鞍鋼10號3 200 m3高爐合理鼓風動能的研究

姜　喆　車玉滿　郭天永 　姚　碩　孫　鵬　王傳榮

(1.鞍鋼股份有限公司技術中心，遼寧鞍山　114009；2.鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠，遼寧鞍山　114021)

合理的煤氣流分布是高爐穩定順行的基礎，直接影響著高爐的煤氣利用率和爐缸活躍程度[1]。高爐煤氣流的初始分布主要取決于鼓風動能[2]。保證合理的鼓風動能是貫徹鞍鋼煉鐵“安全長壽、指標優化、穩定順行”的重要技術保障。

1　合理鼓風動能的意義

高爐風口回旋區長度合適與否是判斷高爐下部送風制度是否合理的標準，只有風口回旋區的長度對應其高爐爐缸保持長短合適時，高爐才能穩定順行。長期的生產與理論實踐表明，高爐鼓風動能是影響高爐風口回旋區長短的最直接因素，鼓風動能越大，風口回旋區越長；反之，則回旋區長度越短[3]。每一座高爐都有一個適宜的風口回旋區長度范圍，即有一個適宜的鼓風動能大小范圍[4]，鼓風動能過大或過小都會造成高爐長期處于失常狀態，使任何調劑失去意義。鼓風動能過大則中心煤氣流越旺盛，容易造成邊緣堆積；鼓風動能過小則邊緣煤氣流越旺盛，容易造成中心堆積，爐缸不活躍。只有鼓風動能處于合理的范圍，高爐才能長期處于高產、低燃耗和低[S]的生產階段[5]。

2　鞍鋼10號3 200 m3高爐合理鼓風動能的控制

2.1　鞍鋼10號3 200 m3高爐合理鼓風動能的范圍

鞍鋼本部10號高爐容積3 200 m3，爐缸直徑為12.3 m。在投產初期，操作上處于摸索階段，末能充分認識到控制合理的鼓風動能對高爐冶煉的作用。高爐長期處于大風量和高風速操作，鼓風動能遠遠大于同容積高爐，造成爐缸中心過吹，爐況波動頻繁，煤氣利用率長期處于較低水平。從2015年末開始，在認識鼓風動能的重要性之后，高爐操作者開始有意識地將鼓風動能嚴格控制在一定范圍之內，在此范圍內，再根據富氧、噴煤、風溫和壓差等冶煉條件適度調整，最終取得了良好實效，使10號高爐的燃料比下降約20 kg/t。

10號高爐的鼓風動能與燃料比和平均日產量的關系如圖1所示。從圖中可以看出，當鼓風動能處于14 000～16 500 kg·m·s- 1范圍時，燃料消耗較低，高爐平均日產也處于較高水平。這是因為高爐熱風入爐后，在風口前與焦炭或煤粉發生化學反應，同時氣體膨脹做功，吹動風口前焦炭作回旋運動，在風口前產生風口回旋區，回旋區深度直接受鼓風動能影響。鼓風動能越大，則風口回旋區越長，風口回旋區長度必須與爐缸直徑相對應處于一個合理的范圍內，高爐的初始煤氣流分布才能合理，燃料消耗才能低，因此每個高爐都對應一個合理的鼓風動能范圍。當鼓風動能過高時，邊緣過重，中心過吹，中心煤氣流紊亂，煤氣利用率低；當鼓風動能過低時，邊緣發展，容易造成爐缸內部透氣和透液性差，爐缸中心堆積，煤氣利用率也不高，燃料比上升。由此，10號高爐適宜的鼓風動能范圍為14 000～16 500 kg·m·s- 1。

圖1　10號高爐鼓風動能與(a)燃料比和(b)平均日產的關系 Fig.1　Relationship among (a) fuel ratio and (b)daily production with blast kinetic energy for BF No.10

2.2　鞍鋼10號3 200 m3高爐合理鼓風動能的控制方法

為了確定3 200 m3高爐適宜的送風量，筆者引用了送風比的概念，送風比是高爐單位爐容的風量。提出送風比概念就是結合原燃料和冶煉條件，不同容積高爐選擇適合的風量。煉鐵人常說“大風治百病”，風量在高爐操作中起著非常重要的作用，直接影響下部送風制度，高爐只有送風比處于合理范圍，才能保證合理爐腹煤氣量和大小適當的回旋區，實現高爐穩定順行和指標優化。根據國內外高爐實際操作統計，大高爐送風比相對小高爐要低一些，3 000～5 000 m3高爐送風比一般處于1.4～1.6之間。根據鞍鋼10號3 200 m3高爐的生產實踐，高爐送風比與燃料比和產量的關系如圖2所示。從圖中可以看出，當10號高爐的送風比為1.35～1.40時，高爐燃料消耗最低，且平均日產也接近于較高階段。但該數據的相關性有些發散，說明高爐燃料比受諸多因素影響。當10號高爐的送風比在1.35～1.40時，燃料比基本都低于520 kg/t，說明控制送風比在1.35～1.40范圍內是適合10號高爐生產的最優工作范圍。10號高爐送風比和鼓風動能的對應關系如圖3所示，送風比在1.35～1.40時對應的鼓風動能范圍是14 000～16 500 kg·m·s-1。說明高爐冶煉時，應將鼓風動能控制在14 000～16 500 kg·m·s-1范圍內。得出這一規律后，通過減小風量，控制送風比在1.35～1.40范圍內，高爐的順行情況得到明顯改善。

