鞍钢4号2580 m3高炉多品种烧结矿入炉条件下提产实践

邵思维 ，李忠武 ，李仲 ，何冲 ，车玉满 ，姜喆

（1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；2.鞍钢股份有限公司,辽宁 鞍山 114021）

鞍钢股份有限公司炼铁总厂（以下简称“炼铁总厂”）4号2580 m高炉第一代炉龄始于2006年12月，采用串罐无料钟炉顶、DDS液压矮炮、炉腹至炉身下部4段铜冷却壁、反渗透除盐水密闭循环系统、炉缸大块碳砖陶瓷杯结构、冷INBA冲渣工艺、环保型干法除尘煤气清洗技术；第二代炉龄始于2015年8月。目前，炼铁总厂有8座高炉，但仅有7条烧结生产线生产成品烧结矿，烧结矿存在比较明显的缺口，有时还需要从鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司长距离运输烧结矿。由于4号高炉拥有汽运补料口，因此承担了厂内烧结矿的平衡调剂工作，长期使用两种烧结矿，且配比和品种需要按各烧结产线的产能频繁调整，其中东鞍山烧结位于厂外，需火车长途运输，而产能富余的西区烧结也需要汽运。因此，4号高炉在运料环节的运输路线周期长，受天气影响大，烧结矿劣化程度大。第二代炉龄开炉以来，4号高炉炉况始终未进入长期稳定状态，产能指标偏低，2018年高炉利用系数仅为 2.2 t/（m·d）左右。为了提高产量，4 号高炉于2019年进行了提产实践，本文对此做一介绍。

1 多品种烧结矿入炉存在问题

（1）入炉烧结矿无法实现单一料种，且各品种烧结矿配比频繁变化。雨季及冬季依靠汽运、火车运输对原料水分、筛分效果影响很大。不同品种烧结矿间存在还原粉化性能、软熔滴落性能等差异，对高炉软融带位置、边缘煤气流、热量水平、终渣碱度等影响大。高炉在料种变更后频繁出现难行炉况，具体表现为透气性持续恶化、高炉炉温及操作焦比剧烈波动、崩料等。2018年烧结变料种次数及产能影响如图1所示，可以看出，变料种次数和产能受到的影响正相关，变料种次数多，则产能降低多。

图1 2018年烧结变料种次数及产能影响Fig.1 Times of Changing Types of Sintered Ore and Influence of Type-Changing on Production Capacity in 2018

（2）主要使用的两种烧结矿粒度组成差异大，混用后的填充效应使高炉透气性恶化。东鞍山烧结矿和西区烧结矿粒度组成如表1所示，可以看出，东鞍山烧结矿<5 mm粉末比例高，长途运输后整体粒级不受控。

表1 烧结矿粒度组成Table 1 Component of Particle Sizes on Sintered Ore%

（3）操作炉型不合理，冶炼强度长期偏低，风量偏少，加风困难，炉身温度场10段铜冷却壁和铸铁冷却壁交界处，温度值长期偏低。温度场圆周均匀性差。6～8段铜冷却壁局部温度过低（<45℃）。炉身整体冷却强度偏高，雨季和原料变差时，炉身上部易发生小范围粘结。

2 提产措施

2.1 “焦包矿”上部装料制度

2.1.1 历年装料制度特点分析

2017年，4号高炉采取6个矿石环位布料，矿石平台角位差为12°，总体布料特点为平台宽度宽、边缘负荷重、中心加焦比例大（35%以上）。由于二代炉龄改造后炉身和炉缸各有一套闭路系统单独供水，炉身及炉缸的冷却水量都有了大幅提高，由原来炉缸及炉身共用4 700 m水量，改为炉身单独用4 700 m冷却水量，炉缸单独用5 000 m冷却水量。冷却强度提升后，上部装料制度并未做明显的相应调整。同时，由于风量、风压较低，即使大比例中心加焦也仍未起到吹透中心的效果。炉身热负荷长期偏低，高炉依靠中心气流应对原料波动的能力差。2018年，高炉逐步采取5个矿石环位布料，但平台缩短后，中心和边缘两股气流未能得到很好的匹配，随着原料波动，边缘渣皮处于波动和局部结厚交替出现的不稳定状态。

