王小艾¹，姜 鑫²，田曉文³，李 洋³，陳 俊³

( 1． 河鋼集團(tuán)鋼研總院，河北 石家莊 050023; 2． 東北大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110000; 3． 河鋼集團(tuán)宣鋼公司， 河北 宣化 075100 )

摘要: 為解決 2 500m³ 高爐穩(wěn)定性差、煤比低、焦比高的技術(shù)難題，早日實(shí)現(xiàn)提煤降焦，河鋼宣鋼與河鋼鋼研和東北大學(xué)合作，針對(duì)高爐冶煉過(guò)程中原燃料中堿金屬及其行為、噴吹煤粉和焦炭性能以及礦焦混裝方式等因素對(duì)高爐透氣性的影響開(kāi)展了全面研究。開(kāi)發(fā)了高爐堿負(fù)荷 － 煤粉 － 焦炭的交互作用理論體系，并在 2500 m³ 高爐上進(jìn)行了規(guī)模化應(yīng) 用。結(jié)果顯示: 高爐煤比提高 40 kg /t HM，焦 比 降 低33 kg /tHM，經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)顯著提高。

關(guān)鍵詞: 高爐；堿金屬；噴煤比；焦比

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，河鋼宣鋼 2 座 2500 m³ 高爐存在著壓差高、噴煤比低、焦比高、爐況穩(wěn)定性差的問(wèn)題，尤其是高焦比、低噴煤比導(dǎo)致高爐經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)與先進(jìn)企業(yè)差距較大。經(jīng)過(guò)多次攻關(guān)調(diào)整，整體經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)與爐況穩(wěn)定性得到一定改善，但仍不理想。

為突破技術(shù)瓶頸，河鋼宣鋼與河鋼鋼研和東北大學(xué)合作，針對(duì)煉鐵原燃料性能、高爐透氣性影響因素、堿金屬 － 焦炭的相互作用機(jī)理及規(guī)律等開(kāi)展了全面研究，明確了影響指標(biāo)提升的關(guān)鍵因素及其內(nèi)在聯(lián)系，找出了煤比難以提高的原因，為提高煤比指明了方向。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究

通過(guò)試驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析及與行業(yè)內(nèi)其他高爐對(duì)比發(fā)現(xiàn)，噴吹煤粉的基礎(chǔ)性能( 如，化學(xué)成分、輸送性能、可磨性、燃燒性、爆炸性等) ，鐵料及配礦因素， 并不是影響高爐指標(biāo)提升的關(guān)鍵因素^［1］。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)高爐堿金屬富集、焦炭熱性能及其與堿金屬的交互作用行為、高爐透氣性等因素是影響高爐噴煤比提高的關(guān)鍵; 礦焦混裝及其方式對(duì)料柱透氣性影響顯著; 并探究出一定堿負(fù)荷條件下焦比與煤比的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1． 1 堿金屬來(lái)源及其影響

1． 1． 1 堿金屬來(lái)源及負(fù)荷

原燃料中堿金屬含量如圖 1 ～ 6 所示。可以看出，河鋼宣鋼所用焦炭的堿金屬含量并不高，高爐中的堿金屬主要來(lái)自礦石和煤粉。由于堿金屬對(duì)高爐料柱透氣性及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)影響較大，要想保證高爐的透氣性，就必須降低礦石和煤粉的堿金屬帶入量。2018 年下半年以前，河鋼宣鋼高爐堿負(fù)荷在行業(yè)中處于偏高水平。隨著對(duì)噴煤比影響因素的深入研究，逐步意識(shí)到改變?cè)蠗l件、降低堿負(fù)荷的重要性和緊迫性。從 2018 年下半年起，逐步將堿負(fù)荷降低至 2． 0 kg /tHM以下。

1． 1． 2 焦炭熱性能及與堿金屬交互行為

焦炭反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果如表 1 所示。

兩種自產(chǎn)焦性能比較穩(wěn)定，但與 H 鋼和 An 鋼( 行業(yè)內(nèi)典型企業(yè)) 焦炭質(zhì)量相比仍有差距，這正是限制河鋼宣鋼提煤降焦的影響因素之一。外購(gòu)焦整體質(zhì)量比自產(chǎn)焦差，不利于保證高爐透氣性和受風(fēng) 受煤能力。要想提煤降焦，需要提高入爐焦炭質(zhì)量，改善軟熔帶透氣性。

為考察堿金屬行為對(duì)焦炭熱性能的影響，對(duì)浸堿后焦炭的熱態(tài)性能進(jìn)行了試驗(yàn)^［2］。K₂O 含量及焦炭的熱態(tài)性能指標(biāo)變化情況如表 2 所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，質(zhì)量越好的焦炭，抗堿能力越差。因此，在提高焦炭質(zhì)量的情況下，一定要注意控制堿負(fù)荷，否則即使焦炭質(zhì)量提高了，噴煤比也難以提高，這也是該研究提出的提煤降焦的重要技術(shù)措施之一。

