1、http:/高炉炉腹煤气量指数和透气阻力系数的研究与应用刘志朝(邯郸钢铁集团邯宝公司炼铁厂)摘要：2011 年开始，邯钢为适应钢铁市场的形势，对铁前原燃料结构进行了大幅度调整，焦炭灰份硫份大幅升高，入炉品位大幅降低，为适应原燃料的变化，邯钢邯宝公司炼铁厂两座 3200m3 高炉转变操作理念。运用高炉炉腹煤气量指数和透气阻力系数指导炉况操作，炉况保持了长期稳定顺行，经济技术指标大幅提高。1 背景2011 年始，2011 年开始，邯钢为适应钢铁市场的形势，提出了铁前挖潜增效的目标，对铁前原燃料结构进行了大幅度调整。基于此，邯钢邯宝公司前焦化系统优质柳林焦煤配比由 22逐步降至 5，配吃乌海高硫煤，
2、其他高硫煤配比也大幅提高，随着配煤结构的调整，焦炭中灰分、硫份大幅升高，对高炉顺行造成了巨大的影响；公司进一步优化混匀料结构，降低巴粗、邯邢等高品位精粉配比，含铁废物料配比提高至 5，低品位料的配加导致烧结矿矿品位大幅降低，高炉渣铁比大幅度升高，高炉透气性降低，高炉操作难度进一步加大，高炉顺行状况面临严重挑战；另外 2011 年干熄焦炉检修多，干焦比例变动幅度大，也给高炉操作带来了难度。由于原燃料质量的大幅下滑，高炉焦比、煤比等主要经济技术指标严重下滑，另外自产焦量不够，随着焦比的增加，公司大量采购外购焦，高炉燃料成本明显升高。2011 年 16 月份二高炉入炉焦比比 2010 年升高了 16
3、9kgt，焦丁比升高了87kgt，2011 年 16 月份二高炉煤比比 2010 年降低了 273kgt 。面对这种不利局面，邯宝公司炼铁厂从工艺操作抓起，学习和借鉴国内外高炉操作经验，开阔思路，转变操作理念，提出了控制合理的高炉炉腹煤气量指数和高炉透气阻力系数的理念。2011 年 6 月新的操作理念首先在炼铁厂二号 3200m3 高炉实施。随着新理念的实施，在生产实践中不断总结经验，优化操作参数，2011 年 7 月份开始，炉况顺行状况明显改善，焦比、煤比等主要经济技术指标逐步提高，2011 年 10 月份以后，在原燃料质量继续下滑的情况下，二高炉焦比、煤比等经济技术指标实现了突破，焦比降至
4、 330kgt 以下，煤比达到了 140kgt 以上，燃料比保持在 505kgt 以下的水平；同时在持续的技术创新和研究工作中形成了一整套操作技术和操作理念，新理念实施取得了巨大的成功。2 影响高炉经济技术指标的因素分析21 原燃料质量的因素211 焦炭成分自产干焦灰份 2011 年 16 月比 2010 年全年平均高 018，2011 年下半年灰份持续升高，2011 年 712 月份比 2010 年全年平均高 019。自产干焦硫份 2011 年 16 月比 2010 年全年平均高 012，2011 年下半年硫份持续http:/升高，2011 年 712 月份比 2010 年全年平均高 014
5、。2012 年随着高硫煤配比的增加，16 月份焦炭硫份平均达到了 09。焦炭灰分增加，则造渣熔剂增加，渣量增大，不仅多消耗焦炭，还是高炉下部透气性交差，影响顺行。再者，灰分升高，还严重影响焦炭的耐磨性和高温强度，对高炉冶炼影响巨大。因为灰分的硬度比煤质大，在炼焦过程中不熔融，在结焦时，灰分与固定碳之间有明显的分界面，结构强度减弱；加之灰分和碳素质点的膨胀系数不同，受热时，易沿界面产生裂纹，高温下灰分中的成分又被碳进行选择性的还原，焦炭结构进一步疏松。这些，都使焦炭的常温强度和高温耐磨、抗碎强度下降，在料与料的耐磨冲击下，产生粉末和碎焦，在灰分分布不均匀时，影响更大。根据我国高炉生产经验，焦炭灰
