高焦丁比與礦石混裝降低高爐燃料比研究

車玉滿，郭天永，孫鵬，姚碩，姜喆

（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

隨著鋼鐵行業(yè)競爭加劇，為降低高爐生產(chǎn)成本，高爐噴吹煤種和煉焦煤種中廉價煤配比逐漸增加，因而提高焦炭質(zhì)量更加困難，采取改變焦炭粒度組成、小粒度焦炭與礦石混裝入爐等措施，充分發(fā)揮大粒度焦炭“骨架”作用，用小粒度焦炭改善礦石層透氣性和替代大粒度焦炭參與熔損反應(yīng)，對于改善煤氣利用率和降低高爐燃料消耗會帶來一定益處。

歐洲、日本及其他國家和地區(qū)高爐焦丁比存在較大區(qū)別，從10～20 kg/t到70～100 kg/t不等。20世紀(jì)末，日本新日鐵君津2號高爐和4號高爐曾經(jīng)將7～20 mm焦丁混到礦石中，歷時8個月實驗證明，焦丁與礦石混裝起到改善煤氣利用率和料柱透氣性的作用，焦丁的置換比達(dá)1.19［1-2］。蒂森克虜伯公司高爐長期采用焦丁與礦石混裝技術(shù)，即把10～35 mm焦丁與礦石混裝，焦丁比在61.9～85.5 kg/t之間，高爐長期穩(wěn)定順行，燃料比穩(wěn)定在 500 kg/t以下［2］。2004年，寶鋼曾開展提高焦丁比工業(yè)試驗，焦丁比由20 kg/t提高到60 kg/t，入爐焦比下降到 273 kg/t［3］。

2011年之前，鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠5 號高爐（2580 m3）燃料比為 598 kg/t，比國內(nèi)先進(jìn)水平（530 kg/t）高68 kg/t。在目前原燃料條件不可能得到根本性改善情況下,從2012年下半年開始，在實驗室初步實驗和模擬計算基礎(chǔ)上，鞍鋼5號高爐采取擴(kuò)大焦丁用量并與礦石混裝入爐措施，即將焦槽篩孔直徑從25 mm擴(kuò)大到30 mm，適當(dāng)增加焦丁量，焦丁比達(dá)到長期月平均70 kg/t以上，短期達(dá)到月平均80 kg/t以上，通過近2年試驗，高爐入爐焦比和燃料比大幅度下降。

1 焦丁與礦石混裝模擬實驗和模擬計算

焦丁混裝即把小粒度焦炭（焦丁）裝入礦石層中，與礦石混合后裝入高爐。一般情況下，焦丁比根據(jù)高爐焦槽下10～25 mm小粒度焦炭篩出量確定，如果想擴(kuò)大焦丁用量，同時要保證焦丁最佳使用效果，則需要重新調(diào)整粒度上限，保證焦丁粒度組成與燒結(jié)礦相近，與礦石混裝入爐后有利于提高礦石空隙度。焦丁與礦石混裝入爐后，料層“焦窗”增大，同時由于焦丁粒度比大塊焦炭粒度小，在高溫區(qū)域容易氣化，優(yōu)先參與熔損反應(yīng)，減少大塊焦參與熔損反應(yīng)比例，增大死料柱焦炭平均粒度，降低軟融帶壓差，改善料柱透氣性。焦丁與礦石混裝入爐后，焦丁與礦石直接接觸，焦丁發(fā)生熔損產(chǎn)生的CO快速與礦石發(fā)生還原反應(yīng)，提高間接還原速度，減少焦炭粉末進(jìn)入爐缸比例，提高爐缸活躍程度［4］。

1.1 鞍鋼5號高爐各種爐料基礎(chǔ)參數(shù)

（1）各種爐料粒度組成

焦丁與礦石混裝主要是利用焦丁粒度組成與燒結(jié)礦相近特點，有利于提高爐料間空隙度，改善礦石層透氣性。為掌握鞍鋼5號高爐焦槽焦篩孔由25 mm擴(kuò)大到30 mm后的焦丁與燒結(jié)礦粒度，分別測試4組焦丁和燒結(jié)礦粒度組成，測試結(jié)果表明，焦丁平均粒度為20.9 mm、燒結(jié)礦平均粒度為20.1 mm，二者粒度十分接近。

