陳畏林， 李 熠， 宋 釗， 鳳林興
（武漢鋼鐵有限公司煉鐵廠，湖北 武漢 430080）
摘 要：重點分析了武鋼８號高爐從2009年投產(chǎn)至今11年，在高爐爐型設(shè)計、進風(fēng)面積、煤氣利用、爐身黏結(jié)等方面的調(diào)整變化，通過逐步縮小進風(fēng)面積確保高爐足夠的鼓風(fēng)動能活躍爐缸，調(diào)整中“以風(fēng)為綱”，調(diào)整中心加焦量與邊緣布礦量，維持“中心氣流適當發(fā)展，邊緣氣流適當抑制”的動態(tài)平衡。高爐11年來一直保持著良好的生產(chǎn)節(jié)奏，累計利用系數(shù)達到2.36ｔ／（ｍ３·ｄ）。投產(chǎn)１１年高爐目前的爐缸狀態(tài)良好，高爐具備延續(xù)長壽的條件。
關(guān)鍵詞：高爐；調(diào)整；氣流；爐缸；長壽
武鋼８號高爐有效容積為4117ｍ3，采用爐缸薄爐襯銅冷卻壁爐身，爐底采用復(fù)合碳磚陶瓷杯墊底。于2009年８月１日投產(chǎn)，至今投產(chǎn)11年，高爐一直保持良好的生產(chǎn)節(jié)奏，各項指標穩(wěn)步提升，截止2020年，高爐累計產(chǎn)鐵4060.86萬ｔ，年均產(chǎn)鐵量356.19萬ｔ，產(chǎn)鐵量達到高爐設(shè)計指標（332.5萬ｔ）的107.1％，單位容積累計產(chǎn)鐵量9863.63ｔ／ｍ3，累計利用系數(shù)達到 2.36ｔ／（ｍ3 ·ｄ）。 目前，中國4000ｍ3 級高爐長壽的代表—寶鋼2號高爐（爐容4063ｍ3）一代爐齡達到15年，單位容積產(chǎn)鐵量超過10000ｔ／ｍ3。武鋼８號高爐在4000ｍ3 級高爐中高效、長壽方面有望趕超寶鋼２號高爐。為此，本文重點從８號高爐的爐型設(shè)計、高爐參數(shù)調(diào)整、高爐爐缸狀態(tài)等方面分析，給國內(nèi)大型高爐長效穩(wěn)定運行提供生產(chǎn)實踐經(jīng)驗指導(dǎo)。
1 高爐投產(chǎn)11年的主要經(jīng)濟技術(shù)指標
８號高爐投產(chǎn)11年一直保持良好的生產(chǎn)節(jié)奏，８高爐投產(chǎn)11年的主要經(jīng)濟技術(shù)指標見表１，其中，在投產(chǎn)初期３年（2010—2012年）和2019年，該高爐年產(chǎn)鐵均達到了360萬ｔ以上。尤其是2019年，通過精細化操作，克服了外圍原燃料條件波動的不利因素，在投產(chǎn)10年之際，該高爐仍能夠維持高效生產(chǎn)模式，充分肯定了高爐的參數(shù)調(diào)控“以風(fēng)為綱”的方針，“大風(fēng)治百病”，維持足量的鼓風(fēng)，才能為爐況調(diào)整創(chuàng)造條件，爐況的長效穩(wěn)定，才能最大限度發(fā)揮高爐高效低耗的潛能［1－2］。
2 高爐設(shè)計爐型
武鋼煉鐵廠自1991年引進國際技術(shù)建設(shè)投產(chǎn)５號高爐（3200ｍ3），開始邁入大型高爐的生產(chǎn)模式。進入21世紀，由引進吸收逐漸轉(zhuǎn)為自主創(chuàng)新階段，6、7、8號高爐相繼建設(shè)投產(chǎn)，爐容由3000ｍ3 級擴大到4000ｍ3級，高徑比由５號高爐的2.186、6號和7號高爐的2.216縮小到８號高爐的2.1，高爐在爐型的設(shè)計上向矮胖型發(fā)展。