2.1.2 上部装料制度调整过程

采取“焦包矿”上部装料制度应对烧结小粒级偏多及雨季运输影响。2019年鞍钢4号高炉基本料制的摸索调整分为四个阶段，主要装料制度调整过程如表2所示，系统热负荷、中心焦比例如图2所示。

图2 2019年系统热负荷、中心焦比例Fig.2 Heat Load for System and Central Coke Ratio in 2019

表2 2019年主要装料制度调整过程Table 2 Adjustment Process of Main Charging Systems in 2019

（1）Ⅰ阶段：整体提升热负荷。年初系统热负荷低于55 000 MJ/h水平，渣皮偏厚，风量偏少仅为4 350 m/min。主要采取减少边缘焦炭负荷、疏导边缘气流的措施；同时，适度下调中心焦炭比例，并配合炉身水量的整体下调（3 900 m/h降至3 500 m/h）及局部减水，以提升系统热负荷水平。目标是处理局部偏厚渣皮，改变系统热负荷过低现状。2月初，系统热负荷恢复至60 000 MJ/h以上水平，风量逐步提升至4 500 m/min水平。

（2）Ⅱ阶段：吹活中心，优化死料柱状态。通过增加中心焦比例，彻底打通中心，增加风量及鼓风动能，活跃炉缸。料制上逐步尝试在第5环和第4环设置挡墙焦炭，减少矿石向中心的滚动。最终改变4号高炉长期以来因原料条件导致的中心不畅、整个料柱状态不佳的顽症。通过增加中心焦量和提升风压操作的结合，整体提升风量及炉缸状态。4月，风量提升至4 650 m/min，但压差随即升高至175 kPa，风量提升并未明显提高鼓风动能。中心焦比例增大后，边缘气流不够稳定，热负荷和渣皮厚度波动较大，产能逐步提升至5 950 t/d，但原料波动导致的顺行难题并未完全好转。

（3）Ⅲ阶段：采用焦炭外探，提升边缘气流稳定性。5月中旬，开始使用焦炭外探的装料矩阵，热负荷在60 000～75 000 MJ/h之间，趋于受控。边缘采取“焦包矿”后，系统热负荷下降且波动范围变小，其接受压差能力及下料状态也逐步好转，为高炉提升风量创造了条件。中心焦比例逐步降低。气流由中心为主转向边缘和中心两股气流匹配。风量提升至4 800 m/min水平，产能达到6 200 t/d水平。随着顺行状态提升，高炉对原料波动承受能力增强。但8月受连续下雨影响，高炉使用回装料，边缘再次出现局部结厚，配合局部减水的同时，外探焦临时加至2圈后改回。

此阶段总体效果显著，经分析认为，4号高炉原料频繁变更、东鞍山烧结矿粉末比例偏高以及炉身冷却强度偏高的特点，都决定了其需要相对更充分的边缘气流和更低的边缘焦炭负荷才能保证顺行和均匀稳定的渣皮。中心加焦比例应控制在30%以下。矿石起始角度固定为理论计算的切炉墙角度39°，以减少边缘炉料滚动带来的气流变化。炉身热负荷应控制在60 000～80 000 MJ/h区间之内，以55 000 MJ/h为下限警戒值。

（4）Ⅳ阶段：巩固与降耗阶段。由于Ⅲ阶段提升产能目标已基本实现，本阶段尝试将矿石平台角差由9°缩减到8°，以进一步提升风量。在炉身温度场改善的情况下，尝试减掉外探焦，以降低消耗指标。但从实际效果来看，外探焦减掉后热负荷波动再次加剧，平台宽度减少后风量也未明显升高。顺行状态较第三阶段反而有所下滑。因此，受冬季气温低及雨雪影响，外探焦仍有阶段性保留的必要。

2.1.3 焦炭外探料制特点及操作

五环布料及“焦包矿”的布料制度，在原料条件变化，尤其是入炉烧结矿＜5 mm粉末比例偏多、烧结矿碱度频繁波动的情况下，能够较好的保持稳定的边缘气流，实现风量和冶炼强度的增加。但在日常操作中，原料变化带来的边缘和中心气流的匹配问题仍是操作的重点和难点。该种装料模式较窄的平台宽度，较轻的边缘负荷都增加了原料变化后煤气流通路变化的可能，需要操作者根据原料质量和高炉自身温度场对两股气流进行频繁的调整，从而达到两者关系的适度匹配。

