搗固焦在大容積高爐上的應(yīng)用分析與探討

段寶興，黃進(jìn)凱，楊金花

（臨沂恒昌焦化股份有限公司，山東 臨沂 276013）

搗固焦在國內(nèi)外2200 m3以下中小高爐煉鐵方面的應(yīng)用已非常普及。隨著優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源的日益緊缺，優(yōu)質(zhì)冶金焦炭的成本也在不斷提高，近年來，國內(nèi)擁有2200 m3以上大高爐的鋼鐵企業(yè)紛紛投入大量的人力物力，對在大容積高爐上推廣應(yīng)用搗固焦進(jìn)行了廣泛深入的研究實踐，取得了比較理想的應(yīng)用效果，形成和總結(jié)了較為成熟的工藝路線和實踐經(jīng)驗。本文從鋼-焦一體化角度出發(fā)，立足技術(shù)先進(jìn)可靠、經(jīng)濟(jì)高效可行，對搗固焦應(yīng)用于2200 m3以上大高爐的相關(guān)具體問題進(jìn)行了理論分析、企業(yè)實用情況考察和試驗研究，取得了比較理想、符合預(yù)期的研究成果。

1 理論研究

1.1 焦炭在高爐運(yùn)行中的作用分析

焦炭在高爐煉鐵運(yùn)行中的作用分析見表1。

表1 焦炭在高爐煉鐵中的作用分析

表1 所述的4 種作用中，供熱的主導(dǎo)作用不會改變，還原劑和滲碳功能不會有較大變化，那么在高噴吹比條件下，焦炭的骨架作用會顯得更加突出，高爐大型化后，料柱高度增加，爐料的壓縮率提高了，透氣性變差了，相應(yīng)的焦炭強(qiáng)度質(zhì)量要求也越來越高[1]。

1.2 高爐對焦炭質(zhì)量的要求

《高爐煉鐵工藝設(shè)計規(guī)范》（GB 50427—2008）中明確了不同爐容級別的高爐對焦炭質(zhì)量的要求，具體見表2。目前，國內(nèi)大多鐵廠對焦炭強(qiáng)度指標(biāo)的要求普遍高于GB 50427—2008，實際煉鐵高爐對焦炭強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)要求：大型高爐M4082%～90%、M105%～6%、CRI≤25%、CSR≥65%，一般高爐M4078%～82%、M106%～7%、CRI≤28%、CSR≥62%。

表2 不同爐容高爐對焦炭質(zhì)量要求

1.3 焦炭質(zhì)量變化對煉鐵的影響

焦炭質(zhì)量變化對煉鐵的影響見表3[2-3]。

從表3 可以看出，焦炭M10變化對煉鐵的影響相比其他指標(biāo)更顯著，所以冶金行業(yè)更關(guān)注M10的變化。

表3 焦炭質(zhì)量變化對煉鐵的影響

1.4 各因素對煉鐵的影響

國內(nèi)外冶金行業(yè)的基本共識是高爐煉鐵應(yīng)以精料為基礎(chǔ)，各種因素對高爐煉鐵的影響占比大致為：精料技術(shù)占70%，操作水平占10%，現(xiàn)代化管理水平占10%，設(shè)備作業(yè)水平占5%，外界因素占5%。

在高冶煉強(qiáng)度、高噴吹煤比條件下，焦炭質(zhì)量變化對高爐指標(biāo)的影響率在35%左右[4-5]。一些大型高爐出現(xiàn)運(yùn)行失常問題，大多情況是焦炭質(zhì)量惡化或成分波動大，而高爐操作沒有進(jìn)行及時合理的調(diào)整所造成。

