陳 艷 輝
（山鋼股份萊蕪分公司 煉鐵廠，山東 萊蕪 271104）
摘 要：萊鋼3# 750 m3 高爐實(shí)施優(yōu)化燒結(jié)礦化驗(yàn)頻次、提高煤粉燃燒率、提高高爐鼓風(fēng)動(dòng)能、統(tǒng)一三班操作等快速改善項(xiàng)目。應(yīng)用大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，找出了降低生鐵硫含量的關(guān)鍵影響因素，建立了控制生鐵硫含量的數(shù)學(xué)模型，量化了高爐操作參數(shù)。通過改善項(xiàng)目的實(shí)施，3# 高爐生鐵含硫量均值下降到0.014 5%，生鐵一級品率由74.39%提升至98.18%，三類品率實(shí)現(xiàn)“0”的 突破。
關(guān)鍵詞：高爐；生鐵質(zhì)量；硫；一級品率；三類品率
1 前 言
降低鐵水含硫量可以縮短或去除煉鋼脫硫處理時(shí)間，降低脫硫費(fèi)用，增加廢鋼配加量；同時(shí)可縮短鐵水罐調(diào)運(yùn)周期，改善“轉(zhuǎn)爐等鐵、高爐憋風(fēng)等罐”的局面，對煉鋼、煉鐵生產(chǎn)過程穩(wěn)定和工序能耗降低都有重要影響。自2017年6月以來萊蕪分公司煉鐵廠生鐵質(zhì)量有了較大改善，2017年在線生產(chǎn)高爐6座，產(chǎn)量568萬t，生鐵含硫0.026%，一級品率73.1%，三類品率 3.3%，各項(xiàng)生鐵指標(biāo)連續(xù)突破歷史最好水平。但與全國高爐指標(biāo)及相關(guān)條件統(tǒng)計(jì)分析對比，萊蕪分公司煉鐵廠生鐵質(zhì)量尚有提升潛力，其中一級品率第4季度指標(biāo)79.8%與行業(yè)領(lǐng)先指標(biāo) 98% 有較大差距。本次攻關(guān)從全廠 6 座高爐中選取指標(biāo)較差的3# 750 m3 高爐作為試點(diǎn)展開項(xiàng)目分析，進(jìn)而推及全廠。
2 降低生鐵硫含量實(shí)踐
2.1 攻關(guān)思路
目前高爐日常操作主要用爐渣堿度控制生鐵含硫。然而高爐脫硫是一項(xiàng)很復(fù)雜的工作，鐵中含硫還受溫度、鐵水含硅量、渣量等諸多因素影響，不是堿度唯一因素決定［1］，因此實(shí)際生產(chǎn)中單純用爐渣堿度控制生鐵含硫的做法取得的效果有限?；诟郀t脫硫的復(fù)雜性，決定采用C&E矩陣、失效模式分析、多元回歸分析等工具，梳理工藝流程，逐步找出影響生鐵含硫量的關(guān)鍵因素，最終建立數(shù)學(xué)模型，從而量化參數(shù)、指導(dǎo)高爐操作。
2.2 工藝流程梳理及影響因子的初步篩選
1）從原料準(zhǔn)備、篩分、稱量、裝料布料、高爐冶煉、出鐵、爐外脫硫7個(gè)環(huán)節(jié)入手，仔細(xì)梳理各環(huán)節(jié)的操作、控制參數(shù)、過程步驟等共52項(xiàng)因子，如：焦炭成分、焦炭強(qiáng)度、焦炭粒度組成、燒結(jié)礦成分、燒結(jié)礦強(qiáng)度等。
2）將梳理的因子建立 C&E 矩陣表，讓值班工長、煉鐵專家憑操作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合高爐冶煉理論，判斷各因子對生鐵含硫的影響力度，并進(jìn)行打分。
3）對52個(gè)因子評分進(jìn)行分析，篩選出20個(gè)因子（占70%）：焦炭成分、造渣制度、燒結(jié)礦成分、焦比、煤比、槽下工藝稱、爐料結(jié)構(gòu)、噴吹煤成分、焦炭冷態(tài)強(qiáng)度、工業(yè)堿量、風(fēng)口冷卻設(shè)備、焦炭粒度組成、噴吹煤配煤比例、鐵水溫度、裝料制度、風(fēng)量、料種平衡、爐體冷卻設(shè)備、鐵水罐對罐、熱風(fēng)溫度。
4）對篩選出來的20個(gè)因子進(jìn)行失效模式分析（即FMEA分析），針對其影響的嚴(yán)重程度、頻次、檢測方法進(jìn)行打分，進(jìn)一步篩選因子，得到得分超過100分的11個(gè)關(guān)鍵因子（82%）。經(jīng)分析，其中燒結(jié)礦來料成分滯后、原煤可磨性差等6項(xiàng)因子原因清楚，可操作性強(qiáng)，可作為快速改善項(xiàng)目立即進(jìn)行改善；造渣制度制定不合理、熱制度不合理等 5 項(xiàng)因子需要應(yīng)用大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。