（2）焦丁與礦石混裝低溫區(qū)（塊狀帶）空隙度

礦石中配加焦丁主要目的之一是改善礦狀帶透氣性，常溫狀態(tài)下爐料空隙度基本能代表塊狀帶行為。為掌握不同焦丁配比改善爐料透氣性效果，采用固定容器，以水作為爐料空隙填充介質(zhì)，測試混合爐料空隙度。由于燒結(jié)礦和焦丁均為多孔結(jié)構(gòu)，球團(tuán)細(xì)微密閉，在采用水作為爐料填充介質(zhì)時，為防止水填充燒結(jié)礦和焦丁內(nèi)部孔隙，影響混合爐料空隙度準(zhǔn)確性，測試前需要把燒結(jié)礦和焦丁浸入水中48 h，保證燒結(jié)礦和焦丁孔隙內(nèi)充滿水，即燒結(jié)礦和焦丁處于飽和狀態(tài)。當(dāng)水達(dá)到飽和狀態(tài)后取出一定量燒結(jié)礦和焦丁，用濕布擦拭焦丁和燒結(jié)礦表面，不能用干布擦拭，防止干布吸收燒結(jié)礦和焦丁表面水分，確認(rèn)燒結(jié)礦和焦丁表面無水后，把焦丁放入托盤內(nèi)，與固定配比燒結(jié)礦和球團(tuán)礦充分混合。

礦石結(jié)構(gòu)為70%燒結(jié)礦+30%球團(tuán)礦，焦丁配比分別為 0、30、60、90 和 120 kg/t（干基），測試不同焦丁比混合爐料空隙度見表1。70%燒結(jié)礦+30%球團(tuán)爐料空隙度為0.43,當(dāng)焦丁配比30 kg/t時混合爐料空隙度可以提高到0.45；焦丁配比60 kg/t時，混合爐料空隙度可以提高到0.50，之后再增加焦丁配比，爐料空隙度不再增大。

表1 不同焦丁比混合爐料空隙度

（3）焦丁與礦石混裝高溫區(qū)（軟融區(qū)域）透氣性

礦石中配加焦丁另一個主要目的是改善高溫區(qū)透氣性。在高溫區(qū)礦石已經(jīng)軟化，形成軟融帶，該區(qū)域礦石透氣性非常差，大約是焦炭層1/20左右［5］，在高溫區(qū)焦丁基本還保持良好透氣性，對改善礦石軟融層透氣性起到良好作用。

利用實驗室高溫融滴爐，檢測爐料高溫軟熔區(qū)間、熔化開始溫度、滴落溫度和軟熔區(qū)間各種參數(shù)。礦石中焦丁配比分別為 0、30、50、70 和 90 kg/t，料層厚度保持60 mm恒定。

以焦丁配比0 kg/t作為基準(zhǔn)期，焦丁配比分別增加到30、50、70和90 kg/t后，壓差陡升時刻收縮率分別下降52%、27%、30%和34%,最大壓差收縮率分別下降1.6%、5.6%、10.1%和92%,熔融帶厚度分別減薄53%、29%、32%和35%，不同焦丁配比高溫區(qū)域各種性能指標(biāo)見表2。

表2 不同焦丁配比高溫區(qū)域各種性能指標(biāo)

各種檢測數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在礦石中配加焦丁后，能夠反映高溫區(qū)域料柱透氣性的壓差陡升時刻收縮率、最大壓差收縮率和熔融帶厚度三個重要參數(shù)都得到改善，但改善程度存在差異，例如，焦丁配比30 kg/t時，料層壓差陡升時刻收縮率下降52%，之后隨著焦丁配比增加，料層壓差陡升時刻收縮率下降幅度均小于該值。隨著焦丁比增加，最大壓差收縮率下降幅度逐漸增加，焦丁配比為90 kg/t時，最大壓差收縮率下降92%，效果非常顯著。焦丁配比30 kg/t時，融帶厚度減薄53%，之后隨著焦丁配比增加，融帶厚度減薄效果均小于該值。

1.2 焦丁與礦石混裝改善透氣性模擬計算

（1）模擬計算方法

高爐透氣性主要由塊狀帶、軟融帶阻力損失所決定，其中軟融帶阻力損失最大。由于高爐內(nèi)料柱與透氣性相關(guān)各種參數(shù)都無法直接檢測，應(yīng)用計算機技術(shù)對高爐內(nèi)的料柱透氣性進(jìn)行模擬計算，分析礦石中混裝焦丁后塊狀帶、礦石軟融帶透氣性變化。

