李宏偉  鄭朋超  陳艷波

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司）

摘  要  灰鐵比是衡量高爐對原料和能量利用程度好壞的主要指標之一。在確保爐況長期順穩(wěn)的情況下，最大限度的降低灰鐵比不僅能夠降低燃耗水平和減輕環(huán)境污染，還能降低企業(yè)回收處理除塵灰的費用。本文在對比2017年中國國內(nèi)4000m3以上高爐灰鐵比現(xiàn)狀的基礎上，全面分析京唐1號高爐除塵灰成分及來源，重點從入爐原料質(zhì)量、煤比、煤氣分布、爐況穩(wěn)定性等方面進行全面分析研究，進而找到影響灰鐵比的成因，為今后將高爐灰鐵比控制在更加合理的范圍內(nèi)提供了依據(jù)。 

關鍵詞  高爐 灰鐵比 原燃 煤比 煤氣分布 爐況

進入21世紀，由于各國工業(yè)快速發(fā)展而導致的環(huán)境污染問題日益嚴重，各國為了保護環(huán)境投入大量的資金，建立環(huán)保機構(gòu)，并采取一系列有效的治理措施[1]。鋼鐵企業(yè)主要的能源和資源消耗集中在從原料處理到生產(chǎn)生鐵的過程中，其消耗約占鋼鐵生產(chǎn)總流程的70%；排放物數(shù)量也很大，粉塵、SO2、NOx和CO2等污染物約占50%以上[2]。高爐煤氣是高爐冶煉過程中產(chǎn)生的主要副產(chǎn)品之一，而爐頂產(chǎn)生的煤氣中夾雜著許多細小的爐料和經(jīng)過高溫區(qū)域反應后產(chǎn)生的微小顆粒物，經(jīng)過除塵系統(tǒng)除去的顆粒物也稱之為除塵灰。冶煉每噸生鐵所產(chǎn)生的除塵灰量稱之為灰鐵比，它是衡量高爐對原料和能量利用程度好壞的主要指標之一。灰鐵比越低的高爐，一定程度上說明其煤氣利用程度越好，對原料的利用率越高，企業(yè)不僅緩解對除塵灰回收再處理，也降低了噸鐵成本。

首鋼公司京唐1號高爐（有效容積5500m3）自2009年5月21日投產(chǎn)以來，歷經(jīng)煉鐵工作者多年探索、實踐、優(yōu)化，冶煉技術(shù)日趨成熟，各項經(jīng)濟指標均已超過設計水平，主要經(jīng)濟指標如表1所示。

京唐1號高爐的煤氣除塵系統(tǒng)分為兩級，一級除塵為旋風式除塵器（如圖1所示），二級除塵為全干法除塵器，其中全干法除塵器為國內(nèi)首次在5000m3級大型高爐上應用，經(jīng)二次除塵后煤氣中含塵量低于5mg/m3。此外，灰鐵比的高低與除塵器的形式也有關系，旋風除塵器除塵效率較好，比重力除塵器效率高30%左右。本文所論述灰鐵比為一次灰鐵比（旋風除塵灰）與二次灰鐵比（干法除塵灰鐵比）之和。

1  國內(nèi)4000m3以上高爐灰鐵比現(xiàn)狀

4000m3以上大型高爐是當今高爐煉鐵先進技術(shù)的集中體現(xiàn)，與小的高爐相比，大型高爐的單位爐容投資少、高效、低耗、環(huán)保[3]。2010年以來，中國4000m3以上大型高爐的冶煉技術(shù)和操作管理水平取得較大進步，生產(chǎn)指標明顯改善。2016年全球粗鋼產(chǎn)量16.285億t，同比增長0.1%[4]。2016年中國粗鋼產(chǎn)量8.08億t，占世界粗鋼總產(chǎn)量的49.6%，2016年中國22座有效容積大于4000m3級以上高爐平均利用系數(shù)為2.06t/(m3·d)，燃料比512.44kg/t，焦比348.91kg/t，煤比155.98kg/t[5]。

