吳官印，李黎明，姜彥冰，蔣益，何沖，邵思維

（1. 海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山 114009；2. 鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；3. 鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007）

鼓風(fēng)動(dòng)能是高爐各種復(fù)雜參數(shù)的綜合體現(xiàn)，也是高爐下部調(diào)劑效果的量化結(jié)果，目前已經(jīng)成為高爐操作與爐況調(diào)劑的一個(gè)重要參數(shù)。 鼓風(fēng)動(dòng)能決定了風(fēng)口回旋區(qū)的大小和形狀，對(duì)初始煤氣流分布和爐料下降有著重要影響[1]。鼓風(fēng)動(dòng)能過大和過小都將導(dǎo)致煤氣流分布不合理，爐況不穩(wěn)定。實(shí)踐證明，高爐只有在合理風(fēng)速條件下生產(chǎn)才能保證爐缸的正常工作，才能實(shí)現(xiàn)高爐生產(chǎn)的長期穩(wěn)定與順行。

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司統(tǒng)計(jì)了2 號(hào)高爐（4038 m3）歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，分析了各階段生產(chǎn)運(yùn)行特點(diǎn)，重點(diǎn)探討了2 號(hào)高爐鼓風(fēng)動(dòng)能的合理范圍及其適用性，為高爐調(diào)整鼓風(fēng)參數(shù)提供了理論依據(jù)。

1 高爐各階段生產(chǎn)運(yùn)行特點(diǎn)

2 號(hào)高爐于2009 年4 月開爐，高爐鼓風(fēng)動(dòng)能變化趨勢(shì)如圖1 所示。 由圖1 可以看出，鼓風(fēng)動(dòng)能 的變化趨勢(shì)具有明顯的階段性特征。

圖1 高爐鼓風(fēng)動(dòng)能變化趨勢(shì)Fig. 1 Variation Trend for Blast Kinetic Energy of BF

收集2 號(hào)高爐歷史數(shù)據(jù)，并將歷年生產(chǎn)數(shù)據(jù)中高爐計(jì)劃檢修、年修、中修以及因?yàn)樵O(shè)備等外界原因短暫影響的數(shù)據(jù)刪除掉。 結(jié)合高爐生產(chǎn)實(shí)踐情況，將2009 年6 月至2020 年8 月分成多個(gè)具有典型特征的生產(chǎn)階段，對(duì)各階段高爐生產(chǎn)運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行分析。 高爐各階段主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 高爐各階段經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)及評(píng)價(jià)Table 1 Economic and Technical Indexes and Evaluation for BF at Each Stage

1.1 開爐達(dá)產(chǎn)階段

2009 年6 月至2010 年8 月在開爐達(dá)產(chǎn)階段，2 號(hào)高爐順行穩(wěn)定，強(qiáng)度得到有效釋放，富氧率最高達(dá)到4.5%，平均風(fēng)量達(dá)到6 486 m3/min，利用系數(shù)達(dá)到2.270 t/（m3·d），鼓風(fēng)動(dòng)能維持在119～138 kJ/s。但由于開爐初期設(shè)備和人員都處于一個(gè)磨合階段，開爐達(dá)產(chǎn)階段幾乎每個(gè)月都發(fā)生了設(shè)備事故，對(duì)高爐各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)一步向優(yōu)產(chǎn)生一定影響。

1.2 低焦比經(jīng)濟(jì)冶煉階段

2011 年5 月至2014 年12 月隨著高爐限產(chǎn)、干熄焦比例波動(dòng)、設(shè)備事故等因素影響，高爐進(jìn)入低焦比經(jīng)濟(jì)冶煉階段。此階段高爐通過增加焦炭負(fù)荷、減少送風(fēng)面積、降低富氧率、控制入爐風(fēng)量等手段實(shí)現(xiàn)低強(qiáng)度、低消耗的冶煉特征，燃料比最低達(dá)到473 kg/t。但隨著時(shí)間延長，低鼓風(fēng)動(dòng)能導(dǎo)致高爐爐缸活性下降，高爐接受風(fēng)量能力下降，順行狀態(tài)也逐漸變差，異常爐況多發(fā)。

1.3 使用經(jīng)濟(jì)料冶煉階段

2015 年1 月至2016 年4 月高爐中修前，高爐受使用低價(jià)料以及冷卻設(shè)備漏水嚴(yán)重等因素影響，鼓風(fēng)動(dòng)能維持在103 kJ/s 左右，最低降至91.9 kJ/s，平均利用系數(shù)下降到1.805 t/（m3·d），燃料比平均值為543 kg/t，風(fēng)量平均值為5 573 m3/min，高爐穩(wěn)定性極差，崩滑料、管道、懸料等異常爐況時(shí)有發(fā)生。