目前，在國內(nèi)大型高爐中，寶鋼的３號高爐（4850ｍ3）是矮胖型高爐的典型代表，高徑比已經(jīng)縮小到1.951［3］。武鋼８號高爐吸收了6、7號高爐的經(jīng)驗，在爐身下部8段9段、爐腰7段、爐 腹6段、爐 缸高熱負荷區(qū)均采用銅冷卻壁，加大了高熱負荷區(qū)的冷卻傳熱，降低了此區(qū)域內(nèi)冷卻壁的損 壞。在爐身上部 10段、11段使用更耐磨的鑲磚雙層球墨鑄鐵冷卻壁代替鑄鋼冷卻壁，提高了冷卻壁的抗磨損能力。爐底碳磚上部鋪墊兩層陶瓷杯杯底，有效減小了鐵水對爐底碳磚的直接侵蝕，碳磚以下鋪設(shè)水冷管，加大爐底的冷卻傳熱，大大延長了爐底的使用壽命［4－5］。
3 風(fēng)口進風(fēng)面積的變化
如圖１所示，８號高爐開爐初期2009—2012年，進風(fēng)面積由0.4948ｍ2 （８個風(fēng)口直徑140 ｍｍ＋28個風(fēng)口直徑130ｍｍ）逐步縮小到0.4800ｍ2，此階段以 “大進風(fēng)面積，大風(fēng)量”為主，平均風(fēng)量在7350～7600ｍ3／ｍｉｎ之間。由于原燃料質(zhì)量較好，負荷輕，焦層布焦量大，整體料柱透氣性較好，高爐制度上以 Ｃ987651－332222.5＋OL98765－44322＋ OS98－31為主，在氣流的調(diào)整上以小燒在10號9號8號角位的布礦量來調(diào)整邊緣氣流，中心焦在2～3環(huán)之間調(diào)整，整體氣流調(diào)整“以適當抑制中心和邊緣兩股氣流”為主。
2013—2017年，隨著鋼鐵行業(yè)過剩產(chǎn)能的殘酷競爭，很多企業(yè)不得不降低采購成本，以緩解生存壓力，原燃料質(zhì)量下降，礦石鐵品位下降，高爐渣比增加，風(fēng)量不穩(wěn)定，爐況易波動。為了提高高爐抵御原燃料變化的能力，高爐在氣流調(diào)整上“以打通中心為基礎(chǔ)，適當發(fā)展邊緣氣流”，進風(fēng)面積由0.4800ｍ2逐步縮小到0.4661ｍ2，取消直徑φ140mm的風(fēng)口，以φ130ｍｍ＋φ120ｍｍ 風(fēng)口為主，以此提高鼓風(fēng)風(fēng)速和鼓風(fēng)動能，活躍爐缸，改善初始煤氣流的分布。在布料制度上，中心焦在3～4環(huán)之間調(diào)整，制度上OS987－221，適當減少邊緣布礦量，保證中心氣流發(fā)展的同時，邊緣氣流不至于過分抑制，以此達到兩股氣流均衡發(fā)展。調(diào)整后如圖2所示，雖然風(fēng)量由2013年的年均風(fēng)量7442ｍ3／min呈逐年遞減趨勢，到2017年年均風(fēng)量只有7017m3／min，但是高爐的爐況波動受控，年產(chǎn)量仍然能達到350萬t以上。
2018—2020年，鋼鐵行業(yè)有所回暖，原燃料質(zhì)量有所改善，高爐進風(fēng)面積延用0.4661m2，2020年9月擴大到0.4700m2。高爐調(diào)整以“減小爐況波動，降低燃料比，降低生鐵成本”為主，為了降低燃料消耗，在中心焦的消耗上產(chǎn)生過一些分歧，中心一段時間使用2環(huán)焦，調(diào)整前期，煤氣利用大幅提升，燃料比有所下降，但是隨著原燃料質(zhì)量的不穩(wěn)定，高爐爐溫和爐渣堿度波動，由于“中心和邊緣兩股氣流都不發(fā)展”，造成自身抵御波動的能力不足，爐況反而頻繁波動［6］。后期，果斷加大中心焦量4～5環(huán)，同時適當縮小大燒布料角度，以此壓制中心氣流，防止中心過吹。小燒與大燒錯角位布料，小燒角度適當外移，以此壓制邊緣氣流，維持適宜的“漏斗型”料層結(jié)構(gòu)，操作上“以風(fēng)為綱”，高爐抵御外圍波動的能力明顯提高，爐況整體更加平穩(wěn)，尤其是2019年，高爐在投產(chǎn)10年之際再創(chuàng)佳績，年產(chǎn)量再破360萬ｔ大關(guān)，年產(chǎn)鐵362.21萬t。
