臧向陽(yáng) 羅力
（日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司）
摘 要:本文從經(jīng)濟(jì)爐型的設(shè)計(jì)理念出發(fā)，改變國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)高爐爐型設(shè)計(jì)中存在的高徑比過(guò)大、對(duì)原燃料條件要求高等典型問(wèn)題，明確大型高爐經(jīng)濟(jì)冶煉爐型設(shè)計(jì)的基本原則及理念。通過(guò)日鋼3000m³高爐經(jīng)濟(jì)爐型設(shè)計(jì)實(shí)踐成果總結(jié)，為大型高爐經(jīng)濟(jì)爐型的設(shè)計(jì)及應(yīng)用指明方向。
關(guān)鍵詞：經(jīng)濟(jì)爐型； 3000m³高爐；高徑比；煤氣停留時(shí)間
1 前言
高爐煉鐵生產(chǎn)實(shí)踐總結(jié)出了“高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、長(zhǎng)壽”的“八字”方針。在現(xiàn)時(shí)期“高產(chǎn)”改成了“高效”，增加了“環(huán)保”，成為了“十字”方針[1]。隨著鋼鐵行業(yè)成本意識(shí)的提升，高爐大型化與優(yōu)質(zhì)資源不斷減少矛盾突出，其中對(duì)高效的理解，已經(jīng)不再是追求高爐利用系數(shù)的提高，而是產(chǎn)能與成本的平衡，即經(jīng)濟(jì)煉鐵。高爐設(shè)計(jì)之初必須結(jié)合自身原燃料條件，在降低高爐冶煉對(duì)原燃料條件依賴程度的同時(shí)，以經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的優(yōu)化為目標(biāo)。日照鋼鐵根據(jù)國(guó)家和山東省規(guī)劃，對(duì)落后產(chǎn)能進(jìn)行減量置換，新建3000m³高爐及其輔助設(shè)施。根據(jù)目前原燃料條件和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，本著爐型設(shè)計(jì)即經(jīng)濟(jì)爐型的原則，創(chuàng)新性地對(duì)各系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行集成應(yīng)用。高爐開(kāi)爐投產(chǎn)以來(lái)，采用低成本運(yùn)行模式,爐況長(zhǎng)期穩(wěn)定順行，取得了很好的效果，為大型高爐經(jīng)濟(jì)爐型的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供了成功典范。
2 經(jīng)濟(jì)爐型的設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的爐型設(shè)計(jì)參數(shù)，是以大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析得出各尺寸之間的關(guān)系，并定型，為新的高爐設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，其中較大的缺陷就是未能有效地指出改進(jìn)方向及邏輯。所謂經(jīng)濟(jì)爐型設(shè)計(jì)就是在確保合適的煤氣爐內(nèi)停留時(shí)間的同時(shí)，降低高爐有效高度，降低爐內(nèi)煤氣流速，從而放寬高爐對(duì)原燃料質(zhì)量的要求達(dá)到低成本經(jīng)濟(jì)煉鐵的目的[2]。經(jīng)濟(jì)爐型的設(shè)計(jì)方向要抓住ΔP和τ兩個(gè)基本要素，由歐根方程簡(jiǎn)化公式有：
式（1）中ω為煤氣流速，可由（2）式表示：
式中ΔP-壓差，kPa；H-料層高度，m；k-系數(shù)；VB-煤氣量，m³/min；D-爐腰直徑，m。
2.1 高徑比
由式（1）（2）可以看出，ΔP與D4成反比，D的微小變化會(huì)引起ΔP的大幅變化。高爐的高徑比由H/D表示，高爐的矮胖重點(diǎn)在胖，不在矮，即重點(diǎn)是擴(kuò)大橫向的直徑D。根據(jù)卡曼阻力損失方程和歐根公式可知[3]，爐料所受阻力與高爐的有效高度成反比關(guān)系。適當(dāng)降低高爐有效高度H，可以減少高爐對(duì)原燃料質(zhì)量的高要求。
2.2 Vu/A
為了直觀分析Vu/A與τ（煤氣停留時(shí)間）的關(guān)系，工作容積設(shè)定為有效容積的84%，則有下式：
