周小輝

（萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，山東萊蕪 271104）

試驗(yàn)研究

萊鋼高爐風(fēng)口取樣研究

周小輝

（萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，山東萊蕪 271104）

通過(guò)風(fēng)口取樣，對(duì)萊鋼1#1 080 m3高爐風(fēng)口區(qū)域焦炭、堿金屬以及爐渣成分的變化情況進(jìn)行了詳細(xì)的檢測(cè)分析。結(jié)果表明，在高爐結(jié)瘤操作時(shí)，高爐風(fēng)口區(qū)焦炭粉化嚴(yán)重，死料柱的透氣性與透液性差，風(fēng)口焦炭堿金屬含量增加；高爐炸瘤后，隨著噴吹煤比的增加，風(fēng)口焦平均粒度有減小趨勢(shì)；風(fēng)口焦樣粒度沿高爐徑向向爐缸中心減??；風(fēng)口邊緣渣堿度比靠近中心渣堿度低。

高爐；風(fēng)口取樣；風(fēng)口焦；堿金屬

1 前言

焦炭在高爐中不僅提供熱源，而且起到料柱骨架、還原劑、滲碳劑的作用。當(dāng)前高冶強(qiáng)、大噴煤條件下高爐用焦炭質(zhì)量備受煉鐵工作者關(guān)注，尤其是軟熔帶及其以下高溫區(qū)焦炭質(zhì)量直接影響著高爐冶煉順行及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。焦炭在高爐內(nèi)的劣化，對(duì)爐料下行及透氣性有很大影響。一直以來(lái)，除高爐解剖外，人們無(wú)法真實(shí)了解高爐高溫區(qū)狀況，而風(fēng)口取樣是一種從高爐風(fēng)口徑向熱態(tài)取樣技術(shù)，具有取樣簡(jiǎn)單方便、還原保真性強(qiáng)等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)寶鋼［1-3］和攀鋼［4-5］都利用風(fēng)口取樣技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。通過(guò)風(fēng)口取樣分析不僅可定量地了解焦炭劣化程度和煤粉燃燒效果，對(duì)焦炭質(zhì)量和煤粉燃燒條件進(jìn)行直接評(píng)價(jià)，而且可以了解高爐下部及死料柱的活性，為爐缸侵蝕控制提供有益的指導(dǎo)。

鑒于風(fēng)口取樣技術(shù)對(duì)高爐操作指導(dǎo)的重要性，萊鋼對(duì)1#1 080 m3高爐進(jìn)行了風(fēng)口取樣，研究不同噴吹煤比情況下風(fēng)口焦炭劣化狀況以及渣鐵滯留等變化規(guī)律。

2 風(fēng)口取樣方法

目前國(guó)內(nèi)外風(fēng)口取樣技術(shù)有兩種：一種是在線取樣，另一種是離線取樣。離線又可分為風(fēng)口扒焦與取樣機(jī)爐芯取樣。

1）在線取樣。在線取樣是高爐正常生產(chǎn)時(shí)，用水冷取樣管通過(guò)直吹管插入風(fēng)口，測(cè)定回旋區(qū)鳥(niǎo)巢區(qū)的深度，風(fēng)口前火焰溫度和焦層溫度，同時(shí)可取出風(fēng)口前不同部位煤氣及固體顆粒等，但由于取樣少，很難獲得死料柱信息。這種取樣方法具有實(shí)時(shí)性，獲取的信息真實(shí)反應(yīng)了爐內(nèi)狀況，但對(duì)設(shè)備和高爐操作存在一定的危險(xiǎn)性，并且對(duì)設(shè)備技術(shù)及安全密封要求嚴(yán)格。

2）離線風(fēng)口扒焦取樣。離線扒焦取樣就是在高爐休風(fēng)后，將直吹管及小套拆下，直接用鐵耙子從風(fēng)口扒出焦樣進(jìn)行分析。這種方法只能取出沿爐墻下落的大塊爐腹焦，對(duì)風(fēng)口前焦炭的分析范圍有限，只能對(duì)入爐焦炭質(zhì)量和焦炭劣化情況作粗略的評(píng)價(jià)。

