影響煉鐵工藝運行效益的相關技術指標分析

馮 飛 仲海洋

1.M鋼鐵企業高爐運行概況

2022年，受鋼鐵市場需求節奏放緩影響，鋼材價格從下半年起環比下降，但鐵礦石價格卻居高不下，嚴重擠壓鋼鐵生產企業利潤空間。在這一背景下，M鋼鐵企業高爐煉鐵以降本、提質、減碳、高效為目標，加強系統攻關，從2022年11月至2023年6月，該企業1780m3高爐利用系數連續8個月達3.0t/m3d以上。高爐利用系數的提高，不僅提升高爐鐵水產量，還能通過擴大生鐵產量規模、降低煉鐵成本，從而促進企業效益的增長。

M鋼鐵企業1780 m3高爐，在容積保持不變的情況下，通過系統性攻關，高爐利用系數(t/m3.d)由2022年9月的2.655t/m3.d提升至2023年5月的3.288 t/m3.d。如高爐系數能夠長期保持穩定，則該企業煉鐵生產能力至少能提高20%，將極大提升高爐煉鐵工序的綜合競爭力。

2.強化高爐入爐原燃料的“精料”管理，確保高爐穩定順行

鋼鐵企業高爐冶煉實踐表明，改善原燃料質量和采取各種降低燃料比的措施，有助于提高高爐利用系數。因此，多數鋼鐵企業通常采取如下基本方法來提高高爐利用系數：一是通過提高入爐料品位、提高風溫、富氧噴煤和提高高爐頂壓等措施，改善高爐的冶煉條件，實現高爐利用系數的提高；二是在控制好高爐適宜冶煉強度的基礎上，通過加強高爐操作，如優化高爐操作制度，改善煤氣與爐料之間的接觸條件，使煤氣的熱能和化學能得到充分利用，提高煤氣利用率，從而實現降低焦比、提高高爐利用系數的目的。

2.1 提高燒結礦質量

高爐利用系數的提高，要求燒結礦和球團礦具有高品位、高強度、冶金性能好和易還原等特點。M鋼鐵企業一直將優化爐料結構、優化并穩定原燃料質量、減少入爐有害元素等方面作為攻關重點，系統考慮原燃料質量控制標準。如將提高燒結礦品位作為重點工作，該企業1780m3高爐從2022年9月份開爐至2023年6月份，燒結礦品位始終保持在56.6%以上。特別是2022年9月、10月份達到56.9%以上，創2022年新高，但該指標曾在2023年6月份降至56.58%。如果剔除6月份高爐休風因素影響，各月份燒結礦品位質量總體穩定（見圖1），且燒結礦轉鼓強度指標波動幅度小，各月均穩高于77.7%以上，高爐渣比穩定在310kg/t內，滿足了高爐高效生產的要求 。

圖1 2020年9月-2023年6月燒結礦質量指標變化情況 %

為了使高爐易于接受強化冶煉，需要改善爐料的透氣性，M鋼鐵公司通過優化協調生產工藝操作等技術措施，強化成本管理，不斷降低燒結礦返礦率，實現了提質降本增效的目標。返礦率的高低既取決于燒結礦本身的質量，也取決于高爐所產鐵水品種對這部分爐料優劣的容忍度。如該公司從2022年9月燒結礦返礦率12.985%，降至2023年6月的10.305%，創本年度新低，較最高點降2.68個百分點（見圖2）。

圖2 2020年9月-2023年6月燒結礦返礦率 %

2.2 提高焦炭質量

在鋼鐵行業中，鐵前系統的排放占了碳排放總量的70%和污染物排放總量的90%以上。提高焦炭質量，降低現有高爐的燃料比，是減碳降碳的一項重要措施。隨著高爐噴煤量的增加，高爐料柱的礦焦比不斷增大，焦炭作為高爐料柱骨架，更要突出滲透性(透氣與透液)作用，這必然要求焦炭具有更高的質量特性，如焦炭的冷態指標要高，熱態性能要好，灰分和硫含量要低，從而為高爐生產實現較高利用系數提供必要的保障條件。高爐生產實踐表明，焦炭灰分每增加1%，焦比上升2%左右。M鋼鐵公司2022年9月份冶金焦灰分為12.757%，2023年6月份降至12.663%，較2022年9月份下降了0.094個百分點（見圖3）。同時剔除2023年1月份（高爐休風影響）高達12.803%的特殊值外，冶金焦灰分基本控制在12.7%左右，且各月波動幅度較小。

