王小艾1，姜 鑫2，田曉文3，李 洋3，陳 俊3
( 1． 河鋼集團鋼研總院，河北 石家莊 050023; 2． 東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110000; 3． 河鋼集團宣鋼公司， 河北 宣化 075100 )
摘要: 為解決 2 500m3 高爐穩(wěn)定性差、煤比低、焦比高的技術(shù)難題，早日實現(xiàn)提煤降焦，河鋼宣鋼與河鋼鋼研和東北大學(xué)合作，針對高爐冶煉過程中原燃料中堿金屬及其行為、噴吹煤粉和焦炭性能以及礦焦混裝方式等因素對高爐透氣性的影響開展了全面研究。開發(fā)了高爐堿負荷 － 煤粉 － 焦炭的交互作用理論體系，并在 2500 m3 高爐上進行了規(guī)?；瘧?yīng) 用。結(jié)果顯示: 高爐煤比提高 40 kg /t HM，焦 比 降 低33 kg /tHM，經(jīng)濟技術(shù)指標顯著提高。
關(guān)鍵詞: 高爐；堿金屬；噴煤比；焦比
0 引言
長期以來，河鋼宣鋼 2 座 2500 m3 高爐存在著壓差高、噴煤比低、焦比高、爐況穩(wěn)定性差的問題，尤其是高焦比、低噴煤比導(dǎo)致高爐經(jīng)濟技術(shù)指標與先進企業(yè)差距較大。經(jīng)過多次攻關(guān)調(diào)整，整體經(jīng)濟技術(shù)指標與爐況穩(wěn)定性得到一定改善，但仍不理想。
為突破技術(shù)瓶頸，河鋼宣鋼與河鋼鋼研和東北大學(xué)合作，針對煉鐵原燃料性能、高爐透氣性影響因素、堿金屬 － 焦炭的相互作用機理及規(guī)律等開展了全面研究，明確了影響指標提升的關(guān)鍵因素及其內(nèi)在聯(lián)系，找出了煤比難以提高的原因，為提高煤比指明了方向。
1 關(guān)鍵技術(shù)研究
通過試驗、數(shù)據(jù)分析及與行業(yè)內(nèi)其他高爐對比發(fā)現(xiàn)，噴吹煤粉的基礎(chǔ)性能( 如，化學(xué)成分、輸送性能、可磨性、燃燒性、爆炸性等) ，鐵料及配礦因素， 并不是影響高爐指標提升的關(guān)鍵因素［1］。同時還發(fā)現(xiàn)高爐堿金屬富集、焦炭熱性能及其與堿金屬的交互作用行為、高爐透氣性等因素是影響高爐噴煤比提高的關(guān)鍵; 礦焦混裝及其方式對料柱透氣性影響顯著; 并探究出一定堿負荷條件下焦比與煤比的對應(yīng)關(guān)系。
1． 1 堿金屬來源及其影響
1． 1． 1 堿金屬來源及負荷
原燃料中堿金屬含量如圖 1 ～ 6 所示?？梢钥闯觯愉撔撍媒固康膲A金屬含量并不高，高爐中的堿金屬主要來自礦石和煤粉。由于堿金屬對高爐料柱透氣性及經(jīng)濟技術(shù)指標影響較大，要想保證高爐的透氣性，就必須降低礦石和煤粉的堿金屬帶入量。2018 年下半年以前，河鋼宣鋼高爐堿負荷在行業(yè)中處于偏高水平。隨著對噴煤比影響因素的深入研究，逐步意識到改變原料條件、降低堿負荷的重要性和緊迫性。從 2018 年下半年起，逐步將堿負荷降低至 2． 0 kg /tHM以下。
1． 1． 2 焦炭熱性能及與堿金屬交互行為
焦炭反應(yīng)性及反應(yīng)后強度檢測結(jié)果如表 1 所示。
兩種自產(chǎn)焦性能比較穩(wěn)定，但與 H 鋼和 An 鋼( 行業(yè)內(nèi)典型企業(yè)) 焦炭質(zhì)量相比仍有差距，這正是限制河鋼宣鋼提煤降焦的影響因素之一。外購焦整體質(zhì)量比自產(chǎn)焦差，不利于保證高爐透氣性和受風(fēng) 受煤能力。要想提煤降焦，需要提高入爐焦炭質(zhì)量，改善軟熔帶透氣性。
為考察堿金屬行為對焦炭熱性能的影響，對浸堿后焦炭的熱態(tài)性能進行了試驗［2］。K2O 含量及焦炭的熱態(tài)性能指標變化情況如表 2 所示。
從試驗結(jié)果可以看出，質(zhì)量越好的焦炭，抗堿能力越差。因此，在提高焦炭質(zhì)量的情況下，一定要注意控制堿負荷，否則即使焦炭質(zhì)量提高了，噴煤比也難以提高，這也是該研究提出的提煤降焦的重要技術(shù)措施之一。
