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太钢4350m3高炉强化冶炼操作实践
发布时间： 2010-12-16 　 浏览次数：181
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王红斌唐顺兵杨志荣
(太钢不锈钢股份有限公司)

摘要: 太钢4350m3高炉通过加强原燃料管理，实施高富氧大喷煤操作，摸索调整操作制度和优化操作参数，实现了煤比200kg／t、利用系数2．48和炉腹煤气量指数61．10m3／(min·m2)以上的强化冶炼。
关键词: 大型高炉 高富氧 大喷煤 炉腹煤气量指数

Practice on Intensified Smelting Operation of 4 350 m3 BF in Taiyuan Iron and Steel Co．，Ltd．
WANG Hong—-bin TANG Shun--bing YANG Zhi—-rong
(Taigang Stainless Steel Co．，Ltd．)

Abstract 4350m3 BF of TISCO achieves successful intensified smelting with 200kg／t coal ratio，2．48 utilization factor and over 61．10 m3／(min·m2)gas flow at bosh through the efforts like enhancing the raw and fuel materials．high oxygen enrichment and high ratio of PCI，optimizing operation system and operation data．
Key words large sized blast furnace oxygen enrichment high ratio of pulverized coal injection index of bosh gas

高炉高煤比、高炉腹煤气量指数运行是钢铁企业降本增效的重大技术措施，在炼焦煤资源日益短缺和企业间竞争日趋激烈的今天更具有十分重要的意义。太钢5号高炉(4350m3)于2006年10月13日开炉，通过实施高富氧、大喷煤强化冶炼操作，煤比和高炉利用系数得到不断提高。进入2008年2月后(全年有8个月)连续5个月煤比都在200kg／t以上，2009年1月后高炉有效容积利用系数达2．48，炉缸截面积利用系数达到66．0以上，炉腹煤气量指数达到61．10m3／(min·m2)以上，而其燃料比仍维持在500kg／t左右，实现了高煤比、高炉腹煤气量指数下的低焦比、低燃料比强化冶炼。

1 原燃料质量控制管理

1．1 焦炭成分性能指标
表1 太钢5号高炉焦炭成分性能指标，％
时间
CRI
CSR
M40
M10
灰分
挥发分
全硫
固定碳
2007年11-12月
21.09
71.3
89.7
5.4
12.11
1.21
0.63
87.52
2008年上半年
21.4
71
89.9
5.4
12.02
1.2
0.65
87.22
2008年下半年
21.19
71.1
89.8
5.4
12.13
1.23
0.64
87.2
高炉生产“七分原料、三分操作”。特别是焦炭质量要好，在炉内要起到很好的料柱骨架作用，其冷态强度要高、热态性能要好，对改善高炉透气性、保证炉缸顺利出好渣铁起着至关重要的作用[1]。5号高炉焦炭成分性能指标见表l。5号高炉焦炭的冷热态性能指标都比较好，但灰分比较高，在12．0％以上，不利于高煤比操作下渣比的降低和炉渣中Al2O3含量的控制，以确保炉渣具有良好的流动性和脱硫能力。

1．2 烧结矿成分性能指标

高强度、高品位、冶金性能好的烧结矿能实现降低渣量、改善料柱透气性的目的⋯。2008年5号高炉所使用的烧结矿化学成分及主要指标见表2、3。
表2 太钢5号高炉烧结矿的主要理化性能指标。％
Tfe
FeO
Al2O3
MgO
SiO2
R2
TI
RDI
58.08
7.86
1.23
1.68
5
1.9
77.8
26.2
表3 太钢5号高炉烧结矿的粒级分布，％
-5mm
5 ~10mm
10~16mm
16~25mm
25~40mm
+40mm
MSmm
2.54
16.44
20.7
19.9
24
16.72
23.9
表4 太钢5号高炉煤粉的成分及粒度，％
灰分
挥发分
S
固定球
水分
-200目
9.77
18.12
0.37
72.1
1
78.2
1．3 煤粉成分性能指标

2008年2月5号高炉在进行煤比200kg／t生产操作时，及时调整喷吹原煤的比例，在喷煤量达90t／h以上时，没有出现风口结焦和堵枪现象，确保了5号高炉在高煤比下安全稳定运行。5号高炉喷吹煤粉的成分指标见表4。