2.3 快速改善項(xiàng)目
2.3.1 優(yōu)化燒結(jié)礦化驗(yàn)頻次
由于生產(chǎn)節(jié)奏加快，燒結(jié)礦從取樣點(diǎn)運(yùn)輸?shù)礁郀t入爐并作用的時(shí)間縮短，導(dǎo)致時(shí)有出現(xiàn)來料成分滯后情況，有時(shí)高爐工長查閱到燒結(jié)礦成分再對爐料進(jìn)行調(diào)整時(shí)，該段爐料已作用一段時(shí)間。為此，調(diào)整燒結(jié)礦檢驗(yàn)頻次，將1 d檢驗(yàn)6次增加到7次，間隔由4 h縮短到3.5 h，來料成分滯后問題消除。
2.3.2 提高煤粉燃燒率
由于可磨性好的無煙煤供應(yīng)量減少，噴煤車間不得不下調(diào)該煤種配煤比例，為保證高爐煤粉供應(yīng)量，縮短中速磨磨煤時(shí)間，導(dǎo)致煤粉粒度加粗，4臺中速磨-0.074 mm 平均比例 56.5%，燃燒率下降。針對此情況，一方面增加中速磨磨煤時(shí)間，提升煤粉-0.074 mm比例至60%以上；另一方面擴(kuò)大噴槍內(nèi)徑至20 mm，減緩煤粉流速，促進(jìn)煤粉燃燒。
2.3.3 提高高爐鼓風(fēng)動(dòng)能
針對高爐鼓風(fēng)動(dòng)能不足，無法吹透中心的狀況，采取縮小風(fēng)口直徑，減小進(jìn)風(fēng)面積，提高風(fēng)速的措施，提升鼓風(fēng)動(dòng)能11%，確保爐缸活躍、中心氣流穩(wěn)定。
2.3.4 降低終渣堿度波動(dòng)
爐渣堿度高，有利于爐渣脫硫，但堿度波動(dòng)過大會導(dǎo)致爐渣粘度脫離適宜范圍，可能降低脫硫效果及爐缸活躍度，因此應(yīng)該穩(wěn)定爐渣堿度。針對工長調(diào)劑不及時(shí)引起的堿度波動(dòng)，強(qiáng)化操作管理，要求每班至少校核1次配料堿度，高爐操作日報(bào)表進(jìn)行記錄；同時(shí)每爐鐵目測實(shí)際渣樣，與化驗(yàn)結(jié)果對比調(diào)劑堿度，以便及時(shí)調(diào)劑，降低操作不當(dāng)引起的終渣堿度波動(dòng)。
2.3.5 冷卻設(shè)備漏水處理
冷卻設(shè)備侵蝕、磨損、燒損后向爐缸內(nèi)漏水，導(dǎo)致爐缸熱量、冷卻壁、生鐵成分波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)爐涼。一是規(guī)范風(fēng)口小套的安裝及使用；二是增加風(fēng)口巡檢次數(shù)，打壓檢漏，風(fēng)口破損及時(shí)更換；三是漏水冷卻壁視程度進(jìn)行倒沖、穿管或封堵。
2.3.6 提高燒結(jié)白灰質(zhì)量以穩(wěn)定燒結(jié)堿度
白灰對燒結(jié)堿度的影響主要有2方面，一是白灰質(zhì)量較差，表現(xiàn)為同一批來料質(zhì)量不勻，存在摻假行為；二是配料室人工手動(dòng)控制白灰下料量，下料流波動(dòng)大。針對這些情況，一方面加強(qiáng)白灰入廠把關(guān)力度，采取自動(dòng)取樣；優(yōu)化取樣流程，實(shí)行實(shí)名取樣制度，每班次多次取樣、留樣，根據(jù)燒結(jié)礦質(zhì)量復(fù)查燒結(jié)石灰質(zhì)量；修改生石灰采購合同，調(diào)整減價(jià)方式，增加活性度等指標(biāo)；另一方面在配料室采用“均值定量”自動(dòng)調(diào)整給料量，即根據(jù)白灰計(jì)量波動(dòng)大的特點(diǎn)，選取一段時(shí)間內(nèi)的累計(jì)均值作為參考量，實(shí)現(xiàn)給料調(diào)整自動(dòng)化。
2.4 大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析
在因子的初步篩選環(huán)節(jié)，篩選出 5 個(gè)因子，分別是：階段配加水熄焦、料場焦；造渣制度制定不合理；熱制度不合理；配加高硫煤煉焦；焦炭冷強(qiáng)度低。需要應(yīng)用大數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)一步驗(yàn)證其對生鐵含硫的影響顯著性，從而建立多元回歸方程，指導(dǎo)生產(chǎn)。
