水鋼提高2500 m3高爐煤氣利用率的生產實踐

陳黔湘，周奇榮，龍國榮，高長益

(1.首鋼水城鋼鐵(集團)有限責任公司制造管理部，貴州 六盤水 553028；2.首鋼水城鋼鐵(集團)有限責任公司能源事業部，貴州 六盤水 553028)

目前，水鋼有3#和4#兩座高爐生產，3#、4#高爐的投產時間分別是2004年9月、2011年3月，公稱容積分別是1350 m3、2500 m3，日產量分別為3950 t、6310 t，兩座高爐年產生鐵共369萬噸。在2016～2017年，水鋼針對4#高爐，開展了提高煤氣利用率的生產實踐。對高爐的操作制度進行優化，尤其是合理送風參數的選擇，包括選用合適的風口面積、風量、風溫、富氧率等參數，控制適宜的爐腹煤氣量，并根據爐況變化對這些參數進行調節，以達到穩定爐況和改善煤氣利用的目的[1]。

1 水鋼高爐操作制度分析

1.1 裝料制度分析

水鋼4#高爐布料采用倒同裝，料線深度基本為1.3 m，礦批為46～49 t，焦批為9～10.5 t。2016年1～10月，水鋼4#高爐具體裝料制度見表1及圖1所示。

表1 2016年1～10月水鋼4#高爐平均礦焦批重及煤氣利用系數

圖1 2016年1～10月水鋼4#高爐平均礦焦批重及煤氣利用系數

一般來說，增大焦炭負荷，有利于提高煤氣利用率。這是因為焦炭負荷為礦石重與焦炭重的比值，焦炭負荷越大，礦石重相對較大，有利于煤氣熱能與化學能的交換，提高煤氣利用率。但從表1及圖1可以看出，焦炭負荷大，高爐煤氣利用率有時還會降低，這是因為高爐煤氣利用率還與其它因素有關。例如，4月份和10月份焦炭負荷較大，特別是10月份，而煤氣利用率反而較低。這是因為4月份礦石僅布了4個角度，且角度較大、變化較小，礦石主要集中在爐墻與高爐中心之間，導致邊緣與中心氣流過度發展，不利于煤氣利用率的提高。10月份焦炭布料角度為34°～20°，邊緣和中心焦炭偏少，不利于邊緣和中心氣流發展，同樣阻礙煤氣利用率的提高。3月份焦炭布料角度為34.5°～16.5°，礦石角度為34°～26°，角度較為合理，能夠合理地發展邊緣與中心氣流，因此煤氣利用率較高。

因此，根據以上分析，針對水鋼現有原燃料條件，應使用較高的焦炭負荷，即提高礦批重量，并使用擴大的焦炭布料角度間距(選擇38°～15°的布料角度)，且礦石應分為5個布料角度，以便合理發展邊緣與中心氣流，提高煤氣利用率。

1.2 送風制度分析

水鋼4#高爐風口大小分布為：120 mm直徑22個，130 mm直徑8個，風口面積為0.355 m2。2016年1～10月，水鋼4#高爐送風制度參數見表2及圖2所示。

表2 2016年1～10月水鋼4#高爐送風制度參數

圖2 2016年1～10月水鋼4#高爐送風制度參數

由表2及圖2可知，水鋼4#高爐風量、風速和鼓風動能變化趨勢相同。鼓風風量越大，則風速與鼓風動能越大。反之，鼓風風量越小，風速與鼓風動能也越小。鼓風動能與煤氣利用率的關系見圖3所示。

圖3 2016年1～10月水鋼4#高爐各月份平均鼓風動能及煤氣利用系數

水鋼4#高爐的理論鼓風動能應在92.12～98 kJ·s-1之間，而鼓風風量與風口面積對鼓風動能影響較大，擁有合理的鼓風動能的同時，要有合理的風量與風口面積[2]。圖4所示為統計國內外139座不同容積高爐所使用的風量，并加以擬合，得到鼓風風量與高爐容積的公式，見式(1)。

Q=615.84+1.41L

(1)

式中：Q─ 鼓風風量，m3/min；L─高爐容積，m3。

由式(1)計算可知，水鋼4#高爐理論鼓風風量為4140.84 m3/min。由于鼓風濕度及富氧影響，風量應略大于該值。但是水鋼4#高爐鼓風風量為4600～4950 m3/min，鼓風風量明顯偏大。雖然較大的鼓風風量可以提高產量，但是過高的高爐風量，給高爐冶煉帶來了嚴重的困難：(1)在原燃料質量變差的情況下，依然追求高風量，焦炭沒有足夠的透氣性，壓差迅速增大，管道行程大量出現，爐況波動頻繁；(2)焦比升高，煤氣利用率偏低。因此，4#高爐應適當降低鼓風風量，保證高爐順行。

