永洋特鋼高爐大富氧操作實踐研究

榮蘭玉 李春林 高艷宏 賈 碧

(1. 河北永洋特鋼集團有限公司 技術中心， 河北 邯鄲 057150；2. 重慶科技學院 冶金與材料工程學院， 重慶 401331)

0 前 言

隨著氣候變暖、環境污染和資源匱乏等問題日益凸顯，地球生態系統和人類健康受到了嚴重的威脅。為此，世界各國紛紛出臺了各種節能降碳計劃。為應對嚴峻的氣候變化、實現中國可持續發展、加強生態文明建設，習近平總書記在第75屆聯合國大會上首次提出“雙碳”目標 —— “碳達峰”和“碳中和”。中國的CO2排放主要來源于化石燃料燃燒，而鋼鐵工業作為中國制造優勢產業，是最大的能源消耗行業之一，CO2排放量約占全國碳排放總量的15%，占世界鋼鐵碳排放總量的60%以上[1-3]，其中約70%來源于高爐煉鐵[4-5]。因此，煉鐵過程中的節焦降碳對鋼鐵工業節能減排效果起著至關重要的作用。

作為現代高爐一項重要的強化冶煉技術，高爐富氧鼓風綜合噴吹對減少碳排放、提升競爭力具有非常重要的作用，將成為未來高爐實現低碳冶煉的重要途徑[6-8]。河北永洋特鋼集團有限公司(以下簡稱永洋特鋼)1 260 m3高爐于2017年點火開爐以來，爐況平穩運行。2021年6月提高富氧率后，出現了下料不暢和邊緣氣流發展等現象。永洋特鋼通過改善送風制度、優化裝料制度和控制爐頂溫度等措施，使高爐日產量突破5 000 t，煤比達到175 kg/t以上，燃料比降到520 kg/t左右，達到了爐況穩定順行、節能減排的初步目標。

1 大富氧對高爐冶煉的影響

富氧會增加鼓風中的含氧量，使理論燃燒溫度升高、煤粉燃燒率增大、冶煉強度提高、煤氣中的CO濃度增加、爐缸熱狀態改善等。在燃料比不變的情況下，富氧率每增加1.00%，高爐冶煉強度提高4.76%。但富氧量過大會對高爐冶煉產生不利影響，如由高溫區下移所致的爐身熱量不足、邊緣氣流過大所致的爐缸徑向溫度分布失衡，以及低沸點物質凝結沉積所致的料柱透氣性變差等問題。因此，選擇合適的富氧量至關重要。

2 大富氧冶煉操作實踐

2.1 改善送風制度

提高富氧率可以使風口前理論燃燒溫度急劇升高，導致高爐壓量關系偏緊，對料尺工作影響明顯，進而嚴重威脅高爐穩定順行。對2021年5月28日 — 6月9日永洋特鋼1 260 m3高爐大富氧冶煉操作實踐進行分析。由理論燃燒溫度和富氧率的變化(見圖1)可知，隨著富氧率的增加，理論燃燒溫度呈先升高后降低的趨勢。當富氧率提高到5.00%以上時，理論燃燒溫度呈明顯的升高趨勢；當富氧率增加到7.63%時，理論燃燒溫度達到最高，為2 358 ℃。結合高爐操作經驗，理論燃燒溫度需控制在2 350 ℃以下，否則高爐會出現明顯的憋風現象，從而影響高爐爐況順行。

圖1 理論燃燒溫度和富氧率的變化

為保證高爐爐缸溫度合理分布，降低風口前理論燃燒溫度，可適當提高高爐噴煤量，使區域能量平衡，充分發揮富氧與噴煤各自的優勢。根據式(1)的計算結果[9]與實踐摸索得出，高爐煤比控制在(175±5)kg/t時，可以保證煤粉利用率和理論燃燒溫度在合理范圍內。

T=1 563+0.794Tb+40.3w-6fb-kpGm

(1)

式中：T—— 理論燃燒溫度；

w—— 鼓風富氧率；

Tb—— 熱風溫度；

fb—— 鼓風濕度；

kp—— 煤粉耗熱系數；

Gm—— 噴煤量。

由鼓風動能和煤氣量的變化(見圖2)可知，高爐大富氧后的煤氣量有所增加，鼓風動能基本呈下降趨勢，且風口下沿燒損的現象消失。這說明提高富氧率后，鼓風動能和實際風速趨于合理，既保證了足夠的中心氣流，又不會出現下旋現象。

