張 波，李曉東，楊 波

（武鋼集團昆明鋼鐵股份有限公司煉鐵廠，云南 昆明 650302）

摘 要：針對高堿、高鋅負荷下，高爐存在透氣性差、氣流不穩、風口小套上翹、爐溫和爐況波動大、產量低、消耗高等問題，通過精料控制降低入爐有害元素負荷，調節兩股煤氣流合理分布和強化渣鐵排放提升堿、鋅負荷排出效率，合理控制爐溫、富氧率促進高爐穩定順行，高爐在 54.30%左右的入爐品位下，利用系數提高到3.60 t/m³· d，燃料比、焦比分別降低至 555 kg/t 和 400 kg/t 左右。

關鍵詞：堿負荷；鋅負荷；產量；燃料比；焦比

某公司 1 350 m³ 高爐 （以下稱 3 號高爐） 于2008 年 7 月 9 日建成投產，有效容積 1 350 m³ ，設有風口 22 個、鐵口 2 個、渣口 1 個；2021 年 3月高爐停爐檢修，進行了爐腹修復造襯，于 2021 年 3 月 21 日開爐投產。由于缺乏礦山、焦化廠等資源設施，長期以來 3 號高爐生產所需原燃料皆靠外部采購。原燃料資源緊張，用礦、用焦復雜多變，爐料中鉀、鈉、鋅等有害元素含量高，使得入爐有害元素負荷遠高于行業標準，尤其高堿負荷和高鋅負荷入爐對爐況穩定順行產生了較大的影響，高爐產量低、消耗高^[1]，如表 1 所示。

1 高爐堿負荷、鋅負荷的來源

3 號高爐礦石用料結構主要為“燒結礦、南非塊、昆球、華寧球”4 種礦石，有時少量使用老撾塊、越南塊、一立球、紅山球等；在焦炭用料上主要使用師宗焦和派盟焦兩種主力焦種，但根據庫存及采購情況亦使用其他焦種且短期配比可達20%～30%。從 2020 年礦石成份分析來看，有害元素的含量各有高低，其中鉀、鈉元素在燒結礦、昆球、華寧球中含量較高；鋅元素在球團礦中含量高，其次是燒結礦中。如表 2 所示。

結合高爐生產實際用料占比，通過分析測算，2020 年 3 號高爐入爐平均堿負荷達 6.91 kg/t、鋅負荷達 1.12 kg/t，遠高于國標 GB-5024-2008 控制要求：堿負荷≤3 kg/t、鋅負荷≤0.15 kg/t，也高于行業絕大部分企業。3 號高爐入爐堿負荷主要由燒結礦帶入，其次是焦炭、昆球、華寧球；入爐鋅負荷主要來自于燒結礦，其次華寧球也帶入了19.39%的鋅負荷。如圖 1、圖 2 所示。

2 高堿、高鋅負荷對高爐的影響

3 號高爐長期處于高堿負荷和高鋅負荷的生產條件下，其循環富集一方面使得高爐爐墻結厚、結瘤，有效容積減少且氣流分布變化；另一方面其浸入高爐硅鋁質耐材、碳磚等保護材料中，長期以往導致了爐殼破裂、風口上翹等情況發生。高堿負荷和高鋅負荷，極大地影響了 3 號高爐的穩定順行，增加了高爐操作難度，甚至時有爐況失常的情況發生^[2]，是高爐提產降耗的一大阻力。

2.1 高爐透氣性差

由于堿金屬和鋅元素在高爐內部的循環富集，會破壞礦焦強度，增加燒結礦、球團礦的還原粉化率，同時其吸附或滲入爐料，堵塞了礦、焦孔隙，因此高爐透氣性差^[3]。2020 年 3 號高爐透氣性指數維持在 （15 000～15 500） m/min·Mpa 左右，高爐壓差較頂壓高出 15 kPa 左右，如圖 3 所示；此外，高爐呈現渣鐵排放前后風壓變換明顯的狀況，在高爐出鐵后期及出鐵間隔期間風壓緊張，而開口出渣后則壓量關系好轉。高爐透氣性差，增加了高爐爐況穩順的操作難度。

