王小艾¹，姜 鑫²，田晓文³，李 洋³，陈 俊³

( 1． 河钢集团钢研总院，河北 石家庄 050023; 2． 东北大学，辽宁 沈阳 110000; 3． 河钢集团宣钢公司， 河北 宣化 075100 )

摘要: 为解决 2 500m³ 高炉稳定性差、煤比低、焦比高的技术难题，早日实现提煤降焦，河钢宣钢与河钢钢研和东北大学合作，针对高炉冶炼过程中原燃料中碱金属及其行为、喷吹煤粉和焦炭性能以及矿焦混装方式等因素对高炉透气性的影响开展了全面研究。开发了高炉碱负荷 － 煤粉 － 焦炭的交互作用理论体系，并在 2500 m³ 高炉上进行了规模化应 用。结果显示: 高炉煤比提高 40 kg /t HM，焦 比 降 低33 kg /tHM，经济技术指标显著提高。

关键词: 高炉；碱金属；喷煤比；焦比

0 引言

长期以来，河钢宣钢 2 座 2500 m³ 高炉存在着压差高、喷煤比低、焦比高、炉况稳定性差的问题，尤其是高焦比、低喷煤比导致高炉经济技术指标与先进企业差距较大。经过多次攻关调整，整体经济技术指标与炉况稳定性得到一定改善，但仍不理想。

为突破技术瓶颈，河钢宣钢与河钢钢研和东北大学合作，针对炼铁原燃料性能、高炉透气性影响因素、碱金属 － 焦炭的相互作用机理及规律等开展了全面研究，明确了影响指标提升的关键因素及其内在联系，找出了煤比难以提高的原因，为提高煤比指明了方向。

1 关键技术研究

通过试验、数据分析及与行业内其他高炉对比发现，喷吹煤粉的基础性能( 如，化学成分、输送性能、可磨性、燃烧性、爆炸性等) ，铁料及配矿因素， 并不是影响高炉指标提升的关键因素^［1］。同时还发现高炉碱金属富集、焦炭热性能及其与碱金属的交互作用行为、高炉透气性等因素是影响高炉喷煤比提高的关键; 矿焦混装及其方式对料柱透气性影响显著; 并探究出一定碱负荷条件下焦比与煤比的对应关系。

1． 1 碱金属来源及其影响

1． 1． 1 碱金属来源及负荷

原燃料中碱金属含量如图 1 ～ 6 所示。可以看出，河钢宣钢所用焦炭的碱金属含量并不高，高炉中的碱金属主要来自矿石和煤粉。由于碱金属对高炉料柱透气性及经济技术指标影响较大，要想保证高炉的透气性，就必须降低矿石和煤粉的碱金属带入量。2018 年下半年以前，河钢宣钢高炉碱负荷在行业中处于偏高水平。随着对喷煤比影响因素的深入研究，逐步意识到改变原料条件、降低碱负荷的重要性和紧迫性。从 2018 年下半年起，逐步将碱负荷降低至 2． 0 kg /tHM以下。

1． 1． 2 焦炭热性能及与碱金属交互行为

焦炭反应性及反应后强度检测结果如表 1 所示。

两种自产焦性能比较稳定，但与 H 钢和 An 钢( 行业内典型企业) 焦炭质量相比仍有差距，这正是限制河钢宣钢提煤降焦的影响因素之一。外购焦整体质量比自产焦差，不利于保证高炉透气性和受风 受煤能力。要想提煤降焦，需要提高入炉焦炭质量，改善软熔带透气性。

为考察碱金属行为对焦炭热性能的影响，对浸碱后焦炭的热态性能进行了试验^［2］。K₂O 含量及焦炭的热态性能指标变化情况如表 2 所示。

从试验结果可以看出，质量越好的焦炭，抗碱能力越差。因此，在提高焦炭质量的情况下，一定要注意控制碱负荷，否则即使焦炭质量提高了，喷煤比也难以提高，这也是该研究提出的提煤降焦的重要技术措施之一。

1． 1． 3 浸碱后焦炭热性能及与碱金属交互行为

碱金属是焦炭溶损反应的催化剂，随着焦炭浸碱量的增加，焦炭反应性都明显增加; CSR 有降低，但也有的变化不大。其根本原因主要是焦炭与 CO₂发生的溶损反应属于气 － 固类非均相反应，是通过 CO₂ 和焦炭表面上活化点不断反应来完成。目前，普遍接受的溶损反应过程机理是“内扩散控制”和“界面反应控制”两类。因此，CSR 有降低也有变化 不大的本质原因由焦炭溶损反应的限制性环节决定的。

对于质量较好的焦炭，溶损反应过程由“界面反应控制”。该过程为一级不可逆反应，气化反应速率可由相界面反应或局部反应控制的 Mckewan 方程( 1) 表示。这种情况下 CO₂ 可以扩散至焦炭颗粒内部，使得 CO₂ 在焦炭表面和内部同时发生反应，从而破坏焦炭的内部结构。碱金属含量越高，对焦炭内部结构的破坏越强，反应后强度 CSR 降低越明显。

1 － ( 1 －R) ^{1 /3} = kt           (1)