3）離線取樣機(jī)爐芯取樣。離線的爐芯取樣法則避開(kāi)了在線取樣的安全隱患，對(duì)取樣管材質(zhì)、冷卻條件和設(shè)備操作的要求明顯放寬。這種方法是在高爐休風(fēng)后用液壓設(shè)備將取樣機(jī)的取樣管推入爐內(nèi)，將取樣管上的蓋子拉出，爐內(nèi)焦炭落入取樣管內(nèi)，然后拉出樣品，讓樣品自然冷卻，分段取出樣品。該法較真實(shí)地還原了高爐風(fēng)口徑向?qū)嶋H狀況，取樣量也夠試驗(yàn)分析，同樣可得到在線取樣獲得的信息和參數(shù)。所以，從實(shí)用、安全的角度，采用休風(fēng)后進(jìn)行爐芯取樣的方法是非常適宜的。

為了既安全又較全面了解高爐風(fēng)口區(qū)域徑向狀況，萊鋼此次取樣采用了GQJ-2型離線爐芯取樣機(jī)，取樣深度最深達(dá)到4 m，取樣管按等分500 mm進(jìn)行格分，以便于分析風(fēng)口徑向樣品狀況。

3 取樣結(jié)果分析

3.1 焦炭粒度

3.1.1入爐焦炭粒度

入爐焦炭粒度的大小及均勻性對(duì)高爐布料及爐料孔隙率有著很大影響，因此，高爐入爐焦炭粒度要求合理，而且要確保均勻。每次風(fēng)口取樣前進(jìn)行了相應(yīng)入爐焦炭取樣，取樣點(diǎn)為振動(dòng)篩上或過(guò)篩的焦炭，表1為入爐焦炭粒級(jí)組成。從表中可以看到，萊鋼入爐焦炭平均粒度約為59 mm，焦炭粒度集中分布在40～80 mm，處于兩頭粒度的焦炭比例占25%，比例偏大，有必要進(jìn)一步控制焦炭粒度范圍，使焦炭更加均勻。

表1 萊鋼入爐焦炭粒級(jí)組成

3.1.2風(fēng)口焦炭粒度

風(fēng)口徑向焦炭的粒度變化是焦炭在高爐內(nèi)受到碳溶反應(yīng)、磨損、破碎后最直接的表觀體現(xiàn)。其粒度分布狀況受入爐焦炭粒度、熱態(tài)性能及高爐操作條件等綜合影響。圖1為不同噴吹煤比情況下風(fēng)口取樣徑向焦炭粒度分布。從所取試樣直觀來(lái)看，風(fēng)口回旋區(qū)靠近爐墻邊緣的焦塊較大，細(xì)小焦炭很少，這些焦炭主要是從上方掉落下來(lái)的大塊焦，與入爐焦炭差不多，幾乎沒(méi)有受到損壞，而向越向中心粉末越多，小塊焦比例也增加，且觀察到1 000～1 500 mm段的風(fēng)口焦樣小塊較多，大多呈圓形，無(wú)明顯棱角。這是由于該區(qū)處在回旋區(qū)，焦塊在鼓風(fēng)作用下，焦炭相互磨損所致。向高爐中心，焦炭大小塊區(qū)別明顯，中間粒度焦炭相對(duì)較少。

從圖1中可以看到，風(fēng)口徑向焦炭在爐體邊緣最大，向爐中心焦炭平均粒度降低，煤比119 kg/t時(shí)由于高爐結(jié)瘤，高爐焦炭劣化特別嚴(yán)重，向爐中心焦炭平均粒度急劇下降，中心透氣性降低，這也是導(dǎo)致高爐結(jié)瘤后不接受風(fēng)量，高爐生產(chǎn)率顯著下降的原因。而在高爐正常生產(chǎn)時(shí)，可以看到，隨著噴煤比由150 kg/t增加至188 kg/t，風(fēng)口徑向焦炭劣化程度也增加。

由于噴吹煤比的增加，焦炭負(fù)荷增加，焦炭在高爐內(nèi)的停留時(shí)間延長(zhǎng)，焦炭在高爐內(nèi)的劣化加劇，焦炭的粉化率升高，高爐內(nèi)粉末量增加。圖2和圖3為高爐不同噴吹煤比時(shí)風(fēng)口徑向＜1 mm和＜5 mm的粉末量變化，從中可以看出，兩種變化趨勢(shì)相同，即向高爐中心粉末量增加，且噴吹煤比增大，風(fēng)口徑向粉末量增多。煤比150 kg/t及181 kg/t時(shí)，在1.5～2.0 m處粉末量顯著增加，而煤比188 kg/t時(shí)，在1.0～1.5 m處粉末量顯著增加。可以粗略估計(jì)這是回旋區(qū)的外圍，估計(jì)回旋區(qū)長(zhǎng)度在1.5 m左右，并且噴吹煤比增加，回旋區(qū)外圍有縮短趨勢(shì)。

