修鹤
(河钢集团承钢公司炼铁事业部，河北承德067002)
摘要: 研究了富氧率对大高炉冶炼钒钛磁铁矿的影响规律，认为稳定风量的富氧方式是高产能高炉选择的较好富氧模式。在实际生产中通过优化送风制度、装料制度、热制度、造渣制度和操作细节等措施，使钒钛磁铁矿大高炉实现了长周期稳定、高炉经济技术指标进一步改善。
关键词: 高炉；钒钛磁铁矿；富氧率；稳定风量；操作制度
0 引言
高炉富氧技术是当今世界钢铁工业增产节焦的重要技术。富氧可以提高煤粉在高炉风口前的燃烧率，维持合适的理论燃烧温度，增加喷煤量，从而实现以更多的廉价动力煤粉代替价高的冶金焦，降低生铁成本中的燃料费用。并且在高炉冶炼过程中，富氧可以提高高炉生产率，增加产量，获得显著经济效益。可见提高富氧率和煤比已成为河钢承钢高炉增产节焦、提高效益的潜力所在。为了进一步改善高炉冶炼的效果、降低生铁成本，对2 500 m3 高炉富氧进行系统研究，具有重要的实际意义。
1 理论研究
高炉富氧鼓风可概括为3 种操作方式: ( 1) 保持风量不变，提高氧气配入量，即稳定风量的富氧操作; ( 2) 增加氧气配入量，减少风量，以维持炉腹煤气量稳定，即稳定炉腹煤气量的富氧操作; ( 3) 保持氧气量不变，通过减少风量以应对炉内压差升高，使压差相对稳定以维持炉况顺行，即稳定压差的富氧操作。高炉炼铁中，高产能及经济效益是在炉况稳定前提下实现的，而不同的富氧操作方式对炉况稳定及高产能的影响存在差异［1，2］。因此，有必要研究不同富氧操作方式对高炉冶炼的影响规律。相关理论研究得出如下结论:
①稳定风量的富氧操作方式，不同于传统上的“减风富氧”的操作方式，虽然两者均以提高高炉产量为主要目的，但两者的技术着眼点完全不同。对于炉内物质流的增大问题，前者重视“化解”，而后者则注重“抑制”。
②以“减风富氧”为特征的稳定炉腹煤气量或者稳定压差的富氧操作方式，虽然能抑制炉腹煤气量，但它们的风口回旋区工作状态以及滴落带状况等很难满足高物质流高炉的顺行要求。特别是稳定压差的富氧操作方式更不可取。
③稳定风量的富氧操作方式下，尽管炉腹煤气量相对大，但它具有高的鼓风动能、良好的回旋区工作状态以及滴落带透气、透液通道增加等特征，对化解炉内物质流增大等高产能、高炉顺行问题有重要作用，是高产能高炉选择富氧操作的较好方式［3］。故采用稳定风量的富氧操作方式。
1． 1 不同富氧喷煤条件对理论燃烧温度的影响
当鼓风量不变时，提高鼓风富氧率，风口前燃烧的碳量增加，理论燃烧温度随之升高。稳定较高的富氧量和高风温，不但可以保证大喷煤所需要的适宜的风口前理论燃烧温度，提高煤粉燃烧率，而且可对炉内的成渣带产生较大影响［4］。
理论燃烧温度经验公式如式( 1) 所示:
t理= 1 570 + 0． 808T风温－ 5． 85W湿度+ 4． 37W氧量－ 2． 5W煤 (1)
式中，T风温———热风温度，℃;
W湿度———鼓风湿度，g /m3 ;
W氧量———1 000 m3 风中的富氧量，m3 ;
W煤———1 000 m3 风中喷煤量，kg。
提高富氧率后，炉缸理论燃烧温度升高。当焦比、煤比不变，高炉冶炼其他参数不变时，鼓风富氧率增加1%，理论燃烧温度升高43 ℃。而喷煤使理论燃烧温度下降，如果保持理论燃烧温度不变，喷煤量增加10 kg /t，鼓风富氧率应增加0． 57%。因此，为保持合理的理论燃烧温度必须增加喷煤量［5，6］。
根据高炉经验及理论计算，目前高炉理论燃烧温度维持在2 250 ～ 2 300 ℃，炉况基本稳定顺行。若理论燃烧温度维持2 250 ～ 2 300 ℃，富氧稳定至2%，煤比必须提高至125 ～ 135 kg /t; 富氧提高至2． 5%，煤比应该提高至135 ～ 145 kg /t; 富氧提高至3%，则煤比必须达到145 ～ 155 kg /t。
1． 2 富氧量对直接还原度的影响
不同富氧喷煤条件下直接还原度的确定，单从富氧对直接还原度的影响看，富氧既有利于间接还原发展的一面( CO 浓度增加) ，也有不利于间接还原发展的一面( 中温区700 ～ 1 000 ℃缩短，炉料在中温区停留时间缩短) ，2 个方面作用的结果，使直接还原度略有上升。富氧鼓风往往与高炉喷煤相结合，使得炉内煤气还原势大为增加，从而影响炉内的间接还原和直接还原［7］。不同喷吹条件下，直接还原度的经验计算公式如式( 2) 所示:
