萊鋼焦炭指標對高爐影響權重的統計分析

殷寶龍，陳建巧，龐師艷，陳艷輝

（山鋼股份萊蕪分公司煉鐵廠，山東 濟南271104）

1 前 言

焦炭在高爐中既是燃料、還原劑、增碳劑，還起著貫穿爐身上下疏松骨架的作用，因此，高爐對焦炭的化學組成及機械強度、物理性能等質量指標均有比較嚴格的要求。焦炭質量的控制應以滿足高爐生產穩定順行為前提，然則焦炭質量指標包括了冷態強度、熱態強度、粒度組成、化學成分等諸多指標，在實際生產中很難保證所有指標都達到理想值，甚至有的指標在焦化生產中是矛盾的，不可能同時保全。有必要將焦炭各項指標對高爐的影響程度劃分好權重，確定重點關注指標:一方面可對焦炭的生產或采購提供科學依據，指導焦炭采購、質量把關；另一方面可合理指導高爐操作，通過明確、量化焦炭關鍵指標，在關鍵指標惡化時及時有效地采取措施應對。

2 選擇統計分析對象及方法

2.1 統計分析對象的選擇

山鋼股份萊蕪分公司煉鐵廠（以下簡稱煉鐵廠）現有高爐6座，其中老區有750 m3高爐2座，900 m3高爐1座，1 000 m3高爐1座；新二區有1 000 m3高爐2座。6座高爐全部在線生產時，老區主要配加自產焦炭，新二區全部配加外購焦炭。由于外購焦炭的品種多，變換頻繁，選取老區作為分析對象。

2.2 統計分析方法的選擇

當前實際生產中檢驗的各項焦炭指標有:M40、M10、CRI、CSR、Vf、Af、C、S、H2O及粒度組成（日常主要檢測-25 mm）。筆者統計了煉鐵廠老區近10 a的生產數據，以高爐產量表征高爐爐況順行程度，從而分析焦炭各項指標對高爐的影響。

2.2.1 多元回歸分析

多元回歸分析本應是首選工具，以高爐產量為y，焦炭各項指標為x1、x2……xn，建立多元回歸方程，根據其顯著性判斷系數、方差膨脹因子、方差分析等依次刪除不顯著的x，最后得到關鍵x及其方程系數，可以明確量化焦炭各項指標對高爐的影響程度。但開展此分析的前提是:1）在統計區間內除了焦炭指標以外的各項影響高爐產量的因素均要保持穩定，即時間跨度不可太長；2）統計區間內的焦炭各項指標x1、x2……xn要覆蓋實際生產數據范圍。而萊鋼自產焦質量短期內相對穩定，條件滿足前提1）時區間內焦炭各項指標波動不大，不滿足多元回歸分析條件。

2.2.2 對比分析

排除生產異常時期（如停爐、限產、非焦炭原因引起的爐況失常等），選取高爐連續2個月高產及連續2個月低產的月份進行定向對比分析，且兩個對比區間的原料穩定、生產組織近似。最終確定的對比區間:高爐高產、順行期2014年8、9月（以下簡稱順行期），低產、波動期2017年3、4月（以下簡稱波動期）。

3 焦炭各項指標的權重分析

3.1 冷態指標

3.1.1 焦炭M10—非常重要

順行期M10指標均值6.6%，波動區間窄；波動期指標均值6.9%，波動區間寬，多點溢出控制線外，如圖1所示。煉鐵工藝要求焦炭M10數值低為佳，對比結果完全吻合工藝要求，判斷M10指標權重為非常重要。優質焦炭的表現為均值不高于6.6%，波動范圍在月均值±0.3%。

圖1 焦炭M 10指標對比

3.1.2 焦炭M40—重要

順行期M40指標均值85.698%，波動區間窄；波動期指標均值86.18%，波動區間寬，少量點溢出控制線外，如圖2所示。煉鐵工藝要求焦炭M40數值高為佳，可波動期指標高于順行期，可見M40指標對高爐的影響程度低于M10，判斷M40指標權重為重要。優質焦炭的表現為均值高于85.6%，波動范圍在月均值±0.5%。

