鞍钢鲅鱼圈4038 m3高炉高比例使用中块焦炭生产实践

吴官印 ，姜彦冰 ，蒋益 ，李伟伟 ，何冲 ，龚继兵 ，赵华 ，张智勇

（1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；2.鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司，辽宁 营口 115007）

鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司 （以下简称“鲅鱼圈”）由于焦化产能供不应求，且此时料场库存有大量落地中块焦炭，为缓解焦炭供应紧张问题，探索高比例中块焦炭生产的可行性，于2018年9月开始尝试在2号高炉（4038 m3）生产中提高中块焦比，最高中块焦比达到110 kg/t。随着中块焦炭使用量的增加，高炉出现风量萎缩、顺行变差情况，尤其是高炉休风后送风恢复过程，出现炉缸活跃性差、煤气流中心通道打不开、频繁崩滑料现象。为了最大限度降低高比例使用中块焦炭给2号高炉带来的影响，提出了一系列工艺改进措施，并进行了生产实践。

1 中块焦炭性能分析

焦炭在高炉内的反应可视为符合未反应核模型，即碳的气化反应依靠焦炭表面与煤气接触发生，因此焦炭的平均粒度与反应速度必然有很大关系［1］。鲅鱼圈2号高炉使用中块焦炭粒度组成如表1所示。

表1 高炉使用中块焦炭粒度组成Table 1 Particle Size Composition of Medium-sized Coke by BF

由表1可以看出，中块焦炭的平均粒径为35.8 mm，高炉使用的大块焦炭平均粒径为51.5 mm，大块焦炭与中块焦炭体积比为 （51.5/35.8）3≈3.0，即3.0粒中块焦炭的质量相当于1粒大块焦炭。相同质量的两种焦炭的表面积比为 3.0×（35.8）2/（51.5）2≈1.45，即同质量的两种焦炭，中块焦炭的表面积是大块焦炭表面积的1.45倍。表面积大意味着反应时和气体的接触面积大，中块焦炭的反应速度和能力都将高于大块焦炭。通过实验室进行不同粒度焦炭的矿石还原试验证实，粒度少量变化造成的焦炭气化能力变化很大。小粒度焦炭与大粒度焦炭相比，在高炉上部失碳率较高，产生的粉末量也多［2］。

2 中块焦炭使用现状

2号高炉正常生产时的中块焦比一般维持在40 kg/t左右，从2018年9月初开始增加使用中块焦炭，具体使用情况如图1所示。由图1可以看出，到9月30日中块焦比已经增加至110 kg/t，并维持了近两个月高中块焦比生产。

图1 2018年8～12月中块焦比使用情况Fig.1 Service Conditions of Medium-sized Coke Ratio from August to December in 2018

在焦炭布料制度不变的情况下，中块焦比增加必然会造成布入高炉中心的中块焦炭量的增加，具体情况如表2所示。由表2可以看出，当中块焦比达到110 kg/t时，每天约消耗880 t中块焦炭，布入中心的中块焦炭量约为264 t，是原来的2.9倍，每天布入高炉中心的中块焦炭量大大增加。

表2 不同中块焦比每天布入高炉中心中块焦量Table 2 Amount of Medium-sized Coke Distributed into Center of BF Every Day with Different Medium-sized Coke Ratios

由于2号高炉高比例使用中块焦炭之后，焦炭平均入炉粒径由以前的50 mm左右下降到47 mm，整体焦炭粒级下降；且中块焦炭落地料场时间较长，经过长时间风吹日晒，粉末含量增加且水分含量高，导致焦炭质量劣化，存在反应能力强、平均粒度小、粒度衰减大的缺点。因此，高炉高比例使用中块焦炭后，大量中块焦炭从炉顶布入高炉中心，随着高炉冶炼进程最终进入炉缸成为炉芯焦的一部分，必然会导致炉芯死料堆焦炭粒度减小，透气透液能力下降，高炉顺行变差。

3 高炉高比例使用回装中块焦炭的影响

3.1 高炉日常顺行影响

高炉炼铁原燃料质量的变化，尤其是焦炭质量的变化，对高炉生产的影响是巨大的［3］。随着中块焦比提高，2号高炉顺行状态出现明显变化。2018年8～12月高炉风量、透气性、风压、压差变化趋势分别如图2所示。

图2 2018年8～12月高炉风量、透气性、风压和压差变化趋势图Fig.2 Variation Trends of Air Volume,Permeability,Wind Pressure and Pressure Difference in Terms of BF from August to December in 2018

由图2可以看出，随着高炉中块焦比增加，高炉风量由8月下旬的6 300 m3/min左右锐减到12月初的6 000 m3/min左右，风量逐渐萎缩；风压由390 kPa升高至400 kPa左右，且后期由于炉况稳定性差，气流存在窜气现象，风压波动加大，稳定性变差；透气性指数由38降低到36左右；压差由8月下旬的165 kPa左右升高到11月初的176 kPa，尽管高炉主动采取降低压差操作，但由于气流稳定性差，压差依然波动较大。后期高炉还出现利用率波动较大，炉温不受控，操作上热量上下浮动大，撤风温操作增多，风口烧坏频次增加等现象。

小块焦在高炉下部大量粉化使下部透气性和透液性显著恶化，是高炉风压和压差升高、整体透气性下降的主要原因［4］。中块焦粒度小，反应能力强，布入中心的中块焦炭在中心气流的作用下，自身反应速度非常快，到达炉缸时粒度已经减小到非常小的程度，相对大块焦炭，中块焦炭进入炉缸会使炉芯焦的平均粒度减小，恶化炉芯焦的透气透液能力，弱化炉缸活跃程度，影响中心气流稳定性，从而出现高炉不接受风量，顺行变差的现象。

