張 文 政
（天津市新天鋼聯合特鋼有限公司，天津 301500）
摘 要：高爐安全長壽、降低高爐能源消耗成為現代高爐技術發展的主要方向，而其關鍵在于提高高爐爐缸活性。在介紹高爐爐缸活性變差特征的基礎上，從高爐上部調劑、下部調劑、渣鐵物性、高爐原燃料性能等方面，就如何提高高爐爐缸活性進行了分析和探討。
關鍵詞：高爐；爐缸活性；原燃料；渣鐵
1 前 言
現代高爐向爐容大型化、生產高效化不斷發展。作為資源和能源密集型的高爐煉鐵工序，提高高爐爐缸活性的本質在于明晰高爐爐缸內渣鐵焦間時空尺度特征及多相界面遷移行為。而目前對高爐爐缸內渣鐵焦行為及爐缸活性的研究，僅停留在依靠生產經驗而獲得的表面認知，高爐爐缸活性基礎理論研究相對薄弱。由于在實際過程中相關參數獲取困難且爐缸狀態無法實時監測，各高爐的實際生產條件也有所不同，判斷爐缸活性主要依據實際生產經驗，借助表征指標間接反映爐缸活躍狀況，具有一定的滯后性和理論局限性［1］。隨著高爐大型化進程加快，高爐容積越大，高爐各項參數滯后性和限制性越大，若未及時發現高爐爐缸狀態波動，會導致高爐爐況恢復周期長，經濟損失大等各種不良影響［2］。
2 高爐爐缸活性變差特征
爐缸內部的工作狀態主要受死料柱狀態、渣鐵排放過程和風口風量分配 3 個方面的影響。爐缸活性好時，高爐爐況穩定順行；當高爐活性下降時，往往出現爐況波動、不順等。爐缸活性變差的主要表現：爐底中心溫度降低，爐缸兩邊側壁溫度升高；氧勢增加，鐵水中脫硫反應減弱，硫含量增加；渣比下降；鐵水中的含碳量降低；風口回旋區縮短，且通過測棒測試，內壁面較堅硬；風壓升高，風量減少；燃料比上升，產量下降；出鐵時間不穩定，出鐵口變短。在實際生產過程中，若觀察到上述現象，要馬上采取措施查清原因，避免爐缸活性不斷惡化帶來的重大經濟損失。
3 影響爐缸活性因素
3.1 高爐下部調劑
高爐下部調劑參數主要為風量、風溫、風壓、風口面積及風口深度長度，下部調劑主要指控制高爐爐溫及送風的控制技術。死料柱大小與鼓風強度有很大關系，鼓風強度越大，死料柱越小，爐缸工作狀況良好的表現在于渣鐵溫度高、流動性好，而控制較高的風口燃燒溫度有利于更好的加熱爐缸，提高爐缸煤氣與渣鐵之間的交換熱量。
根據上述研究，可以通過縮小風口面積、保持合適的風速、增大鼓風動能、延長回旋區深度、提高風溫、適當降低風壓等手段，改善氣流分布，使熱煤氣更好地穿過風口前死料柱，更好的穿透高爐中心，提升爐缸中心溫度，活躍爐缸中心。適當控制邊緣氣流發展，尋找合適的煤氣流分布，防止爐墻渣皮脫落。若渣皮脫落進入爐缸，導致爐缸溫度急劇下降，破壞爐缸活性。
3.2 高爐上部調劑
高爐上部調劑指調整高爐布料制度，礦石與焦炭呈現分層重疊結構，高爐煤氣在高爐下部產生，而后上升穿過料層；爐料從上部下降與煤氣作用，完成加熱、還原、造渣、熔化等冶煉過程。爐料在爐內由上至下溫度逐漸升高，直到熔化前一直保持爐喉布料的層狀結構。
當爐料到達軟熔帶時，由于爐料開始軟化時爐料之間的空隙度不斷下降，導致煤氣的阻力加大。 由于礦石軟熔層的阻力較大，煤氣流絕大部分從焦炭層（焦窗）穿過。在這個區域，礦石都開始熔化，只有焦炭是固體狀態，形成礦石初渣分布在焦炭與焦炭之間，使煤氣通過這個區域的阻力最大。軟熔帶煤氣主要靠焦炭的夾層即焦窗透氣，在滴落帶和爐缸主要靠焦塊之間的空隙和焦炭氣孔透液和透氣，因此上部區域煤氣透氣性越好，下部爐缸透液性越好，渣鐵越容易穿過焦炭，滯留在死料柱中的渣鐵量也越少，爐缸活性也越強。
隨著焦炭的批重變大，焦炭層的厚度變大，煤氣通過的阻力就會減少，有利于料柱的透氣性和高爐氣流發展。
隨著礦石批重變大，由于礦石比焦炭的堆角大，礦石布料到中心的比例就會越多，有利于發展邊緣煤氣流，抑制中心煤氣流。這種情況會導致爐料分布均勻，煤氣利用率提高。但若礦批重過大，會出現中心氣流不足而邊緣氣流過分發展，則可能引起爐缸中心堆積。
3.3 高爐渣鐵物性