1.4 “平臺(tái)+漏斗”料制階段

2016 年6 月高爐中修開爐至2016 年12 月，2 號(hào)高爐進(jìn)行了為期7 個(gè)月的“平臺(tái)+漏斗”料制生產(chǎn)探索，此階段鼓風(fēng)動(dòng)能在95.0～123.8 kJ/s 波動(dòng)，平均值為110.8 kJ/s，風(fēng)量平均值為5 933 m3/min，燃料比平均500 kg/t（2 號(hào)高爐一代爐役歷史上平均燃料比最優(yōu)值即出現(xiàn)在這一時(shí)期），利用系數(shù)平均1.919 t/（m3·d）左右，雖然此階段燃料消耗低，但由于風(fēng)量一直維持偏少，鼓風(fēng)動(dòng)能長期維持在110 kJ/s左右，中心氣流不夠充沛，在實(shí)驗(yàn)后期高爐出現(xiàn)爐缸活性變差，爐況呈現(xiàn)典型的堆積特征，邊緣熱負(fù)荷頻繁波動(dòng)，高爐操作難度巨大。

1.5 爐役后期護(hù)爐階段

從2017 年4 月開始，高爐爐缸環(huán)碳溫度出現(xiàn)多點(diǎn)多方向異常升高，爐缸出現(xiàn)整體侵蝕現(xiàn)象。至此，2 號(hào)高爐進(jìn)入了長期護(hù)爐階段，高爐生產(chǎn)強(qiáng)度受到明顯制約。

（1）2017 年4 月至2018 年3 月為護(hù)爐第一階段。該階段主要通過限氧、控制風(fēng)量、增加鈦球、提高爐溫等傳統(tǒng)護(hù)爐手段來控制生產(chǎn)強(qiáng)度，達(dá)到護(hù)爐效果，但由于對(duì)活躍爐缸的整體護(hù)爐理念還缺乏認(rèn)識(shí)，雖然平均鼓風(fēng)動(dòng)能維持在123 kJ/s 左右，但風(fēng)量偏低，爐缸熱收入不足，最終造成爐缸出現(xiàn)堆積癥狀，導(dǎo)致低產(chǎn)高耗局面。

（2）2018 年4 月至2019 年10 月為護(hù)爐第二階段。 該階段已經(jīng)認(rèn)識(shí)到提高鼓風(fēng)動(dòng)能，保持合理風(fēng)口回旋區(qū)深度，進(jìn)一步活躍爐缸對(duì)高爐長期護(hù)爐操作的重要性，在干焦比例不斷下降的情況下，通過不斷降低焦炭負(fù)荷，保證入爐風(fēng)量，平均風(fēng)量達(dá)到6 310 m3/min，鼓風(fēng)動(dòng)能最高達(dá)到163.9 kJ/s。 但由于對(duì)低焦炭負(fù)荷條件下，高爐合理鼓風(fēng)動(dòng)能以及高爐長壽與冶煉強(qiáng)度極限平衡值的認(rèn)識(shí)不足，高爐最終經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)也只達(dá)到低產(chǎn)高耗水平。

（3）2019 年11 月至2020 年8 月為護(hù)爐第三階段。 這一時(shí)期高爐焦炭負(fù)荷進(jìn)一步降低，為了保證適當(dāng)產(chǎn)能，高爐將富氧率由1.70%提升至2.41%，隨著富氧增加，高爐氣流出現(xiàn)了新的變化，鼓風(fēng)動(dòng)能平均水平較前一階段大幅下降至126.7 kJ/s，煤氣利用效率變差，燃料比上升至550 kg/t，但總體上實(shí)現(xiàn)了爐役后期提產(chǎn)增效的冶煉目的。

從高爐爐役后期生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)踐來看，保持合理鼓風(fēng)動(dòng)能，持續(xù)活躍爐缸，對(duì)高爐爐役后期保持長期穩(wěn)定順行，減少爐缸鐵水環(huán)流侵蝕具有重要的意義。