2.2 氣流不穩，爐況波動大

在高爐煤氣流及渣鐵的沖刷下，爐墻上黏結的堿負荷和鋅負荷并不穩定^[4]。不斷黏結和脫落的堿負荷、鋅負荷，使得高爐爐身四周冷卻強度不均勻且不斷變化，高爐渣皮不穩、水溫差波動大，影響高爐氣流的穩定分布，高爐時有邊緣過吹的現象；在不均勻的氣流影響下，爐墻部分位置堿、鋅負荷不斷富集黏結，結厚、結瘤，而當黏結物隨渣皮大面積脫落時，則會引起管道的發生，高爐氣流急劇變化紊亂、滑料頻繁，高爐頂溫不可控，如 4 圖所示。

大量黏結物脫落進入爐缸，使得爐缸溫度急劇下降^[5]，高爐鐵水出現高硅低物理熱的現象，生鐵含鋅急劇升高，脫硫效果轉差，如圖 5 所示；同時黏稠的渣鐵，進一步惡化了高爐透氣性，不利于爐況穩順。為保證鐵水質量，加快恢復爐缸溫度，高爐臨時采取大量噴吹煤粉、增加用焦等調整手段；此外，每次發生氣流紊亂和滑料現象，高爐都不得不大量減風退氧，以穩定爐況。因此，高堿、高鋅負荷使得高爐初始煤氣流變換、燃料比和爐溫波動大，高爐操作難度增加，爐況穩順程度差。

2.3 風口小套上翹

長期在高堿負荷和高鋅負荷的侵蝕、滲透作用下，3 號高爐出現了爐身中下部爐殼裂縫，風口中套變形、煤氣泄漏，以及風口小套上翹等問題。尤其以鋅為主的有害元素滲入風口組合磚^[6]，使得高爐風口小套上翹嚴重，如表 3 所示。風口小套上翹極大的影響了高爐初始煤氣流的分布，高爐風口亮度不均勻、爐溫不穩定等現象明顯。

3 高堿、高鋅負荷下的提產降耗措施

為降低高堿負荷和高鋅負荷對高爐爐況的影響，強化高爐冶煉，提高高爐生產效率，實現提產降耗的生產目標，3 號高爐從以下幾個方面展開了對策實施。

3.1 精料控制，降低入爐堿負荷和鋅負荷

為保證高爐在大風、高壓、高風溫、高負荷生產條件下的穩定順行，為高爐降低消耗和提高冶煉強度打下基礎，3 號高爐進行了精料控制^[7]。

首先，高爐加強了對燒結礦質量的管控，在燒結礦配料過程中，一方面減少含鉀元素高的粉礦配比，減弱堿金屬對焦炭熱態性能等影響；另一方面，停用了含鋅量高的污泥，避免鋅元素的爐外循環；此外，不斷增加燒結礦配礦中高品位粉礦占比、減少 Al₂O₃ 含量，使燒結礦品位從 50％左右提高至 52％左右，Al₂O₃ 含量從 2％左右降低至1.7％左右，如圖 6 所示，從而達到減少渣量、改善爐渣流動性的目的，以緩解高堿、高鋅負荷帶來的憋風問題。

其次，高爐停用了鉀、鈉、鋅含量較高且用量少的紅山球等礦石，將燒結礦用量逐步增加并控制在 71%～74％左右，生礦用量逐步降低至 5％以內。通過以上措施，2021 年 7 月份以來，高爐入爐堿負荷控制低于 6.50 kg/t，鋅負荷控制低于1.02 kg/t，如表 4 所示。

此外，3 號高爐通過加強對焦炭質量的改善，以減輕高堿、高鋅負荷對焦炭性能破壞后惡化高爐透氣性的影響。一方面，高爐提高對主力焦種師宗焦的質量要求，使入爐焦炭反應性和反應后強度波動幅度減小并改善提升；另一方面，高爐增加了其他優質焦種的使用，以緩解采購困難等問題，確保高爐用焦質量的穩定。如表 4 所示，2021 年 7 月份以來，高爐入爐焦炭平均反應性和反應后強度都得到了有效改善。