高爐爐渣堿度對高爐渣的冶金性能有重要作用，當堿度過低時，CaO含量少，無法破壞高爐渣中SiO2及Al2O3形成的網狀結構，致使其黏度增加。當堿度變大時，高爐渣黏度降低；當堿度過高時，爐渣的黏度及熔化性溫度急劇升高，導致爐渣的流動性變差，不利于爐渣的冶煉，因此適當提高高爐爐渣堿度，有利于提高爐渣的流動性和爐缸透氣性，有利于爐缸活性的提高。
爐渣中的MgO和CaO屬于堿性氧化物，爐渣中的Al2O3和SiO2屬于酸性氧化物。提高鎂鋁比，相當于在保證 Al2O3含量不變的條件下，增加 MgO 含量占比，有利于提高爐渣流動性。但鎂鋁比過高，MgO 和 Al2O3會形成復雜的高熔點化合物，使爐渣的熔化性溫度升高，爐渣的流動性變差。
高爐鐵水物理熱是判斷爐溫的重要指標。爐缸里鐵水溫度低，爐渣的熱量不足，就不能在爐芯焦炭之間自由地流動，大量的渣鐵不能順利穿過死料柱，就會滯留在爐缸死料柱中，導致爐缸中心死料柱區域不活躍。隨著不活躍區域面積逐漸擴大，就會形成爐缸堆積。恢復爐缸活性，首先應該保證爐缸鐵水溫度。
3.4 高爐原燃料性狀
焦炭隨著爐料從高爐爐頂加入高爐開始，焦炭的粒度受摩擦作用、氣化反應和滲碳作用會逐漸變小。焦炭在爐身塊狀帶時，由于上部溫度較低，焦炭只是受到爐料之間的摩擦作用，粒度變化不大。
隨著焦炭進入軟熔帶和滴落帶，發生劇烈溶損反應，焦炭表面的氣孔逐步變大，孔壁變薄，焦炭強度逐步降低。另一方面，焦炭粒度急劇下降，空隙度變大，還伴有氣化及還原FeO等反應，焦炭達到高爐風口回旋區時，焦炭快速發生反應，焦炭隨熱風在風口做劇烈的旋轉運動并與熱風中的氧氣發生反應，焦炭急劇粉化。遠離風口回旋區的焦炭，由于反應速度變慢，慢慢形成了死料柱。在爐缸頂部，鐵水碳不飽和度大，焦炭與鐵水接觸發生滲碳反應，使得焦炭的粒度持續減小，死料柱的空隙度變大。在爐缸中心區域，鐵焦反應最劇烈，死料柱的空隙度達到最大值；繼續向下，由于鐵水的浮力作用，焦炭稍微聚集起來，使得死料柱的空隙度稍微減小。但由于鐵水浮力的作用相較于焦炭鐵水的滲碳反應要弱，空隙度減小的速率逐漸減小。而焦炭粒徑則是隨著距離殘鐵頂部增大繼續呈減小趨勢，原因是焦炭在死料柱不同高度區域中持續與鐵水發生化學反應，持續消耗焦炭。
焦炭在高爐內的演變行為，性能較好的入爐焦炭為爐缸死料柱空隙度提供有力支撐。假設焦炭的氣化程度及風口燒損比例是相同的，入爐焦炭粒度越大，經過上部一系列反應后，爐缸焦炭粒度也較大。爐缸焦炭粒度越大，死料柱空隙度越大，爐缸渣鐵穿過焦炭床的空間也越大，渣鐵滯留量就越小，爐缸較為活躍。
4 結 論
4.1 下部調劑。通過縮小風口面積、保持合適的風速、增大鼓風動能、延長回旋區深度、提高風溫、適當降低風壓和噴煤量、提高富氧率等手段，改善氣流分布和煤粉燃燒狀況，使熱煤氣更好地穿過風口前死料柱，更好地穿透高爐中心，提升爐缸中心溫度，活躍爐缸中心。
4.2 上部調劑。軟熔帶的煤氣主要是通過焦炭進行傳輸，在滴落帶主要靠焦塊之間的空隙和焦炭氣孔來進行透液和透氣。上部區域煤氣透氣性越好，下部爐缸透液性越好，渣鐵越容易穿過焦炭，爐缸活性也越強。從渣鐵滯留、爐缸活性及高爐長壽的角度來講，高爐操作應該適當降低礦石批重，適當提高焦炭批重，提高上部透氣性指數。
4.3 渣鐵物性。爐缸活性與爐缸中心溫度成正比，爐缸中心溫度低，爐渣在焦炭死料柱的流動變差，大量的渣鐵不能順利穿過死料柱，慢慢導致爐缸不活躍，從而導致爐缸堆積。為改善高爐爐缸活性，高爐操作應該適當提高爐渣堿度、鎂鋁比及TiO2含量，保證足夠高的鐵水溫度，盡可能不使用鈦礦護爐。
4.4 原料條件。較大的死料柱空隙度是保證良好的爐缸活性的基礎。入爐焦炭的粒度、CSR、CRI及原燃料有害元素含量是死料柱空隙度的重要指標。入爐焦炭綜合粒度和 CSR 越大，CRI 越小，爐缸焦炭粒度越大，死料柱空隙度越大；且原燃料中有害 元素越少，爐缸爐渣流動性較好，鐵水滲碳更容易發生，爐缸鐵水和爐渣穿過焦炭床的空間和能力越大，渣鐵滯留量越小，爐缸較為活躍。
參考文獻：
［1］ 焦克新，張建良，劉征建，等.關于高爐爐缸長壽的關鍵問題 解析［J］.鋼鐵，2020，55（8）：193-198.
［2］ 張賀順，馬洪斌 . 首鋼 2# 高爐爐缸工作狀態探析［J］. 煉鐵， 2009，28（4）：10-13.