在制度调整过程中，需要注意制度调整趋势和原料质量趋势的相互适应。2019年4号高炉除受雨季落地料导致的结厚外，也出现过因为雨季回装料筛分效果差，造成中心气流堵塞的情况。上部块状带温度大幅升高 （炉身11～13段局部升高至300℃以上），边缘管道明显，导致1～2个冶炼周期的炉况失常，主要依靠临时中心加罐焦平整料面及打通中心气流来处理。

由于取消了十字测温，只能依靠炉顶温度、炉喉温度、炉身温度场分布判断气流分布。尤其要区别判断炉身局部温度值升高，到底是边缘“重”还是“轻”造成的，不能简单认为炉身局部温度值升高就是边缘气流发展的征兆。按照4号高炉的生产经验，中心过分发展的“W型”软融带，在煤气进行第三次分布时，过剩的中心气流会沿着上部块状带焦窗向边缘运动，造成炉身下部温度场温度降低，而上部温度场温度升高的现象。而由于持续雨天原料恶化导致的块状带中心气流堵塞，边缘出现管道行程，也会造成炉身上部温度值升高的现象。两者机理和调整方向完全相反。日常需要根据各部位温度场升高程度、上部圆周均匀程度、炉顶成像以及崩料后的气流变化情况等加以综合判断区别。

同时，要避免对边缘焦炭的依赖。避免在原料波动过程中，采取风量少则加中心焦，效果不好又减边缘负荷，最终导致边缘和中心加焦两部分比例越来越大，环状带焦炭越来越少的情况。焦炭外探0.5～1圈即可，增加至1圈以上将导致系统热负荷波动增加。应对原料质量恶化，应以调整10环矿环数为主。

2.2 缩小风口面积

在Ⅱ阶段2月到4月的调整过程中，风量提升200 m/min后压差也紧随升高，鼓风动能并未明显增加（2月为101 kJ/s，4月仅升至104 kJ/s）。4月30日将风口面积由0.347 0 m缩小至0.339 1 m，7月25日缩小至0.328 2 m。同时，适当降低顶压设定值，通过降低顶压，为提高风量提供空间。风速提高后，逐步将压差控制范围由≤170 kPa，逐步调整为≤185 kPa。

通过鼓风动能的逐步提升，改善料柱的孔隙特征。此过程看似随压差升高料柱整体阻力升高，但考虑炉腹煤气量的增加，实际阻力系数K值是升高的，等流速单位体积煤气量在料柱中的阻力是降低的，因此动能反而有所提高。但在提高压差的过程中，必须根据实际探尺反映的下料情况，循序渐进地逐步提高，坚持风量不能减少的原则，控制极限风速不超标。高炉的操作区间应由极限风压、极限风速、极限压差三个参数共同确定，并在实际操作中逐步摸索，缓慢尝试，避免因压差突然提高造成的崩料。

2019年风量、风压、压差和鼓风动能指标如表3所示，可以看出，高炉风量、风压、压差和鼓风动能均有所提高，最高风量达到4 844 m/min，风压提升至380 kPa，月均压差提升至175 kPa，鼓风动能提升至124 kJ/s。高炉冶炼强度增加，炉缸的活跃程度及高炉整体顺行状态均有较大改善。

表3 2019年高炉风量、风压、压差和鼓风动能指标Table 3 Air Volume,Air Pressure,Differential Pressure and Blast Kinetic Energy Index in 2019

缩小风口面积，并不一定会造成风量的减少或鼓风动能的提高。鼓风动能是受风机出口风量、顶压设定关系、料柱自身阻力、风口面积四个因素综合影响的参数。操作中关键是找到适宜的鼓风动能区间，并通过操作措施使鼓风动能达到该区间。

2.3 利用中部调剂规整炉型

2019年高炉炉身及局部冷却壁水量调整过程如表4所示。2月开始对温度点偏低的西北方向共12块冷却壁水量进行减水1/3～1/2处理，并根据温度控制区间，对炉身整体水量和温度低的冷却壁单根水管水量进行适度调整。该部位由使用600 mm长风口换为580 mm短风口。通过调整水量及风口，逐步改善炉身温度场圆周的均匀性。控制各段温度点下限值，6～8段铜冷却壁温度点控制≥50℃，9段以上控制≥55℃，温度过低需进行早期减水干预。

