1) 提高煤比穩(wěn)定風(fēng)口前理論燃燒溫度，保持高爐實(shí)際風(fēng)速在270 m /s 以上，鼓風(fēng)動(dòng)能在13 500kJ /s 以上，同時(shí)風(fēng)口面積擴(kuò)大2． 27%，保證了合理的爐缸煤氣流初始分布。

(2) 優(yōu)化“平臺+ 漏斗”裝料制度，布料角度最外環(huán)錯(cuò)檔位、拉大帶寬，同時(shí)擴(kuò)大礦批、加重邊緣負(fù)荷，抑制邊緣煤氣流，保持煤氣利用率在48． 5%以上。

(3) 富氧率提高后，推行高堿度低硅鈦冶煉，爐渣二元堿度由2015 年的1． 15 倍提高至2016 年的1． 20 倍，鐵水物理熱由2015 年的1 465 ℃ 提高至2016 年的1 475 ℃，鐵水［Si + Ti］均值相應(yīng)地0． 351%降低至0． 290%。

(4) 通過“穩(wěn)定中心，抑制邊緣煤氣流”的操作，控制全爐熱流強(qiáng)度13 000 w /m²，銅冷熱流強(qiáng)度23 000 w /m²，維護(hù)了高爐合理的操作爐型，為高爐的穩(wěn)定、長壽創(chuàng)造了良好的條件。

(5) 富氧率提高后，高爐產(chǎn)量提高，采取擴(kuò)大鉆頭、鐵流速增加4% ～ 6% 的措施; 當(dāng)擴(kuò)大鉆頭不能滿足高爐生產(chǎn)需要時(shí)，出鐵鐵次增加至13 次以上，并嚴(yán)格執(zhí)行《定點(diǎn)出鐵制度》，確保及時(shí)出凈渣鐵。

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