大型高爐布料參數對煤氣流的影響

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(1.東北大學冶金學院，沈陽110819；2.山西太鋼不銹股份有限公司煉鐵廠，太原030003)

裝料制度是高爐操作中一個重要的組成部分，主要是通過爐料裝入順序、裝入方法、料線、批重、焦炭負荷、布料方式、布料溜槽傾動角度、圈數的變化等調整爐料在爐內的分布，以達到煤氣流合理分布的目的，是高爐穩定、順行、低耗、高效的關鍵環節[1,2].裝料制度與爐況參數存在著內在的緊密聯系，高爐布料仿真模型是裝料制度與爐況參數的紐帶，可以通過布料仿真模型計算得出不同裝料制度下的布料參數，再與爐況參數進行數據對比分析，得出兩者之間的關系[3-6].

1 高爐布料仿真模型介紹

本文將利用高爐布料仿真模型對高爐布料參數與煤氣流參數進行分析.布料仿真模型以無料鐘布料過程中物料運動機理為基礎，改進了料流軌跡的修正方法，對料面形狀計算方法進行了創新，利用高爐開爐實際測量數據對模型參數進行修正和驗證，結合生產實踐需求進行布料仿真計算[3].

2 布料模式與布料參數調整方式

由于高爐的冶煉條件各不相同，尤其是原燃料質量和穩定性差異很大，高爐操作者需結合高爐自身條件不斷優化裝料制度，以達到最佳的冶煉效果.高爐布料模式種類雜多，主要分為平臺+漏斗模式和中心加焦模式，本文將分別對這兩種布料模式進行研究，兩種模式的基準布料矩陣如表1所示.

其他布料參數采用相同值：料線1.5 m，焦批23.5 t，礦批112.0 t，焦丁批1.0 t，球團比例28%.

表1 平臺+漏斗模式和中心加焦模式的布料矩陣參數Table 1 Charging matrix parameters of platform-funnel mode and central coke charging mode

當調整布料參數時，高爐操作者主要調整料線、布料角度、圈數.正常情況下每次調劑幅度如下：料線10%～50%，布料角度2.5%～5.0%，布料圈數1～2圈.現場生產的高爐操作者在調整布料參數時通常以經驗為主，缺乏量化分析，經常出現調整不足或調整過量現象，導致爐況調整不及時、不準確，引起氣流分布不合理，尤其當爐況不順時，嚴重影響高爐恢復進度.如何能更加準確地調整布料參數，是迫切需要解決的問題.

本文選取了高爐操作中常見的布料參數調整方式進行研究，如表2所示.

表2 高爐操作中常見的布料參數調整方式Table 2 Common adjustment methods of charging parameters in BF operation

3 布料參數與爐況參數回歸分析

與高爐布料參數相關程度高，且對高爐爐況影響較大的煤氣流參數有：透氣性、熱負荷和邊緣氣流.通常用K值表征透氣性，代表高爐整體的壓量關系；熱負荷代表高爐爐身煤氣流分布；爐喉鋼磚溫度表征邊緣氣流強弱，是高爐煤氣流控制的重要指標[8-9].

首先，對高爐參數進行數據整理、篩選，在選取數據時，為了更真實的反映高爐運行參數，剔除了休風、慢風、外圍導致減風、護爐期間、原燃料明顯變差時的數據；其次，利用Minitab軟件對高爐布料參數、操作控制參數與K值、熱負荷、爐喉鋼磚溫度(分別用K、Q、T表示)進行多元線性回歸分析；最終得到回歸方程式(1～3)：

K=11.8+0.0679×R3+0.0635×R7+
0.0640×R8+0.307×R9-0.232×R10+
0.103×LCC+0.183×LOE-0.116×LOM+
0.0465×q爐腹/TP+0.000287×BV-
14.7×S風口-0.00693×CSR-0.0220×V風

(1)

其中，R-Sq=95.2%，R-Sq(調整)=95.2%(擬合度在70%～90%時回歸分析的結果是可以接受的，擬合度大于90%表明回歸式可靠度很高[10]).