圖2 風(fēng)口徑向＜1 mm粉末量

圖1 不同煤比風(fēng)口徑向焦炭粒度

圖3 風(fēng)口徑向＜5 mm粉末量

3.2 焦炭成分

3.2.1焦炭灰分

將風(fēng)口焦外表層渣鐵剝除干凈，對(duì)風(fēng)口焦中灰分變化分析見(jiàn)圖4。從圖中看出，隨著離風(fēng)口距離的增加，焦炭中的灰分含量先降低后升高，在爐內(nèi)回旋區(qū)焦炭中的灰分含量較小。風(fēng)口焦中灰分大于入爐焦。這是由于爐內(nèi)焦炭經(jīng)過(guò)渣鐵浸泡，灰分含量增加。由于高爐中心難以吹透，溫度相對(duì)于爐內(nèi)其他部位是較低位置，渣鐵流動(dòng)性較差，浸泡作用明顯。且中心死料柱更新慢，中心焦炭相對(duì)浸泡時(shí)間長(zhǎng)，因而灰分高。這在高爐爐況不順時(shí)更為明顯，圖4中煤比119 kg/t時(shí)風(fēng)口焦灰分顯著比煤比150 kg/t時(shí)高，且越向爐中心，灰分越高，就是因?yàn)楫?dāng)時(shí)高爐結(jié)瘤，爐況不順造成的。

3.2.2堿金屬

風(fēng)口徑向焦炭堿金屬含量見(jiàn)圖5和圖6。從圖中可以看出，堿金屬K2O和Na2O含量變化趨勢(shì)相同，都是從爐墻向中心先減小后增大，且都比入爐焦炭堿金屬含量高。圖中煤比119 kg/t時(shí)風(fēng)口焦炭堿金屬含量向中心顯著增加，這是由于高爐爐況不順，高爐結(jié)瘤引起高爐爐況失常，高爐排堿能力差所致。

3.3 渣鐵滯留狀況

3.3.1渣鐵滯留量

高爐風(fēng)口徑向渣鐵滯留情況（見(jiàn)圖7）一定程度上反應(yīng)死料柱的透氣性與透液性好壞。死料柱活性好，爐缸活躍，高爐順行，渣鐵滯留情況不明顯；相反，渣鐵滯留嚴(yán)重時(shí)，則一定程度上表明死料柱工作不好，高爐操作者應(yīng)進(jìn)行高爐操作調(diào)整，加快死料柱的更新，促進(jìn)爐況順行。

從圖7可以看出，風(fēng)口徑向渣鐵滯留量沿爐缸徑向中心呈逐漸升高趨勢(shì)。說(shuō)明向高爐中心，爐內(nèi)的透氣性變差，這實(shí)質(zhì)上是由于焦炭向爐中心粉化率升高，粉末含量增加，焦炭平均粒度減少而引起的。爐缸中心死料柱的透氣性差，必然導(dǎo)致煤氣無(wú)法穿透死料柱中心，因而死料柱內(nèi)溫度不足，導(dǎo)致中心渣鐵溫度不足，滯留量增大，進(jìn)一步惡化了中心死料柱的透氣性及透液性。因此，可以想象煤氣無(wú)法穿透中心死料柱，必然會(huì)助長(zhǎng)渣鐵液滴向風(fēng)口回旋區(qū)端部偏流，兩者的相互作用就有可能造成液滴的溢流，出鐵過(guò)程中也易加劇鐵水的環(huán)流，從而加劇對(duì)爐墻沖刷，冷卻壁溫度升高，不易于高爐長(zhǎng)壽?？梢酝ㄟ^(guò)風(fēng)口取樣獲得死料柱信息，及時(shí)調(diào)整高爐操作，減少鐵水環(huán)流，促進(jìn)高爐長(zhǎng)壽。

對(duì)風(fēng)口焦炭粒度與渣鐵滯留量進(jìn)行擬合分析，發(fā)現(xiàn)渣鐵滯留量Y與焦炭平均粒度X之間呈線性關(guān)系（見(jiàn)圖8），線性方程為：Y＝2 089－88.86X。

