孔亞東  賈來輝  陳亞春

(中天鋼鐵集團)

摘  要  中天鋼鐵在低燒結礦配比的情況下，克服燒結礦產能不足帶來種種影響，不斷優(yōu)化用料結構，改變高爐操作思路，通過對氣流的控制，爐缸狀態(tài)的把握，以及對噴煤系統(tǒng)的改進，逐步將高爐噴煤量由155kg/t提升至180kg/t。

關鍵詞  小高爐  低燒結礦配比  高富氧  高煤比  噴煤量 

1  中天鋼鐵高爐煉鐵概況

中天鋼鐵擁有10座高爐，1000m3以下有7座，1580m3高爐3座，燒結機有5臺，4臺180m2，1臺550m2，由于受燒結機產能限制的原因，常年停1座高爐生產，燒結礦配比能穩(wěn)定在70%左右。自2020年6月份開始為進一步提高產能開啟10座高爐生產，燒結礦配比由原先的70%逐步降低至60%，球團、塊礦比例逐步提高至22%和18%。中鋼沒有自己的焦化廠，焦炭全部使用外購焦炭，焦炭供應廠家多而雜，不同廠家之間的焦炭質量存在較大差異，沒有自己的礦山，全部使用進口礦，沒有球團廠，球團全部靠外購，外購球質量不一。

2019年4月份，公司6萬m3制氧機組正式投用，各高爐開始逐步提升富氧量，富氧率從2-3%提高至5-6%，隨著富氧率的提高，高爐產量達到了歷史最高水平，但同時燃料消耗也隨之升高。以中天鋼鐵2、3號510m3高爐為例，2019年下半年比上半年富氧率提升1.16%，產量利用系數提升0.2t/（m3·d），燃料消耗升高9kg/t。

2020年第二季度，隨著焦煤差價越來越大，為進一步降低生產成本，各煉鐵廠紛紛采取有效措施，想盡辦法提升磨機制粉能力，同時改善噴煤條件，為高爐提高煤比提供有力條件。2020年5月份，各高爐開始進行提高煤比的生產實踐，以中天鋼鐵2、3號510m3高爐為例，當月下旬干煤比平均達到165 kg/t，6月份平均達到177 kg/t，目前高爐最高能穩(wěn)定在180 kg/t以上。

2  高爐低燒結礦配比條件下的高煤比操作技術

2.1  高爐低燒結礦配比冶煉的特點

2018年因全國范圍的環(huán)保管控，中天鋼鐵燒結廠因環(huán)保管控原因，燒結機輪流停臺整改，燒結礦產量嚴重不足。高爐燒結礦配比最低時只有55%，球團礦比例最高達到了30%。低燒結高球團冶煉，對高爐生產造成很多不利影響。經過這一次實踐經歷，為當前高爐低燒結礦配比冶煉積累了不少寶貴經驗。

2.1.1  高比例球團對高爐生產的影響

使用高比例酸性球團礦生產有以下幾個特點：一是球團礦高溫還原粉化率指標相對較差，因其在高溫下還原粉化嚴重，會造成高爐透氣性惡化，影響料柱透氣性，球團礦比例增加后這一現象將更為明顯；二是球團礦具有粒度均勻、滾動性好、堆角小的特點，相比燒結礦更容易向中心堆積，造成中心氣流不暢，或者布料不均，造成氣流異常，提高球團礦比例后需要對料制進行一定調整；三是球團礦本身具有軟熔溫度低、軟熔區(qū)間大的特點，增加比例后將進一步影響料柱透氣性；四是大部分球團礦堿金屬鉀、鈉含量相對偏高，在提高球團礦比例時，需控制堿金屬的平衡。

在實際操作過程中，隨著球團礦比例的升高，高爐變的異常難操作，憋壓、懸料、塌料等情況明顯增多，煤氣流分布不均，經常出現管道氣流，甚至出現過大管道，差點造成高爐大涼。圖1為中天鋼鐵1號550m3高爐2018年7月份，燒結礦比例從月初的60%逐漸降低至月末55%時，高爐熱風壓力和壓差變化趨勢。從1號高爐18年7月份熱風壓力與壓差變化趨勢上可知，球團比例增加到30%以后，高爐爐況發(fā)生了非常大的波動。為保證高爐正常出鐵，高爐只能通過降低冶煉強度，降低焦炭負荷，降低噴煤量等方式穩(wěn)定爐況。

