高 爽，張文政

（天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 301500）

1 前 言

為了夯實鋼鐵行業(yè)發(fā)展過程的“雙碳”基礎(chǔ)，進一步推動高爐煉鐵綠色建設(shè)，天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司（以下簡稱聯(lián)合特鋼）針對高爐節(jié)能高效展開技術(shù)研究。傳統(tǒng)高爐因爐況波動、設(shè)備損壞等容易引起休風(fēng)，休風(fēng)導(dǎo)致的開停爐頻繁會造成高爐破損及高爐能耗增加。通過文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大型高爐的降本增效技術(shù)應(yīng)用成熟，寶鋼、武鋼、寶鋼湛江等公司針對大型高爐指標(biāo)較差的問題，均采取了加強原料管控、調(diào)整布料制度、改善煤氣流分布、調(diào)整爐缸活躍狀態(tài)等措施，降低了高爐的焦比、燃料比，促進了高爐低耗高效冶煉。

2 高效低耗生產(chǎn)措施

2.1 高爐原料質(zhì)量控穩(wěn)技術(shù)

高爐原燃料質(zhì)量是影響高爐長周期高效低耗冶煉的關(guān)鍵因素。隨著外圍市場、原燃料價格及資源條件的波動與限制，高爐原燃料結(jié)構(gòu)難以長期穩(wěn)定。如何科學(xué)評價入爐原燃料質(zhì)量是實現(xiàn)高爐穩(wěn)定生產(chǎn)的一大難題。

聯(lián)合特鋼基于高爐不同爐料的實際粒級分布，建立了基于蒙特卡洛算法計算高爐爐料孔隙度的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了高爐單一原燃料焦炭、燒結(jié)礦和球團礦散堆料層的空隙度計算方法，結(jié)合無黏性流體動力學(xué)歐根方程，明晰了高爐單一原燃料散堆料層對壓降損失的影響規(guī)律，形成了高爐原燃料空隙度及壓降損失的三元等值線圖。結(jié)果表明，焦炭的空隙度遠好于燒結(jié)礦，燒結(jié)礦的空隙度好于球團礦。三種類別爐料的空隙度分布規(guī)律相一致。爐料的粒度分布越均勻，孔隙度越高，透氣性越好。煤氣流通過礦石的壓降遠高于煤氣流通過焦炭的壓降，焦炭、燒結(jié)礦和球團礦的平均壓降值分別為16.7、82.2 和91.2 kPa。高爐爐料應(yīng)確保將較小粒度的爐料質(zhì)量分數(shù)控制在15%以下，同時增加較大粒度的爐料，確保高爐的透氣性?；诖?，建立了高爐焦炭、燒結(jié)礦及球團礦的分質(zhì)分類評價標(biāo)準(zhǔn)，為高爐入爐原燃料的選擇評價提供指導(dǎo)。

良好的高爐透氣性是高爐低碳高效冶煉的基礎(chǔ)。不同爐料結(jié)構(gòu)及焦丁配比對高爐料層的透氣性影響較大，同時礦焦混合層因焦炭和燒結(jié)礦/球團礦粒度差別大、空隙度低，透氣阻力大，如何優(yōu)化高爐爐料結(jié)構(gòu)及高爐裝料制度，是優(yōu)化高爐技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的關(guān)鍵難題。

聯(lián)合特鋼基于高爐原燃料實際粒級組成，將焦炭分為25～40 mm、40～60 mm和60～80 mm三級，燒結(jié)礦分為5～1 mm、10～20 mm 和20～30 mm 三級，球團礦分為5～8 mm、8～12 mm 和12～16 mm三級，構(gòu)建了多種原燃料混合條件下的散料堆空隙度計算模型。通過研究不同燒結(jié)礦、球團礦配比及焦丁配加量對高爐料層透氣性的影響規(guī)律，明確了高爐合理的爐料結(jié)構(gòu)。通過研究不同礦石批重及焦炭批重條件下礦焦混合層對高爐料層透氣性的影響，研發(fā)了基于礦焦混合層優(yōu)化調(diào)控為目標(biāo)的大礦批高效冶煉新技術(shù)。結(jié)果表明，當(dāng)球團礦與燒結(jié)礦混合時，其孔隙度近似呈線性變化。當(dāng)混合料粒度較大時，孔隙度對料層透氣性的影響起主導(dǎo)作用，反之則粒度起主導(dǎo)作用，球團礦的適宜比例為28%。在爐料結(jié)構(gòu)中加入30～40 kg/t 的HM 的焦丁，有利于提高透氣性。使用較大的礦石批量和焦炭批量都有利于提高高爐的透氣性，焦炭批量增加或礦石批量降低10%，壓降減少約10.8 kPa，高爐合理礦批為55 t。建立高爐運行反饋機制，高爐運行不暢時，及時反饋高爐運行情況至燒結(jié)礦生產(chǎn)車間，燒結(jié)車間依據(jù)高爐生產(chǎn)情況及時調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)，通過改善燒結(jié)礦有害元素等措施維護高爐的穩(wěn)定順行[1］。

