大比例球团矿在安钢2 800 m3高炉的应用

2020-11-25焦虎丰王雪峰牛富军

河南冶金 2020年5期

焦虎丰王雪峰牛富军

（安阳钢铁股份有限公司）

0 前言

合理的炉料结构是高炉生产获得优质、高产、低耗、长寿、低成本的重要因素之一，在我国传统的高炉炉料结构中，约60%以上为烧结矿，主要是高碱度烧结矿[1]。在钢铁行业中，烧结工序是主要的污染环节，据统计，钢铁行业中75.97%的SO2、73.09%的NOX、55.38%的烟粉尘均来自于烧结工序[2]。随着环保压力的日益增加，环保季京津冀及周边地区烧结限产已成为常态化，降低高炉炉料结构中的烧结矿配比，提高球团矿比例正在成为我国炼铁发展的新趋势。高炉配料正经历着从用块矿代替球团矿的模式[3]向使用大比例球团矿模式[4]的转变。

1 现状

安钢2 800 m3高炉设计出铁口3个，30个风口，采用串罐式无料钟炉顶，卡鲁金顶燃式热风炉，联合软水密闭循环冷却，第一代炉役于2007年6月28日点火开炉，2016年9月20日打水降料面停炉大修，由原来的陶瓷杯水冷炉底改为陶瓷垫水冷炉底，并对部分冷却壁进行了更换，对风口平台进行了拓宽改造，第二代炉役于2016年11月28日点火投产[5]。

安钢现有3台烧结机（1×360 m2、1×400 m2、1×500 m2），正常生产模式下，可实行炉机匹配供料，其中360 m2烧结机主供2 800 m3高炉。随着环保形势日趋严峻，特别是进入2019年以来，按照环保管控要求，几乎每个月都会有1 - 2台烧结机停机限产，烧结矿产能的不足导致原有的炉机匹配供料模式被打乱，2 800 m3高炉经常被迫减风、减氧控制冶炼强度，甚至休风待料，对高炉的生产组织造成了很大影响。随着烧结机停机限产的常态化，以往的大比例烧结矿的炉料结构模式已不能满足高炉生产需要。为了应对环保季烧结机停限产的局面，安钢2 800 m3高炉逐步改变原有的炉料结构，大幅度提高入炉球团比例。

1.1 近年来安钢2 800 m3高炉炉料结构

安钢2 800 m3高炉近几年的炉料结构以“高碱度烧结矿+球团矿+块矿”为主，烧结矿比例为71%～78%，球团矿比例为8%～14%，块矿比例为13%～17%，详见表1。

表1 安钢2 800 m3高炉2015年—2019年上半年炉料结构

从2015年开始，安钢2 800 m3高炉炉料结构中烧结矿比例逐年下降，烧结矿比例从2015年的77.67%降到了2019年上半年的71.44%，烧结矿比例降低了6.23%；球团矿比例逐年升高，球团矿比例从2015年的8.87%升高到2019年上半年的13.94%，球团矿比例升高了5.07%。随着环保形势的日趋严重，特别是2016年以后，安钢2 800 m3高炉配料结构模式已经逐渐开始了提高球团矿比例，但提高幅度不是很大。

1.2 国内使用大比例球团矿现状

发展大比例高品质球团矿为主的高炉炉料结构不仅是安钢绿色发展的需要，也是我国未来高炉炼铁合理炉料结构的发展趋势[6]。目前，我国已有部分高炉实现了较高比例的球团矿入炉。其中，首钢京唐钢铁联合有限责任公司球团矿的使用比例达到了57.55%，八钢高炉球团矿的使用比例高达80%[7]。国内部分钢铁厂的高炉炉料结构见表2。

表2 国内部分钢铁厂高炉炉料结构

1.3 国外使用大比例球团矿现状

北美25座高炉中13座高炉使用100%球团矿，其他12座高炉球团矿比例为51%～99%。南美巴西某钢铁厂2座3 284 m3高炉使用40%球团矿；欧州瑞典SSAB厂高炉，使用100%球团矿；荷兰艾默伊登厂高炉球团矿比例为60%；塞尔维亚钢厂使用75%～100%球团；俄罗斯下塔吉尔钢铁厂高炉使用53%球团矿；亚州日本某高炉使用70%球团矿[8]。

全球的大比例球团矿生产实践表明，各种不同比例的球团矿，甚至包括100%球团矿，都可以在高炉冶炼条件下稳定运行。

2 球团矿与烧结矿理化特性对比

2.1 球团矿特点

与烧结矿相比，球团矿具有品位高、气孔度低、FeO含量低、冷强度好、自然堆角小等特点。同时，球团生产工序能耗较低，污染物排放量少。据统计，钢铁行业中球团工序的SO2排放量仅为烧结工序的1/8，NOX的排放量仅为烧结工序的1/32，烟粉尘排放量仅为烧结工序的2/11。但是，由于体积膨胀，球团矿的热还原强度较差。