γd = γ0d × 10－Sλ ( 0．684 + 0．01t0．5B) /( 0． 96 + 4φ) (2)
式中，γ0d———基准期的值;
S———还原性物质的喷吹量，m3 ( kg) /kg;
φ———鼓风湿度，m3 /m3 ;
tB———热风温度;
λ———表明喷出物化学成分的系数。
根据经验公式，结合目前生产条件下富氧率对高炉喷吹煤比的影响，得出随着富氧率的上升，喷吹量增大，直接还原度下降，间接还原改善。
1． 3 对炉腹煤气量的影响
风口前生成的煤气离开循环区直接进入炉腹，所以炉腹煤气量XBG就是循环区形成的煤气量，即炉腹煤气量数值上等同于燃烧带生成的煤气量。
1． 3． 1 富氧后最大炉腹煤气量的确定
高炉炉腹煤气量是保证高炉顺行和强化的重要指标，炉腹煤气量过大，透气阻力过大，高炉容易发生管道、悬料等生产事故。炉腹煤气量计算公式如式( 4) 所示:
VBG = 1． 2VB + 2V氧+ 44． 8WB × ( VB + V氧) /18 000+ 22． 4PcH/120 (4)
式中，VB———纯风量，Nm3 /min;
V氧———富氧量，Nm3 /min;
WB———湿份，g /Nm3 ;
PC———喷吹煤粉量，t /h;
H———煤粉中［H］含量，%。
炉腹煤气指数XBG的定义如式( 5) 所示:
XBG = 4VBG /( πd2 ) (5)
式中，VBG———炉腹煤气量，m3 /min;
d———炉缸直径，m。
在良好的操作条件下，各厂操作较好的高炉炉腹煤气量指数均在58 ～ 66［8］。通过高炉炉内流态化和液泛分析，在理想操作状态下，最大炉腹煤气量指数限制在71． 0 以内。当最大炉腹煤气量指数达70 时，计算得高炉的最大允许炉腹煤气量为7 200m3。2 500 m3 高炉目前炉腹煤气量6 500 m3 左右，炉腹煤气指数一般在62 ～ 64。可见2 500 m3 高炉炉腹煤气进一步增大的潜力很大，即提高富氧的潜力很大。
1． 3． 2 富氧率对炉腹煤气量的影响
炉腹煤气量随富氧率的变化规律如图1 所示。
保持鼓风量不变，随鼓风中富氧率的提高，高炉单位时间内产生的炉腹煤气量增加，当富氧率0 ～1． 5%时，富氧率每提高1%，单位时间生成的炉腹煤气量平均增加3． 08%。当富氧率1． 5% ～2． 5%时，富氧率每提高1%，单位时间生成的炉腹煤气量平均增加2． 77%。当富氧率2． 5% ～3． 5%时，富氧率每提高1%，单位时间生成的炉腹煤气量平均增加1． 15%。
随着富氧率的提高，送入高炉炉内的氧气总量增加，此时高炉需要提高冶炼强度，增加生铁产量。
由于鼓风氧气浓度的增加，炉腹煤气中的CO 浓度提高，从而提高了单位体积和单位生铁的炉腹煤气的热能和化学能，既满足冶炼单位生铁热能和化学能的需要，又为降低单位生铁需要的炉腹煤气量创造条件。因此高炉炉腹煤气量增加，但生铁产量较煤气产量增加速度更快，单位生铁的煤气产量仍会随着富氧率的增加而减少，如图2 所示。
综上可知，应该采取必要的措施使炉腹煤气量接近最大值。已经接近最大值时，应为高炉创造必要的条件，采取减少吨铁炉腹煤气量措施，保持炉况稳定和顺行，达到高产。
2 高炉提高富氧率操作
坚持“以下部调剂为主，上部调剂为辅”，优化高炉操作制度，保证高炉提高富氧率后，高炉指标进一步优化。
2． 1 送风制度关键技术
( 1) 在保证风量不变的前提下提高富氧、煤比，均使炉缸生产的煤气体积增大( 富氧提高1%，煤气量变化能增加0． 83%) ，故在提高富氧率及喷煤比的情况下，各高炉根据煤气量变化适当扩大风口面积。富氧率由1． 91%提高至3． 0%左右时煤气的体积变化如表1 所示。
随着富氧率提高，风口前理论燃烧温度上升，煤气体积膨胀，炉缸径向温度梯度徒增。在通过增加喷煤量降低风口前理论燃烧温度的同时，为保证合理的鼓风动能，高炉风口面积扩大2． 27%，高炉实际风速维持在270 m /s 以上，鼓风动能在13 000 kJ /s以上，顶压由原来的235 kPa 提高至240 kPa，保证了合理的炉缸煤气流初始分布，同时炉缸的活跃程度得到明显改善。
2． 2 装料制度关键技术
( 1) 借鉴2015 年2 500 m3 高炉提产攻关经验，在高炉冶强大幅度提高的情况下，当前装料制度模式无法满足高冶强生产，通过扩大矿批及增大布料带宽来稳定中心煤气流，具体如表2 所示。
