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武鋼8號高爐投產(chǎn)11年生產(chǎn)實踐
武鋼8號高爐有效容積為4117m3，采用爐缸薄爐襯銅冷卻壁爐身，爐底采用復合碳磚陶瓷杯墊底。于2009年8月1日投產(chǎn)，至今投產(chǎn)11年，高爐一直保持良好的生產(chǎn)節(jié)奏，各項指標穩(wěn)步提升，截止2020年，高爐累計產(chǎn)鐵4060.86萬t，年均產(chǎn)鐵量356.19萬t，產(chǎn)鐵量達到高爐設計指標(332.5萬t)的107.1%，單位容積累計產(chǎn)鐵量9863.63t/m3，累計利用系數(shù)達到2.36t/(m3·d)。目前，中國4000m3級高爐長壽的代表—寶鋼2號高爐(爐容4063m3)一代爐齡達到15年，單位容積產(chǎn)鐵量超過10000t/m3。武鋼8號高爐在4000m3級高爐中高效、長壽方面有望趕超寶鋼2號高爐。為此，本文重點從8號高爐的爐型設計、高爐參數(shù)調(diào)整、高爐爐缸狀態(tài)等方面分析，給國內(nèi)大型高爐長效穩(wěn)定運行提供生產(chǎn)實踐經(jīng)驗指導。
1、高爐投產(chǎn)11年的主要經(jīng)濟技術指標
8號高爐投產(chǎn)11年一直保持良好的生產(chǎn)節(jié)奏，8高爐投產(chǎn)11年的主要經(jīng)濟技術指標見表1，其中，在投產(chǎn)初期3年(2010—2012年)和2019年，該高爐年產(chǎn)鐵均達到了360萬t以上。尤其是2019年，通過精細化操作，克服了外圍原燃料條件波動的不利因素，在投產(chǎn)10年之際，該高爐仍能夠維持高效生產(chǎn)模式，充分肯定了高爐的參數(shù)調(diào)控“以風為綱”的方針，“大風治百病”，維持足量的鼓風，才能為爐況調(diào)整創(chuàng)造條件，爐況的長效穩(wěn)定，才能最大限度發(fā)揮高爐高效低耗的潛能。
2、高爐設計爐型
武鋼煉鐵廠自1991年引進國際技術建設投產(chǎn)5號高爐(3200m3)，開始邁入大型高爐的生產(chǎn)模式。進入21世紀，由引進吸收逐漸轉為自主創(chuàng)新階段，6、7、8號高爐相繼建設投產(chǎn)，爐容由3000m3級擴大到4000m3級，高徑比由5號高爐的2.186、6號和7號高爐的2.216縮小到8號高爐的2.1，高爐在爐型的設計上向矮胖型發(fā)展。目前，在國內(nèi)大型高爐中，寶鋼的3號高爐(4850m3)是矮胖型高爐的典型代表，高徑比已經(jīng)縮小到1.951。武鋼8號高爐吸收了6、7號高爐的經(jīng)驗，在爐身下部8段9段、爐腰7段、爐腹6段、爐缸高熱負荷區(qū)均采用銅冷卻壁，加大了高熱負荷區(qū)的冷卻傳熱，降低了此區(qū)域內(nèi)冷卻壁的損壞。在爐身上部10段、11段使用更耐磨的鑲磚雙層球墨鑄鐵冷卻壁代替鑄鋼冷卻壁，提高了冷卻壁的抗磨損能力。爐底碳磚上部鋪墊兩層陶瓷杯杯底，有效減小了鐵水對爐底碳磚的直接侵蝕，碳磚以下鋪設水冷管，加大爐底的冷卻傳熱，大大延長了爐底的使用壽命。
3、風口進風面積的變化
如圖1所示，8號高爐開爐初期2009—2012年，進風面積由0.4948m2(8個風口直徑140mm+28個風口直徑130mm)逐步縮小到0.4800m2，此階段以“大進風面積，大風量”為主，平均風量在7350～7600m3/min之間。由于原燃料質量較好，負荷輕，焦層布焦量大，整體料柱透氣性較好，高爐制度上以C987651-332222.5+OL98765-44322+OS98-31為主，在氣流的調(diào)整上以小燒在10號9號8號角位的布礦量來調(diào)整邊緣氣流，中心焦在2～3環(huán)之間調(diào)整，整體氣流調(diào)整“以適當抑制中心和邊緣兩股氣流”為主。
