張 波，李曉東，楊 波
（武鋼集團(tuán)昆明鋼鐵股份有限公司煉鐵廠，云南 昆明 650302）
摘 要：針對高堿、高鋅負(fù)荷下，高爐存在透氣性差、氣流不穩(wěn)、風(fēng)口小套上翹、爐溫和爐況波動大、產(chǎn)量低、消耗高等問題，通過精料控制降低入爐有害元素負(fù)荷，調(diào)節(jié)兩股煤氣流合理分布和強(qiáng)化渣鐵排放提升堿、鋅負(fù)荷排出效率，合理控制爐溫、富氧率促進(jìn)高爐穩(wěn)定順行，高爐在 54.30%左右的入爐品位下，利用系數(shù)提高到3.60 t/m3· d，燃料比、焦比分別降低至 555 kg/t 和 400 kg/t 左右。
關(guān)鍵詞：堿負(fù)荷；鋅負(fù)荷；產(chǎn)量；燃料比；焦比
某公司 1 350 m3 高爐 （以下稱 3 號高爐） 于2008 年 7 月 9 日建成投產(chǎn)，有效容積 1 350 m3 ，設(shè)有風(fēng)口 22 個、鐵口 2 個、渣口 1 個；2021 年 3月高爐停爐檢修，進(jìn)行了爐腹修復(fù)造襯，于 2021 年 3 月 21 日開爐投產(chǎn)。由于缺乏礦山、焦化廠等資源設(shè)施，長期以來 3 號高爐生產(chǎn)所需原燃料皆靠外部采購。原燃料資源緊張，用礦、用焦復(fù)雜多變，爐料中鉀、鈉、鋅等有害元素含量高，使得入爐有害元素負(fù)荷遠(yuǎn)高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，尤其高堿負(fù)荷和高鋅負(fù)荷入爐對爐況穩(wěn)定順行產(chǎn)生了較大的影響，高爐產(chǎn)量低、消耗高[1]，如表 1 所示。
1 高爐堿負(fù)荷、鋅負(fù)荷的來源
3 號高爐礦石用料結(jié)構(gòu)主要為“燒結(jié)礦、南非塊、昆球、華寧球”4 種礦石，有時少量使用老撾塊、越南塊、一立球、紅山球等；在焦炭用料上主要使用師宗焦和派盟焦兩種主力焦種，但根據(jù)庫存及采購情況亦使用其他焦種且短期配比可達(dá)20%～30%。從 2020 年礦石成份分析來看，有害元素的含量各有高低，其中鉀、鈉元素在燒結(jié)礦、昆球、華寧球中含量較高；鋅元素在球團(tuán)礦中含量高，其次是燒結(jié)礦中。如表 2 所示。
結(jié)合高爐生產(chǎn)實(shí)際用料占比，通過分析測算，2020 年 3 號高爐入爐平均堿負(fù)荷達(dá) 6.91 kg/t、鋅負(fù)荷達(dá) 1.12 kg/t，遠(yuǎn)高于國標(biāo) GB-5024-2008 控制要求：堿負(fù)荷≤3 kg/t、鋅負(fù)荷≤0.15 kg/t，也高于行業(yè)絕大部分企業(yè)。3 號高爐入爐堿負(fù)荷主要由燒結(jié)礦帶入，其次是焦炭、昆球、華寧球；入爐鋅負(fù)荷主要來自于燒結(jié)礦，其次華寧球也帶入了19.39%的鋅負(fù)荷。如圖 1、圖 2 所示。
2 高堿、高鋅負(fù)荷對高爐的影響
3 號高爐長期處于高堿負(fù)荷和高鋅負(fù)荷的生產(chǎn)條件下，其循環(huán)富集一方面使得高爐爐墻結(jié)厚、結(jié)瘤，有效容積減少且氣流分布變化；另一方面其浸入高爐硅鋁質(zhì)耐材、碳磚等保護(hù)材料中，長期以往導(dǎo)致了爐殼破裂、風(fēng)口上翹等情況發(fā)生。高堿負(fù)荷和高鋅負(fù)荷，極大地影響了 3 號高爐的穩(wěn)定順行，增加了高爐操作難度，甚至?xí)r有爐況失常的情況發(fā)生[2]，是高爐提產(chǎn)降耗的一大阻力。
2.1 高爐透氣性差
