宣鋼改善焦炭反應(yīng)性的研究與實(shí)踐

閆 軍

(河北鋼鐵集團(tuán)宣鋼煉鐵廠,河北 張家口075100)

焦炭反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度對(duì)高爐生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)的影響,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多研究成果。焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度對(duì)高爐的影響,研究結(jié)論比較一致,即反應(yīng)后強(qiáng)度越高,越有利于高爐順行。對(duì)焦炭反應(yīng)性的影響,研究結(jié)果有所不同,支持降低焦炭反應(yīng)性觀點(diǎn)的人認(rèn)為反應(yīng)性低意味著焦炭的開始?xì)饣瘻囟雀?有利于延長(zhǎng)鐵礦石的間接還原時(shí)間,提高間接還原度,降低焦比。有人研究統(tǒng)計(jì),焦炭反應(yīng)性每提高1%,焦比增高1kg/t,煤氣利用率降低0.5%。另外焦炭反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,反應(yīng)性降低可使反應(yīng)后強(qiáng)度提高,對(duì)高爐順行有利,因此這種觀點(diǎn)得到多數(shù)煉鐵專業(yè)人員的支持[1]。

另一種觀點(diǎn)是認(rèn)為適當(dāng)提高焦炭反應(yīng)性對(duì)高爐生產(chǎn)更有利。這種觀點(diǎn)最早由法國(guó)學(xué)者在上世紀(jì)80年代提出,認(rèn)為在高爐內(nèi)溫度的分布存在著一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)過程,即高爐內(nèi)熱量分布與直接還原和間接還原是相互制約、互成比例的,通常不會(huì)發(fā)生變化,使用高反應(yīng)焦炭效果不一定就不好。日本的學(xué)者研究認(rèn)為與傳統(tǒng)高爐相比,現(xiàn)代高爐爐身的工作效率已經(jīng)達(dá)到了很高水平,低反應(yīng)性焦炭對(duì)提高爐身工作效率的作用已經(jīng)非常有限,尤其是在當(dāng)前鐵礦石具有較好還原性的條件下,利用高反應(yīng)性焦炭完全可以取得較好的冶煉效果。

1 宣鋼自產(chǎn)焦炭提高反應(yīng)性的論證

1.1 自產(chǎn)焦炭質(zhì)量

從表1看出,2012—2017年期間,宣鋼自產(chǎn)焦炭主要質(zhì)量指標(biāo)是一個(gè)逐步改善的過程,其中灰份、硫份由2012年的13.49%、0.83%降低到2017年的12.84%、0.79%。M40、M10由2012年的84.10%、6.46%逐步改善為2017年的86.0%、6.3%。反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度由2012年的24.8%、64.3%逐步改善為2017年的22.17%、68.03%,目前的反應(yīng)后強(qiáng)度也是近五年最高的。

表1 歷年宣鋼自產(chǎn)焦炭質(zhì)量情況Table 1 Quality of self-produced coke in Xuansteel over the years

圖1 自產(chǎn)焦炭反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度變化趨勢(shì)Figure 1 Change trend of self-produced coke reactivity and post-reaction strength

圖2 自產(chǎn)焦炭反應(yīng)性與反應(yīng)后強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系Figure 2 Correlation between self-produced coke reactivity and post-reaction strength

從圖1、圖2看出,從2012年開始宣鋼自產(chǎn)焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度逐年升高,而反應(yīng)性逐年降低,焦炭質(zhì)量處于逐漸改善的過程,而且反應(yīng)性與反應(yīng)后強(qiáng)度也符合當(dāng)前常規(guī)生產(chǎn)方式下焦炭性能變化規(guī)律。

1.2 宣鋼自產(chǎn)焦炭質(zhì)量與高爐指標(biāo)的關(guān)系

以2500m3高爐指標(biāo)情況(見表2)為例說明。

從表2看出,近年來(lái)宣鋼1#、2#兩座2500m3高爐主要技術(shù)指標(biāo)總體上較差,入爐焦比和燃料比高,煤氣利用率和風(fēng)溫水平低。2015年入爐焦比和燃料比都處于最高水平,而同期的自產(chǎn)焦炭質(zhì)量呈逐步改善趨勢(shì),高爐主要燃耗指標(biāo)沒有隨燃料條件同步好轉(zhuǎn)。從幾項(xiàng)影響條件看,煤氣中CO2含量即煤氣利用率是高爐燃耗指標(biāo)的重要影響因素,二者的對(duì)應(yīng)變化見圖3。

表2 宣鋼2500 m3高爐指標(biāo)情況Table 2 Performance of Xuangang 2500 m3 blast furnace

圖3 2500 m3高爐燃料比與煤氣CO2含量對(duì)應(yīng)關(guān)系Figure 3 Correlation between Fuel Ratio and CO2 Content of Gas in 2500 m3 Blast Furnace

圖4 1#高爐煤氣中CO2與燃料比對(duì)應(yīng)關(guān)系Figure 4 1 Correlation of CO2 to fuel ratio in blast furnace gas

圖5 2#高爐煤氣中CO2與燃料比對(duì)應(yīng)關(guān)系Figure 5 2 Correlation of CO2 to fuel ratio in blast furnace gas