6、分增加 1，焦比升高 1725，生铁成本升高 0710。高炉冶炼中约 80的硫来自焦炭，焦炭中的硫对高炉冶炼影响甚大。根据我国高炉生产经验，焦炭中硫份每增加 01，焦比约升高 122。由于公司铁前降本的需要，焦炭灰分和硫份大幅升高，对高炉顺行、经济技术指标和成本带来巨大影响。212 焦炭热性能自产焦 CSR 2011 年 16 月比 2010 年全年平均低了 01，2011 年下半年持续降低，2011 年 712 月份比 2010 年全年平均低 04。自产焦 CRI 质量降低比较明显， 2011 年 16 月比 2010 年全年平均高了 1，2011 年下半年持续升高，2011 年 712 月
7、份比 2010 年全年平均高了 13。2012 年开始自产焦从焦化直过到高炉焦仓，取消中间筛，转鼓指数明显变差。焦炭转鼓和热性能的降低，对高炉影响更大，不仅料柱透气性降低，也对炉缸工作、煤气流分布产生了极大影响，直接影响了高炉的稳定顺行。213 自产千焦配比从上表可以看出，2011 年由于干熄焦炉检修多，干焦配比日常变动是比较频繁的，变http:/动幅度也是比较大的，高炉操作难度增大，给高炉顺行造成了很大影响。大型高炉要求均衡稳定生产，对原燃料质量的稳定性要求很高，只有原燃料保持相对的稳定，才能保证炉况的稳定顺行，由于焦化厂工艺设计的原因，干熄焦系统检修比较多，导致入炉干焦比例波动比较大，直接
8、影响了煤气流的分布，影响了高炉的稳定顺行。214 烧结矿品位烧结矿品位 2011 年 16 月与 2010 年全年平均持平，但 2011 年下半年明显降低，2011 年 712 月份比 2010 年全年平均品位低了 04。2011 年烧结矿品位从 6 月份开始降低，9 月份以后降低幅度较大，12 月份以后烧结矿品位 565以下。由于烧结矿品位的降低，渣铁比大幅度提高，高炉下部透液性变差，煤气流阻力增大，严重制约了高炉经济技术指标的提升。另外由于烧结混匀料配吃大量冶金废料(包括各种除尘灰) ，高炉入炉碱负荷和锌负荷大幅度升高，碱负荷在 4kgt 以上，锌负荷在 400gt 以上，在高炉内对焦炭强
9、度破坏力度增大，严重影响了高炉的稳定顺行。22 高炉操作因素2011 年 16 月份由于原燃料质量的降低，高炉中心气流明显减弱，边缘气流不稳定，由于当时对炉腹煤气量指数和透气阻力系数的控制还没有明确的认识，在传统操作观念的影响下，二高炉为了保证中心气流充沛，仍坚持大风量操作，进一步提高风速和动能；日常调剂方针是保证风量调整氧量；但是由于原燃料质量的降低，炉况不接受高风速、高动能操作，高炉炉况波动频繁，不得不依靠高焦比维持生产，煤比、焦比等主要经济技术指标大幅下滑，2011 年 16 月份的操作调整是不成功的。从图 34 看出，由于炉况不稳定，2010 年6 月份矿批使用比 2010 年明显变小