3.2 兩股煤氣流合理分布調節

從 3 號高爐鋅負荷的排出統計發現，高爐爐塵中排出的鋅負荷占整體排出量的 96％左右，即使排出量占比較少時亦達 90％左右，因此要減少鋅在爐內的富集，就要加大鋅隨煤氣的排出量^[8]；此外，保持爐況穩定、順行，減少爐溫波動，也是防止鋅害的有效措施^[9]。為避免堿負荷和鋅負荷在爐墻上大量富集和脫落帶來的爐況、爐溫波動問題，同時有效緩解高堿、高鋅負荷及低品位、大渣量而帶來的憋風問題，3 號高爐采取了對兩股煤氣流合理穩定分布的操作調節。

一方面，高爐在 2021 年 3 月份停爐檢修時將風口全部更換為 φ120 mm 的風口小套，有效擴大圓周方向燃燒帶，促進爐缸活躍，使初始煤氣分布更加均勻；其次，高爐將入爐風量由 2 800m³ /min 左右增加至 3 000 m³ /min 左右，提高了煤氣的穿透性，進一步改善了料柱中煤氣的分布。另一方面，高爐將礦批由 35t 左右逐步增加至 （39～ 41） t，通過增加料層厚度抑制管道形成，避免氣流過吹；此外，高爐控制料線在 2.0m 左右的同時，將高爐布料矩陣由過渡到，并根據透氣性情況靈活調整選擇矩陣和控制料線深度，在強化中心煤氣流的同時適當發展邊緣，使得高爐氣流維持穩定順行并促進鋅負荷隨中心煤氣排出。通過實踐，3 號高爐兩股煤氣流合理分布，使得有害元素的富集影響減少，高爐氣流更加通暢穩定且煤氣利用率得到了有效提高。

3.3 強化渣鐵排放

高爐爐渣是堿負荷排出的重要途徑，在 3 號高爐堿負荷的排出占比中，通過爐渣排出的堿負荷占比達 96％以上。加強渣鐵排放，縮短堿金屬在爐渣中的還原時間，抑制堿金屬在爐渣中的還原和揮發，可有效提高堿負荷排出率和改善高爐透氣性；同時還可以減少鋅在爐內的滯留時間^[10]，提高鋅負荷的排出率。

為強化渣鐵排放，3 號高爐一方面加強了出鐵組織，在增加使用 3 機車對罐的同時，加強與鐵運聯系對罐，并在出鐵結束后及時完成堵小井口、拉罐，從而盡可能在 5 min 內完成鐵罐的對位；此外，通過加強各項基礎工作的管理，提前做好渣、鐵溝等設施檢查工作，實現罐好即開口。另一方面，加強了對爐前工技能的培訓提升，通過嚴格落實鐵口泥套和炮嘴的清理工作，并精準控制、穩定堵口打泥量，盡量避免堵口跑泥，逐步提升鐵口深度至 2.80 m 以上，從而實現開口容易快速、出鐵時間和次數穩定的目標。通過以上舉措，3 號高爐出鐵時間占有率從不足 80％提高至 84％以上，有效增強了高爐渣鐵的排放，如圖 7 所示。

此外，3 號高爐采取定期降堿排鋅操作，防止鋅的加劇富集^[10]。在鐵水溫度充足、產品質量得到保證條件下，高爐每隔 （20～30） d 進行 1次降堿操作，將爐渣堿度降低至 1.15 倍左右并穩定生產 （1～2） 個班以上，必要時進一步降低爐渣堿度；在高爐爐渣堿度低于 1.15 倍，尤其在 1.11 倍下生產冶煉時，高爐排鋅效果明顯，如圖 8 所示。

3.4 合理操作參數控制

控制合理的操作參數，是穩定高爐爐況長周期順行，提升堿負荷、鋅負荷排出效率，減輕各類有害元素危害的有效措施，也是高爐實現高產低耗的關鍵所在。

3.4.1 適宜的爐溫和物理熱

3 號高爐除堿負荷、鋅負荷較高外，硫負荷與鈦負荷也相對較高 （2021 年平均硫負荷 4.51 kg/t，鈦負荷 10.99 kg/t），因此高爐在爐溫和物理熱的控制上既要保證高爐良好的透氣性，又要確保生鐵質量。通過對高爐爐溫分布統計情況發現，高爐生鐵含硅控制在 0.20%≤ [Si] ≤0.40%時，高爐爐況穩順情況及燃料比、鐵水質量相對較好；此外，在高爐排堿、排鋅時，呈現高硅低物理熱的現象，此時 [Si] 不能真實的反應出高爐爐缸溫度狀態。因此，2021 年 7 月份以來，高爐調整以物理熱作為熱制度的重要參考， [Si] 作為爐況走勢的判斷參考。高爐調整操作物理熱范圍為 （1 440～1 460） ℃、爐溫控制在 0.30%～0.35%左右。生產實踐證明，通過合理的爐溫和物理熱控制，高爐爐況穩順程度得到了大幅提高；2021 年 8 月份以來，3 號高爐鐵水含硅穩定率 （0.15%～0.60%） 大幅提高至 90%以上，見表 5 所示。