圖4 風(fēng)口徑向焦炭灰分含量

圖5 風(fēng)口徑向焦炭K2O含量

圖6 風(fēng)口徑向焦炭Na2O含量

圖7 風(fēng)口徑向渣鐵滯留量

圖8 風(fēng)口焦炭平均粒度與渣鐵滯留量擬合分析

3.3.2渣成分

對(duì)風(fēng)口取樣徑向滯留渣樣進(jìn)行挑選并對(duì)成分進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表2所示。

表2 風(fēng)口徑向渣成分

從表2可以看出，風(fēng)口徑向渣成分有較大不同，TFe含量也比終渣要高，堿度變化也較大。這是由于此處爐渣還不是終渣，渣鐵沒(méi)有完全分離，造渣過(guò)程還沒(méi)有完成的原因?？拷L(fēng)口區(qū)域由于焦炭及煤粉的燃燒，其燃燒灰分呈酸性。而中心主要是礦石軟熔還原造渣，所以靠近風(fēng)口區(qū)爐渣堿度要低于中心爐渣堿度，這點(diǎn)從取樣分析結(jié)果也可以看出，邊緣渣主要是黑色玻璃渣，靠近中心是白色石頭樣的短渣。

4 結(jié)論

4.1萊鋼入爐焦炭平均粒度為59 mm左右，焦炭粒度集中分布在40～80 mm之間，處于兩頭粒度的焦炭比例占25%左右，比例偏大，有必要進(jìn)一步控制焦炭粒度范圍，使焦炭更加均勻。

4.2風(fēng)口徑向焦炭平均粒度向高爐中心逐漸減小，且隨著噴吹煤比增加，平均粒度減小。萊鋼在目前焦炭質(zhì)量情況下，當(dāng)煤比增加至180 kg/t以上時(shí)，焦炭劣化嚴(yán)重，風(fēng)口徑向粉末量顯著增加。如果高爐出現(xiàn)透氣性變差，接受風(fēng)量困難的情況，高爐操作應(yīng)及時(shí)進(jìn)行焦炭負(fù)荷以及噴吹煤比調(diào)整，確保高爐合理的透氣性指數(shù)。

4.3渣鐵滯留量隨向高爐中心增加，且隨著噴吹煤比增加，滯留量增加。高爐結(jié)瘤操作，高爐內(nèi)堿金屬含量顯著增加，焦炭劣化加劇，中心粉末量大幅增加，死焦堆透氣性透液性變差，高爐不順會(huì)帶來(lái)惡性循環(huán)。因此，高爐操作應(yīng)該定時(shí)進(jìn)行高爐爐料堿負(fù)荷及排堿能力調(diào)查，避免爐內(nèi)堿金屬循環(huán)積累過(guò)量，造成高爐爐內(nèi)結(jié)瘤以及加劇焦炭粉化的不利影響。

4.4 對(duì)風(fēng)口焦炭粒度與渣鐵滯留量進(jìn)行擬合分析，渣鐵滯留量Y與焦炭平均粒度X之間呈線性關(guān)系，線性方程為：Y＝2 089－88.86X。高爐操作應(yīng)該通過(guò)布料調(diào)整、下部調(diào)劑以及加快渣鐵排放等措施來(lái)改善死焦堆的透氣性和透液性。

［1］徐萬(wàn)仁，張龍來(lái)，張永忠，等.高煤比條件下高爐風(fēng)口前現(xiàn)象的取樣研究［J］.寶鋼技術(shù)，2004（2）：37-42.

［2］徐萬(wàn)仁，吳鏗，朱仁良，等.提高噴煤量對(duì)高爐風(fēng)口焦性狀的影響［J］.鋼鐵，2005，40（2）：11-14.

［3］徐萬(wàn)仁，姜偉忠，張龍來(lái)，等.高爐風(fēng)口取樣技術(shù)及其在寶鋼的應(yīng)用［J］.煉鐵，2004，23（1）：13-17.

［4］蔣勝.攀鋼焦炭在爐內(nèi)的性能變化研究［J］.四川冶金，2006，28（6）：4-7.

［5］蔣勝.風(fēng)口取樣裝置在攀鋼的應(yīng)用［J］.四川冶金，2005，27（4）：7-9.

TF521

：A

：1004-4620（2014）01-0028-03

2013-11-27

周小輝，男，1981年生，2005年畢業(yè)于江西理工大學(xué)冶金工程專(zhuān)業(yè)，北京科技大學(xué)工程碩士?，F(xiàn)為萊鋼技術(shù)中心工程師，從事鐵前工藝技術(shù)研發(fā)工作。