高爐爐身靜壓監(jiān)測技術最早由寶鋼在20世紀80年代引進!,在指導高爐操作中具有超前性、穩(wěn)定性及準確性等優(yōu)點!21,對判斷爐內壓力與煤氣流在橫縱兩個斷面上的變化趨勢,減少爐況大幅波動及避免爐況失常,具有重要的參考價值。

目前,國內高爐基本上都應用了該技術,但缺乏對大型高爐壓差與爐身靜壓差變化的一般性規(guī)律總結,難以對一般和特殊爐況起到指導作用。京唐1號高爐(5500m:)在設計中也引人了爐身靜壓監(jiān)測技術,并將監(jiān)測數(shù)據作為重要的調劑參數(shù)應用于作過程中,形成一套通過爐身靜壓差變化判斷爐況的操作方式。

1 爐身靜壓差與高爐壓差變化的規(guī)律

1.1爐身靜壓監(jiān)測裝置

1號高爐在爐身安裝了4層靜壓監(jiān)測點，把高爐壓差分為上部壓差、中部壓差、下部壓差分別進行監(jiān)測,稱為“靜壓差”上中下三部分壓差總和是高爐總壓差。最下層爐身靜壓監(jiān)測安裝在爐腰位置最上層爐身靜壓監(jiān)測安裝在爐身中部以下[3。京唐1號高爐爐身靜壓監(jiān)測位置如圖1所示,風壓與第1層靜壓力的差值為下部壓差,第2層靜壓力與第4層靜壓力的差值為中部壓差,爐頂壓力與第4層靜壓力的差值為上部壓差。利用上、中、下部壓差分別監(jiān)控爐腹區(qū)域、軟熔帶、塊狀帶透氣性的變化。

1.2 高爐壓差的一般性規(guī)律

高爐壓差指入爐的風壓與爐頂壓力的差值。在生產過程中,高爐壓差代表爐內的氣體流過整體料柱的壓力損失,代表爐內料柱的透氣性,透氣性越好壓力損失越小,壓差越低。

爐內氣體流動是鼓入的熱風與爐缸內焦炭燃燒產生大量煤氣,煤氣上升與爐料繼續(xù)反應,最終反應后產生的煤氣從爐頂排出的過程。鼓入高爐的熱風與焦炭反應產生煤氣而使氣體體積增加,風口前端有回旋區(qū)存在,并且爐缸內雖然有大量爐料及渣鐵填充,但是仍屬于大體積容器。因此,熱風進入高爐后的壓力大幅降低。由于爐缸焦炭及渣鐵的阻力爐缸水平面的壓力分布從風口向內逐漸降低,若爐缸透氣性好,則從外往內壓力降低小,反之則壓力降低大。而在豎直方向爐缸煤氣上升過程中,由于爐料及入的熱風需要的風壓就低,反之需要的風壓則高在定頂壓、定風量的操作模式下,壓差低也就代表了爐內整體透氣性好。

京唐1號高爐開爐前烘爐打壓時,風壓、頂壓及高爐壓差的變化如圖2所示,各層壓差的變化如圖3所示。對比圖2和圖3.爐頂放散閥全開時,爐內存在較高的壓差值,但都是在下部。這時候的高爐壓差不是因為熱風通過的阻力，而是由于空高爐風口前的面積急劇變大,壓力會出現(xiàn)陡降,以至于爐缸水平面壓力遠遠低于熱風壓力,熱風在爐頂出口因為通過面積急劇變小而產生較小的爐頂壓力。這時候的高爐壓差值,只是表征熱風進人風口前的壓力與爐頂壓力的差值,并不表征爐內的透氣性。當關閉爐頂放散閥提高頂壓進行打壓試驗時，下部壓差回零表示爐缸水平面壓力與鼓風壓力持平時,高爐空腔壓差為零。

