在高爐空料線過程中用風量計算料面位置的探討

楊軍昌

1.引言

高爐停爐方法有兩種，填充法和打水空料線法。打水空料線法就是在停爐過程中不向爐內裝料，采用爐頂打水控制爐頂溫度，當料線空至風口附近進行休風的一種方法。自鞍鋼率先采用打水空料線法停爐后，該方法經逐年改進，趨于成熟，推廣沿用至今。

對打水空料線法空料面位置的判斷，一是使用機械探尺測量料面：把機械探尺放下，直接測量料面深度，一般機械料尺的繩索長度在4.0～5.0m。而停爐空料線深度要到風口中心線附近，所以機械料尺深度不夠，需要加長。二是使用雷達探尺測量料面：高爐空料線過程中，煤氣流速強、探測距離遠、爐內充斥著高溫氣體、水分、渣皮、結厚物、死料柱等，很可能發生爆震，導致干擾源多。空料線后期經常會出現雷達探尺數據來回漂移、無法探測等現象，影響了雷達探尺測量的準確性。三是使用煤氣成分中的CO2含量間接判斷法。這種方法要求煤氣成分分析盡量準確，否則會影響判斷結果。煤氣成分判斷料面位置是空料面停爐過程判斷料面位置的一種重要方法。但近年來發現，空料線停爐過程中煤氣成分出現了新情況，存在無規律波動的現象，無法單純按照煤氣成分變化判斷料面位置。分析認為這是爐內水蒸汽含量高及人工煤氣成分，致使煤氣成分產生誤差。四是風量計算法。利用消耗的風量間接計算出料面位置。本文重點探討風量計算法在空料線過程中的應用。

2.風量計算法簡介

2.1 計算原理

風量計算法就是利用消耗的風量來計算料面位置的一種判斷方法。基本思路是列出一段時間內的累計風量A；噸焦消耗風量B，用A÷B計算出消耗的焦炭重量C；用焦炭重量×焦炭負荷，得出爐料重量D；根據重量C和D，分別計算出焦炭和爐料的體積VC和VD；VC+VD是燃燒焦炭熔化爐料騰出的高爐空間，利用騰出的空間對應侵蝕后的高爐容積，從而推算出料面位置。

2.2 噸焦耗風量的計算

噸焦耗風量就是燃燒每噸焦炭需要的風量，分為帶負荷焦炭燃燒和不帶負荷焦炭燃燒兩種情況。因所需要的風量不盡相同，在此推薦兩種計算方法：

2.2.1 帶負荷時燃燒每噸焦炭需要的風量

帶負荷就是焦炭、爐料依次入爐。在空料線過程中，料面在爐身范圍內，按公式(Ⅰ)計算得出噸鐵耗風量。這時的噸焦耗風量是選定高爐預休風前7天的平均操作參數作為基準，包括高爐這7天的平均風量、焦炭量、煤量、焦丁量，把煤量和焦丁量乘以系數折算成焦炭量（焦丁折算系數0.9；煤粉折算系數0.8），再用平均風量除以焦炭總量，等于帶負荷時的噸焦耗風量。公式(Ⅰ)：

帶負荷噸焦耗風量＝天平均風量×60×24/(焦炭量+煤量×0.8＋焦丁量×0.9) (m3/t) (Ⅰ)

2.2.2 不帶負荷時燃燒每噸焦炭需要的風量

不帶負荷就是只有焦炭沒有爐料。當料面進入爐腰位置時，爐料已全部軟化部分開始滴落，當料面進入爐腹時，爐料全部滴落，基本只剩焦炭，透氣性明顯變好，噸鐵耗風量會增大。這時的理論計算為：燃燒1kg碳素,在不富氧、濕度2%情況下的耗風量，乘以焦炭含碳量，等于不帶負荷時噸焦耗風量。公式(Ⅱ)：

V＝0.9333 / (1-0.02 ) ×0.21＋0.5×0.02＝4.325(m3/kg)

不帶負荷噸焦耗風量(m3/t)＝4.325×1000×焦炭含碳量(Ⅱ)

2.3 高爐侵蝕容積計算

高爐投產后運行一段時間，內襯會受到侵蝕形成一個操作爐型。隨著運行的延長，侵蝕加劇，由于高爐各段位置侵蝕機理不同，侵蝕程度也不盡相同。所以，在計算高爐容積時，要結合實際，按侵蝕后的爐型計算。