1．4 原燃料的综合性能指标

确立合理的炉料结构和严格控制人炉粉率是高炉实现高煤比、高炉腹煤气量指数强化冶炼的重要条件。5号高炉原料基本结构为73．0％烧结矿+22．0％峨口球团矿+5．0％南非矿，2009年1月以后逐步降低球团矿配比，增加南非块矿配比。综合炉料高温性能得到改善。在高炉利用系数提高的同时想方设法增产烧结矿并维持足够的转鼓强度，原料结构逐步调整为75．0％烧结矿+15．0％峨口球团矿+10．0％南非矿，其原燃料的综合性能指标见表5。
表5 太钢5号高炉原燃料的综合性能指标
品味%
渣比kg/t
返矿率%
入炉粉率%
返焦率%
硫负荷kg/t
硅负荷kg/t
碱负荷kg/t
锌负荷kg/t
60
≤290
≤9.5
≤5
≤5
≤3.1
≤120
≤1.88
≤0.1
2 强化冶炼操作及管理

2．1 高富氧大喷煤

5号高炉实施逐步加大富氧量和喷煤量的操作方针来提高煤比和产量。富氧量由2008年年初的12000m3／h逐步加到27000m3／h，喷煤量由起初的75t／h增加到90t／h以上，煤比由

170 kg／t增加到200kg／t，产量达到11000t／d以上，炉腹煤气量达到9 750 m3／min以上，炉腹煤气量指数达到61．10m3／(min·m2)以上(如图l、2所示)。5号高炉通过调整上下部操作制度，寻求炉内煤气流的合理分布，使高炉能够接受高煤比、高炉腹煤气量指数下的强化冶炼，其技术指标见表6。

2．2 稳定煤气流分布

高煤比和高炉腹煤气量指数操作时，炉体热负荷、煤气利用率以及K值将会发生很大程度的改变。5号高炉根据炉内煤气流的变化和热负荷的波动情况来调整上下部操作制度。5号高炉炉腹煤气量指数由54．82 m3／(min·m2)增加到61．10m3／(min·m2)以上的上下部操作参数见表7。5号高炉在实现炉腹煤气量指数61．10m3／(min·m2)以上的强化冶炼时，其炉腹煤气量将达到10000．0m3／min以上。
5号高炉在实现高利用系数、高炉腹煤气量指数强化冶炼时，炉体热负荷也相应地增加了(如图3所示)。其炉腹煤气量增加了l 000 m3／min，达到9650m3／min以上，鼓风动能也增加了6．9—9．8 kJ／s，达到151．9 kJ／s以上(见表7、8)。5号高炉随着煤比的提高，特别是在煤比达到200kg／t时，边缘气流有所发展，中心气流有所减弱。故调整装料制度，在加宽边缘焦炭平台宽度的基础上采取适当抑制边缘气流、疏通中心气流的措施。5号高炉在炉腹煤气量指数达61．10 m3／(min·m2)强化冶炼时，通过'上下部操作制度相匹配，将K值稳定在2．30～2．37，风压420—425 kPa，煤气利用率在50．50％时，实现了在负荷不断增加时，并没有出现风压和K值显著升高到影响炉况顺行的情况。此时炉内的煤气流分布合理，实现了高冶强下高热流比操作，降低了炉内高温区，间接还原充分。同时在200kg/t煤比操作时5号高炉除尘灰中碳含量没有明显升高，说明在提高煤比的过程中炉内煤粉利用率仍然较好。
表6 太钢5号高炉技术经济指标
时间
产量t/d
利用系数t/(m3·d)
炉缸截面积利用系数t/(m3·d)
炉腹煤气量指数m3/（min·m2）
焦比kg/t
煤比kg/t
燃料比kg/t
富氧量m3/h
2007年
9499
2.18
59.98
56.84
307
178
503
11080
2008上半年
10069
2.31
63.58
58.35
290
196
500
19379
Oct-08
10422
2.4
65.81
62.07
286
207
500
22011
Nov-08
10071
2.32
63.6
60.52
279
209
498
18975
Dec-08
10390
2.39
65.61
60.37
281
200
498
23934
Jan-09
10770
2.48
65.61
61.58
287
200
502
25823
Feb-09
10463
2.41
66.07
61.11
298
196
498
26281
Mar-09
11041
2.54
69.72
61.39
311
182
500
24441
Apr-09
11349
2.61
71.66
65.23
301
186
500
28870
May-09
10404
2.39
65.7
62.52
308
182
502
26404
表7 太钢5号高炉上下部操作参数
时间
煤比kg/t
炉腹煤气量指数m3/(min·m2)
风口面积m2
湿度g/m3
风温℃
炉腹煤气量m3/min
焦批t/批
矿批t/批
料线m
2007年11月-2008年1月
171
54.82
0.47
20
1221
8682
23
120
1.3
2008年2月-2008年6月
203.6
59.13
0.47
14
1234
9364
22.4
129
1.4
2008年10月-2008年12月
205.3
31
0.48
16
1247
9658
22.4
128
1.4
2009年1月-2009年5月
192.7
62.37
0.48
18
1248
9717
22.8
129
1.4