1． 1． 3 浸堿后焦炭熱性能及與堿金屬交互行為

堿金屬是焦炭溶損反應(yīng)的催化劑，隨著焦炭浸堿量的增加，焦炭反應(yīng)性都明顯增加; CSR 有降低，但也有的變化不大。其根本原因主要是焦炭與 CO₂發(fā)生的溶損反應(yīng)屬于氣 － 固類(lèi)非均相反應(yīng)，是通過(guò) CO₂ 和焦炭表面上活化點(diǎn)不斷反應(yīng)來(lái)完成。目前，普遍接受的溶損反應(yīng)過(guò)程機(jī)理是“內(nèi)擴(kuò)散控制”和“界面反應(yīng)控制”兩類(lèi)。因此，CSR 有降低也有變化 不大的本質(zhì)原因由焦炭溶損反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)決定的。

對(duì)于質(zhì)量較好的焦炭，溶損反應(yīng)過(guò)程由“界面反應(yīng)控制”。該過(guò)程為一級(jí)不可逆反應(yīng)，氣化反應(yīng)速率可由相界面反應(yīng)或局部反應(yīng)控制的 Mckewan 方程( 1) 表示。這種情況下 CO₂ 可以擴(kuò)散至焦炭顆粒內(nèi)部，使得 CO₂ 在焦炭表面和內(nèi)部同時(shí)發(fā)生反應(yīng)，從而破壞焦炭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。堿金屬含量越高，對(duì)焦炭?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞越強(qiáng)，反應(yīng)后強(qiáng)度 CSR 降低越明顯。

1 － ( 1 －R) ^{1 /3} = kt           (1)

式中，R———反應(yīng)半徑，cm;

k———反應(yīng)常數(shù);

t———反應(yīng)時(shí)間，min。

界面反應(yīng)控制時(shí)反應(yīng)體系 CO₂ 氣體濃度分布如圖 7 所示。

對(duì)于質(zhì)量較差的焦炭，如外進(jìn)焦炭，溶損反應(yīng)過(guò)程由“內(nèi)擴(kuò)散控制”，該擴(kuò)散過(guò)程符合菲克定律，反應(yīng)速率可由 Ginstling － Brounshtein 方程( 2) 或者Jander 方程( 3) 表示。這種情況下，由于焦炭本身溶損反應(yīng)速度比較快，再加上堿金屬的催化作用，使得CO₂ 難以擴(kuò)散至焦炭顆粒內(nèi)部，對(duì)焦炭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響較小。因此，堿金屬含量越高，焦炭反應(yīng)性越高，但反應(yīng)主要發(fā)生在表面，對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞較小，而實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的高溫加熱對(duì)焦炭?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)又提供一次高溫結(jié)焦的作用( 為提高產(chǎn)量和降低成本，焦炭生產(chǎn)過(guò)程中存在著結(jié)焦溫度或結(jié)焦時(shí)間不夠的現(xiàn)象，產(chǎn)生了部分質(zhì)量較差的生焦) ，因此質(zhì)量較差的焦炭浸堿后反應(yīng)后強(qiáng)度 CSR 變化不大( 略微升高) 。

1－ 2 /3R － ( 1 － R) ^{2 /3} = kt       ( 2)

［1 － ( 1 － R) ^{1 /3}］² = kt       (3)

1． 2 礦焦混裝對(duì)料柱透氣性影響及其加入方式

生產(chǎn)實(shí)踐證明，熔滴性能可準(zhǔn)確反映軟熔帶透氣性的變化情況。

1． 2． 1 熔滴性能分析

試驗(yàn)加入的焦丁量按計(jì)算溶損反應(yīng)碳消耗量的40% 與礦石混合加入。熔滴試驗(yàn)對(duì)比如圖 8 和表 3所示。

通過(guò)礦焦混裝，壓差降低了 36% ，說(shuō)明礦焦混裝對(duì)于改善熔滴性能以及料柱透氣性效果明顯。由于焦炭混入燒結(jié)礦中，會(huì)發(fā)生碳的熔損反應(yīng)，提高氣氛還原勢(shì)，F(xiàn)eO 含量降低，渣的熔點(diǎn)提高，從而導(dǎo)致TS 溫度上升。礦焦混裝的方式焦炭中的灰分會(huì)以SiO₂ 形式進(jìn)入初渣中，使得初渣堿度降低，使熔點(diǎn)初渣降低，而且液相量增加顯著，這是礦焦混裝 TD降低的根本原因^［3］。