提高塊礦入爐比例有助于高爐低成本綠色低碳冶煉。受到塊礦含水量高、含粉量等特點影響，高爐塊礦加入量受到制約。如何降低塊礦含水量，避免粉末容易黏附在塊礦表面影響高爐的透氣性，是制約高比例配加塊礦的關(guān)鍵難題[2］。

全外礦粉燒結(jié)時，燒結(jié)礦氧化鋁含量高，會導(dǎo)致高爐渣中氧化鋁含量較高，爐渣的流動性降低。在燒結(jié)礦中添加氧化鎂可以避免氧化鋁影響。聯(lián)合特鋼通過在球團礦中添加MgO 開展高鎂球團礦生產(chǎn)技術(shù)研究。自2020 年1 月開始采用高鎂球團以來，平均球團品位62.38%，最大MgO 含量達到1.52%，高爐入爐球團質(zhì)量穩(wěn)定性提高。

2.2 高爐裝備維護標(biāo)準(zhǔn)化及低休風(fēng)率管控技術(shù)

高爐裝備長期面臨高溫環(huán)境，受到高溫氣流沖擊等容易造成損壞。設(shè)備損壞所引起的高爐休風(fēng)會提高高爐冶煉能耗。如何提高高爐設(shè)備使用壽命，降低設(shè)備損壞對高爐休風(fēng)的影響是實現(xiàn)高爐低耗冶煉的關(guān)鍵難點。

聯(lián)合特鋼進行高爐長周期探索實踐之前，高爐檢修周期只有2～3個月。高爐檢修頻繁導(dǎo)致高爐休風(fēng)率較高，嚴重影響高爐生產(chǎn)。經(jīng)過對高爐頻繁檢修原因的探索，確定關(guān)鍵裝備的使用壽命是聯(lián)合特鋼高爐檢修周期短的主要原因。為延長高爐檢修周期，降低休風(fēng)率，聯(lián)合特鋼深挖高爐輔助裝備存在的問題，并針對問題積極改建，實現(xiàn)了高爐裝備使用壽命一體化延長。針對料車襯板、中間倉襯板、翻板、料罐襯板等不耐爐料磨損等問題，聯(lián)合特鋼采用陶瓷材質(zhì)對襯板進行升級改造，顯著提高了襯板耐磨性能，大幅延長了使用壽命。經(jīng)過排查分析，上下密部位的密封膠圈是造成聯(lián)合特鋼高爐休風(fēng)的關(guān)鍵因素。對上下密膠圈進行材質(zhì)升級，選用硅膠材質(zhì)，實現(xiàn)了使用壽命由2～3個月延長至8個月以上，休風(fēng)率降低至0.5%。

2.3 研發(fā)可視化氧槍

高爐開鐵口時熱量不足容易在鐵口區(qū)域形成凝固的渣鐵殼，造成鐵口堵塞。如何提高高爐開停爐效率，避免鐵口堵塞，防止渣鐵在爐內(nèi)堆積引發(fā)安全事故，是實現(xiàn)高爐高效低耗生產(chǎn)的關(guān)鍵難題。

