铁前一体化降本技术的应用探析

冯广斌

1.前言

2017年，首钢长钢公司在去产能的大背景下，以铁水成本为切入点，立足“三个一体化”生产运行组织与管理模式（铁烧焦生产组织一体化、优化配矿结构一体化、设备计划检修一体化），实现物质流、能量流、成本流的全流程系统配置和相互间有机耦合，做到事前计划精准、事中反应快速和事后分析到位，提高各工序各环节运行效率，确保高炉稳定生产，降低铁水成本。

对于钢铁流程来说，铁前系统最大的任务就是降低铁水成本和提高铁水质量。目前，首钢长钢的铁前系统现状是：（1）竖炉停产，没有自产球团供应；（2）两座高炉生产均处于炉役中后期，处于常态化护炉冶炼阶段；（3）烧结机生产能力较大，能满足高炉需求；（4）新捣固焦炉先后投产，焦化生产能力加大；（5）自发电量少，外购用电量大。

在现有条件下，如何协调供应、焦化、炼铁三个工序步伐，通过工艺制度升级优化来实现高性价比矿煤的使用及高炉的长期稳定顺行，在有限的投入条件下进行局部设备升级改造，实现相对客观的经济效益回报，成为长钢铁前系统最为关键的问题。为解决这些问题，首钢长钢公司提出：以铁前一盘棋为原则，有序推进铁前工序一体化的冶炼控制模式，从选矿选煤、采购、库存管理、工艺优化等角度出发，开展一体化管控攻关。

2.铁前一体化降本模式的技术核心

通过配矿、配煤，获取高性价比的烧结矿和焦炭，在现有装备条件下深化挖潜，合理配置炉料结构，在高炉中完成相互耦合反应，生产出产量、质量和成本都能满足下游工序需求的铁水。

配矿：以适当提高碱度（从1.6提高至1.7以上）改善质量和冶金性能为基础，规范Zn、P、S、Mn等有害元素控制原则，结合高炉护炉加钛，通过成分、粒度、烧结性能互补，充分挖掘高性价比新资源（低钛南非精矿粉、中钛新西兰海砂、智利精粉、低P黎城精粉等），最大限度利用各种固废（钢渣、铁皮、铁屑、磁选铁、高炉除尘灰、炼钢污泥、焦化灰等）。

配煤：利用捣固焦炭特点，使用30%的强粘结煤（主焦煤+1/3焦煤+肥煤）+70%的弱粘结煤（贫瘦煤+气煤）的配煤结构，逐渐提高干熄率和发电能力，提升焦炭冷强度（M40和M10），保持CRI和CSR热性能指标，在确保高炉现有焦炭负荷基础上，进一步利用好干熄优势，通过改善高炉指标提升焦炭性价比。

高炉稳定操作：一方面以努力适应现有原燃料变化为前提，控制好入炉有害元素负荷（Zn、P、Mn），坚持高炉操作制度一贯性和定量调剂适度性相结合，维持稳定的煤气分布；另一方面通过实施提高烧结矿基础钛量、减少高钛块矿的阶段性低成本护炉策略，坚持炉温控制在0.4%-0.55%范围，改善钛分配，提高铁水[Ti]，提高护炉效率，并控制好护炉对炉缸活跃性的影响，平衡好产量和炉缸长寿之间的冲突。

3.铁前一体化降本模式的技术内容

3.1 建立铁前流程一体化降本模型

以成本流为目标，研究整个铁前的物质流、能量流将有利于提高资源、能源利用效率，促进铁水成本的进一步降低。三位一体的物理模型：将物质、能量和成本三种要素的输入、迁移、转化、输出过程以及相互关系进行物理上的描述和定量或半定量化的分析，掌握特点和重点，寻找降低成本的突破口。

铁前流程一体化，就是要以成本流为中心，优化物质流和能量流，并通过物质流和能量流之间建立有机关系达到降低成本目的。结合物质流和成本流分析降本的要点：高性价比资源应用，合理利用固废，护炉资源利用方式；结合能量流和成本流分析降本的要点：降低烧结固体燃耗，烧结提高余热发电，焦化提高发电，高炉TRT发电等等；结合物质流、能量流相互关系分析降本的要点：改善烧结矿和焦炭质量，降低焦比燃料消耗。

