張 文 政
（天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 301500）
摘 要：高爐安全長壽、降低高爐能源消耗成為現(xiàn)代高爐技術(shù)發(fā)展的主要方向，而其關(guān)鍵在于提高高爐爐缸活性。在介紹高爐爐缸活性變差特征的基礎(chǔ)上，從高爐上部調(diào)劑、下部調(diào)劑、渣鐵物性、高爐原燃料性能等方面，就如何提高高爐爐缸活性進(jìn)行了分析和探討。
關(guān)鍵詞：高爐；爐缸活性；原燃料；渣鐵
1 前 言
現(xiàn)代高爐向爐容大型化、生產(chǎn)高效化不斷發(fā)展。作為資源和能源密集型的高爐煉鐵工序，提高高爐爐缸活性的本質(zhì)在于明晰高爐爐缸內(nèi)渣鐵焦間時(shí)空尺度特征及多相界面遷移行為。而目前對高爐爐缸內(nèi)渣鐵焦行為及爐缸活性的研究，僅停留在依靠生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)而獲得的表面認(rèn)知，高爐爐缸活性基礎(chǔ)理論研究相對薄弱。由于在實(shí)際過程中相關(guān)參數(shù)獲取困難且爐缸狀態(tài)無法實(shí)時(shí)監(jiān)測，各高爐的實(shí)際生產(chǎn)條件也有所不同，判斷爐缸活性主要依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，借助表征指標(biāo)間接反映爐缸活躍狀況，具有一定的滯后性和理論局限性［1］。隨著高爐大型化進(jìn)程加快，高爐容積越大，高爐各項(xiàng)參數(shù)滯后性和限制性越大，若未及時(shí)發(fā)現(xiàn)高爐爐缸狀態(tài)波動，會導(dǎo)致高爐爐況恢復(fù)周期長，經(jīng)濟(jì)損失大等各種不良影響［2］。
2 高爐爐缸活性變差特征
爐缸內(nèi)部的工作狀態(tài)主要受死料柱狀態(tài)、渣鐵排放過程和風(fēng)口風(fēng)量分配 3 個(gè)方面的影響。爐缸活性好時(shí)，高爐爐況穩(wěn)定順行；當(dāng)高爐活性下降時(shí)，往往出現(xiàn)爐況波動、不順等。爐缸活性變差的主要表現(xiàn)：爐底中心溫度降低，爐缸兩邊側(cè)壁溫度升高；氧勢增加，鐵水中脫硫反應(yīng)減弱，硫含量增加；渣比下降；鐵水中的含碳量降低；風(fēng)口回旋區(qū)縮短，且通過測棒測試，內(nèi)壁面較堅(jiān)硬；風(fēng)壓升高，風(fēng)量減少；燃料比上升，產(chǎn)量下降；出鐵時(shí)間不穩(wěn)定，出鐵口變短。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，若觀察到上述現(xiàn)象，要馬上采取措施查清原因，避免爐缸活性不斷惡化帶來的重大經(jīng)濟(jì)損失。
3 影響爐缸活性因素
3.1 高爐下部調(diào)劑
高爐下部調(diào)劑參數(shù)主要為風(fēng)量、風(fēng)溫、風(fēng)壓、風(fēng)口面積及風(fēng)口深度長度，下部調(diào)劑主要指控制高爐爐溫及送風(fēng)的控制技術(shù)。死料柱大小與鼓風(fēng)強(qiáng)度有很大關(guān)系，鼓風(fēng)強(qiáng)度越大，死料柱越小，爐缸工作狀況良好的表現(xiàn)在于渣鐵溫度高、流動性好，而控制較高的風(fēng)口燃燒溫度有利于更好的加熱爐缸，提高爐缸煤氣與渣鐵之間的交換熱量。