2 高爐合理鼓風(fēng)動(dòng)能探討

2.1 鼓風(fēng)動(dòng)能與爐缸活躍性關(guān)系

風(fēng)口回旋區(qū)產(chǎn)生的始發(fā)煤氣在爐缸進(jìn)行最重要的一次分配，始發(fā)煤氣分布合理是高爐實(shí)現(xiàn)順行穩(wěn)定、高效低耗的關(guān)鍵。 同時(shí)，爐缸也是盛放熔融渣鐵的地方，渣鐵液在爐缸發(fā)生劇烈反應(yīng)，爐缸內(nèi)渣鐵的流動(dòng)形態(tài)、滴落路徑、液位高低、熱焓高低、偏析與否都將影響著高爐的順行穩(wěn)定和健康長壽。因此，爐缸工作狀態(tài)不僅對(duì)高爐生產(chǎn)的長期穩(wěn)定順行，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的提高，生鐵質(zhì)量和爐前作業(yè)的改善等有著重要影響，而且事關(guān)高爐的生產(chǎn)安全和長壽[2]。

根據(jù)爐缸活性的定義可以知道，影響高爐爐缸活性的因素大致有三個(gè)：①焦炭所提供“透氣、透液通道”的數(shù)量；②渣鐵流動(dòng)性能；③風(fēng)口回旋區(qū)的形狀和大小。 三個(gè)因素相輔相成，相互影響[2]。 每個(gè)高爐都有一個(gè)合適的回旋區(qū)形貌，一般認(rèn)為，風(fēng)口回旋區(qū)前端所圍成的環(huán)形區(qū)域面積與爐缸面積比值為0.5 左右時(shí)，高爐初始煤氣流分布較為合理[3]，風(fēng)口回旋區(qū)形狀和大小不合理將影響高爐爐缸活性狀態(tài)；鼓風(fēng)動(dòng)能對(duì)爐缸活性的影響主要體現(xiàn)在對(duì)風(fēng)口回旋區(qū)的形狀和大小上，根據(jù)昆鋼2000 m3高爐的研究總結(jié)得出了回旋區(qū)大小的經(jīng)驗(yàn)公式[4]：

式中，D為回旋區(qū)深度，m；E為鼓風(fēng)動(dòng)能，kJ/s；M為噴煤流量，kg/h；n為風(fēng)口數(shù)。

從式（1）中可以看出，鼓風(fēng)動(dòng)能是決定回旋區(qū)形狀和大小的主要原因，盲目通過擴(kuò)大風(fēng)口面積追求高風(fēng)量，造成低風(fēng)速、低鼓風(fēng)動(dòng)能，極易引起風(fēng)口回旋區(qū)縮小，鼓風(fēng)吹不透中心，爐缸中心堆積，爐缸活躍性降低；同樣，邊緣過重，風(fēng)口面積過小，高爐長期處于高風(fēng)速、高鼓風(fēng)動(dòng)能的送風(fēng)狀態(tài)，容易造成中心煤氣流過分發(fā)展，風(fēng)口回旋區(qū)擴(kuò)大，中心過吹，爐缸邊緣堆積[5]。

2.2 鼓風(fēng)動(dòng)能、風(fēng)量下限值

2 號(hào)高爐鼓風(fēng)動(dòng)能與異常爐況關(guān)系見圖2，2 號(hào)高爐風(fēng)量與異常爐況關(guān)系見圖3。

圖2 2 號(hào)高爐鼓風(fēng)動(dòng)能與異常爐況關(guān)系Fig. 2 Relationship between Blast Kinetic Energy and Abnormal Condition in Terms of No.2 BF

圖3 2 號(hào)高爐風(fēng)量與異常爐況關(guān)系Fig. 3 Relationship between Blast Volume and Abnormal Condition in Terms of No.2 BF

由圖2 和圖3 可以很明顯地看出，高爐異常爐況發(fā)生比較多的時(shí)間段基本上都集中在高爐鼓風(fēng)動(dòng)能長時(shí)間低于120 kJ/s 的區(qū)間和風(fēng)量低于6 000 m3/min 時(shí)。 實(shí)際生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)通過縮小風(fēng)口面積以保持合適的鼓風(fēng)動(dòng)能時(shí)，風(fēng)量卻降低較多甚至長期低于6 000 m3/min，且這種狀態(tài)并不持久，最后高爐順行仍會(huì)變差。因此，高爐鼓風(fēng)動(dòng)能和風(fēng)量都應(yīng)該有下限值，即鼓風(fēng)動(dòng)能不能長時(shí)間低于120 kJ/s，風(fēng)量不能長時(shí)間低于6 000 m3/min，當(dāng)高爐因?yàn)樵剂?、操作制度等原因?qū)е嘛L(fēng)少、鼓風(fēng)動(dòng)能低時(shí)，高爐應(yīng)該盡快通過采取降低焦炭負(fù)荷、縮小風(fēng)口或者改制增加氣流中心通道等措施，控制風(fēng)量和鼓風(fēng)動(dòng)能在合理區(qū)間波動(dòng)。

