鞍钢5号2580 m3高炉布料参数研究
2021-03-01邵思维谢明辉何冲车玉满姜喆
邵思维，谢明辉，何冲，车玉满，姜喆
（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009）
装料制度即通过调整高炉各环位的角度、布料圈数以在高炉炉喉径向上形成具有不同的布料平台宽度、料层厚度、径向O/C比分布等参数的特定料面形状，进而调节高炉块状带煤气分布及软融带特性，最终达到稳定合理的煤气利用结果。上部装料制度是高炉操作的核心。但由于高炉影响因素复杂，实验室难以有效模拟布料参数对高炉参数的影响，且实际生产中，布料平台宽度通常仅小幅调整，持续时间短，数据量庞大，噪声多，难以满足研究条件。因此，目前对装料制度参数的研究主要停留在理论阶段。
随着鞍钢股份有限公司炼铁总厂 （以下简称“炼铁总厂”）高炉大数据的建立，收集了5号高炉（2580 m，炉喉直径 4.1 m）自 2019 年开始，历时一年的高炉布料逐步调整数据，并结合鞍钢自行开发的计算程序，研究了布料参数对高炉指标的影响，本文对此做一介绍。
1 布料平台宽度计算方法
本研究采用鞍钢实际激光测料面验证效果较好的公式进行计算。
1.1 炉料落入溜槽前速度
炉料进入溜槽前的初速度见公式（1）。
v
为落入溜槽前的料流初速度，m/s；F
为实测炉料出节流阀时的流量，m/s；S
为节流阀投影面积，m；l
为节流阀周边边长，m；d
为炉料平均粒度，m。当炉料与溜槽碰撞后，炉料的运动速度会有一定程度的损失，见公式（2）。
v
为炉料落入溜槽后的初速度，m/s；λ
为速度损失系数。1.2 炉料落入溜槽后速度
炉料离开溜槽时的末速度见公式（3）。
v
为炉料离开溜槽时的速度，m/s；l
为溜槽有效长度，m；g为重力加速度，m/s；α
为溜槽倾角，°；μ
为炉料与溜槽摩擦系数；w
为溜槽角速度，rad/s。
L
为溜槽长度，m；e
为溜槽倾动距，m。1.3 炉料在空区的运动
炉料离开溜槽后，受重力和煤气阻力作用做斜下抛运动。有研究表明，与重力相比，煤气阻力很小，因此，本研究忽略煤气作用。炉料落点与高炉中心点距离见公式（5）。
r
为炉料落点位置，m；t
为炉料离开溜槽后的下落时间，s；h
为溜槽末端至料线处的垂直距离，m。
1.4 布料平台宽度计算
考虑边缘矿石会向边缘滚动，布料平台最外落点定为贴近炉墙，平台最内落点为最小矿角落点，不考虑其向中心滚动的距离。布料平台宽度见公式（7）。
L
p为布料平台宽度，m；R
为炉喉半径，m；r
为最小矿角矿石落点距炉喉中心距离，m。2 高炉装料制度研究
2.1 装料制度调整过程
2019年5 号高炉提升了风量及产能，逐步将布料平台宽度由1.25 m缩短至0.86 m，装料制度调整过程见表1。期间风量按预期大幅提高，9月开始尝试矿石4环位布料，但4环布料后气流“跷跷板”现象明显,即中心和边缘气流反复此消彼长，两股气流均不稳定。后改回5环布料，布料平台宽度0.96 m，但随着平台宽度的缩短，燃料比升高了15～20 kg/t。
表1 高炉装料制度调整过程Table 1 Adjustment Process for BF Charging System
2.2 装料制度调整效果
依托高炉大数据系统，利用计算落点的编程程序进行计算处理，得出了以年度为阶段、日均值为单元的高炉制度参数与高炉指标关联推移图，具体见图1。
由图1可以看出，随着布料平台宽度的逐步缩短，高炉风量和综合焦比均有明显增加，如图1中①、②标记处。中心加焦比例和综合焦比也有较好的正相关性，但在时间上有1～3天的延时。且当中心焦比例和布料平台宽度同时同向调整时，即中心焦比例增加、布料平台宽度缩短，对综合焦比的影响非常明显，如图1中③标记处。
