吳官印1，姜彥冰2，蔣益2，李偉偉2，何沖1，龔繼兵2，趙華1，張智勇1
（1. 鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；
2. 鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007）
摘要： 針對鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司 4038 m3 高爐高比例使用中塊焦炭后出現(xiàn)的風(fēng)量萎縮、順行變差，尤其是高爐休送風(fēng)恢復(fù)過程中爐缸活躍性差、煤氣流中心通道打不開、頻繁崩滑料現(xiàn)象，提出采取合理匹配上下部調(diào)劑、組織好爐前渣鐵排放、小焦布料制度以及改善休風(fēng)料結(jié)構(gòu)等措施。 實(shí)踐后，高爐實(shí)現(xiàn)了中塊焦比為 90 kg/t 情況下的長期穩(wěn)定順行，休送風(fēng)恢復(fù)未出現(xiàn)超時現(xiàn)象，適應(yīng)了高比例使用中塊焦炭的生產(chǎn)。
關(guān)鍵詞： 高爐；中塊焦碳；罐焦；中心通道
鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司 （以下簡稱“鲅魚圈”）由于焦化產(chǎn)能供不應(yīng)求，且此時料場庫存有大量落地中塊焦炭， 為緩解焦炭供應(yīng)緊張問題， 探索高比例中塊焦炭生產(chǎn)的可行性，于2018 年 9 月開始嘗試在 2 號高爐（4038 m3）生產(chǎn)中提高中塊焦比，最高中塊焦比達(dá)到 110 kg/t。 隨著中塊焦炭使用量的增加，高爐出現(xiàn)風(fēng)量萎縮、順行變差情況，尤其是高爐休風(fēng)后送風(fēng)恢復(fù)過程，出現(xiàn)爐缸活躍性差、煤氣流中心通道打不開、頻繁崩滑料現(xiàn)象。為了最大限度降低高比例使用中塊焦炭給 2 號高爐帶來的影響，提出了一系列工藝改進(jìn)措施，并進(jìn)行了生產(chǎn)實(shí)踐。
1 中塊焦炭性能分析
焦炭在高爐內(nèi)的反應(yīng)可視為符合未反應(yīng)核模型， 即碳的氣化反應(yīng)依靠焦炭表面與煤氣接觸發(fā)生， 因此焦炭的平均粒度與反應(yīng)速度必然有很大關(guān)系［1］。鲅魚圈 2 號高爐使用中塊焦炭粒度組成如表 1 所示。
由表 1 可以看出， 中塊焦炭的平均粒徑為35.8 mm，高爐使用的大塊焦炭平均粒徑為 51.5 mm， 大塊焦炭與中塊焦炭體積比為 （51.5/35.8）3≈3.0， 即 3.0 粒中塊焦炭的質(zhì)量相當(dāng)于 1 粒大塊焦炭。相 同 質(zhì) 量 的 兩 種 焦 炭 的 表 面 積 比 為 3.0×（35.8）2/ （51.5）2≈1.45，即同質(zhì)量的兩種焦炭，中塊焦炭的表面積是大塊焦炭表面積的 1.45 倍。 表面積大意 味著反應(yīng)時和氣體的接觸面積大， 中塊焦炭的反 應(yīng)速度和能力都將高于大塊焦炭。 通過實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行不同粒度焦炭的礦石還原試驗(yàn)證實(shí)， 粒度少量 變化造成的焦炭氣化能力變化很大。 小粒度焦炭與大粒度焦炭相比，在高爐上部失碳率較高，產(chǎn)生 的粉末量也多［2］。
2 中塊焦炭使用現(xiàn)狀
2 號高爐正常生產(chǎn)時的中塊焦比一般維持在40 kg/t 左右， 從 2018 年 9 月初開始增加使用中塊焦炭，具體使用情況如圖1 所示。 由圖 1 可以看出， 到 9 月 30 日中塊焦比已經(jīng)增加至 110 kg/t， 并維持了近兩個月高中塊焦比生產(chǎn)。
在焦炭布料制度不變的情況下，中塊焦比增加必然會造成布入高爐中心的中塊焦炭量的增加，具體情況如表 2 所示。 由表 2 可以看出，當(dāng)中塊焦比達(dá)到 110 kg/t 時，每天約消耗 880 t 中塊焦炭，布入中心的中塊焦炭量約為 264 t， 是原來的 2.9 倍，每天布入高爐中心的中塊焦炭量大大增加。