由于堿金屬和鋅元素在高爐內(nèi)部的循環(huán)富集，會破壞礦焦強(qiáng)度，增加燒結(jié)礦、球團(tuán)礦的還原粉化率，同時其吸附或滲入爐料，堵塞了礦、焦孔隙，因此高爐透氣性差[3]。2020 年 3 號高爐透氣性指數(shù)維持在 （15 000～15 500） m/min·Mpa 左右，高爐壓差較頂壓高出 15 kPa 左右，如圖 3 所示；此外，高爐呈現(xiàn)渣鐵排放前后風(fēng)壓變換明顯的狀況，在高爐出鐵后期及出鐵間隔期間風(fēng)壓緊張，而開口出渣后則壓量關(guān)系好轉(zhuǎn)。高爐透氣性差，增加了高爐爐況穩(wěn)順的操作難度。
2.2 氣流不穩(wěn)，爐況波動大
在高爐煤氣流及渣鐵的沖刷下，爐墻上黏結(jié)的堿負(fù)荷和鋅負(fù)荷并不穩(wěn)定[4]。不斷黏結(jié)和脫落的堿負(fù)荷、鋅負(fù)荷，使得高爐爐身四周冷卻強(qiáng)度不均勻且不斷變化，高爐渣皮不穩(wěn)、水溫差波動大，影響高爐氣流的穩(wěn)定分布，高爐時有邊緣過吹的現(xiàn)象；在不均勻的氣流影響下，爐墻部分位置堿、鋅負(fù)荷不斷富集黏結(jié)，結(jié)厚、結(jié)瘤，而當(dāng)黏結(jié)物隨渣皮大面積脫落時，則會引起管道的發(fā)生，高爐氣流急劇變化紊亂、滑料頻繁，高爐頂溫不可控，如 4 圖所示。
大量黏結(jié)物脫落進(jìn)入爐缸，使得爐缸溫度急劇下降[5]，高爐鐵水出現(xiàn)高硅低物理熱的現(xiàn)象，生鐵含鋅急劇升高，脫硫效果轉(zhuǎn)差，如圖 5 所示；同時黏稠的渣鐵，進(jìn)一步惡化了高爐透氣性，不利于爐況穩(wěn)順。為保證鐵水質(zhì)量，加快恢復(fù)爐缸溫度，高爐臨時采取大量噴吹煤粉、增加用焦等調(diào)整手段；此外，每次發(fā)生氣流紊亂和滑料現(xiàn)象，高爐都不得不大量減風(fēng)退氧，以穩(wěn)定爐況。因此，高堿、高鋅負(fù)荷使得高爐初始煤氣流變換、燃料比和爐溫波動大，高爐操作難度增加，爐況穩(wěn)順程度差。
2.3 風(fēng)口小套上翹
長期在高堿負(fù)荷和高鋅負(fù)荷的侵蝕、滲透作用下，3 號高爐出現(xiàn)了爐身中下部爐殼裂縫，風(fēng)口中套變形、煤氣泄漏，以及風(fēng)口小套上翹等問題。尤其以鋅為主的有害元素滲入風(fēng)口組合磚[6]，使得高爐風(fēng)口小套上翹嚴(yán)重，如表 3 所示。風(fēng)口小套上翹極大的影響了高爐初始煤氣流的分布，高爐風(fēng)口亮度不均勻、爐溫不穩(wěn)定等現(xiàn)象明顯。
3 高堿、高鋅負(fù)荷下的提產(chǎn)降耗措施
為降低高堿負(fù)荷和高鋅負(fù)荷對高爐爐況的影響，強(qiáng)化高爐冶煉，提高高爐生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)提產(chǎn)降耗的生產(chǎn)目標(biāo)，3 號高爐從以下幾個方面展開了對策實(shí)施。
3.1 精料控制，降低入爐堿負(fù)荷和鋅負(fù)荷
為保證高爐在大風(fēng)、高壓、高風(fēng)溫、高負(fù)荷生產(chǎn)條件下的穩(wěn)定順行，為高爐降低消耗和提高冶煉強(qiáng)度打下基礎(chǔ)，3 號高爐進(jìn)行了精料控制[7]。
首先，高爐加強(qiáng)了對燒結(jié)礦質(zhì)量的管控，在燒結(jié)礦配料過程中，一方面減少含鉀元素高的粉礦配比，減弱堿金屬對焦炭熱態(tài)性能等影響；另一方面，停用了含鋅量高的污泥，避免鋅元素的爐外循環(huán)；此外，不斷增加燒結(jié)礦配礦中高品位粉礦占比、減少 Al2O3 含量，使燒結(jié)礦品位從 50％左右提高至 52％左右，Al2O3 含量從 2％左右降低至1.7％左右，如圖 6 所示，從而達(dá)到減少渣量、改善爐渣流動性的目的，以緩解高堿、高鋅負(fù)荷帶來的憋風(fēng)問題。
其次，高爐停用了鉀、鈉、鋅含量較高且用量少的紅山球等礦石，將燒結(jié)礦用量逐步增加并控制在 71%～74％左右，生礦用量逐步降低至 5％以內(nèi)。通過以上措施，2021 年 7 月份以來，高爐入爐堿負(fù)荷控制低于 6.50 kg/t，鋅負(fù)荷控制低于1.02 kg/t，如表 4 所示。
