吳官印1，姜彥冰2，蔣益2，李偉偉2，何沖1，龔繼兵2，趙華1，張智勇1
（1. 鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；
2. 鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007）
摘要： 針對鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司 4038 m3 高爐高比例使用中塊焦炭后出現的風量萎縮、順行變差，尤其是高爐休送風恢復過程中爐缸活躍性差、煤氣流中心通道打不開、頻繁崩滑料現象，提出采取合理匹配上下部調劑、組織好爐前渣鐵排放、小焦布料制度以及改善休風料結構等措施。 實踐后，高爐實現了中塊焦比為 90 kg/t 情況下的長期穩定順行，休送風恢復未出現超時現象，適應了高比例使用中塊焦炭的生產。
關鍵詞： 高爐；中塊焦碳；罐焦；中心通道
鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司 （以下簡稱“鲅魚圈”）由于焦化產能供不應求，且此時料場庫存有大量落地中塊焦炭， 為緩解焦炭供應緊張問題， 探索高比例中塊焦炭生產的可行性，于2018 年 9 月開始嘗試在 2 號高爐（4038 m3）生產中提高中塊焦比，最高中塊焦比達到 110 kg/t。 隨著中塊焦炭使用量的增加，高爐出現風量萎縮、順行變差情況，尤其是高爐休風后送風恢復過程，出現爐缸活躍性差、煤氣流中心通道打不開、頻繁崩滑料現象。為了最大限度降低高比例使用中塊焦炭給 2 號高爐帶來的影響，提出了一系列工藝改進措施，并進行了生產實踐。
1 中塊焦炭性能分析
焦炭在高爐內的反應可視為符合未反應核模型， 即碳的氣化反應依靠焦炭表面與煤氣接觸發生， 因此焦炭的平均粒度與反應速度必然有很大關系［1］。鲅魚圈 2 號高爐使用中塊焦炭粒度組成如表 1 所示。
由表 1 可以看出， 中塊焦炭的平均粒徑為35.8 mm，高爐使用的大塊焦炭平均粒徑為 51.5 mm， 大塊焦炭與中塊焦炭體積比為 （51.5/35.8）3≈3.0， 即 3.0 粒中塊焦炭的質量相當于 1 粒大塊焦炭。相 同 質 量 的 兩 種 焦 炭 的 表 面 積 比 為 3.0×（35.8）2/ （51.5）2≈1.45，即同質量的兩種焦炭，中塊焦炭的表面積是大塊焦炭表面積的 1.45 倍。 表面積大意 味著反應時和氣體的接觸面積大， 中塊焦炭的反 應速度和能力都將高于大塊焦炭。 通過實驗室進行不同粒度焦炭的礦石還原試驗證實， 粒度少量 變化造成的焦炭氣化能力變化很大。 小粒度焦炭與大粒度焦炭相比，在高爐上部失碳率較高，產生 的粉末量也多［2］。
2 中塊焦炭使用現狀
2 號高爐正常生產時的中塊焦比一般維持在40 kg/t 左右， 從 2018 年 9 月初開始增加使用中塊焦炭，具體使用情況如圖1 所示。 由圖 1 可以看出， 到 9 月 30 日中塊焦比已經增加至 110 kg/t， 并維持了近兩個月高中塊焦比生產。
在焦炭布料制度不變的情況下，中塊焦比增加必然會造成布入高爐中心的中塊焦炭量的增加，具體情況如表 2 所示。 由表 2 可以看出，當中塊焦比達到 110 kg/t 時，每天約消耗 880 t 中塊焦炭，布入中心的中塊焦炭量約為 264 t， 是原來的 2.9 倍，每天布入高爐中心的中塊焦炭量大大增加。
