項(xiàng)鐘庸
過去，我國(guó)高爐煉鐵重產(chǎn)量、粗放型生產(chǎn)，對(duì)煉鐵技術(shù)的要求不高，對(duì)科研的投入也不夠?，F(xiàn)今世界煉鐵界對(duì)高爐內(nèi)部的狀態(tài)認(rèn)識(shí)已經(jīng)從靜態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)的觀念，以及從線性轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑S的、立體的觀念，考慮問題也已經(jīng)從單因素轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘁蛩匮芯?。為了降低燃料比和?shí)現(xiàn)高爐長(zhǎng)壽，高爐煉鐵必須精細(xì)化操作，并加強(qiáng)對(duì)高爐爐內(nèi)過程的研究。這就需要以試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，大力推行調(diào)查研究和科學(xué)研究。由于高爐煉鐵是一個(gè)多相運(yùn)動(dòng)的、復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程，除了應(yīng)用物質(zhì)平衡、能量平衡的規(guī)律以外，還要應(yīng)用多相流體力學(xué)、運(yùn)動(dòng)力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等基本規(guī)律，并對(duì)高爐內(nèi)軟熔帶、風(fēng)口循環(huán)區(qū)、死料堆等基本現(xiàn)象進(jìn)行分析。
低燃料比和高爐長(zhǎng)壽須加強(qiáng)高爐爐內(nèi)現(xiàn)象研究
高爐技術(shù)的發(fā)展史表明，在某個(gè)國(guó)家煉鐵工業(yè)起飛和燃料比下降之前，煉鐵技術(shù)必然有一個(gè)大幅度的發(fā)展。例如，20世紀(jì)60年代以后，日本煉鐵技術(shù)崛起，產(chǎn)量由1960年的1127萬噸猛增至1970年的6754萬噸，全國(guó)平均燃料比由1960年的617kg/t下降至1970年的475kg/t，礦石比由1518kg/t上升至1580kg/t，利用系數(shù)由約1.0t/m3·d提高至1.73t/m3·d。日本高爐技術(shù)深入到高爐爐內(nèi)，最突出的就是對(duì)高爐的解體調(diào)查，對(duì)死料堆、循環(huán)區(qū)、軟熔帶、塊狀帶的狀況，以及礦石的還原和焦炭在爐內(nèi)的劣化過程等的研究。
由于歷史的原因，我國(guó)對(duì)高爐強(qiáng)化的認(rèn)識(shí)一度存在誤區(qū)，重產(chǎn)量、輕能耗；重系數(shù)、輕焦比，以為多鼓風(fēng)就能多產(chǎn)鐵，采取粗放型的生產(chǎn)模式，忽視節(jié)約資源、能源和降低燃料比的工作。而降低燃料比必須轉(zhuǎn)變操作模式，由粗放型轉(zhuǎn)變成集約型的操作模式。這就必須從加強(qiáng)科學(xué)研究著手，扎實(shí)做好降低燃料比和長(zhǎng)壽的工作。
為了實(shí)現(xiàn)高爐煉鐵的精細(xì)化管理和操作，筆者認(rèn)為應(yīng)該進(jìn)行兩方面的工作：一方面，應(yīng)總結(jié)前段時(shí)期降低燃料比和長(zhǎng)壽的成功經(jīng)驗(yàn)，加以標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化；另一方面，必須加強(qiáng)對(duì)高爐內(nèi)部過程的研究，這為標(biāo)準(zhǔn)化提供科學(xué)依據(jù)。
