臧向陽  羅力

（日照鋼鐵控股集團有限公司）

摘  要:本文從經濟爐型的設計理念出發，改變國內傳統高爐爐型設計中存在的高徑比過大、對原燃料條件要求高等典型問題，明確大型高爐經濟冶煉爐型設計的基本原則及理念。通過日鋼3000m³高爐經濟爐型設計實踐成果總結，為大型高爐經濟爐型的設計及應用指明方向。

關鍵詞：經濟爐型； 3000m³高爐；高徑比；煤氣停留時間

1 前言

高爐煉鐵生產實踐總結出了“高產、優質、低耗、長壽”的“八字”方針。在現時期“高產”改成了“高效”，增加了“環保”，成為了“十字”方針^[1]。隨著鋼鐵行業成本意識的提升，高爐大型化與優質資源不斷減少矛盾突出，其中對高效的理解，已經不再是追求高爐利用系數的提高，而是產能與成本的平衡，即經濟煉鐵。高爐設計之初必須結合自身原燃料條件，在降低高爐冶煉對原燃料條件依賴程度的同時，以經濟指標的優化為目標。日照鋼鐵根據國家和山東省規劃，對落后產能進行減量置換，新建3000m³高爐及其輔助設施。根據目前原燃料條件和技術經驗總結，本著爐型設計即經濟爐型的原則，創新性地對各系統先進技術進行集成應用。高爐開爐投產以來，采用低成本運行模式,爐況長期穩定順行，取得了很好的效果，為大型高爐經濟爐型的設計及應用提供了成功典范。

2 經濟爐型的設計

傳統的爐型設計參數，是以大量的統計數據分析得出各尺寸之間的關系，并定型，為新的高爐設計提供指導，其中較大的缺陷就是未能有效地指出改進方向及邏輯。所謂經濟爐型設計就是在確保合適的煤氣爐內停留時間的同時，降低高爐有效高度，降低爐內煤氣流速，從而放寬高爐對原燃料質量的要求達到低成本經濟煉鐵的目的^[2]。經濟爐型的設計方向要抓住ΔP和τ兩個基本要素，由歐根方程簡化公式有：

式（1）中ω為煤氣流速，可由（2）式表示：

式中ΔP-壓差，kPa；H-料層高度，m；k-系數；VB-煤氣量，m³/min；D-爐腰直徑，m。

2.1 高徑比

由式（1）（2）可以看出，ΔP與D4成反比，D的微小變化會引起ΔP的大幅變化。高爐的高徑比由H/D表示，高爐的矮胖重點在胖，不在矮，即重點是擴大橫向的直徑D。根據卡曼阻力損失方程和歐根公式可知[3]，爐料所受阻力與高爐的有效高度成反比關系。適當降低高爐有效高度H，可以減少高爐對原燃料質量的高要求。

2.2 Vu/A

為了直觀分析Vu/A與τ（煤氣停留時間）的關系，工作容積設定為有效容積的84%，則有下式：

式（3）中Vu-高爐有效容積，m³；-孔隙度，取值0.36；A-爐缸斷面積，㎡；XBG-爐腹煤氣量指數，m/min .㎡；-爐缸以上區域煤氣溫度平均值，℃；P0-標準大氣壓，0.1Mpa；爐內爐缸以上區域煤氣壓力平均值，MPa。從式（3）中可以得出，煤氣爐內停留時間取決于4個參數，其中Vu/A為設計中確定的值，XBG、為生產中確定的操作參數。當爐腹煤氣指數確定后，選定Vu/A，τ就基本確定了。合適的τ，既保證爐內氣體還原充分，又不會浪費爐容，降低生產效率。

2.3 爐身角（β）與爐腹角（α）

爐身角79º-83º,d1/D=0.6-0.7。β角大邊緣氣流抑制，β角小邊緣氣流發展。β角小于76º邊緣氣流不受控制。爐腹角72º-76º，D/d=1.20-1.30。生產過程中，通過調整風口深入爐內長度，可以調整有效爐腹角，正常運行在70º左右。

2.4 爐缸形狀系數

h/d≥0.45向瘦高發展。深爐缸，有利于保證回旋區在高度上有寬松空間，不受渣鐵排放影響。瘦爐缸，有利于在較低風速、動能條件下，保證活化區比例的提高。

3 經濟爐型的應用

3.1主要設計指標

根據日鋼生產操作經驗和同級別高爐的主要技術指標，結合日鋼現有的原燃料條件，確定高爐的主要設計指標見表1。

3.2 日鋼3000m³高爐爐型設計

經濟爐型設計的優化就是適應經濟原料的操作爐型，實現經濟煉鐵。日鋼3000m³高爐爐型設計優化的重點在于三個方面：①擴大爐腰直徑，適當降低高爐有效高度H，降低大型高爐對原燃料質量的高要求；②縮小爐腹角，從下部控制邊緣氣流，延長爐腹、爐腰、爐身下部冷卻壁的壽命；③增加爐缸h/d，通過渣鐵自身重力，提高爐缸自清潔能力，活躍爐缸，降低對焦炭熱態冶金性能的要求。

