陳艷輝

(山鋼股份萊蕪分公司煉鐵廠)

摘  要  萊鋼3號750m3高爐實施優(yōu)化燒結(jié)礦化驗頻次、提高煤粉燃燒率、提高高爐鼓風動能、統(tǒng)一三班操作等快速改善項目。應用大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，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)學模型，量化了高爐操作參數(shù)。通過改善項目的實施，3號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間，降低脫硫費用，增加廢鋼配加量；同時可縮短鐵水罐調(diào)運周期，改善“轉(zhuǎn)爐等鐵、高爐憋風等罐”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%，各項生鐵指標連續(xù)突破歷史最好水平。但與全國高爐指標及相關(guān)條件統(tǒng)計分析對比，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79.8%與行業(yè)領(lǐng)先指標98%有較大差距。本次攻關(guān)從全廠6座高爐中選取指標較差的3號750m3高爐作為試點展開項目分析,進而推及全廠。

2   降低生鐵硫含量實踐

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很復雜的工作,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。

基于高爐脫硫的復雜性,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)學模型，從而量化參數(shù)、指導高爐操作。

2.2  工藝流程梳理及影響因子的初步篩選

（1）從原料準備、篩分、稱量、裝料布料、高爐冶煉、出鐵、爐外脫硫7個環(huán)節(jié)入手，仔細梳理各環(huán)節(jié)的操作、控制參數(shù)、過程步驟等共52項因子，如：焦炭成分、焦炭強度、焦炭粒度組成、燒結(jié)礦成分、燒結(jié)礦強度等。

（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，結(jié)合高爐冶煉理論，判斷各因子對生鐵含硫的影響力度，并進行打分。

（3）對52個因子評分進行分析，篩選出20個因子(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)強度、工業(yè)堿量、風口冷卻設備、焦炭粒度組成、噴吹煤配煤比例、鐵水溫度、裝料制度、風量、料種平衡、爐體冷卻設備、鐵水罐對罐、熱風溫度。

（4）對篩選出來的20個因子進行失效模式分析 (即FMEA分析)，針對其影響的嚴重程度、頻次、檢測方法進行打分，進一步篩選因子，得到得分超過100分的11個關(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項因子原因清楚，可操作性強，可作為快速改善項目立即進行改善；造渣制度制定不合理、熱制度不合理等5項因子需要應用大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2.3  快速改善項目

2.3.1  優(yōu)化燒結(jié)礦化驗頻次

由于生產(chǎn)節(jié)奏加快，燒結(jié)礦從取樣點運輸?shù)礁郀t入爐并作用的時間縮短，導致時有出現(xiàn)來料成分滯后情況，有時高爐工長查閱到燒結(jié)礦成分再對爐料進行調(diào)整時，該段爐料已作用一段時間。為此，調(diào)整燒結(jié)礦檢驗頻次，將1d檢驗6次增加到7次，間隔由4h縮短到3.5h，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量減少，噴煤車間得不下調(diào)該煤種配煤比例，為保證高爐煤粉供應量，縮短中速磨磨煤時間，導致煤粉粒度加粗，4臺中速磨-0.074mm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間，提升煤粉-0.074mm 比例至60%以上；另一方面擴大噴槍內(nèi)徑至20mm，減緩煤粉流速，促進煤粉燃燒。

2.3.3  提高高爐鼓風動能

針對高爐鼓風動能不足，無法吹透中心的狀況，采取縮小風口直徑，減小進風面積，提高風速的措施，提升鼓風動能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

爐渣堿度高，有利于爐渣脫硫，但堿度波動過大會導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，因此應該穩(wěn)定爐渣堿度。針對工長調(diào)劑不及時引起的堿度波動，強化操作管理，要求每班至少校核1次配料堿度，高爐操作日報表進行記錄；同時每爐鐵目測實際渣樣，與化驗結(jié)果對比調(diào)劑堿度，以便及時調(diào)劑，降低操作不當引起的終渣堿度波動。

2.3.5  冷卻設備漏水處理

冷卻設備侵蝕、磨損、燒損后向爐缸內(nèi)漏水，導致爐缸熱量、冷卻壁、生鐵成分波動，嚴重時引發(fā)爐涼。一是規(guī)范風口小套的安裝及使用；二是增加風口巡檢次數(shù)，打壓檢漏，風口破損及時更換；三是漏水冷卻壁視程度進行倒沖、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控制白灰下料量，下料流波動大。針對這些情況，一方面加強白灰人廠把關(guān)力度，采取自動取樣；優(yōu)化取樣流程,實行實名取樣制度，每班次多次取樣、留樣，根據(jù)燒結(jié)礦質(zhì)量復查燒結(jié)石灰質(zhì)量；修改生石灰采購合同，調(diào)整減價方式,增加活性度等指標；另一方面在配料室采用“均值定量”自動調(diào)整給料量，即根據(jù)白灰計量波動大的特點，選取一段時間內(nèi)的累計均值作為參考量，實現(xiàn)給料調(diào)整自動化。