式中，R———反应半径，cm;

k———反应常数;

t———反应时间，min。

界面反应控制时反应体系 CO₂ 气体浓度分布如图 7 所示。

对于质量较差的焦炭，如外进焦炭，溶损反应过程由“内扩散控制”，该扩散过程符合菲克定律，反应速率可由 Ginstling － Brounshtein 方程( 2) 或者Jander 方程( 3) 表示。这种情况下，由于焦炭本身溶损反应速度比较快，再加上碱金属的催化作用，使得CO₂ 难以扩散至焦炭颗粒内部，对焦炭的内部结构影响较小。因此，碱金属含量越高，焦炭反应性越高，但反应主要发生在表面，对内部结构破坏较小，而实验过程中的高温加热对焦炭内部结构又提供一次高温结焦的作用( 为提高产量和降低成本，焦炭生产过程中存在着结焦温度或结焦时间不够的现象，产生了部分质量较差的生焦) ，因此质量较差的焦炭浸碱后反应后强度 CSR 变化不大( 略微升高) 。

1－ 2 /3R － ( 1 － R) ^{2 /3} = kt       ( 2)

［1 － ( 1 － R) ^{1 /3}］² = kt       (3)

1． 2 矿焦混装对料柱透气性影响及其加入方式

生产实践证明，熔滴性能可准确反映软熔带透气性的变化情况。

1． 2． 1 熔滴性能分析

试验加入的焦丁量按计算溶损反应碳消耗量的40% 与矿石混合加入。熔滴试验对比如图 8 和表 3所示。

通过矿焦混装，压差降低了 36% ，说明矿焦混装对于改善熔滴性能以及料柱透气性效果明显。由于焦炭混入烧结矿中，会发生碳的熔损反应，提高气氛还原势，FeO 含量降低，渣的熔点提高，从而导致TS 温度上升。矿焦混装的方式焦炭中的灰分会以SiO₂ 形式进入初渣中，使得初渣碱度降低，使熔点初渣降低，而且液相量增加显著，这是矿焦混装 TD降低的根本原因^［3］。

1． 2． 2 混装焦丁加入量的控制

焦丁的加入量由高炉直接还原度决定的，即有多少碳发生溶损反应。发生溶损反应的碳，来源于焦丁或大块焦，其消耗量是固定的。没有焦丁时，就与大块焦反应。试验证明，焦丁的加入量可取溶损反应碳量的 0． 4 ～ 0． 7 倍系数，其余由未燃煤粉和大块焦参加反应，这样加入的焦丁不会影响焦窗透气性。实际生产中需要结合生产数据定量分析^［4］。

1． 2． 3 混装焦丁加入粒度的控制

焦丁粒度不易太大，否则易造成分布不均，并在块状带发生偏析。建议焦丁粒度下限为 7 ～ 8 mm ( 5 mm 筛子) ，上限为 25 mm，在进入软熔带前必须消耗掉，否则变成焦粉，初渣变粘。

1． 3 碱负荷 － 焦比 － 煤比关系

基于原燃料条件和生产大数据统计，得出焦比和煤比的关系式，用于计算一定碱负荷条件下对应的焦比与煤比^［5］。

焦比 = 碱负荷 × 0． 022 8 + 264． 31 ( 4)

煤比 = 碱负荷 × ( － 0． 027) + 256． 63 ( 5)

2 技术措施

2． 1 控制碱金属富集

河钢宣钢从控制含铁原料和煤粉碱金属含量入手，同时综合考虑冶金性能降低碱负荷。通过一段时期控制，碱金属富集得到了有效改善。近年来河钢宣钢高炉的碱金属平衡分析如图 9 所示。

2． 2 焦炭高效利用

为了保证焦丁的加入量和大块焦的粒度均匀性，设定焦丁粒度为 8 ～ 25 mm。生产中适当扩大焦炭入高炉筛孔的上限尺寸，将焦丁配比提高 5 ～ 10kg /tHM。焦丁配入量增加及粒度变化使焦窗焦炭的尺寸区间变小，有利于焦炭整粒，提高焦窗焦炭的强度，保证软熔带焦窗的透气性。

严格控制炼焦用煤的碱金属含量，通过合理配煤提高焦炭热性能并降低灰分^［6］，使得焦炭整体质量有所提高，M40由 84% 提高至 85% ，反应后强度由63% 提高到 66% 。

2． 3 基于碱负荷 － 焦比 － 煤比关系的提煤降焦操作

以碱负荷 － 焦比 － 煤比关系为基础，首先确定合理的焦比，再提高煤比。

2． 4 高炉操作

适当发展中心气流，提高鼓风动能，吹透中心。阶段性调整炉渣碱度，提高炉渣排碱能力应对碱负荷高对高炉的影响^［7，8］。

针对 2018 年以来风温大幅度下降的现状，通过提高炉腹煤气指数和富氧率，保证鼓风带入的热量和煤粉的快速燃烧，减少不利影响^［9，10］。

3 实施效果

1 号高炉煤比由 135 kg /tHM 提高至175 kg /tHM( 2019 年位列全国同级别高炉首位) ，2 号高炉煤比由120 kg /tHM 提 高 至 160 kg /tHM，焦比降低约33 kg /tHM，取得了良好的应用效果和经济效益、社会效益。1 号、2 号高炉热风温度降低 50 ℃左右的情况下能耗指标变化趋势如图 10 所示。

4 结论

( 1) 碱金属对高炉炉况和指标提升影响巨大， 必须严格控制其在炼铁系统中的富集。

( 2) 碱金属、煤粉、焦炭的交互行为在高炉中有规律可循，质量越好的焦炭，抗碱能力越差。

( 3) 适当提高焦丁混装比例，控制好焦丁粒度和加入方式可以有效提高高炉透气性。

参考文献

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