孔亚东  贾来辉  陈亚春

(中天钢铁集团)

摘  要  中天钢铁在低烧结矿配比的情况下，克服烧结矿产能不足带来种种影响，不断优化用料结构，改变高炉操作思路，通过对气流的控制，炉缸状态的把握，以及对喷煤系统的改进，逐步将高炉喷煤量由155kg/t提升至180kg/t。

关键词  小高炉  低烧结矿配比  高富氧  高煤比  喷煤量 

1  中天钢铁高炉炼铁概况

中天钢铁拥有10座高炉，1000m3以下有7座，1580m3高炉3座，烧结机有5台，4台180m2，1台550m2，由于受烧结机产能限制的原因，常年停1座高炉生产，烧结矿配比能稳定在70%左右。自2020年6月份开始为进一步提高产能开启10座高炉生产，烧结矿配比由原先的70%逐步降低至60%，球团、块矿比例逐步提高至22%和18%。中钢没有自己的焦化厂，焦炭全部使用外购焦炭，焦炭供应厂家多而杂，不同厂家之间的焦炭质量存在较大差异，没有自己的矿山，全部使用进口矿，没有球团厂，球团全部靠外购，外购球质量不一。

2019年4月份，公司6万m3制氧机组正式投用，各高炉开始逐步提升富氧量，富氧率从2-3%提高至5-6%，随着富氧率的提高，高炉产量达到了历史最高水平，但同时燃料消耗也随之升高。以中天钢铁2、3号510m3高炉为例，2019年下半年比上半年富氧率提升1.16%，产量利用系数提升0.2t/（m3·d），燃料消耗升高9kg/t。

2020年第二季度，随着焦煤差价越来越大，为进一步降低生产成本，各炼铁厂纷纷采取有效措施，想尽办法提升磨机制粉能力，同时改善喷煤条件，为高炉提高煤比提供有力条件。2020年5月份，各高炉开始进行提高煤比的生产实践，以中天钢铁2、3号510m3高炉为例，当月下旬干煤比平均达到165 kg/t，6月份平均达到177 kg/t，目前高炉最高能稳定在180 kg/t以上。

2  高炉低烧结矿配比条件下的高煤比操作技术

2.1  高炉低烧结矿配比冶炼的特点

2018年因全国范围的环保管控，中天钢铁烧结厂因环保管控原因，烧结机轮流停台整改，烧结矿产量严重不足。高炉烧结矿配比最低时只有55%，球团矿比例最高达到了30%。低烧结高球团冶炼，对高炉生产造成很多不利影响。经过这一次实践经历，为当前高炉低烧结矿配比冶炼积累了不少宝贵经验。

2.1.1  高比例球团对高炉生产的影响

使用高比例酸性球团矿生产有以下几个特点：一是球团矿高温还原粉化率指标相对较差，因其在高温下还原粉化严重，会造成高炉透气性恶化，影响料柱透气性，球团矿比例增加后这一现象将更为明显；二是球团矿具有粒度均匀、滚动性好、堆角小的特点，相比烧结矿更容易向中心堆积，造成中心气流不畅，或者布料不均，造成气流异常，提高球团矿比例后需要对料制进行一定调整；三是球团矿本身具有软熔温度低、软熔区间大的特点，增加比例后将进一步影响料柱透气性；四是大部分球团矿碱金属钾、钠含量相对偏高，在提高球团矿比例时，需控制碱金属的平衡。

在实际操作过程中，随着球团矿比例的升高，高炉变的异常难操作，憋压、悬料、塌料等情况明显增多，煤气流分布不均，经常出现管道气流，甚至出现过大管道，差点造成高炉大凉。图1为中天钢铁1号550m3高炉2018年7月份，烧结矿比例从月初的60%逐渐降低至月末55%时，高炉热风压力和压差变化趋势。从1号高炉18年7月份热风压力与压差变化趋势上可知，球团比例增加到30%以后，高炉炉况发生了非常大的波动。为保证高炉正常出铁，高炉只能通过降低冶炼强度，降低焦炭负荷，降低喷煤量等方式稳定炉况。