此外，3 號高爐通過加強(qiáng)對焦炭質(zhì)量的改善，以減輕高堿、高鋅負(fù)荷對焦炭性能破壞后惡化高爐透氣性的影響。一方面，高爐提高對主力焦種師宗焦的質(zhì)量要求，使入爐焦炭反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度波動幅度減小并改善提升；另一方面，高爐增加了其他優(yōu)質(zhì)焦種的使用，以緩解采購困難等問題，確保高爐用焦質(zhì)量的穩(wěn)定。如表 4 所示，2021 年 7 月份以來，高爐入爐焦炭平均反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度都得到了有效改善。
3.2 兩股煤氣流合理分布調(diào)節(jié)
從 3 號高爐鋅負(fù)荷的排出統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，高爐爐塵中排出的鋅負(fù)荷占整體排出量的 96％左右，即使排出量占比較少時亦達(dá) 90％左右，因此要減少鋅在爐內(nèi)的富集，就要加大鋅隨煤氣的排出量[8]；此外，保持爐況穩(wěn)定、順行，減少爐溫波動，也是防止鋅害的有效措施[9]。為避免堿負(fù)荷和鋅負(fù)荷在爐墻上大量富集和脫落帶來的爐況、爐溫波動問題，同時有效緩解高堿、高鋅負(fù)荷及低品位、大渣量而帶來的憋風(fēng)問題，3 號高爐采取了對兩股煤氣流合理穩(wěn)定分布的操作調(diào)節(jié)。
一方面，高爐在 2021 年 3 月份停爐檢修時將風(fēng)口全部更換為 φ120 mm 的風(fēng)口小套，有效擴(kuò)大圓周方向燃燒帶，促進(jìn)爐缸活躍，使初始煤氣分布更加均勻；其次，高爐將入爐風(fēng)量由 2 800m3 /min 左右增加至 3 000 m3 /min 左右，提高了煤氣的穿透性，進(jìn)一步改善了料柱中煤氣的分布。另一方面，高爐將礦批由 35t 左右逐步增加至 （39～ 41） t，通過增加料層厚度抑制管道形成，避免氣流過吹；此外，高爐控制料線在 2.0m 左右的同時，將高爐布料矩陣由過渡到，并根據(jù)透氣性情況靈活調(diào)整選擇矩陣和控制料線深度，在強(qiáng)化中心煤氣流的同時適當(dāng)發(fā)展邊緣，使得高爐氣流維持穩(wěn)定順行并促進(jìn)鋅負(fù)荷隨中心煤氣排出。通過實(shí)踐，3 號高爐兩股煤氣流合理分布，使得有害元素的富集影響減少，高爐氣流更加通暢穩(wěn)定且煤氣利用率得到了有效提高。
3.3 強(qiáng)化渣鐵排放
高爐爐渣是堿負(fù)荷排出的重要途徑，在 3 號高爐堿負(fù)荷的排出占比中，通過爐渣排出的堿負(fù)荷占比達(dá) 96％以上。加強(qiáng)渣鐵排放，縮短堿金屬在爐渣中的還原時間，抑制堿金屬在爐渣中的還原和揮發(fā)，可有效提高堿負(fù)荷排出率和改善高爐透氣性；同時還可以減少鋅在爐內(nèi)的滯留時間[10]，提高鋅負(fù)荷的排出率。
為強(qiáng)化渣鐵排放，3 號高爐一方面加強(qiáng)了出鐵組織，在增加使用 3 機(jī)車對罐的同時，加強(qiáng)與鐵運(yùn)聯(lián)系對罐，并在出鐵結(jié)束后及時完成堵小井口、拉罐，從而盡可能在 5 min 內(nèi)完成鐵罐的對位；此外，通過加強(qiáng)各項(xiàng)基礎(chǔ)工作的管理，提前做好渣、鐵溝等設(shè)施檢查工作，實(shí)現(xiàn)罐好即開口。另一方面，加強(qiáng)了對爐前工技能的培訓(xùn)提升，通過嚴(yán)格落實(shí)鐵口泥套和炮嘴的清理工作，并精準(zhǔn)控制、穩(wěn)定堵口打泥量，盡量避免堵口跑泥，逐步提升鐵口深度至 2.80 m 以上，從而實(shí)現(xiàn)開口容易快速、出鐵時間和次數(shù)穩(wěn)定的目標(biāo)。通過以上舉措，3 號高爐出鐵時間占有率從不足 80％提高至 84％以上，有效增強(qiáng)了高爐渣鐵的排放，如圖 7 所示。
