鞍鋼鲅魚圈4038 m3高爐高比例使用中塊焦炭生產實踐

吳官印 ，姜彥冰 ，蔣益 ，李偉偉 ，何沖 ，龔繼兵 ，趙華 ，張智勇

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007）

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司 （以下簡稱“鲅魚圈”）由于焦化產能供不應求，且此時料場庫存有大量落地中塊焦炭，為緩解焦炭供應緊張問題，探索高比例中塊焦炭生產的可行性，于2018年9月開始嘗試在2號高爐（4038 m3）生產中提高中塊焦比，最高中塊焦比達到110 kg/t。隨著中塊焦炭使用量的增加，高爐出現風量萎縮、順行變差情況，尤其是高爐休風后送風恢復過程，出現爐缸活躍性差、煤氣流中心通道打不開、頻繁崩滑料現象。為了最大限度降低高比例使用中塊焦炭給2號高爐帶來的影響，提出了一系列工藝改進措施，并進行了生產實踐。

1 中塊焦炭性能分析

焦炭在高爐內的反應可視為符合未反應核模型，即碳的氣化反應依靠焦炭表面與煤氣接觸發生，因此焦炭的平均粒度與反應速度必然有很大關系［1］。鲅魚圈2號高爐使用中塊焦炭粒度組成如表1所示。

表1 高爐使用中塊焦炭粒度組成Table 1 Particle Size Composition of Medium-sized Coke by BF

由表1可以看出，中塊焦炭的平均粒徑為35.8 mm，高爐使用的大塊焦炭平均粒徑為51.5 mm，大塊焦炭與中塊焦炭體積比為 （51.5/35.8）3≈3.0，即3.0粒中塊焦炭的質量相當于1粒大塊焦炭。相同質量的兩種焦炭的表面積比為 3.0×（35.8）2/（51.5）2≈1.45，即同質量的兩種焦炭，中塊焦炭的表面積是大塊焦炭表面積的1.45倍。表面積大意味著反應時和氣體的接觸面積大，中塊焦炭的反應速度和能力都將高于大塊焦炭。通過實驗室進行不同粒度焦炭的礦石還原試驗證實，粒度少量變化造成的焦炭氣化能力變化很大。小粒度焦炭與大粒度焦炭相比，在高爐上部失碳率較高，產生的粉末量也多［2］。

2 中塊焦炭使用現狀

2號高爐正常生產時的中塊焦比一般維持在40 kg/t左右，從2018年9月初開始增加使用中塊焦炭，具體使用情況如圖1所示。由圖1可以看出，到9月30日中塊焦比已經增加至110 kg/t，并維持了近兩個月高中塊焦比生產。

圖1 2018年8～12月中塊焦比使用情況Fig.1 Service Conditions of Medium-sized Coke Ratio from August to December in 2018

在焦炭布料制度不變的情況下，中塊焦比增加必然會造成布入高爐中心的中塊焦炭量的增加，具體情況如表2所示。由表2可以看出，當中塊焦比達到110 kg/t時，每天約消耗880 t中塊焦炭，布入中心的中塊焦炭量約為264 t，是原來的2.9倍，每天布入高爐中心的中塊焦炭量大大增加。

表2 不同中塊焦比每天布入高爐中心中塊焦量Table 2 Amount of Medium-sized Coke Distributed into Center of BF Every Day with Different Medium-sized Coke Ratios

由于2號高爐高比例使用中塊焦炭之后，焦炭平均入爐粒徑由以前的50 mm左右下降到47 mm，整體焦炭粒級下降；且中塊焦炭落地料場時間較長，經過長時間風吹日曬，粉末含量增加且水分含量高，導致焦炭質量劣化，存在反應能力強、平均粒度小、粒度衰減大的缺點。因此，高爐高比例使用中塊焦炭后，大量中塊焦炭從爐頂布入高爐中心，隨著高爐冶煉進程最終進入爐缸成為爐芯焦的一部分，必然會導致爐芯死料堆焦炭粒度減小，透氣透液能力下降，高爐順行變差。