1． 1． 3 浸堿后焦炭熱性能及與堿金屬交互行為
堿金屬是焦炭溶損反應(yīng)的催化劑，隨著焦炭浸堿量的增加，焦炭反應(yīng)性都明顯增加; CSR 有降低，但也有的變化不大。其根本原因主要是焦炭與 CO2發(fā)生的溶損反應(yīng)屬于氣 － 固類非均相反應(yīng)，是通過 CO2 和焦炭表面上活化點不斷反應(yīng)來完成。目前，普遍接受的溶損反應(yīng)過程機理是“內(nèi)擴散控制”和“界面反應(yīng)控制”兩類。因此，CSR 有降低也有變化 不大的本質(zhì)原因由焦炭溶損反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)決定的。
對于質(zhì)量較好的焦炭，溶損反應(yīng)過程由“界面反應(yīng)控制”。該過程為一級不可逆反應(yīng)，氣化反應(yīng)速率可由相界面反應(yīng)或局部反應(yīng)控制的 Mckewan 方程( 1) 表示。這種情況下 CO2 可以擴散至焦炭顆粒內(nèi)部，使得 CO2 在焦炭表面和內(nèi)部同時發(fā)生反應(yīng)，從而破壞焦炭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。堿金屬含量越高，對焦炭內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞越強，反應(yīng)后強度 CSR 降低越明顯。
1 － ( 1 －R) 1 /3 = kt (1)
式中，R———反應(yīng)半徑，cm;
k———反應(yīng)常數(shù);
t———反應(yīng)時間，min。
界面反應(yīng)控制時反應(yīng)體系 CO2 氣體濃度分布如圖 7 所示。
對于質(zhì)量較差的焦炭，如外進焦炭，溶損反應(yīng)過程由“內(nèi)擴散控制”，該擴散過程符合菲克定律，反應(yīng)速率可由 Ginstling － Brounshtein 方程( 2) 或者Jander 方程( 3) 表示。這種情況下，由于焦炭本身溶損反應(yīng)速度比較快，再加上堿金屬的催化作用，使得CO2 難以擴散至焦炭顆粒內(nèi)部，對焦炭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響較小。因此，堿金屬含量越高，焦炭反應(yīng)性越高，但反應(yīng)主要發(fā)生在表面，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞較小，而實驗過程中的高溫加熱對焦炭內(nèi)部結(jié)構(gòu)又提供一次高溫結(jié)焦的作用( 為提高產(chǎn)量和降低成本，焦炭生產(chǎn)過程中存在著結(jié)焦溫度或結(jié)焦時間不夠的現(xiàn)象，產(chǎn)生了部分質(zhì)量較差的生焦) ，因此質(zhì)量較差的焦炭浸堿后反應(yīng)后強度 CSR 變化不大( 略微升高) 。
1－ 2 /3R － ( 1 － R) 2 /3 = kt ( 2)
［1 － ( 1 － R) 1 /3］2 = kt (3)
1． 2 礦焦混裝對料柱透氣性影響及其加入方式
生產(chǎn)實踐證明，熔滴性能可準確反映軟熔帶透氣性的變化情況。
1． 2． 1 熔滴性能分析
試驗加入的焦丁量按計算溶損反應(yīng)碳消耗量的40% 與礦石混合加入。熔滴試驗對比如圖 8 和表 3所示。
通過礦焦混裝，壓差降低了 36% ，說明礦焦混裝對于改善熔滴性能以及料柱透氣性效果明顯。由于焦炭混入燒結(jié)礦中，會發(fā)生碳的熔損反應(yīng)，提高氣氛還原勢，F(xiàn)eO 含量降低，渣的熔點提高，從而導(dǎo)致TS 溫度上升。礦焦混裝的方式焦炭中的灰分會以SiO2 形式進入初渣中，使得初渣堿度降低，使熔點初渣降低，而且液相量增加顯著，這是礦焦混裝 TD降低的根本原因［3］。