圖2　10號高爐送風比與(a)燃料比和(b)平均日產之間的關系Fig.2　Relationship among (a) fuel ratio and (b) dairly production with blast volume ratio for BF No.10

圖3　10號高爐送風比與鼓風動能對應關系Fig.3　Relationship between blast kinetic energy and blast volume ratio for BF No.10

(2)控制合理的風口面積。鼓風動能與風口面積成反比，即風口面積越小，鼓風動能越大。通過調整風口面積改變鼓風動能是高爐操作中常用的技術措施。風口面積應與富氧、風溫、頂壓、原燃料條件、送風比、風量和爐型等冶煉條件相匹配。對鞍鋼10號3 200 m3高爐采取減小風量、控制送風比的操作后，對風口面積也做出了調整，保證在送風比一定的情況下，既吹透爐缸中心，又不過吹。從2015年初開始，逐步縮小10號高爐的風口面積，將原來φ130 mm和φ140 mm的風口逐步全部改為φ120 mm的風口，風口面積由0.44 m2以上縮小到0.39 m2。通過縮小風口面積，在一定程度上避免了送風比減小后鼓風動能的大幅下降。調整風口面積后，將鼓風動能控制在14 000～16 500 kg·m·s-1，取得了較好的實踐效果：風口明亮、渣鐵流動性改善、爐缸活躍、風口破損情況改善、燃料比也長期處于歷史較優水平，風口面積的調整過程如圖4所示。當風量一定時鼓風動能和風口面積的關系如圖5所示。計算過程中控制送風比為1.4，熱風溫度為1 200 ℃，風口面積由0.44 m2縮小為0.39 m2后，鼓風動能和風速分別控制到15 350 kg·m·s-1和320 m/s左右。10號高爐控制的風速和鼓風動能都較同容積的高爐大，屬于高風速操作。鞍鋼10號高爐的實踐證明,在保證高爐穩定順行的前提下，高風速操作可以提高高爐的“抵抗力”，即高爐抵抗各種異常爐況的能力，有利于提高鐵水質量。

圖4　10號高爐風口面積變化Fig.4　Change of tuyere area for BF No.10

圖5　10號高爐風口面積對風速和鼓風動能的影響Fig.5　Variation of blast kinetic energy and tuyere velocity with tuyere area for BF No.10

△U)(式中：q效表示爐料有效正壓力對需求鼓風動能的影響，爐料條件越好，該參數越大)，可以看出，原燃料條件越好，高爐所要求鼓風動能越大。2014年鞍鋼投產兩座7 m焦爐，逐步提高10號高爐所用焦炭的冶金性能，CRI和CSR指標顯著提高，分別達到25%以下和62%以上，原燃料條件的改善也為10號高爐接受高風速和高鼓風動能提供了條件。

3　結論

(1)通過鼓風動能與風口回旋區長度之間的關系，提出了合理鼓風動能的概念，即在保證高爐生產穩定順行的前提下，根據生產條件變化，鼓風動能應在一個合理的范圍內波動。

(2)鞍鋼10號3 200 m3高爐鼓風動能的合理范圍在14 000～16 500 kg·m·s- 1，此時高爐不僅燃料消耗低，利用系數也較高。

(3)論證了鞍鋼10號高爐鼓風動能受送風比、原燃料條件和風口面積等因素影響的具體原因及應所采取的應對措施，即控制送風比在1.35～1.40范圍內，縮小風口面積，提高原燃料條件等。

[1] 華建明,張龍來. 鼓風動能對高爐冶煉的影響及控制[J]. 煉鐵, 2005, 24(4):5- 7.

[2] 林淼鑫,王秀梅,鄭少波.高爐風口回旋區形狀和大小的三維數值模擬[J].上海金屬,2013,35(3):59- 62.

[3] 周傳典.高爐煉鐵生產技術手冊[M].北京：冶金工業出版社, 2008.

[4] 郭艷永,張賀順,陳川. 大型高爐合理鼓風動能的探討[J]. 煉鐵, 2016, 35(2):18- 22.

[5] 王超,宋文虎,徐飛.寶鋼2號高爐摸索合適鼓風動能實踐[J]. 上海金屬, 2013, 35(1):35- 39.

[6] 倪立,金明,張正好. 梅山高爐合適鼓風動能探索[J].煉鐵, 2003, 22(6):25- 27.