高炉长周期稳定高效低耗生产实践

高 爽，张文政

（天津市新天钢联合特钢有限公司，天津 301500）

1 前 言

为了夯实钢铁行业发展过程的“双碳”基础，进一步推动高炉炼铁绿色建设，天津市新天钢联合特钢有限公司（以下简称联合特钢）针对高炉节能高效展开技术研究。传统高炉因炉况波动、设备损坏等容易引起休风，休风导致的开停炉频繁会造成高炉破损及高炉能耗增加。通过文献调研发现，大型高炉的降本增效技术应用成熟，宝钢、武钢、宝钢湛江等公司针对大型高炉指标较差的问题，均采取了加强原料管控、调整布料制度、改善煤气流分布、调整炉缸活跃状态等措施，降低了高炉的焦比、燃料比，促进了高炉低耗高效冶炼。

2 高效低耗生产措施

2.1 高炉原料质量控稳技术

高炉原燃料质量是影响高炉长周期高效低耗冶炼的关键因素。随着外围市场、原燃料价格及资源条件的波动与限制，高炉原燃料结构难以长期稳定。如何科学评价入炉原燃料质量是实现高炉稳定生产的一大难题。

联合特钢基于高炉不同炉料的实际粒级分布，建立了基于蒙特卡洛算法计算高炉炉料孔隙度的数学模型，构建了高炉单一原燃料焦炭、烧结矿和球团矿散堆料层的空隙度计算方法，结合无黏性流体动力学欧根方程，明晰了高炉单一原燃料散堆料层对压降损失的影响规律，形成了高炉原燃料空隙度及压降损失的三元等值线图。结果表明，焦炭的空隙度远好于烧结矿，烧结矿的空隙度好于球团矿。三种类别炉料的空隙度分布规律相一致。炉料的粒度分布越均匀，孔隙度越高，透气性越好。煤气流通过矿石的压降远高于煤气流通过焦炭的压降，焦炭、烧结矿和球团矿的平均压降值分别为16.7、82.2 和91.2 kPa。高炉炉料应确保将较小粒度的炉料质量分数控制在15%以下，同时增加较大粒度的炉料，确保高炉的透气性。基于此，建立了高炉焦炭、烧结矿及球团矿的分质分类评价标准，为高炉入炉原燃料的选择评价提供指导。

良好的高炉透气性是高炉低碳高效冶炼的基础。不同炉料结构及焦丁配比对高炉料层的透气性影响较大，同时矿焦混合层因焦炭和烧结矿/球团矿粒度差别大、空隙度低，透气阻力大，如何优化高炉炉料结构及高炉装料制度，是优化高炉技术经济指标的关键难题。

联合特钢基于高炉原燃料实际粒级组成，将焦炭分为25～40 mm、40～60 mm和60～80 mm三级，烧结矿分为5～1 mm、10～20 mm 和20～30 mm 三级，球团矿分为5～8 mm、8～12 mm 和12～16 mm三级，构建了多种原燃料混合条件下的散料堆空隙度计算模型。通过研究不同烧结矿、球团矿配比及焦丁配加量对高炉料层透气性的影响规律，明确了高炉合理的炉料结构。通过研究不同矿石批重及焦炭批重条件下矿焦混合层对高炉料层透气性的影响，研发了基于矿焦混合层优化调控为目标的大矿批高效冶炼新技术。结果表明，当球团矿与烧结矿混合时，其孔隙度近似呈线性变化。当混合料粒度较大时，孔隙度对料层透气性的影响起主导作用，反之则粒度起主导作用，球团矿的适宜比例为28%。在炉料结构中加入30～40 kg/t 的HM 的焦丁，有利于提高透气性。使用较大的矿石批量和焦炭批量都有利于提高高炉的透气性，焦炭批量增加或矿石批量降低10%，压降减少约10.8 kPa，高炉合理矿批为55 t。建立高炉运行反馈机制，高炉运行不畅时，及时反馈高炉运行情况至烧结矿生产车间，烧结车间依据高炉生产情况及时调整生产参数，通过改善烧结矿有害元素等措施维护高炉的稳定顺行[1］。

提高块矿入炉比例有助于高炉低成本绿色低碳冶炼。受到块矿含水量高、含粉量等特点影响，高炉块矿加入量受到制约。如何降低块矿含水量，避免粉末容易黏附在块矿表面影响高炉的透气性，是制约高比例配加块矿的关键难题[2］。

