萊鋼高爐風口取樣研究

周小輝

（萊蕪鋼鐵集團有限公司技術中心，山東萊蕪 271104）

試驗研究

萊鋼高爐風口取樣研究

周小輝

（萊蕪鋼鐵集團有限公司技術中心，山東萊蕪 271104）

通過風口取樣，對萊鋼1#1 080 m3高爐風口區域焦炭、堿金屬以及爐渣成分的變化情況進行了詳細的檢測分析。結果表明，在高爐結瘤操作時，高爐風口區焦炭粉化嚴重，死料柱的透氣性與透液性差，風口焦炭堿金屬含量增加；高爐炸瘤后，隨著噴吹煤比的增加，風口焦平均粒度有減小趨勢；風口焦樣粒度沿高爐徑向向爐缸中心減小；風口邊緣渣堿度比靠近中心渣堿度低。

高爐；風口取樣；風口焦；堿金屬

1 前言

焦炭在高爐中不僅提供熱源，而且起到料柱骨架、還原劑、滲碳劑的作用。當前高冶強、大噴煤條件下高爐用焦炭質量備受煉鐵工作者關注，尤其是軟熔帶及其以下高溫區焦炭質量直接影響著高爐冶煉順行及經濟指標。焦炭在高爐內的劣化，對爐料下行及透氣性有很大影響。一直以來，除高爐解剖外，人們無法真實了解高爐高溫區狀況，而風口取樣是一種從高爐風口徑向熱態取樣技術，具有取樣簡單方便、還原保真性強等特點。國內寶鋼［1-3］和攀鋼［4-5］都利用風口取樣技術進行了相關研究。通過風口取樣分析不僅可定量地了解焦炭劣化程度和煤粉燃燒效果，對焦炭質量和煤粉燃燒條件進行直接評價，而且可以了解高爐下部及死料柱的活性，為爐缸侵蝕控制提供有益的指導。

鑒于風口取樣技術對高爐操作指導的重要性，萊鋼對1#1 080 m3高爐進行了風口取樣，研究不同噴吹煤比情況下風口焦炭劣化狀況以及渣鐵滯留等變化規律。

2 風口取樣方法

目前國內外風口取樣技術有兩種：一種是在線取樣，另一種是離線取樣。離線又可分為風口扒焦與取樣機爐芯取樣。

1）在線取樣。在線取樣是高爐正常生產時，用水冷取樣管通過直吹管插入風口，測定回旋區鳥巢區的深度，風口前火焰溫度和焦層溫度，同時可取出風口前不同部位煤氣及固體顆粒等，但由于取樣少，很難獲得死料柱信息。這種取樣方法具有實時性，獲取的信息真實反應了爐內狀況，但對設備和高爐操作存在一定的危險性，并且對設備技術及安全密封要求嚴格。

2）離線風口扒焦取樣。離線扒焦取樣就是在高爐休風后，將直吹管及小套拆下，直接用鐵耙子從風口扒出焦樣進行分析。這種方法只能取出沿爐墻下落的大塊爐腹焦，對風口前焦炭的分析范圍有限，只能對入爐焦炭質量和焦炭劣化情況作粗略的評價。

3）離線取樣機爐芯取樣。離線的爐芯取樣法則避開了在線取樣的安全隱患，對取樣管材質、冷卻條件和設備操作的要求明顯放寬。這種方法是在高爐休風后用液壓設備將取樣機的取樣管推入爐內，將取樣管上的蓋子拉出，爐內焦炭落入取樣管內，然后拉出樣品，讓樣品自然冷卻，分段取出樣品。該法較真實地還原了高爐風口徑向實際狀況，取樣量也夠試驗分析，同樣可得到在線取樣獲得的信息和參數。所以，從實用、安全的角度，采用休風后進行爐芯取樣的方法是非常適宜的。

為了既安全又較全面了解高爐風口區域徑向狀況，萊鋼此次取樣采用了GQJ-2型離線爐芯取樣機，取樣深度最深達到4 m，取樣管按等分500 mm進行格分，以便于分析風口徑向樣品狀況。

3 取樣結果分析

3.1 焦炭粒度

3.1.1入爐焦炭粒度

入爐焦炭粒度的大小及均勻性對高爐布料及爐料孔隙率有著很大影響，因此，高爐入爐焦炭粒度要求合理，而且要確保均勻。每次風口取樣前進行了相應入爐焦炭取樣，取樣點為振動篩上或過篩的焦炭，表1為入爐焦炭粒級組成。從表中可以看到，萊鋼入爐焦炭平均粒度約為59 mm，焦炭粒度集中分布在40～80 mm，處于兩頭粒度的焦炭比例占25%，比例偏大，有必要進一步控制焦炭粒度范圍，使焦炭更加均勻。

