敖愛(ài)國(guó)1 廖建鋒2
（1.寶鋼湛江鋼鐵有限公司煉鐵廠；2.中冶賽迪）
摘 要：在湛江鋼鐵1號(hào)高爐開(kāi)爐準(zhǔn)備及開(kāi)爐過(guò)程中，傳承和借鑒了寶鋼先進(jìn)的煉鐵技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)并實(shí)踐了一系列革新的設(shè)計(jì)、設(shè)備和技術(shù)，并在不斷優(yōu)化點(diǎn)火操業(yè)方案后實(shí)現(xiàn)了順利開(kāi)爐。開(kāi)爐后受臺(tái)風(fēng)影響，高爐被迫處于低負(fù)荷生產(chǎn)階段，通過(guò)針對(duì)性的操業(yè)方案保持了高爐的穩(wěn)定順行，并且在進(jìn)廠物流恢復(fù)后及時(shí)調(diào)整操業(yè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了1號(hào)高爐的穩(wěn)定順行和產(chǎn)能快速爬坡。
關(guān)鍵詞：高爐；烘爐；開(kāi)爐；低利用系數(shù)生產(chǎn)
湛江鋼鐵1號(hào)高爐設(shè)計(jì)容積5050m3，年產(chǎn)鐵水412萬(wàn)噸，高爐工程于2013年5月17日打樁，歷時(shí)861天的建設(shè)和準(zhǔn)備，2015年9月25日順利點(diǎn)火并成功投產(chǎn)。湛江1號(hào)高爐建設(shè)和投產(chǎn)準(zhǔn)備期間正值鋼鐵行業(yè)的“寒冬”，如何在不犧牲功能可靠性的情況下實(shí)現(xiàn)流程投資性?xún)r(jià)比最優(yōu)化成為寶鋼湛江鋼鐵1高爐系統(tǒng)的一個(gè)難題。通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的不斷優(yōu)化、保證功能先進(jìn)性前提下的設(shè)備國(guó)產(chǎn)化自主集成以及操作方案上的不斷完善，湛江1號(hào)高爐的建設(shè)和投產(chǎn)為湛江鋼鐵實(shí)現(xiàn)了“寒冬”下的良好開(kāi)局。本文將重點(diǎn)對(duì)湛江1號(hào)高爐設(shè)計(jì)、開(kāi)爐及生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中的一些情況進(jìn)行分析總結(jié)。
1 設(shè)計(jì)和設(shè)備優(yōu)化
1.1 爐型爐襯及冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)
合理的高爐內(nèi)型、適宜的內(nèi)襯選材、有效的冷卻以及可靠的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是高爐長(zhǎng)壽的基礎(chǔ)[1]。1號(hào)高爐的爐型設(shè)計(jì)充分借鑒了寶鋼股份3號(hào)高爐第一代爐役的長(zhǎng)壽設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在有效容積擴(kuò)大后向矮胖型爐型發(fā)展，高徑比（Hu/D）較之3高爐降低了0.05。這可降低煤氣流速和爐料粉化，有利于爐況的穩(wěn)定順行和長(zhǎng)壽[2]。在增加了高度的同時(shí)加深了死鐵層深度（由2.98m增加到3.60m），有利于爐缸鐵水流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的合理分布，并可以較為有效地減少鐵水環(huán)流對(duì)爐缸側(cè)壁和爐底的沖刷侵蝕[3]。下部爐腹角減小后，爐腹煤氣流可較為順暢的排升，減小熱流對(duì)爐腹壁的沖擊，有利于爐腹區(qū)域保護(hù)性渣皮的形成和穩(wěn)定，保護(hù)冷卻設(shè)備[4]。
湛江1號(hào)高爐爐底采用了“石墨磚+大塊炭磚＋陶瓷墊”的組合，爐缸側(cè)壁采用超微孔炭磚和普通炭磚。風(fēng)口區(qū)采用碳化硅組合磚。爐體冷卻系統(tǒng)采用了全鑄鐵冷卻壁，爐喉部位為水冷爐喉鋼磚。爐體冷卻水系統(tǒng)為“一串到頂”模式：純水Ⅰ系統(tǒng)冷卻爐底水冷管、冷卻壁和紅外線攝像儀，冷卻水排至脫氣罐脫氣后返回泵站循環(huán)使用；純水Ⅱ系統(tǒng)是純水I系統(tǒng)的加壓回用水，冷卻直吹管、風(fēng)口中套、熱風(fēng)爐閥門(mén)；在爐底、爐腹、爐身和爐頂均設(shè)有環(huán)形水管，環(huán)管之間有旁通，從而實(shí)現(xiàn)高爐分段分區(qū)調(diào)整爐體冷卻。