2.1.2  烧结矿供应量不足对高炉生产的影响

烧结矿供应不足，一是造成高炉烧结矿仓位普遍偏低甚至有断料风险，高炉被迫减风、慢风操作；二是遇到烧结机临时停台，高炉将不得不面临带大量落地矿，落地矿相对较碎，且取料时经过打水处理，高炉大量使用，容易造成高炉炉况失常；三是，低烧结矿比例，烧结矿碱度相对较高，超过2.25以后烧结矿质量很不稳定，另外烧结矿碱度不够时，高炉需带白云石增加碱度，白云石作为辅料，会分解吸热生成CO2，燃料消耗相对偏高，使用白云石期间炉况稳定性相对较差。

烧结机产能不足，还会存在一个问题，就是烧结矿质量的不稳定。烧结厂为了提高产量，不得不牺牲烧结矿质量，烧结矿碱度波动大、烧结粒度碎等情况经常出现。另外，当时铁前冶金实验室还未建立，对烧结矿的冶金性能未进行关注，烧结矿的还原性、低温还原粉化率等指标没有相应的数据，烧结矿质量难保证。

2.2  高炉提煤比生产实践

2020年是中天钢铁追求效益的一年，经过2019年的高富氧操作，高炉已经基本适应高富氧率的工作状态。高富氧的情况下，虽然产量提高了，但是燃料消耗也随之升高。分析其主要原因是高富氧情况下，理论燃烧温度过高，会引起风口区SiO大量挥发，不仅恶化料柱透气性，还容易造成上部粘结，造成炉况难行，高炉边缘气流难控制，最终导致高炉煤气利用率下降，燃料消耗上升。另外，高富氧操作本身有利于边缘气流发展，更加剧了这一结果。为降低高炉理论燃烧温度，最有效、最直接的方式就是增加喷煤量。

中天钢铁的高炉也曾尝试过高喷煤操作，但效果并不理想。另外，10座高炉生产要提高喷煤量对喷煤系统而言也是不小的挑战。随着焦煤差价越来越大，炼铁厂想要产生更多的经济效益，必须走提高高炉煤比降低生产成本这条路。为此在2020年5月份，中天钢铁各高炉开始尝试提升煤比的生产实践。同年6月份，为进一步提升产量增加效益，中天钢铁开启10座高炉生产，烧结矿配比从70%降低至60%，球团矿比例由16%提高至22%，块矿比例由14%提高至18%。因此在提升煤比的实践中，高炉同时面临着低烧结矿配比生产带来的影响。

2.2.1  提高喷煤系统制粉与喷吹能力

提高高炉喷煤量的前提是提高磨机制粉能力和管道喷吹能力，为此喷煤系统需要改变以往生产模式，为高炉提升煤比做好铺垫。首先，磨机制粉能力的提升，主要从三个方面进行，一是通过降低磨机压力降低煤粉粒度，将煤粉粒度-200目的比例由原先80%以上降低至60%-70%，以提高磨机制粉量；二是增加给料机下煤量，但需要考虑干煤粉水份，要求干煤粉水份控制在2.5%以下，因此给料机下煤量不能过大；三是提高磨机作业率，将磨机作业率由原先80%提高至100%，即24小时不停机作业，只与高炉计划检修时一起进行大的维护。

其次，管道喷吹能力的提高，有两种改进方法。一是直接更换更大管径的喷煤管道，这需要增加管道整改费用；二是在管道上增加保温材料，保证干煤粉温度40-50℃，可有效提高煤粉流速，增加喷吹能力。

2.2.2  改善高炉料柱透气性

低烧结矿配比条件下，因球团矿比例增加，高炉本身料柱透气性会变差，当原料质量不能保证时，如球团矿粒度碎、含粉重，烧结矿粒度碎、转鼓强度低、低温还原粉化率指标差等情况，更加剧了高炉料柱透气性的恶化，若此时增加高炉喷煤量，高炉透气性只会越来越差，高炉接受不了大喷煤的操作。这也是前期高炉尝试大喷煤操作效果不理想的重要原因。为改善高炉料柱透气性，必须优化原燃料使用条件。

