陳東峰

（馬鋼股份有限公司技術(shù)中心，安徽 馬鞍山243000）

1 前 言

國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究表明［1-3］，高爐風(fēng)口回旋區(qū)外側(cè)一層致密的“鳥(niǎo)巢”形狀的殼，是由風(fēng)口渣粘結(jié)煤粉中C焦化形成的，殼的厚度與風(fēng)口渣熔點(diǎn)和黏度有關(guān)，2003年瑞典LKAB高爐通過(guò)噴吹轉(zhuǎn)爐渣和其他堿性物料，可調(diào)節(jié)高爐爐渣（R2在1.1左右）成分，消除風(fēng)口酸性渣（R2在0.2 左右）和爐腹堿性渣（R2在1.4左右）的極端狀況。

一些文獻(xiàn)［4-6］研究表明高爐風(fēng)口噴吹熔劑和煤粉，熔劑在高爐風(fēng)口區(qū)與噴吹煤粉燃燒產(chǎn)生的灰分混合，生成堿度較高的風(fēng)口渣，可以避免單純噴吹煤粉時(shí)，高SiO2和Al2O3在回旋區(qū)邊緣表面形成黏度高、熔點(diǎn)高的酸性風(fēng)口渣，改善高爐風(fēng)口區(qū)域的透氣性，降低高爐鐵水的硅、硫含量，以及風(fēng)口渣的黏度，減少高爐風(fēng)口渣量，提高初渣穩(wěn)定性，有利于高爐增產(chǎn)和擴(kuò)大噴煤，提高高爐生產(chǎn)率，降低高爐焦比。

2 熔劑、煤粉的理化特性及粉體特性

2.1 熔劑和煤粉的理化特性

表1 顯示了馬鋼股份公司鐵前系統(tǒng)常用的熔劑及利民鋼渣公司加工的鋼渣微粉的成分和粒度情況，如果將熔劑與煤粉混合噴吹，還要采用磨礦機(jī)磨制熔劑，直到80%以上粒度＜0.075 mm。表2和表3 分別顯示了馬鋼股份公司2020 年噴吹煤粉（多種無(wú)煙煤和煙煤混合）的工業(yè)分析和灰分分析情況；灰分采用化學(xué)檢驗(yàn)方法。

表1 不同類(lèi)型熔劑的化學(xué)成分及粒度 %

表2 馬鋼2020年噴吹煤粉工業(yè)分析結(jié)果

表3 馬鋼噴吹煤粉灰分成分檢測(cè)結(jié)果

從表2、表3可以看出，馬鋼目前噴吹混合煤粉的灰分在8.99%，灰分的主要成分SiO2和Al2O3占75%以上，堿度0.14 與瑞典LKAB 高爐風(fēng)口渣試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果相近。

2.2 熔劑和煤粉的粉體特性

采用粉體特性測(cè)試儀可以通過(guò)安息角、平板角和密度等參數(shù)計(jì)算流動(dòng)特性指數(shù)和噴流性指數(shù)。煤粉的流動(dòng)特性指數(shù)是指管道運(yùn)輸、煤粉堆放及煤粉在管道中的氣力輸送過(guò)程中的性能參數(shù)。煤粉的噴流特性指數(shù)是指煤粉在風(fēng)口回旋區(qū)的彌散程度。試驗(yàn)設(shè)備采用BT—1001 智能粉體特性測(cè)試儀，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4 可以看出，4 種熔劑與煤粉的密度大小生石灰＜混合煤粉＜白云石＜石灰石＜鋼渣微粉；安息角是生石灰、混合煤粉、鋼渣微粉3 個(gè)相近，均在53.3°～53.6°；白云石和石灰石相近在45°～47°；噴流性指數(shù)是生石灰＞混合煤粉=鋼渣微粉＞石灰石＞白云石。綜合幾種熔劑得出鋼渣微粉和生石灰與混合煤粉的流動(dòng)性指數(shù)和噴流性指數(shù)相近，但堆密度最相近的是生石灰，因此，建議煤粉與生石灰混合噴吹，輸送、噴吹時(shí)產(chǎn)生偏析程度較低。