2.3 鼓風(fēng)動(dòng)能、風(fēng)量合理范圍

高爐保持順行穩(wěn)定、高效生產(chǎn)的階段一般都是高爐煤氣流分布合理、能量利用高效、爐缸活躍的階段，因此，這個(gè)階段鼓風(fēng)動(dòng)能一定是合適的。 2 號(hào)高爐在一代爐役期間經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)最好的時(shí)期為開爐達(dá)產(chǎn)階段，此時(shí)鼓風(fēng)動(dòng)能在119～138 kJ/s，風(fēng)量維持在6 246～6 691 m3/min。2 號(hào)高爐鼓風(fēng)動(dòng)能與燃料比和利用系數(shù)關(guān)系見圖4，2 號(hào)高爐風(fēng)量與燃料比和利用系數(shù)的關(guān)系見圖5。 由圖4和圖5 中數(shù)據(jù)回歸結(jié)果可以看出，高爐鼓風(fēng)動(dòng)能在120～140 kJ/s、 風(fēng)量在6 200～6 700 m3/min 時(shí)，高爐的燃料比和利用系數(shù)都接近最優(yōu)。可見，大數(shù)據(jù)回歸結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)踐能夠很好的吻合上。

圖4 2 號(hào)高爐鼓風(fēng)動(dòng)能與燃料比和利用系數(shù)的關(guān)系Fig. 4 Relationship among Blast Kinetic Energy, Fuel Ratio and Utilization Coefficient in Terms of No.2 BF

圖5 2號(hào)高爐風(fēng)量與燃料比和利用系數(shù)的關(guān)系Fig. 5 Relationship among Blast Volume, Fuel Ratio and Utilization Coefficient in Terms of No.2 BF

2.4 合理鼓風(fēng)動(dòng)能適用性探討

由表1 可以看出，“平臺(tái)+漏斗” 料制階段，高爐鼓風(fēng)動(dòng)能只維持在110 kJ/s 左右，在強(qiáng)度水平不低的情況下，燃料比實(shí)現(xiàn)了歷史最低水平；高爐護(hù)爐第一階段，鼓風(fēng)動(dòng)能維持在120 kJ/s 左右，但高爐經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)為低產(chǎn)高耗，后期異常爐況多發(fā)，高爐出現(xiàn)爐缸堆積的癥狀；高爐護(hù)爐第三階段，高爐鼓風(fēng)動(dòng)能維持在126 kJ/s 左右，風(fēng)量均值為6 307 m3/min，但高爐經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)也只是低產(chǎn)高耗?？梢?，實(shí)際生產(chǎn)中存在高爐合理鼓風(fēng)動(dòng)能和風(fēng)量與高產(chǎn)低耗沒有對(duì)應(yīng)出現(xiàn)的情況，也就是說大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的合理鼓風(fēng)動(dòng)能和風(fēng)量范圍不能簡單地作為指導(dǎo)高爐生產(chǎn)的依據(jù)，還需要對(duì)其適用性進(jìn)行進(jìn)一步探討。

要解決這種理論和生產(chǎn)之間存在的差異，必須明確以下兩點(diǎn)：①影響爐缸活性的因素不只是回旋區(qū)形貌，焦炭提供的透氣通道、渣鐵流動(dòng)性能也會(huì)影響爐缸活性，且影響力往往更大，并同時(shí)影響回旋區(qū)形貌。 ②合理的鼓風(fēng)動(dòng)能雖然和高爐料柱透氣性密切相關(guān)[1]，但鼓風(fēng)動(dòng)能決定不了能耗高低，高爐能耗水平取決于煤氣利用是否高效，而煤氣流在整個(gè)高爐縱向分布是否合理、 煤氣能量利用是否高效，又取決于煤氣三次分布過程中所遭遇的上中下部調(diào)劑制度、原燃料質(zhì)量、操作爐型、渣鐵流動(dòng)性能等因素，因此高爐燃料消耗水平往往很難與合理鼓風(fēng)動(dòng)能區(qū)間簡單對(duì)應(yīng)上。