2016 年3 座2 500 m3 高炉均实现了3%的富氧率。主要制度如表3 所示。
随着富氧率提高，高炉产量、煤比大幅度提高，高炉焦比降低，料柱透气性下降，边缘气流发展。装料制度主要调整方向为向外扩角，最外环错档位，来稳定边缘气流，发展中心。
通过优化“平台+ 漏斗”装料制度，增加了矿石环带宽度，在炉喉部位形成布料平台。同时加重边缘负荷，抑制边缘煤气流，稳定煤气流分布，保持煤气利用率在48． 5% 以上，炉内间接还原改善，直接还原降低，有效抑制了TiO2的过还原。
2． 3 热制度与造渣制度关键技术
提高富氧后，高炉产量增加，吨铁热收入减少，必须保证炉缸热量充沛。因高炉冶炼钒钛矿的特殊性，入炉原料中含有大量的TiO2，在高炉内硅和钛都是较难还原的元素，其还原均需要消耗大量的热量，故以铁水［Si + Ti］作为冶炼钒钛铁高炉热状态的标准［9］。为确保铁水质量及工艺安全，降低铁水［Si + Ti］必须以保证铁水物理热为基础［10］。
由表4、表5 可知，Ti( C，N) 数量随温度的升高而增多，且钛的溶解度随温度的升高而增加。因此，随铁水温度不断降低，铁中金属钛不断析出，在铁水碳饱和条件下形成TiC 集中在铁滴表面。为了降低生铁［Ti］，必须提高铁水物理热，提高炉缸热储备。通过对上下部操作制度的优化，使高炉达到了上稳下活的工作状态，推行低硅钛冶炼，炉渣碱度由2015 年的1． 15 提高至2016 年的1． 20，铁水物理热由2015 年的1 465 ℃提高至了2016 年的1 475 ℃，铁水［Si + Ti］均值由2015 年的0． 351% 降低至了2016 年的0． 290%。
2． 4 冷却制度关键技术
通过“稳定中心，抑制边缘煤气流”的操作制度，形成了“炉体超低热流强度”控制技术。其核心是“全炉热流强度为11 000 w /m2，铜冷热流强度21 000 w /m2”，维护了高炉合理的操作炉型，为高炉的稳定、长寿创造了良好的条件。冷却制度优化效果如表6 所示。
2． 5 出渣出铁管理制度关键技术
为保证低硅钛低硫冶炼，必须降低渣铁在炉内滞留时间，对出铁出渣提出更加严格的要求，故高炉进行以下方面的管理。
(1) 冶强大幅度提高，提高富氧初期保持铁次不变，适当扩大钻头，大高炉铁流速增加4% ～ 6%。
(2) 铁量增加后，铁口及渣铁沟侵蚀程度较之前严重。
①炉前加强点检，每班至少点检2 次，杜绝炉前事故的发生。
②完善各高炉的渣铁沟浇注方法，并优化浇注料，提高铁沟通铁量，延长倒场时间，减少修补次数。
(3) 根据高炉生产需要，提高泡泥质量，稳定铁口深度、铁口孔径。
(4) 根据高炉铁量及炉前出铁出渣状况，制定出铁控制操作方针，保持合适的铁次，确保渣铁排出顺畅。
(5) 在出铁组织上严格执行《定点出铁制度》。
2． 6 实施效果
2 500 m3 高炉提高富氧率前后主要经济技术指标如表7 所示。
3 结论
(1) 提高煤比稳定风口前理论燃烧温度，保持高炉实际风速在270 m /s 以上，鼓风动能在13 500kJ /s 以上，同时风口面积扩大2． 27%，保证了合理的炉缸煤气流初始分布。
(2) 优化“平台+ 漏斗”装料制度，布料角度最外环错档位、拉大带宽，同时扩大矿批、加重边缘负荷，抑制边缘煤气流，保持煤气利用率在48． 5%以上。
(3) 富氧率提高后，推行高碱度低硅钛冶炼，炉渣二元碱度由2015 年的1． 15 倍提高至2016 年的1． 20 倍，铁水物理热由2015 年的1 465 ℃ 提高至2016 年的1 475 ℃，铁水［Si + Ti］均值相应地0． 351%降低至0． 290%。
(4) 通过“稳定中心，抑制边缘煤气流”的操作，控制全炉热流强度13 000 w /m2，铜冷热流强度23 000 w /m2，维护了高炉合理的操作炉型，为高炉的稳定、长寿创造了良好的条件。
(5) 富氧率提高后，高炉产量提高，采取扩大钻头、铁流速增加4% ～ 6% 的措施; 当扩大钻头不能满足高炉生产需要时，出铁铁次增加至13 次以上，并严格执行《定点出铁制度》，确保及时出净渣铁。
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