1． 2． 2 混裝焦丁加入量的控制
焦丁的加入量由高爐直接還原度決定的，即有多少碳發(fā)生溶損反應(yīng)。發(fā)生溶損反應(yīng)的碳，來源于焦丁或大塊焦，其消耗量是固定的。沒有焦丁時，就與大塊焦反應(yīng)。試驗證明，焦丁的加入量可取溶損反應(yīng)碳量的 0． 4 ～ 0． 7 倍系數(shù)，其余由未燃煤粉和大塊焦參加反應(yīng)，這樣加入的焦丁不會影響焦窗透氣性。實際生產(chǎn)中需要結(jié)合生產(chǎn)數(shù)據(jù)定量分析［4］。
1． 2． 3 混裝焦丁加入粒度的控制
焦丁粒度不易太大，否則易造成分布不均，并在塊狀帶發(fā)生偏析。建議焦丁粒度下限為 7 ～ 8 mm ( 5 mm 篩子) ，上限為 25 mm，在進入軟熔帶前必須消耗掉，否則變成焦粉，初渣變粘。
1． 3 堿負荷 － 焦比 － 煤比關(guān)系
基于原燃料條件和生產(chǎn)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得出焦比和煤比的關(guān)系式，用于計算一定堿負荷條件下對應(yīng)的焦比與煤比［5］。
焦比 = 堿負荷 × 0． 022 8 + 264． 31 ( 4)
煤比 = 堿負荷 × ( － 0． 027) + 256． 63 ( 5)
2 技術(shù)措施
2． 1 控制堿金屬富集
河鋼宣鋼從控制含鐵原料和煤粉堿金屬含量入手，同時綜合考慮冶金性能降低堿負荷。通過一段時期控制，堿金屬富集得到了有效改善。近年來河鋼宣鋼高爐的堿金屬平衡分析如圖 9 所示。
2． 2 焦炭高效利用
為了保證焦丁的加入量和大塊焦的粒度均勻性，設(shè)定焦丁粒度為 8 ～ 25 mm。生產(chǎn)中適當(dāng)擴大焦炭入高爐篩孔的上限尺寸，將焦丁配比提高 5 ～ 10kg /tHM。焦丁配入量增加及粒度變化使焦窗焦炭的尺寸區(qū)間變小，有利于焦炭整粒，提高焦窗焦炭的強度，保證軟熔帶焦窗的透氣性。
嚴格控制煉焦用煤的堿金屬含量，通過合理配煤提高焦炭熱性能并降低灰分［6］，使得焦炭整體質(zhì)量有所提高，M40由 84% 提高至 85% ，反應(yīng)后強度由63% 提高到 66% 。
2． 3 基于堿負荷 － 焦比 － 煤比關(guān)系的提煤降焦操作
以堿負荷 － 焦比 － 煤比關(guān)系為基礎(chǔ)，首先確定合理的焦比，再提高煤比。
2． 4 高爐操作
適當(dāng)發(fā)展中心氣流，提高鼓風(fēng)動能，吹透中心。階段性調(diào)整爐渣堿度，提高爐渣排堿能力應(yīng)對堿負荷高對高爐的影響［7，8］。
針對 2018 年以來風(fēng)溫大幅度下降的現(xiàn)狀，通過提高爐腹煤氣指數(shù)和富氧率，保證鼓風(fēng)帶入的熱量和煤粉的快速燃燒，減少不利影響［9，10］。
3 實施效果
1 號高爐煤比由 135 kg /tHM 提高至175 kg /tHM( 2019 年位列全國同級別高爐首位) ，2 號高爐煤比由120 kg /tHM 提 高 至 160 kg /tHM，焦比降低約33 kg /tHM，取得了良好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟效益、社會效益。1 號、2 號高爐熱風(fēng)溫度降低 50 ℃左右的情況下能耗指標變化趨勢如圖 10 所示。
4 結(jié)論
( 1) 堿金屬對高爐爐況和指標提升影響巨大， 必須嚴格控制其在煉鐵系統(tǒng)中的富集。
( 2) 堿金屬、煤粉、焦炭的交互行為在高爐中有規(guī)律可循，質(zhì)量越好的焦炭，抗堿能力越差。
( 3) 適當(dāng)提高焦丁混裝比例，控制好焦丁粒度和加入方式可以有效提高高爐透氣性。
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