低燃料比和高爐長(zhǎng)壽對(duì)生產(chǎn)提出更高的要求
降低燃料比是我國(guó)高爐煉鐵長(zhǎng)期忽視的問題。近20年來，我國(guó)在精料水平、高風(fēng)溫、富氧、噴煤等客觀條件的改善方面進(jìn)行了一系列的工作，可是，當(dāng)前原燃料質(zhì)量有下降的趨勢(shì)，高風(fēng)溫、富氧也是有限度的，提高噴煤量受冶煉強(qiáng)化和原燃料質(zhì)量的限制。為了降低燃料比，只有從合理強(qiáng)化、合理布料、提高爐身效率、提高爐內(nèi)煤氣一氧化碳的利用率等改善高爐工藝過程方面尋找辦法，必須對(duì)爐內(nèi)現(xiàn)象進(jìn)行深入研究，改變粗放型高爐操作的理念。
最近研究者對(duì)一批2000m3級(jí)高爐生產(chǎn)日?qǐng)?bào)數(shù)據(jù)從能量流的角度，運(yùn)用Rist線圖和分區(qū)熱平衡、氧平衡、碳素平衡，對(duì)風(fēng)口前燃燒溫度和燃燒帶提供的熱量，以及評(píng)價(jià)高爐生產(chǎn)效率的新方法進(jìn)行了分析。分析表明：
我國(guó)2000m3級(jí)高爐經(jīng)過校算后，按高溫區(qū)的熱量收入分為兩組：爐腹煤氣量指數(shù)為60m/min以下的一組，高溫區(qū)熱量收入為4.3GJ/t左右，不過另外也有一些高爐爐腹煤氣量指數(shù)高于60m/min，高溫區(qū)熱量收入高達(dá)5.2GJ/t，甚至5.5GJ/t，要較國(guó)內(nèi)外高爐高許多。國(guó)外先進(jìn)高爐的爐腹煤氣量指數(shù)均比較低，而高溫區(qū)熱量收入在4.0GJ/t以下，國(guó)內(nèi)外先進(jìn)高爐與2000m3級(jí)高爐相比差12%~43%，相當(dāng)可觀。剩余的熱量除了提高燃料比以外，由煤氣帶出爐外，提高成本，增加污染。這些過剩熱量對(duì)高爐冶煉沒有必要，而且對(duì)高爐設(shè)備和內(nèi)襯也只有負(fù)面的影響。
高爐風(fēng)口鼓風(fēng)參數(shù)對(duì)高爐過程起著關(guān)鍵性的作用，因此，在高爐精細(xì)化操作中要抓住這個(gè)重要環(huán)節(jié)。經(jīng)常用物料平衡和熱平衡校正鼓風(fēng)、氧氣流量計(jì)，計(jì)算風(fēng)口耗氧量和燃燒碳素量，掌握高爐熱量消耗和還原過程的狀況。
校算以后T組高爐的爐腹煤氣量指數(shù)下降了6.0m/min，風(fēng)口燃燒碳素量下降了近0.2molC/molFe；可是與N、Q組高爐相比，爐腹煤氣量指數(shù)仍相差5.7m/min，風(fēng)口燃燒碳素量仍有0.3molC/molFe的差距；燃燒提供的熱量雖由5.4GJ/t下降至5.2GJ/t，可是較N、Q組高爐仍相差0.9GJ/t，相差20%；煤氣利用率相差約7%。
T組高爐調(diào)整后Rist線的斜率降低約0.2，理應(yīng)大幅度降低了燃料比；可是按調(diào)整后Rist線的斜率計(jì)算燃料比要較日?qǐng)?bào)數(shù)據(jù)約高50kg/t，是否采用了綜合冶煉強(qiáng)度中的綜合焦比作為燃料比不得而知；T組高爐比N、Q組高爐Rist線的斜率約大0.5，燃料比相差近80kg/t。
提高爐腹煤氣量，應(yīng)充分考慮對(duì)燃料比、產(chǎn)量和成本的影響。實(shí)踐表明，爐腹煤氣量指數(shù)過高，不但利用系數(shù)不能提高，反而有下降的趨勢(shì)；還引起燃料比上升、能源介質(zhì)增加；多投入、少產(chǎn)出，反而提高了成本。