2.2 烧结矿与球团矿成分及软熔性能比较

安钢2 800 m3高炉当前主要使用的烧结矿和球团矿成分见表3，荷重软化及熔滴性能见表4。

表3 烧结矿及球团矿成分

从表3可以看出，安钢2 800 m3高炉使用的球团矿的品位均在60%以上，比烧结矿品位高5%～11%；球团矿的Al2O3含量比烧结矿的低0.6%～1.6%，其中球团1为镁质球团，球团2为碱性球团。

从成分上看，由于球团矿品位较高，提高球团矿比例，可以提高入炉品位，降低入炉焦比和燃料比。由于球团矿的Al2O3含量较低，提高球团矿比例，可以降低渣中的Al2O3含量，提高炉渣的脱硫能力，改善炉渣的流动性。

表4 烧结矿与球团矿荷重软化及熔滴性能[9]

从表4可以看出，软熔性能方面，球团矿与烧结矿荷重软化温度（T10）及软化温度区间（T40－T10）相差不大；滴落性能方面，球团矿滴落开始温度为1 390～1 450 ℃，比烧结矿的低50～120 ℃，球团矿熔滴温度区间为124～150 ℃，比烧结矿窄44～128 ℃，其中球团2为碱性球团，其熔化温度较酸性球团高，与烧结矿接近，特性值Sn远低于酸性球团3。从荷重软化及熔滴性能看，球团矿的熔滴温度区间比烧结矿的窄，提高球团矿比例，有利于改善高炉透气性。

3 提高球团矿比例过程

安钢2 800 m3高炉于2019年6月20日开始逐渐提高球团矿比例，球团矿使用的是酸性球团矿，9月24日后改用碱度大于0.80的熔剂性球团。

安钢2 800 m3高炉提高球团矿比例，分为几个阶段：

（1）2019年6月20日－7月18日，烧结矿比例降至66%，球团矿比例提高到20%，块矿比例为14%。期间炉料结构比较稳定，但是从7月9日起，由于高炉压差升高，煤气利用率开始下降，高炉退负荷。煤气利用率随着焦炭负荷的降低而降低，如图1所示。

图1 6月20日－7月18日煤气利用率随焦炭负荷变化趋势

（2）7月19日－2019年8月23日，因烧结矿产能有所缓解，把烧结矿比例提高到了70%，把球团矿降到了15%，煤气利用率逐渐恢复到48%以上。然后把球团矿比例提高到了20%，结果煤气利用率又开始下降，把球团矿比例降到了15%后，煤气利用率恢复到了48%以上，如图2所示。

（3）8月24日－9月23日，烧结矿配比约为63%，球团矿比例约为21%，块矿比例为16%左右。9月中下旬随着新一轮环保管控的开始，360 m2烧结机产量急剧下降，9月下旬360 m2烧结机停机。由于烧结矿紧张，2 800 m3高炉被迫增加落地烧结矿比例，落地烧结矿含粉高，同时把焦炭负荷从4.70降到4.33，煤气利用率均呈下降趋势，如图3所示。

图3 8月24日－9月23日煤气利用率随焦炭负荷变化趋势

（4）9月24日－12月，球团矿比例逐月提高，从22%提高到34.5%。煤气利用率从44%升高到47%。煤气利用率随着球团矿比例的提高而升高，两者基本呈正比关系，如图4所示。

图4 2019年9月－12月煤气利用率随球团矿比例变化趋势

（5）2020年1月1－12日，烧结矿比例为52%左右，球团矿比例稳定在35%，块矿比例约为13%，炉料结构比较稳定。由于环保限产，从12月下旬起，每天只有一台烧结机生产，因烧结矿严重不足，高炉大量使用外购落地烧结矿，落地烧结矿含粉较高，入炉后压差升高、顺行变差，焦炭负荷从4.23降低到3.87，风量从5 100 m3/min降到4 900 m3/min，煤气利用率从47%降低到46.6%，如图5所示。

图5 2020年1月1日－1月12日煤气利用率随焦炭负荷变化趋势

（6）2020年1月13－25日，烧结矿比例为46.7%，球团矿比例稳定在47%，块矿比例为6.3%。炉料结构比较稳定，煤气利用率随焦炭负荷的升高而升高，如图6所示。煤气利用率从46.04%升高到了49.72%，比6月1－19日的煤比利用率的平均值49.68%高0.04%，成功实现了大比例球团矿在安钢2 800 m3高的炉应用。