表4 2019年高炉炉身及局部冷却壁水量调整过程Table 4 Water Volume Adjustment Process for BF Stack and Partial Cooling Stave in 2019

针对铜铁交界处10段冷却壁温度长期偏低的情况，2月开始通过局部减水，焦炭外探措施，利用足够的边缘煤气流，逐步规整炉型。高炉炉身温度如表5所示。至6月底，10段冷却壁温度逐步升高至65℃，高于55℃的黄色预警值，高炉工作炉型得到改善。

表5 高炉炉身温度Table 5 Temperature of BF Stack ℃

2.4 强化物理热管理

针对4号高炉炉缸活跃程度一直不佳的状况，建立炉缸物理热指数，量化提升炉缸状态，公式为：

式中，N为物理热指数；T为铁水测温温度，℃；［Si］为铁水含硅量，%。通过该指数评价炉缸物理热状态，并将N≥2.5设定为日常炉缸物理热指数红线，低于红线值必须采取提升物理热的措施。上部边缘及中心气流两股气流匹配的制度也为提升炉温及物理热提供了基础条件。

在原料波动时，统一操作思路，以杜绝连续低炉温为首要目标，以罐焦形式补足崩料后的热量,同时结合高鼓风动能活跃炉缸。经过多种手段，炉缸物理热指数由2019年初的2.51提升至年底2.66。炉芯中心点温度由612℃提升至644℃。炉缸活跃程度明显好转，且炉缸活跃程度的提高显著提高了高炉应对炉温波动的能力。

3 实践效果

鞍钢4号高炉生产指标如表6所示，可以看出，与2018年相比，2019年日均产量提升了319 t/d，高炉利用系数由2.20 t/（m·d）提升至2.32 t/（m·d），高炉减风率由2.51%降低至1.88%，燃料比由543 kg/t降低至541 kg/t，取得了显著的经济效益。其中5月以后日产（除12月检修以外）均实现6 000 t/d以上。2019年9月创造日产6 450 t/d的历史新高，利用系数达到了 2.5 t/（m·d），提产效果显著。

表6 2018、2019年高炉生产指标对比Table 6 Comparison of Production Indexes of BF in 2018 and 2019

4 结论

（1）焦炭外探的“焦包矿”装料制度，对小粒级入炉比例高、原料不稳定的高炉，能起到较好的稳定边缘气流作用，处理局部结厚有较明显效果，利于形成更稳定的温度场和更合理的炉型，同时能显著提高雨雪季节高炉对原料运输途中不可控因素的应对能力。但为了适应煤气流的变化，该种料制需根据原料情况和气流情况频繁进行小幅调整。

（2）提升鼓风动能是目前高炉强化冶炼的关键。同样原料条件下，逐步提升鼓风动能能有效改善死料柱及炉缸状态。但鼓风动能提升必须根据极限风压、极限压差、极限风速三个参数的情况，采取综合手段进行调整。与原有观点认为2580 m高炉鼓风动能在130 kJ/s左右即可不同，目前国内越来越多的同规格高炉鼓风动能均达到了150 kJ/s以上，且取得了更好的炉缸状态和更高的利用系数。

（3）以中部调剂作为炉况调整的常规手段并不被国内大部分钢企认可，但对原料小粒级入炉比例高的高炉，必须重视冷却壁温度点的管理，尤其炉腹及炉腰部位，应制定控制区间，低于控制区间则可以通过局部灵活调整水量进行控制。

（4）炼铁总厂烧结产能存在明显缺口，为了平衡调剂所用烧结料，4号高炉长期使用两种烧结矿，且配比频繁变化，高炉产量较低。为了提高高炉产量，分析了高炉历来的装料制度特点，提出采取“焦包矿”上部装料制度，缩小风口面积以提高风速和鼓风动能，利用中部调剂规整炉型，以及强化物理热管理，建立炉缸物理热指数，量化提升炉缸状态等措施，实施后高炉产能提高了319 t/d，高炉利用系数由 2.20 t/（m·d）提升至 2.32 t/（m·d），提产效果良好，值得借鉴。