圖4 高爐容積與風量的關系

由于4#高爐爐缸直徑為10.9 m左右，在風量減小的條件下，需要更高的鼓風動能來吹透中心，那么就需要縮小風口面積[3-4]，加快中心死焦堆中焦炭的燃燒，減少死焦堆的焦炭數量，減小渣鐵流動阻力，同時提高爐缸中心熱量，從而提高死焦堆中滯留渣鐵的溫度和流動性，加快渣鐵流入爐缸的速度，改善整個爐缸的熱交換條件，有效提高爐缸活性。

風口面積計算公式見式(2)[5]。

(2)

式中：S—每個風口的平均面積，m2；t—送風溫度，℃；p—送風壓力，MPa；n—風口個數；E—鼓風動能,kJ·s-1；K—每晝夜燃燒的燃料量，t/d。

水鋼4#高爐的送風壓力400 kPa，鼓風動能98 kJ·s-1，風口個數30個，每晝夜燃燒的燃料量2200 t/d，送風溫度1200 ℃，則根據式(2)可計算出合適的風口面積為：

S總=n·S=30×0.01086=0.3259 (m2)

目前，水鋼4#高爐風口大小分布為：120 mm直徑22個，130 mm直徑8個，風口面積為0.355 m2，與計算值相比偏大，應逐步減少130 mm直徑風口的個數為4個左右，以便減小風口面積。

1.3 熱制度分析

冶煉過程中控制充足而穩定的爐溫是保證高爐穩定順行、生產優質鐵水的基本前提，爐溫過高或過低都會導致爐況不順，如管道、崩懸料等，這都與爐缸工作狀態有關，而熱制度直接反映高爐爐缸的工作狀態。在高爐日常生產中熱制度通常用鐵水[Si]和鐵水溫度表示。表3及圖5為水鋼4#高爐2016年1～10月份各月份平均技術指標。

表3 2016年1～10月份水鋼4#高爐技術參數

圖5 水鋼4#高爐2016年1～10月各月份平均技術指標趨勢圖

由表3及圖5可以看出，理論燃燒溫度越高，則鐵水溫度與鐵水中[Si]含量越高。這是因為高溫是由燃料在風口燃燒帶內熱風流股中燃燒達到的，理論燃燒溫度是它理論上所能達到的最高溫度水平，是燃料燃燒過程中放出熱量的反映，理論燃燒溫度越高表示熱量越充足。而且硅全部是直接還原，爐缸熱量越充足，越有利于硅的還原，生鐵中含硅量就高，所以生鐵含硅量的高低，在一定條件下可以表示爐缸熱量的高低。但鐵水中[S]含量與之相反。因為脫硫為吸熱反應，需消耗大量熱量，需要高溫，鐵水溫度降低不利于脫硫反應進行。同時，鐵水溫度下降，爐渣粘度增加，流動性變差，降低硫在渣中的傳質速度。

2 水鋼高爐操作制度的優化

通過冷態模型物理實驗與Fluent模擬相結合，并在充分分析水鋼4#高爐現有操作制度的基礎上，對水鋼4#高爐裝料制度、送風制度及熱制度等操作制度進行改進，優化高爐操作制度，提高煤氣利用率，降低燃料比。

2.1 裝料制度優化

由冷態物理模型實驗和Fluent模擬，分析水鋼裝料制度可知，水鋼2500 m3高爐礦石批重應增加至50 t左右，焦批10 t左右比較適宜；增大焦炭最大布料角度，減小最小布料角度，并增加最小角度布料環數，以便合理發展邊緣與中心兩股氣流；縮小礦石環帶角度差幅度，防止由于布料過程中礦石的滾動效應，即環帶的礦石滾到中心，影響中心煤氣流的穩定，同時形成更合理的礦石帶和礦石層厚度。因此，優化后裝料制度見表4所示。

表4 優化前后水鋼4#高爐裝料制度對比

2.2 送風制度優化

合理的送風制度不僅是保持爐缸活性良好的前提條件，更是高爐操作者調節爐況的重要手段之一。2016年水鋼4#高爐風量為4800～5000 m3/min，風速為244～260 m/s，風溫為1100～1220 ℃，風壓390～400 kPa，鼓風動能93.1～117.6 kJ·s-1。

由實驗可知，當鼓風風量大于4900 m3/min時，通過料層氣流的流速明顯變緩，表明料層透氣性變差。在原料透氣性條件較差情況下，壓差迅速增大，極易出現大量管道行程，危害高爐冶煉的順利進行。