表1 萊鋼入爐焦炭粒級組成

3.1.2風口焦炭粒度

風口徑向焦炭的粒度變化是焦炭在高爐內受到碳溶反應、磨損、破碎后最直接的表觀體現。其粒度分布狀況受入爐焦炭粒度、熱態性能及高爐操作條件等綜合影響。圖1為不同噴吹煤比情況下風口取樣徑向焦炭粒度分布。從所取試樣直觀來看，風口回旋區靠近爐墻邊緣的焦塊較大，細小焦炭很少，這些焦炭主要是從上方掉落下來的大塊焦，與入爐焦炭差不多，幾乎沒有受到損壞，而向越向中心粉末越多，小塊焦比例也增加，且觀察到1 000～1 500 mm段的風口焦樣小塊較多，大多呈圓形，無明顯棱角。這是由于該區處在回旋區，焦塊在鼓風作用下，焦炭相互磨損所致。向高爐中心，焦炭大小塊區別明顯，中間粒度焦炭相對較少。

從圖1中可以看到，風口徑向焦炭在爐體邊緣最大，向爐中心焦炭平均粒度降低，煤比119 kg/t時由于高爐結瘤，高爐焦炭劣化特別嚴重，向爐中心焦炭平均粒度急劇下降，中心透氣性降低，這也是導致高爐結瘤后不接受風量，高爐生產率顯著下降的原因。而在高爐正常生產時，可以看到，隨著噴煤比由150 kg/t增加至188 kg/t，風口徑向焦炭劣化程度也增加。

由于噴吹煤比的增加，焦炭負荷增加，焦炭在高爐內的停留時間延長，焦炭在高爐內的劣化加劇，焦炭的粉化率升高，高爐內粉末量增加。圖2和圖3為高爐不同噴吹煤比時風口徑向＜1 mm和＜5 mm的粉末量變化，從中可以看出，兩種變化趨勢相同，即向高爐中心粉末量增加，且噴吹煤比增大，風口徑向粉末量增多。煤比150 kg/t及181 kg/t時，在1.5～2.0 m處粉末量顯著增加，而煤比188 kg/t時，在1.0～1.5 m處粉末量顯著增加。可以粗略估計這是回旋區的外圍，估計回旋區長度在1.5 m左右，并且噴吹煤比增加，回旋區外圍有縮短趨勢。

圖2 風口徑向＜1 mm粉末量

圖1 不同煤比風口徑向焦炭粒度

圖3 風口徑向＜5 mm粉末量

3.2 焦炭成分

3.2.1焦炭灰分

將風口焦外表層渣鐵剝除干凈，對風口焦中灰分變化分析見圖4。從圖中看出，隨著離風口距離的增加，焦炭中的灰分含量先降低后升高，在爐內回旋區焦炭中的灰分含量較小。風口焦中灰分大于入爐焦。這是由于爐內焦炭經過渣鐵浸泡，灰分含量增加。由于高爐中心難以吹透，溫度相對于爐內其他部位是較低位置，渣鐵流動性較差，浸泡作用明顯。且中心死料柱更新慢，中心焦炭相對浸泡時間長，因而灰分高。這在高爐爐況不順時更為明顯，圖4中煤比119 kg/t時風口焦灰分顯著比煤比150 kg/t時高，且越向爐中心，灰分越高，就是因為當時高爐結瘤，爐況不順造成的。

3.2.2堿金屬

風口徑向焦炭堿金屬含量見圖5和圖6。從圖中可以看出，堿金屬K2O和Na2O含量變化趨勢相同，都是從爐墻向中心先減小后增大，且都比入爐焦炭堿金屬含量高。圖中煤比119 kg/t時風口焦炭堿金屬含量向中心顯著增加，這是由于高爐爐況不順，高爐結瘤引起高爐爐況失常，高爐排堿能力差所致。

3.3 渣鐵滯留狀況

3.3.1渣鐵滯留量

高爐風口徑向渣鐵滯留情況（見圖7）一定程度上反應死料柱的透氣性與透液性好壞。死料柱活性好，爐缸活躍，高爐順行，渣鐵滯留情況不明顯；相反，渣鐵滯留嚴重時，則一定程度上表明死料柱工作不好，高爐操作者應進行高爐操作調整，加快死料柱的更新，促進爐況順行。

