長期以來，河鋼宣鋼2座2500m³高爐存在著壓差高、噴煤比低、焦比高、爐況穩(wěn)定性差的問題，尤其是高焦比、低噴煤比導(dǎo)致高爐經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)與先進(jìn)企業(yè)差距較大。經(jīng)過多次攻關(guān)調(diào)整，整體經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)與爐況穩(wěn)定性得到一定改善，但仍不理想。

為突破技術(shù)瓶頸，河鋼宣鋼與河鋼鋼研和東北大學(xué)合作，針對煉鐵原燃料性能、高爐透氣性影響因素、堿金屬-焦炭的相互作用機理及規(guī)律等開展了全面研究，明確了影響指標(biāo)提升的關(guān)鍵因素及其內(nèi)在聯(lián)系，找出了煤比難以提高的原因，為提高煤比指明了方向。

通過試驗、數(shù)據(jù)分析及與行業(yè)內(nèi)其他高爐對比發(fā)現(xiàn)，噴吹煤粉的基礎(chǔ)性能（如，化學(xué)成分、輸送性能、可磨性、燃燒性、爆炸性等），鐵料及配礦因素，并不是影響高爐指標(biāo)提升的關(guān)鍵因素。同時還發(fā)現(xiàn)高爐堿金屬富集、焦炭熱性能及其與堿金屬的交互作用行為、高爐透氣性等因素是影響高爐噴煤比提高的關(guān)鍵；礦焦混裝及其方式對料柱透氣性影響顯著；并探究出一定堿負(fù)荷條件下焦比與煤比的對應(yīng)關(guān)系。

1.1.1堿金屬來源及負(fù)荷

原燃料中堿金屬含量如圖1～6所示?？梢钥闯?，河鋼宣鋼所用焦炭的堿金屬含量并不高，高爐中的堿金屬主要來自礦石和煤粉。由于堿金屬對高爐料柱透氣性及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)影響較大，要想保證高爐的透氣性，就必須降低礦石和煤粉的堿金屬帶入量。2018年下半年以前，河鋼宣鋼高爐堿負(fù)荷在行業(yè)中處于偏高水平。隨著對噴煤比影響因素的深入研究，逐步意識到改變原料條件、降低堿負(fù)荷的重要性和緊迫性。從2018年下半年起，逐步將堿負(fù)荷降低至2.0kg/tHM以下。

1.1.2焦炭熱性能及與堿金屬交互行為

焦炭反應(yīng)性及反應(yīng)后強度檢測結(jié)果如表1所示。

兩種自產(chǎn)焦性能比較穩(wěn)定，但與H鋼和An鋼（行業(yè)內(nèi)典型企業(yè)）焦炭質(zhì)量相比仍有差距，這正是限制河鋼宣鋼提煤降焦的影響因素之一。外購焦整體質(zhì)量比自產(chǎn)焦差，不利于保證高爐透氣性和受風(fēng)受煤能力。要想提煤降焦，需要提高入爐焦炭質(zhì)量，改善軟熔帶透氣性。

為考察堿金屬行為對焦炭熱性能的影響，對浸堿后焦炭的熱態(tài)性能進(jìn)行了試驗。K₂O含量及焦炭的熱態(tài)性能指標(biāo)變化情況如表2所示。

從試驗結(jié)果可以看出，質(zhì)量越好的焦炭，抗堿能力越差。因此，在提高焦炭質(zhì)量的情況下，一定要注意控制堿負(fù)荷，否則即使焦炭質(zhì)量提高了，噴煤比也難以提高，這也是該研究提出的提煤降焦的重要技術(shù)措施之一。

1.1.3浸堿后焦炭熱性能及與堿金屬交互行為

堿金屬是焦炭溶損反應(yīng)的催化劑，隨著焦炭浸堿量的增加，焦炭反應(yīng)性都明顯增加；CSR有降低，但也有的變化不大。其根本原因主要是焦炭與CO₂發(fā)生的溶損反應(yīng)屬于氣－固類非均相反應(yīng)，是通過CO₂和焦炭表面上活化點不斷反應(yīng)來完成。目前，普遍接受的溶損反應(yīng)過程機理是“內(nèi)擴散控制”和“界面反應(yīng)控制”兩類。因此，CSR有降低也有變化不大的本質(zhì)原因由焦炭溶損反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)決定的。

對于質(zhì)量較好的焦炭，溶損反應(yīng)過程由“界面反應(yīng)控制”。該過程為一級不可逆反應(yīng)，氣化反應(yīng)速率可由相界面反應(yīng)或局部反應(yīng)控制的Mckewan方程（1）表示。這種情況下CO₂可以擴散至焦炭顆粒內(nèi)部，使得CO₂在焦炭表面和內(nèi)部同時發(fā)生反應(yīng)，從而破壞焦炭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。堿金屬含量越高，對焦炭內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞越強，反應(yīng)后強度CSR降低越明顯。

