鞍鋼5號2580 m3高爐布料參數研究

邵思維，謝明輝，何沖，車玉滿，姜喆

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

裝料制度即通過調整高爐各環位的角度、布料圈數以在高爐爐喉徑向上形成具有不同的布料平臺寬度、料層厚度、徑向O/C比分布等參數的特定料面形狀，進而調節高爐塊狀帶煤氣分布及軟融帶特性，最終達到穩定合理的煤氣利用結果。上部裝料制度是高爐操作的核心。但由于高爐影響因素復雜，實驗室難以有效模擬布料參數對高爐參數的影響，且實際生產中，布料平臺寬度通常僅小幅調整，持續時間短，數據量龐大，噪聲多，難以滿足研究條件。因此，目前對裝料制度參數的研究主要停留在理論階段。

隨著鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠 （以下簡稱“煉鐵總廠”）高爐大數據的建立，收集了5號高爐（2580 m，爐喉直徑 4.1 m）自 2019 年開始，歷時一年的高爐布料逐步調整數據，并結合鞍鋼自行開發的計算程序，研究了布料參數對高爐指標的影響，本文對此做一介紹。

1 布料平臺寬度計算方法

本研究采用鞍鋼實際激光測料面驗證效果較好的公式進行計算。

1.1 爐料落入溜槽前速度

爐料進入溜槽前的初速度見公式（1）。

式中，

v

為落入溜槽前的料流初速度，m/s；

F

為實測爐料出節流閥時的流量，m/s；

S

為節流閥投影面積，m；

l

為節流閥周邊邊長，m；

d

為爐料平均粒度，m。

當爐料與溜槽碰撞后，爐料的運動速度會有一定程度的損失，見公式（2）。

式中，

v

為爐料落入溜槽后的初速度，m/s；

λ

為速度損失系數。

1.2 爐料落入溜槽后速度

爐料離開溜槽時的末速度見公式（3）。

式中，

v

為爐料離開溜槽時的速度，m/s；

l

為溜槽有效長度，m；g為重力加速度，m/s；

α

為溜槽傾角，°；

μ

為爐料與溜槽摩擦系數；

w

為溜槽角速度，rad/s。

式中，

L

為溜槽長度，m；

e

為溜槽傾動距，m。

1.3 爐料在空區的運動

爐料離開溜槽后，受重力和煤氣阻力作用做斜下拋運動。有研究表明，與重力相比，煤氣阻力很小，因此，本研究忽略煤氣作用。爐料落點與高爐中心點距離見公式（5）。

式中，

r

為爐料落點位置，m；

t

為爐料離開溜槽后的下落時間，s；

h

為溜槽末端至料線處的垂直距離，m。

1.4 布料平臺寬度計算

考慮邊緣礦石會向邊緣滾動，布料平臺最外落點定為貼近爐墻，平臺最內落點為最小礦角落點，不考慮其向中心滾動的距離。布料平臺寬度見公式（7）。

式中，

L

p為布料平臺寬度，m；

R

為爐喉半徑，m；

r

為最小礦角礦石落點距爐喉中心距離，m。

2 高爐裝料制度研究

2.1 裝料制度調整過程

2019年5 號高爐提升了風量及產能，逐步將布料平臺寬度由1.25 m縮短至0.86 m，裝料制度調整過程見表1。期間風量按預期大幅提高，9月開始嘗試礦石4環位布料，但4環布料后氣流“蹺蹺板”現象明顯,即中心和邊緣氣流反復此消彼長，兩股氣流均不穩定。后改回5環布料，布料平臺寬度0.96 m，但隨著平臺寬度的縮短，燃料比升高了15～20 kg/t。

表1 高爐裝料制度調整過程Table 1 Adjustment Process for BF Charging System

2.2 裝料制度調整效果

依托高爐大數據系統，利用計算落點的編程程序進行計算處理，得出了以年度為階段、日均值為單元的高爐制度參數與高爐指標關聯推移圖，具體見圖1。

由圖1可以看出，隨著布料平臺寬度的逐步縮短，高爐風量和綜合焦比均有明顯增加，如圖1中①、②標記處。中心加焦比例和綜合焦比也有較好的正相關性，但在時間上有1～3天的延時。且當中心焦比例和布料平臺寬度同時同向調整時，即中心焦比例增加、布料平臺寬度縮短，對綜合焦比的影響非常明顯，如圖1中③標記處。