2017年全國22座大于4000m3高爐平均灰鐵比14.48kg/t，其中，灰鐵比最高的是寶鋼湛江兩座5050m3高爐，達到23.86kg/t；最低的是馬鋼兩座4000m3高爐，僅為7.92kg/t，寶鋼股份4座高爐平均為16.17kg/t。2017年中國4000m3以上高爐瓦斯灰灰鐵比情況如圖2所示。（數(shù)據(jù)來源：中國冶金報社《2017年全國高爐煉鐵主要操作指標排排看》和2017年中鋼協(xié)公布大型高爐指標）

2017年京唐1號高爐旋風灰鐵比為16.32kg/t，灰鐵比為21.6kg/t，自投產(chǎn)以來灰鐵比呈現(xiàn)升高趨勢，且高于同類型平均水平?；诣F比的持續(xù)升高，除塵灰量必然大幅增加，生產(chǎn)過程中一方面往往因運輸能力不足而造成除塵灰卸不空，造成除塵器內(nèi)灰量處于高料位影響除塵器的除塵效果；另一方面灰鐵比升高一定程度上說明高爐對爐料利用率降低，導致燃料消耗的升高的同時往往需要更多的資金投入對除塵灰進行再處理。

因此，從高爐生產(chǎn)的實際出發(fā)，對灰鐵比的影響因素：原料質(zhì)量、煤氣分布、操作制度等進行系統(tǒng)分析、總結(jié)、研究就顯得極為重要，使之在確保高爐長期穩(wěn)定、高產(chǎn)基礎上將灰鐵比控制在更加合理的范圍內(nèi)。 

2  京唐1號高爐除塵灰成分及來源分析研究

2.1  除塵灰成分

旋風除塵灰本身是高爐冶煉過程中伴隨煤氣產(chǎn)生的一種附屬物，除塵灰成分主要含有大量的鐵、碳粉、二氧化硅和氧化鈣，還含有鉀、鈉、鋅、鉛等有害元素。針對旋風除塵灰成分分析（如表2所示），可知京唐1號高爐旋風除塵灰主要成分鐵、碳含量分別在48%、16%左右。

經(jīng)過旋風除塵后，煤氣經(jīng)過干法除塵器產(chǎn)生的除塵灰為二次除塵灰，爐塵粒度降低，而且其成分也發(fā)生較大變化，根據(jù)成分化驗分析表3可知，其鐵、碳含量分別在32%、24%左右。

2.2  除塵灰成分來源分析

此外，為了全面進一步研究高爐冶煉過程中產(chǎn)生的旋風除塵灰的來源，通過對旋風除塵灰的微觀結(jié)構(gòu)組成進行分析（如表3所示），旋風灰主要由焦炭顆粒（焦炭顆粒和焦變殘?zhí)靠傉急?8.6%）、含鐵顆粒（燒結(jié)礦顆粒、球團礦顆粒、原礦顆粒和鐵顆?？傉急?7.3%）和煤粉顆粒（原煤顆粒和熱變原煤占比3.16%）組成。

3  影響灰鐵比的因素分析與研究

3.1  原燃料

3.1.1  焦炭

焦炭的質(zhì)量變化直接影響到灰鐵比，而且從旋風除塵灰微觀結(jié)構(gòu)分析焦炭是其主要來源之一。在高爐冶煉過程中，焦炭產(chǎn)生的粉末除了自身帶入外，大部分由焦炭在爐內(nèi)不斷下降的過程中與二氧化碳發(fā)生碳素熔損反應，使焦炭內(nèi)部孔壁厚度變薄，原有的結(jié)構(gòu)遭到破壞，最終造成其強度降低而產(chǎn)生粉末[6]。京唐公司高爐所用焦炭為100%全干熄焦炭，焦炭長期保持穩(wěn)定的配比和炭化時間，質(zhì)量穩(wěn)定（如表4所示），故不是影響灰鐵比變化的原因。

