李萬全，張 超
（河鋼集團有限公司，河北 石家莊 050023）
摘 要：X高爐（2500m3）通過增加鼓風量的方式提高產(chǎn)量水平，并在加風過程中對裝料制度、熱制度、造渣制度、送風制度等上下部操作制度進行優(yōu)化，以提高風速和鼓風動能為切入點，通過采取縮小風口面積、提高爐頂壓力、擴大礦批、定富氧、提煤比等一系列工藝操作措施，活躍爐缸工作狀態(tài)，穩(wěn)定煤氣流分布，高爐爐況穩(wěn)定性得以大幅改善，實現(xiàn)了長期穩(wěn)定順行，高爐產(chǎn)量逐步提升，在生鐵含釩由0.258％升高 至0.28％的高爐冶煉不利條件下，生鐵平均日產(chǎn)量由6000t／d提高到7200t／d以上，創(chuàng)造了2500m3 釩鈦礦冶煉高爐的日產(chǎn)新記錄。本文闡述了對高爐加風提產(chǎn)過程中高風速、高動能等關鍵工藝操作點的認識和理論根據(jù)，結(jié)合行業(yè)先進高爐實際情況進行了對比分析，并針對 Ｘ高爐加風提產(chǎn)實際應用過程中的主要工藝操作進行了介紹。
關鍵詞：高爐；釩鈦礦；提產(chǎn)；工藝操作
高爐提高利用系數(shù)是煉鐵降本增效的核心和關鍵，也是反映高爐運行狀態(tài)的重要指標。X 高爐冶煉釩鈦礦，日產(chǎn)水平長期維持在6000噸左右，爐況基本達到了穩(wěn)定順行的狀態(tài)，但階段性的煤氣流波動時常發(fā)生，且同期國內(nèi)同立級高爐先進日產(chǎn)水平已達到7500噸以 上，對比國內(nèi)先進高爐存在巨大差距。為了進一步提高產(chǎn)量水平，高爐打破固有的釩鈦礦冶煉操作理念和經(jīng)驗，樹立超常規(guī)的操作思路，以高風速、高動能為切入點，改善爐缸工作狀態(tài)和煤氣流穩(wěn)定性，為高爐大幅度加風提產(chǎn)創(chuàng)造條件，實現(xiàn)了高爐高效生產(chǎn)，成功探索出了一條釩鈦礦冶煉高爐高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的工藝操作方法。
1 X高爐提高產(chǎn)能前參數(shù)指標情況
針對當前的參數(shù)現(xiàn)狀進行分析，其中：富氧量受制氧能力的限制，已經(jīng)達到最大能力；頂壓設計能力245kPa，提升空間不大；風溫已用盡。通過對比分析，進一步提產(chǎn)只能通過提高入爐風量來進行，工藝操作的核心是通過上下部操作參數(shù)的調(diào)整為高爐加風創(chuàng)造條件。
2對高爐風速和動能的認識
高爐的爐缸工作均勻活躍是高爐加風提產(chǎn)、提高高爐穩(wěn)定性的核心，高風速、高動能為活化爐缸提供動力基礎，是爐缸活躍的關鍵。高風速、高動能的工藝技術路線已在國內(nèi)多座先進高爐應用并取得顯著的效果，一批指標比較優(yōu)秀的1000～2000m3級的高爐鼓風動能都超過了12000kg·m／s、2000m3級的高爐超過了15000kg·m／s，如天鋼1＃ 3200m3高爐風速260m／s、鼓風動能14000－16000kg·m／s，月均日產(chǎn)量9500噸、噴煤比155kg／t、燃料比505kg／t；重鋼1＃2500m3高爐風速270m／s、鼓風動能16000－17000kg·m／s，月均日產(chǎn)量7800噸、噴煤比 170kg／t、燃料比 505kg／t；黃驊中鐵2500m3高爐風速270 m／s、鼓風動能17000kg· m／s，月均日產(chǎn)量8200噸、噴煤比150kg／t、燃料比510kg／t；還有興澄鋼鐵、陜鋼、鏈鋼、山西建邦、漢冶特鋼、四川德勝、湘鋼等高爐，均通過提風速、提動能，高爐穩(wěn)定性大幅改善，產(chǎn)量和燃料消耗均取得較大的進步，這些高爐的指標都已經(jīng)進入全國指標最好的第一梯隊，成就顯著。