10、，水温差波动区间明显变大。http:/http:/3 调整操作总体思路在目前的原燃料质量条件下，通过对高炉炉内气体动力学的研究，用高炉炉腹煤气量指数和透气阻力系数为指导，优化高炉工艺操作，实现高炉长期稳定顺行，改善经济技术指标，降低冶炼成本的目的，最终实现高炉效益最大化的目标。31 炉腹煤气量指数和透气阻力系数的定义焦炭、煤粉燃烧后，形成炉腹煤气，炉腹煤气的数量与鼓风量、富氧量、加湿量、喷吹物的数量、成分有关。炉腹煤气在高炉内上升过程中，穿过料层，遇到阻力，其阻力的大小除了与炉腹煤气量有关外，还与煤气的粘性、密度、炉料的粒径、形状、空隙率等因素有关，将卡曼(carman)阻力方程中有关气体物理
11、特性的系数和实际流速进行积分简化，可以得到气体力学方程。以下是有关方程式及说明：(1)炉腹煤气量(风含氧和加湿 )(2)炉腹煤气量指数式中：V B：表示入炉风量，m 3minVO2：表示富氧量，m 3hWB：表示入炉加湿，gm 3MC：表示喷煤量，thH：表示煤粉含氢量，VBG：炉腹煤气量，m 3mind：炉缸直径，mPB：热风压力，kpaPT：炉项压力，kpa32 用高炉炉腹煤气指数作为衡量高炉强化的程度指标有更强的代表性、科学性和逻辑性。高炉炉内现象可以归纳成气体与固体、气体与液体的对流、传热和化学反应三个方面。通过高炉内气体动力学研究，所有限制高炉强化操作的因素都与高炉内的煤气流动有关，
12、也就是高炉内煤气的通透能力决定了高炉的高炉的强化操作：而高炉存在着强化冶炼的界限，也就是高炉炉腹煤气量有最大界限。由于不同高炉冶炼条件不一样，决定了炉腹煤气量也不一样；高炉炉缸靠近炉腹，在生产过程中炉缸断面积基本不变，可以把单位炉缸断面积上产生的炉腹煤气量定义为高炉炉腹煤气指数；用高炉炉腹煤气指数作为衡量高炉强化的程度指标有更强的代表性、科学性和逻辑性。高炉能够通过的煤气量和炉腹煤气量指数取决于炉料的透气性。显然，入炉原料品位越高、渣量越小，焦炭强度越好，炉料的空隙率越大，煤气流速越低，炉料对煤气的阻力越小，能够通过的煤气量越大，入炉原料品位越低、渣量越大，焦炭强度越差，炉料的孔http:/隙
13、率小，煤气流速越大，炉料对煤气的阻力越大，能够通过的煤气量越小，体现了高炉应以精料为基础的重要性。我们根据 2010 年2011 年 6 月的数据可以得到炉腹煤气量指数、炉腹煤气量与煤比的相关方程，与理论相符合。33 用透气阻力系数评价高炉透气性比压差和透气性指数更合理、更科学。根据卡曼(carman)阻力方程， 我们可以看出透气阻力系数 K 是与炉料透气性密切相关的系数，不仅涉及风压 PB、顶压 PT，而且涉及到炉腹煤气量 VBG，而炉腹煤气量涉及到 VB、V O2、W B、M C、S 炉缸 等诸多参数，因此阻力系数 K 值对指导高炉操作具有重大意义。K 值对高炉顺行、高产，高炉操作的稳定十
14、分重要。当 K 值保持在正常范围，说明高炉稳定顺行；高于正常范围说明料柱透气性差；若不断升高，高炉可能发生滑料、崩料、甚至悬料等故障：低于正常范围可能发生管道行程；因此，K 值可以预报高炉炉况的指标。宝钢采用 K 值判断炉况，保证了高炉顺行，一年当中几乎不发生悬料。只有高炉炉况稳定、顺行，才能高效利用煤气的热能和化学能，达到降低燃料比、降低能耗的效果。从实际数据得到的煤比与 K 值方程可以看出，煤比与 K 值有着很好的线性关系，K 值低，也就是高炉透气性越好，煤比就越高。高炉的透气阻力系数有上限控制值，超过上限值，高炉因透气性差要采取降低煤比的措施，以提高透气性保炉况顺行。http:/34 在