3.2 开展高性价比资源开发与合理使用攻关

长钢以现货采购为模式，大力开发高性价比资源，积极拓展固废资源的回收利用渠道。

3.2.1 低成本配矿技术

以铁水成本最低为目标和采购原则，对烧结原料结构进行动态调整，在保证烧结矿质量的前提下，提高高性价比矿粉的使用比例。根据测算，智利烧结粉和澳混合粉的性价比居于中等偏上的水平，结合烧结优化配矿软件测算结果，在保证烧结矿化学成分稳定的前提下，将澳混合粉作为主矿种，配合一部分智利烧结粉，可获得最低的烧结成本，同时保证烧结矿化学成分稳定，可获得最低的铁水成本。

3.2.2 低碱度高比例褐铁矿烧结技术

开展碱度对长钢烧结矿质量影响研究，主要是开展烧结杯实验，定量化进行比较分析，摸索规律；开展高褐铁矿烧结技术应对分析，通过比较其他企业的使用经验和应用结果，结合烧结杯实验，进行研究，掌握信息；开展低碱度条件下优化烧结工艺参数研究，在高褐铁矿烧结情况下，使用石灰石粉替代部分活性粉灰，增加烧结熔剂绝对加入量，研究低碱度条件下大比例配加石灰石粉适宜水碳控制及对烧结过程、成品质量指标的影响；开展烧结适度提碱度搭配酸性料入炉改善高炉指标工业试验，适当提高烧结矿的碱度，改善烧结矿质量，进而比较高炉顺行度、技经指标的变化情况。

3.2.3 开发选择块矿资源

针对长钢所处气候特点，在高炉用块矿资源的开发选择上，不仅要考虑矿石本身的化学成分、冶金性能，以及经济价值，同时还要考虑矿粉的含粉率在雨季对高炉筛分系统的影响。对两种成分接近，但含粉率差异较大的澳块资源PB块和罗伊山块进行基础性能对比分析，为长钢高炉块矿的选择提供依据。

3.2.4 合理利用固废资源

目前，长钢烧结回收的含铁固废种类包括高返、烧结机头除尘灰、高炉重力除尘灰、高炉布袋灰、高炉矿槽灰、炼钢压滤泥、炼钢筛下矿灰、水渣铁、磁选铁、氧化铁皮、粗颗粒、钢渣粉和焦化灰等，主要开展高磷钢渣粉与低磷地方精粉搭配，提高钢渣粉配比和含锌含铁除尘灰应用研究；高炉喷吹焦化灰研究，主要是通过对焦化灰进行工业分析，测算性价比，分析其使用的利弊，结合制粉、喷吹、高炉反应的具体变化过程，动态调整配用比例和优化工艺。

3.3 高炉稳定高效操作技术

3.3.1 提高入炉焦炭质量性能

高炉使用100%新区捣固干熄焦炭，从现有入炉指标上看似有所进步，但从高炉反应来看并未体现出应有的优势。从配煤结构看，新区捣固焦炭的强粘结煤比例为30%，焦炭成本与外购焦相比虽然大幅度降低，但进步不大，高炉焦炭负荷基本维持在4.5左右。以目前的高炉冶炼燃料成本为衡量基础，如果提高焦炭的强粘结煤比例，焦炭成本相应提高，那么高炉必须通过降低焦比来消化这部分提高的成本。

3.3.2 多料种含钛物料低成本护炉技术

通过在烧结工艺配加一定量的含钛矿粉，确保烧结矿质量性能不劣化的前提下，使烧结矿含有适当的TiO2，提高高炉入炉的基础钛量，从而减少购买价格相对高的钛球或高钛块矿，降低护炉成本。主要开展：烧结配加含钛资源，通过配加新西兰海砂提高基础钛含量，新西兰海砂因配比低于2%，因此与杂料一起混匀造堆后配加，以便改善配加控制精确性和均匀性。根据高炉护炉要求和资源库存情况，两种含钛矿粉可以互备，既单独使用也可混合使用；开展含钛烧结矿代替部分钛矿护炉技术研究。