2．3 操作参数的优化管理

5号高炉在实现炉腹煤气量指数61．10m3／(min·m2)以上的强化冶炼中，非常重视各项操作参数的优化管理。

表8 太钢5号高炉的煤气流控制参数值
时间
炉腹煤气量指数m3/（min·m2）
理论燃烧温度℃
风速m/s
鼓风动能kJ
K值
煤气利用率%
Z值
W值
炉体热负荷×10MJ/h
2007年11月-2008年1月
54.82
2190
264
143.3
2.3
49.7
7.7
0.53
13131
2008年2月-2008年6月
59.13
2134
267
146.2
2.3
49.1
9
0.54
15222
2008年10月-2008年12月
61
2118
270
150.5
2.4
50.4
8.8
0.66
15286
2009年1月-2009年5月
62.37
2207
273
153.9
2.3
49.3
8.7
0.64
14857

3 结语
(1)加强原燃料质量管理，优化炉料结构是实现高炉强化冶炼的精料基础。
(2)随着煤比和炉腹煤气量的增加，通过调整操作制度和优化操作参数，稳定透气性抵抗指数K值，实现了炉况的长期稳定顺行。
(3)实现炉体热负荷的稳定和提高煤气利用率，是高炉实现高煤比、高炉腹煤气量指数强化冶炼的核心控制技术。 