Q=4638-4300×R3-2955×R7+3542×R8-
7927×R9-10865×R10+9721×LCM+1302×LCC+
7296×LOM-13718×LOC+32684×S風口+
8432×ω球團-3.49×P+6.00×q爐腹+
170×q爐腹/TP-104×CP+19.8×Tf-
596×M40+4341×H料線

(2)

其中，R-Sq=76.2%，R-Sq(調整)=75.8%.

T=250-45.9×R3-48.7×R7-53.7×R8-
56.0×R9-69.1×R10-106×LCE+
58.4×LCM+39.1×LCC+62.4×LOE+
58.8×LOM-43.7×LOC

(3)

其中，R-Sq=87.6%，R-Sq(調整)=87.4%.

假設除布料參數外其他參數為常數，整理后得到如下回歸關系式：

K=2.3+0.0679×R3+0.0635×R7+
0.0640×R8+0.307×R9-0.232×R10+
0.103×LCC+0.183×LOE-0.116×LOM

(4)

Q=23000-4300×R3-2955×R7+3542×R8-
7927×R9-10865×R10+9721×LCM+1302×LCC+
7296×LOM-13718×LOC+4341×H料線

(5)

其中，R1～R10為徑向等距離10等分后的區域焦炭負荷指數，其中R3、R7～R10與煤氣流參數相關；LCE為焦炭邊緣落點，LCM為焦炭中間落點，LCC為焦炭中心落點，LOE為礦石邊緣落點，LOM為礦石中間落點，LOC為礦石中心落點，m；q爐腹為標狀下爐腹煤氣量，Nm3/min；TP為頂壓，kPa；BV為標狀下風量，Nm3/min；S風口為風口面積，m2；CSR為焦炭反應后強度；V風為風速m/s；ω球團為球團礦比例，%；p為每天下料批數，批/d；Tf為理論燃燒溫度，℃；M40為焦炭冷態強度；H料線為料線深度，m.

4 布料參數對高爐煤氣流的影響及分析

將不同編號的布料矩陣輸入布料仿真模型，輸出結果如表3和4所示.

將布料模型計算結果帶入公式(3～5)，假設送風參數不變，可得出不同編號布料條件下的K、Q、T；依次計算不同布料參數的布料仿真結果與基準參數的布料仿真結果的變化率，然后將變化率進行數據標準化處理，結果如表5和6所示.

區域焦炭負荷指數變化率標準化方法：依次計算不同編號下的Ri(1≤i≤10)與基準布料矩陣下Ri差值的絕對值，取其平均值，除以基準布料矩陣下R1～R10平均值；爐料落點變化率標準化方法：依次計算不同編號下焦炭和礦石的邊緣落點、中間落點、中心落點與基準布料矩陣下對應落點差值的絕對值，取其平均值，除以基準布料矩陣下各落點的平均值；K值變化率的標準化方法：依次計算不同編號下K值與基準布料矩陣下K值差值的絕對值，除以基準布料矩陣下的K值；熱負荷和鋼磚溫度的變化率以此類推；所有數據標準化即歸一化后，為了與標準化前的數據比較，統一轉換為百分數.

將表5和6中的計算結果進行整理、排序，重點分析不同布料參數調整方式對各參數影響較大的項目，依據變化率大小排序如表7和8所示.

由表7和8可知，調整礦石內檔圈數對區域焦炭負荷、平臺+漏斗模式的熱負荷、中心加焦模式的K值影響較大；調整料線對爐料落點、鋼磚溫度、平臺+漏斗模式的K值、中心加焦模式的熱負荷影響較大；調整所有礦石角度對區域負荷、鋼磚溫度影響較大.從上述分析可以看出，不同的布料參數調整方式對各項參數的影響各異，高爐操作者需結合高爐實際運行效果和高爐自身的主要矛盾進行綜合分析，以達到操作參數最優化.結合表5和6計算結果，將區域負荷、爐料落點、K、Q、T五個維度的變化率等權加權排序(即取各編號下數據標準后的區域負荷、爐料落點、K、Q、T變化率的平均值，然后進行排序)，得出不同布料模式下布料參數調整方式對高爐總體影響排序，如表9所示.