1． 2． 2 混裝焦丁加入量的控制

焦丁的加入量由高爐直接還原度決定的，即有多少碳發(fā)生溶損反應(yīng)。發(fā)生溶損反應(yīng)的碳，來(lái)源于焦丁或大塊焦，其消耗量是固定的。沒(méi)有焦丁時(shí)，就與大塊焦反應(yīng)。試驗(yàn)證明，焦丁的加入量可取溶損反應(yīng)碳量的 0． 4 ～ 0． 7 倍系數(shù)，其余由未燃煤粉和大塊焦參加反應(yīng)，這樣加入的焦丁不會(huì)影響焦窗透氣性。實(shí)際生產(chǎn)中需要結(jié)合生產(chǎn)數(shù)據(jù)定量分析^［4］。

1． 2． 3 混裝焦丁加入粒度的控制

焦丁粒度不易太大，否則易造成分布不均，并在塊狀帶發(fā)生偏析。建議焦丁粒度下限為 7 ～ 8 mm ( 5 mm 篩子) ，上限為 25 mm，在進(jìn)入軟熔帶前必須消耗掉，否則變成焦粉，初渣變粘。

1． 3 堿負(fù)荷 － 焦比 － 煤比關(guān)系

基于原燃料條件和生產(chǎn)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，得出焦比和煤比的關(guān)系式，用于計(jì)算一定堿負(fù)荷條件下對(duì)應(yīng)的焦比與煤比^［5］。

焦比 = 堿負(fù)荷 × 0． 022 8 + 264． 31 ( 4)

煤比 = 堿負(fù)荷 × ( － 0． 027) + 256． 63 ( 5)

2 技術(shù)措施

2． 1 控制堿金屬富集

河鋼宣鋼從控制含鐵原料和煤粉堿金屬含量入手，同時(shí)綜合考慮冶金性能降低堿負(fù)荷。通過(guò)一段時(shí)期控制，堿金屬富集得到了有效改善。近年來(lái)河鋼宣鋼高爐的堿金屬平衡分析如圖 9 所示。

2． 2 焦炭高效利用

為了保證焦丁的加入量和大塊焦的粒度均勻性，設(shè)定焦丁粒度為 8 ～ 25 mm。生產(chǎn)中適當(dāng)擴(kuò)大焦炭入高爐篩孔的上限尺寸，將焦丁配比提高 5 ～ 10kg /tHM。焦丁配入量增加及粒度變化使焦窗焦炭的尺寸區(qū)間變小，有利于焦炭整粒，提高焦窗焦炭的強(qiáng)度，保證軟熔帶焦窗的透氣性。

嚴(yán)格控制煉焦用煤的堿金屬含量，通過(guò)合理配煤提高焦炭熱性能并降低灰分^［6］，使得焦炭整體質(zhì)量有所提高，M40由 84% 提高至 85% ，反應(yīng)后強(qiáng)度由63% 提高到 66% 。

2． 3 基于堿負(fù)荷 － 焦比 － 煤比關(guān)系的提煤降焦操作

以堿負(fù)荷 － 焦比 － 煤比關(guān)系為基礎(chǔ)，首先確定合理的焦比，再提高煤比。

2． 4 高爐操作

適當(dāng)發(fā)展中心氣流，提高鼓風(fēng)動(dòng)能，吹透中心。階段性調(diào)整爐渣堿度，提高爐渣排堿能力應(yīng)對(duì)堿負(fù)荷高對(duì)高爐的影響^［7，8］。

針對(duì) 2018 年以來(lái)風(fēng)溫大幅度下降的現(xiàn)狀，通過(guò)提高爐腹煤氣指數(shù)和富氧率，保證鼓風(fēng)帶入的熱量和煤粉的快速燃燒，減少不利影響^［9，10］。

3 實(shí)施效果

1 號(hào)高爐煤比由 135 kg /tHM 提高至175 kg /tHM( 2019 年位列全國(guó)同級(jí)別高爐首位) ，2 號(hào)高爐煤比由120 kg /tHM 提 高 至 160 kg /tHM，焦比降低約33 kg /tHM，取得了良好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益。1 號(hào)、2 號(hào)高爐熱風(fēng)溫度降低 50 ℃左右的情況下能耗指標(biāo)變化趨勢(shì)如圖 10 所示。

4 結(jié)論

( 1) 堿金屬對(duì)高爐爐況和指標(biāo)提升影響巨大， 必須嚴(yán)格控制其在煉鐵系統(tǒng)中的富集。

( 2) 堿金屬、煤粉、焦炭的交互行為在高爐中有規(guī)律可循，質(zhì)量越好的焦炭，抗堿能力越差。

( 3) 適當(dāng)提高焦丁混裝比例，控制好焦丁粒度和加入方式可以有效提高高爐透氣性。

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