首鋼股份3號高爐爐缸活躍度量化研究

馬洪修，程洪全，于連成，羅德慶，王榮剛，林春山

(北京首鋼股份有限公司煉鐵作業部，河北唐山064404)

爐缸壽命決定了高爐一代爐役的長短，提高爐缸活躍度以保證爐缸長壽成為了當下一大研究課題。在爐缸活躍度量化方面有了較多的研究，煉鐵人員通過爐缸溫度與側壁溫度比值以及高爐爐缸渣鐵滯留量等角度研究了爐缸活躍度［1-5］。丁汝才等［2］將爐底熱電偶溫度與爐缸側壁熱電偶溫度進行直接做比。國外Shibaike等［6］給出了計算爐芯死料柱溫度的公式。部分學者用爐芯溫度及Kozeny-Car man方程來解釋高爐活躍度［7-10］。首鋼股份3號高爐自2010年投產以來，多次出現爐缸不活躍現象，而對爐缸活躍度的判斷基于現場外圍出鐵等情況，沒有定量化的標準。因此，有必要量化首鋼股份3號高爐爐缸活躍度，并明確活躍度指數與操作參數的關系，探析其影響因素，從而通過日常操作達到活躍爐缸的目的。

本文統計了首鋼股份3號高爐溫度比值趨勢(爐底中心溫度與爐缸側壁異常升溫處的溫度比值)，計算了爐缸活躍度指數，分析了爐缸活躍度指數與鼓風風量、風溫、噴煤量及鼓風動能之間的關系，明確了爐缸分區、分段活躍度趨勢及活躍度變差的原因，總結了提高爐缸活躍度的措施，為同等立級高爐操作提供一定的參考。

1 高爐爐缸活躍度參數取值及指數計算

1.1 高爐爐缸活躍度參數取值

首鋼股份3號高爐容積4000 m3，于2010年1月開爐，本文中側壁溫度取自鐵口中心線下方2.4 m處的第7層最內環熱電偶溫度，如圖1所示。爐芯溫度取值為高爐爐底中心熱電偶溫度。第7層內環與爐底中心熱電偶溫度能有效地反應熱量在側壁與爐底的分配。

圖1 首鋼股份3號高爐爐缸第七層熱電偶布置圖

1.2 高爐爐缸活躍度指數計算

爐缸活躍度表征為爐缸排出渣鐵的順利程度。首先從爐缸工作狀態的表征方面，發現了爐缸爐底中心熱電偶溫度與爐缸側壁熱電偶溫度之間的一般關系。丁汝才等［2］將爐底熱電偶溫度與爐缸側壁熱電偶溫度進行直接做比，提出了爐缸活躍度指數的概念，爐缸爐底溫度在一定程度上反應了爐缸熱量在爐缸中心死料柱的傳遞能力，也反應了鐵水爐渣在爐缸中心死料柱的滲透能力［7］。但不同高爐的爐缸結構及監測熱電偶位置不同，為了更準確地反應首鋼股份公司3號高爐爐缸內溫度場分布，定量分析活躍度，對首鋼股份3號高爐爐底中心溫度與側壁異常升溫點(圖1中紅色點)求比值，如式(1)。

式中：

TD——爐缸底部中心熱電偶溫度，℃；

TC——爐缸側壁內環熱電偶溫度(異常升溫點)，℃。

爐缸活躍度指數見圖2，TE31303及TE31304為1#出鐵口附近熱電偶；TE31294為2#出鐵口附近熱電偶；TE31296為3#出鐵口附近熱電偶；以上熱電偶歷史上均數次發生異常升溫現象，其均在鐵口夾角30°之間，這也符合爐缸鐵口下方鐵水流動規律。從圖2中可以看出，活躍度指數均在0.5～4.5之間，爐缸活躍度指數越高，則說明爐缸越活躍，反之，則活躍度越差。結合現場實際生產，明確了活躍度指數＜2.0為爐缸不活躍；2.0～2.5為爐缸較活躍；＞2.5為爐缸活躍。

圖2 爐缸活躍度指數

2 爐缸活躍度指數影響因素及階段分析

2.1 爐缸活躍度指數與操作參數關系分析

高爐日常操作對爐缸活躍度有著重大影響［11］，尤其下部調節、鼓風風量、風溫、煤量和鼓風動能，對下部死料柱透氣透液性影響更加明顯。另外，高爐鼓風動能作為綜合參數，通過影響回旋區深度，及保證高爐截面的合理分配，是保證爐缸活躍的前提［7］。通過統計高爐2018年11月1日至2019年11月1日之間的數據，將爐缸活躍度指數(TE31304點處)與高爐鼓風風量、風溫、噴煤量及鼓風動能做了相應對比，結果如圖3所示。