高爐料柱透氣性計算基于Ergun方程［6］，以爐料粒徑、形狀系數(shù)、料層厚度等參數(shù)作為基本輸入?yún)?shù)，計算方程如下：

式中，Δp為料層壓力損失，Pa；L為料層厚度,m；μf為煤氣黏度，Pa.s；vg為煤氣流速,m/s；ε為料層空隙度，無量綱；ρf為煤氣密度,kg/m3；φp為爐料形狀系數(shù)，無量綱；dp為爐料平均粒度,m。

（2）焦丁與礦石混裝改善塊狀帶透氣性模擬計算

改善塊狀帶料柱透氣性，相當(dāng)于改善煤氣流三次分布，雖然沒有改善軟融帶透氣性作用大，但對于改善高爐順行也會起到積極作用。礦石層配加不同焦丁混合層壓差曲線見圖1。模擬計算結(jié)果表明，礦石中配加焦丁后，混合層壓差明顯降低，透氣性得到明顯改善，焦丁配比為30 kg/t時，壓差下降29%；焦丁配比超過50 kg/t時，壓差下降49%，以后再增加焦丁配比，礦石混合層壓差將不再下降，因此，對于改善礦石層透氣性而言，焦丁合適配比為50 kg/t。

（3）焦丁與礦石混裝改善軟融帶透氣性模擬計算

礦石軟融層壓差損失占總壓差50%以上，在礦石軟融層內(nèi)，隨著礦石軟化，料層體積開始逐漸收縮，料層空隙度在不斷下降，料柱透氣性也開始逐漸變差。

根據(jù)首鋼高爐解剖資料，在軟融區(qū)間大致分布7～8 層礦石和 7～8 層焦炭［5］，溫度從上至下逐漸升高，礦石層透氣性逐漸變差。

模擬計算結(jié)果表明，在950～1 250℃溫度區(qū)間，由于礦石軟化程度逐漸加大，在無焦丁時，軟融第1層～第3層壓差變化不大，基本保持在800～890 Pa/m范圍內(nèi)，從第4層開始壓差迅速增加到1 478 Pa/m，第7層增加到2 775 Pa/m，幾乎增大3倍。

當(dāng)焦丁配比為30 kg/t時，軟融第1～3層壓差下降到320～360 Pa/m范圍內(nèi)，從第4層開始壓差下降596 Pa/m，第7層下降1 119 Pa/m，其它各層壓差也得到不同程度下降。

當(dāng)焦丁配比為50 kg/t時，軟融第1～3層壓差下降590～650 Pa/m范圍內(nèi)，從第4層開始壓差下降1 087 Pa/m，第7層下降2 041 Pa/m，其它各層壓差也得到不同程度下降。

當(dāng)焦丁配比為70 kg/t時，軟融第1～3層壓差下降680～750 Pa/m范圍內(nèi)，從第4層開始壓差下降1 250 Pa/m，第7層下降2 346 Pa/m，其它各層壓差也得到不同程度下降。

模擬計算表明，對于降低高溫區(qū)礦石軟化層壓差、改善透氣性效果而言，隨著焦丁配比增加效果逐漸加大，尤其是焦丁配比達(dá)到50 kg/t后，各礦石軟化層壓差下降幅度最大，改善透氣性效果最為顯著。焦丁配比達(dá)到70 kg/t時，礦石軟化層壓差下降幅度也非常明顯，但幅度已經(jīng)減小。配加不同焦丁礦石軟融層壓差曲線見圖2。

2 高焦丁比與礦石混裝工業(yè)試驗效果

2011年鞍鋼5號高爐燃料比為598 kg/t，比國內(nèi)同類型先進(jìn)水平（530 kg/t）高68 kg/t,在目前原燃料條件不可能得到根本性改善情況下，通過采取擴(kuò)大焦丁用量并與礦石混裝措施，改善料柱透氣性、保證高爐順行，提高煤氣利用率、降低高爐燃料比。