3.4.2 適宜的富氧率

增加高爐富氧，可提高冶煉強度，增加產量^[7]。2021 年 4 月份，紅鋼 3 號高爐將富氧率由4%以下提高至 5%以上，其中 5 月～7 月平均富氧率達 5.97%。高富氧的同時，高爐采取大噴吹，噴煤比提高至 150 kg/t；高富氧、大噴吹有效促進了高爐間接還原的發展，高爐產量大幅提高，焦比、燃料比也得到一定降低。然而，隨著高爐富氧率的提高，使得理論燃燒溫度過高，5 月～7 月間 3 號高爐理論燃燒溫度達 2 500 ℃以上；理論燃燒溫度過高會引起 SiO 大量揮發，不利于爐況順行^[7]，尤其是在高堿、高鋅負荷條件下，3 號高爐管道、 懸料、崩料等情況頻繁，極大的制約了高爐降低生產消耗。因此，2021 年 8 月份以來，高爐降低富氧率生產冶煉。通過生產實踐發現，高爐富氧率維持在 4.60%左右時，產量和消耗指標都相對較好，如表 5 中所示，2021 年 10 月～11 月，高爐利用系數達 3.60 t/m³ ·d，燃料比分別為 552.27 kg/t 和 555.23 kg/t。

4 高堿、高鋅負荷下的提產降耗效果

高堿、高鋅負荷使得高爐透氣性差，出鐵前后憋風嚴重；同時，其黏結物的形成和脫落也會對高爐氣流產生較大的影響，尤其是高富氧條件下對高爐爐況穩順影響很大。此外，長期的高鋅負荷冶煉，還會使得高爐風口小套上翹嚴重，影響高爐初始煤氣流的分布，導致高爐風口亮度不均勻、爐溫不穩定。因此，2021 年一季度前，3 號高爐日均產量基本維持在 4 050 t 左右，且焦比、燃料比分別高達 430 kg/t 和 570 kg/t 以上，高爐產量低、消耗高。

在控制降低入爐堿、鋅負荷的同時改善提升其排出效率，以及合理的控制高爐爐溫、富氧率等，高爐爐況穩順程度得到了大幅提高。2021 年8 月份以來，3 號高爐生鐵含硅穩定率持續穩定在90%以上。穩定順行的爐況，為 3 號高爐在低品位和高堿、高鋅負荷生產條件下提產降耗奠定了良好的條件基礎；8 月份以來，高爐產量大幅提高（8、9 月份限產能生產冶煉），利用系數達 3.60 t/m³ ·d，高爐燃料比降低至 555 kg/t 左右，焦比降低至 400 kg/t 左右，如表 5 所示。

5 結 語

1） 高堿、高鋅負荷會導致高爐透氣性差、高爐氣流不穩定、風口小套上翹等問題；尤其是高富氧下，高爐煤氣流變化較大且難以控制；

2） 燒結礦配礦時應避免鋅元素的爐外循環和減少使用含鉀、鈉、鋅等元素高的粉礦，同時采取優化爐料結構調整，可有效降低入爐堿負荷、鋅負荷；

3） 高堿、高鋅負荷下，高爐在強化中心煤氣流促進有害元素排出的同時也要適當發展邊緣，以實現促進兩股煤氣流的合理分布，穩定高爐氣流；

4） 增加對罐機車、加強爐前組織協調以及精準控制鐵口深度和堵口打泥量，可有效提高出鐵時間占有率，促進堿負荷排出；

5） 控制爐溫 0.30%～0.35%、富氧率 4.60%左右，可有效促進高爐在高堿、高鋅負荷條件下的穩定順行，有利于高爐提產降耗生產冶煉。

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