全外矿粉烧结时，烧结矿氧化铝含量高，会导致高炉渣中氧化铝含量较高，炉渣的流动性降低。在烧结矿中添加氧化镁可以避免氧化铝影响。联合特钢通过在球团矿中添加MgO 开展高镁球团矿生产技术研究。自2020 年1 月开始采用高镁球团以来，平均球团品位62.38%，最大MgO 含量达到1.52%，高炉入炉球团质量稳定性提高。

2.2 高炉装备维护标准化及低休风率管控技术

高炉装备长期面临高温环境，受到高温气流冲击等容易造成损坏。设备损坏所引起的高炉休风会提高高炉冶炼能耗。如何提高高炉设备使用寿命，降低设备损坏对高炉休风的影响是实现高炉低耗冶炼的关键难点。

联合特钢进行高炉长周期探索实践之前，高炉检修周期只有2～3个月。高炉检修频繁导致高炉休风率较高，严重影响高炉生产。经过对高炉频繁检修原因的探索，确定关键装备的使用寿命是联合特钢高炉检修周期短的主要原因。为延长高炉检修周期，降低休风率，联合特钢深挖高炉辅助装备存在的问题，并针对问题积极改建，实现了高炉装备使用寿命一体化延长。针对料车衬板、中间仓衬板、翻板、料罐衬板等不耐炉料磨损等问题，联合特钢采用陶瓷材质对衬板进行升级改造，显著提高了衬板耐磨性能，大幅延长了使用寿命。经过排查分析，上下密部位的密封胶圈是造成联合特钢高炉休风的关键因素。对上下密胶圈进行材质升级，选用硅胶材质，实现了使用寿命由2～3个月延长至8个月以上，休风率降低至0.5%。

2.3 研发可视化氧枪

高炉开铁口时热量不足容易在铁口区域形成凝固的渣铁壳，造成铁口堵塞。如何提高高炉开停炉效率，避免铁口堵塞，防止渣铁在炉内堆积引发安全事故，是实现高炉高效低耗生产的关键难题。

铁口采用煤气导出管的方式，在高炉送风后，铁口区域只能依靠炉内产生的热风从预先埋入铁口的导出管喷出来加热铁口区，尽管炉缸内的煤气导出管采取了保护措施，还是难以避免有小颗粒的炉料堵死导出管，造成炉内的热气流无法喷出，铁口区没有加热，导致开炉后新产生的渣铁本身热量不足，很容易在铁口区产生凝结的渣铁壳，造成第一次铁无法排出，进而导致高炉憋风。如果人工烧铁口无法及时把铁口前方的凝结壳烧开，产生的渣铁会一直在炉缸内积聚，严重时可能会造成风口烧穿的恶性事故，高炉只能不断减风维持，严重阻碍开炉进程。所以，煤气导出管方式本身存在问题和限制，需要从根本上改变这种方式。

使用氧枪开炉是一种可行的替代方式。联合特钢通过技术研发，自制了两节式构造氧枪，深入铁口内的为内节，以外的部分为外节，内节不可回收，外节可以回收，且在高炉需要出铁时可以直接切断外节，容易控制铁口状态。氧枪带有观察孔和流量计，能够通过观察孔直接查看氧枪前的燃烧状态。根据开炉后不同的压力阶段和氧枪前的燃烧状态准确调整配比，保证氧枪既不被堵塞，也不会被烧毁。

2.4 高炉炉缸活跃状态监控系统

联合特钢创新研发了基于渣铁滞留的高炉炉缸透液性监控平台。首次提出以渣铁穿焦流动阻力为核心的炉缸透液理论体系，自主研发以高度还原高炉渣铁穿焦过程为核心的高温模拟装置，探索形成以调控渣铁滞留指数为核心的炉缸透液性调控技术，创新开发以实时监测炉缸透液性为核心的监控平台。

高炉炉缸透液性是高炉操作者关注的重要指标之一，与高炉长周期稳定顺行密切相关。由于高炉炉缸透液性影响因素众多，传统的炉缸透液性状态评价方法不统一，多因素非线性强耦合条件下使得炉缸透液性难以准确评估。如何对高炉炉缸透液性进行科学系统评价，是高炉长周期稳定顺行的关键。