指导高炉炼铁生产的技术原则问题
    指导生产的技术原则是经历了几十年的实践研究总结而形成的，不同发展阶段有着不同的提法。当前的提法是“高效、优质、低耗、长寿、环保”十字技术方针。从高炉炼铁的主要技术经济指标的关系来讨论。长期以来以提高利用系数为核心，组织高炉生产走了四条路：
    (1)冶强提高，焦比降低，利用系数提高；
    (2)冶强提高，焦比维持不变，利用系数提高；
    (3)冶强维持不变，大力降低焦比，利用系数提高；
    (4)冶强提高，焦比随之提高，但冶强提高幅度大于焦比升高的幅度，结果利用系数也有所提高。
     对一定的冶强条件，有一个与冶炼条件相对应的最佳冶强，在这个冶强下，焦比最低。世界先进高炉大都在这样的冶强下组织生产，这就是走第三条路：获得最低燃料比，最低生铁成本，最好效益。总体上讲，世界炼铁发展是沿着第一条路前进，就是不断地改善冶炼条件（特别是精料），提高操作水平，随着冶炼条件的改善逐步提高最佳冶强水平，而焦比相应也有所降低。
    中国炼铁一直走第四条路，直到今日仍然没有转变，造成的后果是吨铁能耗高（燃料比高，风耗高，电耗高），高炉寿命短等。
    当前的形势是钢铁产能远超过市场需求，出现供大于求的局面。同时资源、能源和环保等问题也制约着炼铁生产。因此，要逐步转变冶炼观念，稳步地走第三条路，即探索具体冶炼条件下合适的冶炼强度，大力降低燃料比，降低能耗，做到低成本、高效益。
    2冶炼强度问题
    长期以来，中国一直是采用冶炼强度来表达高炉强化程度，有很大的局限性。项钟庸等人提出以炉腹煤气量来取代冶炼强度是比较科学和符合高炉炼铁的基本规律的。但由于人们的习惯，短期内要完全取消冶炼强度还是困难的。所以探讨当前与冶炼条件相适应的合适冶炼强度仍然对生产有着指导意义。
    我们认为能保证高炉长期稳定顺行，煤气利用好，燃料比低而且炉子稳产、高产的冶炼强度就是与原燃料条件相适应的合适冶炼强度。
    应当指出，不存在统一的（对所有相同级别高炉而言）合适冶炼强度，不同高炉要根据自身冶炼条件寻求合适的冶炼强度。
    在寻求具体冶炼条件下与合适冶炼强度相对应的最佳操作点时，项钟庸等提出的炉腹煤气量(VBG，m3/t)，吨铁风口燃料燃烧产生供冶炼需要的热量(QSPCE，GJ/t)，风口前理论燃烧温度(tF，℃)为控制参数，以诺模图形式表达的高炉操作图，有着很好的指导生产的实际意义。
    3降低燃料比的技术问题
    降低高炉燃料比，尤其是焦比是高炉炼铁技术发展的动力。研究和生产实践表明实现低燃料比需以精料为基础，采用其它热量代替焦炭在风口前燃烧放出的热量的技术，例如提高风温，喷吹燃料。采用降低吨铁热量消耗的技术，例如脱湿鼓风，低硅，提高煤气热能与化学能利用率，减少热损失等。
    3.1精料
    在精料方面要重视三个方面的工作：优化配料和工艺生产以针状铁酸钙为粘结相的高还原性、高强度、粒度组成好的高碱度烧结矿( SFCA)；往球团矿配料中添加MgO，生产含MgO的球团矿，作为合理炉料结构的优质酸性料；通过配煤和优化炼焦工艺生产适合大型高炉要求的焦炭。
    3.1.1  高碱度烧结矿( SFCA)
    为获得优质高碱度烧结矿要做到：
    ①优化配料。首先，进行烧结用含Fe料的高温烧结性能测定，即测定同化性（与CaO反应形成液相的能力）、粘结相自身强度、SFCA生成的难易程度和生成的稳定性等。通过对比，选择同化性好、液相生成量多、流动性适宜、粘结相强度高、还原性好等矿粉组成混合料方案。其次，根据线性配料计算，选择既能满足高温烧结特性，又具有较低采购成本的矿粉修改配料方案。
    ②根据生产SFCA的要求，优化烧结工艺。
    3.1.2  含MgO球团矿
    往球团矿原料配入适量含MgO物料达到两个目的：第一，用MgO提高球团矿的冶金性；第二，通过冶炼过程MgO进入炉渣，改善炉渣性能和提高炉渣脱S能力。所谓改善炉渣性能是以MgO破坏高Al2O3炉渣中的复合铝氧离子团来降低炉渣黏度，适应使用东半球富矿造成的高Al2O3炉渣遇到的问题，配入球团矿的MgO量要根据高炉冶炼的要求确定。
    3.1.3  焦炭