1.5 大高爐使用搗固焦技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析及實例

焦炭質(zhì)量要適應(yīng)高爐大型化發(fā)展，有以下途徑：通過洗煤降低煤炭的灰分和硫分，從而降低焦炭的灰分和硫分；采用干法熄焦降低焦炭水分；提高主焦煤配比和采取綜合技術(shù)裝備，改善焦炭的M40、M10以及CRI、CSR 等指標(biāo)。在技術(shù)裝備一定的情況下，擴(kuò)大焦煤和肥煤配比是大部分焦化企業(yè)提高焦炭強(qiáng)度的有效途徑和常用方法[6]，這必將對稀缺的焦、肥煤資源形成旺盛需求，將進(jìn)一步加劇鋼鐵配套焦化廠與獨立焦化企業(yè)競購焦、肥煤的激烈程度[7]。從技術(shù)角度講，提高焦炭質(zhì)量來滿足煉鐵要求是可行的，但要與經(jīng)濟(jì)效益相結(jié)合，找出最佳操作點，同時還要考慮煤源的供應(yīng)條件，企業(yè)、焦?fàn)t的客觀情況，科學(xué)、合理地與鋼廠對接。

應(yīng)該科學(xué)評價搗固焦對煉鐵的影響[8]：搗固焦比頂裝焦在高爐內(nèi)反應(yīng)性低、發(fā)熱量低、產(chǎn)生CO 量少，使得燃料比上升、鐵礦石間接還原度降低、鐵產(chǎn)量下降[9]；但總體來講，同等配煤條件下，搗固焦指標(biāo)比頂裝焦指標(biāo)要好。漣鋼、國豐等企業(yè)高爐100%使用搗固焦，生產(chǎn)指標(biāo)得到改善(焦比降低、產(chǎn)量升高)[10]；天鋼等一批企業(yè)按一定比例使用搗固焦煉鐵，有一定的經(jīng)濟(jì)效益。以上成功實例說明，在煉焦配煤方案合理的情況下生產(chǎn)的搗固焦可以應(yīng)用到鐵廠大高爐上，并且會取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。

據(jù)了解，近年來湖南某鋼鐵企業(yè)的3200 m3高爐全部使用搗固焦進(jìn)行煉鐵生產(chǎn)，取得了較為理想的管理成果和經(jīng)濟(jì)效益，其搗固焦配煤技術(shù)方案和頂裝焦基本近似，生產(chǎn)的焦炭質(zhì)量完全可滿足高爐生產(chǎn)要求，高爐爐況穩(wěn)定，鋼焦一體化效益顯著[10]。

2 大容積高爐使用搗固焦煉鐵的考察實踐

在理論分析的基礎(chǔ)上，為了更加準(zhǔn)確地了解相關(guān)鋼鐵企業(yè)在大容積高爐煉鐵過程中實際使用搗固焦的情況，臨沂恒昌焦化股份有限公司（簡稱恒昌焦化）對某鋼鐵企業(yè)大高爐使用搗固焦的情況進(jìn)行了實地學(xué)習(xí)考察。A 公司的4.3 m 搗固焦?fàn)t定點給該鋼鐵企業(yè)2#2200 m3高爐加工生產(chǎn)焦炭；B 公司5.5 m 搗固焦?fàn)t生產(chǎn)的搗固焦專供該鋼鐵企業(yè)1#3200 m3高爐使用，使用情況如下：

（1）該鋼鐵企業(yè)目前有3 座高爐，1#高爐容積3200 m3、2#高爐容積2200 m3、3#高爐容積2800 m3，其中最大的1#高爐從開爐就使用搗固焦炭。

（2）在1#高爐生產(chǎn)過程中，因搗固焦炭供應(yīng)不足，更換過頂裝焦炭，使用方法無特殊改變，效果基本一樣。

（3）為了穩(wěn)定高爐操作，要求焦炭質(zhì)量相對均勻穩(wěn)定。焦炭化驗指標(biāo)數(shù)據(jù)要符合國標(biāo)要求，同時從配煤用煤入手就要進(jìn)行細(xì)化控制，減少大的波動，不能配入熔融性差、流動度低或含大比例惰性成分的煤種。