日鋼3000m³高爐在國內同級別高爐爐型尺寸對比中具有：最大爐喉、最矮爐身、最小爐腹角、最高爐腹、最高爐缸、最小爐缸直徑等鮮明特點。

3.3 配套創新技術

3.3.1 新型并罐無料鐘爐頂裝料技術

采用PW新型并罐無料鐘爐頂裝料設備，采用方型布料溜槽。

3.3.2 礦焦槽合并布置技術

三座高爐礦焦槽合并布置，不設中間斗。設焦丁、小礦回收設施，振動篩采用新型自清理環保篩。

3.3.3 高風溫技術

每座高爐配備三座改進型頂燃式熱風爐。熱風爐燒爐采用高爐煤氣，空氣預熱采用板式換熱器，送風平均溫度≥1250℃，熱風爐熱效率達85%以上，同時配套熱風爐煙氣干法脫硫技術。

3.3.4電動鼓風機和脫濕及調濕鼓風技術

3座高爐配置4套電動全靜葉可調軸流鼓風機，風機型號均為AV90-16，3用1備，除備機外每臺鼓風機設有1臺脫濕器，3臺脫濕器由鼓風站外的制冷站提供冷凍水，同步設置有加濕裝置，具備高爐鼓風脫濕及調濕功能。

3.3.5 軟水密閉循環技術

爐體采用全鑄鐵冷卻壁結構和軟水密閉循環系統，爐底至爐喉共設16段冷卻壁，冷卻壁比表面積≥1.1，單管水流速≥2.3m/s，一次供水進口溫度≤40℃。

3.3.6配套噴煤系統

配置一套噴煤系統供3座高爐噴煤，設計煤比170kg/tFe，煤粉制備系統設備能力≥70t/h。同時設置3座原煤筒倉，便于配煤和穩定噴吹煤粉質量。

3.3.7爐缸整體澆注技術

爐底爐缸耐材采用碳磚+澆注料方案。爐底爐缸耐材除碳磚外進行整體澆筑，分為錯臺式澆注，在爐缸底部采用抗侵蝕高爐爐底專利技術^[4]，對鐵口導管區域進行泥包噴注，有利于開爐時鐵口的穩定和深度。

3.3.8其他配套技術

煤氣回收系統采用重力除塵器+干法布袋除塵工藝，配套TRT發電系統，配套設置爐頂均壓煤氣全回收系統，煤氣經除塵器除塵凈化后通入低壓煤氣管網。每座高爐設置2套獨立的爐渣處理設施，采用轉鼓法水渣工藝。

4 經濟爐型的應用效果

日鋼N3#新建3000m³高爐2023年投產使用，高爐設置4個鐵口，30個風口總面積為0.4138 m²。開爐采用20個風口送風，送風面積0.2748 m²。開爐送風15min后風口全亮；通過高爐開爐快速引煤氣專利技術^[5]進行快速引煤氣，加快開爐進程，送風13h5min出第一爐鐵。開爐第4天產量達到7500t/d，操作燃料比降低至510kg/t，高爐順利開爐并快速達產達效。正常爐況的標志是：煤氣流分布合理穩定，下料均勻順暢，爐溫充沛穩定，爐缸工作均勻活躍。N3#高爐開爐后爐況穩定，利用系數穩定在2.520以上，燃料比503Kg/t左右，達成預期目標。高爐爐況的穩定主要有上下部制度的匹配、原始爐型的合理設計、操作爐型的精細維護、熱制度的穩定影響。

4.1煤氣利用率的提高

高爐煤氣利用率的穩定間接反應高爐煤氣流分布合理、上下部制度匹配。一定條件下，高冶煉強度必然導致煤氣停留時間縮短，也是制約煤氣利用率提高的關鍵因素，生產中需要根據爐型設計控制適宜的爐腹煤氣量指數，達到最佳的經濟冶煉效果。日鋼N3#高爐經濟原燃料條件下控制爐腹煤氣量指數70-72m/min 左右，煤氣停留時間5.5-6s，取得了良好的經濟冶煉效果，燃料比穩定在503Kg/t左右。

