唐鋼南區高爐3 200 m3應對焦炭質量波動的生產實踐

曹維超 范文生 方麗平 司新國 黃亞玲 王少寧

(河鋼集團唐鋼公司)

0 前言

隨著高爐大型化的發展，精料對大型高爐穩定順行的決定性作用已經成為煉鐵生產的共識。隨著高爐噴煤比的大幅提升，焦炭的還原劑和發熱劑的作用已經被部分替代，但焦炭作為料柱骨架的作用反而更加重要。這是由于高爐大型化，噴煤比大幅提升以及礦焦比的不斷增加，焦炭質量對料柱透氣性起著關鍵作用，對爐缸狀態起決定性作用[1]。

近年來，行業利潤大幅下降，鋼鐵企業都把降低成本作為一項主要課題。隨著成本空間的壓縮，高爐原燃料質量都呈下降趨勢。特別是進入2016年9月份以來，煉焦煤價格上漲，焦炭成本大幅上升，但由于資源質量的下降和焦炭供不應求的市場狀態，外購焦炭質量呈(現)劣化趨勢。

唐鋼南區高爐有效容積為3 200 m3，設計利用系數為2.50 t/m3d，2007年9月投產，2012年9月～11月中修，投產后南區高爐保持高產低耗，日產鐵量8 000 t，煤比150 kg/t，燃料比505 kg/t。但進入2015年下半年以來，高爐爐況頻繁波動，恢復困難，日產量下降到7 000 t，燃料比升高到530 kg/t。唐鋼自產干熄焦焦爐為2座65孔7 m型焦爐，周轉時間為24 h，標準溫度為1 240 ℃、1 290 ℃，產量為150 萬t/年。

唐鋼南區3 200 m3高爐面對焦炭質量的波動，主要表現為焦炭冷熱強度下降，灰分上升，水分波動大，爐況出現穩定性下降，爐溫波動大，產量下降，燃料比大幅升高等現場，采取了一系列措施，摸索出一套應對焦炭質量波動的生產實踐經驗。

1 焦炭質量對高爐指標影響分析

唐鋼煉焦制氣廠老系統于2014年7月停產，只留一套干熄焦系統生產。南區高爐的焦炭結構正常生產情況下為40%～50%的自產干熄焦，50%～60%的外購一級濕熄焦，其中濕熄焦包括10%～20%的山西濕熄焦1和40%～50%的山西濕熄焦2。唐鋼南區高爐2016下半年焦炭質量和技術指標變化見表1。

表1 2016年唐鋼南區高爐焦炭質量和技術指標

注：表中成分為自產干熄焦、濕熄焦1和濕熄焦2按入爐比例的加權平均成分。

2016年9月份后，唐鋼南區高爐處于爐況恢復期，技術指標較之前大幅下降，煤比維持在較低水平。從表1可以看出，入爐焦炭的灰分穩定在12.6%左右，高于一級冶金焦標準。焦炭灰分的主要成分是SiO2和Al2O3等酸性氧化物，焦炭在高爐內被加熱到高于煉焦溫度時，由于焦質與灰分的熱膨脹性不同，焦炭沿灰分顆粒周圍產生并擴大裂紋，使焦炭碎裂粉化，強度降低。另外，焦炭灰分中的堿金屬氧化物對焦炭反應性有正催化作用，所以應該降低焦炭灰分。此外，南區高爐的焦炭水分波動大，特別是外購濕熄焦，2016年11月份，濕熄焦水分在8.1%～9.8%之間波動。實踐表明，含有一定量水分的焦炭能夠降低爐頂煤氣溫度，但水分過高且大幅波動會造成高爐熱制度波動，影響爐況穩定順行，造成高爐焦比大幅升高[2]。

1.1 焦炭冷態強度對高爐指標影響

焦炭冷態強度主要用抗碎強度M40 和耐磨強度M10來表征[3]。表1 中，唐鋼南區高爐入爐焦炭M40在88%，M10在6.1%的水平，在同級別的高爐中，焦炭質量處于較低水平，且進入2016年下半年以來，焦炭質量呈下降趨勢。