2013—2017年，隨著鋼鐵行業(yè)過剩產(chǎn)能的殘酷競爭，很多企業(yè)不得不降低采購成本，以緩解生存壓力，原燃料質量下降，礦石鐵品位下降，高爐渣比增加，風量不穩(wěn)定，爐況易波動。為了提高高爐抵御原燃料變化的能力，高爐在氣流調(diào)整上“以打通中心為基礎，適當發(fā)展邊緣氣流”，進風面積由0.4800m2逐步縮小到0.4661m2，取消直徑φ140mm的風口，以φ130mm+φ120mm風口為主，以此提高鼓風風速和鼓風動能，活躍爐缸，改善初始煤氣流的分布。在布料制度上，中心焦在3～4環(huán)之間調(diào)整，制度上OS987-221，適當減少邊緣布礦量，保證中心氣流發(fā)展的同時，邊緣氣流不至于過分抑制，以此達到兩股氣流均衡發(fā)展。調(diào)整后如圖2所示，雖然風量由2013年的年均風量7442m3/min呈逐年遞減趨勢，到2017年年均風量只有7017m3/min，但是高爐的爐況波動受控，年產(chǎn)量仍然能達到350萬t以上。
2018-2020年，鋼鐵行業(yè)有所回暖，原燃料質量有所改善，高爐進風面積延用0.4661m2，2020年9月擴大到0.4700m2。高爐調(diào)整以“減小爐況波動，降低燃料比，降低生鐵成本”為主，為了降低燃料消耗，在中心焦的消耗上產(chǎn)生過一些分歧，中心一段時間使用2環(huán)焦，調(diào)整前期，煤氣利用大幅提升，燃料比有所下降，但是隨著原燃料質量的不穩(wěn)定，高爐爐溫和爐渣堿度波動，由于“中心和邊緣兩股氣流都不發(fā)展”，造成自身抵御波動的能力不足，爐況反而頻繁波動。后期，果斷加大中心焦量4～5環(huán)，同時適當縮小大燒布料角度，以此壓制中心氣流，防止中心過吹。小燒與大燒錯角位布料，小燒角度適當外移，以此壓制邊緣氣流，維持適宜的“漏斗型”料層結構，操作上“以風為綱”，高爐抵御外圍波動的能力明顯提高，爐況整體更加平穩(wěn)，尤其是2019年，高爐在投產(chǎn)10年之際再創(chuàng)佳績，年產(chǎn)量再破360萬t大關，年產(chǎn)鐵362.21萬t。
4、煤氣利用率的控制
合理的煤氣分布就是采用適當?shù)乃惋L制度和裝料方法控制好兩股煤氣流的發(fā)展，在順行的基礎上，達到煤氣利用最好和燃料消耗最低的目的。在日常操作中，高煤氣利用率有助于降低燃料的消耗。目前，武鋼在煤氣利用率的控制上與寶鋼還存在差距，寶鋼的年均煤氣利用率不小于50%，而武鋼年均煤氣利用率僅維持在48%左右。主要原因還是原料質量穩(wěn)定性上存在差距，高煤氣利用的控制需要料柱保持良好的透氣性，在原料無法保證下如果片面地追求高煤氣利用，爐況的穩(wěn)定性得不到保障。
圖3所示為8號高爐投產(chǎn)11年的煤氣利用率變化，由圖3可知，2012年之前，由于大顆粒焦炭使用量大，高爐“大進風面積，大風量”的操作模式，整體料柱透氣性好，造成煤氣利用不高，年均煤氣利用率在46%以下，燃料消耗偏高，燃料比在525kg/t以上。2011年8月之后，高爐在原有礦石中混裝小焦丁的模式下，增加粒度比焦丁更小的回用焦量(1～2t)，一方面減小了大顆粒焦炭的消耗，相對攤薄了焦炭層，間接抑制了煤氣流焦窗層的通過量，延長了爐內(nèi)煤氣流的滯留時間，改善了煤氣利用;另一方面，礦石中混裝小顆粒的回用焦，提高了礦石軟熔層的透氣性，改善了煤氣流的二次分布，煤氣分布更加均勻。2013年之后煤氣利用明顯提升，年均煤氣利用都在48%以上。如圖4所示，隨著煤氣利用率的提高，高爐的燃料消耗也呈下降趨勢，年均燃料比都在510kg/t以下，其中2016年燃料比有所升高，主要原因是熱風爐大修，風溫無法保證，高爐被迫調(diào)輕負荷造成的。
