邵思維，謝明輝，何沖，車玉滿，姜喆

（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

裝料制度即通過調(diào)整高爐各環(huán)位的角度、布料圈數(shù)以在高爐爐喉徑向上形成具有不同的布料平臺(tái)寬度、料層厚度、徑向O/C比分布等參數(shù)的特定料面形狀，進(jìn)而調(diào)節(jié)高爐塊狀帶煤氣分布及軟融帶特性，最終達(dá)到穩(wěn)定合理的煤氣利用結(jié)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(fù)雜，實(shí)驗(yàn)室難以有效模擬布料參數(shù)對(duì)高爐參數(shù)的影響，且實(shí)際生產(chǎn)中，布料平臺(tái)寬度通常僅小幅調(diào)整，持續(xù)時(shí)間短，數(shù)據(jù)量龐大，噪聲多，難以滿足研究條件。因此，目前對(duì)裝料制度參數(shù)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(jiǎn)稱“煉鐵總廠”）高爐大數(shù)據(jù)的建立，收集了5號(hào)高爐（2580 m，爐喉直徑 4.1 m）自 2019 年開始，歷時(shí)一年的高爐布料逐步調(diào)整數(shù)據(jù)，并結(jié)合鞍鋼自行開發(fā)的計(jì)算程序，研究了布料參數(shù)對(duì)高爐指標(biāo)的影響，本文對(duì)此做一介紹。

1 布料平臺(tái)寬度計(jì)算方法

本研究采用鞍鋼實(shí)際激光測(cè)料面驗(yàn)證效果較好的公式進(jìn)行計(jì)算。

1.1 爐料落入溜槽前速度

爐料進(jìn)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(shí)測(cè)爐料出節(jié)流閥時(shí)的流量，m/s；

S

為節(jié)流閥投影面積，m；

l

為節(jié)流閥周邊邊長(zhǎng)，m；

d

為爐料平均粒度，m。

當(dāng)爐料與溜槽碰撞后，爐料的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)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(shù)。

1.2 爐料落入溜槽后速度

爐料離開溜槽時(shí)的末速度見公式（3）。

式中，

v

為爐料離開溜槽時(shí)的速度，m/s；

l

為溜槽有效長(zhǎng)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(shù)；

w

為溜槽角速度，rad/s。

式中，

L

為溜槽長(zhǎng)度，m；

e

為溜槽傾動(dòng)距，m。

1.3 爐料在空區(qū)的運(yùn)動(dòng)

爐料離開溜槽后，受重力和煤氣阻力作用做斜下拋運(yùn)動(dòng)。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(diǎn)與高爐中心點(diǎn)距離見公式（5）。

式中，

r

為爐料落點(diǎn)位置，m；

t

為爐料離開溜槽后的下落時(shí)間，s；

h

為溜槽末端至料線處的垂直距離，m。

1.4 布料平臺(tái)寬度計(jì)算

考慮邊緣礦石會(huì)向邊緣滾動(dòng)，布料平臺(tái)最外落點(diǎn)定為貼近爐墻，平臺(tái)最內(nèi)落點(diǎn)為最小礦角落點(diǎn)，不考慮其向中心滾動(dòng)的距離。布料平臺(tái)寬度見公式（7）。

式中，

L

p為布料平臺(tái)寬度，m；

R

為爐喉半徑，m；

r

為最小礦角礦石落點(diǎn)距爐喉中心距離，m。

2 高爐裝料制度研究

2.1 裝料制度調(diào)整過程

2019年5 號(hào)高爐提升了風(fēng)量及產(chǎn)能，逐步將布料平臺(tái)寬度由1.25 m縮短至0.86 m，裝料制度調(diào)整過程見表1。期間風(fēng)量按預(yù)期大幅提高，9月開始嘗試礦石4環(huán)位布料，但4環(huán)布料后氣流“蹺蹺板”現(xiàn)象明顯,即中心和邊緣氣流反復(fù)此消彼長(zhǎng)，兩股氣流均不穩(wěn)定。后改回5環(huán)布料，布料平臺(tái)寬度0.96 m，但隨著平臺(tái)寬度的縮短，燃料比升高了15～20 kg/t。

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

2.2 裝料制度調(diào)整效果

依托高爐大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，利用計(jì)算落點(diǎn)的編程程序進(jìn)行計(jì)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(shù)與高爐指標(biāo)關(guān)聯(lián)推移圖，具體見圖1。