圖3 爐缸活躍度指數與操作參數之間的關系

圖3 (a)為活躍度指數與風量之間的關系圖，可見活躍度指數趨勢與風量趨勢呈現正相關，風量趨勢比活躍度指數趨勢較提前，當風量變化，活躍度指數隨之逐漸變化。這是因為鼓風風量越大，加之現在風口都有一定的向下傾斜，風量越大鼓風動能越大，越易吹透爐缸死料柱，則透氣透液性越好，活躍度指數越高。

圖3(b)為活躍度指數與煤粉量之間的關系圖，可見活躍度指數趨勢與煤粉量趨勢呈現正相關，但煤粉操作趨勢比活躍度指數趨勢有一定的延遲，這是因為噴煤量增加，雖然使爐內壓量關系偏緊，但是提高了爐內熱量，增加了鐵中［Si］含量，提高了爐溫，活躍了爐缸。另外，高爐是一個“黑匣子”，這致使高爐操作者對高爐判斷是有一定程度延遲的，因此提高操作經驗，發展高爐可視化技術，可進一步明確爐缸活躍度變化趨勢。

圖3(c)為活躍度指數與風溫之間的關系圖，活躍度指數與風溫有著正相關的關系，同樣風溫趨勢比活躍度指數有所提前。這是因為，提高風溫，增加理論燃燒溫度，可增加煤粉燃燒率，增加死料柱透氣透液性，提高活躍度，反之，降低活躍度。因此，風溫趨勢與爐缸活躍度趨勢有正相關，且風溫操作較活躍度指數變化趨勢較提前。

圖3(d)為活躍度指數與鼓風動能之間的關系圖，活躍度指數趨勢與鼓風動能趨勢密切相關，呈正相關，并且鼓風動能變化可提前影響高爐爐缸活躍度指數變化趨勢。這是因為合理鼓風動能和風量能夠保證中心及邊緣的合理分布，即一次煤氣分布，可保證整體的活躍度，避免邊緣堆積和中心堆積。高爐操作者應適當結合鼓風動能、風量、風溫及噴煤量，來判斷爐缸活躍度指數的趨勢變化，從而達到活躍爐缸，高爐長壽的目的。

2.2 爐缸活躍度指數區域及階段分析

首先，通過爐缸活躍度指數在三個鐵口的趨勢規律可以發現，爐缸活躍度指數在圓周上分布并不完全一致，從溫度上分析即為三個出鐵場附近很難出現同時異常升溫現象；從內部機理可以判斷為，三個出鐵場出現了爐缸活躍度不均的現象，因此日常操作中有必要將爐缸活躍度進行分區分析，首鋼股份3號高爐可將高爐爐缸分為4個區域，每個出鐵場分為一個區域。而區域之間的差異可能與并罐布料及風口距離熱風圍管總管的風量分配不均均有關系，具體情況需要進一步探析。

通過2013～2019年之間的爐缸活躍度指數數據分析，并結合現場實際經驗，可將爐缸活躍度指數變化分為三個階段。

第一階段：開爐至2013年為高爐爐缸初期階段，爐缸操作內型逐漸形成，小塊熱壓炭磚開爐初期均出現多次異常侵蝕現象，加鈦護爐后，爐缸則開始穩定，爐缸活躍度逐漸增加。

第二階段：2014年至2017年為常態化護爐階段，高爐初期熱電偶溫度控制住后，則高爐進入常態化護爐階段，高爐操作也進入穩定階段。常態化護爐的優勢：1)通過鈦平衡計算，增加爐缸內部鈦含量，可增加Ti(C，N)保護層的富集［12］。2)可維護爐門，降低爐門孔道出鐵中的沖刷，增加出鐵時間，及時出凈渣鐵。弊端：1)由于初期異常侵蝕是不可逆轉的，所形成的鈦保護層是需要鈦富集的，因此必須常態化護爐，增加了生產成本。2)為了增加鈦保護層富集，必須保證一定的Si含量，保證爐溫，增加Ti(C，N)的析出，以維持當下穩定操作［12-14］。因此，當爐缸活躍度下降時，可適當進行護爐操作，從而為提高爐缸活躍度提供條件。

第三階段：2018年至今，根據設計爐齡，高爐進入爐役中期，通過爐缸活躍度指數分析，活躍度指數頻繁出現“斷崖”式波動，很長一段時間活躍度指數處于2.0～2.5的不活躍區間，甚至出現活躍度指數小于2.0的情況。這是因為高爐進入中期后，爐缸側壁炭磚較初期脆化更加嚴重，由于環保限產等因素，爐料結構變化較大，爐況變差，造成了爐缸活躍度下降，保護層異常剝落，脆化碳磚直接接觸高溫鐵水，從而造成了熱電偶溫度異常上升，表現為活躍度指數下降［13］。因此，當高爐進入中后期后，尤其進入末期爐役時，更應注重精料操作、穩定操作。日常操作中，高爐可根據實際情況，實時跟蹤爐缸活躍度指數變化，從而明確爐缸活躍度變化趨勢。