減少高爐高熱量的消耗是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，要從原料進(jìn)入鋼鐵廠開始，直到渣鐵、煤氣和爐塵等副產(chǎn)品出煉鐵系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)來尋找解決方法。最近，我國(guó)有些單位對(duì)高爐開始進(jìn)行比較深入的研究，如對(duì)實(shí)物大小模型中的無料鐘爐頂布料、高爐停爐解剖調(diào)查、爐內(nèi)探測(cè)和大型高爐爐底解剖調(diào)查等。這是一個(gè)良好的開端，為發(fā)展我國(guó)高爐精細(xì)化操作、降低燃料比、延長(zhǎng)高爐壽命做了扎實(shí)的工作，將對(duì)提升我國(guó)煉鐵技術(shù)做出貢獻(xiàn)。
軟熔帶位置對(duì)塊狀帶的體積及燃料比有巨大影響
降低燃料比、減少噸鐵爐腹煤氣量必須采取提高煤氣利用率的措施。布料方式應(yīng)該克服發(fā)展邊緣或過度疏松中心的裝料制度。因此，高爐操作者要經(jīng)常實(shí)時(shí)掌握爐內(nèi)煤氣分布，必須保持合適的狀態(tài)。在評(píng)價(jià)裝料制度時(shí)，除了爐身上部煤氣成分分布和爐喉部位溫度分布以外，爐內(nèi)塊狀帶體積的大小也是評(píng)價(jià)裝料制度是否合適的重要指標(biāo)。因?yàn)閴K狀帶的體積關(guān)系到煤氣與爐料的接觸時(shí)間、還原反應(yīng)進(jìn)展的程度，為此必須加強(qiáng)對(duì)軟熔帶的研究。
對(duì)軟熔帶的研究。日本在上世紀(jì)60~80年代解剖調(diào)查了一批高爐，還采用了各種方式研究生產(chǎn)中高爐的軟熔帶狀況，由許多解剖調(diào)查得到爐內(nèi)多種因素影響過程的一些普遍規(guī)律，從而模型化，成為解決問題的工具，用以指導(dǎo)高爐管理、操作、設(shè)計(jì)。而我們往往引進(jìn)了模型，其中一些參數(shù)是要根據(jù)各自的條件加以修正的。我們沒有做深入研究，很難對(duì)參數(shù)重新設(shè)定，因此，遇到不同情況就難以解決實(shí)際問題。前段時(shí)間，萊蕪鋼鐵廠解剖了120m3高爐，對(duì)爐內(nèi)軟熔帶進(jìn)行了研究。這是我國(guó)對(duì)爐內(nèi)現(xiàn)象進(jìn)行深入研究的一個(gè)良好開端，相信今后由于精細(xì)化操作的要求會(huì)解剖調(diào)查更多的高爐。
對(duì)爐內(nèi)溫度場(chǎng)的測(cè)量。神戶制鋼的神戶高爐，加古川的1號(hào)高爐、2號(hào)高爐都設(shè)置了垂直水平探測(cè)器來探測(cè)爐內(nèi)溫度分布。探測(cè)器隨著爐料下降而下降，同時(shí)，測(cè)量了爐內(nèi)徑向和高度方向的溫度。
對(duì)中心加焦的研究。為了能使高爐爐料在過高的冶煉強(qiáng)度下順利下降，除了不惜多燒燃料發(fā)展邊緣以外，部分高爐濫用了中心加焦，以“中心過吹型”的所謂中心加焦，犧牲燃料比換取高冶煉強(qiáng)度。其特點(diǎn)是：一是中心加入大量的焦炭，在高爐中心形成大面積低O/C區(qū)域；二是形成穹頂開了大天窗的倒U型的軟熔帶，使?fàn)t內(nèi)溫度分布不合理，壓縮了低于1200℃間接還原區(qū)域的體積；三是大量富集CO的煤氣沒有通過礦石層就從爐頂逸出，導(dǎo)致煤氣利用率的惡化。
正常的中心加焦與“中心過吹型”中心加焦兩者對(duì)爐內(nèi)的效果有明顯的差異，使用“中心過吹型”中心加焦的后果可歸納為：煤氣與爐料不能有效地接觸，間接還原區(qū)域縮小，使煤氣利用率下降，燃料比升高。軟熔帶根部肥大、過低，直接還原度升高。中心高溫區(qū)碳素溶損反應(yīng)區(qū)域擴(kuò)大，高爐中心焦炭柱在高溫作用下長(zhǎng)期呆滯、劣化，造成死料堆擴(kuò)大、爐缸堆積。軟熔帶與死料堆的間距減小，限制了通過的煤氣量。高爐邊緣的O/C很高，而煤氣通過量不足，高爐下部有大量未充分還原的爐料可能直接進(jìn)入爐缸，會(huì)影響高爐爐缸的壽命。有一批高爐已經(jīng)總結(jié)了這些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，應(yīng)引以為戒。