焦炭质量劣化导致炉芯焦的透气透液能力下降，直接影响到炉缸内渣铁排放工作；中块焦比提高一段时间后，对铁口的影响开始显现，出铁时铁口出现喷溅大、出铁过程铁口出现卡焦、出铁时间变短现象。高炉高比例使用中块焦炭后，全天出铁次数由7～8次增加到9～10次，有效出铁时间由22.5 h减少到了21.5 h，炉温波动大，两场出铁偏差大。

3.2 对休送风的影响

高炉高比例使用中块焦炭后休送风情况如表3所示。生产中发现，高炉3次休风恢复时都出现了一些共同现象，如休风前顺行状态不佳，气流发闷，燃耗低；送风后透气性指数逐步降低到30以下，中心气流通道打不开，边缘气流波动，容易出现急返热现象，下料差，频繁崩滑料，休风恢复严重超时等。从工业实践角度来看，高比例使用中块焦炭对休风后送风恢复的影响最为显著。

表3 高炉高比例使用中块焦炭后休送风情况Table 3 Situation of Air Supply in BF with High Proportion Medium-sized Coke after Damping Down

由于高比例使用中块焦炭后，进入高炉中心的中块焦炭量增加，造成炉芯焦的粒度变小，炉缸活性变差。当休风时炉缸焦炭彻底坐下来后颗粒间空隙收缩，渣铁液运动停滞，炉缸活跃性降至最低，高炉送风前期，风量少、动能低，气流很难一下突破透气透液性变差的炉芯焦，中心气流打不开，透气性持续降低，气流被迫流向边缘，造成壁体波动、水温差上升。同时软熔带根部上移，下料失去支撑，崩滑料频繁，整体上形成类似炉缸局部冶炼的效果，炉温出现急返热的现象。随着中块焦比的提高，风口烧坏的现象也变得较为突出，高炉被迫短期内连续休风更换坏风口。

4 改进措施及实践效果

4.1 合理匹配上下部调剂，保障高炉稳定顺行

大量中块焦炭入炉，导致高炉顺行出现一系列不好的变化，本质原因是炉缸活性降低，炉芯死料柱透气、透液能力降低。因此，操作方面要以活跃炉缸为目的进行上下部调剂。上部调剂要建立“以风为纲”的操作理念，以活跃炉缸为目的的操作思路，强调中心加焦占比，发展中心气流，稳定边缘热负荷；下部调剂采取缩小风口面积，增加鼓风动能，适当降低煤比，减轻焦炭负荷等措施。

4.2 组织好炉前渣铁排放

针对铁口出现的问题，加强炉前出铁组织，使用更抗喷溅的无水炮泥，合理调整打泥量，保证铁口深度在3.3～3.6 m之间，适当缩小钻头，保证有效出铁时间不低于22.5 h，渣铁排放及时，避免出现炉缸憋压现象，为炉况尽早改善创造了条件。

4.3 采取小焦布料制度，避免中块焦炭布入高炉中心

为了避免中块焦炭布入中心，高炉采取了小焦布料制度（C大块中心），即将原本应该布入中心的中块焦量用大块焦炭代替，单独使用中心加焦料制进行布料，在布料程序中使用单独指针；同时将大块焦炭和中块焦炭分批入炉，中块焦批使用非中心加焦料制布料，在布料程序中使用单独指针，大块焦炭单独采用中心加焦的料制布料，在布料程序中使用单独指针。为了维持炉顶料面的稳定，根据大块焦、中块焦、小焦、矿石等矿批在炉顶形成的料面厚度，使用不同的料线控制翻料。高炉高比例使用中块焦炭时期高炉布料制度如表4所示。

表4 高比例使用中块焦炭时高炉布料制度Table 4 BF Burden Distribution System by Using High Proportion Medium-sized Coke in BF

4.4 改善休风料结构，保障中心气流通道

针对高比例使用中块焦炭后，高炉休风恢复困难、严重超时的问题，从改善炉缸活跃状态，即提高透气透液能力上着手。短期休风时，提高入炉焦比，降低休风料焦炭负荷6%，休风前3～4 h把两罐焦炭布入中心，保证送风后中心通道容易打开；控制休风前热量使用，根据炉况提前4 h减少或停止喷煤，保证休风前0.3%～0.4%左右的炉温水平。长期休风时,只需要根据实际情况调整休风料焦炭负荷和布入中心罐焦数量即可。

采取上述改进措施后，在高炉使用中块焦比为90 kg/t的情况下，高炉顺行依然维持较好状态，风量稳定在6 200 m3/min左右，透气性指数稳定在36左右，风量风压逐渐平稳，铁口状态得到有效改善，全天出铁有效时间平均达到22.5 h，高炉休风后恢复过程也变得顺利，中心气流得到充分保障，未再出现恢复困难现象，高炉逐渐适应了高比例使用中块焦炭的生产，生产稳定顺行。

5 结语

由于高比例使用中块焦炭会导致焦炭实际入炉粒度下降，且中块焦炭的比表面积大，反应能力强，进入炉缸会恶化炉芯焦的透气透液性，鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司2号高炉在尝试高比例使用中块焦炭生产初期，高炉日常顺行、炉前出铁和休送风均受到了影响。通过采取合理匹配上下部调剂、组织好炉前渣铁排放、小焦布料制度以及改善休风料结构等措施，在后期使用90 kg/t中块焦比的情况下，高炉依然维持了较好的顺行状态，休风后送风恢复也未出现超时现象，高炉逐渐适应了高比例使用中块焦炭的生产，实现了稳定顺行。