對比行業(yè)先進高爐的普遍控制水平，X高爐的風速和動能水平顯著偏低，因此，提高風速和動能水平是 X高爐進一步加風的首選做法，也是最經(jīng)濟的做法。
鼓風動能的本質(zhì)是熱風做功的功率，除了用于煤氣上升過程中克服爐料的阻力之外，主 要是在風口前克服爐料和死料堆中焦炭和渣鐵的阻力，形成一定深度的循環(huán)區(qū)，降低死料堆的填充率，從而保持爐缸的活躍，為高爐提供順行的基礎。在這個過程中，風速是熱風做功的工具和消耗能源的路徑，鼓風動能為做功提供了能源，回旋區(qū)深度是對熱風所做功的度量，是我們所要的最終結(jié)果。
過去的一些實驗數(shù)據(jù)表明，提高風速確實會加劇風口回旋區(qū)內(nèi)焦炭粒度的降解，使本來就因為高煤比而降解的焦炭粒度進一步碎化，如何選擇風速給高爐操作者帶來了一定的糾結(jié)：提高噴煤比之后本應提高風速，加大鼓風動能活躍爐缸，化解諸多不利于順行 的 因 素，保證高爐的穩(wěn)定順行；但另一方面，則需要降低風速，保護回旋區(qū)內(nèi)的焦炭粒度不再破碎，以此來保證高爐的穩(wěn)定順行。國內(nèi)寶鋼實測數(shù)據(jù)表明，風口回旋區(qū)小焦粒比例先是隨著風速的提高而提高，當風速提高到超過260m／s之后，回旋區(qū)內(nèi)的小焦粒占比會隨著風速的提高而降低，進入死料堆表面的小焦粒也呈現(xiàn)出同樣的規(guī)律。這些數(shù)據(jù)反映出，較高的風速既維系了回旋區(qū)深度，保證原有爐缸的活躍性，又可以避免焦炭在風口回旋區(qū)被進一步破壞，減少碎焦顆粒在死料堆表面富集，避免產(chǎn)生新的爐缸濾液性下降問題［1］。風速是否合理可以用兩個維度來檢驗，首先是焦炭在風口回旋區(qū)內(nèi)是否被嚴重碎化，再次是燃料比會不會因為中心過吹而升高，風速過高一定會造成除塵灰中碳含量增加，如果爐頂除塵灰中碳含量沒有出現(xiàn)明顯的增量，那么說明這個風速不偏高。
3 加風提產(chǎn)工藝操作過程
3.1 風口面積調(diào)整
根據(jù)預定的提高風速和動能的操作思路，采取最有效的調(diào)整方式，即縮小風口面積。X 高爐共計有30個風口，26個直徑為120mm 風口，4個直徑為130mm風口，送風面積0.3471m2。為提高鼓風動能和保持風口均勻性，利用檢修機會將4個直徑為130mm 風口改為直徑120mm，送風面積調(diào)整為0.3393m2。通過風口面積的調(diào)整，風速逐步由230kPa提高到270kPa，鼓風動能由12000kg·m／s提高到15000kg·m／s以上。隨著風速和鼓風動能的提高，高爐爐缸活躍性提升，爐況穩(wěn)定性有了明顯改善，伴隨著風量的增加產(chǎn)量逐步提高，效果明顯（見圖１）。
3.2 定富氧定煤比操作