4 煤氣利用率的控制
合理的煤氣分布就是采用適當?shù)乃惋L(fēng)制度和裝料方法控制好兩股煤氣流的發(fā)展，在順行的基礎(chǔ)上，達到煤氣利用最好和燃料消耗最低的目的［7］。在日常操作中，高煤氣利用率有助于降低燃料的消耗。目前，武鋼在煤氣利用率的控制上與寶鋼還存在差距，寶鋼的年均煤 氣利用率不小于50％，而武鋼年均煤氣利用率僅維持在48％左右。主要原因還是原料質(zhì)量穩(wěn)定性上存在差距，高煤氣利用的控制需要料柱保持良好的透氣性，在原料無法保證下如果片面地追求高煤氣利用，爐況的穩(wěn)定性得不到保障。
圖3所示為8號高爐投產(chǎn)11年的煤氣利用率變化，由圖3可知，2012年之前，由于大顆粒焦炭使用量大，高爐“大進風(fēng)面積，大風(fēng)量”的操作模式，整體料柱透氣性好，造成煤氣利用不高，年均煤氣利用率在46％以下，燃料消耗偏高，燃料比在525ｋｇ／ｔ以上。2011年8月之后，高爐在原有礦石中混裝小焦丁的模式下，增加粒度比焦丁更小的回用焦量（1～2ｔ），一方面減小了大顆粒焦炭的消耗，相對攤薄了焦炭層，間接抑制了煤氣流焦窗層的通過量，延長了爐內(nèi)煤氣流的滯留時間，改善了煤氣利用；另一方面，礦石中混裝小顆粒的回用焦，提高了礦石軟熔層的透氣性，改善了煤氣流的二次分布，煤氣分布更加均勻。2013年之后煤氣利用明顯提升，年均煤氣利用都在48％以上。如圖4所示，隨著煤氣利用率的提高，高爐的燃料消耗也呈下降趨勢，年均燃料比都在510ｋｇ／ｔ以下，其中2016年燃料比有所升高，主要原因是熱風(fēng)爐大修，風(fēng)溫?zé)o法保證，高爐被迫調(diào)輕負荷造成的。
5 爐況的波動
高爐的順行，一方面需要設(shè)備的良好保證，另一方面需要技術(shù)人員的精心操作，減小爐況的波動，減小管道、懸料、爐涼等異常爐況的發(fā)生，特別是避免風(fēng)口灌渣、風(fēng)口風(fēng)管燒穿事故的發(fā)生。對爐況的判斷要“早發(fā)現(xiàn)、早處理”，盡量避免爐況的惡化。圖5所示為8號高爐投產(chǎn)11年的休風(fēng)率，隨著爐齡的增加，高爐設(shè)備老化，暴露的問題增多，休風(fēng)率呈上升趨勢，其中2016年熱風(fēng)爐大修和2018年５月、６月的溜槽故障，高爐休風(fēng)率達到3.0％以上，2020年因高爐爐腰七段銅冷卻壁損壞發(fā)展，高爐多次休風(fēng)處理水管，休風(fēng)率達到4.08％。休風(fēng)率的上升，勢必造成產(chǎn)量的大幅下滑，如圖6所示2016 年、2018年、2020年的年產(chǎn)量明顯處于低谷。對于爐役后期，要加強設(shè)備的日常點檢、每日隱患整改閉環(huán)、設(shè)備及時更新?lián)Q代，降低設(shè)備故障率，為后期的爐況順行創(chuàng)造條 件。同時對于爐役后期冷卻壁要加強監(jiān)護，補水異常及時查水，對損壞的冷卻壁要采取灌漿和加裝冷卻器處理，確保爐殼溫度安全可控。