圖3 2020年9月-2023年6月冶金焦質量指標變化情況 %

高爐生產實踐表明，焦炭含硫量每增加0.1%，焦比上升1.2%～2.0%。2022年9月份該公司冶金焦硫分為0.913%，2023年5月份降至0.911%，下降了0.02個百分點。同時，除2023年1月份因高爐休風影響外，冶金焦硫分基本控制在0.9%左右，且各月波動幅度較小。總體看，該公司焦炭質量的提升，為高爐生產實現較高利用系數提供了必要的保障條件。

考核焦炭粒度指標有冷態指標和熱態指標。其中冷態指標涉及抗碎強度M40指標、抗碎強度M25指標、抗磨強度M10指標；熱態指標涉及CSR指標和CRI指標。焦炭抗碎強度M40每降1%，高爐利用系數降低3%～4%，焦比(冶煉1噸生鐵所消耗的焦炭的重量)增加1.3%～5%；抗磨強度M10每降低0.1%，高爐生產能力提高0.3%～1.3%，焦比降低0.2%～0.6%。該公司焦炭抗碎強度M40指標值從2022年9月份87.569%持續升至2023年6月份的88.355%，提升0.786個百分點；抗磨強度M10指標值從2022年9月份6.477%降至2023年6月份的5.939%，降低了0.538個百分點 (見圖4) 。

圖4 2020年9月-2023年6月冶金焦冷態指標變化情況 %

3.以經濟煉鐵為目標，開展精料技術攻關

入爐鐵礦品位高低直接影響高爐產量，高爐煉鐵精料技術水平對煉鐵指標的影響在70%，而精料技術的核心是要提高入爐礦石品位。入爐鐵礦品位每提高l%，鐵水產量一般提高2.5%～3%，燃料比降低1.0%～1.5%，噸鐵渣量減少30㎏，允許多噴吹煤粉15㎏/t。自2023年1月份開始，M鋼鐵公司1780m3高爐入爐鐵礦品位保持較高水平，其中連續4個月保持在58%以上，最高為4月份的58.437%， 比2022年12月份提高了0.917個百分點（見圖5）。同時，入爐鐵礦品位基本呈逐月提高的態勢，波動性明顯低于燒結礦品位，表明該企業將提高入爐鐵礦品位作為貫徹精料技術的核心經濟指標。伴隨著入爐礦品位指標的逐步提升，企業的燃料比指標呈現逐月下行態勢，促進了企業節能減排、綠色生產的高效發展。高爐燃料比指標由2022年9月份的544.9㎏/t降至2023年3月份的歷史最好水平503㎏/t，下降了41.95㎏/t，刷新了該企業1780m3高爐燃料比、煤氣平均利用率兩項指標的歷史紀錄。其中，燃料比指標連續3個月均穩定在503㎏/t左右水平，進入行業同類型高爐先進行列。

圖5 2020年9月-2023年6月入爐鐵礦品位與燃料比變化

4.以技術創新為抓手，開展降本增效攻關

高爐通過富氧鼓風手段實現高產和增加噴煤量。噴吹煙煤，噴煤比過高或過低都對高爐生產和生鐵成分帶來不利影響，而經濟噴煤比可使噴入高爐內的煤粉充分燃燒、高爐順行、降低生鐵成本。經濟噴吹煤比的確定是指在一定的生產條件下，考慮產量、原燃料質量、爐料結構、煤和焦炭的市場價格等因素，噴吹煤比最高且穩定、焦比和燃料比最低的操作煤比。可見，經濟噴煤比的大小取決于噴煤量水平、煤焦置換比和能量消耗利用程度，最終由總燃料消耗、工序成本來確定。

在高爐冶煉過程中，富氧對提高煤粉在高爐風口前的燃燒率，提高置換比起到了關鍵作用。尋求大富氧和經濟煤比的搭配，即可改善高爐冶煉的效果，又能夠實現低碳、低能耗、低成本的目標。大富氧的作用：一是對理論燃燒溫度的影響。富氧是彌補噴煤后，風口理論燃燒溫度降低的有效措施。提升富氧率1%可補償理論燃燒溫度40到50攝氏度。從風口理論燃燒溫度維持不變的角度計算，根據日本制鐵、寶鋼等企業經驗，富氧率每提高1%，高爐可提高煤比22公斤/噸。二是對煤粉燃燒率的影響。富氧使鼓風中的氧濃度增加，加快了氧向煤表面的傳遞速度，從而促進了煤粉燃燒，提高了煤粉燃燒率。三是改善高爐透氣性的作用，富氧1%可使噸鐵的煤氣量減少4%。因此，隨著富氧率的提高，爐腹煤氣量的減少，從而降低了高爐壓差，改善了料柱透氣性，從而促進了爐況順行，有利于高爐接受高煤比。