富氧和噴煤是高爐強化的主要手段之一，也 對爐內(nèi)煤氣流的分布起重要作用。富氧的作用一是可以加快焦炭的燃燒速度，提高高爐的冶煉強度，按理論計算，富氧率每提高1％，高爐產(chǎn)量可提高3％～ 6％；二是富氧后渣溫充沛、爐渣流動性得到改善，能夠降低高Al2O3爐渣對爐缸的不利影響，改善爐缸活躍性，且煤氣中 N2含量減少，CO 濃度提高，促進爐內(nèi)間接還原，有利于提高煤氣利用率，降低燃料消耗。另外，提高富氧率后，理論燃燒溫度升高，需要通過提高煤比來維持合理的理論燃燒溫度，為高煤比操作創(chuàng)造條件，同時爐內(nèi)溫度場和煤氣流分布發(fā)生變化，爐內(nèi)溫度上涼下熱，中心氣流會減弱、邊緣氣流會增強［2］，需要優(yōu)化上下部操作制度，調(diào)整煤氣流分布。
富氧和噴煤是 相 輔 相 成 的，噴煤一方面是減少焦炭消耗降低成本的重要手段，另一方面降低理論燃燒溫度，且有利于中心煤氣流的發(fā)展，抵消富氧給高爐冶煉帶來的不利影響。因此高富氧對應高煤比是高爐提產(chǎn)降本操作的經(jīng)典搭配，并且為確保煤氣流分布的穩(wěn)定性，應盡可能減少富氧和噴煤的調(diào)劑幅度，定富氧定煤比操作，減少煤氣流波動。根據(jù)行業(yè)先進單位經(jīng)驗，富氧率6％以上是最經(jīng)濟的范圍，國內(nèi)常規(guī)高爐最高富氧率達到10％左右。富氧和噴煤量的高低，主要取決于富氧和噴煤設備能力的大小，以高爐理論燃燒溫度作為兩者平衡的依據(jù)。
針對X 高爐12000m3／h富氧上限能力，以及43t／h的噴煤系統(tǒng)設備能力冶煉釩鈦 礦，將煤比控制在140～150kg／t范圍內(nèi)，在日常操作過程中，富氧上限使用，不作為調(diào)劑手段，噴煤量調(diào)劑盡可能早調(diào)、少調(diào)、微調(diào)，減少爐腹煤氣量的波動，穩(wěn)定煤氣流分布。
3.3 提高頂壓和壓差
在下部高風速、高動能操作的同時，上部提高頂壓操作，可以改善爐料透氣性，有利于高爐加風。提高爐頂壓力實質(zhì)上是壓縮了煤氣體積、降低了煤氣流速、延長煤氣在高爐內(nèi)的停留時間，進而改善間接還原動力學條件，從而有助于煤氣和鐵礦石之間的氣－固相反應，增強煤氣的擴散、穿透能力，強化煤氣吸附、界面反應等還原 過 程。在宏觀上提高頂壓可以有效提高高爐透氣性，促進高爐穩(wěn)定順 行［3］。近年來，一些先進高爐的頂壓已經(jīng)達到280kPa、接近300kPa，有效提高了煤氣利用率、降低了燃料消耗。
高爐爐頂壓力的提高，主要受爐頂設備能力的限制。X高爐頂壓雖然接近設計頂壓，但 還有一定的提升空間。隨著加風過程，將爐頂壓力由240kPa提高到設計頂壓245kPa，熱風壓力由400kPa提高到420kPa，全爐壓差由160kPa提高 到175kPa。
在加風過程中，隨著熱風壓力的提高，適當提高爐頂壓力，全爐壓差雖然有所升高，但升高幅度明顯小于熱風壓力升高幅度，高爐整體透氣性改善，更有利于接受風量，為高爐進一步加風創(chuàng)造了條件（見圖2）。
3.4 裝料制度調(diào)整
3.4.1 布料矩陣調(diào)整
隨著風量、動能上升，上部裝料制度進行同步調(diào)整，兼顧中心與邊緣的氣流分配，保證中心和邊緣氣流分配比例大致不變，一是礦焦角度同步外擴，保證中心氣流的穩(wěn)定；二是適當增加焦炭角差，拓寬焦炭平臺，改善布料料層的穩(wěn)定性，提高煤氣利用率，降低消耗（見表2）。