焦炭冷態強度M40、M10是焦炭質量的重要指標，是反映焦炭在冷態下抗擠壓破碎成為粉末的能力，是焦炭熱強度的基礎。焦炭冷態強度取決于配煤質量、備煤工藝、焦爐爐型及操作制度和熄焦工藝等。冷態強度也是焦炭能否起到爐料骨架支撐作用、保證高爐透氣性的重要指標[3]。唐鋼南區高爐2016年7月～11月焦炭冷態強度M40、M10對焦比、煤比的影響分別如圖1、圖2所示。

南區高爐規定入爐焦炭的M40≥88%，M10≤6%，但受外購濕熄焦質量下降的影響，入爐焦炭的冷態強度難以保障。從圖1和圖2可以看出，隨著焦炭M40下降和M10的上升，高爐焦比升高，煤比下降。這是由于焦炭冷態強度能夠保持其粒度和較低的含粉率，保證高爐料柱特別是塊狀帶的透氣性，改善爐況順行的程度。隨著焦炭冷態強度的降低，焦炭抵抗料柱壓力和各種侵蝕的能力下降，高爐透氣性明顯變差，壓差升高，難以維持高煤比和低焦比。還可以看到，與M40相比，焦炭M10對焦比和煤比的影響更加顯著，這與文獻[4]的結論一致。唐鋼南區高爐采用中心加焦的布料方式，焦炭M10差，抗磨性差，含粉率高，惡化料柱特別是中心焦的透氣性，造成高爐中心主導氣流弱，上部壓差大，料尺行走不暢，風量波動，爐缸不活。

圖1 M40對焦比和煤比的影響

圖2 M10對焦比和煤比的影響

1.2 焦炭熱性能對高爐指標影響

焦炭熱性能主要用熱態強度CSR和反應性CRI來表征。焦炭的熱態性能不好(CRI高、CSR低)，會使塊狀帶透氣性變差，軟熔帶位置下移，表現為中心氣流變弱，邊沿氣流增強，爐缸中心死料柱增大，風口及回旋區的碎焦量增加，爐缸透液性變差，鐵口深度減小等，這些都會嚴重影響高爐順行[5]。唐鋼南區高爐2016年7月-11月焦炭熱態性能CRI、CSR對焦比、煤比的影響如圖3、圖4所示。

圖3 CSR對焦比和煤比的影響

圖4 CRI對焦比和煤比的影響

從圖3和圖4可以看出，唐鋼南區高爐CSR在67%水平，CRU在23.5%水平，在同級別高爐中焦炭質量屬于中下。隨著CSR降低和CRI的升高，高爐焦比也呈顯著上升趨勢，煤比下降，且CSR對焦比和煤比影響的趨勢更加顯著。生產實踐中，南區高爐使用熱性能劣化的焦炭后，下部壓差升高，風口活躍性差，風口容易燒壞破損，鐵水硫易出現超標，燃耗上升。

2 應對措施

2016年11月初，唐鋼自產干熄焦系統檢修，生產少量濕熄焦，加之外購濕熄焦價格上升，質量大幅波動。唐鋼南區高爐11月5日和11月6日的焦炭質量指標見表2。

表2 唐鋼南區高爐焦炭質檢成分

注：自產濕熄焦與自產干熄焦配比不同。

從表2可以看出，11月5日和11月6日的入爐焦炭質量波動很大，M10基本都在6.0%以上，山西濕熄焦1最高達到了7.4%；M40大幅下降，最低為85%；熱性能除了山西濕熄焦2外，其他三種焦炭都出現嚴重劣化，自產干熄焦CSR最低僅為64.18%，CRI最高達到了26.15%；此外，三種濕熄焦的水分波動很大，最高達到了9.6%。11月5日之前焦炭配比為40%自產干熄焦+20%山西濕熄焦1+40%山西濕熄焦2，11月5日白班改為40%自產干熄焦+20%自產濕熄焦+40%山西濕熄焦2，11月5日～11月10日期間，焦炭配比保持為40%自產干熄焦+20%自產濕熄焦或山西濕熄焦1 +40%山西濕熄焦2。

質量較差的焦炭入爐后，經過一兩個冶煉周期的反應，高爐順行出現明顯變化。開始表現為上部壓差增大，小幅度的偏滑尺，之后發展為風口不活躍，幾個鐵口渣鐵分布不均，鐵水硫含量波動大，再之后變現為風量波動大，料尺不暢，有小幅度竄氣，焦比上升，產量下降，期間19號風口小套燒壞。11月5日～11月12日的技術指標見表3。

