鐵前全流程工藝質量評價體系構建與應用批

魏 堯，胡金波，司新國

（河鋼集團唐山鋼鐵集團有限責任公司，河北唐山 063600）

0 引言

唐鋼新區高爐采用高堿度燒結礦+酸性球團礦+自熔性球團礦+塊礦的爐料結構。由于球團礦的冶金性能存在先天的劣勢，特別是軟化和熔滴特性，無論是酸性球團還是自熔性球團均不能和高堿度燒結礦相比擬。球團礦比例增加勢必會造成高爐的軟熔帶變化，同時球團礦的自然堆角遠小于燒結礦，隨著其入爐比例增加，已經影響了高爐布料，使得高爐上部兩股氣流控制難度加大，布料的影響和高爐軟熔帶的變化二者均不利于高爐氣流的穩定。唐鋼新區高爐陸續投產后，高爐入爐球團礦比例逐步提高，高比例球團礦冶煉帶來的弊端逐步顯現。其主要表現為局部氣流不穩定，爐身靜壓周向不均，嚴重時竄氣，造成頂壓波動；料尺行走狀況差，多滑尺和塌料；爐身中下部容易黏結，高爐操作爐型維護困難、操作區間窄、操作難度大。由于高爐順行狀態差，強化冶煉受限，各指標均不同程度受影響。

為了消除高比例球團礦給高爐冶煉帶來的影響，本文結合高爐高比例球團礦冶煉特點，從煉鐵技術管理角度，制定了提升高比例球團礦高爐操作穩定性的工藝措施，重點從高爐物料質量監控、物料質量穩定、物料質量異常波動反饋及有害元素控制等方面制定了改進措施。

1 高爐物料質量指標監控

2020年9月至2021年4月，唐鋼新區三座2922m3高爐陸續點火投產，高爐投產穩定運行后，爐料結構為50%燒結礦+40%球團礦+10%塊礦，和傳統爐料結構相比燒結礦比例降低了20%～25%，球團比例提高了將近30%，為高爐操作帶來了不便。這就需要嚴把高爐入爐物料的質量關，穩定提升高爐入爐物料質量，為高爐順行提供條件。高爐入爐物料主要包括：焦炭、燒結礦、球團、塊礦、煤粉，不同物料的質量變化對高爐影響不盡相同。結合高爐高比例球團冶煉特點，根據物料和某個指標的影響大小，將其分為主要物料的關鍵指標、主要物料的一般指標和一般物料的質量指標。焦炭冷強度、熱性能，燒結礦的低溫還原粉化指數、轉鼓指數，球團礦的膨脹指數，熔劑球的低溫還原粉化指數等指標，對高比例球團的高爐冶煉有著至關重要的影響，因此作為主要物料的關鍵指標重點關注。塊礦、煤粉質量，以及主要原料中的化學成分指標對高爐順行影響相對較小，或者影響溫和，常規跟蹤監測即可。

1.1 一般質量指標控制

由于唐鋼新區高爐使用塊礦為長協進口礦，物化性質穩定，高爐噴吹煤粉的煤源固定，噴吹性能、化學成分、熱值能保持穩定，并且二者本身對高爐冶煉影響權重較小，所以把化學成分作為常規檢測項目，可以滿足高爐日常生產的工藝需要。同時主要物料的化學成分作為一般質量指標，同樣作為日常跟蹤檢測項目。以上指標出現異常、超出控制范圍，根據具體影響情況，通過高爐的工藝調整完全可以應對。除此之外，開發新煤種時，需要對煤粉的噴吹性能做檢測，包括煤粉灰熔點、黏結性指數、爆炸性、著火點溫度等，綜合評價其品質。

1.2 主要物料的關鍵指標控制

1.2.1 焦炭質量關鍵指標的控制

由于球團礦比例增加，高爐料柱的構成以及礦石的軟熔特性發生變化，需要焦炭提供支撐。保持高爐料柱的透氣性，需要良好的焦炭粒度和強度，尤其是保持爐身中下部至爐缸焦炭的整體粒徑，維持其功能的完整性。其目的在于為煤氣上升、熔融礦石以及初成渣鐵下降提供通道，同時改善爐缸的透氣、透液性，活躍爐缸，促進渣鐵排放。新區高爐投產之初焦炭轉鼓M10一直在6.5%左右，熱性能CSR在65%左右，球團礦比例提升后,高爐的順行狀況受到影響。為解決這一問題，將焦炭入爐質量標準提升，從焦化配煤結構調整入手，配合工藝控制優化，提升入爐焦炭的轉鼓、熱性能指標。唐鋼新區高爐焦炭的關鍵質量指標如表1所示。