    随着高炉大型化，大喷煤量和高强化冶炼的发展，焦炭质量对高炉冶炼的影响更加明显。在焦炭块表面与中心温度差(200℃)造成的热应力；CO2、K2O、Na2O等与焦炭中C反应造成焦炭表面成蜂窝状；强度变差以及下降过程中的摩擦等原因造成焦炭破损严重，入炉焦平均粒度与风口焦平均粒度的变化证实了这种破损：喷煤100 kg/t时，焦炭平均粒径由50.4 mm降到23 mm，喷煤200 kg/t时，它由53.04 mm降到17.15mm。我们认为焦炭质量已成为限制高炉炉容的因素之一，限制喷煤量的因素之一，也是炉缸状况的决定性因素之一。
    3.2风温问题
    风温问题上存在着高炉能接受多高风温和热风炉系统能稳定地提高到多高的风温。高炉喷吹燃料以后，能接受高风温的问题已得到解决，即使1400℃风温也能为高炉所接受。现在的问题是热风炉到底能稳定地提高到多高的风温。20世纪80年代，人们追求的是1400℃风温。欧洲和日本的高炉也有少数使用了1300～1350℃风温。但是20世纪末，21世纪初，风温普遍稳定在1200±50℃。目前的技术还不能长期保证提供1300～1400℃风温，而使热风炉一代寿命与高炉一代寿命同步，而人们现在要求热风炉一代为高炉二代服务，提供稳定的1200℃风温。
    造成这一现象的主要原因是燃烧过程形成的NOx和SOx对热风炉寿命影响太大，尚没有完善的技术来抵御NOx与SOx形成的酸对炉壳的晶界腐蚀，从而使热风炉技术达不到15～30年的要求，而快速和大量生成NOx的温度正是热风炉的燃烧火焰温度1450℃左右。
    热风炉燃烧单一高炉煤气达到火焰温度1450℃的技术已完全掌握。因此，问题集中在热风炉拱顶温度控制在1350±50℃的条件下，为高炉提供1200～1250℃风温，就是要采取一系列技术措施将t拱与t风的温差稳定在100℃左右。这些技术措施有：
    (1) 加强热风炉蓄热室内的辐射和对流传热，使其在燃烧期内贮存更多的高温热量。在送风期内鼓风在下部吸取更多的热量以节约上部高温热量，使t拱下降速度减慢来缩小t拱与t风温度差。为此采用格孔相对较小的19孔砖，并对高温区格子砖浸泡强化辐射的物质。
    (2) 改进换炉操作，适当缩短送风周期时间。例如，由1h改为40～45min，可缩小t拱与t风温度差20～40℃；或者采用交叉并联（4座热风炉）或半交叉并联（3座热风炉）送风，均可以缩小t拱与t风温度差。
    (3) 改进热风炉炉篦子和支柱材质，使其正常工作温度提高到450～500℃，以便将废气温度提高，废气温度每提高100℃，可缩小t拱与t风的温度差40℃。
    3.3脱湿鼓风问题
    在现今的高炉炼铁条件下，富氧3%左右，风温1200 ～1250℃，喷煤150 kg/t以上，可以肯定地说，鼓风应脱湿而不是加湿。中国沿海地区、南方湿度大且波动大的地区、昼夜温差大的地区，应采用鼓风脱湿技术。脱湿可取得的效果为：
    (1)减少湿度波动对炉况的影响。鼓风中lgH2O使风口前的t理波动6～9℃，昼夜大气湿度波动4～6g/m3，可造成炉缸热状态发生几十度的波动，消除这种影响可使产量提高。
    (2)提高喷煤量，每脱除1g H2O可增加喷煤1.5～2.0 kg。
    (3)采用全冷脱湿方式，可将风机吸风口的温度降到冬季水平，改善了风机的吸风条件。
    (4) 降低焦比。脱除1g H2O可降低焦比约0.7～1.0 kg。
    据不完全估算，对江南地区4000m3级高炉来说，脱湿到冬季水平时，可节焦24000t/a，提高喷煤4560t/a；因吸风条件改善，风机功率降低5％～10％，增产174000t/a，总效益大约在8000万元/a。
    3.4喷吹煤粉问题
    在具体生产条件下，不仅有一个合适的冶炼强度问题，而且还有一个合适喷煤量的问题。因为喷煤量受到炉缸热状态，煤粉燃烧速率，高炉稳定顺行，置换比和操作水平等多方面因素的限制。超过冶炼条件允许的合适喷煤量后，不是炉况变坏就是未燃煤粉量大幅增加，在高炉内无法全部消化掉而造成煤粉在高炉内的利用率和置换比降低，还可能使燃料比升高。最明显的特征就是除尘灰和布袋灰中含碳量大幅度升高，有的高炉布袋灰中含C高达45%以上。