针对高炉炉缸透液性理论基础薄弱的问题，基于多孔介质模型，首次提出渣铁穿焦流动阻力为研究核心的高炉炉缸透液基础理论，量化表征并解析了炉缸活跃状态及其影响因素，为高炉高效低碳生产表征炉缸活跃程度提供新方法和理论依据。针对无法量化表征高炉参数对炉缸透液性影响潜力的问题，基于高炉解剖实地勘察，自主研发模拟渣铁穿焦试验装置，探明高炉炉缸渣铁焦间物相组成及时空多尺度特征，明确渣相组分、焦炭性状对高炉透液性的协同作用规律，修正高炉炉缸透液理论公式，实现高炉炉缸活跃状态的定量化科学性评估。结果表明，高炉铁水温度、焦炭粒度、焦炭性能、炉渣成分对渣铁滞留率起着至关重要的作用，各因素对渣铁滞留率的影响程度为：铁水温度＞CSR＞焦炭粒度＞CRI＞炉渣碱度＞镁铝比，铁水温度贡献度为36%，CSR贡献度为26%。高炉冶炼参数对渣铁滞留量的影响潜力响应顺序为：风量＞铁口深度＞风温＞风压＞喷煤量＞氧气量，风量贡献度为31%，铁口深度为26%。

高炉炉缸可视化程度低，高炉实际生产过程中炉缸状态参数无法实时在线监测，炉缸透液性调控一般采用生产经验进行调整，且调控技术具有显著的滞后性。针对调控后效果难以及时评判，系统开发高炉炉缸透液性调控技术，并对炉缸透液性进行实时监控和提前预判，是高炉冶炼亟须解决的难题。

针对高炉生产炉缸透液性调控不成体系的问题，明确原料粒度组成及渣铁成分对料柱空隙度及渣铁流动性的定量关系，解析高炉鼓风参数对死料柱大小的影响规律，形成集成非中心加焦布料、低镁铝比冶炼及高富氧高风速大动能强化冶炼操作为一体的以调控渣铁滞留率为核心的炉缸透液性调控技术。针对高炉炉缸透液性表征使用实际生产经验和间接指标严重滞后的问题，基于高炉传热学、数值模拟、人工智能算法等理论和技术，建立了协同炉缸活性分级评价、监测预警、响应反馈等多功能集成的高炉透液性监测预警平台，实现高炉炉缸透液性的在线实时监控、提前预判及调控。结果表明，高炉以“发展中心气流，稳定边缘气流，两头疏导”作为调整原则，从上部装料制度与下部送风制度上不断进行优化调整，稳定平台、拓宽漏斗，在炉况稳定顺行基础上确保煤气流的合理分布，炉缸透液性指数提升15%以上，高炉燃料比降低34 kg/t的HM。开发了高炉炉缸透液性监测预警功能及响应反馈功能，高炉塌料、滑料、管道行程等异常炉况发生频率由28 次/月降低到3 次/月，显著提高了高炉抗波动能力，保障了高炉稳定顺行。

3 结 语

联合特钢以实现高炉长周期稳定高效低耗运行为核心，开展高炉合理原燃料结构、高炉装备维护标准化及低休风率管控技术、高炉炉缸活跃状态监控系统等方面研究。通过一系列关键技术的应用，解决了高炉入炉原燃料不稳、检修周期短、煤气利用率低、炉缸活跃状态不明等问题，实现了高炉长周期稳定高效低耗冶炼。研究成果成功应用于联合特钢3座1 080 m3高炉。主要实施效果有以下3方面。

（1）实现了焦炭、烧结矿及球团矿成分与粒度的稳定；块矿含水量由3%～5%降低至0.6%，提高了块矿入炉比例；研制了高镁球团，球团MgO 含量达到1.33%～1.41%；高炉有害元素负荷降低，K负荷稳定在1.6 kg/t 以下，Na 负荷持续降低至0.9 kg/t左右，Zn负荷稳定在0.2 kg/t。

（2）高炉装备使用寿命显著提高。高炉检修周期由原来的2～3个月延长至6～9个月。研发的可视化氧枪，显著提高了开停炉效率。高炉休风率由1.02%降低至0.5%。研究成果实施以后，高炉焦比下降35.17 kg/t，煤比提高19.52 kg/t，燃料比下降15.65 kg/t，为522.42 kg/t。

（3）联合特钢高炉在进行长周期稳定高效低耗技术改进之后，高炉成本显著降低，取得良好结果。