由于 2 號高爐高比例使用中塊焦炭之后，焦炭平均入爐粒徑由以前的 50 mm 左右下降到 47 mm，整體焦炭粒級下降； 且中塊焦炭落地料場時間較長，經(jīng)過長時間風(fēng)吹日曬，粉末含量增加且水分含量高，導(dǎo)致焦炭質(zhì)量劣化，存在反應(yīng)能力強(qiáng)、平均粒度小、粒度衰減大的缺點(diǎn)。 因此，高爐高比例使用中塊焦炭后， 大量中塊焦炭從爐頂布入高爐中心， 隨著高爐冶煉進(jìn)程最終進(jìn)入爐缸成為爐芯焦的一部分，必然會導(dǎo)致爐芯死料堆焦炭粒度減小， 透氣透液能力下降，高爐順行變差。
3 高爐高比例使用回裝中塊焦炭的影響
3.1 高爐日常順行影響
高爐煉鐵原燃料質(zhì)量的變化， 尤其是焦炭質(zhì)量的變化，對高爐生產(chǎn)的影響是巨大的［3］。 隨著中塊焦比提高，2 號高爐順行狀態(tài)出現(xiàn)明顯變化。2018 年 8~12 月高爐風(fēng)量、透氣性、風(fēng)壓、壓差變化趨勢分別如圖 2 所示。
由圖 2 可以看出，隨著高爐中塊焦比增加，高爐風(fēng)量由 8 月下旬的 6 300 m3 /min 左右銳減到12 月初的 6 000 m3 /min 左右，風(fēng)量逐漸萎縮；風(fēng)壓由390 kPa 升高至 400 kPa 左右，且后期由于爐況穩(wěn)定性差，氣流存在竄氣現(xiàn)象，風(fēng)壓波動加大，穩(wěn)定性變差； 透氣性指數(shù)由 38 降低到 36 左右；壓差由 8 月下旬的 165 kPa 左右升高到 11 月初的 176 kPa，盡管高爐主動采取降低壓差操作，但由于氣流穩(wěn)定性差，壓差依然波動較大。 后期高爐還出現(xiàn)利用率波動較大，爐溫不受控，操作上熱量上下浮動大，撤風(fēng)溫操作增多，風(fēng)口燒壞頻次增加等現(xiàn)象。
小塊焦在高爐下部大量粉化使下部透氣性和透液性顯著惡化，是高爐風(fēng)壓和壓差升高、整體透氣性下降的主要原因［4］。 中塊焦粒度小，反應(yīng)能力強(qiáng)，布入中心的中塊焦炭在中心氣流的作用下，自身反應(yīng)速度非?？?， 到達(dá)爐缸時粒度已經(jīng)減小到非常小的程度，相對大塊焦炭，中塊焦炭進(jìn)入爐缸會使?fàn)t芯焦的平均粒度減小， 惡化爐芯焦的透氣透液能力，弱化爐缸活躍程度，影響中心氣流穩(wěn)定性，從而出現(xiàn)高爐不接受風(fēng)量，順行變差的現(xiàn)象。
焦炭質(zhì)量劣化導(dǎo)致爐芯焦的透氣透液能力下降，直接影響到爐缸內(nèi)渣鐵排放工作；中塊焦比提高一段時間后，對鐵口的影響開始顯現(xiàn)，出鐵時鐵口出現(xiàn)噴濺大、出鐵過程鐵口出現(xiàn)卡焦、出鐵時間變短現(xiàn)象。 高爐高比例使用中塊焦炭后，全天出鐵次數(shù)由 7~8 次增加到 9~10 次， 有效出鐵時間由22.5 h 減少到了 21.5 h，爐溫波動大，兩場出鐵偏差大。
3.2 對休送風(fēng)的影響
高爐高比例使用中塊焦炭后休送風(fēng)情況如表 3所示。 生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，高爐 3 次休風(fēng)恢復(fù)時都出現(xiàn)了一些共同現(xiàn)象， 如休風(fēng)前順行狀態(tài)不佳， 氣流發(fā)悶，燃耗低；送風(fēng)后透氣性指數(shù)逐步降低到 30 以下，中心氣流通道打不開，邊緣氣流波動，容易出現(xiàn)急返熱現(xiàn)象，下料差，頻繁崩滑料，休風(fēng)恢復(fù)嚴(yán)重超時等。 從工業(yè)實(shí)踐角度來看，高比例使用中塊焦炭對休風(fēng)后送風(fēng)恢復(fù)的影響最為顯著。
由于高比例使用中塊焦炭后， 進(jìn)入高爐中心的中塊焦炭量增加，造成爐芯焦的粒度變小，爐缸活性變差。 當(dāng)休風(fēng)時爐缸焦炭徹底坐下來后顆粒間空隙收縮，渣鐵液運(yùn)動停滯，爐缸活躍性降至最低，高爐送風(fēng)前期，風(fēng)量少、動能低，氣流很難一下突破透氣透液性變差的爐芯焦，中心氣流打不開，透氣性持續(xù)降低，氣流被迫流向邊緣，造成壁體波動、水溫差上升。 同時軟熔帶根部上移，下料失去支撐，崩滑料頻繁，整體上形成類似爐缸局部冶煉的效果，爐溫出現(xiàn)急返熱的現(xiàn)象。 隨著中塊焦比的提高，風(fēng)口燒壞的現(xiàn)象也變得較為突出，高爐被迫短期內(nèi)連續(xù)休風(fēng)更換壞風(fēng)口。
4 改進(jìn)措施及實(shí)踐效果
4.1 合理匹配上下部調(diào)劑，保障高爐穩(wěn)定順行