鐵口采用煤氣導(dǎo)出管的方式，在高爐送風(fēng)后，鐵口區(qū)域只能依靠爐內(nèi)產(chǎn)生的熱風(fēng)從預(yù)先埋入鐵口的導(dǎo)出管噴出來加熱鐵口區(qū)，盡管爐缸內(nèi)的煤氣導(dǎo)出管采取了保護措施，還是難以避免有小顆粒的爐料堵死導(dǎo)出管，造成爐內(nèi)的熱氣流無法噴出，鐵口區(qū)沒有加熱，導(dǎo)致開爐后新產(chǎn)生的渣鐵本身熱量不足，很容易在鐵口區(qū)產(chǎn)生凝結(jié)的渣鐵殼，造成第一次鐵無法排出，進而導(dǎo)致高爐憋風(fēng)。如果人工燒鐵口無法及時把鐵口前方的凝結(jié)殼燒開，產(chǎn)生的渣鐵會一直在爐缸內(nèi)積聚，嚴重時可能會造成風(fēng)口燒穿的惡性事故，高爐只能不斷減風(fēng)維持，嚴重阻礙開爐進程。所以，煤氣導(dǎo)出管方式本身存在問題和限制，需要從根本上改變這種方式。

使用氧槍開爐是一種可行的替代方式。聯(lián)合特鋼通過技術(shù)研發(fā)，自制了兩節(jié)式構(gòu)造氧槍，深入鐵口內(nèi)的為內(nèi)節(jié)，以外的部分為外節(jié)，內(nèi)節(jié)不可回收，外節(jié)可以回收，且在高爐需要出鐵時可以直接切斷外節(jié)，容易控制鐵口狀態(tài)。氧槍帶有觀察孔和流量計，能夠通過觀察孔直接查看氧槍前的燃燒狀態(tài)。根據(jù)開爐后不同的壓力階段和氧槍前的燃燒狀態(tài)準(zhǔn)確調(diào)整配比，保證氧槍既不被堵塞，也不會被燒毀。

2.4 高爐爐缸活躍狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

聯(lián)合特鋼創(chuàng)新研發(fā)了基于渣鐵滯留的高爐爐缸透液性監(jiān)控平臺。首次提出以渣鐵穿焦流動阻力為核心的爐缸透液理論體系，自主研發(fā)以高度還原高爐渣鐵穿焦過程為核心的高溫模擬裝置，探索形成以調(diào)控渣鐵滯留指數(shù)為核心的爐缸透液性調(diào)控技術(shù)，創(chuàng)新開發(fā)以實時監(jiān)測爐缸透液性為核心的監(jiān)控平臺。

高爐爐缸透液性是高爐操作者關(guān)注的重要指標(biāo)之一，與高爐長周期穩(wěn)定順行密切相關(guān)。由于高爐爐缸透液性影響因素眾多，傳統(tǒng)的爐缸透液性狀態(tài)評價方法不統(tǒng)一，多因素非線性強耦合條件下使得爐缸透液性難以準(zhǔn)確評估。如何對高爐爐缸透液性進行科學(xué)系統(tǒng)評價，是高爐長周期穩(wěn)定順行的關(guān)鍵。

針對高爐爐缸透液性理論基礎(chǔ)薄弱的問題，基于多孔介質(zhì)模型，首次提出渣鐵穿焦流動阻力為研究核心的高爐爐缸透液基礎(chǔ)理論，量化表征并解析了爐缸活躍狀態(tài)及其影響因素，為高爐高效低碳生產(chǎn)表征爐缸活躍程度提供新方法和理論依據(jù)。針對無法量化表征高爐參數(shù)對爐缸透液性影響潛力的問題，基于高爐解剖實地勘察，自主研發(fā)模擬渣鐵穿焦試驗裝置，探明高爐爐缸渣鐵焦間物相組成及時空多尺度特征，明確渣相組分、焦炭性狀對高爐透液性的協(xié)同作用規(guī)律，修正高爐爐缸透液理論公式，實現(xiàn)高爐爐缸活躍狀態(tài)的定量化科學(xué)性評估。結(jié)果表明，高爐鐵水溫度、焦炭粒度、焦炭性能、爐渣成分對渣鐵滯留率起著至關(guān)重要的作用，各因素對渣鐵滯留率的影響程度為：鐵水溫度＞CSR＞焦炭粒度＞CRI＞爐渣堿度＞鎂鋁比，鐵水溫度貢獻度為36%，CSR貢獻度為26%。高爐冶煉參數(shù)對渣鐵滯留量的影響潛力響應(yīng)順序為：風(fēng)量＞鐵口深度＞風(fēng)溫＞風(fēng)壓＞噴煤量＞氧氣量，風(fēng)量貢獻度為31%，鐵口深度為26%。