图1 高炉制度参数与高炉指标关联推移图Fig.1 Transition Diagram of Relationship between BF System Parameters and BF Indexes
3 布料平台宽度影响分析
3.1 布料平台宽度对风量的影响分析
高炉风量和布料平台宽度关系如图2所示，可以看出，风量和平台宽度存在较明显的关联性。当布料平台宽度在1.06～1.25 m范围时，缩短平台宽度，风量的提升效果最明显；当布料平台宽度小于1.06 m时，仍能提升风量但幅度减小。
图2 高炉风量和布料平台宽度关系Fig.2 Relationship between Air Volume and Width of BF Distribution Platform
无矿区理论认为，应保证无矿区占炉喉面积比在 45%～50%以上。本研究中，当高炉布料平台宽度大于1.2 m时，风量明显大幅下降；当平台宽度为1.2 m时，其无矿区占比刚好为50%，这与无矿区理论完全相符。鞍钢5号高炉无矿区占比较大，原因是其烧结矿粒度较小，所用东烧平均粒径仅18 mm，而西烧为21 mm。因此，5号高炉布料平台宽度极限范围应控制在0.9～1.2 m，且最佳平台宽度为1.1 m，无矿区占比53.5%，此时能保证风量及消耗达到最佳匹配。
3.2 布料平台宽度对综合焦比的影响分析
高炉布料平台宽度、热负荷、综合焦比的三维散点分布如图3所示。
图3 高炉布料平台宽度、热负荷、综合焦比的三维散点分布图Fig.3 Three-dimensional Spread-out Distribution Diagram of Width of BF Distribution Platform,Heat Load and Comprehensive Coke Ratio of BF
由图3可以看出，平台宽度小于1.06 m后，综合焦比波动区间增加，分布趋于分散，气流不稳定，“跷跷板”现象严重，炉况波动大；且随着平台宽度的缩短，炉体热负荷升高。
对高炉各制度阶段、不同布料平台宽度的指标参数进行阶段均值统计，并利用阶段均值进行综合焦比与平台宽度、中心焦比例的二元回归分析。高炉各制度阶段参数均值及二元回归预测值统计见表2。
表2 高炉各制度阶段的参数均值及二元回归预测值统计表Table 2 Statistical Table of Parameter Mean Values and Predictive Values of Binary Regression at Each Stage of Systems for BF
综合焦比与中心焦比例、布料平台宽度的二元回归结果为：
Y
为综合焦比，kg/t；X
为中心焦比例，%；X
为布料平台宽度，m。弃真概率P值为0.001。在未考虑其他因素的影响以及高炉大噪声特点的情况下，70%的拟合度已经能较好的模拟综合焦比与中心加焦及布料平台宽度之间的关系，其模型预测的焦比偏差在（-7～1）kg/t范围。经计算得出，布料平台宽度每减少0.1 m，焦比升高约2.51 kg/t。
4 结论
通过研究鞍钢股份有限公司炼铁总厂5号高炉布料参数与风量和综合焦比的关系得出：
（1）布料平台宽度在1.06～1.25 m范围时，缩短平台宽度，风量的提升效果最明显。小于1.06 m，仍能提升风量但幅度减小,且两股气流不稳定，“跷跷板”现象严重，炉况波动大。
（2）5号高炉布料平台宽度极限范围应控制在0.9～1.2 m，最佳平台宽度为1.1 m，无矿区占53.5%，此时能保证风量及消耗达到最佳匹配。
（3）布料平台宽度和综合焦比有较强的关联性，布料平台宽度每减少0.1 m，综合焦比升高约2.51 kg/t。