表1 唐鋼新區高爐焦炭的關鍵質量指標 %

1.2.2 球團礦關鍵指標的控制

由于球團礦比例逐步提升，其質量對高爐影響權重相對更高，所以對球團礦的質量要求要更加嚴格。球團礦比例增加后高爐料柱構成和軟熔特性發生變化，氣流分布受到影響，故作為影響較大的主要物料重點監控。其中酸性球團礦低溫還原粉化指標較好并且穩定，所以每月抽查一次；因自溶性球團粉化指標不穩定并且低溫區更容易粉化，現改為每天一次常規檢測；球團還原膨脹指數作為關鍵指標重點監測控制，之前指標控制為≤18%，目前下調至≤15%，實際控制值在10%左右，減小其對高爐氣流分布影響，減少爐墻黏結；球團抗壓、轉鼓指數均作為關鍵指標控制在較高水平，減少球團在料柱中形成粉末。唐鋼新區高爐球團礦的關鍵質量指標如表2所示。

表2 唐鋼新區高爐球團礦的關鍵質量指標

1.2.3 燒結礦關鍵指標的控制

唐鋼新區綜合考慮燒結礦的性能和高爐的酸堿平衡，控制燒結礦堿度在2.0～2.15，在此基礎上，進一步提高燒結礦的冶金性能。燒結礦冶金性能優勢在于高溫冶金性能突出，比還原性較球團礦和塊礦要好，然而低溫還原粉化和冷態強度要弱于球團礦和塊礦,因此燒結礦重點監控低溫還原粉化和轉鼓指標。其中低溫還原粉化指標對于高爐中上部低溫區料柱的透氣性有著至關重要的影響，燒結礦在高爐的低溫區更容易粉化，故此唐鋼新區燒結礦嚴格控制RDI-3.15這一指標在35%以下，為兼顧還原性，一般控制在30～35%之間，此時還原性能保持在85%左右。唐鋼新區高爐燒結礦的關鍵質量指標如表3所示。

表3 唐鋼新區高爐燒結礦的關鍵質量指標 %

2 高爐入爐物料質量穩定措施

高爐一方面要求物料質量好，滿足入爐標準，另一方面要求物料質量穩定，盡量減少波動頻率和波動幅度。高爐物料在一個基本質量水平的穩定相比在一個較高水平上大幅度波動，更有利于高爐的長周期穩定順行，故高爐要取得較好的指標更加依賴于物料質量的穩定。然而受經營成本以及物料資源限制，高爐入爐焦炭、燒結礦、球團礦的配料結構不會一成不變，另外優質資源供給更是有限，二者都導致了高爐的主要原燃料質量會不可避免地波動。高爐物料穩定對于每個鋼鐵企業來說都是控制重點，也是控制難點。

2.1 高爐主要入爐物料的穩定措施

（1）高爐主要入爐物料的穩定關鍵在于資源的穩定，而資源平衡受限較多，需制定計劃，有序安排焦炭、燒結礦、球團礦生產所用原料的采購入廠，同時還要考慮庫存合理。重點要管控環保限產期間的焦煤、白灰、石灰石用料需求和資源平衡，盡量減少因資源供給造成的配煤、配礦結構調整，對高爐入爐原燃料質量的影響。

（2）優化物料配料結構不能單純從成本考慮，還要結合性能綜合考慮，要滿足各工序正常工藝參數的控制，保證產品質量是首要條件。

（3）對影響生產工藝控制的設備進行積極維護，尤其是涉及設備功能精度的圓輥、布料閘門、皮帶秤、測量儀表等關鍵設備，杜絕因設備問題造成的焦炭、燒結礦、球團礦質量波動。

（4）從各工序工藝參數控制到各成品物料槽位控制等進行全方位重新梳理，制定標準化、規范化的操作要求，通過不斷完善標準化操作，實現工藝和產品質量穩定。

2.2 物料波動后高爐的應對措施

從資源結構上可以減小高爐用料的質量波動，但是不會完全消除。因為不可避免的資源結構調整，或者某一種礦粉、煤種質量異常引起的焦炭、燒結礦或者球團礦質量變化，都會造成高爐用料質量的波動，這就需要從技術管理上弱化這種影響，同時向高爐發出預警。

（1）對燒結礦、球團礦用礦粉，焦炭用煤進行質量評估分級。將對煉鐵過程質量影響權重較大的和本身質量不穩定的列為一類資源，作為重點監控對象；將對煉鐵過程質量影響權重較小的和本身質量相對穩定的列為二類資源，對其進行常規檢測跟蹤。將原燃料質量評估分級重心放在一類資源上，在實現資源質量有效控制的同時，可以減少人力的浪費；同時當過程質量出現波動后，可以快速找出癥結所在，并予以糾正。

