寶鋼3號高爐本體強化維護開爐操作實踐

華建明,宋文剛,毛成剛

(寶山鋼鐵股份有限公司煉鐵廠,上海 200941)

1 概述

寶鋼股份煉鐵廠3號高爐由于鑄鐵冷卻壁水管破損和爐缸鐵口區耐材侵蝕等問題,于2021年12月22日停爐,對爐身部分鑄鐵冷卻壁進行更換,并局部修補、更換鐵口區域碳磚。停爐采取打水降料線的方式,料線降至風口中心線休風,爐缸不放殘鐵,休風后采取適量打水降低爐內溫度。高爐于2022年3月16日開始本體烘爐,3月29日點火開爐。本次開爐不同于高爐大修開爐,因為沒有放殘鐵,鐵口中心線以下保留有死鐵層,送風難度較大,主要是由于爐缸熱量不足,爐底溫度較低,送風后熔化的液態渣鐵流到爐缸后容易重新凝結,在鐵口前端形成一個渣鐵凝固殼,使渣鐵排出困難。為順利開爐,本次開爐沿用寶鋼傳統開爐操作經驗,從開爐料的選擇、填充方式、提高烘爐效果、開爐初始制度和加風節奏及送風過程中爐熱爐況調整等方面進行了優化、改進,同時又借鑒國內同行采用鐵口埋氧槍和堵風口送風等新的操作技術,并進行適當的優化調整。整個送風過程平穩順利,無爐況原因減風;首次鐵溫度正常,正常沖水渣;并穩步提升負荷、噴煤、富氧和降硅,取得良好的開爐實績。

2 開爐前準備

2.1 高爐烘爐操作

高爐停爐涼爐過程中,向爐缸打入了大量的水,除蒸發外,爐缸碳磚中也會積聚較多的水分。烘爐的主要目標是將爐缸殘留水分、風口澆注料,以及爐身的噴涂料等部位的游離水、結晶水盡可能蒸發干凈,并使耐材得到固化。

2.1.1 烘爐曲線的制定

根據寶鋼烘爐成功經驗[1]327-332,烘爐前制作了烘爐裝置,采用寶鋼使用較好的“五段式”烘爐曲線,圖1是本次開爐前的烘爐曲線。

2.1.2 提升烘爐效果的技術措施

(1) 降低爐體水系統冷卻強度,提升碳磚溫度。

烘爐過程中,采取了純水I系統、II系統各啟動1臺泵;蒸發空冷器停止運行,烘爐過程中I系統爐體冷卻壁吸收熱量,提高冷卻水溫至較高溫度以上;將I系統與II系統聯通,進一步提升II系統水溫等措施,取得了爐缸H1、H2段冷卻壁壁體溫度接近搗打料固化溫度的良好烘爐效果。

(2) 合理設置排氣孔,及時排出游離水、水蒸氣。

利用爐缸鐵口冷卻壁及以下熱面壓漿孔和新增壓漿孔進行排氣。在烘爐初期,爐體大套下和爐缸壓漿孔,按方向選擇部分打開進行確認,確認無水氣,進行關閉。H1段原有冷面壓漿孔、檢修期間H1段底部新開排水孔及爐基排水孔,在烘爐過程中一直打開進行排水。從實績看,排水量較多且持續時間較長,在開爐后一個月堅持每天爐缸排水,依然能排出很多水。通過這些技術措施,有效地將爐缸內殘存水量排除干凈。

2.2 開爐料選擇及布料制度

2.2.1 開爐料選擇

根據寶鋼歷次開爐成功經驗[1]339-340,開爐料分段裝入,共15段,第1段是枕木,一直裝到風口下沿;第2段是焦炭,考慮作為爐芯焦;第3段是空料(即焦炭和熔劑),基本上加到爐腰上表面;從第4段爐身下部開始才有礦石,一直到爐頂料線第15段,礦焦比平滑過渡。依據礦石品位,結合爐缸殘鐵較多的特點,本次開爐料結構、成分較正常大修開爐做了優化調整,開爐料燒結比為70%,球團比為15%,塊礦為15%,開爐料目標及負荷參數見表1、表2。

表1 強化維護開爐料計算Table 1 Calculation of blowing-in material for intensive maintenance

表2 強化維護開爐料裝入量Table 2 Charging amount of blowing-in for intensive maintenance 單位:t