圖2 鼓風動能和煤氣量的變化

2.2 優化裝料制度

高爐大富氧后，通過爐頂成像系統觀察到料面邊緣亮度區域明顯增加，偶爾可見邊緣有翻料現象，表明邊緣氣流過剩。由噸礦煤氣量的變化(見圖3)可知，隨著富氧率的增加，噸礦煤氣量大幅度降低，煤氣在與礦石的逆向運動過程中通過料柱的阻力明顯增加，從而造成邊緣氣流發展，尤其是煤氣流在塊料帶的重新分布，對整體氣流分布的影響較大。

圖3 噸礦煤氣量的變化

優化裝料制度是控制高爐煤氣流變化的重要手段。針對邊緣氣流發展現象，采用“中心為主、抑制邊緣”的裝料制度。由高爐裝料制度優化指標(見表1)可知，除礦批由41 t增加到48 t外，布料角度也作了明顯調整。礦石布料向邊緣偏移，各環位布料角度均逐漸增大，靠近邊緣的3個布料角度各增加0.5°～ 1.0°，靠近中心的2個布料角度各增加0.5°，所有環位的布料圈數沒有改變。焦炭布料角度僅在最靠近中心的環位減小了1.0°，其他環位沒有改變；但在焦炭布料角度為32.0°時，將布料圈數由2圈增加為3圈，以提高布料在靠近中心位置的焦炭量，進而使中心氣流活躍。經過調整后，最終得到中心為主、邊緣兼顧的高爐爐頂煤氣流分布。由爐頂溫度與煤氣利用率的變化(見圖4)可知，煤氣利用率從44.03%提高到46.50%，基本可穩定在45.00%以上，為降低燃料消耗和爐況穩定順行創造了條件。

表1 高爐裝料制度優化指標

2.3 控制爐頂溫度

高爐大富氧后，高溫區下移，爐頂溫度大幅度降低。過低的爐頂溫度會造成除塵布袋結露粘灰、透氣性差、箱體壓差高，易使布袋損壞。采用布袋除塵工藝時，爐頂溫度應控制在150～200 ℃[10]。高爐大富氧后，噸礦煤氣量減少，導致煤氣熱損失增加，爐頂溫度降低。由圖4可知，高爐大富氧后，爐頂溫度最低降到93 ℃。為此，采取了如下2項措施：

圖4 爐頂溫度與煤氣利用率的變化

(1) 提高高爐噴煤比。由焦比、煤比和焦丁比的變化(見圖5)可知，除2021年6月3日煤比稍低外，其余時間基本能達到175 kg/t以上，起到了節焦降耗、平衡理論燃燒溫度的作用，為高爐大富氧操作穩定順行提供了保證，是高爐大富氧操作的重要和必要條件。

圖5 焦比、煤比和焦丁比的變化

(2) 增加干熄焦比例。增加干熄焦比例，可以降低焦炭水分含量，減少焦炭熱交換帶走的熱量，以保證煤氣離開時具有足夠的溫度。提高高爐富氧率后，干熄焦比例由50%提高到80%，有效緩解了因爐頂溫度下降所引起的布袋除塵箱體壓差升高的現象。

3 大富氧操作效果

通過采取上述方法和措施，永洋特鋼1 260 m3高爐大富氧后的各項技術經濟指標得到了明顯改善。由圖5可知，煤比最高達到了183 kg/t，除大富氧之初噴煤量沒有及時增加外，煤比基本維持在175 kg/t以上。由高爐利用系數的變化(見圖6)可知，大富氧后產量大幅增加，高爐利用系數最大增加到4.02 t/(m3·d)。降低燃料耗量和提高煤氣利用率，可以有效減少碳排放，為實現“雙碳”目標奠定了堅實基礎。

圖6 高爐利用系數的變化

4 結 語

在原燃料不變的情況下，永洋特鋼1 260 m3高爐實施了大富氧操作實踐。通過上、下部綜合調劑，當高爐富氧率提高到7.4%～7.6%時，高爐爐況穩定順行、各項技術經濟指標得到了明顯改善，達到了節能減排的效果。

(1) 擴大礦批、調大礦石布料角度、調小靠近中心環位的焦炭布料角度，可達到發展中心氣流、抑制邊緣氣流的目的。

(2) 適當提高高爐噴煤量，實現大富氧和高煤比的有效配合，是將風口前理論燃燒溫度控制在合理范圍內的關鍵環節。

(3) 提高高爐煤氣利用率和降低燃料比，可以達到節能減排的目的。