3.3.3 主要应对措施的制定

基于高比例机烧矿炉料结构的高炉操作对策有：（1）在炉料平衡和炉渣碱度平衡基础上，仍要适当提高烧结矿碱度（例如碱度从1.6提高至1.7），尽可能改善烧结矿质量性能，减小对高炉透气性的影响；（2）可考虑适当的中心加焦量，确保中心煤气通道，并控制合理的边缘煤气通道。新焦炉投产以后自产干熄焦满足高炉的需要，从而替代外购二级焦炭；（3）在合理风速动能下建议进一步提高高炉顶压，减少实际炉腹煤气量，从而降低阻损和压差。（因热风、煤气管道限值实际操作不可行）；（4）在合理风速动能下适当降低风量，有条件可提高富氧率，控制合适的炉腹煤气量和合理的冶炼强度，从而降低压差。

高炉基本制度及攻守退定量调剂措施制定，结合高炉的实际反应和原燃料条件，从炉温、负荷、压量关系、料线走势等方面着手，制定相应的调剂手段，实现定量化的调剂应对。包括稳定充沛的炉温基础、稳定的装料制度和煤气利用率、提高富氧率和顶压控制炉腹煤气量、稳定渣铁制度和控制炉渣合适镁铝比、稳定的装料制度和煤气利用率。

3.4 余热利用节能技术

3.4.1 烧结提高余热发电量

烧结—环热余热发电相关参数分析主要包括：吨矿发电量与烧结料批对比、吨矿发电量与焦粉配比对比、吨矿发电量与活性石灰配比对比、吨矿发电量与烧结终点温度对比、吨矿发电量与烧结总管温度对比、吨矿发电量与烧结返矿配比对比、吨矿发电量与烧结终点位置对比、吨矿发电量与余热发电循环风机频率对比、吨矿发电量与余热发电烟气进口温度对比。

3.4.2 焦化提高发电量

采用干熄焦工艺对于改善焦炭质量和提高焦化工序能源利用率均具有重要意义。长钢焦化厂干熄焦项目于2017年3月4日开始烘炉，于3月23日开始装红焦投产，4月5日发电并网，焦化厂干熄焦工序正式投入使用。摸索工艺制度、操作制度与发电量之间的关系，保证设备的稳定运行和维护，提高发电量成为核心。

3.5 建立高炉质量标准体系

根据长钢铁前工艺条件和原燃料状况制定了高炉质量标准体系，并在此基础上开发了高炉质量标准体系管控软件，实现铁前系统质量标准体系的一体化管控。该管控系统以高炉质量体系总体目标为核心，围绕该目标对高炉、烧结、原料，以及采购工序进行质量标准管控。

3.5.1 高炉质量标准体系构建

高炉质量标准体系包括体系总体目标、高炉工序支撑指标、烧结工序支撑指标、原料工序支撑指标以及采购工序支撑指标，各个工序指标之间按上下游关系互为支撑和管控，包括高炉工序支撑指标、烧结工序支撑指标、原料工序支撑指标、采购工序支撑指标

3.5.2 高炉质量标准体系管控软件开发

在高炉质量标准体系数学模型基础上开发出高炉质量标准体系管控软件，软件所使用的开发工具为VB6.0。具有用户界面友好、操作方便、运行稳定等特点，主要用于铁前质量标准体系的一体化管控

3.5.3 高炉质量标准体系应用

异常事故情况下保高炉稳定措施。铁前系统是一个错综复杂的工艺体系，涉及多个工序和子系统，各子系统既独成体系，又相互影响和关联。如何在子工序或子系统出现问题，在异常事故状态下保证整个系统的稳定运行就成为高炉稳定操作需要考虑的一个重要环节。在异常事故状态下，坚持稳定即效益的理念，所有应对措施以高炉稳定为宗旨和底线，将异常事故对高炉操作的影响降至最低；异常事故下应对措施分析。

3.6 加强铁前成本一体化管理

3.6.1 低库存管理，降低财务费用

为了保证生产系统的安全、稳定、经济运行，制订了生产库存预警管理制度，该制度适用于各生产单位及相关管理部门对大宗原燃料、辅料、自产中间产品库存、成品库存的预警管理。主要包括：设定生产库存预警线和生产库存预警管理流程。