高爐爐缸可視化程度低，高爐實際生產(chǎn)過程中爐缸狀態(tài)參數(shù)無法實時在線監(jiān)測，爐缸透液性調(diào)控一般采用生產(chǎn)經(jīng)驗進行調(diào)整，且調(diào)控技術(shù)具有顯著的滯后性。針對調(diào)控后效果難以及時評判，系統(tǒng)開發(fā)高爐爐缸透液性調(diào)控技術(shù)，并對爐缸透液性進行實時監(jiān)控和提前預(yù)判，是高爐冶煉亟須解決的難題。

針對高爐生產(chǎn)爐缸透液性調(diào)控不成體系的問題，明確原料粒度組成及渣鐵成分對料柱空隙度及渣鐵流動性的定量關(guān)系，解析高爐鼓風(fēng)參數(shù)對死料柱大小的影響規(guī)律，形成集成非中心加焦布料、低鎂鋁比冶煉及高富氧高風(fēng)速大動能強化冶煉操作為一體的以調(diào)控渣鐵滯留率為核心的爐缸透液性調(diào)控技術(shù)。針對高爐爐缸透液性表征使用實際生產(chǎn)經(jīng)驗和間接指標(biāo)嚴重滯后的問題，基于高爐傳熱學(xué)、數(shù)值模擬、人工智能算法等理論和技術(shù)，建立了協(xié)同爐缸活性分級評價、監(jiān)測預(yù)警、響應(yīng)反饋等多功能集成的高爐透液性監(jiān)測預(yù)警平臺，實現(xiàn)高爐爐缸透液性的在線實時監(jiān)控、提前預(yù)判及調(diào)控。結(jié)果表明，高爐以“發(fā)展中心氣流，穩(wěn)定邊緣氣流，兩頭疏導(dǎo)”作為調(diào)整原則，從上部裝料制度與下部送風(fēng)制度上不斷進行優(yōu)化調(diào)整，穩(wěn)定平臺、拓寬漏斗，在爐況穩(wěn)定順行基礎(chǔ)上確保煤氣流的合理分布，爐缸透液性指數(shù)提升15%以上，高爐燃料比降低34 kg/t的HM。開發(fā)了高爐爐缸透液性監(jiān)測預(yù)警功能及響應(yīng)反饋功能，高爐塌料、滑料、管道行程等異常爐況發(fā)生頻率由28 次/月降低到3 次/月，顯著提高了高爐抗波動能力，保障了高爐穩(wěn)定順行。

3 結(jié) 語

聯(lián)合特鋼以實現(xiàn)高爐長周期穩(wěn)定高效低耗運行為核心，開展高爐合理原燃料結(jié)構(gòu)、高爐裝備維護標(biāo)準(zhǔn)化及低休風(fēng)率管控技術(shù)、高爐爐缸活躍狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)等方面研究。通過一系列關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，解決了高爐入爐原燃料不穩(wěn)、檢修周期短、煤氣利用率低、爐缸活躍狀態(tài)不明等問題，實現(xiàn)了高爐長周期穩(wěn)定高效低耗冶煉。研究成果成功應(yīng)用于聯(lián)合特鋼3座1 080 m3高爐。主要實施效果有以下3方面。

（1）實現(xiàn)了焦炭、燒結(jié)礦及球團礦成分與粒度的穩(wěn)定；塊礦含水量由3%～5%降低至0.6%，提高了塊礦入爐比例；研制了高鎂球團，球團MgO 含量達到1.33%～1.41%；高爐有害元素負荷降低，K負荷穩(wěn)定在1.6 kg/t 以下，Na 負荷持續(xù)降低至0.9 kg/t左右，Zn負荷穩(wěn)定在0.2 kg/t。

（2）高爐裝備使用壽命顯著提高。高爐檢修周期由原來的2～3個月延長至6～9個月。研發(fā)的可視化氧槍，顯著提高了開停爐效率。高爐休風(fēng)率由1.02%降低至0.5%。研究成果實施以后，高爐焦比下降35.17 kg/t，煤比提高19.52 kg/t，燃料比下降15.65 kg/t，為522.42 kg/t。

（3）聯(lián)合特鋼高爐在進行長周期穩(wěn)定高效低耗技術(shù)改進之后，高爐成本顯著降低，取得良好結(jié)果。