由此可見,通常意義上的高爐壓差并不代表爐缸水平面壓力與爐頂壓力的差值,只是在高爐生產爐缸內風口前壓力水平接近熱風壓力取壓點的風壓時,高爐壓差才基本代表爐內壓差。而通常意義上的高爐壓差代表的是熱風壓力取壓點與頂壓取壓點渣鐵阻力,以及通過的截面積變化,同樣導致壓力逐漸降低,爐料阻力越小,壓力損失越少,爐料前端與后端壓差越小。

高爐冶煉是定頂壓、定風量的操作,在爐頂壓力固定的情況下,爐內透氣性好,煤氣上升阻力小,鼓之間整個系統(tǒng)壓力損失的大小,由于管道系統(tǒng)是固定的,也就在一定意義上能夠代表從風口前端到爐頂料面整體透氣性的好壞。

高爐內從爐缸至爐頂煤氣體積的變化如圖4所示。熱風進入高爐與焦炭反應是體積膨脹過程,爐缸煤氣體積大于熱風體積,爐缸煤氣上升過程中與焦炭及礦石反應,在爐身下部經過軟熔帶后體積增加到最大,在爐身塊狀帶煤氣體積不再變化。由于高爐煤氣在爐內自下而上體積、溫度的變化,以及爐內自下而上各層煤氣通過橫截面積的變化,即使爐內各層截面的爐料透氣性相同,也必然導致各層的壓力分布不同。由于爐料在爐內不同區(qū)域的分布不同,且煤氣在爐內不同區(qū)域的流速不同,各區(qū)域煤氣通過的阻力不同,也就導致了爐內水平面壓力不等同。因此,爐身靜壓監(jiān)測的上、中、下部壓差總值雖然等同風壓與頂壓的差值,但是通過爐身靜壓監(jiān)測的各層壓差變化并不完全代表各層的透氣性變化僅僅代表邊沿區(qū)域的壓差變化。京唐1號高爐各層壓差及總壓差的變化如圖5所示,由圖5可以看出:

通過爐身靜壓監(jiān)測的各層靜壓差正常范圍的變化并不完全等同于高爐壓差的變化。

1.3 靜壓差的影響因素

(1)下部壓差。下部壓差監(jiān)控區(qū)域為高爐爐腰下部至風口帶的高溫區(qū)域,處于高爐軟熔帶以下,為焦炭與滴落的渣鐵混合區(qū)域。影響下部壓差的因素有:經過高爐上部反應消耗后進人爐缸的焦炭粒度中心死焦堆大小及透氣性;軟熔帶根部位置的高低渣鐵排放干凈程度;進入爐缸的渣鐵黏度。

改善下部壓差應從爐缸透氣性著手,改善焦炭熱態(tài)性能,提高爐缸焦炭粒度,增加爐缸焦炭氣窗面積:保持足夠的風速、鼓風動能使爐缸具備足夠大的風口回旋區(qū)面積,盡可能減小爐缸死焦堆體積:合理搭配爐料結構,保持合理的綜合爐料治金性能:構建合理的煤氣分布形態(tài),使軟熔帶具備一定的高度,增加爐缸純焦炭區(qū)域體積;調整合適的造渣制度,減小進入爐缸的渣鐵對焦炭氣窗的淤堵:控制合理的渣鐵溫度,避免煤氣體積過度膨脹;及時排凈渣鐵,盡可能保持穩(wěn)定的渣鐵液面,增大爐缸焦炭區(qū)的體積(2)中部壓差。中部壓差監(jiān)控區(qū)域為高爐的中溫區(qū)域,是煤氣與焦炭、礦石發(fā)生還原反應的區(qū)域是半熔化礦、焦炭、渣鐵的混合區(qū)域。影響中部壓差的因素有:爐料的綜合冶金性能形成的軟熔帶厚度初渣及終渣黏度;焦炭的冷態(tài)、熱態(tài)性能;裝料制度及形成的軟熔帶形狀。

為改善中部壓差,應合理搭配爐料結構,以具備合理的綜合爐料冶金性能,使綜合爐料的熔融溫度區(qū)間盡可能的小,熔融最大壓差盡可能低,熔融帶厚度薄,這樣才能最大程度改善軟熔帶的透氣性:通過調整上部裝料制度,形成合理的一次煤氣流分布,使軟熔帶形狀具備穩(wěn)定、合適的煤氣通路。

