高焦丁比与矿石混装降低高炉燃料比研究

车玉满，郭天永，孙鹏，姚硕，姜喆

（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009）

随着钢铁行业竞争加剧，为降低高炉生产成本，高炉喷吹煤种和炼焦煤种中廉价煤配比逐渐增加，因而提高焦炭质量更加困难，采取改变焦炭粒度组成、小粒度焦炭与矿石混装入炉等措施，充分发挥大粒度焦炭“骨架”作用，用小粒度焦炭改善矿石层透气性和替代大粒度焦炭参与熔损反应，对于改善煤气利用率和降低高炉燃料消耗会带来一定益处。

欧洲、日本及其他国家和地区高炉焦丁比存在较大区别，从10～20 kg/t到70～100 kg/t不等。20世纪末，日本新日铁君津2号高炉和4号高炉曾经将7～20 mm焦丁混到矿石中，历时8个月实验证明，焦丁与矿石混装起到改善煤气利用率和料柱透气性的作用，焦丁的置换比达1.19［1-2］。蒂森克虏伯公司高炉长期采用焦丁与矿石混装技术，即把10～35 mm焦丁与矿石混装，焦丁比在61.9～85.5 kg/t之间，高炉长期稳定顺行，燃料比稳定在 500 kg/t以下［2］。2004年，宝钢曾开展提高焦丁比工业试验，焦丁比由20 kg/t提高到60 kg/t，入炉焦比下降到 273 kg/t［3］。

2011年之前，鞍钢股份有限公司炼铁总厂5 号高炉（2580 m3）燃料比为 598 kg/t，比国内先进水平（530 kg/t）高68 kg/t。在目前原燃料条件不可能得到根本性改善情况下,从2012年下半年开始，在实验室初步实验和模拟计算基础上，鞍钢5号高炉采取扩大焦丁用量并与矿石混装入炉措施，即将焦槽筛孔直径从25 mm扩大到30 mm，适当增加焦丁量，焦丁比达到长期月平均70 kg/t以上，短期达到月平均80 kg/t以上，通过近2年试验，高炉入炉焦比和燃料比大幅度下降。

1 焦丁与矿石混装模拟实验和模拟计算

焦丁混装即把小粒度焦炭（焦丁）装入矿石层中，与矿石混合后装入高炉。一般情况下，焦丁比根据高炉焦槽下10～25 mm小粒度焦炭筛出量确定，如果想扩大焦丁用量，同时要保证焦丁最佳使用效果，则需要重新调整粒度上限，保证焦丁粒度组成与烧结矿相近，与矿石混装入炉后有利于提高矿石空隙度。焦丁与矿石混装入炉后，料层“焦窗”增大，同时由于焦丁粒度比大块焦炭粒度小，在高温区域容易气化，优先参与熔损反应，减少大块焦参与熔损反应比例，增大死料柱焦炭平均粒度，降低软融带压差，改善料柱透气性。焦丁与矿石混装入炉后，焦丁与矿石直接接触，焦丁发生熔损产生的CO快速与矿石发生还原反应，提高间接还原速度，减少焦炭粉末进入炉缸比例，提高炉缸活跃程度［4］。

1.1 鞍钢5号高炉各种炉料基础参数

（1）各种炉料粒度组成

焦丁与矿石混装主要是利用焦丁粒度组成与烧结矿相近特点，有利于提高炉料间空隙度，改善矿石层透气性。为掌握鞍钢5号高炉焦槽焦筛孔由25 mm扩大到30 mm后的焦丁与烧结矿粒度，分别测试4组焦丁和烧结矿粒度组成，测试结果表明，焦丁平均粒度为20.9 mm、烧结矿平均粒度为20.1 mm，二者粒度十分接近。

（2）焦丁与矿石混装低温区（块状带）空隙度

矿石中配加焦丁主要目的之一是改善矿状带透气性，常温状态下炉料空隙度基本能代表块状带行为。为掌握不同焦丁配比改善炉料透气性效果，采用固定容器，以水作为炉料空隙填充介质，测试混合炉料空隙度。由于烧结矿和焦丁均为多孔结构，球团细微密闭，在采用水作为炉料填充介质时，为防止水填充烧结矿和焦丁内部孔隙，影响混合炉料空隙度准确性，测试前需要把烧结矿和焦丁浸入水中48 h，保证烧结矿和焦丁孔隙内充满水，即烧结矿和焦丁处于饱和状态。当水达到饱和状态后取出一定量烧结矿和焦丁，用湿布擦拭焦丁和烧结矿表面，不能用干布擦拭，防止干布吸收烧结矿和焦丁表面水分，确认烧结矿和焦丁表面无水后，把焦丁放入托盘内，与固定配比烧结矿和球团矿充分混合。