1－（1－R）1/3=kt（1）

式中，

R——反應(yīng)半徑，cm；

K——反應(yīng)常數(shù)；

T——反應(yīng)時間，min。

界面反應(yīng)控制時反應(yīng)體系CO₂氣體濃度分布如圖7所示。

對于質(zhì)量較差的焦炭，如外進(jìn)焦炭，溶損反應(yīng)過程由“內(nèi)擴散控制”，該擴散過程符合菲克定律，反應(yīng)速率可由Ginstling－Brounshtein方程（2）或者Jander方程（3）表示。這種情況下，由于焦炭本身溶損反應(yīng)速度比較快，再加上堿金屬的催化作用，使得CO₂難以擴散至焦炭顆粒內(nèi)部，對焦炭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響較小。因此，堿金屬含量越高，焦炭反應(yīng)性越高，但反應(yīng)主要發(fā)生在表面，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞較小，而實驗過程中的高溫加熱對焦炭內(nèi)部結(jié)構(gòu)又提供一次高溫結(jié)焦的作用（為提高產(chǎn)量和降低成本，焦炭生產(chǎn)過程中存在著結(jié)焦溫度或結(jié)焦時間不夠的現(xiàn)象，產(chǎn)生了部分質(zhì)量較差的生焦），因此質(zhì)量較差的焦炭浸堿后反應(yīng)后強度CSR變化不大（略微升高）。

1-2/3R-（1-R）2/3=kt（2）

［1-（1-R）1/3］2=kt（3）

生產(chǎn)實踐證明，熔滴性能可準(zhǔn)確反映軟熔帶透氣性的變化情況。

1.2.1熔滴性能分析

試驗加入的焦丁量按計算溶損反應(yīng)碳消耗量的40%與礦石混合加入。熔滴試驗對比如圖8和表3所示。

通過礦焦混裝，壓差降低了36%，說明礦焦混裝對于改善熔滴性能以及料柱透氣性效果明顯。由于焦炭混入燒結(jié)礦中，會發(fā)生碳的熔損反應(yīng)，提高氣氛還原勢，F(xiàn)eO含量降低，渣的熔點提高，從而導(dǎo)致TS溫度上升。礦焦混裝的方式焦炭中的灰分會以SiO₂形式進(jìn)入初渣中，使得初渣堿度降低，使熔點初渣降低，而且液相量增加顯著，這是礦焦混裝TD降低的根本原因。

1.2.2混裝焦丁加入量的控制

焦丁的加入量由高爐直接還原度決定的，即有多少碳發(fā)生溶損反應(yīng)。發(fā)生溶損反應(yīng)的碳，來源于焦丁或大塊焦，其消耗量是固定的。沒有焦丁時，就與大塊焦反應(yīng)。試驗證明，焦丁的加入量可取溶損反應(yīng)碳量的0.4～0.7倍系數(shù)，其余由未燃煤粉和大塊焦參加反應(yīng)，這樣加入的焦丁不會影響焦窗透氣性。實際生產(chǎn)中需要結(jié)合生產(chǎn)數(shù)據(jù)定量分析。

1.2.3混裝焦丁加入粒度的控制

焦丁粒度不易太大，否則易造成分布不均，并在塊狀帶發(fā)生偏析。建議焦丁粒度下限為7～8mm（5mm篩子），上限為25mm，在進(jìn)入軟熔帶前必須消耗掉，否則變成焦粉，初渣變粘。

基于原燃料條件和生產(chǎn)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得出焦比和煤比的關(guān)系式，用于計算一定堿負(fù)荷條件下對應(yīng)的焦比與煤比。

焦比=堿負(fù)荷×0.0228+264.31（4）

煤比=堿負(fù)荷×（-0.027）+256.63（5）

河鋼宣鋼從控制含鐵原料和煤粉堿金屬含量入手，同時綜合考慮冶金性能降低堿負(fù)荷。通過一段時期控制，堿金屬富集得到了有效改善。近年來河鋼宣鋼高爐的堿金屬平衡分析如圖9所示。

為了保證焦丁的加入量和大塊焦的粒度均勻性，設(shè)定焦丁粒度為8～25mm。生產(chǎn)中適當(dāng)擴大焦炭入高爐篩孔的上限尺寸，將焦丁配比提高5～10kg/tHM。焦丁配入量增加及粒度變化使焦窗焦炭的尺寸區(qū)間變小，有利于焦炭整粒，提高焦窗焦炭的強度，保證軟熔帶焦窗的透氣性。

嚴(yán)格控制煉焦用煤的堿金屬含量，通過合理配煤提高焦炭熱性能并降低灰分，使得焦炭整體質(zhì)量有所提高，M40由84%提高至85%，反應(yīng)后強度由63%提高到66%。

以堿負(fù)荷－焦比－煤比關(guān)系為基礎(chǔ)，首先確定合理的焦比，再提高煤比。

適當(dāng)發(fā)展中心氣流，提高鼓風(fēng)動能，吹透中心。階段性調(diào)整爐渣堿度，提高爐渣排堿能力應(yīng)對堿負(fù)荷高對高爐的影響。

針對2018年以來風(fēng)溫大幅度下降的現(xiàn)狀，通過提高爐腹煤氣指數(shù)和富氧率，保證鼓風(fēng)帶入的熱量和煤粉的快速燃燒，減少不利影響。

1號高爐煤比由135kg/tHM提高至175kg/tHM（2019年位列全國同級別高爐首位），2號高爐煤比由120kg/tHM提高至160kg/tHM，焦比降低約33kg/tHM，取得了良好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益、社會效益。1號、2號高爐熱風(fēng)溫度降低50℃左右的情況下能耗指標(biāo)變化趨勢如圖10所示。

（1）堿金屬對高爐爐況和指標(biāo)提升影響巨大，必須嚴(yán)格控制其在煉鐵系統(tǒng)中的富集。

（2）堿金屬、煤粉、焦炭的交互行為在高爐中有規(guī)律可循，質(zhì)量越好的焦炭，抗堿能力越差。

（3）適當(dāng)提高焦丁混裝比例，控制好焦丁粒度和加入方式可以有效提高高爐透氣性。