    在现今中国高炉炼铁的条件下，合适的喷煤量应该是120～150kg/t。国内外高炉炼铁低燃料比的生产业绩也证实这种认识。
    生产实践表明，要将喷吹量提高到150 kg/t以上，到200 kg/t而燃料比又低于500 kg/t，必须创造以下冶炼条件：渣量280kg/t以下；风温1200～1250℃；富氧3.5%左右；脱湿维持全年湿度在冬季水平；焦炭强度M40大于89%，M10小于6%，CRI小于24%，CSR大于65%；入炉平均粒度50 mm；喷吹混合煤，其挥发分控制在20%±2%，灰分和硫分低于焦炭；均匀喷吹，风口间喷煤量的差别应控制在5%以下，彻底消除脉冲式喷煤；精心操作，保证炉缸有充沛的高温热量，炉况稳定顺行等。在生产中只要有1～2项做不到，就不宜将喷煤量提高。
    3.5煤气能量利用问题
    中国高炉炼铁的燃料比比国外的高出50～100kg/t，其主要原因之一是煤气利用差，高炉的CO利用率低而直接还原度高，造成吨铁热量消耗高，迫使在风口前燃烧更多的燃料供冶炼需要的热量。搞好煤气流合理分布，充分利用煤气的化学能与热能是中国炼铁工者的一项重要工作。
    根据铁矿石还原热力学计算，理论上煤气利用率应在0.6～0.65。实际上，先进高炉煤气利用率在0.52～0.54，一般高炉在0.45～0.48，落后高炉则不足0.4，所以煤气化学能利用还有相当大的潜力。
    从矿石还原动力学研究分析，改善煤气利用的途径在于提高含Fe矿石的还原性和使煤气流分布合理。
    .提高含Fe料的还原性
    从已有含Fe料的冶金性能比较中可以认定以针状铁酸钙为粘结相的高碱度烧结矿SFCA还原性最好，与之搭配含MgO酸性球团矿的还原性也是好的，建议尽量使用它们作为合理炉料结构的组成，以改善间接还原。
    .合理煤气流分布
    煤气从燃烧带内形成上升到炉顶，经历了三次分配：离开燃烧带时的初始分配，流经软熔带时的二次分配，经块状带到达炉顶时的三次分配。只有搞好这三次分配，才可使炉内整体煤气分布合理，并充分利用煤气的化学能和热能，实现低的燃料比。
    煤气初始分配受燃烧带大小和燃烧带上方和周边料柱透气性的影响。
    操作者用适合于冶炼条件的风速和鼓风动能，以及风口小套数来调节燃烧带大小。燃烧带上方与周边焦炭床的透气性取决于滴落带中焦炭的空隙度、渣铁在焦床中的滞留率以及焦炭落入燃烧带时的状况。这要求焦炭具有好的高温性能（CRI和CSI）保证滴落带内的空隙度，也要求吨铁渣量少，降低滞留率，使煤气通过的实际通道稳定，有足够的煤气量向中心分布。
    煤气二次分配在流经软熔带时实现。煤气流到软熔带时发生方向改变，通过焦炭层（焦窗）流入块状带，焦窗数目，焦层厚度和焦层内的空隙度成为煤气二次分配的决定性因素。
    生产中要选择适宜的焦窗数目，采用大料批增加焦层厚度（焦窗高度），提高焦炭热态性能以保持有较大的空隙度，要特别强调的是调负荷应保持焦批不动，调矿石批重。如果频繁地调焦炭批重将造成焦窗高度和焦窗内的空隙度的变化，对煤气流二次分布不利。
    煤气三次分配在块状带内实现，决定其分配的是料柱的空隙度。由于块状带炉料运动保持着层状活塞型下降，因此影响三次分配的是炉顶装料制度和烧结矿的低温还原粉化等造成的粒度变化。
    4　结论
    (1)全面贯彻“高效，优质，低耗，长寿，环保”十字方针，要用与冶炼条件相适应的合适冶炼强度，要大力降低燃料比。
    (2)应用炉腹煤气量，风口前燃烧产生的热量，风口前理论燃烧温度为参数的诺模图-高炉操作图可以找到合适冶炼强度的参考值。
    (3)充分发挥SFCA的优越性，搭配含MgO球团矿是低燃料比冶炼的基础。要特别重视焦炭的热态性能，它是决定高炉炉容大小，喷煤量多少和煤气流合理分布的重要因素。
    (4)热风炉要在拱顶温度1350～1400℃的情况下为高炉提供1200～1250℃风温。
     (5)高炉鼓风脱湿是实现低燃料比，大喷煤量的重要技术手段。
    (6)生产中要根据冶炼条件探索低燃料比下的合适喷煤量，达到节能减排。
    (7)提高煤气利用率是降低燃料比的关键技术之一，需探索三次煤气流分配，以提高煤气利用率。