3 高爐高比例使用回裝中塊焦炭的影響

3.1 高爐日常順行影響

高爐煉鐵原燃料質量的變化，尤其是焦炭質量的變化，對高爐生產的影響是巨大的［3］。隨著中塊焦比提高，2號高爐順行狀態出現明顯變化。2018年8～12月高爐風量、透氣性、風壓、壓差變化趨勢分別如圖2所示。

圖2 2018年8～12月高爐風量、透氣性、風壓和壓差變化趨勢圖Fig.2 Variation Trends of Air Volume,Permeability,Wind Pressure and Pressure Difference in Terms of BF from August to December in 2018

由圖2可以看出，隨著高爐中塊焦比增加，高爐風量由8月下旬的6 300 m3/min左右銳減到12月初的6 000 m3/min左右，風量逐漸萎縮；風壓由390 kPa升高至400 kPa左右，且后期由于爐況穩定性差，氣流存在竄氣現象，風壓波動加大，穩定性變差；透氣性指數由38降低到36左右；壓差由8月下旬的165 kPa左右升高到11月初的176 kPa，盡管高爐主動采取降低壓差操作，但由于氣流穩定性差，壓差依然波動較大。后期高爐還出現利用率波動較大，爐溫不受控，操作上熱量上下浮動大，撤風溫操作增多，風口燒壞頻次增加等現象。

小塊焦在高爐下部大量粉化使下部透氣性和透液性顯著惡化，是高爐風壓和壓差升高、整體透氣性下降的主要原因［4］。中塊焦粒度小，反應能力強，布入中心的中塊焦炭在中心氣流的作用下，自身反應速度非常快，到達爐缸時粒度已經減小到非常小的程度，相對大塊焦炭，中塊焦炭進入爐缸會使爐芯焦的平均粒度減小，惡化爐芯焦的透氣透液能力，弱化爐缸活躍程度，影響中心氣流穩定性，從而出現高爐不接受風量，順行變差的現象。

焦炭質量劣化導致爐芯焦的透氣透液能力下降，直接影響到爐缸內渣鐵排放工作；中塊焦比提高一段時間后，對鐵口的影響開始顯現，出鐵時鐵口出現噴濺大、出鐵過程鐵口出現卡焦、出鐵時間變短現象。高爐高比例使用中塊焦炭后，全天出鐵次數由7～8次增加到9～10次，有效出鐵時間由22.5 h減少到了21.5 h，爐溫波動大，兩場出鐵偏差大。

3.2 對休送風的影響

高爐高比例使用中塊焦炭后休送風情況如表3所示。生產中發現，高爐3次休風恢復時都出現了一些共同現象，如休風前順行狀態不佳，氣流發悶，燃耗低；送風后透氣性指數逐步降低到30以下，中心氣流通道打不開，邊緣氣流波動，容易出現急返熱現象，下料差，頻繁崩滑料，休風恢復嚴重超時等。從工業實踐角度來看，高比例使用中塊焦炭對休風后送風恢復的影響最為顯著。

表3 高爐高比例使用中塊焦炭后休送風情況Table 3 Situation of Air Supply in BF with High Proportion Medium-sized Coke after Damping Down

由于高比例使用中塊焦炭后，進入高爐中心的中塊焦炭量增加，造成爐芯焦的粒度變小，爐缸活性變差。當休風時爐缸焦炭徹底坐下來后顆粒間空隙收縮，渣鐵液運動停滯，爐缸活躍性降至最低，高爐送風前期，風量少、動能低，氣流很難一下突破透氣透液性變差的爐芯焦，中心氣流打不開，透氣性持續降低，氣流被迫流向邊緣，造成壁體波動、水溫差上升。同時軟熔帶根部上移，下料失去支撐，崩滑料頻繁，整體上形成類似爐缸局部冶煉的效果，爐溫出現急返熱的現象。隨著中塊焦比的提高，風口燒壞的現象也變得較為突出，高爐被迫短期內連續休風更換壞風口。