M鋼鐵公司1780m3高爐以經濟、低碳煉鐵為目標，堅持技術創新，開展高爐大富氧經濟煤比應用技術（見圖6）。2022年9月開爐時富氧率僅為4.43%，2023年6月份提高至6.167%，提高了1.737個百分點，且該公司富氧率自2月份起基本保持逐月上升，穩定在5.93%的態勢，與噴煤比的走勢保持一致；該高爐的噴吹煤比2022年9月為133.494㎏/t，2023年6月提高至162.933㎏/t，提高了29.439㎏/t，而且是隨著高爐富氧率的不斷提升，高爐噴煤比也持續呈現穩中有升的態勢。通過實施大富氧與經濟煤比相匹配技術，M鋼鐵公司1780m3高爐確保穩定、順行，優化煉鐵用能的結構，從而實現了燃料消耗的最優化。

高風溫是降低焦比和強化高爐冶煉的重要措施。高爐生產實踐表明，風溫在950℃～1350℃之間時，每提高 100℃可降低焦比8 kg～20kg，鐵水產量增加2%～3%。M鋼鐵公司高爐除在2022年9月開爐初期，高爐風溫處在低位，為1160.63℃（見圖7），其他各月高爐風溫穩定，均保持在1170℃～1185℃，上下波動幅度未超過15℃，且呈小幅上升態勢；而高爐入爐焦比指標則表現剛好相反，2022年9月高爐入爐焦比達383.53㎏/t（為開爐以來最高值），從2022年10月開始，隨著風溫的不斷提升，高爐入爐焦比指標一路下行，2023年5月當風溫達到今年最高點1182.567℃時，高爐入爐焦比也同時達到今年最好水平的320.56㎏/t，比2022年9月最高焦比下降62.97㎏/t。說明高風溫可以降低高爐的燃料消耗，對高爐節能降耗發揮重要作用。

圖7 2020年9月-2023年6月高爐平均熱風溫度和焦比變化情況

4.高爐運行高效率與極致能效

高爐高效煉鐵應包括高效率組織生產、高質量生產、低成本生產、清潔綠色低碳生產、前沿技術研發等，M鋼鐵公司通過提高燒結礦、焦炭等原燃料質量，提高高爐運行，從而為高爐爐況的順行和冶煉強度的提高提供了必要條件。該公司燒結礦品位、燒結礦返礦率、冶金焦灰分、冶金焦硫分、入爐鐵礦品位、高爐富氧率、燃料比、高爐工序能耗等關鍵性指標，均在2023年上半年達到年內最優，高爐噴煤比、高爐平均熱風溫度等指標保持較高水平，多種因素共同作用，從而使高爐利用系數于2023年5月份達到年內最優（見圖8），同時該指標于2022年11月份起，連續8個月均保持在3.0 t/m3.d，呈逐月提高的態勢，表明該公司高爐生產效率的提升是循序漸進的，亦表明其各類技術措施亦是循序漸進的。

圖8 2020年9月-2023年6月高爐利用系數和工序能耗變化情況

由于M鋼鐵公司對高爐生產采取了綜合性技術措施，該企業1780m3高爐從2022年9月至2023年6月，共有4個月高爐沒有因休風影響生產。同時，該高爐的工序能耗指標大幅下降，從2022年9月的397.37（kgce/t），降至2023年6月384.069（kgce/t），下降了13.301（kgce/t），比2023年3月歷史最好水平的377.612（kgce/t）降低19.759（kgce/t），降幅為4.97%。而且自2022年9月份起，高爐工序能耗呈逐月下降的態勢，這對該企業高爐節能降耗有著非常積極的意義。

6.結語

M鋼鐵公司在嚴峻的市場形勢下采用綜合性技術措施，強化了高爐冶煉強度，優化了高爐爐況，大幅度提高了高爐利用系數、降低了入爐焦比，實現了高效、綠色、低碳、低成本生產。該公司成功的生產實踐進一步表明：高爐生產要以精料為基礎，一方面采用高風溫、高頂壓、高富氧等操作技術，另一方面強化高爐操作與管理，精打細算、苦練內功、細節降本，不僅可以實現高爐冶煉的穩定順行，而且能夠大幅提高高爐冶煉的關鍵性技術經濟指標。這一經驗值得其他鋼鐵企業借鑒。