5、爐況的波動
高爐的順行，一方面需要設備的良好保證，另一方面需要技術人員的精心操作，減小爐況的波動，減小管道、懸料、爐涼等異常爐況的發(fā)生，特別是避免風口灌渣、風口風管燒穿事故的發(fā)生。對爐況的判斷要“早發(fā)現(xiàn)、早處理”，盡量避免爐況的惡化。圖5所示為8號高爐投產(chǎn)11年的休風率，隨著爐齡的增加，高爐設備老化，暴露的問題增多，休風率呈上升趨勢，其中2016年熱風爐大修和2018年5月、6月的溜槽故障，高爐休風率達到3.0%以上，2020年因高爐爐腰七段銅冷卻壁損壞發(fā)展，高爐多次休風處理水管，休風率達到4.08%。休風率的上升，勢必造成產(chǎn)量的大幅下滑，如圖6所示2016年、2018年、2020年的年產(chǎn)量明顯處于低谷。對于爐役后期，要加強設備的日常點檢、每日隱患整改閉環(huán)、設備及時更新?lián)Q代，降低設備故障率，為后期的爐況順行創(chuàng)造條件。同時對于爐役后期冷卻壁要加強監(jiān)護，補水異常及時查水，對損壞的冷卻壁要采取灌漿和加裝冷卻器處理，確保爐殼溫度安全可控。
由于8號高爐有7段使用銅冷卻壁，冷卻壁傳熱效果較好，爐身極易形成渣皮，特別是冬天外部氣溫低，原燃料性能發(fā)生變化后，加上自身爐溫、渣堿度波動，極易造成爐墻渣皮過分發(fā)展，甚至惡化頑固黏結破壞操作爐型。8號高爐自開爐以來，冬季易黏結造成爐況波動困擾一直存在，因8號高爐采用的是軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)，高爐冷卻強度沒法單獨逐段控制，操作者僅靠調(diào)節(jié)軟水流量和進水溫度來控制冷卻強度，調(diào)節(jié)措施受限。同時，由于冬季原燃料緊張和質量下降，高爐操作上往往應對不及時，一味追求高產(chǎn)、低耗，勢必造成自身爐況波動。
回顧11年，其中有4年完全沒有發(fā)生黏結，總結分析原因：
(1)高爐在上、下部調(diào)節(jié)上“以風為綱”，在風口進風面積上，爐役前期適當縮小進風面積，保證較大的鼓風風速和鼓風動能，確保爐缸的活躍性，促進中心死焦區(qū)的焦炭置換，保證氣流暢通，為爐況的調(diào)整創(chuàng)造條件。爐役后期可適當擴大進風面積，維持足夠的風量，輔助適量的中心加焦，維持兩股氣流“中心氣流適當發(fā)展和邊緣氣流適當抑制”的動態(tài)平衡。
(2)特別是冬季氣溫較低時，不要過分追求低耗，爐溫和物理熱要保持上限控制，Si元素質量分數(shù)不小于0.4%，物理熱不小于1500℃，維持爐渣二元堿度1.18～1.25下限控制，當爐渣R>1.25時，要及時下調(diào)，減小燒結用量，必要時直接用海南礦代替部分燒結礦或者塊礦用量，避免長時間的高堿度渣系，造成流動性不好，誘發(fā)爐身黏結。
(3)爐前要保證鐵水和爐渣均勻排出，對于爐渣來晚，出渣時間短，要控氧控強度，防止憋爐，及時控壓差操作減小爐況波動。
(4)對于爐身黏結的問題，要“早發(fā)現(xiàn)，早處理”，當爐身溫度和水溫差下降時，要及時采取疏松邊緣的制度，OS98-22調(diào)整為OS987-122，OL98765-44322調(diào)整為OL98765-33322或者OL98765-23322，爭取前期扭轉局面。
6、高爐的爐缸狀態(tài)