由于8號高爐有7段使用銅冷卻壁，冷卻壁傳熱效果較好，爐身極易形成渣皮，特別是冬天外部氣溫低，原燃料性能發(fā)生變化后，加上自身爐溫、渣堿度波動，極易造成爐墻渣皮過分發(fā)展，甚至惡化頑固黏結(jié)破壞操作爐型。8號高爐自開爐以來，冬季易黏結(jié)造成爐況波動困擾一直存在，因8號高爐采用的是軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)，高爐冷卻強度沒法單獨逐段控制，操作者僅靠調(diào)節(jié)軟水流量和進水溫度來控制冷卻強度，調(diào)節(jié)措施受限。同時，由于冬季原燃料緊張和質(zhì)量下降，高爐操作上往往應(yīng)對不及時，一味追求高產(chǎn)、低耗，勢必造成自身爐況波動。
回顧11年，其中有4年完全沒有發(fā)生黏結(jié)，總結(jié)分析原因：（1）高爐在上、下部調(diào)節(jié)上“以風(fēng)為綱”，在風(fēng)口進風(fēng)面積上，爐役前期適當縮小進風(fēng)面積，保證較大的鼓風(fēng)風(fēng)速和鼓風(fēng)動能，確保爐缸的活躍性，促進中心死焦區(qū)的焦炭置換，保證氣流暢通，為爐況的調(diào)整 創(chuàng) 造條件［8］。爐役后期可適當擴大進風(fēng)面積，維持足夠的風(fēng)量，輔助適量的中心加焦，維持兩股氣流“中心氣流適當發(fā)展和邊緣氣流適當抑制”的動態(tài)平衡。（2）特別是冬季氣溫較低時，不要過分追求低耗，爐溫和物理熱要保持上限控制，Si元素質(zhì)量分數(shù)不小于0.4％，物理熱不小于1500 ℃，維持爐渣二 元 堿 度1.18～1.25下限控制，當爐渣 R＞1.25時，要及時下調(diào)，減小燒結(jié)用量，必要時直接用海南礦代替部分燒結(jié)礦或者塊礦用量，避免長時間的高堿度渣系，造成流動性不好，誘發(fā)爐身黏結(jié)。（3）爐前要保證鐵水和爐渣均勻排出，對于爐渣來晚，出渣時間短，要控氧控強度，防止憋爐，及時控壓差操作減小爐況波動。（4）對于爐身黏結(jié)的問題，要“早發(fā)現(xiàn)，早處理”，當爐身溫度和水溫差下降時，要及時采取疏 松 邊緣的制度，OS98－22調(diào)整為 OS987－ 122，OL98765－44322 調(diào)整為 OL98765－33322 或者 OL98765－23322，爭取前期扭轉(zhuǎn)局面。
6 高爐的爐缸狀態(tài)
高爐爐缸狀態(tài)是高爐長壽的關(guān)鍵，良好的爐缸狀態(tài)可以保證爐缸活躍，初始煤氣流分布合理，渣鐵流的沖刷侵蝕小［9－10］。武鋼8號高爐的死鐵層深度為2.8ｍ，爐缸直徑為13.6ｍ，通過爐底溫度表監(jiān)測爐缸的工作狀態(tài)。日常操作中要重點關(guān)注爐底和爐缸側(cè)壁的溫度變化，每班負責(zé)測量爐底水冷管、爐缸冷卻壁的進出水溫差，爐缸的最佳冷卻水溫差ΔｔG≤0.65℃，熱流強度qG為（2300～3500）×4.18 ｋＪ／（ｍ2·ｈ）。爐底最佳冷卻水溫差 Δｔ≤0.85 ℃，qG 為（1450～2200）×4.18ｋＪ／（ｍ2·ｈ），軟水進水溫度控制在36～42℃，冷卻壁水溫差不大于6.0℃。