（4）搗固焦配煤與頂裝焦配煤接近，主要差別在焦煤和1/3 焦煤的調(diào)節(jié)配比，配合煤揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)最好在26%～28%，硫分質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.8%～1.0%。

（5）5.5 m 搗固焦?fàn)t爐溫控制在1330 ℃以上，根據(jù)強(qiáng)化生產(chǎn)需要，可以提高爐溫至1370 ℃左右。

（6）生產(chǎn)焦炭質(zhì)量指標(biāo)越優(yōu)越好，因為目前鋼焦一體化的控制目標(biāo)首先是保高爐高產(chǎn)高效，焦炭CRI不高于23%，CSR 不低于70%。如果自產(chǎn)自供有缺口，外采焦炭粒度應(yīng)滿足以下要求：25 mm 以下占比小于8%，25 mm～40 mm 的占比小于20%，40 mm 以上占比應(yīng)在70%以上。

3 鋼鐵企業(yè)配煤生產(chǎn)實踐及恒昌焦化的配煤方案試驗

3.1 3 家鋼企頂裝焦配煤方案的簡要比較分析

3.1.1 A 鋼企

配煤方案（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：焦煤45%，肥煤20%，1/3焦煤22%，瘦焦煤13%。其中，結(jié)焦性最差的1/3 焦煤來自七五礦和大屯孔莊礦，其小焦?fàn)t試驗產(chǎn)焦炭熱強(qiáng)度都在45%左右。

焦炭指標(biāo)：灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)12.4%，硫分質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.01%，M4086.5%，M106.3%，CRI 23.9%，CSR 64.5%，平均粒度49 mm。

3.1.2 B 鋼企

正常生產(chǎn)時的配煤方案（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：焦煤35%，肥煤27%，瘦焦煤15%，1/3 焦煤23%。

限產(chǎn)時（延長結(jié)焦時間）的配煤方案（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：焦煤34%，肥煤22%，瘦焦煤20%，1/3 焦煤16%，氣煤8%。

焦炭指標(biāo)（不考慮灰分和硫分）：M4090%，M106%，CRI 20%，CSR 70%。

正常生產(chǎn)時焦煤和肥煤比例在65%左右，只有在長周期結(jié)焦時，才會降低肥煤和焦煤的比例到60%以下，并適當(dāng)配入氣煤，提高揮發(fā)分，增加產(chǎn)氣量。其中氣煤為新安礦煤，1/3 焦煤為大屯、龐龐塔、趙樓、金源礦的優(yōu)質(zhì)1/3 焦煤，瘦煤為G 值在40 以上的王家?guī)X和淮北青龍山煤。

3.1.3 C 鋼企

配煤方案（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：焦煤50%，肥煤15%，優(yōu)質(zhì)1/3 焦煤27%，瘦焦煤8%，通過調(diào)節(jié)焦煤和優(yōu)質(zhì)1/3焦煤的比例來調(diào)整焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度。該廠所用肥煤及焦煤的單種煤小焦?fàn)t試驗產(chǎn)焦炭熱強(qiáng)度在62%～69%，1/3 焦煤單種煤小焦?fàn)t試驗產(chǎn)焦炭熱強(qiáng)度在47%～65%；要求瘦焦煤自身可燒結(jié)成熔融性較好的焦炭，單種煤小焦?fàn)t試驗產(chǎn)焦炭熱強(qiáng)度在54%～62%。

從以上3 家鋼企配煤方案看，正常生產(chǎn)的頂裝焦?fàn)t肥煤和焦煤配比之和在60%以上，配入的1/3 焦煤單種煤小焦?fàn)t試驗產(chǎn)焦炭熱強(qiáng)度在40%以上，配合煤中變質(zhì)程度最高的為瘦（焦）煤，以增強(qiáng)成焦界面的結(jié)合。在焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度過優(yōu)時，配入貧瘦煤和氣煤降低煉焦成本。