式（3）中Vu-高爐有效容積，m³；-孔隙度，取值0.36；A-爐缸斷面積，㎡；XBG-爐腹煤氣量指數(shù)，m/min .㎡；-爐缸以上區(qū)域煤氣溫度平均值，℃；P0-標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，0.1Mpa；爐內(nèi)爐缸以上區(qū)域煤氣壓力平均值，MPa。從式（3）中可以得出，煤氣爐內(nèi)停留時(shí)間取決于4個(gè)參數(shù)，其中Vu/A為設(shè)計(jì)中確定的值，XBG、為生產(chǎn)中確定的操作參數(shù)。當(dāng)爐腹煤氣指數(shù)確定后，選定Vu/A，τ就基本確定了。合適的τ，既保證爐內(nèi)氣體還原充分，又不會(huì)浪費(fèi)爐容，降低生產(chǎn)效率。
2.3 爐身角（β）與爐腹角（α）
爐身角79º-83º,d1/D=0.6-0.7。β角大邊緣氣流抑制，β角小邊緣氣流發(fā)展。β角小于76º邊緣氣流不受控制。爐腹角72º-76º，D/d=1.20-1.30。生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整風(fēng)口深入爐內(nèi)長(zhǎng)度，可以調(diào)整有效爐腹角，正常運(yùn)行在70º左右。
2.4 爐缸形狀系數(shù)
h/d≥0.45向瘦高發(fā)展。深爐缸，有利于保證回旋區(qū)在高度上有寬松空間，不受渣鐵排放影響。瘦爐缸，有利于在較低風(fēng)速、動(dòng)能條件下，保證活化區(qū)比例的提高。
3 經(jīng)濟(jì)爐型的應(yīng)用
3.1主要設(shè)計(jì)指標(biāo)
根據(jù)日鋼生產(chǎn)操作經(jīng)驗(yàn)和同級(jí)別高爐的主要技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合日鋼現(xiàn)有的原燃料條件，確定高爐的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1。
3.2 日鋼3000m³高爐爐型設(shè)計(jì)
經(jīng)濟(jì)爐型設(shè)計(jì)的優(yōu)化就是適應(yīng)經(jīng)濟(jì)原料的操作爐型，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)煉鐵。日鋼3000m³高爐爐型設(shè)計(jì)優(yōu)化的重點(diǎn)在于三個(gè)方面：①擴(kuò)大爐腰直徑，適當(dāng)降低高爐有效高度H，降低大型高爐對(duì)原燃料質(zhì)量的高要求；②縮小爐腹角，從下部控制邊緣氣流，延長(zhǎng)爐腹、爐腰、爐身下部冷卻壁的壽命；③增加爐缸h/d，通過(guò)渣鐵自身重力，提高爐缸自清潔能力，活躍爐缸，降低對(duì)焦炭熱態(tài)冶金性能的要求。
日鋼3000m³高爐在國(guó)內(nèi)同級(jí)別高爐爐型尺寸對(duì)比中具有：最大爐喉、最矮爐身、最小爐腹角、最高爐腹、最高爐缸、最小爐缸直徑等鮮明特點(diǎn)。
3.3 配套創(chuàng)新技術(shù)
3.3.1 新型并罐無(wú)料鐘爐頂裝料技術(shù)
采用PW新型并罐無(wú)料鐘爐頂裝料設(shè)備，采用方型布料溜槽。
3.3.2 礦焦槽合并布置技術(shù)
三座高爐礦焦槽合并布置，不設(shè)中間斗。設(shè)焦丁、小礦回收設(shè)施，振動(dòng)篩采用新型自清理環(huán)保篩。
3.3.3 高風(fēng)溫技術(shù)
每座高爐配備三座改進(jìn)型頂燃式熱風(fēng)爐。熱風(fēng)爐燒爐采用高爐煤氣，空氣預(yù)熱采用板式換熱器，送風(fēng)平均溫度≥1250℃，熱風(fēng)爐熱效率達(dá)85%以上，同時(shí)配套熱風(fēng)爐煙氣干法脫硫技術(shù)。
3.3.4電動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)和脫濕及調(diào)濕鼓風(fēng)技術(shù)
3座高爐配置4套電動(dòng)全靜葉可調(diào)軸流鼓風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)型號(hào)均為AV90-16，3用1備，除備機(jī)外每臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)設(shè)有1臺(tái)脫濕器，3臺(tái)脫濕器由鼓風(fēng)站外的制冷站提供冷凍水，同步設(shè)置有加濕裝置，具備高爐鼓風(fēng)脫濕及調(diào)濕功能。