2.1.2  燒結礦供應量不足對高爐生產的影響

燒結礦供應不足，一是造成高爐燒結礦倉位普遍偏低甚至有斷料風險，高爐被迫減風、慢風操作；二是遇到燒結機臨時停臺，高爐將不得不面臨帶大量落地礦，落地礦相對較碎，且取料時經過打水處理，高爐大量使用，容易造成高爐爐況失常；三是，低燒結礦比例，燒結礦堿度相對較高，超過2.25以后燒結礦質量很不穩(wěn)定，另外燒結礦堿度不夠時，高爐需帶白云石增加堿度，白云石作為輔料，會分解吸熱生成CO2，燃料消耗相對偏高，使用白云石期間爐況穩(wěn)定性相對較差。

燒結機產能不足，還會存在一個問題，就是燒結礦質量的不穩(wěn)定。燒結廠為了提高產量，不得不犧牲燒結礦質量，燒結礦堿度波動大、燒結粒度碎等情況經常出現。另外，當時鐵前冶金實驗室還未建立，對燒結礦的冶金性能未進行關注，燒結礦的還原性、低溫還原粉化率等指標沒有相應的數據，燒結礦質量難保證。

2.2  高爐提煤比生產實踐

2020年是中天鋼鐵追求效益的一年，經過2019年的高富氧操作，高爐已經基本適應高富氧率的工作狀態(tài)。高富氧的情況下，雖然產量提高了，但是燃料消耗也隨之升高。分析其主要原因是高富氧情況下，理論燃燒溫度過高，會引起風口區(qū)SiO大量揮發(fā)，不僅惡化料柱透氣性，還容易造成上部粘結，造成爐況難行，高爐邊緣氣流難控制，最終導致高爐煤氣利用率下降，燃料消耗上升。另外，高富氧操作本身有利于邊緣氣流發(fā)展，更加劇了這一結果。為降低高爐理論燃燒溫度，最有效、最直接的方式就是增加噴煤量。

中天鋼鐵的高爐也曾嘗試過高噴煤操作，但效果并不理想。另外，10座高爐生產要提高噴煤量對噴煤系統(tǒng)而言也是不小的挑戰(zhàn)。隨著焦煤差價越來越大，煉鐵廠想要產生更多的經濟效益，必須走提高高爐煤比降低生產成本這條路。為此在2020年5月份，中天鋼鐵各高爐開始嘗試提升煤比的生產實踐。同年6月份，為進一步提升產量增加效益，中天鋼鐵開啟10座高爐生產，燒結礦配比從70%降低至60%，球團礦比例由16%提高至22%，塊礦比例由14%提高至18%。因此在提升煤比的實踐中，高爐同時面臨著低燒結礦配比生產帶來的影響。

2.2.1  提高噴煤系統(tǒng)制粉與噴吹能力

提高高爐噴煤量的前提是提高磨機制粉能力和管道噴吹能力，為此噴煤系統(tǒng)需要改變以往生產模式，為高爐提升煤比做好鋪墊。首先，磨機制粉能力的提升，主要從三個方面進行，一是通過降低磨機壓力降低煤粉粒度，將煤粉粒度-200目的比例由原先80%以上降低至60%-70%，以提高磨機制粉量；二是增加給料機下煤量，但需要考慮干煤粉水份，要求干煤粉水份控制在2.5%以下，因此給料機下煤量不能過大；三是提高磨機作業(yè)率，將磨機作業(yè)率由原先80%提高至100%，即24小時不停機作業(yè)，只與高爐計劃檢修時一起進行大的維護。

其次，管道噴吹能力的提高，有兩種改進方法。一是直接更換更大管徑的噴煤管道，這需要增加管道整改費用；二是在管道上增加保溫材料，保證干煤粉溫度40-50℃，可有效提高煤粉流速，增加噴吹能力。

2.2.2  改善高爐料柱透氣性

低燒結礦配比條件下，因球團礦比例增加，高爐本身料柱透氣性會變差，當原料質量不能保證時，如球團礦粒度碎、含粉重，燒結礦粒度碎、轉鼓強度低、低溫還原粉化率指標差等情況，更加劇了高爐料柱透氣性的惡化，若此時增加高爐噴煤量，高爐透氣性只會越來越差，高爐接受不了大噴煤的操作。這也是前期高爐嘗試大噴煤操作效果不理想的重要原因。為改善高爐料柱透氣性，必須優(yōu)化原燃料使用條件。