高爐煤氣CO2含量(表征煤氣利用率)與高爐燃耗呈現(xiàn)明顯的反向?qū)?yīng)關(guān)系,如圖4、圖5所示。2012年至2017年,由于1#高爐的爐況波動(dòng)和2#高爐開爐后的長(zhǎng)時(shí)間不穩(wěn)定,煤氣利用率持續(xù)降低,燃耗同步升高。2016年后兩座高爐逐步調(diào)整優(yōu)化上部裝料制度,取消中心注焦裝料模式,煤氣利用率得到明顯提高,爐況實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定順行,高爐燃耗大幅降低。

從上述對(duì)比可以看出,近幾年宣鋼自產(chǎn)焦炭質(zhì)量是在一個(gè)比較穩(wěn)定的基礎(chǔ)上逐步改善,而在這個(gè)過程中由于高爐爐況階段波動(dòng)、煤氣利用率偏低等因素影響導(dǎo)致高爐燃耗長(zhǎng)期居高不下,焦炭質(zhì)量改善對(duì)高爐產(chǎn)生的積極影響被弱化甚至消化了。

高爐所用焦炭在具備一定質(zhì)量水平時(shí),高爐操作對(duì)爐況穩(wěn)定和指標(biāo)優(yōu)劣具有更為重要的影響,而不必再進(jìn)一步追求過高的焦炭質(zhì)量。從近幾年指標(biāo)情況看,焦炭反應(yīng)性在22%-25%,反應(yīng)后強(qiáng)度在65%-68%都是可以保證高爐需要的。

2 提高焦炭反應(yīng)性可行性分析

根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)焦炭反應(yīng)性研究成果,重點(diǎn)從以下幾個(gè)方面對(duì)焦炭反應(yīng)性提高后的影響進(jìn)行分析。

2.1 對(duì)礦石還原的影響

隨著焦炭反應(yīng)性提高,含鐵爐料的還原度和金屬化率都逐漸提高,這說明反應(yīng)性高的焦炭能提升煤氣的還原勢(shì),促進(jìn)含鐵爐料的還原,提高爐料金屬化率,減少進(jìn)入軟融帶時(shí)爐料中的FeO含量,可以改善爐料的軟熔滴落性能。

2.2 對(duì)焦炭粒度的影響

溶損反應(yīng)是焦炭在中低溫區(qū)粒級(jí)減小的主要影響因素,高溫應(yīng)力和氣流沖刷是焦炭在高溫區(qū)粒級(jí)減小的主要影響因素,溶損反應(yīng)導(dǎo)致的焦炭粒級(jí)減小幅度要大于在高溫區(qū)的粒級(jí)減小幅度,因此焦炭的溶損反應(yīng)即反應(yīng)性是焦炭在高爐內(nèi)粒級(jí)降解的最主要影響因素。

2.3 對(duì)焦炭強(qiáng)度的影響

英國(guó)工業(yè)碳化研究所曾將不同地區(qū)不同變質(zhì)程度的60多種煉焦煤進(jìn)行混合搭配,分析生產(chǎn)出的焦炭反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度指標(biāo),找出了兩者之間良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。很多研究者和操作人員認(rèn)為焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度對(duì)高爐的影響更為重要,焦炭反應(yīng)性越高,勢(shì)必影響反應(yīng)后強(qiáng)度,因此要控制較低的焦炭反應(yīng)性,確保較高的反應(yīng)后強(qiáng)度[2]。

2013年9 月份參加大高爐年會(huì)時(shí),北科大許滿興教授也提出高爐中上部需要焦炭反應(yīng)性適當(dāng)高一些,而高爐下部需要反應(yīng)后強(qiáng)度適當(dāng)高一些,在目前的煉焦配煤方式下,達(dá)到這種效果比較困難。他認(rèn)為焦炭反應(yīng)性在23%～26%,反應(yīng)后強(qiáng)度在65%～67%是完全可以滿足2000～3000m3高爐生產(chǎn)的,在這個(gè)范圍內(nèi)反應(yīng)性可以控制上限,反應(yīng)后強(qiáng)度可以控制下限,這個(gè)控制范圍目前宣鋼自產(chǎn)焦炭是可以實(shí)現(xiàn)的。

3 結(jié)論

(1)在目前的檢測(cè)方式和焦炭配煤條件下,焦炭反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度確實(shí)存在負(fù)相關(guān)關(guān)系,即反應(yīng)性提高,反應(yīng)后強(qiáng)度降低。

(2)對(duì)于高爐生產(chǎn)來(lái)說,提高焦炭反應(yīng)性可以增強(qiáng)爐內(nèi)還原氣氛,擴(kuò)大間接還原,有利于提高爐料金屬化率,降低高爐燃料消耗。

(3)通過配加富鈣煤等添加劑可以生產(chǎn)出高反應(yīng)性和高反應(yīng)后強(qiáng)度的焦炭[3],日本在這方面研究比較早。但目前沒有在鋼鐵行業(yè)推廣。

(4)宣鋼在目前自產(chǎn)焦炭生產(chǎn)條件下,可以對(duì)2000m3高爐所用濕熄焦炭的反應(yīng)性按照23%～25%上限控制,反應(yīng)后強(qiáng)度按照65%～67%下限控制。