高爐經濟爐料冶煉分析

錢 堃

（新余鋼鐵股份有限公司， 江西 新余 338000）

隨著鋼鐵事業的蓬勃發展，資源問題已然成為大生產的主要矛盾。直至今日，企業面臨著煉鐵所需鐵礦石和焦炭嚴重短缺的困境，價格高昂的原燃料難以收獲理想的回報，使得精料計劃很難實施。對此，國內外許多鋼鐵企業不斷嘗試經濟爐料冶煉，降低煉鐵成本，從而達到效益最大化。這對于高爐操作是個不小的考驗，在保證高爐長期穩定順行的同時，要不斷優化操作水平和思路，從而增強高爐的適應能力，做到效益最大化。本旨通過結合新鋼11號高爐（1 469 m3）的生產實踐，對高爐經濟爐料冶煉做了全面的分析[1]。

1 經濟爐料的特征

1.1 經濟爐料品種多、更換頻繁

新鋼公司采取經濟爐料冶煉后，礦石品種多樣，其中塊礦包括南非塊、云浮塊、海南塊、中磷鐵礦、紐曼澳礦等，這些礦石的成分和冶金性能各有差異（見表1），且品種更換頻繁，容易造成高爐軟熔帶的物理特性和化學性能發生改變，影響煤氣流分布，爐況穩定性變差。

表1 新鋼11號高爐塊礦主要成分及高溫冶金性能%

1.2 經濟爐料綜合品位低、渣比高

在使用經濟爐料期間，礦石的品位往往會比我們的預期低很多。新鋼公司自2010年起，在燒結礦配料結構中使用大量低價位、低品位的鐵礦資源，使燒結礦品位降低了近2.5個百分點，并且不斷減少進口礦的采購比例，增加國內周邊塊礦的使用量（比如海南塊、云浮塊等，周邊塊品位較低，僅有35%～46%之間）。從表2可以看出，高爐入爐品位呈下降趨勢且偏低，與同行業相比差距較大。這使得渣比不斷升高，嚴重影響了爐況順行和渣皮的穩定[2]。

表2 新鋼11號高爐入爐品位（Fe質量分數）及渣比情況

1.3 經濟爐料Al2O3偏高、轉鼓強度較差

以低價位鐵礦資源為配料生產出來的燒結礦，Al2O3含量往往會很高。據統計，新鋼公司在2011—2016年間，燒結礦中Al2O3的質量分數由2.0%提升至2.8%，轉鼓強度由80%降至74%～76%，低溫還原粉化指數由78%降至73%左右（見表3）。從表3中可以看出，m（Al2O3）/m（SiO2）?（0.1～0.35），這不利于燒結礦中鐵酸鈣的形成，易生成更多的玻璃質，使燒結礦強度和低溫還原粉化性能變差。不僅如此，高Al2O3爐渣冶煉，當爐溫控制偏低時，易引起爐渣黏稠，造成爐缸不活或堆積，使風量萎縮[3-4]。

表3 新鋼燒結礦的主要指標 %

1.4 經濟爐料入爐有害元素超標

經濟爐料中的有害元素主要指堿金屬和鋅，它們在爐內循環富集，對高爐危害極大。新鋼11號高爐入爐堿負荷、Zn負荷與國際標準（堿金屬負荷不超過3.0 kg/t，Zn負荷不超過0.15 kg/t）相比較高（見表4），這給高爐冶煉帶來了不小的影響。

表4 新鋼11號高爐歷年有害元素負荷 kg/t

例如堿金屬在爐料孔隙或爐襯縫隙中氧化沉積，則伴隨著碳素沉析引起的膨脹，會使料塊或磚襯破裂。焦炭吸收堿金屬后，可能會生成KC8和KC24等化合物，降低焦炭強度并使其反應性提高，促進碳素溶解反應的發展。高爐上升煤氣中，氣態鋅在高爐上部較低溫度區域內，冷凝成細小顆粒或再被氧化成ZnO，沉積于爐料孔隙中，使爐料透氣性變差，爐料下降困難，甚至造成懸料[5]。

2 適應經濟爐料的措施

2.1 控制合適的爐腹煤氣指數

爐腹煤氣指數的定義為單位爐缸面積上通過的爐腹煤氣量。一般認為，過低的煤氣流速將會導致高爐爐缸中心不活，死料柱增大和爐缸堆積；而過高的煤氣流速將會導致高爐內三相反應傳輸矛盾激化，煤氣流難以控制。經濟爐料冶煉，由于礦石品位低、Al2O3偏高，導致爐腹渣量大、爐腹渣黏度高；以及過量的堿金屬增強了焦炭的氣化反應能力，使焦炭在爐腹處的粒度及孔隙度下降，限制了爐腹煤氣指數的提升。當爐腹煤氣指數過高時，煤氣在爐內的流速急劇增加，在高爐下部易形成液泛，表現為下部壓差升高，整體風壓也顯著升高，嚴重時出現崩料或懸料，而在高爐上部，則易導致爐料的流態化，形成偏料或管道，風壓穩定性明顯變差。