2.4.1 影響因子的數(shù)據(jù)化
由于建立多元回歸方程需要用數(shù)據(jù)來進(jìn)行，因此需要選取數(shù)據(jù)對這 5 個(gè)因子進(jìn)行參數(shù)衡量。經(jīng)團(tuán)隊(duì)討論后選取參數(shù)如下：用焦炭水分表征階段配加水熄焦、料場焦；用爐渣二元堿度R2、爐渣鎂鋁比MgO/Al2O3表征造渣制度；用鐵水溫度T 鐵、生鐵含硅［Si］表征熱制度；用焦炭含硫量表征配加高硫煤煉焦；用焦炭M10指標(biāo)表征焦炭冷強(qiáng)度低。這樣分析的因子變?yōu)?個(gè)，即焦炭水分、爐渣二元堿度R2、爐渣鎂鋁比MgO/Al2O3、鐵水溫度T 鐵、生鐵含硅［Si］、焦炭含硫、焦炭M10。
2.4.2 數(shù)據(jù)的收集整理。
由于高爐影響因素較多，攻關(guān)僅選取了7個(gè)因子進(jìn)行分析，因此需要保證其他未選中的影響因子相對穩(wěn)定，跨時(shí)不宜過長。收集2018年3月1日—8月31日共計(jì)6個(gè)月的單爐生鐵數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析。在收集期間高爐操作不做大的改動(dòng)，燒結(jié)配礦也不做大的調(diào)整，入爐料種及結(jié)構(gòu)也應(yīng)相對穩(wěn)定。本次數(shù)據(jù)收集主要涉及到爐渣、鐵水、焦炭 3方面數(shù)據(jù)，其中爐渣和鐵水是完全對應(yīng)的，但焦炭的檢驗(yàn)時(shí)間和作用到當(dāng)爐鐵水有一個(gè)時(shí)間差。為準(zhǔn)確衡定這個(gè)時(shí)間差，跟蹤了焦炭輸料、取樣、制樣、入倉、入爐全過程，計(jì)算從焦炭成分上網(wǎng)與焦炭入爐的時(shí)間差，再加上冶煉周期的時(shí)間，得出焦炭成分上網(wǎng)時(shí)間與作用到當(dāng)爐鐵水大約相差5 h，以此調(diào)整焦炭檢驗(yàn)數(shù)據(jù)與鐵水?dāng)?shù)據(jù)相對應(yīng)。
2.4.3 篩選顯著因子建立多元回歸方程
用收集到的 7 個(gè)因子的數(shù)據(jù)建立多元回歸方程，根據(jù)其顯著性判斷系數(shù)、方差膨脹因子、方差分析等依次刪除不顯著的因子，最后得到4個(gè)關(guān)鍵因子：爐渣二元堿度 R2、爐渣鎂鋁比 MgO/Al2O3、生鐵含硅［Si］、焦炭含硫。幾個(gè)因子的交互效應(yīng)、二階效應(yīng)對生鐵含硫的影響均不顯著。最終得到的多元回歸方程為：
［S］=0.121 5-0.086 5×堿度-0.116 7×鎂鋁比-0.052 2×［Si］+0.097 2×焦炭S。
多元回歸分析過程中篩除了3個(gè)非關(guān)鍵因子， 即：鐵水溫度、焦炭水分、焦炭 M10，與專業(yè)知識不符。結(jié)合當(dāng)前 3 個(gè)因子的取值范圍分析，鐵水溫度、焦炭M10已滿足高爐工藝專業(yè)需要，所以對目標(biāo)影響不顯著，因此可以把這2個(gè)因子固定下來進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化控制；而焦炭水分的影響主要體現(xiàn)在干熄焦與水熄焦轉(zhuǎn)換初期，焦炭水分大幅波動(dòng)導(dǎo)致高爐焦炭負(fù)荷波動(dòng)從而引起［Si］波動(dòng)，一般持續(xù) 1～2 個(gè)班，待水分穩(wěn)定后影響消除，除非輸焦線做改造該因子的影響方可消除，目前不可避免。
建立方程后，隨機(jī)收集了 76 爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)用模型預(yù)測進(jìn)行檢驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)際生鐵含硫與預(yù)測結(jié)果如圖1所示。其中18爐鐵實(shí)際值落在預(yù)測區(qū)間外，命中率76%。這18爐中，有3爐偏差量較大，分別為0.005、0.006、0.008，其余 15 爐偏差量都在 0.003 以內(nèi)，生產(chǎn)上可以接受。說明該模型合理、可用。
