首钢外购焦炭质量恶化后的高炉生产实践

1、概况

　　当前国内钢铁业发展迅猛，冶金焦需求过量与资源私有制的矛盾日益激化，劣质焦炭充斥市场。自身炼焦能力不足的钢铁企业不同程度地受到影响，大多面临着焦炭指标恶化后的高炉顺利问题。低耗市郊已成为企业生存竞争的关键，低焦比是高炉炼铁追求的重要指标。矿焦比的不断增加使焦炭作为料骨架的作用变得尤为突出，其在炉内1000℃以上高温区严重的质量下降势必造成炉缸不活，压差升高，煤气分布紊乱，而顺行的破坏直接导致高炉技术经济指标退步。首钢作为焦炭使用大户，日耗焦量达到11500t，而自产能力仅5000t，50％以上依靠外购，外购焦的质量变差已严重制约了高炉技术指标的改善。首钢在强化焦炭外购质量的同时，通过近一年的生产实践，总结出以活跃炉缸为中心，调整装料与送风制度为手段，高炉固定分配焦种为原则的操作方针，效果明显。自2002年10月焦炭质量恶化以来，高炉生产指标由初期的大幅度退步已到近期的逐月好转。

表1 2000m³以上高炉指标（三季度按7、8两月统计）

2、焦炭质量变化

　　由于焦炭市场紧张，2002年11月成为焦炭质量变化的转折点，外购焦炭的重要指标M₄₀、M₁₀、A、S、CRI、CSR大幅度退步。2003年以来，自产焦受煤资源影响，灰分略有上升，但相对还比较稳定。外购焦灰分上升幅度较大，冷热强度均有下降（见表2），主要是焦炭中的灰分与焦质膨胀性质不同，在高温区沿灰分颗粒周围产生裂纹，使焦炭碎裂、粉化（见表3），而裂纹又将使CO₂深入焦炭内部组织加速气化反应进行，造成焦炭气孔增大^[1]，气孔壁变薄，强度下降过程加剧（见表4）。其次灰分的增加必然导致碳含量降低，直接削弱了碳原子间有效结晶键的联结。同时数据表明冷态强度与高温性能指标不一定存在良好的相关性，但在一定程度上可反映焦炭在高炉内保持粒度的能力。

表2  2002年与2003年焦炭质量比较，%

表3  入炉焦与风口焦炭粒度组成，％

表4  入炉焦和风口焦气孔率和气孔壁厚度

3、焦炭质量对炉缸工作的影响

　　劣质焦炭入炉，其高温冶金性能的降低劣化了焦炭的骨架作用，特别是炉缸中心死焦堆的透气性、透液性大大降低，圆周工作不均，对炉况顺行构成极大威胁。集中表现在中心煤气通路堵塞，压差升高，高炉吃风、吃热通降，脱硫效率低下，风口大量损坏，严重时将引起炉况失常。4号高炉使用劣质焦炭前后的生产指标变化见表5。

表5  4号高炉（2100m³）使用劣质焦炭前后生产指标对比

　　注：2002.11-2003.1因焦炭质量变差引起炉况失常。

　　由表5可以看出，焦炭质量恶化后，高炉技术经济指标变差。主要是对焦炭质量劣化后的初期阶段认识不足，调整上相对滞后所致。有文献指出，炉缸中心死焦堆的完全转换在10天左右。因此炉况发展不会在短期内就会突然恶化或好转，必奖经历一个逐步演化的过程。抓住苗头，尽早采取调整措施，确保炉缸工作状况良好 是减少劣质焦炭造成损失的关键。4号高炉炉况不顺的前期表现特征相当明显，两个出铁场出铁不均匀，风量水平和焦炭负荷逐步退却时只重视了炉前出铁工作，而忽视了炉缸中心死焦堆变化后引起的炉缸不活跃，以致延误了治理的最佳时机。反之，热量充沛、活跃的炉缸工作也将大大提高高炉对焦炭质量波动的抵抗能力，炉缸相对活跃的3号高炉稳定性明显好于4号高炉。

4、操作制度调整

4.1装料制度

　　我厂2座2500m³（1.3^号）高炉以矮胖著称，高径比仅为1.98，2000年以前，为防止中心过吹，采用大矿批、中心减焦的装料制度，3号高炉甚至中心布矿抑制中心过吹。受焦炭质量影响，近两年中心煤气流明显趋弱。

　　针对高温区焦炭粉化严重，中心死焦堆渗透性变差，整体料柱透气性变坏的特点，上部装料以打开中心为主，辅以疏导边缘，保持煤气流的两条通路，可以起到缓解压差的良好作用，并使高炉稳定在较重的焦炭负荷，炉温水平及全风率明显提高。上部装料制度的高速情况见表6。

表6  高炉布料情况

　　表6表明焦炭质量变差后，通过缩小矿批、增加中心及边缘焦炭量可以保持或发展两股煤气流，尤其应确保中心焦炭量。合理的调整将抵消劣质焦炭对煤气流分布的不利影响，从而达到炉况顺行的目的。而几次试图依靠加重边缘、扩大矿批来抑制边缘煤气流不稳的调整均以失败告终。需要说明的是，矿批大小不应局限于某一范围内，它是不同原料、炉况下的一个变量，与布料角度、料柱透气性、风量水平、炉缸工作状态相辅相成。伴随全风率提高，炉缸活跃程度向好，可逐步扩大矿批。