大量中塊焦炭入爐， 導(dǎo)致高爐順行出現(xiàn)一系列不好的變化，本質(zhì)原因是爐缸活性降低，爐芯死料柱透氣、透液能力降低。 因此，操作方面要以活躍爐缸為目的進(jìn)行上下部調(diào)劑。 上部調(diào)劑要建立“以風(fēng)為綱”的操作理念，以活躍爐缸為目的的操作思路，強(qiáng)調(diào)中心加焦占比，發(fā)展中心氣流，穩(wěn)定邊緣熱負(fù)荷；下部調(diào)劑采取縮小風(fēng)口面積，增加鼓風(fēng)動能，適當(dāng)降低煤比，減輕焦炭負(fù)荷等措施。
4.2 組織好爐前渣鐵排放
針對鐵口出現(xiàn)的問題，加強(qiáng)爐前出鐵組織，使用更抗噴濺的無水炮泥，合理調(diào)整打泥量，保證鐵口深度在 3.3~3.6 m 之間，適當(dāng)縮小鉆頭，保證有效出鐵時間不低于 22.5 h，渣鐵排放及時，避免出現(xiàn)爐缸憋壓現(xiàn)象，為爐況盡早改善創(chuàng)造了條件。
4.3 采取小焦布料制度， 避免中塊焦炭布入高爐中心
為了避免中塊焦炭布入中心，高爐采取了小焦布料制度（C 大塊中心），即將原本應(yīng)該布入中心的中塊焦量用大塊焦炭代替，單獨(dú)使用中心加焦料制進(jìn)行布料，在布料程序中使用單獨(dú)指針；同時將大塊焦炭和中塊焦炭分批入爐，中塊焦批使用非中心加焦料制布料，在布料程序中使用單獨(dú)指針，大塊焦炭單獨(dú)采用中心加焦的料制布料，在布料程序中使用單獨(dú)指針。 為了維持爐頂料面的穩(wěn)定，根據(jù)大塊焦、中塊焦、小焦、礦石等礦批在爐頂形成的料面厚度，使用不同的料線控制翻料。高爐高比例使用中塊焦炭時期高爐布料制度如表 4 所示。
4.4 改善休風(fēng)料結(jié)構(gòu)，保障中心氣流通道
針對高比例使用中塊焦炭后， 高爐休風(fēng)恢復(fù)困難、嚴(yán)重超時的問題，從改善爐缸活躍狀態(tài)，即提高透氣透液能力上著手。 短期休風(fēng)時，提高入爐焦比，降低休風(fēng)料焦炭負(fù)荷 6%，休風(fēng)前 3~4 h 把兩罐焦炭布入中心， 保證送風(fēng)后中心通道容易打開；控制休風(fēng)前熱量使用，根據(jù)爐況提前 4 h 減少或停止噴煤， 保證休風(fēng)前 0.3%~0.4%左右的爐溫水平。 長期休風(fēng)時,只需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整休風(fēng)料焦炭負(fù)荷和布入中心罐焦數(shù)量即可。
采取上述改進(jìn)措施后，在高爐使用中塊焦比為90 kg/t 的情況下，高爐順行依然維持較好狀態(tài)，風(fēng)量穩(wěn)定在 6 200 m3 /min 左右， 透氣性指數(shù)穩(wěn)定在 36 左右，風(fēng)量風(fēng)壓逐漸平穩(wěn)，鐵口狀態(tài)得到有效改善，全天出鐵有效時間平均達(dá)到 22.5 h，高爐休風(fēng)后恢復(fù)過程也變得順利， 中心氣流得到充分保障，未再出現(xiàn)恢復(fù)困難現(xiàn)象，高爐逐漸適應(yīng)了高比例使用中塊焦炭的生產(chǎn)，生產(chǎn)穩(wěn)定順行。
5 結(jié)語
由于高比例使用中塊焦炭會導(dǎo)致焦炭實(shí)際入爐粒度下降，且中塊焦炭的比表面積大，反應(yīng)能力強(qiáng)，進(jìn)入爐缸會惡化爐芯焦的透氣透液性，鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司 2 號高爐在嘗試高比例使用中塊焦炭生產(chǎn)初期，高爐日常順行、爐前出鐵和休送風(fēng)均受到了影響。 通過采取合理匹配上下部調(diào)劑、組織好爐前渣鐵排放、小焦布料制度以及改善休風(fēng)料結(jié)構(gòu)等措施， 在后期使用 90 kg/t中塊焦比的情況下， 高爐依然維持了較好的順行狀態(tài)，休風(fēng)后送風(fēng)恢復(fù)也未出現(xiàn)超時現(xiàn)象，高爐逐漸適應(yīng)了高比例使用中塊焦炭的生產(chǎn)， 實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定順行。
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