3.6.2 推行“三个一体化”生产运行组织模式

发挥铁烧合并后的生产组织运行优势，彻底消除铁烧界面影响。在推行大宗原燃料“低库存”生产运行现状下，推行“三个一体化”生产组织运行模式，保障高炉长期稳定顺行，为降本增效奠定基础。推行“铁烧生产组织一体化”。以高炉需求为烧结生产标杆，通过高炉日均产量和炉料结构确定烧结生产，并通过优化烧结单双机生产模式，降低低产阶段烧结加工成本。推行“优化配矿结构一体化”。探索高炉低镁铝比运行，减少烧结熔剂消耗，同时减少九高炉护炉期间高钛块消耗。推行“设备计划检修一体化”。高炉烧结机实现同步，提高了现产烧结使用率，降低了烧结倒搬费，在给高炉顺行创造条件的同时降低了物料运输费用。

4．铁前一体化降本模式的技术创新

4.1 立足“三个一体化”生产运行组织与管理模式

通过配矿、配煤，获取高性价比的烧结矿和焦炭，深化挖潜，合理配置炉料结构，通过实施提高烧结矿基础钛量、减少高钛块矿的阶段性低成本护炉策略，坚持炉温控制在0.4-0.55%范围，改善钛分配，提高铁水[Ti]，提高护炉效率，兼顾了高炉护炉状态下产量、炉缸活跃性和炉缸长寿三者之间的平衡，以及通过建立并执行高炉质量标准管控体系等技术和管理措施，高炉连续稳定运行800天，铁水成本不断缩差，行业排名第六位。

4.2 坚持了高炉大比例烧结矿冶炼的工艺路线

根据长钢烧结产能富余，无自产球团生产线的产能配置特点以及自身资源状况，长钢选择并坚持了高炉大比例烧结矿冶炼的工艺路线。通过基础试验以及生产实践，摸索出了大比例烧结矿搭配生矿和少量酸性球团矿的高炉炉料结构，即发挥了高比例烧结矿的低成本优势，又避免了烧结矿碱度落在1.6的烧结矿质量低洼区（烧结矿碱度由1.6提高至1.75），烧结矿强度提高1个百分点，RDI+3.15低温还原粉化指数由54%大幅度提高至60%，为高炉低成本稳定运行提供了原料和结构保障。

5.铁前一体化降本模式的应用效果

长钢立足“三个一体化”生产运行组织与管理模式，通过配矿、配煤，获取高性价比的烧结矿和焦炭，深化挖潜，合理配置炉料结构，开展了原燃料提质降耗、低成本阶段性护炉、高炉稳定操作等技术研究和应用实践，实现了长钢高炉长期顺稳和铁水成本大幅度降低。选取2016年1-12月为基准期，2017年1月-12月为工业应用期，通过高性价比资源采购，原燃料提质、节能、降耗，采用符合长钢产能配置特点以及资源条件的大比例烧结矿炉料结构，强化高炉质量标准管控体系，稳定高炉操作等一系列技术措施的实施，长钢高炉实现了长期顺稳，铁水成本大幅度降低。

（1）铁成本排名创造历史，全年生铁成本完成1896.74元/吨，比行业平均好112.68元/吨，行业排名第8名，较上年相比前进31名,成本与行业平均差距与上年相比缩差154.51元/吨。

（2）积极克服原燃料市场波动加剧、环保监管压力骤增、高炉炉役后期生产等不利因素，全年生铁产量完成221.63万吨，同比增加2.32万吨，为公司扩大规模效益奠定基础。

（3）主要技术经济指标持续进步，高炉燃料比完成540kg/t，同比降低5kg/t，烧结固体燃料消耗完成50.5kg/t，同比降低1.3kg/t，烧结矿余热吨矿发电量14.89度，达到行业先进水平。

通过一系列降本措施的实施，不但实现了长钢铁水成本的大幅度降低，而且取得了高炉长期稳定运行，其中的高炉稳定操作技术、低成本护炉技术、高炉质量标准体系管控技术，以及“三个一体化”生产运行组织模式等技术和管理模式，均具有较高的推广和借鉴价值。