在區(qū)分兩種中心加焦以后，應(yīng)進(jìn)行必要的試驗(yàn)、研究，才能正確使用中心加焦并達(dá)到預(yù)期的目的。
高爐爐缸長(zhǎng)壽須進(jìn)行系統(tǒng)研究
高爐爐缸長(zhǎng)壽也是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要系統(tǒng)地進(jìn)行研究，這里僅從日常操作的一個(gè)方面和爐底解剖調(diào)查方面進(jìn)行介紹。
高爐日常操作的研究。爐缸內(nèi)形成阻礙鐵水流動(dòng)的低透液區(qū)域?qū)?yán)重影響鐵水的流動(dòng)，加強(qiáng)爐缸側(cè)壁的局部沖刷，導(dǎo)致凝結(jié)層局部脫落，致使炭磚直接接觸鐵水而迅速被侵蝕。如果低透液區(qū)偏在爐缸一側(cè)，使鐵水發(fā)生偏流，產(chǎn)生局部侵蝕的危害更大。生產(chǎn)必須從出鐵、出渣的狀況密切關(guān)注死料堆的透液性及其對(duì)爐缸侵蝕的影響。
國(guó)外許多長(zhǎng)壽高爐是在爐底解剖調(diào)查的基礎(chǔ)上，改進(jìn)操作和設(shè)計(jì)的。國(guó)內(nèi)外一些長(zhǎng)壽高爐中間有一段時(shí)間爐缸侵蝕是比較嚴(yán)重的，如千葉6號(hào)高爐、寶鋼3號(hào)高爐，它們都是在操作上采取了措施才得以長(zhǎng)壽。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)重視了爐底的解剖調(diào)查工作，如寶鋼3號(hào)高爐，在高爐生產(chǎn)19年后，乘大修的機(jī)會(huì)將高爐爐底和爐缸整體移出，進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查研究。
爐缸爐底的解剖調(diào)查。為了確定高爐死料堆和鐵水的流動(dòng)狀態(tài)，法國(guó)、加拿大、日本等國(guó)高爐從風(fēng)口噴入示蹤物，測(cè)量鐵水中示蹤物深度隨時(shí)間的變化。為了查明渣比的偏差的原因，高爐還用示蹤原子進(jìn)行了測(cè)量以及在停爐后對(duì)高爐下部進(jìn)行了解體調(diào)查，對(duì)爐底炭磚和殘鐵取樣研究。
示蹤原子測(cè)量結(jié)果表明：當(dāng)?shù)腿剂媳鹊恼２僮鲿r(shí)，死料堆透液性降低，部分鐵水由側(cè)壁繞道流向鐵口的流動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，說明環(huán)流加強(qiáng)。西側(cè)的1號(hào)、4號(hào)鐵口比東側(cè)的2號(hào)、3號(hào)鐵口渣比高，側(cè)壁長(zhǎng)期溫度高。當(dāng)高燃料比操作時(shí)，示蹤物排出很集中，說明死料堆透液性好，鐵水能透過死料堆，比較集中地流向鐵口。西側(cè)鐵口的渣比增加，而東側(cè)鐵口的渣比減少，各鐵口間渣比幾乎沒有偏差，側(cè)壁和爐底溫度上升。
解體調(diào)查的結(jié)果顯示，爐底殘鐵沿直徑東西方向，在西面爐底側(cè)壁附近區(qū)為生鐵；從側(cè)壁2m~2.5m往中心為焦炭填充區(qū)。隨著取樣位置向東移動(dòng)，焦炭的比例逐漸增加。此外，東邊的爐底角部為焦炭與鐵水呈混合狀態(tài)的區(qū)域。在爐底與側(cè)壁之間的角部主要為粒度0.005m以下的微粒焦炭與鐵水的混合相；在焦炭填充區(qū)內(nèi)為塊狀焦炭與鐵水的混合相；爐底側(cè)壁附近只有鐵水，可是在鐵水中存在層狀焦炭。在殘鐵上部的焦炭層中焦炭的比例為45%~60%，下部為0~40%。