3.風量計算法運用實例

3.1 實際噸焦耗風量計算

首鋼長鋼8號高爐計劃于2022年2月10日停爐大修，高爐采取打水空料線停爐法空料面至風口中心線。停爐前依據風量計算法進行了前期數據統計和預算。2月1日至7日，8號高爐7天平均每天入爐風量為3140m3/min，焦炭量1225t；煤量444t；焦丁量139.6t，入爐混合焦炭固定碳84.8%。見表1。

表1 首鋼長鋼8號高爐空料線前7天控制參數統計

依據公式(Ⅰ)計算帶負荷時噸焦耗風量為：

3140×24×60÷（1225×1.0+444×0.8+139.6×0.9）=4514400÷1705.8=2650（m3/t）

依據公式(Ⅱ)計算不帶負荷時噸焦耗風量為：

4.325×1000×84.8%=3667（m3/t）

3.2高爐侵蝕后的爐容計算

8號高爐有效爐容1080m3，采用磚砌爐襯，設計爐喉高度1.65m，爐身高度14m，爐腰高度1.75m，爐腹高度3.15m，2012年4月投產運行至今。依據之前停爐和最近3次空料線噴補的經驗，高爐爐身前2m高度有部分侵蝕；2m后至14m高度磚襯、爐腰以及爐腹磚襯已全部侵蝕，全部靠有一定厚度的渣皮保護，爐腹磚襯位置還可能出現較厚的粘結物。所以侵蝕后的高爐容積，爐喉按不侵蝕計算，爐身前2m按侵蝕200mm計算，爐身2m之后至14m按侵蝕300mm計算；爐腰按侵蝕300mm計算；爐腹至風口中心按侵蝕200mm計算。侵蝕后的高爐容積為1123.2m3，較設計高爐容積997.7m3多出125.5m3。見表2。

表2 首鋼長鋼8號高爐各段容積統計

3.3 空料線過程中料面位置判斷

空料線開始后，為了更清楚和快速比對出料面位置，提前把高爐侵蝕后的容積進行劃分，采取等高分割的辦法，從爐身4m開始，分別計算出每米高度位置的容積至風口中心線，即從爐身4m位置開始至風口中心線分割成等高的18份，計算出18份容積，并逐段累計，以便與根據耗風量計算的騰出空間進行對照，從而快速得出料面位置。

2月9日05:30，8號高爐開始空料線。此時料線2.0m，該段容積為58m3。08:23預休風，其過程進行了前期空料線，整個空料線過程消耗風量

441660m3。

根據風量法計算前期空料線過程中料面位置：

騰出的焦炭體積：441660/2650/0.6×（1-13%）

=241.7（m3）

騰出的爐料體積：441660/2650×2.8×71%/1.7×（1-13%）+441660/2650×2.8×29%/2.0×（1-13%）=228.4（m3）

騰出的高爐容積：241.7+228.4=470.1（m3）

騰出的高爐容積對比侵蝕后的爐容，發現計算料面位置在爐身10米，加上2.0米料線，高爐內位置應是12.0米。

2月9日15:00，預休風結束高爐復風，20:00爐頂放散。2月10日04:28，休風停爐。復風后的高爐騰出空間計算分為兩部分：一是料面在爐身位置時，噸焦耗風量按2650m3/min計算，這段高爐容積內燃燒的焦炭體積和熔化的爐料體積都要進行計算。進入爐腰后，噸焦耗風量按3667m3/min計算，直至停爐。這段容積不計算爐料體積只計算焦炭體積，當風量計算消耗的總體積達到侵蝕后的爐容體積時，就基本到達了風口中心位置。現場觀察風口會明顯變暗，有的風口會變黑；雷達探尺測量料面位置會達到或接近風口中心線高度。煤氣成分中CO2含量明顯回升，達15%左右。出現上述情況時，可以進行休風停爐操作。

在整個空料線過程中，對消耗風量、騰出的高爐空間、計算料面位置、雷達探尺位置進行統計。見表3。

表3 8號高爐空料線過程中風量與計算料面位置統計

從表中看出，依據耗風量計算的料面位置與雷達探尺測量出的位置偏差不大。高爐在預休風時雷達探尺顯示11.6m，計算料面位置12.0m，偏差0.4m。累計騰出高爐空間1070+58=1128（m3），完全達到侵蝕后的高爐容積1123.2 m3。

