宣鋼改善焦炭反應性的研究與實踐

閆 軍

(河北鋼鐵集團宣鋼煉鐵廠,河北 張家口075100)

焦炭反應性和反應后強度對高爐生產技術指標的影響,國內外已經有很多研究成果。焦炭反應后強度對高爐的影響,研究結論比較一致,即反應后強度越高,越有利于高爐順行。對焦炭反應性的影響,研究結果有所不同,支持降低焦炭反應性觀點的人認為反應性低意味著焦炭的開始氣化溫度高,有利于延長鐵礦石的間接還原時間,提高間接還原度,降低焦比。有人研究統計,焦炭反應性每提高1%,焦比增高1kg/t,煤氣利用率降低0.5%。另外焦炭反應性和反應后強度呈負相關關系,反應性降低可使反應后強度提高,對高爐順行有利,因此這種觀點得到多數煉鐵專業人員的支持[1]。

另一種觀點是認為適當提高焦炭反應性對高爐生產更有利。這種觀點最早由法國學者在上世紀80年代提出,認為在高爐內溫度的分布存在著一個自動調節過程,即高爐內熱量分布與直接還原和間接還原是相互制約、互成比例的,通常不會發生變化,使用高反應焦炭效果不一定就不好。日本的學者研究認為與傳統高爐相比,現代高爐爐身的工作效率已經達到了很高水平,低反應性焦炭對提高爐身工作效率的作用已經非常有限,尤其是在當前鐵礦石具有較好還原性的條件下,利用高反應性焦炭完全可以取得較好的冶煉效果。

1 宣鋼自產焦炭提高反應性的論證

1.1 自產焦炭質量

從表1看出,2012—2017年期間,宣鋼自產焦炭主要質量指標是一個逐步改善的過程,其中灰份、硫份由2012年的13.49%、0.83%降低到2017年的12.84%、0.79%。M40、M10由2012年的84.10%、6.46%逐步改善為2017年的86.0%、6.3%。反應性和反應后強度由2012年的24.8%、64.3%逐步改善為2017年的22.17%、68.03%,目前的反應后強度也是近五年最高的。

表1 歷年宣鋼自產焦炭質量情況Table 1 Quality of self-produced coke in Xuansteel over the years

圖1 自產焦炭反應性和反應后強度變化趨勢Figure 1 Change trend of self-produced coke reactivity and post-reaction strength

圖2 自產焦炭反應性與反應后強度對應關系Figure 2 Correlation between self-produced coke reactivity and post-reaction strength

從圖1、圖2看出,從2012年開始宣鋼自產焦炭反應后強度逐年升高,而反應性逐年降低,焦炭質量處于逐漸改善的過程,而且反應性與反應后強度也符合當前常規生產方式下焦炭性能變化規律。

1.2 宣鋼自產焦炭質量與高爐指標的關系

以2500m3高爐指標情況(見表2)為例說明。

從表2看出,近年來宣鋼1#、2#兩座2500m3高爐主要技術指標總體上較差,入爐焦比和燃料比高,煤氣利用率和風溫水平低。2015年入爐焦比和燃料比都處于最高水平,而同期的自產焦炭質量呈逐步改善趨勢,高爐主要燃耗指標沒有隨燃料條件同步好轉。從幾項影響條件看,煤氣中CO2含量即煤氣利用率是高爐燃耗指標的重要影響因素,二者的對應變化見圖3。

表2 宣鋼2500 m3高爐指標情況Table 2 Performance of Xuangang 2500 m3 blast furnace

圖3 2500 m3高爐燃料比與煤氣CO2含量對應關系Figure 3 Correlation between Fuel Ratio and CO2 Content of Gas in 2500 m3 Blast Furnace

圖4 1#高爐煤氣中CO2與燃料比對應關系Figure 4 1 Correlation of CO2 to fuel ratio in blast furnace gas

圖5 2#高爐煤氣中CO2與燃料比對應關系Figure 5 2 Correlation of CO2 to fuel ratio in blast furnace gas

高爐煤氣CO2含量(表征煤氣利用率)與高爐燃耗呈現明顯的反向對應關系,如圖4、圖5所示。2012年至2017年,由于1#高爐的爐況波動和2#高爐開爐后的長時間不穩定,煤氣利用率持續降低,燃耗同步升高。2016年后兩座高爐逐步調整優化上部裝料制度,取消中心注焦裝料模式,煤氣利用率得到明顯提高,爐況實現穩定順行,高爐燃耗大幅降低。

從上述對比可以看出,近幾年宣鋼自產焦炭質量是在一個比較穩定的基礎上逐步改善,而在這個過程中由于高爐爐況階段波動、煤氣利用率偏低等因素影響導致高爐燃耗長期居高不下,焦炭質量改善對高爐產生的積極影響被弱化甚至消化了。

高爐所用焦炭在具備一定質量水平時,高爐操作對爐況穩定和指標優劣具有更為重要的影響,而不必再進一步追求過高的焦炭質量。從近幾年指標情況看,焦炭反應性在22%-25%,反應后強度在65%-68%都是可以保證高爐需要的。

2 提高焦炭反應性可行性分析

根據國內外對焦炭反應性研究成果,重點從以下幾個方面對焦炭反應性提高后的影響進行分析。

2.1 對礦石還原的影響

隨著焦炭反應性提高,含鐵爐料的還原度和金屬化率都逐漸提高,這說明反應性高的焦炭能提升煤氣的還原勢,促進含鐵爐料的還原,提高爐料金屬化率,減少進入軟融帶時爐料中的FeO含量,可以改善爐料的軟熔滴落性能。

2.2 對焦炭粒度的影響

溶損反應是焦炭在中低溫區粒級減小的主要影響因素,高溫應力和氣流沖刷是焦炭在高溫區粒級減小的主要影響因素,溶損反應導致的焦炭粒級減小幅度要大于在高溫區的粒級減小幅度,因此焦炭的溶損反應即反應性是焦炭在高爐內粒級降解的最主要影響因素。

2.3 對焦炭強度的影響

英國工業碳化研究所曾將不同地區不同變質程度的60多種煉焦煤進行混合搭配,分析生產出的焦炭反應性和反應后強度指標,找出了兩者之間良好的負相關關系。很多研究者和操作人員認為焦炭反應后強度對高爐的影響更為重要,焦炭反應性越高,勢必影響反應后強度,因此要控制較低的焦炭反應性,確保較高的反應后強度[2]。

2013年9 月份參加大高爐年會時,北科大許滿興教授也提出高爐中上部需要焦炭反應性適當高一些,而高爐下部需要反應后強度適當高一些,在目前的煉焦配煤方式下,達到這種效果比較困難。他認為焦炭反應性在23%～26%,反應后強度在65%～67%是完全可以滿足2000～3000m3高爐生產的,在這個范圍內反應性可以控制上限,反應后強度可以控制下限,這個控制范圍目前宣鋼自產焦炭是可以實現的。

3 結論

(1)在目前的檢測方式和焦炭配煤條件下,焦炭反應性和反應后強度確實存在負相關關系,即反應性提高,反應后強度降低。

(2)對于高爐生產來說,提高焦炭反應性可以增強爐內還原氣氛,擴大間接還原,有利于提高爐料金屬化率,降低高爐燃料消耗。

(3)通過配加富鈣煤等添加劑可以生產出高反應性和高反應后強度的焦炭[3],日本在這方面研究比較早。但目前沒有在鋼鐵行業推廣。

(4)宣鋼在目前自產焦炭生產條件下,可以對2000m3高爐所用濕熄焦炭的反應性按照23%～25%上限控制,反應后強度按照65%～67%下限控制。