2012年適當(dāng)提高焦丁比，配比基本穩(wěn)定在50～60 kg/t之間，平均 56 kg/t，比 2011 年提高 8 kg/t，燃料比下降到589 kg/t，下降9 kg/t。2013年1～9月，逐漸增加焦丁用量，焦丁最大用量月平均達(dá)到84 kg/t，同時適當(dāng)調(diào)整布料制度，改善煤氣流分布。在試驗期間由于爐缸側(cè)壁溫度高，高爐不得不階段性人為降低冶煉強度，使用釩鈦球團(tuán)護(hù)爐。為此，將試驗劃分為二個階段，一是低冶煉強度，使用釩鈦球團(tuán)護(hù)爐階段；二是高爐正常冶煉階段。

2.1 低冶煉強度、使用釩鈦球團(tuán)護(hù)爐階段試驗效果

由于采用釩鈦礦護(hù)爐，為提高護(hù)爐效果，高爐人為降低冶煉強度，堵爐缸內(nèi)襯溫度高的上部風(fēng)口，日產(chǎn)量控制在4 200～4 400 t/d。

當(dāng)焦丁比提高到平均69 kg/t時，比基準(zhǔn)期上升21 kg/t,焦比下降11 kg/t，燃料比下降17 kg/t。在該階段［Si］含量由0.395%提高到0.578%，提高0.183%；熱風(fēng)溫度由1 208℃下降到1 190℃，下降 18℃；煤比由 174 kg/t降低到 157 kg/t，下降17 kg/t。試驗效果顯示，扣除其它因素影響后，焦丁與大塊焦炭相對置換比達(dá)到1.10。

當(dāng)焦丁比提高到平均83 kg/t時，比基準(zhǔn)期上升35 kg/t,焦比下降32 kg/t，燃料比下降12 kg/t。在該階段［Si］含量由0.395%提高到0.549%，提高0.154%；熱風(fēng)溫度由1 208℃下降到1 184℃，下降 24℃；煤比由 174 kg/t降低到 159 kg/t，下降15 kg/t。試驗效果顯示，扣除其它因素影響后，焦丁與大塊焦炭相對置換比達(dá)到1.03。鞍鋼5高爐低冶煉強度時期不同焦丁配比試驗效果見表3。

表3 鞍鋼5號高爐低冶煉強度時期不同焦丁配比試驗效果

2.2 正常生產(chǎn)階段試驗效果

當(dāng)焦丁比提高到平均64 kg/t時，比基準(zhǔn)期上升16 kg/t,焦比下降22 kg/t，燃料比下降36 kg/t。在該階段［Si］含量由0.395%提高到0.505%，提高0.110%；熱風(fēng)溫度由1 208℃下降到1 196℃，下降12 ℃；煤比由 174 kg/t降低到 153 kg/t，下降 21 kg/t。試驗效果顯示，扣除其它因素影響后，焦丁與大塊焦炭相對置換比達(dá)到1.48。

當(dāng)焦丁比提高到平均84 kg/t時，比基準(zhǔn)期上升36 kg/t,焦比下降39 kg/t，燃料比下降44 kg/t。在該階段［Si］含量由0.395%提高到0.428%，提高0.033%；熱風(fēng)溫度由1 208℃下降到1 194℃，下降 14℃；煤比由 174 kg/t降低到 133 kg/t，下降41 kg/t，原燃料條件基本不變。試驗效果顯示，焦丁與大塊焦炭相對置換比達(dá)到1.48。鞍鋼5號高爐正常生產(chǎn)時期不同焦丁配比試驗效果見表4。

表4 鞍鋼5高爐正常生產(chǎn)時期不同焦丁配比試驗效果

3 結(jié)論

采用焦丁與礦石混裝，既可以減少高爐返焦量，節(jié)省大塊焦炭用量，降低生產(chǎn)成本，同時又可以發(fā)揮焦丁粒度組成與燒結(jié)礦相近特點，改善礦石在塊狀帶和軟融帶透氣性，為高爐穩(wěn)定順行提供保障。

實驗室模擬實驗表明，礦石層中焦丁配比達(dá)到60 kg/t時，礦石空隙度可以提高到0.50；礦石層中配加焦丁后高溫區(qū)域壓差陡升時刻收縮率、最大壓差收縮率和熔融帶厚度都得到改善，焦丁配比在50～70 kg/t之間效果最佳。

鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠5號高爐工業(yè)試驗結(jié)果表明，隨著焦丁比的提高，高爐焦比和燃料比都得到了大幅度下降，焦丁置換比保持在1.0以上。

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