陳生利¹ 余駿¹ 謝紫峰² 秦躍林²

（1.廣東韶關(guān)鋼鐵公司；2.重慶科技學(xué)院）

摘要：針對(duì)高爐煤氣利用率偏低且波動(dòng)較大的生產(chǎn)現(xiàn)實(shí)，開(kāi)展了煤氣初始分布、煤氣二次分布、煤氣三次分布的系統(tǒng)性研究，重新建立了各類工藝參數(shù)的控制標(biāo)準(zhǔn)，并且采用加廢鋼調(diào)節(jié)煤氣流技術(shù)。項(xiàng)目實(shí)施后，入爐生礦比例提高到25%以上，月滑料頻次減少70%以上，煤氣利用率提高到47%以上，實(shí)現(xiàn)了高爐煤氣分布長(zhǎng)期穩(wěn)定合理，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)到達(dá)國(guó)內(nèi)同類型高爐中的最高水平。

關(guān)鍵詞：高爐；鼓風(fēng)；煤氣流分布；布料

1 概述

從2017年的生產(chǎn)指標(biāo)來(lái)看，高爐大富氧后，高爐煤氣流分布還未達(dá)到最佳狀態(tài)，高爐煤氣利用率平均只有46.34%，煤氣利用率偏低且波動(dòng)區(qū)間大，影響高爐燃料消耗，制約煉鐵生產(chǎn)成本。

從2017年的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)可以得到，因爐內(nèi)煤氣流穩(wěn)定性不足，爐內(nèi)滑料現(xiàn)象多，平均每月?tīng)t內(nèi)滑料30次，每次滑料增加焦炭消耗1噸，造成每年的直接經(jīng)濟(jì)損失36萬(wàn)元。

本項(xiàng)目在生產(chǎn)實(shí)踐中對(duì)高爐布料制度與送風(fēng)制度進(jìn)行研究，以高爐鼓風(fēng)動(dòng)能、風(fēng)速、邊緣指數(shù)、中心指數(shù)為基礎(chǔ)參數(shù)建立高爐爐況順行標(biāo)準(zhǔn)，提高高爐煤氣利用率，達(dá)到降低高爐燃料消耗的目的。

期項(xiàng)目完成后，高爐送風(fēng)制度，布料制度更加合理，爐內(nèi)煤氣流穩(wěn)定性提高，高爐抗波動(dòng)能力增強(qiáng)，高爐煤氣利用率提高至47%以上。

2 研究思路

（1）階段性目標(biāo)完成情況跟蹤

第一階段：高爐上部布料制度對(duì)煤氣流分布的影響研究。通過(guò)研究得出了最佳布料制定，包括礦焦角度、角差、布料檔位等。此階段按計(jì)劃完成。

第二階段：高爐下部送風(fēng)制度對(duì)煤氣流分布的影響研究。通過(guò)研究，得出最合理的風(fēng)口布局分布模型。此階段按計(jì)劃完成。

第三階段：合理高爐邊緣、中心指數(shù)，合理鼓風(fēng)動(dòng)能、風(fēng)速的確定。相關(guān)工藝參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)研究已經(jīng)確定且操作上均按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。此階段按計(jì)劃完成。

第四階段：優(yōu)化高爐爐內(nèi)煤氣流分布，實(shí)現(xiàn)高爐煤氣利用率提高。本階段開(kāi)展的項(xiàng)目，對(duì)爐內(nèi)料面形狀的檢驗(yàn)未完成，因項(xiàng)目開(kāi)展過(guò)程中發(fā)明的測(cè)料面裝置在2019年4月份才到現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)料面參數(shù)的測(cè)量驗(yàn)證工作推遲至6月份才完成。

（2）項(xiàng)目開(kāi)展的主要步驟

利用2018年的6次休風(fēng)機(jī)會(huì)，對(duì)送風(fēng)制度，包括：風(fēng)口布置、風(fēng)口面積、風(fēng)口角度、風(fēng)口長(zhǎng)度進(jìn)行探索調(diào)節(jié),結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際跟蹤分析風(fēng)口布置對(duì)高爐圓周煤氣分布的影響規(guī)律；分析送風(fēng)面積對(duì)風(fēng)速、鼓風(fēng)動(dòng)能的影響關(guān)系；分析風(fēng)口回旋區(qū)的形成機(jī)理；分析風(fēng)口長(zhǎng)度對(duì)中心氣流與邊緣氣流的影響關(guān)系。通過(guò)對(duì)上部布料制度制定，包括：布料角度、布料環(huán)數(shù)，布料時(shí)間等，分析出高爐煤氣第三次分布機(jī)理。分析高爐爐身靜壓變化特點(diǎn)；分析爐腰、爐腹各層冷卻壁水溫差及熱負(fù)荷變化規(guī)律，分析爐腹煤氣指數(shù)變化特點(diǎn)，得出高爐軟熔帶形成機(jī)理與位置變化規(guī)律，得出高爐煤氣流第二次分布形成原理，最終制定出高爐煤氣流分布重要措施。