由于 2 號高爐高比例使用中塊焦炭之后，焦炭平均入爐粒徑由以前的 50 mm 左右下降到 47 mm，整體焦炭粒級下降； 且中塊焦炭落地料場時間較長，經過長時間風吹日曬，粉末含量增加且水分含量高，導致焦炭質量劣化，存在反應能力強、平均粒度小、粒度衰減大的缺點。 因此，高爐高比例使用中塊焦炭后， 大量中塊焦炭從爐頂布入高爐中心， 隨著高爐冶煉進程最終進入爐缸成為爐芯焦的一部分，必然會導致爐芯死料堆焦炭粒度減小， 透氣透液能力下降，高爐順行變差。
3 高爐高比例使用回裝中塊焦炭的影響
3.1 高爐日常順行影響
高爐煉鐵原燃料質量的變化， 尤其是焦炭質量的變化，對高爐生產的影響是巨大的［3］。 隨著中塊焦比提高，2 號高爐順行狀態出現明顯變化。2018 年 8~12 月高爐風量、透氣性、風壓、壓差變化趨勢分別如圖 2 所示。
由圖 2 可以看出，隨著高爐中塊焦比增加，高爐風量由 8 月下旬的 6 300 m3 /min 左右銳減到12 月初的 6 000 m3 /min 左右，風量逐漸萎縮；風壓由390 kPa 升高至 400 kPa 左右，且后期由于爐況穩定性差，氣流存在竄氣現象，風壓波動加大，穩定性變差； 透氣性指數由 38 降低到 36 左右；壓差由 8 月下旬的 165 kPa 左右升高到 11 月初的 176 kPa，盡管高爐主動采取降低壓差操作，但由于氣流穩定性差，壓差依然波動較大。 后期高爐還出現利用率波動較大，爐溫不受控，操作上熱量上下浮動大，撤風溫操作增多，風口燒壞頻次增加等現象。
小塊焦在高爐下部大量粉化使下部透氣性和透液性顯著惡化，是高爐風壓和壓差升高、整體透氣性下降的主要原因［4］。 中塊焦粒度小，反應能力強，布入中心的中塊焦炭在中心氣流的作用下，自身反應速度非常快， 到達爐缸時粒度已經減小到非常小的程度，相對大塊焦炭，中塊焦炭進入爐缸會使爐芯焦的平均粒度減小， 惡化爐芯焦的透氣透液能力，弱化爐缸活躍程度，影響中心氣流穩定性，從而出現高爐不接受風量，順行變差的現象。
焦炭質量劣化導致爐芯焦的透氣透液能力下降，直接影響到爐缸內渣鐵排放工作；中塊焦比提高一段時間后，對鐵口的影響開始顯現，出鐵時鐵口出現噴濺大、出鐵過程鐵口出現卡焦、出鐵時間變短現象。 高爐高比例使用中塊焦炭后，全天出鐵次數由 7~8 次增加到 9~10 次， 有效出鐵時間由22.5 h 減少到了 21.5 h，爐溫波動大，兩場出鐵偏差大。
3.2 對休送風的影響
高爐高比例使用中塊焦炭后休送風情況如表 3所示。 生產中發現，高爐 3 次休風恢復時都出現了一些共同現象， 如休風前順行狀態不佳， 氣流發悶，燃耗低；送風后透氣性指數逐步降低到 30 以下，中心氣流通道打不開，邊緣氣流波動，容易出現急返熱現象，下料差，頻繁崩滑料，休風恢復嚴重超時等。 從工業實踐角度來看，高比例使用中塊焦炭對休風后送風恢復的影響最為顯著。
由于高比例使用中塊焦炭后， 進入高爐中心的中塊焦炭量增加，造成爐芯焦的粒度變小，爐缸活性變差。 當休風時爐缸焦炭徹底坐下來后顆粒間空隙收縮，渣鐵液運動停滯，爐缸活躍性降至最低，高爐送風前期，風量少、動能低，氣流很難一下突破透氣透液性變差的爐芯焦，中心氣流打不開，透氣性持續降低，氣流被迫流向邊緣，造成壁體波動、水溫差上升。 同時軟熔帶根部上移，下料失去支撐，崩滑料頻繁，整體上形成類似爐缸局部冶煉的效果，爐溫出現急返熱的現象。 隨著中塊焦比的提高，風口燒壞的現象也變得較為突出，高爐被迫短期內連續休風更換壞風口。
