混合噴吹熔劑和煤粉對高爐生產的影響

陳東峰

（馬鋼股份有限公司技術中心，安徽 馬鞍山243000）

1 前 言

國內外相關研究表明［1-3］，高爐風口回旋區外側一層致密的“鳥巢”形狀的殼，是由風口渣粘結煤粉中C焦化形成的，殼的厚度與風口渣熔點和黏度有關，2003年瑞典LKAB高爐通過噴吹轉爐渣和其他堿性物料，可調節高爐爐渣（R2在1.1左右）成分，消除風口酸性渣（R2在0.2 左右）和爐腹堿性渣（R2在1.4左右）的極端狀況。

一些文獻［4-6］研究表明高爐風口噴吹熔劑和煤粉，熔劑在高爐風口區與噴吹煤粉燃燒產生的灰分混合，生成堿度較高的風口渣，可以避免單純噴吹煤粉時，高SiO2和Al2O3在回旋區邊緣表面形成黏度高、熔點高的酸性風口渣，改善高爐風口區域的透氣性，降低高爐鐵水的硅、硫含量，以及風口渣的黏度，減少高爐風口渣量，提高初渣穩定性，有利于高爐增產和擴大噴煤，提高高爐生產率，降低高爐焦比。

2 熔劑、煤粉的理化特性及粉體特性

2.1 熔劑和煤粉的理化特性

表1 顯示了馬鋼股份公司鐵前系統常用的熔劑及利民鋼渣公司加工的鋼渣微粉的成分和粒度情況，如果將熔劑與煤粉混合噴吹，還要采用磨礦機磨制熔劑，直到80%以上粒度＜0.075 mm。表2和表3 分別顯示了馬鋼股份公司2020 年噴吹煤粉（多種無煙煤和煙煤混合）的工業分析和灰分分析情況；灰分采用化學檢驗方法。

表1 不同類型熔劑的化學成分及粒度 %

表2 馬鋼2020年噴吹煤粉工業分析結果

表3 馬鋼噴吹煤粉灰分成分檢測結果

從表2、表3可以看出，馬鋼目前噴吹混合煤粉的灰分在8.99%，灰分的主要成分SiO2和Al2O3占75%以上，堿度0.14 與瑞典LKAB 高爐風口渣試驗檢測結果相近。

2.2 熔劑和煤粉的粉體特性

采用粉體特性測試儀可以通過安息角、平板角和密度等參數計算流動特性指數和噴流性指數。煤粉的流動特性指數是指管道運輸、煤粉堆放及煤粉在管道中的氣力輸送過程中的性能參數。煤粉的噴流特性指數是指煤粉在風口回旋區的彌散程度。試驗設備采用BT—1001 智能粉體特性測試儀，試驗結果見表4。

從表4 可以看出，4 種熔劑與煤粉的密度大小生石灰＜混合煤粉＜白云石＜石灰石＜鋼渣微粉；安息角是生石灰、混合煤粉、鋼渣微粉3 個相近，均在53.3°～53.6°；白云石和石灰石相近在45°～47°；噴流性指數是生石灰＞混合煤粉=鋼渣微粉＞石灰石＞白云石。綜合幾種熔劑得出鋼渣微粉和生石灰與混合煤粉的流動性指數和噴流性指數相近，但堆密度最相近的是生石灰，因此，建議煤粉與生石灰混合噴吹，輸送、噴吹時產生偏析程度較低。

表4 粒度<0.075 mm 熔劑和煤粉的粉體特性

3 熔劑、煤粉搭配方案及爆炸性

3.1 熔劑、煤粉搭配方案

目前我國大型高爐噴吹煤粉量噸鐵150 kg 左右，基本上不需配熔劑就能滿足高爐透氣、透液性需要。考慮到提高煤粉比例降低焦炭配比，要在噴吹煤粉中配入熔劑。因此，設計提高噴煤量30 kg/t 鐵，即煤粉量180 kg/t 鐵。熔劑、煤粉配比情況及混合物中熔劑比例見表5。風口渣也依據該方案設計。

表5 試驗熔劑及煤粉搭配方案

3.2 熔劑、煤粉混合物的爆炸性

煤粉爆炸性實驗步驟采用＜0.075 mm 的煤粉和煤粉、熔劑混合物用量1 g，加熱設備到達設定溫度（800～1 000 ℃），打開氣泵開始噴吹煤粉，氣流攜帶煤粉噴濺到熱電阻絲（800～1 000 ℃），被熱電阻絲點燃，觀察對應回火焰長度。測試結果見圖1。

圖1 爆炸性測試結果

從圖1可以看出，熔劑對煤粉的爆炸性均有不同程度的抑制作用，隨著熔劑在煤粉中的添加比例增加，抑制作用增強。不同熔劑間抑制爆炸的順序為：生石灰＜鋼渣微粉＜白云石＜石灰石。可能與碳酸鹽分解吸熱和煤粉混入熔劑揮發分比例降低有關，提高煙煤比例會導致煤粉爆炸性增強，配入石灰石或者白云石可以起到抑制煤粉爆炸的作用。