3.3.5 軟水密閉循環(huán)技術(shù)
爐體采用全鑄鐵冷卻壁結(jié)構(gòu)和軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)，爐底至爐喉共設(shè)16段冷卻壁，冷卻壁比表面積≥1.1，單管水流速≥2.3m/s，一次供水進(jìn)口溫度≤40℃。
3.3.6配套噴煤系統(tǒng)
配置一套噴煤系統(tǒng)供3座高爐噴煤，設(shè)計(jì)煤比170kg/tFe，煤粉制備系統(tǒng)設(shè)備能力≥70t/h。同時(shí)設(shè)置3座原煤筒倉(cāng)，便于配煤和穩(wěn)定噴吹煤粉質(zhì)量。
3.3.7爐缸整體澆注技術(shù)
爐底爐缸耐材采用碳磚+澆注料方案。爐底爐缸耐材除碳磚外進(jìn)行整體澆筑，分為錯(cuò)臺(tái)式澆注，在爐缸底部采用抗侵蝕高爐爐底專利技術(shù)[4]，對(duì)鐵口導(dǎo)管區(qū)域進(jìn)行泥包噴注，有利于開(kāi)爐時(shí)鐵口的穩(wěn)定和深度。
3.3.8其他配套技術(shù)
煤氣回收系統(tǒng)采用重力除塵器+干法布袋除塵工藝，配套TRT發(fā)電系統(tǒng)，配套設(shè)置爐頂均壓煤氣全回收系統(tǒng)，煤氣經(jīng)除塵器除塵凈化后通入低壓煤氣管網(wǎng)。每座高爐設(shè)置2套獨(dú)立的爐渣處理設(shè)施，采用轉(zhuǎn)鼓法水渣工藝。
4 經(jīng)濟(jì)爐型的應(yīng)用效果
日鋼N3#新建3000m³高爐2023年投產(chǎn)使用，高爐設(shè)置4個(gè)鐵口，30個(gè)風(fēng)口總面積為0.4138 m2。開(kāi)爐采用20個(gè)風(fēng)口送風(fēng)，送風(fēng)面積0.2748 m2。開(kāi)爐送風(fēng)15min后風(fēng)口全亮；通過(guò)高爐開(kāi)爐快速引煤氣專利技術(shù)[5]進(jìn)行快速引煤氣，加快開(kāi)爐進(jìn)程，送風(fēng)13h5min出第一爐鐵。開(kāi)爐第4天產(chǎn)量達(dá)到7500t/d，操作燃料比降低至510kg/t，高爐順利開(kāi)爐并快速達(dá)產(chǎn)達(dá)效。正常爐況的標(biāo)志是：煤氣流分布合理穩(wěn)定，下料均勻順暢，爐溫充沛穩(wěn)定，爐缸工作均勻活躍。N3#高爐開(kāi)爐后爐況穩(wěn)定，利用系數(shù)穩(wěn)定在2.520以上，燃料比503Kg/t左右，達(dá)成預(yù)期目標(biāo)。高爐爐況的穩(wěn)定主要有上下部制度的匹配、原始爐型的合理設(shè)計(jì)、操作爐型的精細(xì)維護(hù)、熱制度的穩(wěn)定影響。
4.1煤氣利用率的提高
高爐煤氣利用率的穩(wěn)定間接反應(yīng)高爐煤氣流分布合理、上下部制度匹配。一定條件下，高冶煉強(qiáng)度必然導(dǎo)致煤氣停留時(shí)間縮短，也是制約煤氣利用率提高的關(guān)鍵因素，生產(chǎn)中需要根據(jù)爐型設(shè)計(jì)控制適宜的爐腹煤氣量指數(shù)，達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)冶煉效果。日鋼N3#高爐經(jīng)濟(jì)原燃料條件下控制爐腹煤氣量指數(shù)70-72m/min 左右，煤氣停留時(shí)間5.5-6s，取得了良好的經(jīng)濟(jì)冶煉效果，燃料比穩(wěn)定在503Kg/t左右。
4.2 經(jīng)濟(jì)冶煉的壓差
高爐爐內(nèi)煤氣流分布情況由高爐壓差直接反應(yīng)。壓差過(guò)高，高爐爐缸與爐頂煤氣流壓力梯度大，爐料下降阻力增加，高爐效率下降，利用系數(shù)降低，嚴(yán)重時(shí)高爐順行受破壞。N3#高爐經(jīng)濟(jì)冶煉條件下入爐品位56.2-57.9%，渣比360Kg/tFe左右，全壓差穩(wěn)定在168Kpa的較低水平（表4），為強(qiáng)化冶煉及噴煤比提高提供條件。軟熔帶是高爐內(nèi)部壓力損失最大的區(qū)域，達(dá)到高爐總壓損的60%以上。研究表明軟熔帶壓差是原礦石層的8.5倍，煤氣流經(jīng)軟熔帶的阻力損失與軟熔層徑向?qū)挾?、焦炭層厚度、層?shù)、孔隙度等有關(guān)[6]，N3#高爐經(jīng)濟(jì)冶煉的低壓差與爐型的矮胖設(shè)計(jì)有直接關(guān)系。高爐爐渣黏度為鐵水黏度的39-45倍，軟熔帶以下至風(fēng)口帶區(qū)域受低品位、高鋁礦的影響，壓力損失也必然升高，N3#高爐在低品位高渣鐵比條件下，爐身下部壓差穩(wěn)定在117KPa左右，說(shuō)明經(jīng)濟(jì)爐型擴(kuò)大爐腰直徑，可降低大型高爐對(duì)原料的高要求。