根據(jù)上述研究，可以通過縮小風(fēng)口面積、保持合適的風(fēng)速、增大鼓風(fēng)動能、延長回旋區(qū)深度、提高風(fēng)溫、適當(dāng)降低風(fēng)壓等手段，改善氣流分布，使熱煤氣更好地穿過風(fēng)口前死料柱，更好的穿透高爐中心，提升爐缸中心溫度，活躍爐缸中心。適當(dāng)控制邊緣氣流發(fā)展，尋找合適的煤氣流分布，防止?fàn)t墻渣皮脫落。若渣皮脫落進(jìn)入爐缸，導(dǎo)致爐缸溫度急劇下降，破壞爐缸活性。
3.2 高爐上部調(diào)劑
高爐上部調(diào)劑指調(diào)整高爐布料制度，礦石與焦炭呈現(xiàn)分層重疊結(jié)構(gòu)，高爐煤氣在高爐下部產(chǎn)生，而后上升穿過料層；爐料從上部下降與煤氣作用，完成加熱、還原、造渣、熔化等冶煉過程。爐料在爐內(nèi)由上至下溫度逐漸升高，直到熔化前一直保持爐喉布料的層狀結(jié)構(gòu)。
當(dāng)爐料到達(dá)軟熔帶時(shí)，由于爐料開始軟化時(shí)爐料之間的空隙度不斷下降，導(dǎo)致煤氣的阻力加大。 由于礦石軟熔層的阻力較大，煤氣流絕大部分從焦炭層（焦窗）穿過。在這個(gè)區(qū)域，礦石都開始熔化，只有焦炭是固體狀態(tài)，形成礦石初渣分布在焦炭與焦炭之間，使煤氣通過這個(gè)區(qū)域的阻力最大。軟熔帶煤氣主要靠焦炭的夾層即焦窗透氣，在滴落帶和爐缸主要靠焦塊之間的空隙和焦炭氣孔透液和透氣，因此上部區(qū)域煤氣透氣性越好，下部爐缸透液性越好，渣鐵越容易穿過焦炭，滯留在死料柱中的渣鐵量也越少，爐缸活性也越強(qiáng)。
隨著焦炭的批重變大，焦炭層的厚度變大，煤氣通過的阻力就會減少，有利于料柱的透氣性和高爐氣流發(fā)展。
隨著礦石批重變大，由于礦石比焦炭的堆角大，礦石布料到中心的比例就會越多，有利于發(fā)展邊緣煤氣流，抑制中心煤氣流。這種情況會導(dǎo)致爐料分布均勻，煤氣利用率提高。但若礦批重過大，會出現(xiàn)中心氣流不足而邊緣氣流過分發(fā)展，則可能引起爐缸中心堆積。
3.3 高爐渣鐵物性
高爐爐渣堿度對高爐渣的冶金性能有重要作用，當(dāng)堿度過低時(shí)，CaO含量少，無法破壞高爐渣中SiO2及Al2O3形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，致使其黏度增加。當(dāng)堿度變大時(shí)，高爐渣黏度降低；當(dāng)堿度過高時(shí)，爐渣的黏度及熔化性溫度急劇升高，導(dǎo)致爐渣的流動性變差，不利于爐渣的冶煉，因此適當(dāng)提高高爐爐渣堿度，有利于提高爐渣的流動性和爐缸透氣性，有利于爐缸活性的提高。
爐渣中的MgO和CaO屬于堿性氧化物，爐渣中的Al2O3和SiO2屬于酸性氧化物。提高鎂鋁比，相當(dāng)于在保證 Al2O3含量不變的條件下，增加 MgO 含量占比，有利于提高爐渣流動性。但鎂鋁比過高，MgO 和 Al2O3會形成復(fù)雜的高熔點(diǎn)化合物，使?fàn)t渣的熔化性溫度升高，爐渣的流動性變差。
高爐鐵水物理熱是判斷爐溫的重要指標(biāo)。爐缸里鐵水溫度低，爐渣的熱量不足，就不能在爐芯焦炭之間自由地流動，大量的渣鐵不能順利穿過死料柱，就會滯留在爐缸死料柱中，導(dǎo)致爐缸中心死料柱區(qū)域不活躍。隨著不活躍區(qū)域面積逐漸擴(kuò)大，就會形成爐缸堆積?；謴?fù)爐缸活性，首先應(yīng)該保證爐缸鐵水溫度。
3.4 高爐原燃料性狀
焦炭隨著爐料從高爐爐頂加入高爐開始，焦炭的粒度受摩擦作用、氣化反應(yīng)和滲碳作用會逐漸變小。焦炭在爐身塊狀帶時(shí)，由于上部溫度較低，焦炭只是受到爐料之間的摩擦作用，粒度變化不大。