表4 中心加焦模式下布料仿真模型計算結果Table 4 Calculation results of the charging model under central coke charging mode

表5 平臺+漏斗模式下布料參數變化時煤氣流參數變化率Table 5 The change ratio of gas flow parameters when charging parameters changes under platform-funnel mode

表6 中心加焦模式下布料參數變化時煤氣流參數變化率Table 6 The change ratio of gas flow parameters when charging parameters changes under central coke charging mode

表7 平臺+漏斗模式下布料參數調整方式對煤氣流參數影響排序Table 7 Influence sequence of charging parameters on gas flow parameters under platform-funnel mode

表8 中心加焦模式下布料參數調整方式對煤氣流參數影響排序Table 7 Influence sequence of charging parameters on gas flow parameters under central coke charging mode

表9 不同布料模式下布料參數調整方式對高爐總體影響排序Table 9 Overall effect of the adjustment methods on BF under different charging modes

由表9可知，當料線調整超過30%時(0.45 m)對爐況影響大，料線的變化直接導致爐料落點變化，料線變深后落點距爐墻距離減小，平臺減小、漏斗增大，礦石落點位置會對焦炭造成推移，落點位置還有小顆粒爐料偏析現象，這些都會抑制邊緣氣流，要引起高爐操作者的重視，嚴格制定、落實料線控制標準，避免料線隨意變化，更要杜絕長時間深料線作業.

調整礦石內檔圈數對爐況影響較大，同幅度調整內檔圈數比調整外檔圈數對爐況影響大；對于大型高爐而言，穩定且充沛的中心氣流至關重要，在爐況變差導致慢風操作，中心氣流減弱，K值升高時，及時調整礦石內檔圈數是關鍵.

所有礦石角度調整2.5%和所有焦炭角度調整2.5%對煤氣流影響較大，可分步調整，避免調整幅度過大；同步、同幅度調整焦、礦角度或圈數會減小對爐況的影響；對煤氣流影響較小，適合微調的布料參數調整方式有：料線調整10%、焦炭最內1檔角度調整5%、焦炭或礦石最外1檔調整1圈、焦、礦最外1檔同步調整1圈.

需要說明的是，上述結論系由太鋼6#高爐(4 350 m3)實際運行參數分析所得，主要適用于大型高爐且冶煉條件差別不大的高爐.

5 結 論

本文利用高爐布料仿真模型建立了區域焦炭負荷指數、爐料落點與煤氣流表征參數K值、熱負荷、爐喉鋼磚溫度的回歸方程.在平臺+漏斗和中心加焦兩種布料模式下，計算不同布料參數調整方式下區域焦炭負荷指數、爐料落點、K值、熱負荷、爐喉鋼磚溫度，與基準裝料制度相比的變化率，然后將變化率數據標準化處理后進行分析，得出以下結論：

(1)對煤氣流影響較大的布料參數調整方式有：礦石內檔圈數與平臺+漏斗模式下的熱負荷、中心加焦模式下的K值；料線與鋼磚溫度、平臺+漏斗模式下的K值、中心加焦模式下的熱負荷；所有礦石角度與鋼磚溫度；

(2)當料線調整超過0.45 m時對爐況影響大，在高爐操作過程中要嚴格制定、落實料線控制標準，避免料線隨意變化，更要杜絕長時間深料線作業；

(3)同幅度調整內檔圈數比調整外檔圈數對爐況影響大，在爐況變差導致慢風操作，中心氣流減弱，K值升高時，及時調整礦石內檔圈數是關鍵；與單向調整焦或礦參數相比，同步、同幅度調整焦、礦參數可以減小對煤氣流的影響；

(4)對煤氣流影響較小，適合微調的布料參數調整方式有：料線調整10%、焦炭最內1檔角度調整5%、焦炭或礦石最外1檔調整1圈、焦和礦最外1檔同步調整1圈.