（二）需解決的問(wèn)題（要求與項(xiàng)目立項(xiàng)申請(qǐng)表一致）

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐研究，選擇最佳及最有利于高爐穩(wěn)定的送風(fēng)制度與布料制度，降低高爐壓差，減少爐況波動(dòng)次數(shù)，減少高爐崩滑料次數(shù)，提高煤氣利用率，實(shí)現(xiàn)降低高爐冶煉成本。

（三）采用的方法、技術(shù)路線以及工藝流程（此部分內(nèi)容是報(bào)告的核心部分，也是項(xiàng)目最有理論和實(shí)際價(jià)值及供企業(yè)內(nèi)成果共享、后續(xù)研究的基礎(chǔ)，要求實(shí)事求是地認(rèn)真撰寫，并體現(xiàn)研究的實(shí)質(zhì)及核心成果，如：實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和工業(yè)試驗(yàn)、工業(yè)性試制、用戶技術(shù)服務(wù)和用戶使用跟蹤情況、分析和結(jié)論、模型開(kāi)發(fā)的源程序及代碼等。要求要有理論分析做支持，有具體內(nèi)容和必要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，）

3 研究與分析

3.1  采用的工藝技術(shù)路線及流程

3.2  主要研究的內(nèi)容

（1）高爐爐內(nèi)初始煤氣分布的研究

u 高爐內(nèi)型結(jié)構(gòu)參數(shù)

6號(hào)高爐內(nèi)型尺寸設(shè)計(jì)特點(diǎn)是針對(duì)有效容積1050m³高爐采用了薄爐襯設(shè)計(jì)，爐缸安全容鐵系數(shù)為0.6，爐缸容積系數(shù)為0.6，爐缸的安全容鐵量為262.1噸。

u 高爐風(fēng)口布局

2016～2017年，韶鋼1050m³高爐逐步實(shí)施了提產(chǎn)能攻關(guān)活動(dòng)，日產(chǎn)量由最初的2800噸，逐步提升到2017年度的3000噸。此階段高爐20個(gè)風(fēng)口全部送風(fēng)，入爐全風(fēng)量2300m³/min，富氧2000m³/h，進(jìn)風(fēng)面積0.2144㎡，標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速170米/s，實(shí)際風(fēng)速220米/s，鼓風(fēng)動(dòng)能65kg?m²/S²。高爐整體走料順暢但滑料現(xiàn)象頻繁，平均每天出現(xiàn)1次以上。

2018年初，在1050m³高爐開(kāi)展強(qiáng)化冶煉攻關(guān)，項(xiàng)目組成員考察了國(guó)內(nèi)同類型先進(jìn)高爐風(fēng)口布局情況，認(rèn)為韶鋼1050m³高爐進(jìn)風(fēng)面積偏大，隨后逐步開(kāi)始調(diào)整進(jìn)風(fēng)面積。

2018年3月22日，利用休風(fēng)會(huì)，將風(fēng)口布局進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)風(fēng)面積由0.2144㎡縮小至0.2013㎡。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的應(yīng)用，高爐風(fēng)速與鼓風(fēng)動(dòng)能均得到提高。確立了高爐送風(fēng)制度標(biāo)準(zhǔn)：進(jìn)風(fēng)面積：0.2107平方米；標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速：＞180（m/s)；風(fēng)口角度：斜5°；風(fēng)口長(zhǎng)度：500mm；鼓風(fēng)動(dòng)能：＞70kg?m²/S²；中心溫度：400～600℃；透氣性指數(shù)：95～105；標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量：2300～2350m³/min。

送風(fēng)制度確定后，高爐爐內(nèi)工藝參數(shù)更加合理，鼓風(fēng)動(dòng)能逐步得到提高，為打通中心氣流創(chuàng)造了條件。