4 熔劑、煤粉混合噴吹對風口區域的影響

按照表1、表3 和表5 中熔劑、煤粉成分及其搭配情況，計算得出風口渣成分，實驗室配制出不同比例和不同熔劑類型的風口渣二元堿度和四元堿度，見圖2。

圖2 風口渣堿度

從圖2 可以看出，風口渣二元堿度（CaO/SiO2）影響變化順序是生石灰＞石灰石＞鋼渣＞白云石，風口渣四元堿度（（CaO+MgO）/（SiO2+Al2O3））影響變化順序是生石灰＞石灰石=白云石＞鋼渣。

4.1 風口渣的熔點

灰錐收縮25%為軟化溫度，收縮50%為半球溫度（灰熔點），收縮75%為流動溫度。混合煤粉沒有固定的灰熔點，存在熔化的溫度區間。一般情況下，煙煤的灰熔點低，無煙煤的灰熔點高［7-9］。在鼓風參數和高爐原料參數一定的情況下，熔化的溫度區間決定了風口鳥巢區的渣殼層厚度，熔點高低決定了風口回旋區大小。噸鐵噴吹量一致的情況下，降低熔點的順序見圖3。

從圖3可以看出，煤粉分別與石灰石、生石灰、鋼渣微粉混合噴吹時，風口渣的熔點均逐漸降低。風口渣從軟化到融化時的溫度差，存在先增大后降低的現象；煤粉與白云石混合噴吹時，風口渣的熔點先逐漸降低后升高，風口渣從軟化到融化時的溫度差變化波動規律性不強。

圖3 風口渣的熔點檢測數據圖

風口渣的熔點見圖4。從圖4 可以看出，噸鐵噴吹量一致的情況下降低熔點大小的順序是：生石灰＞石灰石＞鋼渣＞白云石。根據圖2 數據所對應的二元堿度為0.62～0.8，溫度降低幅度在100～150 ℃。原因在于噴吹量一致情況下熔劑中的提供助熔作用的CaO+MgO總量不一致。

圖4 風口渣熔點檢測數據

4.2 風口渣的黏度

高爐渣（R2在1.1～1.2）黏度檢測設備的最高溫度1 500 ℃，不能檢測風口酸性渣（R2＜0.8）黏度。選取部分弱酸性風口渣進行檢測，結果見圖5。根據文獻［10］，采用FactSage 軟件依據風口渣成分計算黏度，見圖6，結合風口理論燃燒溫度2 000 ℃以上，風口回旋區平均溫度在1 650 ℃左右，以1 600 ℃風口渣黏度為標準。

圖5 風口渣黏度檢測數據

圖6 風口渣的黏度FactSage軟件計算結果

從圖5 和圖6 可以看出，噸鐵噴吹量一致的情況下，降低黏度大小的順序是：生石灰＞石灰石＝鋼渣＞白云石。降低幅度最大的點是生石灰6 kg、石灰石9 kg、鋼渣9 kg、白云石9 kg。根據圖2 數據所對應的二元堿度，生石灰0.83、石灰石0.69、鋼渣0.85、白云石0.55，四元堿度生石灰0.49、石灰石0.46、鋼渣0.48、白云石0.50。生石灰6 kg、石灰石9 kg、鋼渣9 kg、白云石9 kg 時風口渣的黏度分別從2.754 Pa·s下降到0.275、0.314、0.327、0.284 Pa·s，下降幅度均在85%以上；鋼渣為鋼鐵廠內部產生，鋼渣利用效果也較好。

生石灰、石灰石與煤粉灰分形成的風口渣主要成分為CaO、SiO2、Al2O3；鋼渣微粉、白云石與煤粉灰分形成的風口渣主要成分為CaO、SiO2、Al2O3、MgO、FeO。隨著不同種類熔劑的添加比例變化，渣中礦物類型及比例變化，高溫液相中未熔固溶體顆粒增加，導致黏度改變。

5 結 論

5.1 粉體輸送和爆炸特性分析，鋼渣微粉和生石灰與混合煤粉的流動性指數和噴流性指數相近；煤粉燃燒率提高順序為生石灰＞鋼渣微粉＞石灰石＞白云石；熔劑抑制爆炸的順序為生石灰＜鋼渣微粉＜白云石＜石灰石，提高煙煤比例噴吹，可以考慮白云石和石灰石與煤粉混合噴吹。

5.2 高爐風口渣的熔點和黏度分析，選用生石灰噴吹量少，降低熔點和黏度效果好，考慮資源利用，煤粉中摻入4.78%的鋼渣微粉或者3.23%的生石灰粉，風口渣熔點降低100 ℃以上，黏度降低85%以上，可以提高風口區的透氣性和透液性，提高高爐利用系數。

5.3 噸鐵噴吹煤粉由150 kg提高到180 kg，噸鐵配入熔劑9 kg，噸鐵焦炭消耗降低28 kg，富氧率增加1.5%，高爐利用系數增加了0.04 t（/m3·d）以上，噸鐵成本降低16.1元。