此外，3 號高爐采取定期降堿排鋅操作，防止鋅的加劇富集[10]。在鐵水溫度充足、產(chǎn)品質(zhì)量得到保證條件下，高爐每隔 （20～30） d 進(jìn)行 1次降堿操作，將爐渣堿度降低至 1.15 倍左右并穩(wěn)定生產(chǎn) （1～2） 個班以上，必要時進(jìn)一步降低爐渣堿度；在高爐爐渣堿度低于 1.15 倍，尤其在 1.11 倍下生產(chǎn)冶煉時，高爐排鋅效果明顯，如圖 8 所示。
3.4 合理操作參數(shù)控制
控制合理的操作參數(shù)，是穩(wěn)定高爐爐況長周期順行，提升堿負(fù)荷、鋅負(fù)荷排出效率，減輕各類有害元素危害的有效措施，也是高爐實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)低耗的關(guān)鍵所在。
3.4.1 適宜的爐溫和物理熱
3 號高爐除堿負(fù)荷、鋅負(fù)荷較高外，硫負(fù)荷與鈦負(fù)荷也相對較高 （2021 年平均硫負(fù)荷 4.51 kg/t，鈦負(fù)荷 10.99 kg/t），因此高爐在爐溫和物理熱的控制上既要保證高爐良好的透氣性，又要確保生鐵質(zhì)量。通過對高爐爐溫分布統(tǒng)計(jì)情況發(fā)現(xiàn)，高爐生鐵含硅控制在 0.20%≤ [Si] ≤0.40%時，高爐爐況穩(wěn)順情況及燃料比、鐵水質(zhì)量相對較好；此外，在高爐排堿、排鋅時，呈現(xiàn)高硅低物理熱的現(xiàn)象，此時 [Si] 不能真實(shí)的反應(yīng)出高爐爐缸溫度狀態(tài)。因此，2021 年 7 月份以來，高爐調(diào)整以物理熱作為熱制度的重要參考， [Si] 作為爐況走勢的判斷參考。高爐調(diào)整操作物理熱范圍為 （1 440～1 460） ℃、爐溫控制在 0.30%～0.35%左右。生產(chǎn)實(shí)踐證明，通過合理的爐溫和物理熱控制，高爐爐況穩(wěn)順程度得到了大幅提高；2021 年 8 月份以來，3 號高爐鐵水含硅穩(wěn)定率 （0.15%～0.60%） 大幅提高至 90%以上，見表 5 所示。
3.4.2 適宜的富氧率
增加高爐富氧，可提高冶煉強(qiáng)度，增加產(chǎn)量[7]。2021 年 4 月份，紅鋼 3 號高爐將富氧率由4%以下提高至 5%以上，其中 5 月～7 月平均富氧率達(dá) 5.97%。高富氧的同時，高爐采取大噴吹，噴煤比提高至 150 kg/t；高富氧、大噴吹有效促進(jìn)了高爐間接還原的發(fā)展，高爐產(chǎn)量大幅提高，焦比、燃料比也得到一定降低。然而，隨著高爐富氧率的提高，使得理論燃燒溫度過高，5 月～7 月間 3 號高爐理論燃燒溫度達(dá) 2 500 ℃以上；理論燃燒溫度過高會引起 SiO 大量揮發(fā)，不利于爐況順行[7]，尤其是在高堿、高鋅負(fù)荷條件下，3 號高爐管道、 懸料、崩料等情況頻繁，極大的制約了高爐降低生產(chǎn)消耗。因此，2021 年 8 月份以來，高爐降低富氧率生產(chǎn)冶煉。通過生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，高爐富氧率維持在 4.60%左右時，產(chǎn)量和消耗指標(biāo)都相對較好，如表 5 中所示，2021 年 10 月～11 月，高爐利用系數(shù)達(dá) 3.60 t/m3 ·d，燃料比分別為 552.27 kg/t 和 555.23 kg/t。
4 高堿、高鋅負(fù)荷下的提產(chǎn)降耗效果