在高爐操作上，通過控制風量、適當提高富氧率和爐頂壓力，將爐腹煤氣指數控制在一定范圍內，實現低燃料比生產。為了更好的適應當前生產需要，降低新鋼11號高爐爐腹煤氣指數，由之前的60～63調整為55～58。從爐頂成像可以看出，氣流亂串現象明顯減少，確保了高爐下料的穩定性以及料柱良好的透氣性。

2.2 合理運用“中心加焦”布料模式

適宜的中心加焦量是穩定煤氣流、提高煤氣利用率的關鍵。過大的中心加焦量容易導致死料柱肥大，不利于爐缸中渣鐵的運動；不僅如此，由于大量的焦炭加在中心，導致礦平臺區焦層較薄，礦焦比非常高，上升煤氣流難以與礦層中的礦充分接觸進行還原和預熱，使得軟熔帶增厚，透氣性變差，對高爐冶煉不利。而過小的中心加焦量則起不到穩定和疏導中心煤氣流的作用。

新鋼11號高爐采用“中心加焦”布料模式，當爐況適應能力強時，適當減少中心焦量，提高煤氣利用率；當爐況變差時，適當增加中心焦量，保持爐況順行，效果尤為顯著。為了更好地形成窄而有力的中心氣流，適時將礦帶向內環延伸，逐步縮小中心無礦區面積，增加中心區域渣鐵量，使渣鐵有機會從上部直接滴落至中心死區，逐步化開死焦堆。但隨著礦角的內縮，中心死焦堆尚未化開時，內移礦角會使煤氣流混亂。為此，采取先適當打開邊緣，再逐步向中心移礦角的做法，減少煤氣對中心透氣環區的過度依賴，以保障內縮礦角的實施。而其他幾座高爐采用“平臺+漏斗”的布料模式，中心氣流未能有效打開，邊緣氣流過于強勁，渣皮穩定性較差，且伴有崩料現象發生。高爐長期處于這種狀態，會由于鋅元素的循環富集導致爐墻結厚。由此看來，“中心加焦”布料模式更適合經濟爐料冶煉[6]。

2.3 低硅冶煉

使用經濟爐料期間，高爐抗波動的能力較差，當爐溫過高時，爐內煤氣體積增大，壓差升高，爐況順行變差。如果不采取任何措施，可能會造成崩料、懸料的發生；如果采取控氧、減風等方式保持爐況順行，勢必會造成高爐下料速度變慢，爐溫持續上行，以及長時間邊緣氣流過分發展的結果，易引起掉渣皮等一系列問題，同時由于爐溫上行，爐前出鐵時間變短，渣鐵出凈情況較差，導致爐缸不活。另外，爐溫控制偏高時，使得原燃料中的有害元素還原率提高，尤其是堿金屬化合物的還原。隨著[Si]含量的升高，生成的K、Na蒸汽就越多，料柱透氣性就越差，并且進入爐渣中的堿金屬化合物就越少，導致爐渣的排堿率下降。所以[Si]含量適當降低，有利于高爐順行，有利于排堿。

3 結語

1）經濟爐料能大幅度降低高爐的爐料結構成本，但爐況的操作難度較大，不利于操作爐型的維護。

2）當爐腹煤氣指數過低時，可通過增大風量提高爐腹煤氣量來增產；當爐腹煤氣指數過高時，可通過提高富氧率和爐頂壓力，降低燃料比和低硅冶煉來增產。

3）“中心加焦”與“平臺+漏斗”兩種布料模式的選擇，要根據高爐的原燃料條件決定。原燃料條件不太好的高爐，最好用“中心加焦”布料模式。

4）低硅冶煉有利于增強高爐的穩定性，有利于活躍爐缸，但原燃料質量波動較大時，要及時調整，避免爐溫連續低于下限。

[1]周傳典.高爐煉鐵生產技術手冊[M].北京：冶金工業出版社，2002：113.

[2]王筱留.煉鐵冶金學（煉鐵部分）[M].北京：冶金工業出版社，2000：127.

[3]項鐘庸，王筱留.高爐設計—煉鐵工藝設計理論與實踐[M].北京：冶金工業出版社，2007：166-168.

[4]孟令君，劉德樓，張小偉，等.濟鋼1 750 m3高爐經濟爐料冶煉實踐[J].煉鐵，2010，29（1）：11-13.

[5]衛繼剛.大型高爐合理爐腹煤氣量指數的控制及探討[J].鋼鐵，2012，47（3）：32-35.

[6]鄭玉平.首鋼京唐2號高爐適宜中心加焦量的探索[J].煉鐵，2016，35（4）：48-51.