矿石结构为70%烧结矿+30%球团矿，焦丁配比分别为 0、30、60、90 和 120 kg/t（干基），测试不同焦丁比混合炉料空隙度见表1。70%烧结矿+30%球团炉料空隙度为0.43,当焦丁配比30 kg/t时混合炉料空隙度可以提高到0.45；焦丁配比60 kg/t时，混合炉料空隙度可以提高到0.50，之后再增加焦丁配比，炉料空隙度不再增大。

表1 不同焦丁比混合炉料空隙度

（3）焦丁与矿石混装高温区（软融区域）透气性

矿石中配加焦丁另一个主要目的是改善高温区透气性。在高温区矿石已经软化，形成软融带，该区域矿石透气性非常差，大约是焦炭层1/20左右［5］，在高温区焦丁基本还保持良好透气性，对改善矿石软融层透气性起到良好作用。

利用实验室高温融滴炉，检测炉料高温软熔区间、熔化开始温度、滴落温度和软熔区间各种参数。矿石中焦丁配比分别为 0、30、50、70 和 90 kg/t，料层厚度保持60 mm恒定。

以焦丁配比0 kg/t作为基准期，焦丁配比分别增加到30、50、70和90 kg/t后，压差陡升时刻收缩率分别下降52%、27%、30%和34%,最大压差收缩率分别下降1.6%、5.6%、10.1%和92%,熔融带厚度分别减薄53%、29%、32%和35%，不同焦丁配比高温区域各种性能指标见表2。

表2 不同焦丁配比高温区域各种性能指标

各种检测数据结果表明，在矿石中配加焦丁后，能够反映高温区域料柱透气性的压差陡升时刻收缩率、最大压差收缩率和熔融带厚度三个重要参数都得到改善，但改善程度存在差异，例如，焦丁配比30 kg/t时，料层压差陡升时刻收缩率下降52%，之后随着焦丁配比增加，料层压差陡升时刻收缩率下降幅度均小于该值。随着焦丁比增加，最大压差收缩率下降幅度逐渐增加，焦丁配比为90 kg/t时，最大压差收缩率下降92%，效果非常显著。焦丁配比30 kg/t时，融带厚度减薄53%，之后随着焦丁配比增加，融带厚度减薄效果均小于该值。

1.2 焦丁与矿石混装改善透气性模拟计算

（1）模拟计算方法

高炉透气性主要由块状带、软融带阻力损失所决定，其中软融带阻力损失最大。由于高炉内料柱与透气性相关各种参数都无法直接检测，应用计算机技术对高炉内的料柱透气性进行模拟计算，分析矿石中混装焦丁后块状带、矿石软融带透气性变化。

高炉料柱透气性计算基于Ergun方程［6］，以炉料粒径、形状系数、料层厚度等参数作为基本输入参数，计算方程如下：

式中，Δp为料层压力损失，Pa；L为料层厚度,m；μf为煤气黏度，Pa.s；vg为煤气流速,m/s；ε为料层空隙度，无量纲；ρf为煤气密度,kg/m3；φp为炉料形状系数，无量纲；dp为炉料平均粒度,m。

（2）焦丁与矿石混装改善块状带透气性模拟计算

改善块状带料柱透气性，相当于改善煤气流三次分布，虽然没有改善软融带透气性作用大，但对于改善高炉顺行也会起到积极作用。矿石层配加不同焦丁混合层压差曲线见图1。模拟计算结果表明，矿石中配加焦丁后，混合层压差明显降低，透气性得到明显改善，焦丁配比为30 kg/t时，压差下降29%；焦丁配比超过50 kg/t时，压差下降49%，以后再增加焦丁配比，矿石混合层压差将不再下降，因此，对于改善矿石层透气性而言，焦丁合适配比为50 kg/t。

（3）焦丁与矿石混装改善软融带透气性模拟计算

矿石软融层压差损失占总压差50%以上，在矿石软融层内，随着矿石软化，料层体积开始逐渐收缩，料层空隙度在不断下降，料柱透气性也开始逐渐变差。

根据首钢高炉解剖资料，在软融区间大致分布7～8 层矿石和 7～8 层焦炭［5］，温度从上至下逐渐升高，矿石层透气性逐渐变差。

模拟计算结果表明，在950～1 250℃温度区间，由于矿石软化程度逐渐加大，在无焦丁时，软融第1层～第3层压差变化不大，基本保持在800～890 Pa/m范围内，从第4层开始压差迅速增加到1 478 Pa/m，第7层增加到2 775 Pa/m，几乎增大3倍。

当焦丁配比为30 kg/t时，软融第1～3层压差下降到320～360 Pa/m范围内，从第4层开始压差下降596 Pa/m，第7层下降1 119 Pa/m，其它各层压差也得到不同程度下降。

当焦丁配比为50 kg/t时，软融第1～3层压差下降590～650 Pa/m范围内，从第4层开始压差下降1 087 Pa/m，第7层下降2 041 Pa/m，其它各层压差也得到不同程度下降。