2.4  大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

在因子的初步篩選環(huán)節(jié)，篩選出5個因子，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；焦炭冷強度低。需要應用大數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，進一步驗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)來進行，因此需要選取數(shù)據(jù)對這5個因子進行參數(shù)衡量。經(jīng)團隊討論后選取參數(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、生鐵含硅表征熱刮度:用焦含硫量表征配加高硫煤煉焦；用焦炭M10指標表征焦炭冷強度低。這樣分析的因子變?yōu)?個，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個因子進行分析，因此需要保證其他未選中的影響因子相對穩(wěn)定，跨時不宜過長。收集2018年3月1日-8月31日共計6個月的單爐生鐵數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)析。在收集期間高爐操作不做大的改動，燒結(jié)配礦也不做大的調(diào)整，入爐料種及結(jié)構(gòu)也應相對穩(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的，但焦炭的檢驗時間和作用到當爐鐵水有一個時間差。為準確衡定這個時間差，跟蹤了焦炭輸料、取樣、制樣、入倉、入爐全過程，計算從焦炭成分上網(wǎng)與焦炭人爐的時間差，再加上治煉周期的時間，得出焦炭成分上網(wǎng)時間與作用到當爐鐵水大約相差5h，以此調(diào)整焦炭檢驗數(shù)據(jù)與鐵水數(shù)據(jù)相對應。

2.4.3  篩選顯著因子建立多元回歸方程

用收集到的7個因子的數(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。幾個因子的交互效應、二階效應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]=0.1215-0.0865×堿度-0.1167×鎂鋁比-0.0522×[Si]+0.0972×焦炭S。

多元回歸分析過程中篩除了3個非關(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)合當前3個因子的取值范圍分析，鐵水溫度、焦炭M已滿足高爐工藝專業(yè)需要，所以對目標影響不顯著，因此可以把這2個因子固定下來進行標準化控制；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，焦炭水分大幅波動導致高爐焦炭負荷波動從而引起[Si]波動，一般持續(xù)1-2個班，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,隨機收集了76爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)用模型預測進行檢驗驗證，實際生鐵含硫與預測結(jié)果如圖1所示。其中18爐鐵實際值落在預測區(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。

圖1  實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)與模型預測的對應情況

2.4.4  確定因子最佳范圍,量化操作參數(shù)

設置4個關(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行預測計算，根據(jù)95%的預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關(guān)系才能確保其黏度、熔點適宜。因此在利用模型時應先遵循工藝制度的要求。

通過模型計算可知，焦炭含硫<0.8%時，在最佳范圍內(nèi)選取適宜的堿度與鎂鋁比對應值，確保爐渣熔點、粘度適宜后，[Si]取低水平024%，即可實現(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，進而控制生鐵硫含量，因此實際生產(chǎn)中會出現(xiàn)焦炭含硫>0.8%的情況。當含硫>0.8%時，需要提升[Si]來控制生鐵含硫，根據(jù)模型計算[Si]上調(diào)的幅度可參考:焦炭含硫+0.01%，[Si]相應提高0.015%~0.02%；同時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  指標情況

通過改善實施，3號750m3高爐生鐵含硫量逐步下降，10月份均值下降到0.0145%，生鐵一級品率由7439%提升至98.18%,三類品率由2.8%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幅度減小，總體均值得到降低，標準差得到顯著改善。

3.2  效益

根據(jù)萊鋼生鐵加減價標準，計算鐵水加減價年效益為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問及脫硫費用，進而縮短鐵水罐調(diào)運周期，提高鋼鐵產(chǎn)量；同時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

（1）應用科學嚴謹?shù)姆治龇椒?、工具可準確找出影響當前高爐生鐵含硫的關(guān)鍵因子,從而實現(xiàn)質(zhì)量指標的快速提升。

（2）在攻關(guān)過程中，統(tǒng)計分析的精準要求同粗放式生產(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)操作視角換一個通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計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慣、思路的一種革新。

（3）大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析技術(shù)尤其擅長解決像高爐這種影響因素較為復雜的問題，因此可以推廣到高爐更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，為科學準確地解決問題提供可靠依據(jù)，從而逐步實現(xiàn)標準化、自動化穩(wěn)定生產(chǎn)。

5  參考文獻

[1]  劉云彩.現(xiàn)代高爐操作[M].北京:治金工業(yè)出版社,2016.

[2]  (德)德國鋼鐵工程師協(xié)會.渣圖集[M].王儉，彭?強,毛裕文，譯.北京:冶金工業(yè)出版社，1989.