圖2 焦炭M 40指標對比

3.2 熱態指標

3.2.1 焦炭熱反應性CRI—不重要

順行期CRI指標均值26.1%，波動區間寬；波動期指標均值26.6%，波動區間窄，少量點溢出控制線外，如圖3所示。煉鐵工藝要求焦炭CRI數值低為佳，與對比結果基本吻合，但基于兩個時期CRI指標差異不大，且順行期該指標大幅波動并不影響高爐順行，判斷CRI指標權重為不重要。

圖3 焦炭熱反應性CRI指標對比

3.2.2 焦炭反應后強度CSR—不重要

順行期CSR指標均值64.74%，波動區間寬；波動期指標均值64.51%，波動區間窄，如圖4所示。煉鐵工藝要求焦炭CSR數值高為佳，與對比結果基本吻合，但基于兩個時期CSR指標差異不大，且順行期該指標大幅波動并不影響高爐順行，判斷CSR指標權重為不重要。

圖4 焦炭反應后強度CSR指標對比

3.2.3 對熱態指標的補充說明

通過對萊鋼煉鐵三區（銀山新區、銀前新二區、老區）高爐所用的焦炭指標進行相關性分析，發現供3 200 m3高爐、1 880 m3高爐焦炭及外購焦炭的檢驗指標都有一個有別于老區焦炭的共同點——焦炭冷態指標和熱態指標有較強的線性相關性，如圖5所示。

圖5 焦炭冷態指標和熱態指標散點圖

焦炭冷態指標和熱態指標的相關系數見表1（Pearson相關系數的數值范圍為0～1，越接近1表示線性相關性越強，負號代表負線性相關）。

表1 焦炭冷態指標和熱態指標的Pearson相關系數

通過三區焦炭冷、熱態指標的散點圖及相關系數的對比可知，老區焦炭的熱態指標檢驗是存在問題的，對生產指導意義不大，因此上述對熱態指標判定不重要的結論僅對萊鋼老區高爐有效，對其他高爐不具有借鑒意義，特此說明。

3.3 化學成分

3.3.1 揮發分Vf—不重要

順行期揮發分指標均值1.3%，波動區間略窄；波動期指標均值1.178%，波動區間略寬，如圖6所示。煉鐵工藝要求焦炭揮發分為1%左右，不得高于1.5%，兩個時期均滿足要求，判斷揮發分指標權重為不重要。

圖6 焦炭揮發分Vf指標對比

3.3.2 灰分Af—關注

順行期灰分指標均值12.54%，除去異常點，總體波動區間窄；波動期指標均值12.47%，波動區間寬，如圖7所示。灰分為有害物質，數值低為佳，基于兩個時期灰分指標均值差異不大，但總體來看順行期該指標的控制優于波動期，判斷灰分指標權重為關注。優質焦炭的表現為過程穩定，波動區間窄，控制在均值±0.35%為佳。

圖7 焦炭灰分Af指標對比

3.3.3 固定碳C—不重要

順行期固定碳指標均值85.89%，多個點超出下控制線；波動期指標均值86.2%，兩個時期波動區間差別不大，如圖8所示。固定碳為焦炭的可燃性物質，數值高為佳，該指標波動期優于順行期，判斷固定碳指標權重為不重要。

圖8 焦炭固定碳指標對比

3.3.4 S—關注

順行期硫指標均值1.07%，異常點較多，但總體波動區間窄；波動期指標均值0.87%，波動區間寬，如圖9所示。S為有害物質，數值低為佳，但從兩個時期硫指標來看，順行期該指標的波動范圍優于波動期，均值控制差于順行期，可見均值的高、低對順行的影響不大，主要是對生鐵質量的影響大，判斷硫指標權重為關注。優質焦炭的表現為過程穩定，波動區間窄，控制在均值±0.08%為佳。

圖9 焦炭含硫指標對比

3.3.5 H2O—不重要

順行期H2O指標均值1.49%，波動區間寬；波動期指標均值0.86%，波動區間窄，如圖10所示。煉鐵工藝要求焦炭H2O數值穩定為佳，與對比結果不太相符，判斷H2O指標權重為不重要。

圖10 焦炭含水指標對比

3.4 焦炭粉末-25 mm—次重要

順行期-25 mm指標均值7.2%，除去異常點，大部分指標集中在中心線附近，波動區間窄；波動期指標均值4.67%，波動區間寬，如圖11所示。總體來看順行期該指標的控制優于波動期，判斷-25 mm指標權重為次重要。優質焦炭的表現為過程穩定，波動范圍在月均值±0.9%。