当焦丁配比为70 kg/t时，软融第1～3层压差下降680～750 Pa/m范围内，从第4层开始压差下降1 250 Pa/m，第7层下降2 346 Pa/m，其它各层压差也得到不同程度下降。

模拟计算表明，对于降低高温区矿石软化层压差、改善透气性效果而言，随着焦丁配比增加效果逐渐加大，尤其是焦丁配比达到50 kg/t后，各矿石软化层压差下降幅度最大，改善透气性效果最为显著。焦丁配比达到70 kg/t时，矿石软化层压差下降幅度也非常明显，但幅度已经减小。配加不同焦丁矿石软融层压差曲线见图2。

2 高焦丁比与矿石混装工业试验效果

2011年鞍钢5号高炉燃料比为598 kg/t，比国内同类型先进水平（530 kg/t）高68 kg/t,在目前原燃料条件不可能得到根本性改善情况下，通过采取扩大焦丁用量并与矿石混装措施，改善料柱透气性、保证高炉顺行，提高煤气利用率、降低高炉燃料比。

2012年适当提高焦丁比，配比基本稳定在50～60 kg/t之间，平均 56 kg/t，比 2011 年提高 8 kg/t，燃料比下降到589 kg/t，下降9 kg/t。2013年1～9月，逐渐增加焦丁用量，焦丁最大用量月平均达到84 kg/t，同时适当调整布料制度，改善煤气流分布。在试验期间由于炉缸侧壁温度高，高炉不得不阶段性人为降低冶炼强度，使用钒钛球团护炉。为此，将试验划分为二个阶段，一是低冶炼强度，使用钒钛球团护炉阶段；二是高炉正常冶炼阶段。

2.1 低冶炼强度、使用钒钛球团护炉阶段试验效果

由于采用钒钛矿护炉，为提高护炉效果，高炉人为降低冶炼强度，堵炉缸内衬温度高的上部风口，日产量控制在4 200～4 400 t/d。

当焦丁比提高到平均69 kg/t时，比基准期上升21 kg/t,焦比下降11 kg/t，燃料比下降17 kg/t。在该阶段［Si］含量由0.395%提高到0.578%，提高0.183%；热风温度由1 208℃下降到1 190℃，下降 18℃；煤比由 174 kg/t降低到 157 kg/t，下降17 kg/t。试验效果显示，扣除其它因素影响后，焦丁与大块焦炭相对置换比达到1.10。

当焦丁比提高到平均83 kg/t时，比基准期上升35 kg/t,焦比下降32 kg/t，燃料比下降12 kg/t。在该阶段［Si］含量由0.395%提高到0.549%，提高0.154%；热风温度由1 208℃下降到1 184℃，下降 24℃；煤比由 174 kg/t降低到 159 kg/t，下降15 kg/t。试验效果显示，扣除其它因素影响后，焦丁与大块焦炭相对置换比达到1.03。鞍钢5高炉低冶炼强度时期不同焦丁配比试验效果见表3。

表3 鞍钢5号高炉低冶炼强度时期不同焦丁配比试验效果

2.2 正常生产阶段试验效果

当焦丁比提高到平均64 kg/t时，比基准期上升16 kg/t,焦比下降22 kg/t，燃料比下降36 kg/t。在该阶段［Si］含量由0.395%提高到0.505%，提高0.110%；热风温度由1 208℃下降到1 196℃，下降12 ℃；煤比由 174 kg/t降低到 153 kg/t，下降 21 kg/t。试验效果显示，扣除其它因素影响后，焦丁与大块焦炭相对置换比达到1.48。

当焦丁比提高到平均84 kg/t时，比基准期上升36 kg/t,焦比下降39 kg/t，燃料比下降44 kg/t。在该阶段［Si］含量由0.395%提高到0.428%，提高0.033%；热风温度由1 208℃下降到1 194℃，下降 14℃；煤比由 174 kg/t降低到 133 kg/t，下降41 kg/t，原燃料条件基本不变。试验效果显示，焦丁与大块焦炭相对置换比达到1.48。鞍钢5号高炉正常生产时期不同焦丁配比试验效果见表4。

表4 鞍钢5高炉正常生产时期不同焦丁配比试验效果

3 结论

采用焦丁与矿石混装，既可以减少高炉返焦量，节省大块焦炭用量，降低生产成本，同时又可以发挥焦丁粒度组成与烧结矿相近特点，改善矿石在块状带和软融带透气性，为高炉稳定顺行提供保障。

实验室模拟实验表明，矿石层中焦丁配比达到60 kg/t时，矿石空隙度可以提高到0.50；矿石层中配加焦丁后高温区域压差陡升时刻收缩率、最大压差收缩率和熔融带厚度都得到改善，焦丁配比在50～70 kg/t之间效果最佳。

鞍钢股份有限公司炼铁总厂5号高炉工业试验结果表明，随着焦丁比的提高，高炉焦比和燃料比都得到了大幅度下降，焦丁置换比保持在1.0以上。

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