填充料在爐內落下距離長、易粉化,因此對開爐填充料的質量有相應要求(表3),同時要求篩分干凈、入爐粉末少,并控制適當的礦石排料速度。

表3 強化維護開爐原料燃料質量標準Table 3 Quality standards for raw materials and fuels for intensive maintenance

2.2.2 布料裝入制度

高爐開爐過程中,在軟熔帶形成后,容易出現壓差高、邊緣管道甚至懸料等現象,究其根本原因,是中心氣流不足造成的。因為高爐開爐過程是礦石逐步加熱、熔融、滴落,軟熔帶逐步形成的過程,軟熔帶形成后,該區域即成為高爐煤氣阻力最大的區域;另外,開爐過程中加風是一個比較長的過程,在軟熔帶形成前和形成過程中,風量比較低,初始煤氣流更容易集中在邊緣區域,如果此時沒有足夠的煤氣上升通道,勢必造成壓差高、邊緣管道、懸料等爐況波動;還有不放殘鐵的高爐,爐缸殘鐵耗熱較大,爐缸空間較小,加上堵風口送風等原因,爐內壓差較高,中心氣流也較難發展。

本次開爐布料制度的顯著特點是采用了較為開放中心氣流的模式。在爐料填充初期,料線17 m以下時,采用了固定傾角旋轉布料,保證裝入爐料不碰撞爐墻;當料線達到17 m以上,為了得到較好的料面形狀,采用多角度多環布料裝入焦炭,采取開放中心的布料制度,通過調節料流閥開度控制布料圈數在12～16圈,這與寶鋼以往高爐開爐料的填充有所不同。當料線到6 m時,根據實際料面情況,來調整布料檔位,逐漸形成最終理想的料面形狀,即平臺寬度1.5～2.0 m,邊緣落點距離爐墻0.3～0.5 m。本次計算裝入76批料,實際裝入76批料,計劃料線1.5 m,實際與計劃偏差<0.3 m,開爐料裝入控制非常精準。

通過強化中心氣流的布料制度,確保了本次開爐軟熔帶形成過程中煤氣有足夠的上升通道,實際整個加風過程也是非常順利,壓差受控,無爐況波動。

2.3 開爐送風參數設定

按照寶鋼經驗,初始風量設定為2 500 m3/min;風溫設定為750 ℃,實際風溫531 ℃;鼓風濕度設定為6 g/m3(加濕蒸汽全閉狀態);兩個先不投入的鐵口上方少量堵風口,開爐時風口面積0.410 1 m2,全開風口風口面積為0.477 9 m2,見圖2。

圖2 強化維護開爐風口布局示意圖Fig.2 Schematic diagram of the tuyere layout for intensified maintenance

3 開爐操作

3.1 送風操作

3.1.1 轉高壓前情況

高爐于2022年3月29日11:58送風,料線1.2～1.3 m;起始風量1 000 m3/min,12:05定風量2 500 m3/min;12:25打開1號、3號鐵口排煤氣;13:32,煤氣聯通好;14:03,風量加到3 300 m3/min,轉高壓50 kPa;轉高壓后,高爐開始上料,此時料線約2.8～2.9 m。

3.1.2 加風節奏的控制

(1) 第一階段:送風初期(送風后0～7 h),快速加風、適當高頂壓。該階段主要是枕木和焦炭燃燒的過程,高爐上部的礦石未出現熔化,高爐透氣性非常好,此階段按照300 m3/h左右的速度快速加風,目的在軟熔帶形成前有足夠的風量,有利于形成煤氣流的合理分配,同時提高頂壓有利于降低壓差。

(2) 第二階段:軟熔帶形成期間(送風后7～10 h),控制加風速度,提高頂壓操作。該階段煤氣中CO2濃度快速上升,CO濃度快速下降;在兩條曲線逐步收攏,并達到平衡時,標志著軟熔帶已經形成。此階段中壓差逐步升高,并完成煤氣流的二次分布,故控制了加風速度,盡可能保持了風量穩定。實際操作上,壓差按照<130 kPa進行管控,4 300 m3/min風量維持了一段時間,頂壓使用較正常高30～50 kPa。