3.2 恒昌焦化的存煤分析和配煤試驗

恒昌焦化建設(shè)有ZHJL5552D 型側(cè)裝煤搗固焦?fàn)t，炭化室高度5.5 m、寬度0.52 m，設(shè)計年產(chǎn)焦炭130 萬t，主要生產(chǎn)一級及準(zhǔn)一級冶金焦、甲醇、煤焦油、粗苯、硫銨，生產(chǎn)的焦炭主要供日鋼、沙鋼、淮鋼、東北特鋼等鋼廠使用。

恒昌焦化煉焦煤來源及種類見表4。

表4 恒昌焦化煉焦煤來源及種類

恒昌焦化的現(xiàn)場存煤中，光輝焦煤和三河口1/3焦煤是符合選煤要求的，孫村氣肥煤是存煤中容惰最好的煤，可以替代部分肥煤及氣肥煤，也可替代一定比例的肥煤和氣煤。在現(xiàn)場存煤中，小焦?fàn)t試驗方案的選煤為三河口1/3 焦煤、光輝焦煤、孫村氣肥煤和經(jīng)坊礦貧瘦煤4 種煤種，制定了3 個試驗方案（方案1、2、3）。

為了更加真實地模仿大高爐使用焦炭的質(zhì)量情況，恒昌焦化從外部取得山西肥煤（揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)30.4%，硫分質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.03%，G 值90，Y 值20 mm）和山西瘦焦煤（揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)15.31%，硫分質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.57%，黏結(jié)指數(shù)31，Y 值6.6 mm）兩種煤樣，制定了3個方案（方案4、5、6）。其中，方案4 是基礎(chǔ)方案，方案5 主要是用貧瘦煤替代方案4 中的瘦焦煤，方案6 主要是用結(jié)焦一般的蔣莊1/3 焦煤替代方案4 中的結(jié)焦良好的三河口1/3 焦煤。

6 種配煤方案及其對應(yīng)的小焦?fàn)t模擬試驗焦炭質(zhì)量分析結(jié)果見表5。

由于煉焦搗固工藝條件對焦炭熱強(qiáng)度的影響較大，通過焦炭熱反應(yīng)性的對比可以更加準(zhǔn)確地反映出配合煤的質(zhì)量情況。根據(jù)以往經(jīng)驗值，小焦?fàn)t焦炭的熱反應(yīng)性與大焦?fàn)t焦炭的熱反應(yīng)性的比值在1.3～1.5[11]，配合煤質(zhì)量越好，此數(shù)值會越小。

考慮到上述方案1—6 配合煤質(zhì)量較好，比值取1.3，則生產(chǎn)CRI 在23%左右、CSR 在67%左右的焦炭，小焦?fàn)t試驗焦炭的CRI 在30%以內(nèi)即可。

表5 的方案4—6 是大比例配入焦煤、肥煤的方案，試驗焦炭CRI≤27%，則對應(yīng)大焦?fàn)t生產(chǎn)的焦炭CRI 在20%左右，CSR 在70%左右。方案1、3 則能生產(chǎn)出CRI 為25%和CSR 為65%的大焦?fàn)t焦炭。

表5 不同配煤方案和對應(yīng)小焦?fàn)t試驗焦炭的分析數(shù)據(jù)%

以上分析說明，搗固焦只要配煤合適，是可以生產(chǎn)出高熱強(qiáng)度且符合大高爐使用的焦炭的[12-13]。

4 加強(qiáng)煉鐵行業(yè)與煉焦行業(yè)合作，完善大容積高爐用焦炭的質(zhì)量指標(biāo)評價體系

焦炭CRI 及CSR 是目前對焦炭在高爐中劣化最為嚴(yán)重的碳溶反應(yīng)的模擬指標(biāo)[14-15]。該指標(biāo)越來越受到高爐工作者和煉焦工作者的重視，同時也有越來越多的研究者對其模擬性和有效性表示懷疑。