1.2 噴煤和熱風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化
通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化，湛江鋼鐵將1號(hào)高爐和2號(hào)高爐的制煤系統(tǒng)做了合并布置，采用4系列球磨制粉系統(tǒng)，單系列制粉能力達(dá)到60t/h，煤粉噴吹則采用了節(jié)能的濃相輸送技術(shù)，單系統(tǒng)噴吹能力達(dá)到120t/h。
熱風(fēng)爐系統(tǒng)采用了可提供高風(fēng)溫（~1300℃）的卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐。頂燃式熱風(fēng)爐的陶瓷燃燒器設(shè)置在熱風(fēng)爐拱頂預(yù)燃室部位，采用獨(dú)特的燒嘴布置型式。助燃空氣、煤氣經(jīng)各自集氣室、燒嘴，以渦流噴射型式進(jìn)入拱頂預(yù)燃室；在熱風(fēng)爐拱頂圓錐臺(tái)部位，呈旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的煤氣和助燃空氣充分混勻，實(shí)現(xiàn)完全燃燒。由于燃燒完全，其煙氣中殘余CO較低。結(jié)合寶鋼熱風(fēng)爐的使用經(jīng)驗(yàn)，湛江鋼鐵采用了與傳統(tǒng)卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐只有1座混風(fēng)室所不同的改進(jìn)，即每個(gè)熱風(fēng)爐均配置1個(gè)混風(fēng)室，盡最大可能保持熱風(fēng)總管溫度穩(wěn)定。湛江鋼鐵1號(hào)高爐配置4座熱風(fēng)爐，采用定風(fēng)量交錯(cuò)并聯(lián)式送風(fēng)。此外，設(shè)置板式換熱器預(yù)熱助燃空氣和煤氣。還設(shè)置有前置爐，進(jìn)一步預(yù)熱助燃空氣至～550℃溫度。系統(tǒng)采用了自動(dòng)控制，包括燃燒控制、送風(fēng)溫度控制和換爐控制。
2 高爐開(kāi)爐準(zhǔn)備和開(kāi)爐實(shí)績(jī)
2.1 開(kāi)爐準(zhǔn)備
2.1.1 熱風(fēng)爐烘爐
湛江鋼鐵1號(hào)高爐的熱風(fēng)爐上部采用了大量SiO2含量大于95%的硅磚，主要由鱗石英和方石英組成，最大膨脹發(fā)生在100~300℃之間，300℃之前的膨脹量約為總膨脹量的70~75%，其中180~270℃之間由方石英引起的膨脹量最大。因此，根據(jù)熱風(fēng)爐內(nèi)硅質(zhì)耐火材料的理化特性，制定了嚴(yán)格的烘爐升溫制度，升溫曲線如圖1所示。1號(hào)高爐熱風(fēng)爐烘爐采用了燒嘴烘爐，按照升溫曲線通過(guò)燒嘴燃燒將拱頂溫度烘到1100℃后，切換為熱風(fēng)爐燃燒器燒爐，將熱風(fēng)爐拱頂溫度從1100℃繼續(xù)烘烤至1300℃。整個(gè)烘爐過(guò)程采用了新開(kāi)發(fā)的COG + N2混合氣體燒爐技術(shù)，COG和N2混合比例為1:1～1:1.25。
2.1.2 高爐烘爐
高爐烘爐是高爐建設(shè)中的一個(gè)標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)，目的是在裝入爐料之前將高爐本體內(nèi)襯中的水分蒸發(fā)排出。根據(jù)寶鋼多座高爐的烘爐實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[5]，烘爐操作的重點(diǎn)環(huán)節(jié)是：低溫區(qū)烘干熱風(fēng)總管、熱風(fēng)圍管水分，防止耐材急劇膨脹和變形；高溫區(qū)烘干爐缸耐材水分，尤其是要使冷卻壁與碳磚之間的不定型耐材達(dá)到固化溫度并持續(xù)一段時(shí)間；氣密性試驗(yàn)要徹底，處理好爐皮泄漏，確保開(kāi)爐安全。在烘爐過(guò)程中優(yōu)先使用風(fēng)溫調(diào)節(jié)，盡量保持風(fēng)量穩(wěn)定，根據(jù)事前安裝好的熱電偶檢測(cè)溫度以及廢氣濕分對(duì)烘爐狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)判斷，當(dāng)廢氣取樣濕分和大氣濕分一致時(shí)，烘爐結(jié)束。