圖1 高爐制度參數與高爐指標關聯推移圖Fig.1 Transition Diagram of Relationship between BF System Parameters and BF Indexes

3 布料平臺寬度影響分析

3.1 布料平臺寬度對風量的影響分析

高爐風量和布料平臺寬度關系如圖2所示，可以看出，風量和平臺寬度存在較明顯的關聯性。當布料平臺寬度在1.06～1.25 m范圍時，縮短平臺寬度，風量的提升效果最明顯；當布料平臺寬度小于1.06 m時，仍能提升風量但幅度減小。

圖2 高爐風量和布料平臺寬度關系Fig.2 Relationship between Air Volume and Width of BF Distribution Platform

無礦區理論認為，應保證無礦區占爐喉面積比在 45%～50%以上。本研究中，當高爐布料平臺寬度大于1.2 m時，風量明顯大幅下降；當平臺寬度為1.2 m時，其無礦區占比剛好為50%，這與無礦區理論完全相符。鞍鋼5號高爐無礦區占比較大，原因是其燒結礦粒度較小，所用東燒平均粒徑僅18 mm，而西燒為21 mm。因此，5號高爐布料平臺寬度極限范圍應控制在0.9～1.2 m，且最佳平臺寬度為1.1 m，無礦區占比53.5%，此時能保證風量及消耗達到最佳匹配。

3.2 布料平臺寬度對綜合焦比的影響分析

高爐布料平臺寬度、熱負荷、綜合焦比的三維散點分布如圖3所示。

圖3 高爐布料平臺寬度、熱負荷、綜合焦比的三維散點分布圖Fig.3 Three-dimensional Spread-out Distribution Diagram of Width of BF Distribution Platform,Heat Load and Comprehensive Coke Ratio of BF

由圖3可以看出，平臺寬度小于1.06 m后，綜合焦比波動區間增加，分布趨于分散，氣流不穩定，“蹺蹺板”現象嚴重，爐況波動大；且隨著平臺寬度的縮短，爐體熱負荷升高。

對高爐各制度階段、不同布料平臺寬度的指標參數進行階段均值統計，并利用階段均值進行綜合焦比與平臺寬度、中心焦比例的二元回歸分析。高爐各制度階段參數均值及二元回歸預測值統計見表2。

表2 高爐各制度階段的參數均值及二元回歸預測值統計表Table 2 Statistical Table of Parameter Mean Values and Predictive Values of Binary Regression at Each Stage of Systems for BF

綜合焦比與中心焦比例、布料平臺寬度的二元回歸結果為：

式中，

Y

為綜合焦比，kg/t；

X

為中心焦比例，%；

X

為布料平臺寬度，m。棄真概率P值為0.001。

在未考慮其他因素的影響以及高爐大噪聲特點的情況下，70%的擬合度已經能較好的模擬綜合焦比與中心加焦及布料平臺寬度之間的關系，其模型預測的焦比偏差在（-7～1）kg/t范圍。經計算得出，布料平臺寬度每減少0.1 m，焦比升高約2.51 kg/t。

4 結論

通過研究鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠5號高爐布料參數與風量和綜合焦比的關系得出：

（1）布料平臺寬度在1.06～1.25 m范圍時，縮短平臺寬度，風量的提升效果最明顯。小于1.06 m，仍能提升風量但幅度減小,且兩股氣流不穩定，“蹺蹺板”現象嚴重，爐況波動大。

（2）5號高爐布料平臺寬度極限范圍應控制在0.9～1.2 m，最佳平臺寬度為1.1 m，無礦區占53.5%，此時能保證風量及消耗達到最佳匹配。

（3）布料平臺寬度和綜合焦比有較強的關聯性，布料平臺寬度每減少0.1 m，綜合焦比升高約2.51 kg/t。