高堿、高鋅負(fù)荷使得高爐透氣性差，出鐵前后憋風(fēng)嚴(yán)重；同時，其黏結(jié)物的形成和脫落也會對高爐氣流產(chǎn)生較大的影響，尤其是高富氧條件下對高爐爐況穩(wěn)順影響很大。此外，長期的高鋅負(fù)荷冶煉，還會使得高爐風(fēng)口小套上翹嚴(yán)重，影響高爐初始煤氣流的分布，導(dǎo)致高爐風(fēng)口亮度不均勻、爐溫不穩(wěn)定。因此，2021 年一季度前，3 號高爐日均產(chǎn)量基本維持在 4 050 t 左右，且焦比、燃料比分別高達(dá) 430 kg/t 和 570 kg/t 以上，高爐產(chǎn)量低、消耗高。
在控制降低入爐堿、鋅負(fù)荷的同時改善提升其排出效率，以及合理的控制高爐爐溫、富氧率等，高爐爐況穩(wěn)順程度得到了大幅提高。2021 年8 月份以來，3 號高爐生鐵含硅穩(wěn)定率持續(xù)穩(wěn)定在90%以上。穩(wěn)定順行的爐況，為 3 號高爐在低品位和高堿、高鋅負(fù)荷生產(chǎn)條件下提產(chǎn)降耗奠定了良好的條件基礎(chǔ)；8 月份以來，高爐產(chǎn)量大幅提高（8、9 月份限產(chǎn)能生產(chǎn)冶煉），利用系數(shù)達(dá) 3.60 t/m3 ·d，高爐燃料比降低至 555 kg/t 左右，焦比降低至 400 kg/t 左右，如表 5 所示。
5 結(jié) 語
1） 高堿、高鋅負(fù)荷會導(dǎo)致高爐透氣性差、高爐氣流不穩(wěn)定、風(fēng)口小套上翹等問題；尤其是高富氧下，高爐煤氣流變化較大且難以控制；
2） 燒結(jié)礦配礦時應(yīng)避免鋅元素的爐外循環(huán)和減少使用含鉀、鈉、鋅等元素高的粉礦，同時采取優(yōu)化爐料結(jié)構(gòu)調(diào)整，可有效降低入爐堿負(fù)荷、鋅負(fù)荷；
3） 高堿、高鋅負(fù)荷下，高爐在強(qiáng)化中心煤氣流促進(jìn)有害元素排出的同時也要適當(dāng)發(fā)展邊緣，以實(shí)現(xiàn)促進(jìn)兩股煤氣流的合理分布，穩(wěn)定高爐氣流；
4） 增加對罐機(jī)車、加強(qiáng)爐前組織協(xié)調(diào)以及精準(zhǔn)控制鐵口深度和堵口打泥量，可有效提高出鐵時間占有率，促進(jìn)堿負(fù)荷排出；
5） 控制爐溫 0.30%～0.35%、富氧率 4.60%左右，可有效促進(jìn)高爐在高堿、高鋅負(fù)荷條件下的穩(wěn)定順行，有利于高爐提產(chǎn)降耗生產(chǎn)冶煉。
參考文獻(xiàn)：
[1] 李肇毅，姜偉忠. 高爐鋅負(fù)荷對燃料比影響的定量分析[J]. 煉鐵，2016，35 （4）：15-17.
[2] 趙貴希，劉其敏. 高爐堿負(fù)荷和鋅負(fù)荷的來源透析及對策[J]. 中國冶金，2014，24 （12）：51-54.
[3] 張建良. 高爐解剖研究[M]. 北京：北京工業(yè)出版社，2019.
[4] 徐海波，孫艷芹，李燕江. 抑制高爐鋅危害的措施[J]. 河北聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2015，37 （3）：48-51.
[5] 伍世輝，劉三林，李鮮明. 韶鋼 6 號高爐堿金屬危害的控制[J]. 煉鐵，2009，28 （1）：39-41.
[6] 楊雪峰，儲滿生，王濤. 昆鋼 2000m3 高爐風(fēng)口上翹原因分析及治理[J]. 煉鐵，2005，34 （4）：1-4.
[7] 賈艷，李文興. 高爐煉鐵基礎(chǔ)知識[M]. 北京：冶金工業(yè)出 版社，2005.
[8] 李向偉，尹騰，董遵敏. 大型高爐高鋅負(fù)荷冶煉技術(shù)的研究與應(yīng)用[J]. 煉鐵，2015，34 （2）：8-11.
[9] 王西鑫. 鋅在高爐中的危害機(jī)理分析及其防止[J]. 鋼鐵研究，1992 （3）：36-41.
[10] 何敏，葉建剛. 新鋼 6 號高爐有害元素分析與對策[J]. 煉鐵，2019，38 （6）：58-60.