本次烘爐前采用蒸汽加熱冷卻水，在烘爐開(kāi)始時(shí)將水溫提高到50℃左右。烘爐期間純水I系水量保持在3000～3200m3/h，爐身正常通水，爐缸冷卻壁利用旁通管調(diào)整水量，最終取得了非常好的烘爐效果，H1 - H2冷卻壁的炭磚背面溫度烘到70～80℃，見(jiàn)圖2。
2.1.3 爐料填充
爐料填充是高爐生產(chǎn)的開(kāi)始，對(duì)點(diǎn)火開(kāi)爐的成敗起極重要的作用。湛江高爐的爐料填充采用寶鋼模型。爐缸采用底焦＋枕木填充，枕木采用8臺(tái)輥道從風(fēng)口裝入。風(fēng)口至軟融帶，全部裝入凈焦。軟融帶以上開(kāi)始裝入礦石，O/C平滑過(guò)渡，到爐喉提高到2.2。在爐料填充前，需要進(jìn)行各種物料的堆比重測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。
根據(jù)統(tǒng)計(jì)，4000m3級(jí)以上高爐開(kāi)爐時(shí)，焦炭層厚在爐腰處一般為0.2～0.3m，爐喉處為0.5～0.6m。由于湛江焦炭堆比重較大，本次1號(hào)高爐焦批為27 t/ch，其爐喉處焦炭層厚度為0.52m，其爐腰處焦炭層厚度為0.23m。枕木填充量為短枕木541m3、長(zhǎng)枕木20m3、圓枕木38m3。含鐵爐料結(jié)構(gòu)采用了80%的燒結(jié)礦，15%的球團(tuán)礦和5%的塊礦。風(fēng)口以上累計(jì)裝入86批料，填充料體積4252.6m3，渣比1016 kg/t，焦比3803 kg/t。根據(jù)各個(gè)爐料的化學(xué)成分（表2、表3）通過(guò)寶鋼模型理論計(jì)算后，預(yù)測(cè)渣鐵的主要目標(biāo)成分為鐵水中[Si]4.0%、[Mn]0.8%，爐渣的二元堿度在0.95～1.0之間，Al2O3含量12.7%左右。
爐料填充過(guò)程中安排了料罐焦炭容量的測(cè)量試驗(yàn)，確定了料罐的實(shí)際有效容積。為了充分發(fā)揮無(wú)料鐘布料的優(yōu)越性，湛江1號(hào)高爐在開(kāi)爐過(guò)程中還安排了開(kāi)爐裝料的測(cè)量工作，確定了不同料流調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的排料速度以及各個(gè)檔位下的礦焦料流軌跡和料面形狀，為今后的高爐布料調(diào)整提供了參考依據(jù)。
2.2 高爐開(kāi)爐實(shí)績(jī)
2.2.1 點(diǎn)火操業(yè)實(shí)績(jī)
2015年9月25日11時(shí)45分，1號(hào)高爐開(kāi)爐送風(fēng)，根據(jù)寶鋼高爐開(kāi)爐模型，點(diǎn)火時(shí)的送風(fēng)量確定為2500m3/min，送風(fēng)比為0.495，風(fēng)口面積為0.4642m2，風(fēng)口不加襯套以穩(wěn)定風(fēng)口面積。高爐開(kāi)爐24小時(shí)送風(fēng)曲線見(jiàn)圖3。初始送風(fēng)風(fēng)溫設(shè)定為750℃，開(kāi)爐后以10℃/h的升溫速度逐步提高送風(fēng)溫度。點(diǎn)火后3小時(shí)左右，由于加風(fēng)溫時(shí)風(fēng)溫向上波動(dòng)達(dá)40℃，導(dǎo)致風(fēng)壓上升較多，高爐適量減風(fēng)。在改進(jìn)風(fēng)溫控制方法后，風(fēng)溫隨著風(fēng)量增加平滑上升，爐內(nèi)壓差上升平滑，高爐順行良好。開(kāi)始送風(fēng)的同時(shí)進(jìn)行人工煤氣取樣檢測(cè)，初期取樣頻度按1次/20min，12小時(shí)后按1次/60min，取樣時(shí)間維持1天。送風(fēng)后色譜議投入正常運(yùn)行，人工取樣成份與色譜議分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。送風(fēng)6小時(shí)后，煤氣檢測(cè)成分O2≤0.5%連續(xù)2個(gè)樣以上，點(diǎn)火試驗(yàn)成功并開(kāi)始連通煤氣。