隨著焦炭進(jìn)入軟熔帶和滴落帶，發(fā)生劇烈溶損反應(yīng)，焦炭表面的氣孔逐步變大，孔壁變薄，焦炭強(qiáng)度逐步降低。另一方面，焦炭粒度急劇下降，空隙度變大，還伴有氣化及還原FeO等反應(yīng)，焦炭達(dá)到高爐風(fēng)口回旋區(qū)時(shí)，焦炭快速發(fā)生反應(yīng)，焦炭隨熱風(fēng)在風(fēng)口做劇烈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動并與熱風(fēng)中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，焦炭急劇粉化。遠(yuǎn)離風(fēng)口回旋區(qū)的焦炭，由于反應(yīng)速度變慢，慢慢形成了死料柱。在爐缸頂部，鐵水碳不飽和度大，焦炭與鐵水接觸發(fā)生滲碳反應(yīng)，使得焦炭的粒度持續(xù)減小，死料柱的空隙度變大。在爐缸中心區(qū)域，鐵焦反應(yīng)最劇烈，死料柱的空隙度達(dá)到最大值；繼續(xù)向下，由于鐵水的浮力作用，焦炭稍微聚集起來，使得死料柱的空隙度稍微減小。但由于鐵水浮力的作用相較于焦炭鐵水的滲碳反應(yīng)要弱，空隙度減小的速率逐漸減小。而焦炭粒徑則是隨著距離殘鐵頂部增大繼續(xù)呈減小趨勢，原因是焦炭在死料柱不同高度區(qū)域中持續(xù)與鐵水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，持續(xù)消耗焦炭。
焦炭在高爐內(nèi)的演變行為，性能較好的入爐焦炭為爐缸死料柱空隙度提供有力支撐。假設(shè)焦炭的氣化程度及風(fēng)口燒損比例是相同的，入爐焦炭粒度越大，經(jīng)過上部一系列反應(yīng)后，爐缸焦炭粒度也較大。爐缸焦炭粒度越大，死料柱空隙度越大，爐缸渣鐵穿過焦炭床的空間也越大，渣鐵滯留量就越小，爐缸較為活躍。
4 結(jié) 論
4.1 下部調(diào)劑。通過縮小風(fēng)口面積、保持合適的風(fēng)速、增大鼓風(fēng)動能、延長回旋區(qū)深度、提高風(fēng)溫、適當(dāng)降低風(fēng)壓和噴煤量、提高富氧率等手段，改善氣流分布和煤粉燃燒狀況，使熱煤氣更好地穿過風(fēng)口前死料柱，更好地穿透高爐中心，提升爐缸中心溫度，活躍爐缸中心。
4.2 上部調(diào)劑。軟熔帶的煤氣主要是通過焦炭進(jìn)行傳輸，在滴落帶主要靠焦塊之間的空隙和焦炭氣孔來進(jìn)行透液和透氣。上部區(qū)域煤氣透氣性越好，下部爐缸透液性越好，渣鐵越容易穿過焦炭，爐缸活性也越強(qiáng)。從渣鐵滯留、爐缸活性及高爐長壽的角度來講，高爐操作應(yīng)該適當(dāng)降低礦石批重，適當(dāng)提高焦炭批重，提高上部透氣性指數(shù)。
4.3 渣鐵物性。爐缸活性與爐缸中心溫度成正比，爐缸中心溫度低，爐渣在焦炭死料柱的流動變差，大量的渣鐵不能順利穿過死料柱，慢慢導(dǎo)致爐缸不活躍，從而導(dǎo)致爐缸堆積。為改善高爐爐缸活性，高爐操作應(yīng)該適當(dāng)提高爐渣堿度、鎂鋁比及TiO2含量，保證足夠高的鐵水溫度，盡可能不使用鈦礦護(hù)爐。
4.4 原料條件。較大的死料柱空隙度是保證良好的爐缸活性的基礎(chǔ)。入爐焦炭的粒度、CSR、CRI及原燃料有害元素含量是死料柱空隙度的重要指標(biāo)。入爐焦炭綜合粒度和 CSR 越大，CRI 越小，爐缸焦炭粒度越大，死料柱空隙度越大；且原燃料中有害 元素越少，爐缸爐渣流動性較好，鐵水滲碳更容易發(fā)生，爐缸鐵水和爐渣穿過焦炭床的空間和能力越大，渣鐵滯留量越小，爐缸較為活躍。
參考文獻(xiàn)：
［1］ 焦克新，張建良，劉征建，等.關(guān)于高爐爐缸長壽的關(guān)鍵問題 解析［J］.鋼鐵，2020，55（8）：193-198.
［2］ 張賀順，馬洪斌 . 首鋼 2# 高爐爐缸工作狀態(tài)探析［J］. 煉鐵， 2009，28（4）：10-13.