4 改進措施及實踐效果
4.1 合理匹配上下部調劑，保障高爐穩定順行
大量中塊焦炭入爐， 導致高爐順行出現一系列不好的變化，本質原因是爐缸活性降低，爐芯死料柱透氣、透液能力降低。 因此，操作方面要以活躍爐缸為目的進行上下部調劑。 上部調劑要建立“以風為綱”的操作理念，以活躍爐缸為目的的操作思路，強調中心加焦占比，發展中心氣流，穩定邊緣熱負荷；下部調劑采取縮小風口面積，增加鼓風動能，適當降低煤比，減輕焦炭負荷等措施。
4.2 組織好爐前渣鐵排放
針對鐵口出現的問題，加強爐前出鐵組織，使用更抗噴濺的無水炮泥，合理調整打泥量，保證鐵口深度在 3.3~3.6 m 之間，適當縮小鉆頭，保證有效出鐵時間不低于 22.5 h，渣鐵排放及時，避免出現爐缸憋壓現象，為爐況盡早改善創造了條件。
4.3 采取小焦布料制度， 避免中塊焦炭布入高爐中心
為了避免中塊焦炭布入中心，高爐采取了小焦布料制度（C 大塊中心），即將原本應該布入中心的中塊焦量用大塊焦炭代替，單獨使用中心加焦料制進行布料，在布料程序中使用單獨指針；同時將大塊焦炭和中塊焦炭分批入爐，中塊焦批使用非中心加焦料制布料，在布料程序中使用單獨指針，大塊焦炭單獨采用中心加焦的料制布料，在布料程序中使用單獨指針。 為了維持爐頂料面的穩定，根據大塊焦、中塊焦、小焦、礦石等礦批在爐頂形成的料面厚度，使用不同的料線控制翻料。高爐高比例使用中塊焦炭時期高爐布料制度如表 4 所示。
4.4 改善休風料結構，保障中心氣流通道
針對高比例使用中塊焦炭后， 高爐休風恢復困難、嚴重超時的問題，從改善爐缸活躍狀態，即提高透氣透液能力上著手。 短期休風時，提高入爐焦比，降低休風料焦炭負荷 6%，休風前 3~4 h 把兩罐焦炭布入中心， 保證送風后中心通道容易打開；控制休風前熱量使用，根據爐況提前 4 h 減少或停止噴煤， 保證休風前 0.3%~0.4%左右的爐溫水平。 長期休風時,只需要根據實際情況調整休風料焦炭負荷和布入中心罐焦數量即可。
采取上述改進措施后，在高爐使用中塊焦比為90 kg/t 的情況下，高爐順行依然維持較好狀態，風量穩定在 6 200 m3 /min 左右， 透氣性指數穩定在 36 左右，風量風壓逐漸平穩，鐵口狀態得到有效改善，全天出鐵有效時間平均達到 22.5 h，高爐休風后恢復過程也變得順利， 中心氣流得到充分保障，未再出現恢復困難現象，高爐逐漸適應了高比例使用中塊焦炭的生產，生產穩定順行。
5 結語
由于高比例使用中塊焦炭會導致焦炭實際入爐粒度下降，且中塊焦炭的比表面積大，反應能力強，進入爐缸會惡化爐芯焦的透氣透液性，鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司 2 號高爐在嘗試高比例使用中塊焦炭生產初期，高爐日常順行、爐前出鐵和休送風均受到了影響。 通過采取合理匹配上下部調劑、組織好爐前渣鐵排放、小焦布料制度以及改善休風料結構等措施， 在后期使用 90 kg/t中塊焦比的情況下， 高爐依然維持了較好的順行狀態，休風后送風恢復也未出現超時現象，高爐逐漸適應了高比例使用中塊焦炭的生產， 實現了穩定順行。
參考文獻
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