點(diǎn)火后6小時(shí)左右，爐頂煤氣成份中CO2逐漸上升，表示爐內(nèi)礦石還原開(kāi)始。以后壓損上升表示礦石軟化開(kāi)始。而爐頂煤氣溫度上升及CO、CO2成份逐漸穩(wěn)定，表明爐內(nèi)蓄熱充足，熱量生成大于熱量消耗，意味著爐內(nèi)軟融帶已經(jīng)形成。點(diǎn)火后12小時(shí)，軟融帶形成，見(jiàn)圖4。
受鐵鋼平衡的限制，在送風(fēng)22小時(shí)后送風(fēng)比才達(dá)到1.0。送風(fēng)后高爐順行非常好，和計(jì)劃相比，O/C提升較快。提升O/C實(shí)績(jī)見(jiàn)圖5。當(dāng)風(fēng)量加至目標(biāo)風(fēng)量后（6300m3/min），礦焦比提高到3.5，并準(zhǔn)備開(kāi)始噴煤。此次開(kāi)爐，點(diǎn)火送風(fēng)之前40個(gè)風(fēng)口插上煤槍?zhuān)苊饬诵蒿L(fēng)插煤槍。在開(kāi)始送風(fēng)48小時(shí)后，進(jìn)行了噴煤試噴，在確認(rèn)40根煤槍均有煤噴出后，噴煤試噴成功。初始投入最小噴煤量20t/h，此時(shí)3.5礦焦比的爐料已裝入29回。
2.2.2 初鐵時(shí)間測(cè)算與初鐵實(shí)績(jī)
寶鋼高爐開(kāi)爐一般采用累計(jì)風(fēng)量法和裝入爐料計(jì)算初鐵來(lái)確定第一爐鐵水的出鐵時(shí)間，通過(guò)分析寶鋼歷次開(kāi)爐的數(shù)據(jù)，湛江1號(hào)高爐對(duì)初鐵計(jì)算模型進(jìn)行了修訂，當(dāng)按計(jì)劃加風(fēng)至送風(fēng)后22小時(shí)，即累計(jì)風(fēng)量在5.26×106 Nm3時(shí)（開(kāi)爐后裝入57回左右），鐵水生成量到達(dá)鐵口中心線，開(kāi)始出鐵。預(yù)計(jì)出鐵3小時(shí)共上料10批，預(yù)計(jì)約出鐵420噸左右。為了確保第一爐鐵水鐵量充足，決定在爐況允許的條件下多裝4批料再出鐵。實(shí)際送風(fēng)23小時(shí)后，累計(jì)風(fēng)量5.81×106 Nm3，上料61批，2號(hào)鐵口開(kāi)始開(kāi)口出渣鐵。第一爐鐵水爐均溫度1463℃，出鐵量930噸，鐵水成分和初渣成分見(jiàn)表4和表5。通過(guò)與2.1.3模型計(jì)算預(yù)測(cè)的主要目標(biāo)成分比較，鐵水溫度、[Si]、[Mn]，爐渣堿度和Al2O3含量均命中目標(biāo)。
3 高爐生產(chǎn)實(shí)績(jī)
3.1 低利用系數(shù)生產(chǎn)階段
湛江1號(hào)高爐順利投產(chǎn)后僅10天，臺(tái)風(fēng)“彩虹”從東海島湛江鋼鐵廠區(qū)穿過(guò)，此次建國(guó)以來(lái)廣東秋季最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)對(duì)湛江鋼鐵物流造成了嚴(yán)重影響：主碼頭3臺(tái)2500噸卸船機(jī)倒塌，主原料進(jìn)廠中斷。副碼頭1臺(tái)1200噸卸船機(jī)倒塌，副原料進(jìn)廠嚴(yán)重受阻。臺(tái)風(fēng)期間高爐實(shí)際休風(fēng)72h，送風(fēng)恢復(fù)帶來(lái)了極大的風(fēng)險(xiǎn)，煉鐵廠認(rèn)真準(zhǔn)備了高爐送風(fēng)操業(yè)方案，確保了爐況快速恢復(fù)和穩(wěn)定順行。臺(tái)風(fēng)過(guò)后，原燃料進(jìn)廠物流受限，10～11月高爐維持在1.6t/(m3·d)左右的利用系數(shù)。