3.1.2  入爐礦料

除塵灰的另一主要來源于金屬礦料，京唐高爐爐料結(jié)構(gòu)由燒結(jié)礦（65%）、球團礦（29%）和澳礦（6%）三種礦料構(gòu)成，而且爐料結(jié)構(gòu)、成分基本穩(wěn)定。通過對大量數(shù)據(jù)分析，粒度是影響灰鐵比的因素之一，入爐礦料篩下物量（用篩下返礦率表示）越多（如圖3所示），灰鐵比相對就越高。

3.2  煤比

噴入高爐內(nèi)的煤粉主要參與風口前的燃燒、鐵水滲碳、下部的FeO直接還原、上部碳的氣化等反應，未被利用的煤粉被煤氣帶出高爐。隨著焦炭負荷不斷加重、煤比升高后，一方面焦炭在高爐內(nèi)的停留時間延長后必然導致粉化加劇,另一方面煤比持續(xù)升高后（大于160kg/t），未燃煤粉量增加而導致旋風除塵中未燃煤粉和粉焦含量增加，從而導致灰鐵比升高（如圖4、5所示）。

提高風口前煤粉燃燒率,改善未燃煤粉的消耗利用率,都會有效地降低爐塵中未燃煤粉的逸出量 [7]。例如，2017年2月4日通過調(diào)裝料減一圈中心焦炭后，煤氣利用率由48.21%升高至49.5%后，煤比降低約10kg/t，總灰鐵由比27.77 kg/t（與2017年1月份相比）下降24.55kg/t。

3.3  煤氣利用水平

3.3.1  煤氣利用率

煤氣利用率是衡量在高爐煉鐵過程中氣固相還原反應中一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳程度的指標。在爐況長期穩(wěn)定的基礎上，通過優(yōu)化基本制度來控制合理的煤氣流分布，以最終獲得較高的煤氣利用率是當今大型高爐冶煉的主要目標之一。煤氣利用率越高說明在冶煉過程中煤氣中CO與爐料反應的更充分，能量利用的越好。通過對焦比在295kg/t和305kg/t 條件下，對煤氣利用率和灰鐵比進行分析（如圖6、圖7所示）可知，隨著煤氣利用率升高，灰鐵比呈現(xiàn)下降趨勢，且當煤氣利用率達到49%以后下降趨勢趨緩。

3.3.2  爐頂溫度

鼓風從風口吹入高爐后與煤粉、焦炭和礦料發(fā)生一系列氧化還原反應，最終形成高爐煤氣從爐頂逸出，而爐頂煤氣溫度一定程度代表冶煉過程中對熱量利用水平的高低。生產(chǎn)過程中，爐頂溫度水平越低，燃料比水平相對就越低，一定程度上也反映了煤氣分布和煤氣利用水平更加合理。由圖8、圖9可知，一次灰鐵比、灰鐵比與高爐頂溫具有明顯正比對應關系。

3.4  燃料比

在高爐長期穩(wěn)定的基礎上最求相對較高的煤氣利用水平，必然會帶來相對較低的燃料比。通過對燃料比與灰鐵比進行回歸分析，可知兩者具有一定對應關系（如圖10所示），因此，追求相對較高的煤氣利用率和較低的燃料比是降低灰鐵比有效的措施之一。

3.5  爐喉邊緣煤氣溫度

京唐1號高爐自2011年7月采取中心加焦的布料制度以來，始終堅持“中心開放式”的煤氣分布和穩(wěn)定的“倒V型”軟熔帶結(jié)構(gòu)，注重中心和邊緣兩股煤氣流的合理分布控制。因中心加焦區(qū)域CO2％較低，優(yōu)化中心加焦炭量和提高其它區(qū)域CO2含量是改善的煤氣利用水平的重要手段。

生產(chǎn)過程中，控制好邊緣煤氣對穩(wěn)定爐況、穩(wěn)定銅冷卻壁渣皮、降低燃耗等方面就顯得極為重要。多年生產(chǎn)實驗證明，在爐況持續(xù)穩(wěn)定的情況下十字測溫邊緣溫度越高時，對應灰鐵比就越高，兩者之間對應關系明顯（如圖11所示）。因此，在中心加焦的布料模式下，控制相對較低的邊緣煤氣溫度有利降低灰鐵比。