CRI 和CSR 是在無堿金屬條件下測定的，但是高爐中有堿金屬的循環(huán)和集聚，堿金屬集聚到一定量后使焦炭顯微組分的反應(yīng)序列逆轉(zhuǎn)，加之高爐內(nèi)各段反應(yīng)溫度和二氧化碳濃度不同，過分強(qiáng)調(diào)焦炭CRI 和CSR 數(shù)值的重要性可能對焦炭質(zhì)量優(yōu)劣認(rèn)識形成誤導(dǎo)。以各向同性為主要成分的、由低變質(zhì)程度氣煤所煉制的焦炭和以各向異性為主要成分的、由中變質(zhì)肥煤、焦煤所煉制焦炭，用國標(biāo)方法測得的CRI 和CSR值一般相差十分明顯，而在有堿金屬存在時，兩者差別卻大大縮小[16]。

國外研究者指出[17]，實驗高爐的解剖試驗證明在高爐軟融帶底部的焦炭CSR 遠(yuǎn)高于該高爐入爐焦常規(guī)反應(yīng)性試驗的CSR；常規(guī)反應(yīng)性試驗的CSR 對低CRI 焦炭的評價過高，而對高CRI 焦炭的評價過低。

考慮到煉焦煤的合理利用，科學(xué)評價焦炭化驗數(shù)據(jù)對實際應(yīng)用的參考性是非常有意義的。煉焦專業(yè)如果沒有煉鐵專業(yè)的支持，要進(jìn)行某些深層次的工作是相當(dāng)困難的，只能生產(chǎn)滿足煉鐵指標(biāo)要求的焦炭。由于高爐內(nèi)部的微觀動態(tài)長期缺乏數(shù)據(jù)模型支持，煉鐵對焦炭的某些指標(biāo)要求也很難找到科學(xué)依據(jù)，為了保證高爐生產(chǎn)的順行，把焦炭質(zhì)量指標(biāo)提高到盡可能高的水平，是完全可以理解的。

焦炭質(zhì)量指標(biāo)的正確評定和補(bǔ)充修正歷來是難度大、進(jìn)展慢，重要原因之一是煉焦和煉鐵兩個專業(yè)領(lǐng)域相互融合滲透不夠、交流支持不夠、上下游一體化不充分，深度合作不夠。

從國內(nèi)煤炭資源賦存特點及分布情況看，就山東地區(qū)而言，低變質(zhì)程度的煤源相對豐富，在合理的M40、CRI 和CSR 情況下，不僅要保證高爐的生產(chǎn)順行，還要擴(kuò)大煤源選擇范圍、合理利用當(dāng)?shù)氐膬?yōu)勢資源，生產(chǎn)出符合大容積高爐生產(chǎn)需要的高質(zhì)量焦炭，推動鋼鐵企業(yè)降本增效、低碳低耗、循環(huán)發(fā)展，真正做到實質(zhì)性的鋼焦一體化。

5 結(jié) 語

目前，搗固焦在大容積高爐的使用還有待達(dá)成共識，一些企業(yè)通過積極探索實踐已經(jīng)取得了良好的使用效果和經(jīng)濟(jì)效益。本文分析了大容積高爐用搗固焦的配煤情況，并進(jìn)行了模擬試驗，通過試驗結(jié)果和大焦?fàn)t生產(chǎn)的對比關(guān)系，得出5.5 m 搗固焦在配煤比例合適情況下，完全可以生產(chǎn)出符合大容積高爐使用要求的焦炭。但目前焦炭質(zhì)量評價體系需要煉鐵工作者和煉焦工作者共同努力，進(jìn)一步完善，提出更符合高爐實際的指標(biāo)要求，避免對焦炭熱反應(yīng)性和熱強(qiáng)度的過高要求，這將是極具實際操作意義的工作。