高爐爐缸狀態(tài)是高爐長壽的關鍵，良好的爐缸狀態(tài)可以保證爐缸活躍，初始煤氣流分布合理，渣鐵流的沖刷侵蝕小。武鋼8號高爐的死鐵層深度為2.8m，爐缸直徑為13.6m，通過爐底溫度表監(jiān)測爐缸的工作狀態(tài)。日常操作中要重點關注爐底和爐缸側壁的溫度變化，每班負責測量爐底水冷管、爐缸冷卻壁的進出水溫差，爐缸的最佳冷卻水溫差ΔtG≤0.65℃，熱流強度qG為(2300～3500)×4.18kJ/(m2·h)。爐底最佳冷卻水溫差Δt≤0.85℃，qG為(1450～2200)×4.18kJ/(m2·h)，軟水進水溫度控制在36～42℃，冷卻壁水溫差不大于6.0℃。
目前，爐缸水溫差實測值在0.2～0.4℃，爐底水溫差在0.6℃以內(nèi)，熱負荷都在最佳控制范圍內(nèi)。圖7所示為投產(chǎn)11年的爐芯溫度變化(2層陶瓷杯底溫度)。由圖可知，投產(chǎn)初期爐芯溫度持續(xù)上升，投產(chǎn)11年爐芯溫度基本都在500℃以上。持續(xù)高位的爐芯溫度有利于中心死焦柱的置換，為焦炭層保持良好的透氣性和透液性創(chuàng)造了條件。圖8所示為11年爐缸側壁溫度的變化，由圖可知，隨著爐齡的增加，側壁的外、中、內(nèi)3個溫度點溫度持續(xù)上行，說明爐缸整體的溫度控制較好，爐缸活躍性保持較好。目前的內(nèi)壁溫度高點主要集中在3場鐵口下方，要加強此區(qū)域的溫度監(jiān)控。
合適的風速和鼓風動能有助于維持一定的回旋區(qū)長度，增強鼓風向爐缸中心的穿透能力，強化風口前端燃燒帶焦炭與中心焦的置換反應持續(xù)高效地進行，減小爐缸死料柱區(qū)域，增大渣鐵流的流通區(qū)域，維持爐缸的活躍性。圖9和圖10所示分別為8號高爐投產(chǎn)11年的年均鼓風風速和鼓風動能的變化。爐役前期，大風量操作，高爐維持著較高的風速(大于250m/s)和鼓風動能(大于15000kg·m/s)，2016年之后由于設備故障和爐況波動，高爐休風爐況波動次數(shù)增多，造成高爐的鼓風風速和鼓風動能不足。爐役中后期，還是以爐況的穩(wěn)定順行為主，維持連續(xù)不間斷生產(chǎn)，減小爐缸“發(fā)動機”的異常停機。
在高爐出渣鐵過程的控制上，要保證爐缸渣鐵及時均勻地出凈，減小憋爐情況的發(fā)生。出鐵過程中，及時計算鐵量差值，力爭控制在10%以內(nèi)，當渣鐵流不均勻時，及時控氧控強度，縮小出鐵間隔時間，減小單位時間內(nèi)爐缸渣鐵流的存儲，有效減小渣鐵環(huán)流對爐缸區(qū)域的沖刷，為爐缸的長壽創(chuàng)造條件。
7、結論
(1)8號高爐投產(chǎn)11年，下部調(diào)整逐步縮小進風面積，確保了高爐足夠的鼓風動能和風口回旋區(qū)，為維持爐缸的活躍性創(chuàng)造了條件。上部調(diào)整以中心加焦為主，輔助礦石布料制度微調(diào)，維持兩股煤氣流“中心氣流適當發(fā)展和邊緣氣流適當抑制”的動態(tài)平衡，以風為綱，保證了高爐的長效穩(wěn)定。
(2)針對高爐冬季爐身易黏結現(xiàn)象，要強化對原燃料變化的應對措施，鐵水溫度上限控制，堿度下限控制，確保渣鐵及時出凈，黏結前期及時疏松邊緣，維持大風量操作，適當犧牲部分燃料消耗，及時扭轉爐身黏結發(fā)展惡化的局面。
(3)8號高爐投產(chǎn)運行11年后，爐缸爐底狀態(tài)仍保持良好，要重點加強爐缸側壁的溫度監(jiān)測。操作中盡量維持風量的長效穩(wěn)定，減小爐況波動，保證爐缸的活躍性，同時及時組織爐缸渣鐵的排放，減小渣鐵環(huán)流對爐缸的沖刷，為高爐的長壽延續(xù)創(chuàng)造條件。
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