4 改進措施及實踐效果

4.1 合理匹配上下部調劑，保障高爐穩定順行

大量中塊焦炭入爐，導致高爐順行出現一系列不好的變化，本質原因是爐缸活性降低，爐芯死料柱透氣、透液能力降低。因此，操作方面要以活躍爐缸為目的進行上下部調劑。上部調劑要建立“以風為綱”的操作理念，以活躍爐缸為目的的操作思路，強調中心加焦占比，發展中心氣流，穩定邊緣熱負荷；下部調劑采取縮小風口面積，增加鼓風動能，適當降低煤比，減輕焦炭負荷等措施。

4.2 組織好爐前渣鐵排放

針對鐵口出現的問題，加強爐前出鐵組織，使用更抗噴濺的無水炮泥，合理調整打泥量，保證鐵口深度在3.3～3.6 m之間，適當縮小鉆頭，保證有效出鐵時間不低于22.5 h，渣鐵排放及時，避免出現爐缸憋壓現象，為爐況盡早改善創造了條件。

4.3 采取小焦布料制度，避免中塊焦炭布入高爐中心

為了避免中塊焦炭布入中心，高爐采取了小焦布料制度（C大塊中心），即將原本應該布入中心的中塊焦量用大塊焦炭代替，單獨使用中心加焦料制進行布料，在布料程序中使用單獨指針；同時將大塊焦炭和中塊焦炭分批入爐，中塊焦批使用非中心加焦料制布料，在布料程序中使用單獨指針，大塊焦炭單獨采用中心加焦的料制布料，在布料程序中使用單獨指針。為了維持爐頂料面的穩定，根據大塊焦、中塊焦、小焦、礦石等礦批在爐頂形成的料面厚度，使用不同的料線控制翻料。高爐高比例使用中塊焦炭時期高爐布料制度如表4所示。

表4 高比例使用中塊焦炭時高爐布料制度Table 4 BF Burden Distribution System by Using High Proportion Medium-sized Coke in BF

4.4 改善休風料結構，保障中心氣流通道

針對高比例使用中塊焦炭后，高爐休風恢復困難、嚴重超時的問題，從改善爐缸活躍狀態，即提高透氣透液能力上著手。短期休風時，提高入爐焦比，降低休風料焦炭負荷6%，休風前3～4 h把兩罐焦炭布入中心，保證送風后中心通道容易打開；控制休風前熱量使用，根據爐況提前4 h減少或停止噴煤，保證休風前0.3%～0.4%左右的爐溫水平。長期休風時,只需要根據實際情況調整休風料焦炭負荷和布入中心罐焦數量即可。

采取上述改進措施后，在高爐使用中塊焦比為90 kg/t的情況下，高爐順行依然維持較好狀態，風量穩定在6 200 m3/min左右，透氣性指數穩定在36左右，風量風壓逐漸平穩，鐵口狀態得到有效改善，全天出鐵有效時間平均達到22.5 h，高爐休風后恢復過程也變得順利，中心氣流得到充分保障，未再出現恢復困難現象，高爐逐漸適應了高比例使用中塊焦炭的生產，生產穩定順行。

5 結語

由于高比例使用中塊焦炭會導致焦炭實際入爐粒度下降，且中塊焦炭的比表面積大，反應能力強，進入爐缸會惡化爐芯焦的透氣透液性，鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司2號高爐在嘗試高比例使用中塊焦炭生產初期，高爐日常順行、爐前出鐵和休送風均受到了影響。通過采取合理匹配上下部調劑、組織好爐前渣鐵排放、小焦布料制度以及改善休風料結構等措施，在后期使用90 kg/t中塊焦比的情況下，高爐依然維持了較好的順行狀態，休風后送風恢復也未出現超時現象，高爐逐漸適應了高比例使用中塊焦炭的生產，實現了穩定順行。