（1）原料的使用和管理。当前随着铁前系统管理上的进步，球团、块矿的管理有了很大改善，球团、块矿不在是露天堆放，而是从船里直接进仓，减少了下雨天对球块质量的影响，同时球块品种能保持长期稳定供应，频繁切换球块品种已成过去。在烧结矿比例下降后，高炉根据以往经验，适当调整矿槽排料顺序，使球团尽可能往靠近边缘环带布料，减少球团滚动对气流的影响。另外，根据理论和实践经验，酸性球团的使用比例最好不要超过30%，以此优化原料结构。

2019年上半年铁前实验室开始投用，其具备烧结杯试验、低温还原粉化率、还原性、转鼓强度等实验条件，烧结矿的冶金性能指标开始得到重视和提升。另外，2020年公司成本考核制度改革，将烧结成本挂靠炼铁成本，烧结厂改变了原先“重产量轻质量”的生产模式，将烧结矿质量放在第一位。使得烧结矿质量得到了较明显的提升，尤其是烧结矿粒度和转鼓强度。另外，烧结矿冶金性能指标也有一定提升，其中烧结矿低温还原粉化率指标RDI+3.15%由原先60%提升至75%。为进一步提高低温还原粉化率，烧结厂还进行了喷淋CaCl2的试验，低温还原粉化率指标RDI+3.15%由75%提高到85%。由于喷淋CaCl2对管道有腐蚀，只根据需要时才开启。这些改变，都为高炉提高喷煤量，创造了更多的有利条件。

（2）焦炭的使用和管理。焦炭作为高炉料柱的骨架，对料柱透气性起到关键性的作用。随着喷煤量的增加，焦炭负荷也随之增加，焦炭料层逐渐减少，高炉透气性降低。为改善料柱透气性，焦炭质量尤为重要，尤其是其热反应性和反应后强度。在焦炭质量管理上，中天钢铁已经形成了一套完善的焦炭质量评价体系，根据焦炭不同指标进行打分，对不同品种和厂家的焦炭进行评分，区分好焦炭和差焦炭。同时，在焦炭使用上，以评分较高的焦炭作为主焦，评分较低的焦炭作为辅焦，高炉在焦炭使用时要求主焦比例不低于50%，并且在焦炭布料时，有意将主焦布到中心位置，改善料柱透气性的同时，确保中心气流发展，保证炉缸的活跃性。

2.2.3  控制高炉煤气流合理分布

根据前人研究结果，高富氧大喷煤后，焦炭负荷增加，料柱透气性降低,高炉实际风量减少，加上单位体积炉料重量增加，炉料作用于风口回旋区的有效正压力增加，均是使回旋区变小的因素，故高富氧大喷煤后回旋区缩小，使边缘气流发展。另根据日照钢铁高富氧高喷煤实践研究可知，对于大中型高炉，随着喷煤量提高，未燃煤粉在料柱中沉积，降低料柱透气性，中心气流变弱，边缘气流发展，回旋区缩短。结合本厂生产实践，中天钢铁三座小高炉，在高富氧煤比155kg/t的情况下，边缘气流也存在较大发展的情况，但高炉矿角往上压时比较困难，中心和边缘气流难稳定，分析原因主要是高富氧低喷煤时，理论燃烧温度过高，导致SiO大量挥发，影响了料柱透气性（喷煤提升前后理论燃料温度变化，见图2）。当喷煤量提升以后，煤比达到180kg/t时（未燃煤粉增加，高炉重除灰固定碳含量增加，见图3），边缘气流并没有减弱，边缘气流仍然较大发展，说明500m3小高炉在高富氧高煤比的情况同样会出现回旋区缩短，边缘气流较大发展的情况。高炉尝试逐步增加矿和焦的角度，同时减小矿和焦的角差，采用“大角度，小角差”的装料制度控制边缘气流，通过料制的调整，高炉边缘气流得到有效控制（高炉提升煤比前后料制的变化，见表2），说明在理论燃烧温度控制在合理范围时，高炉边缘气流相对可控。