4.2 經濟冶煉的壓差

高爐爐內煤氣流分布情況由高爐壓差直接反應。壓差過高，高爐爐缸與爐頂煤氣流壓力梯度大，爐料下降阻力增加，高爐效率下降，利用系數降低，嚴重時高爐順行受破壞。N3#高爐經濟冶煉條件下入爐品位56.2-57.9%，渣比360Kg/tFe左右，全壓差穩定在168Kpa的較低水平（表4），為強化冶煉及噴煤比提高提供條件。軟熔帶是高爐內部壓力損失最大的區域，達到高爐總壓損的60%以上。研究表明軟熔帶壓差是原礦石層的8.5倍，煤氣流經軟熔帶的阻力損失與軟熔層徑向寬度、焦炭層厚度、層數、孔隙度等有關^[6]，N3#高爐經濟冶煉的低壓差與爐型的矮胖設計有直接關系。高爐爐渣黏度為鐵水黏度的39-45倍，軟熔帶以下至風口帶區域受低品位、高鋁礦的影響，壓力損失也必然升高，N3#高爐在低品位高渣鐵比條件下，爐身下部壓差穩定在117KPa左右，說明經濟爐型擴大爐腰直徑，可降低大型高爐對原料的高要求。

4.3 操作爐型的維護

N3#高爐采用薄壁爐襯，全冷卻壁結構，磚襯合一，開爐投產即預期的經濟操作爐型。高爐操作爐型的維護采用角差、焦丁和小礦布料檔位等進行微調。通過壁體溫度趨勢、全爐熱負荷等測量數據進行監控。根據生產經驗總結，維持軟熔帶壁體溫度不低于50℃，允許局部小面積渣皮脫落，可以維持穩定的經濟爐型，且利于冷卻設備維護。

4.4 爐缸的活躍

經濟冶煉采用經濟原燃料，N3#高爐原料采用60%高堿度燒結礦+25%低堿度燒結礦+15%塊礦的結構；焦炭結構采用25%頂裝干熄焦+75%搗鼓干熄焦；經濟原燃料的使用導致渣中鋁長期維持在17%左右，在操作煤比保持165kg/t，外購焦炭質量波動大的條件下，保證爐缸活躍是爐況穩定、高產低耗的前提條件。N3#高爐通過上下部制度的配合調整，氣流分布合理，爐缸均勻活躍。爐缸活躍的本質是爐缸各區域焦炭空隙度的問題，從焦炭運動的角度，爐缸狀態可由活化區比例判斷，日本經驗活化區水平投影面積占比n=50%為最佳。爐缸活化區比例n可由下式計算：

式（4）中d-爐缸直徑，m；L-風口回旋區的深度，m。風口回旋區深度L可由下式來計算[6]

式（5）中Ek-鼓風動能，kg·m/s；PCI-噴煤量，t/h；N-風口個數。日鋼經濟冶煉條件下，高爐風速控制235-245m/s，鼓風動能控制105-115kJ/s。測算風口回旋區深度及爐缸活化區比例見表5。實際計算n值在0.55-0.59之間，通過料面形狀掃描，平臺占爐喉半徑約1/3Rd，布料平臺和爐缸活化區是相對應的，說明爐缸活躍、上下部制度相匹配。

5 結論

（1）理論指導實踐，改變傳統爐型設計思路，爐型矮胖，爐缸瘦高；從設計上為高爐經濟煉鐵創造條件。（2）創新采用低高徑比設計，Vu/A設計控制在30左右，配合薄壁爐襯的使用，內型爐腹角69-70º。經濟冶煉爐型匹配上下部制度調整，邊緣氣流得到有效控制，操作爐型穩定。（3）經濟煉鐵使用經濟料，下部參數控制采用較大進風面積，較低的風速、動能。在消耗高鋁經濟礦、高比例搗固焦的原燃料條件下，實現爐缸均勻活躍，高爐爐況長期穩定順行。（4）大礦批、厚焦層，配合原燃料前沿管理，原料分級、混礦入爐，中心加焦，出鐵過程監控等技術，兩股氣流分布合理，在經濟原料的條件下實現較低壓差，冶煉強度滿足工序需求，燃料比穩定在較低水平。（5）日鋼大型高爐從理論設計到實踐應用，實現3000m³級大型高爐經濟原燃料條件下的“高效”“低耗”運行，同級別高爐同口徑鐵成本領先約80元/噸鐵。在落實高爐煉鐵生產“十字”方針的基礎上，推動煉鐵技術進步。

6 參考文獻

[1] 項鐘庸 王筱留等.高爐設計[M]. 冶金工業出版社，2009: 8～9.

[2] 臧向陽 呂定建.大型高爐經濟爐型設計的探討 [J]. 煉鐵，2012，31（3）：58～62.

[3] 鄧守強.高爐煉鐵技術[M]. 冶金工業出版社，1990: 105～113.

[4] 羅力.一種抗侵蝕高爐爐底結構[P].中國專利：CN219314972U，2023.07.07.

[5] 羅力.一種高爐開爐快速引煤氣的工藝方法[P].中國專利：CN115820955A，2023.03.21.

[6] 王筱留.高爐生產知識問答（第2版）[M].北京：冶金工業出版社，2011：136～152.