從圖7可以看出，風口徑向渣鐵滯留量沿爐缸徑向中心呈逐漸升高趨勢。說明向高爐中心，爐內的透氣性變差，這實質上是由于焦炭向爐中心粉化率升高，粉末含量增加，焦炭平均粒度減少而引起的。爐缸中心死料柱的透氣性差，必然導致煤氣無法穿透死料柱中心，因而死料柱內溫度不足，導致中心渣鐵溫度不足，滯留量增大，進一步惡化了中心死料柱的透氣性及透液性。因此，可以想象煤氣無法穿透中心死料柱，必然會助長渣鐵液滴向風口回旋區端部偏流，兩者的相互作用就有可能造成液滴的溢流，出鐵過程中也易加劇鐵水的環流，從而加劇對爐墻沖刷，冷卻壁溫度升高，不易于高爐長壽。可以通過風口取樣獲得死料柱信息，及時調整高爐操作，減少鐵水環流，促進高爐長壽。

對風口焦炭粒度與渣鐵滯留量進行擬合分析，發現渣鐵滯留量Y與焦炭平均粒度X之間呈線性關系（見圖8），線性方程為：Y＝2 089－88.86X。

圖4 風口徑向焦炭灰分含量

圖5 風口徑向焦炭K2O含量

圖6 風口徑向焦炭Na2O含量

圖7 風口徑向渣鐵滯留量

圖8 風口焦炭平均粒度與渣鐵滯留量擬合分析

3.3.2渣成分

對風口取樣徑向滯留渣樣進行挑選并對成分進行檢測，結果如表2所示。

表2 風口徑向渣成分

從表2可以看出，風口徑向渣成分有較大不同，TFe含量也比終渣要高，堿度變化也較大。這是由于此處爐渣還不是終渣，渣鐵沒有完全分離，造渣過程還沒有完成的原因。靠近風口區域由于焦炭及煤粉的燃燒，其燃燒灰分呈酸性。而中心主要是礦石軟熔還原造渣，所以靠近風口區爐渣堿度要低于中心爐渣堿度，這點從取樣分析結果也可以看出，邊緣渣主要是黑色玻璃渣，靠近中心是白色石頭樣的短渣。

4 結論

4.1萊鋼入爐焦炭平均粒度為59 mm左右，焦炭粒度集中分布在40～80 mm之間，處于兩頭粒度的焦炭比例占25%左右，比例偏大，有必要進一步控制焦炭粒度范圍，使焦炭更加均勻。

4.2風口徑向焦炭平均粒度向高爐中心逐漸減小，且隨著噴吹煤比增加，平均粒度減小。萊鋼在目前焦炭質量情況下，當煤比增加至180 kg/t以上時，焦炭劣化嚴重，風口徑向粉末量顯著增加。如果高爐出現透氣性變差，接受風量困難的情況，高爐操作應及時進行焦炭負荷以及噴吹煤比調整，確保高爐合理的透氣性指數。

4.3渣鐵滯留量隨向高爐中心增加，且隨著噴吹煤比增加，滯留量增加。高爐結瘤操作，高爐內堿金屬含量顯著增加，焦炭劣化加劇，中心粉末量大幅增加，死焦堆透氣性透液性變差，高爐不順會帶來惡性循環。因此，高爐操作應該定時進行高爐爐料堿負荷及排堿能力調查，避免爐內堿金屬循環積累過量，造成高爐爐內結瘤以及加劇焦炭粉化的不利影響。

4.4 對風口焦炭粒度與渣鐵滯留量進行擬合分析，渣鐵滯留量Y與焦炭平均粒度X之間呈線性關系，線性方程為：Y＝2 089－88.86X。高爐操作應該通過布料調整、下部調劑以及加快渣鐵排放等措施來改善死焦堆的透氣性和透液性。

［1］徐萬仁，張龍來，張永忠，等.高煤比條件下高爐風口前現象的取樣研究［J］.寶鋼技術，2004（2）：37-42.

［2］徐萬仁，吳鏗，朱仁良，等.提高噴煤量對高爐風口焦性狀的影響［J］.鋼鐵，2005，40（2）：11-14.

［3］徐萬仁，姜偉忠，張龍來，等.高爐風口取樣技術及其在寶鋼的應用［J］.煉鐵，2004，23（1）：13-17.

［4］蔣勝.攀鋼焦炭在爐內的性能變化研究［J］.四川冶金，2006，28（6）：4-7.

［5］蔣勝.風口取樣裝置在攀鋼的應用［J］.四川冶金，2005，27（4）：7-9.

TF521

：A

：1004-4620（2014）01-0028-03

2013-11-27

周小輝，男，1981年生，2005年畢業于江西理工大學冶金工程專業，北京科技大學工程碩士。現為萊鋼技術中心工程師，從事鐵前工藝技術研發工作。