4.驗證比較

4.1 計算料面位置與雷達探尺測量位置比較

本次空料線分為兩部分：第一部分是前期預休風空料線。預休風期間總耗風量441660m3，騰出爐容空間470m3，計算空料面位置在爐身10.0m，即12.0m位置；雷達顯示料面位置11.6m，計算料面位置與雷達探尺測量料面位置最大相差0.4m。這一時段風量計算和雷達探尺及人工測量受干擾較小，其結果相對準確。第二部分是復風后的空料線。高爐復風后至停爐總耗風量1072700m3，騰出空間600m3，計算料面位置在風口中心，即21.1m位置，雷達探尺為20.7m，偏差0.4m。2月9日至2月10日01:05，在復風后的空料線過程直至休風停爐，雷達探尺為20.7m。

從上述結果看，依據耗風量計算的料面位置與雷達探尺測量出的位置偏差不大，整體控制在≤0.5m范圍，有參考價值。為進一步驗證其參考價值，對空料線過程取樣煤氣成分中CO2含量與計算出的料面位置進行了比較。

3.2 計算料面位置與煤氣CO2 曲線比較

空料線法停爐，根據CO2變化規律，預示料面的相對位置。從正常料線到拐點，隨料面下降，間接還原反應逐漸降低，CO2含量呈下降趨勢，拐點標志停爐過程中間接還原反應基本結束，CO2降至最低點，約3%～5%,相對位置為爐腰附近。拐點過后由于料層逐漸變薄，風口前焦炭生成CO2，上升途中被C還原成CO的反應，CO2+C=2CO減弱，故煤氣中的CO2又逐漸回升，料面位置至風口附近含量達到15%～18%。2月8日，8號高爐取樣煤氣成分中CO2含量16.1%，2月9日15:00復風后，從16:10開始至21:25共取樣煤氣8次進行分析。從煤氣成分分析結果來看，成分中CO2含量在爐身位置時呈下降趨勢，在爐腰位置時達到最低點，接近爐腹位置時呈上升趨勢，整體呈C形拋物線樣式，符合煤氣中CO2含量與料面位置對應的變化規律。此期間的風量計算料面位置、取樣時間、雷達探尺位置、煤氣成分CO2含量，得出的計算料面位置與煤氣成分CO2曲線反應趨勢一致。

3.3 空料線過程使用數據比較

本次空料線停爐過程中當料面在爐身位置時，噸焦耗風量按2650m3/min計算，當料面位置進入爐腰開始，噸焦耗風量按3667m3/min計算，直至停爐。計算過程中使用的焦炭堆比重為0.6t/m3，燒結礦堆比重為1.7t/m3，壓縮率為13%。這些取值為本次空料線過程中使用，羅列出來僅供參考。為保證數據的準確性，可以在實際操作過程中現場測量得到。

從上述結果判斷，計算料面位置使用的噸鐵耗風量、燒結料和焦炭的堆比重以及入爐料壓縮率的取值、侵蝕爐容的判斷和計算都基本到位。說明其對原燃料管控、爐型管理的預判都是正確的，為高爐控制數字化積累了經驗。

5.結束語

高爐空料線停爐過程中采取風量計算法計算料面位置，有助于強化原燃料質量的管理，強化高爐爐型的管理，也有助于細化高爐操作，全面細致了解高爐工作情況，促進對高爐的整體把控。

風量計算法計算料面位置，作為空料線過程的一種參考手段，現場計算選取的參數要盡量準確，以減小誤差，為準確掌握空料面進度提供保證。此法可結合其他方式進行綜合判斷再作決定，也可在機械探尺、雷達探尺、煤氣曲線失靈后作為主要的判斷依據。

當料面位置進入爐腹位置后，隨著料面降低、料層變薄，風量穿過爐料的阻力大大降低，高爐在此階段會拉起爐頂放散，結束煤氣回收。此時燃燒噸焦炭的耗風量會升高，這有待于進一步研究、細化、分析、總結規律，以促進高爐控制數字化。

參考文獻略