3.6  爐況穩(wěn)定性

爐況的長期穩(wěn)定順行是大型高爐冶煉的根本。煉鐵工作者必須從原燃料、操作、設備維護等多方面入手，對高爐冶煉各系統(tǒng)進行更加精細、嚴格的管控，確保爐況的長期穩(wěn)定，以實現(xiàn)長遠的最大化經(jīng)濟效益。當出現(xiàn)原料質(zhì)量波動、爐溫過高或過低、爐渣堿度過高、布料不合適、操作爐內(nèi)型不規(guī)整等情況時，若控制不好極易造成爐況波動，主要以塌料、管道行程、懸料等異常爐況形式出現(xiàn)。根據(jù)表5統(tǒng)計，入爐焦比在恒定時，統(tǒng)計日塌料次數(shù)與灰鐵比有直接對應關系，即當日塌料次數(shù)越多時灰鐵比對應就越高。因此，爐況的持續(xù)穩(wěn)定與否也是影響灰鐵比的關鍵因素之一。

4  結(jié)語

現(xiàn)代化大型高爐生產(chǎn)是一個復雜的系統(tǒng)工程，受到諸多因素影響。灰鐵比主要受入爐原料質(zhì)量、煤比、煤氣分布、爐況穩(wěn)定性等因素影響，在確保高爐爐況長期順穩(wěn)的情況下，最大限度的降低灰鐵比不僅能夠?qū)崿F(xiàn)降低燃耗水平和減輕環(huán)境污染，還能降低企業(yè)回收處理除塵灰的費用，具有極為重要的意義。

（1）長期保持穩(wěn)定的配比和炭化時間的全干熄焦炭經(jīng)過嚴格過篩后，不會影響灰鐵比變化，而入爐礦料粒度與灰鐵比有一定的一致性。

（2）煤比和燃料比均與灰鐵比存在明顯正比關系。生產(chǎn)中可通過提高理論燃燒溫度、降低燃耗等措施，可有效降低噸鐵除塵灰量。

（3）在中心加焦的布料模式下，伴隨煤氣利用率的升高，灰鐵比呈現(xiàn)下降趨勢，且當煤氣利用率達到49%以后下降趨勢趨緩。此外，灰鐵比與頂溫具有明顯正比對應關系。

（4）十字測溫邊緣溫度越高，灰鐵比對應也越高。

（5）爐況的穩(wěn)定與否也是影響灰鐵比的因素之一。

5  參考文獻

[1] 周傳典.高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2002（4）：730.

[2] 項鐘庸，王筱留. 高爐設計——煉鐵工藝設計與實踐[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2007（11）：96.

[3] 張壽榮，姜曦.中國大型高爐生產(chǎn)現(xiàn)狀分析及展望[J]. 第十一屆中國鋼鐵年會論文集//[C]，2017，52（2）:2.

[4]世界鋼鐵協(xié)會.2016—2015年全球月度粗鋼產(chǎn)量[DB/QL].http://www.worldsteel.org/zh/statistics/crude-steel-productiong0.html.(World Steel Association.Global Monthly Crude Steel Output 2016-2015.

[DB/OL].http://worldsteel.org/zh/statistics/crude-steel-productiong0.html)

[5] 張壽榮，張衛(wèi)東.中國鋼鐵企業(yè)固體廢棄物資源化處理模式和發(fā)展方向[J].鋼鐵，2017，52（4）:1.

[6] 代兵，姜曦，王運國，等.本鋼新１號高爐降低瓦斯灰碳含量攻關[J].中國冶金，2017，27（1）：75.

[7] 李榮壬，徐萬仁，錢暉. 高爐大量噴煤時煤粉在爐內(nèi)利用狀況的研究[J].寶鋼技術(shù)，2000.（2）：31.

[8] 張壽榮，姜曦.我國大型高爐生產(chǎn)現(xiàn)狀分析及展望[J].鋼鐵，2017.2.