表3 唐鋼南區高爐2016年11月初技術指標

從表3可以看出，11月7日開始，由于高爐透氣性變差，爐況波動，利用系數下降，焦比上升，煤比大幅下降。面對劣化的焦炭指標對高爐順行的影響，南區高爐采取了一系列措施。

2.1 降低焦炭負荷

現代大型高爐采用大礦批、高焦炭負荷的裝料制度，但當原燃料條件惡化，特別是粉末增加時，透氣性變差，不宜擴大礦批、增加焦炭負荷。應對焦炭質量劣化，唐鋼南區高爐首先采取逐步降焦比、退礦批的措施。11月7日中班入爐焦比由435 kg/t提高到445 kg/t，11月8日白班入爐焦比由445 kg/t提高到455 kg/t，同時礦批由77 t降低到75 t，焦炭負荷由3.90 t/t降低到3.81 t/t。采取上述措施之后，高爐壓差明顯降低，透氣性變好，中心氣流也由弱變強，提高爐況抗波動能力，減小焦炭質量劣化對高爐的影響程度。

2.2 合理的操作制度和熱制度

面對焦炭質量劣化引起的高爐透氣性下降和爐缸狀態惡化，南區高爐調整操作制度，控制整個料柱壓差，操作壓差比正常時低5 kPa ～10 kPa，減少或避免出現管道或大幅度滑尺，造成爐況難行。焦炭冷熱強度下降，導致高爐爐況焦炭粉末多，惡化爐缸死料柱的透氣性和透液性，造成高爐下部壓差高，爐缸工作不活躍。保持合理的熱制度對爐缸的活躍性至關重要。爐況波動后，南區高爐按照高爐溫和低堿度的操作方針，鐵水爐溫控制不低于0.5%，爐渣二元堿度不大于1.15，控制爐溫為0.5%時，鐵水含硫不低于0.03%，保持鐵水和爐渣具有適宜的流動性，保證爐缸活性。對于質量較差焦炭，采用分倉上料的方式，質量較好和質量差的焦炭分倉入爐，減少劣質焦炭入爐比。加強焦倉篩網的維護，堵塞和損壞的篩網及時檢修和更換，減少入爐的焦炭粉末。加強爐前出鐵組織，減少出鐵間隔，提高渣鐵出盡率，必要時采用雙場重疊出鐵，避免渣鐵未出盡造成的爐內憋壓。

2.3 加強原燃料和生產管理

2.4 保持穩定的布料制度

通過采取上述措施，爐況從11月7日波動，11月12日基本恢復到波動之前的水平，透氣性改善，煤氣利用率由43%提高到45.26%，入爐焦比由455 kg/t降低為430 kg/t，礦批逐步恢復至77 t，高爐爐況逐漸穩定，鐵產量由6 525 t/d提高到7 070 t/d。

3 結語

(1)焦炭質量對高爐爐況順行影響顯著，焦炭冷態強度、熱性能劣化以及成分波動后，料柱透氣性變差，爐況難行，焦比上升，利用系數下降。

(2)隨著焦炭M40下降和M10的上升，高爐焦比升高，煤比下降，高爐順行變差，且M10的影響更加顯著；隨著CSR降低和CRI的升高，高爐焦比也呈顯著上升趨勢，煤比下降，且CSR對焦比和煤比影響的趨勢更加顯著。

(3)通過采取降低焦炭負荷、合理的操作制度和熱制度、加強原料和生產管理以及保持穩定的布料制度等措施，能夠有效的降低焦炭質量波動對高爐爐況的影響。

[1] 王筱留．中鋼鐵冶金學(煉鐵部分)[M]．北京:冶金工業出版社，2008:7-10.

[2] 古勇合,周龍文,喻冰鶴．焦炭品質劣化對新鋼2 500 m3高爐生產的影響[J]．江西冶金，2016，36(5)：14-16．

[3] 唐順兵．焦炭質量對大型高爐穩定生產的影響[J]．煉鐵，2011，30(3)：8-12．

[4] 王照華,孫存生,王偉．安鋼3#高爐對焦炭質量的要求探討[J]．河南冶金，2015,23(4)：54-56．

[5] 龍曉陽，萬旭東．現代高爐對焦炭質量的要求[J]． 鞍鋼技術，2002(4)： 5-9．