3.4.2 批重調(diào)整
X 高爐要求在實際生產(chǎn)中，爐喉的焦炭層厚度要確保≥500mm，才能保證爐料及軟熔帶的透氣性。所以在強化冶煉的過 程 中，要考慮選擇焦炭批重確保必要的焦炭層厚度。根據(jù)計算公式：
CB ＝K×DT3
式中：CB——— 焦碳批重，t／批；
DT——— 高爐爐喉直徑，m；
K——— 焦碳批重系數(shù)，范圍0.03～0.04， 一般取0.035。
得出最小焦炭批重計算公式是：
CB最小 ＝πD2 KHγ／4
式中：CB最小 ——— 焦炭最小批重；
D——— 爐喉直徑；
K——— 料面形狀系數(shù)，取1.1；
γ——— 焦炭的堆比重，取0.5；
H ———焦炭的料層厚度。
根據(jù) X高爐的爐喉直徑8.4m 計算，最小的焦炭批重是15t。
在一定條件下，大礦批有利于礦石的均勻分布和穩(wěn)定上部氣流，改善軟熔帶透氣性，從而促進爐溫的穩(wěn)定順行［4］。X 高爐將礦批由68t提高至74t，焦批保證大于15t，批重增加后，減少了爐內(nèi)的料層數(shù)，大幅降低礦焦間的界面效應，改善爐內(nèi)透氣性。
3.5 加風進度控制
高爐加風過程以透氣性作為依據(jù)，當高爐透氣性差，不接受風量時，風量使用以熱壓數(shù)據(jù)為基準，按照各階段熱壓上限要求控制；高爐透氣性好，接受風量時，風量使用按照各階段風量流量要求控制，盡量上用風量。
X高爐在加風提產(chǎn)過程中，隨著風量上升，高爐透氣性并未下降，反而呈上升趨勢，分 析原因；一 是隨著風量和鼓風動能上升，高爐死料柱的置換周期縮短，死料柱內(nèi)焦炭置換速度加快，能夠有效提升死料柱焦炭的質(zhì)量，提高高爐透氣 性；二 是 采 用“中 心加焦＋平臺漏斗”相結(jié)合的布料制度，調(diào)整中心區(qū)域礦焦比例，兼顧中心與邊緣的氣流分配，在穩(wěn)定中心氣流的同時，保證邊緣透氣性，有效提高了高爐透氣性；三是鼓風動能上升后風口回旋區(qū)增大，死料柱形狀發(fā)生變化，體積縮小，尤其是爐缸區(qū)域死料柱的直徑縮小，爐缸渣鐵滲透死料柱難度降低，爐缸活躍性上升。當風量達到（5400±50）m3／min后，熱風壓力維持在410～420kPa，鼓風動能≥15000kg·m／s，高爐日產(chǎn)達到7200t以上，達到了預定目標。
4 結(jié)語
（1）高風速、高動能是高爐加風提產(chǎn)的基礎，縮小風口面積是提高風速和鼓風動能最有效的措施。
（2）高頂壓操作有利于改善料柱透氣性，有利于高爐加風。
（3）上部裝料制度必須根據(jù)送風參數(shù)進行調(diào)整，保證邊緣和中心氣流分配比例穩(wěn)定；適當提高焦炭批重和礦石批重，有利于降低礦焦間的界面效應，改善高爐透氣性。
（4）高爐加風過程要循序漸進，保持風溫、富氧、噴煤等操作參數(shù)的基本穩(wěn)定，減少對爐腹煤氣指數(shù)的大幅影響，有利于加風過程中的煤氣流穩(wěn)定。
參考文獻：
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［4］ 蘭海波，王玉慶．南鋼４號高爐大礦批分裝·操作實踐 ［J］．煉鐵，2009，28（1）：28－30．