（2）高爐第二次煤氣分布研究

u 爐體熱負(fù)荷分布及變化規(guī)律研究

對(duì)2016年至2018年高溫區(qū)熱負(fù)荷進(jìn)行跟蹤研究，通過(guò)調(diào)整初始煤氣分布，中心氣流打通后，邊緣氣流穩(wěn)定性增強(qiáng)。從2018年4月份開(kāi)始，高溫區(qū)熱負(fù)荷逐步穩(wěn)定。

u 軟熔帶煤氣分布特點(diǎn)研究

塊狀帶：在高爐的上部，保持固體層狀逐漸下降，層狀逐漸趨于平坦，厚度變薄。主要特征：焦與炭呈交替分布層狀，皆為固體狀態(tài)。主要反應(yīng)：礦石的間接還原、碳酸鹽分解^[1]～[5]。

圖1  圖示軟熔帶煤氣分布

軟熔帶：爐料在下降過(guò)程中溫度達(dá)到900。C以上并在重力作用下開(kāi)始軟化并逐步呈熔融狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程形成了軟熔區(qū)，兩個(gè)軟熔層之間是焦炭層，多個(gè)軟熔層和焦炭層構(gòu)成軟熔帶。主要特征：礦石呈軟熔狀，對(duì)煤氣阻力大。主要反應(yīng)：礦石的直接還原、滲碳和焦炭的氣化反應(yīng)。

u 軟熔帶煤氣分布影響因素研究

通過(guò)熱態(tài)模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)（楊永宜），當(dāng)裝料制度和風(fēng)口面積不變時(shí)，隨著風(fēng)量的增加，軟熔帶從V型或M型向W型和倒V型轉(zhuǎn)變，當(dāng)風(fēng)量增加到一定水平后，均出現(xiàn)倒V型軟熔帶，且整體升高，中心頂部層數(shù)增加。

當(dāng)風(fēng)量和裝料制度不變時(shí)，隨著風(fēng)口直徑的縮小，即風(fēng)速的增大，軟熔帶從V型向W型和倒V型轉(zhuǎn)變。

當(dāng)風(fēng)量和裝料制度不變時(shí)，隨著風(fēng)口直徑的縮小，即風(fēng)速的增大，軟熔帶從V型向W型和倒V型轉(zhuǎn)變。

當(dāng)風(fēng)量較大，軟熔帶為倒V型時(shí)，改變風(fēng)口直徑不影響軟熔帶的形狀，只影響軟熔帶根部的位置和軟熔帶整體高度。

（3）高爐第三次煤氣分布研究

u 高爐布料模型設(shè)計(jì)

借鑒國(guó)內(nèi)成熟的布料方程理論，根據(jù)韶鋼高爐的特點(diǎn)，自行設(shè)計(jì)了高爐布料模型以及布料方程式。

韶鋼1050m³高爐布料參數(shù)計(jì)算：

表1 高爐布料參數(shù)及計(jì)算

高爐布料參數(shù)計(jì)算結(jié)果：

表2 各角度對(duì)應(yīng)檔位前面積統(tǒng)計(jì)表

計(jì)算結(jié)果：

l 爐料在溜槽末端的速度C1：

C1²=2g*（l₀-etanβ）(sinβ-μcosβ)+4π²ω²(l₀- etanβ)²cosβ(cosβ+μsinβ)=12.55

C1=3.5426

l 槽有效長(zhǎng)度La

La=l0- e*tanβ=1.4994

l 爐料離開(kāi)溜槽末端后，在xy平面上的x方向的投影Lx

Tan²β+（2*（Q-P）/mC₁²* cos²β[l₀(1- sinβ)- ecosβ+h]）=9.5305

Lx=1.1322

l 堆尖距高爐中心線的水平距離n：

n²=（l₀*cosβ-e*sinβ）²+2*（10* cosβ- e*sinβ）Lx+[1+4π²ω²*（l₀-etanβ）²/C1²]Lx²

=4.7211

n=2.1728

u 合理料制調(diào)整研究

從2017年的基本料制優(yōu)化為2018年標(biāo)準(zhǔn)料制。結(jié)論：礦石最大角度控制由41.5°調(diào)整到40°，焦炭最大角度控制在42°調(diào)整到39.5°，確定較適宜角差是0.5°較適宜。礦批34噸做微調(diào)，按重量布料法布料，制定料流閥開(kāi)度52/54區(qū)間微調(diào)整策略。

u 料面形狀優(yōu)化研究

通過(guò)不斷優(yōu)化布料制度與送風(fēng)制度，同時(shí)借鑒高爐造渣制度先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，料面形狀發(fā)展為平臺(tái)加中心漏斗型。建議：如6號(hào)高爐進(jìn)一步強(qiáng)化冶煉，料柱模型將由倒V型逐步發(fā)展為倒U型，因此不易長(zhǎng)期超過(guò)2400m³/min的風(fēng)量。