(3) 第三階段:軟熔帶形成后(送風10 h后),根據下料和壓差情況、堵泥風口排水頭溫度、下料批數及爐內安全存儲渣鐵量,穩步回風,擇機打開鐵口并逐步捅開堵泥風口。送風后約11.5 h對稱捅開2個鐵口上方邊側的堵泥風口;送風后約14.5 h,首次打開鐵口;送風后約16.3 h左右,陸續捅開另外的4個風口。軟熔帶形成后由于壓差下來,頂壓逐步恢復正常匹配風量。

(4) 第四階段:打開鐵口出鐵后,看到出渣鐵正常、爐溫正常趨勢向上,適當加快提高加風速度至正常風量,加快高爐恢復時間。

圖3是本次強化維護開爐實際加風曲線,其中2次減風是設備原因,非爐況原因。

圖3 強化維護開爐加風趨勢圖(24 h)Fig.3 Trend chart of blow-in air volume (24 h)

3.1.3 送風溫度和濕度的調整與控制

寶鋼大修開爐經驗是:開爐時初始風溫為750 ℃,按照一定節奏提高風溫,在軟熔帶形成期間,風溫暫時維持,確認爐況穩定順行后,按照計劃速度逐步增加風溫;為盡可能提高爐缸物理熱,在送風初期,鼓風加濕全部關閉,送風2 h后,逐步打開蒸汽加濕,到軟熔帶形成時,開到最大;在送風比大于0.8之后,用風溫、濕度的結合調整,控制合適的TF值,但多數情況是第一爐鐵水溫度偏低。

本次開爐,為盡快提高爐內溫度,提高首次鐵水溫度,在加風過程中對送風溫度和濕度使用進行了優化、改進,主要是適當加快了風溫提升速度,由每小時增加10 K調整到20 K,加濕開閉時間及量的優化,具體為:①在開始送風到軟熔帶形成前期(0～6 h),風溫按調整后計劃逐步增加,風溫平均使用較大修開爐高50 ℃,濕度全關;②在軟熔帶形成階段(6～12 h),爐內壓差明顯上升,風溫維持,不再增加,視壓差情況并適當退讓,逐步增加濕度至35～40 g/m3;③軟熔帶形成后至出鐵前(12～16 h),發生崩料,壓差降低,逐步增加風溫至1 060 ℃,降低濕度至6 g/m3(全關);④正常出鐵后,根據爐況順行、風壓、下料情況,正常匹配風溫、濕度。

圖4是本次強化維護開爐送風溫度及濕度情況。

圖4 開爐風溫和濕度使用情況Fig.4 Usage of blowing air temperature and moisture fraction

3.2 頂溫與干法除塵布袋壓差的控制

3號高爐煤氣系統采用干法除塵工藝,共13個倉。在開爐方案制訂時,已經考慮到送風前期,爐頂溫度偏低,干法入口溫度低,布袋容易結露,造成布袋壓差高。為防止布袋大面積結灰,計劃先投入4～5個倉,待頂溫正常后,逐步投入其他倉。實際開爐情況是送風初期長時間頂溫<50 ℃,干法入口溫度<40 ℃,布袋壓差持續升高,于是逐步投入全部的13個倉,但壓差仍持續高;為了保護干法除塵安全,結合爐況適當加快了加風速度。隨著風量的增加,軟熔帶快速形成,送風后8.5 h,爐內氣流分布趨于正常,兩股氣流逐漸形成;送風后9.5 h,爐頂溫度上升至100 ℃以上,干法入口溫度達到60 ℃以上,干法布袋壓差大幅度下降,恢復至正常水平。圖5是本次開爐煤氣上升管溫度及布袋壓差情況。

圖5 開爐頂溫與布袋壓差情況Fig.5 Top temperature and bag pressure difference during blowing-in process

3.3 鐵口氧槍的使用和出鐵安排

3.3.1 氧槍使用的優化調整

為了使爐缸快速加熱活躍及前期渣鐵順利排放,本次開爐在1#、3#鐵口預埋煤氣導出管,保證開爐初期煤氣的排出;在2#、4#鐵口對稱預先埋入帶熱電偶檢測溫度及窺視孔的氧槍,可直觀檢測氧槍著火情況、燒損殘余長度、爐缸內渣鐵狀態,避免燒壞碳磚,同時為出鐵時間判斷提供一定參考。埋氧槍及拔出氧槍后出鐵作業較上次使用做了改進:增加了備用氧槍數;改進氧槍打進方式,保證氧槍無損壞、檢測原件功能完好;通過優化調整氧氣和空氣壓力,延長氧槍使用時間;送風后約12 h,現場氧槍溫度上升至800 ℃,將氧槍拔出;氧槍拔出后,不進行出鐵,立即進行堵口,待爐缸儲鐵量到一定程度再出第一次鐵。1、3號高爐本體強化維護開爐鐵口埋氧槍及作業情況見表4。