4.3 操作爐型的維護(hù)
N3#高爐采用薄壁爐襯，全冷卻壁結(jié)構(gòu)，磚襯合一，開(kāi)爐投產(chǎn)即預(yù)期的經(jīng)濟(jì)操作爐型。高爐操作爐型的維護(hù)采用角差、焦丁和小礦布料檔位等進(jìn)行微調(diào)。通過(guò)壁體溫度趨勢(shì)、全爐熱負(fù)荷等測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，維持軟熔帶壁體溫度不低于50℃，允許局部小面積渣皮脫落，可以維持穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)爐型，且利于冷卻設(shè)備維護(hù)。
4.4 爐缸的活躍
經(jīng)濟(jì)冶煉采用經(jīng)濟(jì)原燃料，N3#高爐原料采用60%高堿度燒結(jié)礦+25%低堿度燒結(jié)礦+15%塊礦的結(jié)構(gòu)；焦炭結(jié)構(gòu)采用25%頂裝干熄焦+75%搗鼓干熄焦；經(jīng)濟(jì)原燃料的使用導(dǎo)致渣中鋁長(zhǎng)期維持在17%左右，在操作煤比保持165kg/t，外購(gòu)焦炭質(zhì)量波動(dòng)大的條件下，保證爐缸活躍是爐況穩(wěn)定、高產(chǎn)低耗的前提條件。N3#高爐通過(guò)上下部制度的配合調(diào)整，氣流分布合理，爐缸均勻活躍。爐缸活躍的本質(zhì)是爐缸各區(qū)域焦炭空隙度的問(wèn)題，從焦炭運(yùn)動(dòng)的角度，爐缸狀態(tài)可由活化區(qū)比例判斷，日本經(jīng)驗(yàn)活化區(qū)水平投影面積占比n=50%為最佳。爐缸活化區(qū)比例n可由下式計(jì)算：
式（4）中d-爐缸直徑，m；L-風(fēng)口回旋區(qū)的深度，m。風(fēng)口回旋區(qū)深度L可由下式來(lái)計(jì)算[6]
式（5）中Ek-鼓風(fēng)動(dòng)能，kg·m/s；PCI-噴煤量，t/h；N-風(fēng)口個(gè)數(shù)。日鋼經(jīng)濟(jì)冶煉條件下，高爐風(fēng)速控制235-245m/s，鼓風(fēng)動(dòng)能控制105-115kJ/s。測(cè)算風(fēng)口回旋區(qū)深度及爐缸活化區(qū)比例見(jiàn)表5。實(shí)際計(jì)算n值在0.55-0.59之間，通過(guò)料面形狀掃描，平臺(tái)占爐喉半徑約1/3Rd，布料平臺(tái)和爐缸活化區(qū)是相對(duì)應(yīng)的，說(shuō)明爐缸活躍、上下部制度相匹配。
5 結(jié)論
（1）理論指導(dǎo)實(shí)踐，改變傳統(tǒng)爐型設(shè)計(jì)思路，爐型矮胖，爐缸瘦高；從設(shè)計(jì)上為高爐經(jīng)濟(jì)煉鐵創(chuàng)造條件。（2）創(chuàng)新采用低高徑比設(shè)計(jì)，Vu/A設(shè)計(jì)控制在30左右，配合薄壁爐襯的使用，內(nèi)型爐腹角69-70º。經(jīng)濟(jì)冶煉爐型匹配上下部制度調(diào)整，邊緣氣流得到有效控制，操作爐型穩(wěn)定。（3）經(jīng)濟(jì)煉鐵使用經(jīng)濟(jì)料，下部參數(shù)控制采用較大進(jìn)風(fēng)面積，較低的風(fēng)速、動(dòng)能。在消耗高鋁經(jīng)濟(jì)礦、高比例搗固焦的原燃料條件下，實(shí)現(xiàn)爐缸均勻活躍，高爐爐況長(zhǎng)期穩(wěn)定順行。（4）大礦批、厚焦層，配合原燃料前沿管理，原料分級(jí)、混礦入爐，中心加焦，出鐵過(guò)程監(jiān)控等技術(shù)，兩股氣流分布合理，在經(jīng)濟(jì)原料的條件下實(shí)現(xiàn)較低壓差，冶煉強(qiáng)度滿足工序需求，燃料比穩(wěn)定在較低水平。（5）日鋼大型高爐從理論設(shè)計(jì)到實(shí)踐應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)3000m³級(jí)大型高爐經(jīng)濟(jì)原燃料條件下的“高效”“低耗”運(yùn)行，同級(jí)別高爐同口徑鐵成本領(lǐng)先約80元/噸鐵。在落實(shí)高爐煉鐵生產(chǎn)“十字”方針的基礎(chǔ)上，推動(dòng)煉鐵技術(shù)進(jìn)步。
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