目前，爐缸水溫差實測值在0.2～0.4℃，爐底水溫差在0.6℃以內(nèi)，熱負荷都在最佳控制范圍內(nèi)。圖7所示為投產(chǎn)11年的爐芯溫度變化（2層陶 瓷杯底溫度）。由圖可知，投產(chǎn)初期爐芯溫度持續(xù)上升，投產(chǎn)11年爐芯溫度基本都在500℃以上。持續(xù)高位的爐芯溫度有利于中心死焦柱的置換，為焦炭層保持良好的透氣性和透液性創(chuàng)造了條件。圖8所 示為11年爐缸側(cè)壁溫度的變化，由圖可知，隨著爐 齡的增加，側(cè)壁的外、中、內(nèi)3個溫度點溫度持續(xù)上 行，說明爐缸整體的溫度控制較好，爐缸活躍性保持 較好。目前的內(nèi)壁溫度高點主要集中在3場鐵口下方，要加強此區(qū)域的溫度監(jiān)控。
合適的風(fēng)速和鼓風(fēng)動能有助于維持一定的回旋區(qū)長度，增強鼓風(fēng)向爐缸中心的穿透能力，強化風(fēng)口前端燃燒帶焦炭與中心焦的置換反應(yīng)持續(xù)高效地進行，減小爐缸死料柱區(qū)域，增大渣鐵流的流通區(qū)域，維持爐缸的活躍性［11－12］。圖9和圖10所示分別為８號高爐投產(chǎn)11年的年均鼓風(fēng)風(fēng)速和鼓風(fēng)動能的變化。爐役前期，大風(fēng)量操作，高爐維持著較高的風(fēng)速（大于250ｍ／ｓ）和鼓風(fēng)動能（大于15000ｋｇ·ｍ／ｓ），2016年之后由于設(shè)備故障和爐況波動，高爐休風(fēng)爐況波動次數(shù)增多，造成高爐的鼓風(fēng)風(fēng)速和鼓風(fēng)動能不足。爐役中后期，還是以爐況的穩(wěn)定順行為主，維持連續(xù)不間斷生產(chǎn)，減小爐缸“發(fā)動機”的異常停機。
在高爐出渣鐵過程的控制上，要保證爐缸渣鐵及時均勻地出凈，減小憋爐情況的發(fā)生。出鐵過程中，及時計算鐵量差值，力爭控制在10％以內(nèi)，當渣鐵流不均勻時，及時控氧控 強度，縮小出鐵間隔時間，減小單位時間內(nèi)爐缸渣鐵流的存儲，有效減小渣鐵環(huán)流對爐缸區(qū)域的沖刷，為爐缸的長壽創(chuàng)造條件。
7 結(jié)論
（1）8號高爐投產(chǎn)11年，下部調(diào)整逐步縮小進風(fēng)面積，確保了高爐足夠的鼓風(fēng)動能和風(fēng)口回旋區(qū)，為維持爐缸的活躍性創(chuàng)造了條件。上部調(diào)整以中心加焦為主，輔助礦石布料制度微調(diào)，維持兩股煤氣流“中心氣流適當發(fā)展和邊緣氣流適當抑制”的動態(tài)平衡，以風(fēng)為綱，保證了高爐的長效穩(wěn)定。
（2）針對高爐冬季爐身易黏結(jié)現(xiàn)象，要強化對原燃料變化的應(yīng)對措施，鐵水溫度上限控制，堿度下限控制，確保渣鐵及時出凈，黏結(jié)前期及時疏松邊緣，維持大風(fēng)量操作，適當犧牲部分燃料消耗，及時扭轉(zhuǎn)爐身黏結(jié)發(fā)展惡化的局面。
（3）8號高爐投產(chǎn)運行11年后，爐缸爐底狀態(tài)仍保持良好，要重點加強爐缸側(cè)壁的溫度監(jiān)測。操作中盡量維持風(fēng)量的長效穩(wěn)定，減小爐況波動，保證爐缸的活躍性，同時及時組織爐缸渣鐵的排放，減小渣鐵環(huán)流對爐缸的沖刷，為高爐的長壽延續(xù)創(chuàng)造條件。
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