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況分析，高爐采用“平臺(tái)+漏斗”料制期間，由于上部料制的改變，煤氣利用率均值達(dá)到48.5%，因此出現(xiàn)鼓風(fēng)動(dòng)能在110 kJ/s 左右而能耗指標(biāo)實(shí)現(xiàn)歷史最低水平的情況；高爐護(hù)爐第一階段大量使用鈦球，造成渣鐵粘稠，雖然通過縮小風(fēng)口面積、降低風(fēng)壓等手段穩(wěn)定鼓風(fēng)動(dòng)能，但仍造成了長期風(fēng)少且爐缸出現(xiàn)堆積前兆；高爐護(hù)爐第三階段，雖然鼓風(fēng)動(dòng)能和風(fēng)量都處在合理范圍，但由于焦炭結(jié)構(gòu)復(fù)雜、濕焦使用比例高，2 號(hào)高爐采取了提高入爐焦比、 增加中心焦量等措施以確保穩(wěn)定順行，高爐煤氣利用率均值只有42.9%左右，導(dǎo)致高爐燃料消耗居高不下?？梢?，合理的鼓風(fēng)動(dòng)能與實(shí)際生產(chǎn)階段的原燃料條件、操作制度、渣鐵性能等方面均有關(guān)系，應(yīng)綜合考慮。

總體而言，在非護(hù)爐階段采取中心加焦料制時(shí)，2 號(hào)高爐合理風(fēng)量應(yīng)該控制在6 246～6 691 m3/min，合理鼓風(fēng)動(dòng)能控制在119～138 kJ/s；在2 號(hào)高爐爐役后期護(hù)爐階段，應(yīng)重視保持高爐鼓風(fēng)動(dòng)能和風(fēng)量在合適范圍，同時(shí)采取降低焦炭負(fù)荷、增加中心氣流通道、 降低終渣堿度、 維持合理鎂鋁比等手段，使影響高爐爐缸活性的三個(gè)因素都保持在合理范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)高爐爐役后期高質(zhì)量運(yùn)行。

但也應(yīng)該清楚認(rèn)識(shí)到，在爐役后期護(hù)爐階段，尤其是焦炭負(fù)荷比較低的條件下，既要保持高爐風(fēng)量和鼓風(fēng)動(dòng)能在合適范圍，又要實(shí)現(xiàn)低耗生產(chǎn)是非常難的，或者說這兩者如果都要實(shí)現(xiàn)，必然會(huì)導(dǎo)致高爐冶煉強(qiáng)度的提高，而高爐爐缸侵蝕與冶煉強(qiáng)度極限平衡關(guān)系還需要不斷探索。2 號(hào)高爐爐役后期的生產(chǎn)優(yōu)化空間就是提高焦炭質(zhì)量，降低焦炭負(fù)荷，提高煤氣利用效率，適當(dāng)增加富氧，同時(shí)探索好爐缸侵蝕與冶煉強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系。而同時(shí)應(yīng)該客觀認(rèn)識(shí)到，統(tǒng)計(jì)出來的各項(xiàng)參數(shù)合理區(qū)間只是歷史生產(chǎn)實(shí)踐累積出來的數(shù)據(jù)，并不一定是高爐能達(dá)到的最優(yōu)結(jié)果。

3 結(jié)論

（1）2 號(hào)高爐鼓風(fēng)動(dòng)能和風(fēng)量都應(yīng)該有下限值，即鼓風(fēng)動(dòng)能不能長時(shí)間低于120 kJ/s，風(fēng)量不能長時(shí)間低于6 000 m3/min。

（2）2 號(hào)高爐在非護(hù)爐階段采用中心加焦料制生產(chǎn)時(shí)，合理鼓風(fēng)動(dòng)能應(yīng)控制在118～139 kJ／s，合理風(fēng)量應(yīng)控制在6 246～6 691 m3／min；2 號(hào)高爐爐在役后期護(hù)爐階段，應(yīng)重視保持高爐鼓風(fēng)動(dòng)能和風(fēng)量在合適范圍，同時(shí)采取降低焦炭負(fù)荷、增加中心氣流通道、降低終渣堿度、維持合理鎂鋁比等手段，使影響高爐爐缸活性的三個(gè)因素都保持在合理范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)高爐爐役后期高質(zhì)量運(yùn)行。

（3）2 號(hào)高爐爐役后期的生產(chǎn)優(yōu)化空間就是提高焦炭質(zhì)量，適當(dāng)降低焦炭負(fù)荷和增加富氧，并通過合理上下部調(diào)劑，提高煤氣利用效率，同時(shí)探索好爐缸侵蝕與冶煉強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系。

（4）合理的鼓風(fēng)動(dòng)能與實(shí)際生產(chǎn)階段的原燃料條件、操作制度、渣鐵性能等方面均有關(guān)系，應(yīng)綜合考慮。 不同的高爐應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合理的鼓風(fēng)動(dòng)能。