通過分析水鋼高爐鼓風參數及理論計算可知，理論鼓風動能應在92.12～98 kJ·s-1，理論鼓風風量為4140.84 m3/min，理論風口面積為0.3259 m2。考慮到鼓風濕度、富氧及噴吹煤粉等因素影響，實際生產值可大于理論計算值。因此，優化后水鋼4#高爐送風制度參數見表5所示。同時減少風量后，應增用長風口以確保鼓風動能發展中心氣流。并且為保證高爐冶煉強度不降低，應提高富氧率。

表5 優化前后水鋼4#高爐送風制度對比

3 優化操作制度后的煤氣利用率

根據原燃料條件，優化裝料制度與送風制度，實現合理的煤氣流分布，提高煤氣利用率，降低生產成本，是高爐生產上的核心技術。通過建立的煤氣流模型，計算出不同優化操作制度后煤氣利用率，結果見表6所示。

由表6可以看出優化后的操作制度，煤氣利用率分別為47.06%、47.85%、48.91%、50.02%，比優化前實際生產指標提高3%～5%。但是根據水鋼4#高爐操作參數，應使用優化2或優化3方案，減小風量至4650 m3/min左右，風口面積減小到0.343 m2，即將130 mm直徑風口減少為2～4個。

表7為2017年1月至7月水鋼4#高爐生產相關數據。

表6 不同優化操作制度的煤氣利用率

表7 2017年1～7月水鋼4#高爐生產數據

由表7可知，1、2、3月份雖然礦批大于48 t，但是鼓風風量也偏大(大于4800 m3/min)，且焦炭最大布料角度僅為35°，邊緣焦炭偏少，無法較好地發展邊緣氣流。特別是1月份焦炭最大布料角度僅為32°，導致邊緣焦炭偏少，而中心焦炭偏多，邊緣與中心氣流發展均不合理，導致煤氣利用率僅為41.96%。4～7月份雖然減小了風量，但是風口面積并未減小，導致鼓風動能偏小，無法吹透中心，中心氣流不夠活躍，致使煤氣利用率不夠高；而且礦批批重也減少至46 t左右，進一步降低煤氣的利用率。因此，通過單一調節裝料制度或送風制度無法獲得較為理想的煤氣流分布，合理發展邊緣與中心兩股氣流，提高煤氣利用率。需要合理的上部裝料制度與下部送風制度相結合，才能夠獲得較好的煤氣流分布，提高煤氣利用率，降低生產成本。

圖6為 4#高爐2016、2017年每月煤氣利用率對比圖。由圖6可以看出，4號高爐2017年煤氣利用率在45%～47%范圍時所占天數大于2016年各月份所占天數，但是2017年煤氣利用率波動較大，2016年各月份煤氣利用率較為穩定。這是因為2017年4#高爐布料與送風制度有所改變，特別是風量較2016有所降低。而且這三種參數不是同步合理的改變，處于一種探索期。但是煤氣利用率在45%～47%所占天數有所提高，表明風量的降低與布料角度的改變有利于提高煤氣利用率。

圖6 4#高爐2016、2017年每月煤氣利用率

4 結語

通過對水鋼2500 m3的4#高爐的操作制度的優化，改善了高爐煤氣分布，提高了煤氣利用率，得出如下結論。

(1)水鋼4#高爐布料采用倒同裝，料線深度基本為1.3 m，礦批為46～49 t，焦批為9～10.5 t。焦炭負荷越大，則高爐煤氣利用率越高。針對水鋼已有原燃料條件，應使用較高的焦炭負荷，即提高礦批至50 t，并擴大焦炭布料角度間距(選擇38°～15°的布料角度)，且礦石應分為5個布料角度，以便合理發展邊緣與中心氣流，提高煤氣利用率。

(2)水鋼4#高爐風量為4800～5000 m3/min，風速為244～260 m/s，風溫為1100～1220 ℃，風壓390～400 kPa，鼓風動能93.1～117.6 kJ·s-1。根據理論計算可知，理論鼓風動能應在92.12～98 kJ·s-1，理論鼓風風量為4140.84 m3/min，理論風口面積為0.3259 m2較為合理。水鋼4#高爐鼓風參數應適當減小。考慮到鼓風濕度、富氧及噴吹煤粉的影響，鼓風參數可以略大于理論值。同時減少風量后，應增用長風口以確保鼓風動能發展中心氣流。并且為保證高爐冶煉強度不降低，應逐步提高富氧率至3.6 %左右。