4.2送风制度

　　送风制度的选择不仅要考虑活跃炉缸，也要考虑焦炭劣化后下部回旋区的变化。重点从实际风速与鼓风动能着手，近两年送风制度的变化见表7。焦炭在炉内的强度、粒度不仅与其瓜性有关，而且风口前回旋区强烈的碰撞、剪切、冲刷同样会造成大量碎焦、粉焦产生^[2]。鉴于劣质量焦炭本身高温强度低，回旋区前端、下部粉焦堆积，气流压力升高，与正常状态相比死焦堆增大，回旋区深度减小，在此状况下往往会因实际风速过大引起回旋区畸变，使风口沿下端频繁烧损。另外，高炉全部压损中30%源于软熔带及以下，实际风速过高无疑更增加了这部分压损，因此采用高风速高动能强制性地去吹透中心显然不合理。首钢生产实践证明，扩大风口面积，适当降低实际风速和鼓风动能，以减轻回旋区焦炭粉化程度，并配以上部的中心疏导可较好地解决这一总是。尤其在劣质焦炭引发炉况不顺的初期更为有效，随着炉况稳定，炉缸活跃，可逐步平衡增加鼓风动能。以4号高炉为例，经过上述调整，目前焦比水平已达381kg/t，利用系统2.32，矿批由年初的40t扩为46t，逼近历史最好水平。

表七 高炉送风制度变化

5、喷吹煤粉的影响

　　高炉生产中焦炭的溶损反应是与未燃煤粉共存情况下进行的，而且随高炉喷煤量增加，风口区未燃煤粉呈上升趋势，因此高炉喷煤条件下，煤粉对料柱透气性及焦炭溶损反应的影响不可忽视。

5.1未燃煤粉对透气性的影响

　　由于煤粉来不及在风口回旋完全燃烧，随煤气流上行吸附或粘结在炉料表面、孔隙的煤粉量增加。首钢对2号高炉风口的测定表明，无富氧喷吹无烟煤状态下，风口前端400mm煤粉燃烧率为70%，富氧率6％以下时，燃烧率提高到80％。而文献[2]中指出在1000-1400℃区域未燃煤粉量可达1-2kg/（min*m²），日本高炉同样证实由未燃煤粉形成半焦堆积于死焦柱周围，使死料柱焦炭块度下降，结果炉缸中心难以吹透。大量未燃煤粉如不能很快被初成渣吸收，则会造成炉缸堆积、料柱透气性恶化。因此，优化煤种及燃烧环境，以减少未燃煤粉量对改善炉缸工作、降低高炉压差有利。首钢3号高炉采用了高风温、富氧、混煤喷吹等措施，生产指标及顺行状况明显优于使用相同焦炭结构的4号高炉。2座高炉2002年生产指标对比见表8。

表8  混煤与无烟煤高炉指标比较

5.2高反应性煤对焦炭高温性能影响

　　炉内降低焦炭的反应性除采取减少炉料中起催化作用的碱金属、Fe₂O₃含量等措施以外，喷吹高挥充分的烟煤同样可以抑制焦炭的气化速度。由于氧化反应后活化能只有焦炭的60％-70％^[2]，因此未燃煤粉的瓜性远大于焦炭的反应性，并在高炉中优于焦炭进行气化反应。高炉气氛中煤粉不可能在几毫秒内完全燃烧，总有少量未燃煤粉的存在。高炉喷吹高反应性煤虽然无法改变焦炭与CO₂的反应能力，但可减少焦炭与CO₂反应的机会。我厂3号高炉按烟煤（东胜、神府）：无烟（阳泉、京西、太西）＝1：3进行混煤喷吹，而4号高炉喷吹单一无烟煤，东胜、神府煤的反应性远高于阳泉、京西、太西煤，两者对焦炭的保护作用不同。

　　高反应性煤对不同焦炭的反应性影响不同，随着焦炭反应性的升高，煤对焦炭反应性的影响增大，因此，喷吹高反应性煤对使用劣质焦炭的高炉效果更明显。

6、焦炭固定搭配入炉

　　首钢外购焦炭种类杂，分布广，供应商达26家。其中北京东焦日供3000t，数量、质量相对稳定，而其他外购焦炭无论数量、质量均难以保证。2003年5月以前，焦炭基本处于来什么吃什么的状态。全厂5座高炉焦炭分配比例极不固定，从而造成炉况突发性波动频繁发生。针对这种情况，从生产组织上加强管理，合理分配各高炉焦炭用量，提高用焦炭的固定比例（见表9），确保单一焦种波动不超过10％，对炉况顺行稳定起到至关重要的作用。

表9  焦种固定搭配情况，％

7、操作管理

　　（1）根据原燃料的供应数量、质量、炉况基础和趋势以及季节性特点等，修订完善好各高炉的“攻、守、退”措施，使之具有针对性和可操作性，以指导工长操作和炉况调剂。

　　（2）抓好炉墙温度、水温差、铁水温度、理论燃烧温度、风速和鼓风动能、煤气分析、十字测温、压量关系等冶炼参数的监测和分析工作，以抓住炉况失常苗头。不断完善对炉缸的不活跃征兆和程度的数据总结，保证炉缸工作长期稳定、均匀活跃，并保持合理的操作炉型，把炉况失常消灭于萌芽状态。

　　（3）不断提高工长的技术操作水平和综合判断能力，尤其要抓好低炉温的控制、气流管道的处理等关键环节。

　　（4）做好炉内高速的同时，工长操作力争全风量、全风温，探索好不同阶段合适的鼓风动能，使炉缸工作活跃，以提高对外界的抗干扰能力。

8、参考文献

（1）王平，惠志刚.马钢2500m³高炉上下部调剂实践.钢铁，2002（7）：12-15

（2）王国雄，王铁，沈峰满，杨佳龙.现代高炉粉煤喷吹.北京：冶金工业出版社，1997.