由圖1可以看出，隨著布料平臺(tái)寬度的逐步縮短，高爐風(fēng)量和綜合焦比均有明顯增加，如圖1中①、②標(biāo)記處。中心加焦比例和綜合焦比也有較好的正相關(guān)性，但在時(shí)間上有1～3天的延時(shí)。且當(dāng)中心焦比例和布料平臺(tái)寬度同時(shí)同向調(diào)整時(shí)，即中心焦比例增加、布料平臺(tái)寬度縮短，對(duì)綜合焦比的影響非常明顯，如圖1中③標(biāo)記處。

圖1 高爐制度參數(shù)與高爐指標(biāo)關(guān)聯(lián)推移圖Fig.1 Transition Diagram of Relationship between BF System Parameters and BF Indexes

3 布料平臺(tái)寬度影響分析

3.1 布料平臺(tái)寬度對(duì)風(fēng)量的影響分析

高爐風(fēng)量和布料平臺(tái)寬度關(guān)系如圖2所示，可以看出，風(fēng)量和平臺(tái)寬度存在較明顯的關(guān)聯(lián)性。當(dāng)布料平臺(tái)寬度在1.06～1.25 m范圍時(shí)，縮短平臺(tái)寬度，風(fēng)量的提升效果最明顯；當(dāng)布料平臺(tái)寬度小于1.06 m時(shí)，仍能提升風(fēng)量但幅度減小。

圖2 高爐風(fēng)量和布料平臺(tái)寬度關(guān)系Fig.2 Relationship between Air Volume and Width of BF Distribution Platform

無(wú)礦區(qū)理論認(rèn)為，應(yīng)保證無(wú)礦區(qū)占爐喉面積比在 45%～50%以上。本研究中，當(dāng)高爐布料平臺(tái)寬度大于1.2 m時(shí)，風(fēng)量明顯大幅下降；當(dāng)平臺(tái)寬度為1.2 m時(shí)，其無(wú)礦區(qū)占比剛好為50%，這與無(wú)礦區(qū)理論完全相符。鞍鋼5號(hào)高爐無(wú)礦區(qū)占比較大，原因是其燒結(jié)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(hào)高爐布料平臺(tái)寬度極限范圍應(yīng)控制在0.9～1.2 m，且最佳平臺(tái)寬度為1.1 m，無(wú)礦區(qū)占比53.5%，此時(shí)能保證風(fēng)量及消耗達(dá)到最佳匹配。

3.2 布料平臺(tái)寬度對(duì)綜合焦比的影響分析

高爐布料平臺(tái)寬度、熱負(fù)荷、綜合焦比的三維散點(diǎn)分布如圖3所示。

圖3 高爐布料平臺(tái)寬度、熱負(fù)荷、綜合焦比的三維散點(diǎn)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(tái)寬度小于1.06 m后，綜合焦比波動(dòng)區(qū)間增加，分布趨于分散，氣流不穩(wěn)定，“蹺蹺板”現(xiàn)象嚴(yán)重，爐況波動(dòng)大；且隨著平臺(tái)寬度的縮短，爐體熱負(fù)荷升高。

對(duì)高爐各制度階段、不同布料平臺(tái)寬度的指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行階段均值統(tǒng)計(jì)，并利用階段均值進(jìn)行綜合焦比與平臺(tái)寬度、中心焦比例的二元回歸分析。高爐各制度階段參數(shù)均值及二元回歸預(yù)測(cè)值統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 高爐各制度階段的參數(shù)均值及二元回歸預(yù)測(cè)值統(tǒng)計(jì)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(tái)寬度的二元回歸結(jié)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(tái)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(diǎn)的情況下，70%的擬合度已經(jīng)能較好的模擬綜合焦比與中心加焦及布料平臺(tái)寬度之間的關(guān)系，其模型預(yù)測(cè)的焦比偏差在（-7～1）kg/t范圍。經(jīng)計(jì)算得出，布料平臺(tái)寬度每減少0.1 m，焦比升高約2.51 kg/t。

4 結(jié)論

通過研究鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠5號(hào)高爐布料參數(shù)與風(fēng)量和綜合焦比的關(guān)系得出：

（1）布料平臺(tái)寬度在1.06～1.25 m范圍時(shí)，縮短平臺(tái)寬度，風(fēng)量的提升效果最明顯。小于1.06 m，仍能提升風(fēng)量但幅度減小,且兩股氣流不穩(wěn)定，“蹺蹺板”現(xiàn)象嚴(yán)重，爐況波動(dòng)大。

（2）5號(hào)高爐布料平臺(tái)寬度極限范圍應(yīng)控制在0.9～1.2 m，最佳平臺(tái)寬度為1.1 m，無(wú)礦區(qū)占53.5%，此時(shí)能保證風(fēng)量及消耗達(dá)到最佳匹配。

（3）布料平臺(tái)寬度和綜合焦比有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，布料平臺(tái)寬度每減少0.1 m，綜合焦比升高約2.51 kg/t。