圖11 焦炭粉末-25 mm指標對比

通過統計分析，得出焦炭各項指標影響爐況順行的程度由強到弱依次為M10、M40、-25 mm、Af、S。統計結果顯示焦炭的冷態指標對1 000 m3級高爐的影響遠遠大于熱態指標，明確了焦炭M10指標是決定高爐順行與否的必要條件。

4 M10與燃料比的對應關系

冶金行業在計算M10指標變化對燃料比影響時通常采用M10升高0.1%影響燃料比升高3.5 kg/t。煉鐵廠高爐近5 a的數據分析顯示:M10＜6.6%時，M10的變化對燃料比無明顯影響；M10＞6.6%以后，對燃料比的影響明顯，且幅度逐步加劇，見圖12。

通過回歸得出燃料比與M10對應關系的回歸方程:

燃料比=4 629-1 263M10+97.13（M10）2。

圖12 焦炭M 10指標與燃料比的擬合線

根據回歸方程得出:M10由6.6%升高至7.0%區間，每升高0.1%的燃料比變化由0.94 kg/t升高至8.71 kg/t（見表2），在6.6%～6.9%變動時均值與行業值較一致（平均3.85 kg/t），但6.9%以上的影響遠大于行業值。

表2 M 10與燃料比的對應關系

因此在實際生產時，燃料把關方面要重點控制M10＞6.9%的焦炭數量，操作上也應積極退負荷應對，防止焦炭質量惡化引發大的爐況波動。

5 根據關鍵參數優化焦炭供應

5.1 老區

煉鐵廠老區4座高爐主要配加焦化廠1#～4#焦爐自產焦，其中1#、2#焦爐共用1條輸焦線，3#、4#焦爐共用1條輸焦線。通過進一步對比同時期1#、2#焦爐和3#、4#焦爐焦炭的關鍵指標，發現兩條輸焦線焦炭差異性較大，長期以來誰缺料就給誰打料的操作方式導致單座高爐焦炭質量頻繁波動，不利于高爐長期穩定順行。經研究決定采用分倉打料來解決這一問題:1#高爐接收3#、4#焦爐焦炭；2#、3#高爐接收1#、2#焦爐焦炭；4#高爐接收1#、2#焦爐焦炭。3#、4#焦爐焦炭各1個倉，不得混料。

5.2 新二區

長期以來新二區外購焦炭品種多、結構調整頻繁是導致爐況波動的主要因素，每月入爐焦炭品種一般在5～8種，且料場小，不具備焦炭混勻條件。在明確了焦炭關鍵指標后，決定依據焦炭的M10指標將焦炭分為3類，統計近兩年里二區3 295批次焦炭M10指標出現頻次，確定了≤6.6%、6.6%～6.7%、＞6.7%3個區間。

將M106.6%的焦炭作為Ⅰ類焦（如金能、鐵雄）在高爐打入一個焦倉；M10＞6.7%的焦炭作為Ⅱ類（如趙城、修文）打入高爐的另一個焦倉；M10介于6.6%～6.7%的焦炭來平衡Ⅰ類和Ⅱ類焦的數量。焦炭分類后能保持每個高爐在階段時間內焦炭質量的穩定性，很大程度上解決了外購焦炭品種多帶來的問題。

6 結論

6.1 通過統計分析，得出萊鋼焦炭各項指標影響爐況順行的程度由強到弱依次為M10、M40、-25 mm、Af、S。需要說明的是，判定為不重要的指標有可能是因為統計區間內的指標值波動均沒有超出變異限，即生產上已經可控并長期滿足高爐需要（或指標檢驗存在問題，如老區焦炭熱態強度），所以表現出對高爐生產沒有影響，并不一定是真的不重要。

6.2 統計結果顯示，萊鋼焦炭的冷態指標對1 000 m3級高爐的影響遠遠大于熱態指標，明確了焦炭M10指標是決定高爐順行與否的必要條件，即M10指標達標時，高爐不一定順行；反之，高爐一定不順。統計數據還發現M10指標對高爐順行及燃料比的影響存在一定的滯后性，滯后期為1～3個月。滯后期的長短與該指標的惡化程度有關，由于數據量仍然不夠大（10 a中僅有3次M10指標出現超過3個月持續惡化），還未確定具體的變化規律，有待廣大煉鐵工作者共同研究探討。