高爐進(jìn)行低利用系數(shù)生產(chǎn)，爐內(nèi)速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布、透氣性、爐缸熱狀態(tài)等都與正常生產(chǎn)相比有很大差異。低利用系數(shù)生產(chǎn)時(shí)，先從下部調(diào)節(jié)入手。下部調(diào)節(jié)的目的是保持合適的風(fēng)口回旋區(qū)和理論燃燒溫度，使氣流分布合理，溫度分布均勻，熱量充沛穩(wěn)定，爐缸工作活躍。對(duì)于大型高爐，回旋區(qū)深度L和高爐爐缸直徑d滿(mǎn)足 n = (d2 - (d – 2L)2) / d2 = 0.5 時(shí)，高爐料柱透氣性和燃料比最佳[6]。影響回旋區(qū)深度的主要因素是鼓風(fēng)動(dòng)能和原燃料質(zhì)量。那樹(shù)人通過(guò)研究2000m3級(jí)以下高爐，確定適宜的鼓風(fēng)動(dòng)能與爐缸直徑的關(guān)系有如下經(jīng)驗(yàn)公式[7]：
E適宜 ＝ 86.5d2 - 313d + 1160 （kg·m/s），
在生產(chǎn)實(shí)踐中，筆者擴(kuò)展該公式到4000m3以上高爐，確定仍然適用。通過(guò)計(jì)算，湛江1高爐適宜的鼓風(fēng)動(dòng)能為 14800 kg·m/s。在利用系數(shù)限定在1.6 t/(m3·d)條件下，送風(fēng)比只能達(dá)到1.3。為了達(dá)到上述鼓風(fēng)動(dòng)能，風(fēng)口面積確定為0.472 m2，而且采用不富氧鼓風(fēng)，生產(chǎn)中維持風(fēng)速285 m/s。
上部調(diào)節(jié)中，由于焦比330～370 kg/t，中心氣流發(fā)展，在不能采取大礦批的條件下，布料檔位采取適當(dāng)壓中心的操作模式。
理論燃燒溫度過(guò)低，會(huì)引起爐料加熱和還原不足而導(dǎo)致?tīng)t涼；理論燃燒溫度過(guò)高，將導(dǎo)致?tīng)t況不順。因此，在低負(fù)荷生產(chǎn)期間，湛江1號(hào)高爐理論燃燒溫度控制在2000～2100℃之間。
爐渣堿度控制在1.15左右，渣中的Al2O3控制在12～13％范圍，保證了脫硫的同時(shí)也保證了渣鐵的良好流動(dòng)性，保持了高爐爐況穩(wěn)定、順行良好。
3.2 正常生產(chǎn)階段
12月起，隨著碼頭原料輸入能力的逐漸恢復(fù)，高爐產(chǎn)量爬坡，開(kāi)始加風(fēng)富氧，利用系數(shù)逐漸提高至2.0以上，高爐操作參數(shù)也進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。在提高利用系數(shù)后，風(fēng)口面積調(diào)整為0.4917m2。布料檔位逐漸采用同時(shí)疏松邊緣和中心的模式，布料角度也進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整，第2檔到第7檔的角差從12°擴(kuò)展到13°。調(diào)整之后，布料料面平臺(tái)變寬，形成了一個(gè)分布較為合理的料面形狀，高爐順行改善。如表6所示，通過(guò)操業(yè)制度的優(yōu)化，高爐的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不斷改善，燃料比已降至488 kg/t的水平，鐵水溫度保持在1500℃以上，[Si]含量已控制在0.40%以下。
4 結(jié)語(yǔ)
1） 湛江1號(hào)高爐在傳承寶鋼煉鐵技術(shù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出熱風(fēng)爐用稀釋焦?fàn)t煤氣燒爐，高爐調(diào)水烘爐等專(zhuān)有技術(shù)，為湛江高爐的成功開(kāi)爐創(chuàng)造了有利條件。
2） 寶鋼的爐料填充模型是可靠有效的，爐料填充時(shí)要關(guān)注物料的質(zhì)量指標(biāo)。
3） 通過(guò)不斷優(yōu)化點(diǎn)火操業(yè)方案，湛江1號(hào)高爐順利開(kāi)爐，各項(xiàng)預(yù)設(shè)目標(biāo)全部命中。
4） 針對(duì)不同生產(chǎn)條件進(jìn)行調(diào)整，湛江1號(hào)高爐實(shí)現(xiàn)了低利用系數(shù)和正常生產(chǎn)的穩(wěn)定順行。
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