张 文 政
（天津市新天钢联合特钢有限公司，天津 301500）
摘 要：高炉安全长寿、降低高炉能源消耗成为现代高炉技术发展的主要方向，而其关键在于提高高炉炉缸活性。在介绍高炉炉缸活性变差特征的基础上，从高炉上部调剂、下部调剂、渣铁物性、高炉原燃料性能等方面，就如何提高高炉炉缸活性进行了分析和探讨。
关键词：高炉；炉缸活性；原燃料；渣铁
1 前 言
现代高炉向炉容大型化、生产高效化不断发展。作为资源和能源密集型的高炉炼铁工序，提高高炉炉缸活性的本质在于明晰高炉炉缸内渣铁焦间时空尺度特征及多相界面迁移行为。而目前对高炉炉缸内渣铁焦行为及炉缸活性的研究，仅停留在依靠生产经验而获得的表面认知，高炉炉缸活性基础理论研究相对薄弱。由于在实际过程中相关参数获取困难且炉缸状态无法实时监测，各高炉的实际生产条件也有所不同，判断炉缸活性主要依据实际生产经验，借助表征指标间接反映炉缸活跃状况，具有一定的滞后性和理论局限性［1］。随着高炉大型化进程加快，高炉容积越大，高炉各项参数滞后性和限制性越大，若未及时发现高炉炉缸状态波动，会导致高炉炉况恢复周期长，经济损失大等各种不良影响［2］。
2 高炉炉缸活性变差特征
炉缸内部的工作状态主要受死料柱状态、渣铁排放过程和风口风量分配 3 个方面的影响。炉缸活性好时，高炉炉况稳定顺行；当高炉活性下降时，往往出现炉况波动、不顺等。炉缸活性变差的主要表现：炉底中心温度降低，炉缸两边侧壁温度升高；氧势增加，铁水中脱硫反应减弱，硫含量增加；渣比下降；铁水中的含碳量降低；风口回旋区缩短，且通过测棒测试，内壁面较坚硬；风压升高，风量减少；燃料比上升，产量下降；出铁时间不稳定，出铁口变短。在实际生产过程中，若观察到上述现象，要马上采取措施查清原因，避免炉缸活性不断恶化带来的重大经济损失。
3 影响炉缸活性因素
3.1 高炉下部调剂
高炉下部调剂参数主要为风量、风温、风压、风口面积及风口深度长度，下部调剂主要指控制高炉炉温及送风的控制技术。死料柱大小与鼓风强度有很大关系，鼓风强度越大，死料柱越小，炉缸工作状况良好的表现在于渣铁温度高、流动性好，而控制较高的风口燃烧温度有利于更好的加热炉缸，提高炉缸煤气与渣铁之间的交换热量。
根据上述研究，可以通过缩小风口面积、保持合适的风速、增大鼓风动能、延长回旋区深度、提高风温、适当降低风压等手段，改善气流分布，使热煤气更好地穿过风口前死料柱，更好的穿透高炉中心，提升炉缸中心温度，活跃炉缸中心。适当控制边缘气流发展，寻找合适的煤气流分布，防止炉墙渣皮脱落。若渣皮脱落进入炉缸，导致炉缸温度急剧下降，破坏炉缸活性。
3.2 高炉上部调剂
高炉上部调剂指调整高炉布料制度，矿石与焦炭呈现分层重叠结构，高炉煤气在高炉下部产生，而后上升穿过料层；炉料从上部下降与煤气作用，完成加热、还原、造渣、熔化等冶炼过程。炉料在炉内由上至下温度逐渐升高，直到熔化前一直保持炉喉布料的层状结构。
当炉料到达软熔带时，由于炉料开始软化时炉料之间的空隙度不断下降，导致煤气的阻力加大。 由于矿石软熔层的阻力较大，煤气流绝大部分从焦炭层（焦窗）穿过。在这个区域，矿石都开始熔化，只有焦炭是固体状态，形成矿石初渣分布在焦炭与焦炭之间，使煤气通过这个区域的阻力最大。软熔带煤气主要靠焦炭的夹层即焦窗透气，在滴落带和炉缸主要靠焦块之间的空隙和焦炭气孔透液和透气，因此上部区域煤气透气性越好，下部炉缸透液性越好，渣铁越容易穿过焦炭，滞留在死料柱中的渣铁量也越少，炉缸活性也越强。
随着焦炭的批重变大，焦炭层的厚度变大，煤气通过的阻力就会减少，有利于料柱的透气性和高炉气流发展。