图6 2020年1月13日－1月25日煤气利用率随焦炭负荷变化趋势

4 调整措施

4.1 送风制度

由于球团矿的自然堆角小，滚动性好，布料时易向高炉中心滚动，随着球团矿比例的提高，会导致高炉中心负荷过重、气流不稳，进而抑制高炉中心气流发展。为了减少大比例球团矿对中心煤气流的影响，随着球团矿比例的增加，在下部送风制度上，安钢2 800 m3高炉采取调整压差及风口直径、长度的方式来促进中心气流发展、活跃炉缸。

4.1.1 压差

随着球团矿比例的不断提高，加之烧结矿落地烧结矿比例的增加，高炉的压差逐步升高，为保持正常风量，确保吹透中心，参考兄弟企业的同类型高炉压差控制，安钢2 800 m3高炉逐步提高压差水平，压差由165 kPa提高到185 kPa，如图7所示。

图7 安钢2 800 m3高炉压差随球团矿比例变化趋势

4.1.2 风口尺寸调整

为了进一步吹透中心，活跃炉缸，减轻球团比例提高后对中心气流的影响，通过风口尺寸调整，有效提高了鼓风动能。9月24日调整了5个风口直径，风口面积缩小了0.012 6 m2，增加了2个风口长度，实际风速从268 m/s提高到了284 m/s，理论风速从246 m/s提高到了257 m/s，鼓风动能从122.06 kJ/s提高到了146.59 kJ/s；12月13日调整了4个风口直径，风口面积缩小了0.003 9 m2，增加了1个风口长度，实际风速从276 m/s提高到了279 m/s，理论风速从256 m/s提高到了260 m/s，鼓风动能从139.65 kJ/s提高到了144.14 kJ/s；2020年1月21日调整了1个风口直径，风口面积缩小了0.001 8 m2，调整了7个风口长度，实际风速从280 m/s提高到了286 m/s，理论风速从265 m/s提高到了269 m/s，鼓风动能从146.55 kJ/s提高到了154.84 kJ/s。风口调整情况见表5。

表5 安钢2 800 m3高炉风口调整情况

4.2 装料制度

为了减少球团矿比例增加对中心气流的影响，随着球团矿比例的不断提高，对矿石和焦炭布料矩阵进行了调整：通过布料平台外移开放中心气流，以减少球团矿对中心的抑制和向边缘滚动的幅度（见表6 ）。上部装料制度的调整配合下部对送风制度的调整实现了边沿气流和中心气流的合理分布，保证了炉况的稳定顺行。

表6 安钢2 800 m3高炉布料矩阵调整情况

4.3 热制度

为了活跃炉缸，制定了铁水物理热和铁水含[Si]控制标准，铁水物理热控制在（1 510±10） ℃内，铁水[Si]含量控制在0.30%～0.50%，在实际生产中按上限控制。

4.4 造渣制度

4.4.1 碱度调整

为保证炉渣良好的流动性和脱硫能力，2 800 m3高炉炉渣二元碱度一般控制在1.15～1.25倍，生产过程中会根据入炉硫负荷变化情况及时对炉渣二元碱度进行调整。随着环保压力日益增加，烧结机不定期开停机限产、焦炭结焦时间调整频繁，高炉外围原燃料条件的恶化直接导致高炉稳定性变差、煤气利用率降低、燃料比升高，高炉被迫降低焦炭负荷，焦比升高，焦炭带入高炉中的硫增加，硫负荷从4.44 kg/t升高至4.90 kg/t。为了改善炉渣的脱硫能力，逐步提高炉渣碱度，炉渣碱度从1.16提高至1.24，具体指标见表7。

4.4.2 镁铝比分段管控

在提高球团矿比例的过程中，由于烧结矿中的Al2O3含量波动较大，导致炉渣中的Al2O3含量波动较大，最高达到19.82% ，为了提高炉渣的稳定性和脱硫能力，根据东北大学沈丰满等[10]人的研究，制定了高炉渣适宜镁铝比分段管控方案：炉渣中Al2O3>18%时，高炉渣镁铝比控制在0.45～0.55；炉渣中Al2O3＝15%～17%时，高炉渣镁铝比控制在0.40～0.50；炉渣中Al2O3<14%时，不控制镁铝比。当Al2O3含量高时，在炉料中配加白云石调整炉渣镁铝比。

5 效果

通过对装料制度、送风制度、热制度和造渣制度的调整和控制，基本掌握了大比例球团操作的基本规律，成功实现了大比例球团矿的应用，球团矿比例的提高情况见表8。随着球团矿比例的不断提高，矿石入炉品位从57.70%提高到了60.88%，从2019年10月份以后，燃料比逐月下降，在环保管控越来越严的情况下，炉况稳定性较以往同期大幅提高，利用系数维持在了较高水平，且呈上升趋势，2019年6月－2020年1月高炉主要经济技术指标见表9。