(3)上部壓差。上部壓差監(jiān)控區(qū)域為塊狀帶區(qū)域。影響上部壓差的因素有:入爐原料的粉末量;塊狀帶爐料粒度;爐料的抗壓強度及冶金性能:裝料制度形成的礦焦分布[4-5]

改善上部壓差的措施:

①提高人爐原料粒度,減少人爐粉末;

②提高含鐵爐料的抗壓強度、降低爆裂指數(shù),降低低溫還原粉化率;

③通過裝料調整構建合理的二次煤氣流分布通路

2 爐身靜壓在高爐操作中的應用

2.1 高爐調整的參考

大高爐冶煉都會保持中心與邊沿的兩條煤氣通路,這兩條煤氣通路是蹺蹺板式的平衡。在原料條件不變條件下,中心變強則邊沿變弱,中心變弱則邊沿變強。爐身靜壓監(jiān)測爐身邊沿的靜壓力變化,通過靜力壓變化情況監(jiān)測邊沿區(qū)域的靜壓差變化,基本能夠監(jiān)測高爐邊沿區(qū)域透氣性變化。在裝料調整時,通過靜壓差變化情況可以判斷邊沿氣流變化[]。雖然各層靜壓差值不能完全代表各層整體透氣性變化,在高爐中心區(qū)域煤氣通路穩(wěn)定的情況下,靜壓差變化也能反應出各層透氣性變化。通過靜壓差分析爐身各層透氣性變化,必須結合煤氣分布變化綜合分析,才能得出正確的參考意義。

京唐1號高爐各層壓差分布比例的變化如圖6所示。高爐壓差主要集中在下部與上部,中部壓差很低。上部壓差占總壓差的30%左右,中部壓差占總壓差的10%左右，下部壓差占總壓差的60%左右。因此,生產中高爐以改善壓差作為調整手段,應該主要改善上部與下部壓差。

2.2 日常操作的輔助

大高爐生產都需要保持生產條件穩(wěn)定,一般不會出現(xiàn)短時間內原燃料條件大的波動及操作制度上大的調整,從而保證爐內煤氣流分布的基本穩(wěn)定,爐身上部壓差與中部壓差也能保持穩(wěn)定!7。如果工長在操作中能夠保持爐溫的穩(wěn)定,則下部壓差也會維持穩(wěn)定。但是,在實際生產過程中,爐溫會在一定范圍內波動,而爐溫波動必然會導致爐腹煤氣體積的波動,進而會引起下部壓差的波動8。因此,在高爐操作中,通過下部壓差變化能夠判斷爐溫變化下部壓差升高代表爐溫上行,下部壓差降低代表爐溫下行。京唐1號高爐下部壓差及鐵水[Si]的變化如圖7所示,對比可見下部壓差與鐵水[Si]的對應關系,正常情況下爐溫升高會帶來下部壓差升高，

2.3 特殊爐況的監(jiān)控及處理

京唐1號高爐某天的爐身靜壓監(jiān)測畫面見圖8。由圖8可以看出,下部壓差穩(wěn)定性偏差,表明下部邊沿氣流穩(wěn)定性差,對應的操作曲線表現(xiàn)為料尺工作不均勻。當下部壓差降低時,表明下部邊沿透氣阻力減小,煤氣通過量加大,對應的會帶來中上部阻力增大。如果中上部能夠承受下部增加的煤氣量而保持壓差穩(wěn)定,則操作曲線表現(xiàn)為壓量關系基本穩(wěn)定。當中部不能承受下部的煤氣流時,會帶來中部壓差急劇下降,上部壓差急劇升高。當上部能夠承受急劇增加的氣流時,也能保持整體壓差基本穩(wěn)定,并保持操作曲線基本平穩(wěn)。當下部壓差下降過低,而中上部都不能夠接受突然增加的煤氣量時,就會出現(xiàn)管道。