2.4.4 確定因子最佳范圍，量化操作參數(shù)
設(shè)置 4 個(gè)關(guān)鍵因子的不同取值水平的各種組合，利用得到的多元回歸方程進(jìn)行預(yù)測計(jì)算，根據(jù)95%的預(yù)測上下限得到各因子的最佳范圍。爐渣堿度 1.225～1.265；爐渣鎂鋁比 0.425～0.505；生鐵含硅0.24%～0.43%；焦炭含硫＜0.8%。
需要說明的是，根據(jù) CaO-SiO2-Al2O3-MgO 四元渣系的熔化溫度狀態(tài)圖及CaO-SiO2-Al2O3-MgO四元渣系等黏度圖［2］，爐渣的堿度與鎂鋁比必須滿足一定的對應(yīng)關(guān)系才能確保其黏度、熔點(diǎn)適宜。因此在利用模型時(shí)應(yīng)先遵循工藝制度的要求。通過模型計(jì)算可知，焦炭含硫＜0.8%時(shí)，在最佳范圍內(nèi)選取適宜的堿度與鎂鋁比對應(yīng)值，確保爐渣熔點(diǎn)、粘度適宜后，［Si］取低水平0.24%，即可實(shí)現(xiàn)生鐵硫含量在0.03%以內(nèi)。但是焦炭含硫受限于上道工序焦化廠控制，高爐生產(chǎn)工序只能根據(jù)來料成分來調(diào)整操作，進(jìn)而控制生鐵硫含量，因此實(shí)際生產(chǎn)中會出現(xiàn)焦炭含硫＞0.8%的情況。當(dāng)含硫＞0.8% 時(shí)，需要提升［Si］來控制生鐵含硫，根據(jù)模型計(jì)算［Si］上調(diào)的幅度可參考：焦炭含硫+0.01%，［Si］相應(yīng)提高0.015%～0.02%；同時(shí)對焦化廠提出改善要求，使其滿足高爐低硅冶煉生產(chǎn)需要。
3 效果分析
3.1 指標(biāo)情況
通過改善實(shí)施，3# 750 m3 高爐生鐵含硫量逐步下降，10月份均值下降到0.014 5%，生鐵一級品率由 74.39% 提升至 98.18%，三類品率由 2.88% 降至0%，生鐵質(zhì)量顯著提高；改善后與改善前相比生鐵含硫量的控制過程波動(dòng)幅度減小，總體均值得到降低，標(biāo)準(zhǔn)差得到顯著改善。
3.2 效益
根據(jù)萊鋼生鐵加減價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算鐵水加減價(jià)年效益為 200 余萬元；減少了工業(yè)輕堿的使用量，年效益30余萬元。攻關(guān)完成后基本去除了煉鋼脫硫處理時(shí)間及脫硫費(fèi)用，進(jìn)而縮短鐵水罐調(diào)運(yùn)周期，提高鋼、鐵產(chǎn)量；同時(shí)減少脫硫造成的鐵水熱量損失，為轉(zhuǎn)爐增加廢鋼配加量降低噸鋼成本創(chuàng)造條件。
4 結(jié) 論
4.1 應(yīng)用科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治龇椒?、工具可?zhǔn)確找出影響當(dāng)前高爐生鐵含硫的關(guān)鍵因子，從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量指標(biāo)的快速提升。
4.2 在攻關(guān)過程中，統(tǒng)計(jì)分析的精準(zhǔn)要求同粗放式生產(chǎn)及以往的慣性思維經(jīng)常性地形成矛盾沖突，跳出傳統(tǒng)操作視角換一個(gè)通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的角度來看待高爐操作，有助于轉(zhuǎn)變思維模式，是煉鐵工作者對固有操作習(xí)慣、思路的一種革新。
4.3 大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)尤其擅長解決像高爐這種影響因素較為復(fù)雜的問題，因此可以推廣到高爐其他方面的操作控制上。將高爐煉鐵日常生產(chǎn)的控制參數(shù)加以統(tǒng)計(jì)分析，可以有效地幫助我們量化操作參數(shù)，有的放矢，為科學(xué)準(zhǔn)確地解決問題提供可靠依據(jù)，從而逐步實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化穩(wěn)定生產(chǎn)。
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