2.2.4  保证活跃的炉缸状态

为保证炉缸状态活跃，需要确保高炉拥有足够的鼓风动能，这就需要考虑风机能否提供足够的风量以及是否需对风口面积进行调整。根据前人研究结果以及其他钢铁厂的生产实践，在高富氧和大喷煤的情况下，需要对风口面积进行缩小，以增加风口回旋区长度，提高鼓风动能，如日照钢铁相比大喷煤前风口面积缩小了2%-3.5%。但中天钢铁三座小高炉，实际匹配的风机不仅风机能力小，且使用年限较长设备能力老化，高炉风量已经使用到了极限，因此在风口面积的选择上，已经选择最大的风口面积与风机能力进行匹配。在当前高富氧大喷煤的情况下，风量已经不能再加，风口面积并不算大，因此在实际操作中并未刻意去缩小风口面积。从实践结果来看，鼓风动能也相对合适。

另外，提高喷煤量后，风口前理论燃烧温度有所下降，而理论燃烧温度的大小对炉缸状态有很大影响，包括传热速率、渣铁温度、炉缸温度等。根据理论研究，富氧率提高1%，理论燃烧温度升高42℃，风温升高10℃，理论燃烧温度升高7-8℃，喷煤量增加10kg/t，理论燃烧温度下降15℃。而理论燃烧温度不能过高，也不能过低，必须控制在一定范围内。目前，中天钢铁各高炉要求理论燃烧温度控制在2200-2300℃之间。在喷煤量提升以后，平衡好富氧率和煤比的关系，同时稳定1180℃的风温水平。

其次，铁水物理热、渣铁流动性、炉前出渣出铁等因素，对高炉炉缸状态的活跃程度有较大影响。因此在铁水物理热控制上，要求高炉每一炉铁水物理热必须控制在1480℃以上。炉渣碱度和镁铝比控制方面，要求炉渣碱度控制在1.15±0.05，一方面确保炉渣有足够的脱硫能力，一方面保证渣的流动性。另外，中天钢铁渣中铝一般保持在15-17%，因此镁铝比要求控制在0.55-0.6之间，目的同样是保证渣的流动性和脱硫能力。另外，低烧结矿配比的情况下，原料品位相对较高，导致渣量偏低，高炉出渣不稳定，经常一炉渣多一炉渣少，造成炉况波动。因此，高炉更愿意搭配使用一些辅料，一方面调整炉渣碱度和镁铝比，一方面增加渣量，但这会造成燃料消耗的升高，对降低生铁成本不利。为保证高炉合适的渣量，又不增加炼铁成本，就需要选择品位相对较低的矿，包括球团、块矿和烧结使用的矿粉，低价的矿可以平衡渣量升高增加的成本。其次，单铁口高炉，铁口维护的好坏，直接影响高炉炉缸状态和炉况顺行。因此，必须重点关注炮泥质量和炉前工的操作水平。

4  结论

本次中天钢铁三座500m3高炉在烧结矿产能不足的情况下，克服了烧结矿配比低、球团矿比例高的困难，通过一定技术手段实现了高炉高煤比操作的实践结果。根据实践经过，总结了如下几个方面的经验：

（1）在低烧结矿配比的情况下，因酸性球团本身的性质影响比例不宜过高，最好不超过30%，否则影响高炉料柱透气性，不利于高炉煤比的提升。

（2）烧结矿产能不足时，烧结矿供料不稳定以及质量不稳定，也是制约高炉稳定生产的重要因素，因此必须平衡好原料结构和稳定烧结矿质量。

（3）高炉高富氧的情况下，理论燃烧温度相对较高，导致料柱透气性变化，不仅不利于炉况稳定，同时也会导致燃料消耗升高，通过增加喷煤量，平衡理论燃烧温度，使理论燃烧温度控制在2200-2300之间，炉况相对较稳定。

（4）在低烧结矿配比的情况下，为改善料柱透气性，首先需要对原燃料的使用进行管理，通过有效管理和合理搭配，可实现“低价格，高效益”的结果，同时为提高喷煤量提供有利条件。

（5）高富氧大喷煤对于500m3小高炉而言，同样是边缘气流较大发展，因此在控制好理论燃烧温度的前提下，可采用“大角度，小角差”的操作制度控制边缘气流。

（6）在低烧结矿配比的情况下，炉缸的活跃程度是制约高炉高煤比的重要因素，必须控制好风量、风口面积与鼓风动能的关系，同时控制好炉缸热量、渣铁流动性和出铁节奏，只有活跃的炉缸状态才能保证高炉长期稳定顺行。

5  参考文献

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