（1）原料的使用和管理。當前隨著鐵前系統(tǒng)管理上的進步，球團、塊礦的管理有了很大改善，球團、塊礦不在是露天堆放，而是從船里直接進倉，減少了下雨天對球塊質量的影響，同時球塊品種能保持長期穩(wěn)定供應，頻繁切換球塊品種已成過去。在燒結礦比例下降后，高爐根據以往經驗，適當調整礦槽排料順序，使球團盡可能往靠近邊緣環(huán)帶布料，減少球團滾動對氣流的影響。另外，根據理論和實踐經驗，酸性球團的使用比例最好不要超過30%，以此優(yōu)化原料結構。

2019年上半年鐵前實驗室開始投用，其具備燒結杯試驗、低溫還原粉化率、還原性、轉鼓強度等實驗條件，燒結礦的冶金性能指標開始得到重視和提升。另外，2020年公司成本考核制度改革，將燒結成本掛靠煉鐵成本，燒結廠改變了原先“重產量輕質量”的生產模式，將燒結礦質量放在第一位。使得燒結礦質量得到了較明顯的提升，尤其是燒結礦粒度和轉鼓強度。另外，燒結礦冶金性能指標也有一定提升，其中燒結礦低溫還原粉化率指標RDI+3.15%由原先60%提升至75%。為進一步提高低溫還原粉化率，燒結廠還進行了噴淋CaCl2的試驗，低溫還原粉化率指標RDI+3.15%由75%提高到85%。由于噴淋CaCl2對管道有腐蝕，只根據需要時才開啟。這些改變，都為高爐提高噴煤量，創(chuàng)造了更多的有利條件。

（2）焦炭的使用和管理。焦炭作為高爐料柱的骨架，對料柱透氣性起到關鍵性的作用。隨著噴煤量的增加，焦炭負荷也隨之增加，焦炭料層逐漸減少，高爐透氣性降低。為改善料柱透氣性，焦炭質量尤為重要，尤其是其熱反應性和反應后強度。在焦炭質量管理上，中天鋼鐵已經形成了一套完善的焦炭質量評價體系，根據焦炭不同指標進行打分，對不同品種和廠家的焦炭進行評分，區(qū)分好焦炭和差焦炭。同時，在焦炭使用上，以評分較高的焦炭作為主焦，評分較低的焦炭作為輔焦，高爐在焦炭使用時要求主焦比例不低于50%，并且在焦炭布料時，有意將主焦布到中心位置，改善料柱透氣性的同時，確保中心氣流發(fā)展，保證爐缸的活躍性。

2.2.3  控制高爐煤氣流合理分布

根據前人研究結果，高富氧大噴煤后，焦炭負荷增加，料柱透氣性降低,高爐實際風量減少，加上單位體積爐料重量增加，爐料作用于風口回旋區(qū)的有效正壓力增加，均是使回旋區(qū)變小的因素，故高富氧大噴煤后回旋區(qū)縮小，使邊緣氣流發(fā)展。另根據日照鋼鐵高富氧高噴煤實踐研究可知，對于大中型高爐，隨著噴煤量提高，未燃煤粉在料柱中沉積，降低料柱透氣性，中心氣流變弱，邊緣氣流發(fā)展，回旋區(qū)縮短。結合本廠生產實踐，中天鋼鐵三座小高爐，在高富氧煤比155kg/t的情況下，邊緣氣流也存在較大發(fā)展的情況，但高爐礦角往上壓時比較困難，中心和邊緣氣流難穩(wěn)定，分析原因主要是高富氧低噴煤時，理論燃燒溫度過高，導致SiO大量揮發(fā)，影響了料柱透氣性（噴煤提升前后理論燃料溫度變化，見圖2）。當噴煤量提升以后，煤比達到180kg/t時（未燃煤粉增加，高爐重除灰固定碳含量增加，見圖3），邊緣氣流并沒有減弱，邊緣氣流仍然較大發(fā)展，說明500m3小高爐在高富氧高煤比的情況同樣會出現回旋區(qū)縮短，邊緣氣流較大發(fā)展的情況。高爐嘗試逐步增加礦和焦的角度，同時減小礦和焦的角差，采用“大角度，小角差”的裝料制度控制邊緣氣流，通過料制的調整，高爐邊緣氣流得到有效控制（高爐提升煤比前后料制的變化，見表2），說明在理論燃燒溫度控制在合理范圍時，高爐邊緣氣流相對可控。

2.2.4  保證活躍的爐缸狀態(tài)