表4 粒度<0.075 mm 熔劑和煤粉的粉體特性

3 熔劑、煤粉搭配方案及爆炸性

3.1 熔劑、煤粉搭配方案

目前我國(guó)大型高爐噴吹煤粉量噸鐵150 kg 左右，基本上不需配熔劑就能滿足高爐透氣、透液性需要?？紤]到提高煤粉比例降低焦炭配比，要在噴吹煤粉中配入熔劑。因此，設(shè)計(jì)提高噴煤量30 kg/t 鐵，即煤粉量180 kg/t 鐵。熔劑、煤粉配比情況及混合物中熔劑比例見(jiàn)表5。風(fēng)口渣也依據(jù)該方案設(shè)計(jì)。

表5 試驗(yàn)熔劑及煤粉搭配方案

3.2 熔劑、煤粉混合物的爆炸性

煤粉爆炸性實(shí)驗(yàn)步驟采用＜0.075 mm 的煤粉和煤粉、熔劑混合物用量1 g，加熱設(shè)備到達(dá)設(shè)定溫度（800～1 000 ℃），打開(kāi)氣泵開(kāi)始噴吹煤粉，氣流攜帶煤粉噴濺到熱電阻絲（800～1 000 ℃），被熱電阻絲點(diǎn)燃，觀察對(duì)應(yīng)回火焰長(zhǎng)度。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 爆炸性測(cè)試結(jié)果

從圖1可以看出，熔劑對(duì)煤粉的爆炸性均有不同程度的抑制作用，隨著熔劑在煤粉中的添加比例增加，抑制作用增強(qiáng)。不同熔劑間抑制爆炸的順序?yàn)椋荷遥间撛⒎郏及自剖际沂?。可能與碳酸鹽分解吸熱和煤粉混入熔劑揮發(fā)分比例降低有關(guān)，提高煙煤比例會(huì)導(dǎo)致煤粉爆炸性增強(qiáng)，配入石灰石或者白云石可以起到抑制煤粉爆炸的作用。

4 熔劑、煤粉混合噴吹對(duì)風(fēng)口區(qū)域的影響

按照表1、表3 和表5 中熔劑、煤粉成分及其搭配情況，計(jì)算得出風(fēng)口渣成分，實(shí)驗(yàn)室配制出不同比例和不同熔劑類(lèi)型的風(fēng)口渣二元堿度和四元堿度，見(jiàn)圖2。

圖2 風(fēng)口渣堿度

從圖2 可以看出，風(fēng)口渣二元堿度（CaO/SiO2）影響變化順序是生石灰＞石灰石＞鋼渣＞白云石，風(fēng)口渣四元堿度（（CaO+MgO）/（SiO2+Al2O3））影響變化順序是生石灰＞石灰石=白云石＞鋼渣。

4.1 風(fēng)口渣的熔點(diǎn)

灰錐收縮25%為軟化溫度，收縮50%為半球溫度（灰熔點(diǎn)），收縮75%為流動(dòng)溫度。混合煤粉沒(méi)有固定的灰熔點(diǎn)，存在熔化的溫度區(qū)間。一般情況下，煙煤的灰熔點(diǎn)低，無(wú)煙煤的灰熔點(diǎn)高［7-9］。在鼓風(fēng)參數(shù)和高爐原料參數(shù)一定的情況下，熔化的溫度區(qū)間決定了風(fēng)口鳥(niǎo)巢區(qū)的渣殼層厚度，熔點(diǎn)高低決定了風(fēng)口回旋區(qū)大小。噸鐵噴吹量一致的情況下，降低熔點(diǎn)的順序見(jiàn)圖3。

從圖3可以看出，煤粉分別與石灰石、生石灰、鋼渣微粉混合噴吹時(shí)，風(fēng)口渣的熔點(diǎn)均逐漸降低。風(fēng)口渣從軟化到融化時(shí)的溫度差，存在先增大后降低的現(xiàn)象；煤粉與白云石混合噴吹時(shí)，風(fēng)口渣的熔點(diǎn)先逐漸降低后升高，風(fēng)口渣從軟化到融化時(shí)的溫度差變化波動(dòng)規(guī)律性不強(qiáng)。