圖2  休風(fēng)拍攝料面形狀圖（22/3/2018）

圖3  休風(fēng)料面平臺(tái)加中心漏斗型形狀（7/8/2018）

通過(guò)不斷優(yōu)化布料制度與送風(fēng)制度，同時(shí)借鑒高爐造渣制度先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，料面形狀發(fā)展為平臺(tái)加中心漏斗型。建議：如6號(hào)高爐進(jìn)一步強(qiáng)化冶煉，料柱模型將由倒V型逐步發(fā)展為倒U型，因此不易長(zhǎng)期超過(guò)2400m³/min的風(fēng)量。

（4）各類工藝參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)建立

通過(guò)項(xiàng)目開(kāi)展，建立了1050m³高爐工藝參數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)模型，此系統(tǒng)理論原理及實(shí)現(xiàn)的功能，目前已經(jīng)對(duì)接到智慧中心操作系統(tǒng)。

（5）加廢鋼冶煉過(guò)程煤氣流調(diào)節(jié)

在韶鋼1050m³高爐加廢鋼冶煉，隨著高爐廢鋼加入量的提高，高爐鐵水產(chǎn)量得到大幅度提搞，同時(shí)高爐煤氣流分布和高爐燃料消耗發(fā)生較大變化，項(xiàng)目組針對(duì)煤氣流發(fā)生的變化情況，對(duì)布料參數(shù)做了相應(yīng)的調(diào)整。

加廢鋼前高爐風(fēng)量維持在2300-2400m³/min，風(fēng)壓在290-310Kpa。高爐加廢鋼后，風(fēng)量維持在2200-2400m³/min，風(fēng)壓在280-305Kpa，風(fēng)壓小幅度下降，風(fēng)量、風(fēng)壓整體波動(dòng)加大。主要是加廢鋼后高爐產(chǎn)量提升，爐前是間隔出鐵，出鐵前高爐爐內(nèi)渣鐵較多，風(fēng)壓上升所致。

加廢鋼后，前期高爐將廢鋼裝在每批料的第一車，高爐布料時(shí)相應(yīng)將廢鋼布在料面的邊沿。經(jīng)過(guò)兩周的觀察研究，項(xiàng)目組成員討論確定，將布料角度整體縮小。

高爐布料料制調(diào)整后，中、后期廢鋼裝在第2、3車，相應(yīng)廢鋼往料面的中心布，邊沿溫度呈明顯下降趨勢(shì)。

4 應(yīng)用與結(jié)論

(1)將研究結(jié)論應(yīng)用于高爐生產(chǎn)，煤氣利用率提高到47%以上，2018年對(duì)比2017年提高0.52%、2019年1-6月對(duì)比2018年提高0.41%，高爐經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)得到改善。

(2)高爐滑料頻次大幅度降低，由項(xiàng)目開(kāi)展前的30次/月降低至8次/月。

(3)通過(guò)本項(xiàng)目的開(kāi)展，韶鋼1050m³高爐煤氣流更加穩(wěn)定，為提高入爐生礦比創(chuàng)造了條件，從2018年開(kāi)始，高爐入爐生礦比例逐步提升，至2019年6月，入爐生礦比例提高至25%以上，最高達(dá)30%，在國(guó)內(nèi)同類型高爐中處于最高水平。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊永宜. 高爐內(nèi)煤氣分布和爐料運(yùn)動(dòng)研究的新進(jìn)展[J]. 煉鐵，1983（1）：9-16

[2] 趙華濤，杜屏等. 沙鋼5800m3高爐合理煤氣流分布的探索[J]. 煉鐵，2016，36（05）：31-34

[3] 魯 儉，李宏偉等. 首鋼京唐1#高爐合理煤氣分布控制措施[J]. 河北冶金，2018，（01）：45-50

[4] 項(xiàng)鐘庸，王筱留等．高爐設(shè)計(jì)-煉鐵工藝設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐[M]．北京: 冶金工業(yè)出版社

[5] 劉云彩．高爐布料規(guī)律[M]．第四版．北京: 冶金工業(yè)出版社