3 爐缸活躍度指數變差原因及改善途徑

3.1 爐缸活躍度指數變差原因分析

由圖3可知，2019年初爐缸活躍度指數不斷波動，但處于相對穩定水平，但從2019年4月開始至9月高爐爐缸活躍度指數處于較低水平，長期處于2.0～2.5，甚至小于2.0，且7月份爐缸活躍度指數達到最低，2019年10月開始，爐缸活躍度指數逐漸上升。

2019年環保壓力加大，燒結礦限產，配吃粒級較碎、品位較低的一燒及外購燒結礦(＜10 mm比例達30%甚至更高，且堿度較二燒偏低)，其配吃比例由2月份20%逐漸增加到30%；至7月中旬期間，配吃比例一度增加到55%；10月開始，高爐配吃100%二燒。由于一燒及外購燒結礦粒級及成分均不穩定，配吃一燒及外購燒結礦期間，爐內壓量關系偏緊，爐內順行受阻，難以全風，鼓風動能及風溫均難以處于正常水平，造成爐況頻繁波動，致使爐缸活躍度下降，鐵水環流加重，最終造成了爐缸活躍度變差，爐缸環流加重，側壁炭磚異常侵蝕，表現為活躍度指數降低。

3.2 活躍爐缸的途徑

(1)精料操作

高爐穩定的原燃料、穩定的化學成分和粒級對高爐的透氣性指數及煤氣流分布有著重要影響，化學成分波動、堿度變化，會影響渣比及燃料比，從而對節能降耗目標的達成造成影響。另外，原燃料穩定能夠穩定爐渣成分、堿度和爐渣流動性能，從而減少虧渣鐵現象。穩定的原燃料可以避免高爐堿金屬負荷及堿金屬循環富集，當高爐有過多的堿負荷會影響焦炭穩定性，增加其破碎的可能性，致使料柱透氣透液性下降，造成爐缸不活現象。

(2)上下部調節相結合

上部調節不僅能夠調整焦炭負荷，另一方面，可以調整焦窗的多少和位置，煤氣的主要通道是焦炭層，尤其軟熔帶位置。合理的的煤氣流分布可以形成合理的煤氣流，保證合理的邊緣及中心的開度。另外，布料深度應合理，減少下料通過爐喉的再分布，從而增加煤氣分布的可控度。應結合實際情況，優化裝料制度，避免礦焦層交界處的過度填充所造成的透氣性指數下降現象。

下部調節作為重要的操作調劑手段，一方面，合理的鼓風動能能夠保證合理的風口回旋區，從而影響煤氣流一次分布。另一方面，結合活躍度指數變化規律，可以發現合理的鼓風動能能夠吹透中心，保證中心死料柱的透氣透液性。另外，下部調節需結合爐容、風量系數(風量/爐缸截面積)。

4 結論

(1)首鋼股份3號高爐爐缸活躍度指數與操作參數密切相關，活躍度指數與鼓風風量、風溫、煤粉量及鼓風動能變化趨勢呈正相關。但是鼓風動能、鼓風風量和風溫是因參數，其變化趨勢會影響活躍度指數變化趨勢；因為高爐是一個“黑匣子”，噴煤量滯后于活躍度指數。高爐操作者更應結合風量及動能，以保證合理的回旋區深度和煤氣量。

(2)首鋼股份3號高爐爐缸活躍度指數小于2.0為爐缸不活躍，2.0～2.5為爐缸較活躍，大于2.5為爐缸活躍。另外，根據鐵口分布情況，將爐缸分為四個工作區域，分區討論活躍度更加合理。

(3)首鋼股份3號高爐爐缸活躍度指數可以將開爐以來分為三個階段，第一階段：開爐至2013年為高爐爐缸初期。活躍度指數特點：有降低趨勢，經過治理逐漸穩定；第二階段：2014年至2017年為常態化護爐階段。活躍度指數特點：仍有較大波動，但較第一階段相對穩定；第三階段：2018年至今，爐缸進入中期，活躍度指數特點：有“斷崖”式下降現象。當下高爐處于第三階段。

(4)結合活躍度指數變化規律，高爐進入爐役中期，爐缸活躍度受操作更加敏感。因此，提高活躍度更應該基于爐況穩定，關注原燃料條件和出鐵情況，避免爐況波動和渣鐵出不凈，造成鈦保護層和脆化層的剝落。