圖3 風(fēng)口渣的熔點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)圖

風(fēng)口渣的熔點(diǎn)見(jiàn)圖4。從圖4 可以看出，噸鐵噴吹量一致的情況下降低熔點(diǎn)大小的順序是：生石灰＞石灰石＞鋼渣＞白云石。根據(jù)圖2 數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的二元堿度為0.62～0.8，溫度降低幅度在100～150 ℃。原因在于噴吹量一致情況下熔劑中的提供助熔作用的CaO+MgO總量不一致。

圖4 風(fēng)口渣熔點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)

4.2 風(fēng)口渣的黏度

高爐渣（R2在1.1～1.2）黏度檢測(cè)設(shè)備的最高溫度1 500 ℃，不能檢測(cè)風(fēng)口酸性渣（R2＜0.8）黏度。選取部分弱酸性風(fēng)口渣進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖5。根據(jù)文獻(xiàn)［10］，采用FactSage 軟件依據(jù)風(fēng)口渣成分計(jì)算黏度，見(jiàn)圖6，結(jié)合風(fēng)口理論燃燒溫度2 000 ℃以上，風(fēng)口回旋區(qū)平均溫度在1 650 ℃左右，以1 600 ℃風(fēng)口渣黏度為標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 風(fēng)口渣黏度檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖6 風(fēng)口渣的黏度FactSage軟件計(jì)算結(jié)果

從圖5 和圖6 可以看出，噸鐵噴吹量一致的情況下，降低黏度大小的順序是：生石灰＞石灰石＝鋼渣＞白云石。降低幅度最大的點(diǎn)是生石灰6 kg、石灰石9 kg、鋼渣9 kg、白云石9 kg。根據(jù)圖2 數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的二元堿度，生石灰0.83、石灰石0.69、鋼渣0.85、白云石0.55，四元堿度生石灰0.49、石灰石0.46、鋼渣0.48、白云石0.50。生石灰6 kg、石灰石9 kg、鋼渣9 kg、白云石9 kg 時(shí)風(fēng)口渣的黏度分別從2.754 Pa·s下降到0.275、0.314、0.327、0.284 Pa·s，下降幅度均在85%以上；鋼渣為鋼鐵廠內(nèi)部產(chǎn)生，鋼渣利用效果也較好。

生石灰、石灰石與煤粉灰分形成的風(fēng)口渣主要成分為CaO、SiO2、Al2O3；鋼渣微粉、白云石與煤粉灰分形成的風(fēng)口渣主要成分為CaO、SiO2、Al2O3、MgO、FeO。隨著不同種類(lèi)熔劑的添加比例變化，渣中礦物類(lèi)型及比例變化，高溫液相中未熔固溶體顆粒增加，導(dǎo)致黏度改變。

5 結(jié) 論

5.1 粉體輸送和爆炸特性分析，鋼渣微粉和生石灰與混合煤粉的流動(dòng)性指數(shù)和噴流性指數(shù)相近；煤粉燃燒率提高順序?yàn)樯遥句撛⒎郏臼沂景自剖?；熔劑抑制爆炸的順序?yàn)樯遥间撛⒎郏及自剖际沂?，提高煙煤比例噴吹，可以考慮白云石和石灰石與煤粉混合噴吹。

5.2 高爐風(fēng)口渣的熔點(diǎn)和黏度分析，選用生石灰噴吹量少，降低熔點(diǎn)和黏度效果好，考慮資源利用，煤粉中摻入4.78%的鋼渣微粉或者3.23%的生石灰粉，風(fēng)口渣熔點(diǎn)降低100 ℃以上，黏度降低85%以上，可以提高風(fēng)口區(qū)的透氣性和透液性，提高高爐利用系數(shù)。

5.3 噸鐵噴吹煤粉由150 kg提高到180 kg，噸鐵配入熔劑9 kg，噸鐵焦炭消耗降低28 kg，富氧率增加1.5%，高爐利用系數(shù)增加了0.04 t（/m3·d）以上，噸鐵成本降低16.1元。