（2）建立質量反饋機制。在監測中發現某一種礦粉或者煤粉質量異常，立即向相應用戶，即焦炭、燒結礦或者球團礦生產工序發出預警，后者根據原料異常變化的幅度和時間進行評估，分析可能引起的質量指標變化，有針對性地進行工藝調整。對其產品相應質量指標進行全方位檢測，對質量變化情況進行評價并向高爐預警，使高爐主動采取應對措施，減小影響。另外，由于質檢取樣不是在線動態監測取樣，現行的取樣密度決定了物料質量異常存在漏檢可能，故在對高爐主要用料檢測時發現異常，要快速向上反饋，找出質量變化原因并予以糾正，同時向高爐發出預警。

（3）當高爐入爐物料質量波動不可避免時，質量異常的物料和正常物料要區分對待。高爐料倉要單獨存放質量波動物料，和正常物料搭配入爐，并根據其質量狀況決定其入爐配比，將集中大量配吃改為少量、長時間配吃，將質量波動風險降至最低。同時獨立存放質量波動物料的料倉，在管理上和正常料倉要區別對待，嚴格控制篩分速度，調整存放焦炭和燒結礦料倉的閘門開度，控制焦炭篩分速度≯1.5t/min，燒結礦篩分速度≯3t/min,為正常篩分速度的70%，最大限度減少粉末入爐。高爐應根據物料變化的幅度進行基本制度調整，以負荷調整為主，上部裝料應有針對性地對邊緣和中心進行疏導。

3 堿金屬、鋅的控制

堿金屬、鋅對高爐冶煉危害極大，當入爐負荷超出高爐本身的代謝能力后，其影響會逐步顯現。最直接的影響是：堿金屬和鋅元素持續在高爐循環富集，造成高爐上部以及煤氣管道黏結，影響操作爐型，同時堿金屬和鋅蒸汽隨煤氣進入耐火材料縫隙和風口套間隙，遇冷析出并膨脹，對耐火材料和風口組件造成不可逆的損壞，影響高爐長壽。其間接的影響是：堿金屬在高爐內加快了焦炭劣化反應進程，影響了高爐料柱透氣性和爐缸工作狀態，同時會導致球團“災難性膨脹”，影響高爐的冶煉進程，對于唐鋼新區高爐高比例球團冶煉影響更甚。唐鋼新區高爐采取疏導兩股氣流的裝料制度，爐頂溫度在100～160℃之間，當冶煉強度較高時，爐頂溫度在100～120℃之間，氣流狀態和爐頂溫度水平均不利于有害元素排出。

唐鋼新區全部投產后，在不同時間段和不同爐況狀態下，對三座高爐入爐有害元素收入、支出進行校核，同時參考行業控制標準，總結得出唐鋼新區高爐有害元素入爐控制標準為：堿負荷≤3.5kg/t（其中鉀負荷要求小于2kg/t）、鋅負荷≤0.2kg/t。在此標準以內，可以實現有害元素收支平衡，避免形成堿、鋅災害。表4為2022年1月份高爐有害元素收支平衡校核。

表4 高爐有害元素收支平衡校核

為降低高爐有害元素負荷，將富含有害元素的高爐干法除塵灰和燒結機頭一、二電場除塵灰外售，減少有害元素在工藝內的循環，增加工序上的排堿、鋅渠道，分擔高爐負擔。2021年7月份以后有害元素入爐負荷能控制在入爐標準之內。有害元素入爐趨勢如圖1所示。

圖1 有害元素入爐趨勢

4 控制措施實施效果

由于高爐原燃料質量的改善，并且在一定水平上保持穩定，消除了因球團礦入爐比例增加帶來的消極影響，高爐操作空間更加廣闊，氣流穩定性增強。首先有高質量焦炭做支撐，同時高爐整體爐料質量穩定、可控，高爐爐缸活躍、中心料柱透氣性好，這為高爐中心氣流穩定提供保了障。高爐中心氣流自下而上地“通透”，使上部疏導邊緣成為可能。另外通過裝料制度的調整，減輕了高爐邊緣負荷，實現了塊狀帶對氣流進行的三次分配優化，提高了煤氣利用率。高爐整體順行狀況大幅度改善，各主要指標顯著提升，高爐現主要指標如表5所示。

表5 高爐現主要指標

5 結語

高爐原料是順行的基礎，其中主要物料的關鍵指標和質量短板是重點監控對象。高比例球團冶煉帶來的影響可以通過對主要物料的質量控制，利用技術手段使其質量和性能穩定，能夠在高比例球團礦的條件下保證高爐順行和進一步強化指標。

高爐煉鐵技術管理要放眼鐵前全流程，從單品種料，即礦粉、原煤、熔劑等質量控制開始，到焦炭、燒結礦、球團礦配料結構以及生產工藝和產品控制，再到高爐入爐原燃料質量控制，最終到高爐的工藝質量管理，實現了高爐煉鐵技術管理的完整性、系統性，保證整個煉鐵工序的穩定。