15、原燃料条件一定的条件下，适当提高顶压、提高富氧率、降低燃料比，控制合理的送风比，控制合理的炉腹煤气量和炉腹煤气量指数，降低单位生铁耗风量，从而降低透气阻力系数 K 值，提高料柱的透气性，实现改善经济技术指标和高炉进一步强化的目标。在原燃料一定的条件下，对应有一个合理的煤气流速范围。当原燃料质量高时，炉腹煤气量指数可以高；而原燃料质量较差，相应地炉腹煤气量指数不能太高，存在限制值，炉腹煤气量指数不是越高越好。在高炉煤气的通过能力有富裕的情况下，K 值比较低，以提高炉腹煤气量指数来强化高炉和改善指标；当 K 值较高时，应保持高炉的炉腹煤气量指数不变，而以降低单位生铁的炉腹煤气量来强化高炉和改善指标
16、。即，到达高炉依靠增加风量强化的限度以后，应保持炉腹煤气量指数基本不变，在保持炉况稳定顺行的基础上，采取提高富氧率、提高炉顶压力、降低燃料比来改善和强化高炉指标，这个理念与过去的操作理念有很大的差别。4 措施41 控制合适的送风比高炉入炉风量与实际有效炉容的比值定义为送风比，结合国内外大型高炉尤其是宝钢高炉操作经验，我们认为 3200m3 高炉的送风比应控制在 1718 比较合适的，在原燃料质量有保证的情况下，送风比控制在上限水平，在原燃料质量降低的情况下，送风比应控制在下限水平，通过提高富氧率保持冶炼强度。42 控制合理的炉腹煤气量和炉腹煤气量指数。炉腹煤气量和煤气指数都有一定的上限值和合理
17、区间，并非越高越好，国内外大高炉指标较好的炉腹煤气指数几乎都控制在 5866mmin，超过 62mmin 就属于高冶强范畴。宝钢 3 号高炉炉腹煤气量指数在 20102011 年 5 月份控制在 6465mmin 左右，也就是说，炉腹煤气量指数达到将导致燃料比上升的程度就不再增加炉腹煤气量指数，控制炉腹煤气量始终不超过 66m min。相比之下，邯宝公司高炉的原燃料条件与宝钢相比要差很多，因此，合理的炉腹煤气量指数要比宝钢高炉低。由生产实践验证，我厂高炉的炉腹煤气量指数和炉腹煤气量在原燃料条件有保证的情况下可以控制在 625m min 和 7850m3min 以上；在原燃料条件降低的情况下炉腹
18、煤气量指数和炉腹煤气量控制在 625mmin 和 7850m3min 以下。43 控制合适的 K 值宝钢高炉经过十几年生产实践，在宝钢原燃料条件下，宝钢高炉 k 值控制在 25 左右，不超过 27。邯宝公司高炉的原燃料条件比宝钢差很多，K 值控制比宝钢要高，根据生产实践，在目前的原燃料条件下，高炉 K 值上限应控制在 32 以下才能保证炉况的稳定。5 调整二高炉操作控制参数2011 年 7 月开始，邯宝公司炼铁厂首先对二号高炉进行了操作调整，调整参数标准控制如下：http:/6实施效果2011 年 7 月份开始，随着操作参数的调整，二高炉炉况顺行状况明显改善，焦比、煤比等主要经济技术指标逐步提高；2012 年在原燃料质量继续下滑的情况下，二高炉焦比、煤比等经济技术指标实现了突破，焦比降至 320kgt 以下，煤比达到了 145kgt 以上，燃料比保持在 505kgt 以下的水平7 参考文献(1)项钟庸 用高炉炉腹煤气量指数来衡量高炉强化程度 炼铁2007 年 02 期(2)项钟庸 用高炉炉腹煤气量指数来来评价高炉能耗水平炼铁2010 年 06 期(3)项钟庸 高炉设计炼铁工艺设计理论与实践(4)李维国 特大型高炉的发展趋势和生产实践 2011 920 在中国金属学会高级研修班上讲座材料(5)林成城 高炉煤气流调剂控制技术