表4 開爐鐵口埋氧槍情況對比Table 4 Comparison of the situation of burying oxygen lance in the taphole

3.3.2 首次鐵開口時間選擇

國內很多高爐開爐,是按照累計風量計算、選擇首次出鐵時機的。寶鋼認為這種計算存在噸焦耗風量取值有偏差、風量表檢測失真的問題,不一定準確可靠,按照實際裝入料批數來計算爐缸存儲渣鐵量、選擇首次出渣鐵時機,更為科學、合理。本次選擇首次出渣鐵時機,仍沿用寶鋼歷次開爐計算方法,即根據高爐爐缸的安全儲鐵容積推算出爐缸的安全儲渣量和安全儲鐵量[1]347-348,結合爐料填充料單來反推出置換的焦炭量;置換的焦炭量由燃燒的焦炭量和爐芯焦量兩部分組成,燃燒的焦炭量騰出的空間為開爐后爐料裝入的體積,從而計算開爐后累計裝入回數,并以此作為打開鐵口的依據;在達到安全儲鐵量之前打開鐵口出鐵,則可確保爐缸內有一定的渣鐵儲量,并確保安全。本次3號高爐開爐,根據以上計算方法,開爐后裝入30回左右時,生成爐渣達到了安全儲渣量上限,因此安排在送風后14.5 h打開鐵口出鐵,第一爐鐵水溫度1 437 ℃,鐵量237 t,渣鐵分離良好,并直接放水渣;第二爐鐵水溫度就達到了1 521 ℃,爐溫完全正常。

3.3.3 出鐵作業安排

由于開爐后爐況順利,鐵水溫度充沛,本次開爐出鐵作業按照計劃有序進行。出鐵選用兩個鐵口對側出鐵;出鐵后第1天,開爐鐵口各出2爐以上,爐況順行、鐵水溫度、出渣鐵正常,投入第3個鐵口輪流出鐵;出鐵后第3天,休止1個開爐投入的鐵口,投入最后一個未投入的鐵口,繼續保持3個鐵口輪流出鐵。寶鋼經驗:開爐后72 h內,必須所有鐵口都要輪流出一遍,否則可能因為局部囤積未融化的高硅鐵,破壞爐缸工況均勻性,在渣鐵面上升時容易燒壞風口。本次開爐4個鐵口都輪流進行了出鐵,確保了爐缸出鐵的均勻性和后續指標的穩步提升。

3.4 爐溫控制及降硅操作

根據國內外高爐開爐過程的總結分析:開爐后一段時間內,維持適當高于正常生產水平的爐溫、鐵水硅,有利于爐缸耐材滲碳、降低鐵水流動速度和對未完全固化耐材的耐材沖刷,并盡快生成凝鐵層保護耐材,從而有利于高爐長壽。開爐初期前幾爐鐵的降硅可通過開爐料組合、產量和負荷調整進行,在鐵水w([Si])降至1.0%以下往正常生產水平逼近的過程中,需結合設備運行情況,并注意觀察降硅導致爐內軟熔帶高度位置的改變而引起的煤氣流分布的變化,避免高爐順行遭到破壞[2]。本次開爐,通過控制加風的節奏,風溫、濕度調整幅度和負荷調整時機,鐵水w([Si])由開爐第一爐的5.76%平穩下降,送風50 h后,第12次出鐵鐵水w([Si])平穩降到1.2%以內,降硅過程中的鐵水溫度始終按照>1 500 ℃進行操作,當鐵水硅降到0.8%～1.0%左右,維持了較長時間。圖6為本次開爐高爐鐵水溫度及降硅過程。

圖6 開爐鐵水溫度及降硅過程Fig.6 Hot metal temperature and silicon reduction process during blowing-in process

4 不放殘鐵高爐開爐的技術探討

總結寶鋼本次成功開爐的技術經驗,我們認為需要把握和注意的有以下幾點:

(1) 對爐缸清理到鐵口中心線、采用枕木開爐的高爐,可以考慮不堵風口;即使為穩妥起見,堵風口的數量也要有合適的度。對爐缸已相對清理干凈、僅剩殘鐵,并采用枕木開爐的高爐,因爐缸仍有一定空間存儲渣鐵、中心氣流容易形成、順行易得到保障,加風節奏可以快一點,因此可以考慮全風口開爐。在采用堵風口的方法開爐時,要控制好堵風口的比例,大高爐以15%～20%為宜,中小高爐以20%～25%為宜。堵風口過多,壓差將較高,氣流分布不均,下料不順暢,影響加風節奏;過少,起不到在較低風量時利于打開中心的作用。寶鋼1號高爐更換冷卻壁后開爐堵12個風口,3號高爐本次開爐堵6個風口,實踐證明送風后壓差、下料情況要好于1號高爐。

(2) 對不放殘鐵修理高爐,埋氧槍對活躍局部爐缸狀態、改善爐前作業、降低勞動強度有非常積極的作用。但氧槍使用必須要有較為可靠的檢測設備,保證送風前氧槍燃燒時間、燃燒時前端溫度控制,防止氧槍燒短后接近鐵口爐墻而燒損碳磚。另外,采用預埋氧槍的方式,雖有利于渣鐵的排放,但一定要計算、控制好鐵口打開時間,需要等到爐內存儲渣鐵到一定程度打開鐵口才能保證第一爐鐵的爐溫、適當出鐵時間、出鐵量,若開口時間過早,首次鐵爐溫將較低,出鐵時間短,極大地增加爐前勞動強度。

(3) 根據高爐冶煉規律,控制和匹配好送風制度。關鍵要點為:在軟熔帶完全形成前,積極加風,但要控制送風比,對大高爐不宜>0.85,加風不是越快越好;軟熔帶形成階段,嚴格控制好壓差,如壓差高,可暫緩加風,適當高配頂壓,如壓差超上限,及時減風,防止出現管道、懸料;等軟熔帶形成完畢,中心氣流出來,逐步加風,盡可能在出鐵前,送風比到達1.0以上。

(4) 綜合調劑匹配送風風溫、濕度,在盡快提高爐缸熱量的同時,兼顧風量加到一定程度后TF值在合適范圍。一般在送風初期,由于風量低、煤氣量小、軟熔帶未形成,透氣性好,不會發生懸料,因此濕度全關、用足風溫,TF值不考慮;送風4 h后,煤氣量增加、軟熔帶開始要形成,此時壓差開始上升,要開始增加鼓風濕度、控制加風溫速度及控制TF值;特別注意快速提高風溫易導致煤氣迅速膨脹,在軟熔帶形成過程中,極易造成氣流和爐況變化。因此,開爐濕度、風溫必須匹配控制,而不盲目追求第一爐溫度;合適的第一爐鐵水溫度,以不影響渣鐵流動性,實現渣鐵良好分離,確保沖水渣為原則,一般大高爐的第一爐鐵水溫度≥1 430 ℃即可。

(5) 布料制度宜采用較為開放中心氣流的布料模式,必要時可適當中心加焦,以盡快引出中心氣流,有利于安全度過軟熔帶形成時期,避免爐況波動。

(6) 盡可能均勻出鐵。開爐宜采用對稱鐵口出鐵,爐況正常、爐溫回到合適范圍,及時投入第三個鐵口。特別注意開爐后72 h內,必須所有鐵口都要輪流出一遍,以盡可能融化、排出爐內局部殘余的高硅鐵,使爐缸工作趨向均勻,并防止因設備故障減風低壓或休風,造成風口灌渣、燒損風口的事故的發生。

5 結語

高爐開爐是系統工程,不成功的開爐各有各的原因,但成功的開爐經驗相近:開爐方案制訂考慮較為周全、細致;不斷總結自己和同行歷次開爐實績,改進與優化開爐操作控制過程。其中關鍵是在送風過程中,幾大制度參數調整節奏的控制和合理匹配,以及爐前出渣鐵的科學組織。寶鋼3號高爐本次開爐,正是通過不斷總結、提煉、優化寶鋼自身及同行的開爐技術,取得了開爐過程安全、穩定、順行,指標穩步提升的良好實績,從而為國內同行提供了可供借鑒的經驗、技術,并助推我國煉鐵行業安全、低碳、可持續發展。