為保證爐缸狀態(tài)活躍，需要確保高爐擁有足夠的鼓風動能，這就需要考慮風機能否提供足夠的風量以及是否需對風口面積進行調整。根據前人研究結果以及其他鋼鐵廠的生產實踐，在高富氧和大噴煤的情況下，需要對風口面積進行縮小，以增加風口回旋區(qū)長度，提高鼓風動能，如日照鋼鐵相比大噴煤前風口面積縮小了2%-3.5%。但中天鋼鐵三座小高爐，實際匹配的風機不僅風機能力小，且使用年限較長設備能力老化，高爐風量已經使用到了極限，因此在風口面積的選擇上，已經選擇最大的風口面積與風機能力進行匹配。在當前高富氧大噴煤的情況下，風量已經不能再加，風口面積并不算大，因此在實際操作中并未刻意去縮小風口面積。從實踐結果來看，鼓風動能也相對合適。

另外，提高噴煤量后，風口前理論燃燒溫度有所下降，而理論燃燒溫度的大小對爐缸狀態(tài)有很大影響，包括傳熱速率、渣鐵溫度、爐缸溫度等。根據理論研究，富氧率提高1%，理論燃燒溫度升高42℃，風溫升高10℃，理論燃燒溫度升高7-8℃，噴煤量增加10kg/t，理論燃燒溫度下降15℃。而理論燃燒溫度不能過高，也不能過低，必須控制在一定范圍內。目前，中天鋼鐵各高爐要求理論燃燒溫度控制在2200-2300℃之間。在噴煤量提升以后，平衡好富氧率和煤比的關系，同時穩(wěn)定1180℃的風溫水平。

其次，鐵水物理熱、渣鐵流動性、爐前出渣出鐵等因素，對高爐爐缸狀態(tài)的活躍程度有較大影響。因此在鐵水物理熱控制上，要求高爐每一爐鐵水物理熱必須控制在1480℃以上。爐渣堿度和鎂鋁比控制方面，要求爐渣堿度控制在1.15±0.05，一方面確保爐渣有足夠的脫硫能力，一方面保證渣的流動性。另外，中天鋼鐵渣中鋁一般保持在15-17%，因此鎂鋁比要求控制在0.55-0.6之間，目的同樣是保證渣的流動性和脫硫能力。另外，低燒結礦配比的情況下，原料品位相對較高，導致渣量偏低，高爐出渣不穩(wěn)定，經常一爐渣多一爐渣少，造成爐況波動。因此，高爐更愿意搭配使用一些輔料，一方面調整爐渣堿度和鎂鋁比，一方面增加渣量，但這會造成燃料消耗的升高，對降低生鐵成本不利。為保證高爐合適的渣量，又不增加煉鐵成本，就需要選擇品位相對較低的礦，包括球團、塊礦和燒結使用的礦粉，低價的礦可以平衡渣量升高增加的成本。其次，單鐵口高爐，鐵口維護的好壞，直接影響高爐爐缸狀態(tài)和爐況順行。因此，必須重點關注炮泥質量和爐前工的操作水平。

4  結論

本次中天鋼鐵三座500m3高爐在燒結礦產能不足的情況下，克服了燒結礦配比低、球團礦比例高的困難，通過一定技術手段實現了高爐高煤比操作的實踐結果。根據實踐經過，總結了如下幾個方面的經驗：

（1）在低燒結礦配比的情況下，因酸性球團本身的性質影響比例不宜過高，最好不超過30%，否則影響高爐料柱透氣性，不利于高爐煤比的提升。

（2）燒結礦產能不足時，燒結礦供料不穩(wěn)定以及質量不穩(wěn)定，也是制約高爐穩(wěn)定生產的重要因素，因此必須平衡好原料結構和穩(wěn)定燒結礦質量。

（3）高爐高富氧的情況下，理論燃燒溫度相對較高，導致料柱透氣性變化，不僅不利于爐況穩(wěn)定，同時也會導致燃料消耗升高，通過增加噴煤量，平衡理論燃燒溫度，使理論燃燒溫度控制在2200-2300之間，爐況相對較穩(wěn)定。

（4）在低燒結礦配比的情況下，為改善料柱透氣性，首先需要對原燃料的使用進行管理，通過有效管理和合理搭配，可實現“低價格，高效益”的結果，同時為提高噴煤量提供有利條件。

（5）高富氧大噴煤對于500m3小高爐而言，同樣是邊緣氣流較大發(fā)展，因此在控制好理論燃燒溫度的前提下，可采用“大角度，小角差”的操作制度控制邊緣氣流。

（6）在低燒結礦配比的情況下，爐缸的活躍程度是制約高爐高煤比的重要因素，必須控制好風量、風口面積與鼓風動能的關系，同時控制好爐缸熱量、渣鐵流動性和出鐵節(jié)奏，只有活躍的爐缸狀態(tài)才能保證高爐長期穩(wěn)定順行。

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