随着矿石批重变大，由于矿石比焦炭的堆角大，矿石布料到中心的比例就会越多，有利于发展边缘煤气流，抑制中心煤气流。这种情况会导致炉料分布均匀，煤气利用率提高。但若矿批重过大，会出现中心气流不足而边缘气流过分发展，则可能引起炉缸中心堆积。
3.3 高炉渣铁物性
高炉炉渣碱度对高炉渣的冶金性能有重要作用，当碱度过低时，CaO含量少，无法破坏高炉渣中SiO2及Al2O3形成的网状结构，致使其黏度增加。当碱度变大时，高炉渣黏度降低；当碱度过高时，炉渣的黏度及熔化性温度急剧升高，导致炉渣的流动性变差，不利于炉渣的冶炼，因此适当提高高炉炉渣碱度，有利于提高炉渣的流动性和炉缸透气性，有利于炉缸活性的提高。
炉渣中的MgO和CaO属于碱性氧化物，炉渣中的Al2O3和SiO2属于酸性氧化物。提高镁铝比，相当于在保证 Al2O3含量不变的条件下，增加 MgO 含量占比，有利于提高炉渣流动性。但镁铝比过高，MgO 和 Al2O3会形成复杂的高熔点化合物，使炉渣的熔化性温度升高，炉渣的流动性变差。
高炉铁水物理热是判断炉温的重要指标。炉缸里铁水温度低，炉渣的热量不足，就不能在炉芯焦炭之间自由地流动，大量的渣铁不能顺利穿过死料柱，就会滞留在炉缸死料柱中，导致炉缸中心死料柱区域不活跃。随着不活跃区域面积逐渐扩大，就会形成炉缸堆积。恢复炉缸活性，首先应该保证炉缸铁水温度。
3.4 高炉原燃料性状
焦炭随着炉料从高炉炉顶加入高炉开始，焦炭的粒度受摩擦作用、气化反应和渗碳作用会逐渐变小。焦炭在炉身块状带时，由于上部温度较低，焦炭只是受到炉料之间的摩擦作用，粒度变化不大。
随着焦炭进入软熔带和滴落带，发生剧烈溶损反应，焦炭表面的气孔逐步变大，孔壁变薄，焦炭强度逐步降低。另一方面，焦炭粒度急剧下降，空隙度变大，还伴有气化及还原FeO等反应，焦炭达到高炉风口回旋区时，焦炭快速发生反应，焦炭随热风在风口做剧烈的旋转运动并与热风中的氧气发生反应，焦炭急剧粉化。远离风口回旋区的焦炭，由于反应速度变慢，慢慢形成了死料柱。在炉缸顶部，铁水碳不饱和度大，焦炭与铁水接触发生渗碳反应，使得焦炭的粒度持续减小，死料柱的空隙度变大。在炉缸中心区域，铁焦反应最剧烈，死料柱的空隙度达到最大值；继续向下，由于铁水的浮力作用，焦炭稍微聚集起来，使得死料柱的空隙度稍微减小。但由于铁水浮力的作用相较于焦炭铁水的渗碳反应要弱，空隙度减小的速率逐渐减小。而焦炭粒径则是随着距离残铁顶部增大继续呈减小趋势，原因是焦炭在死料柱不同高度区域中持续与铁水发生化学反应，持续消耗焦炭。
焦炭在高炉内的演变行为，性能较好的入炉焦炭为炉缸死料柱空隙度提供有力支撑。假设焦炭的气化程度及风口烧损比例是相同的，入炉焦炭粒度越大，经过上部一系列反应后，炉缸焦炭粒度也较大。炉缸焦炭粒度越大，死料柱空隙度越大，炉缸渣铁穿过焦炭床的空间也越大，渣铁滞留量就越小，炉缸较为活跃。
4 结 论
4.1 下部调剂。通过缩小风口面积、保持合适的风速、增大鼓风动能、延长回旋区深度、提高风温、适当降低风压和喷煤量、提高富氧率等手段，改善气流分布和煤粉燃烧状况，使热煤气更好地穿过风口前死料柱，更好地穿透高炉中心，提升炉缸中心温度，活跃炉缸中心。
4.2 上部调剂。软熔带的煤气主要是通过焦炭进行传输，在滴落带主要靠焦块之间的空隙和焦炭气孔来进行透液和透气。上部区域煤气透气性越好，下部炉缸透液性越好，渣铁越容易穿过焦炭，炉缸活性也越强。从渣铁滞留、炉缸活性及高炉长寿的角度来讲，高炉操作应该适当降低矿石批重，适当提高焦炭批重，提高上部透气性指数。
4.3 渣铁物性。炉缸活性与炉缸中心温度成正比，炉缸中心温度低，炉渣在焦炭死料柱的流动变差，大量的渣铁不能顺利穿过死料柱，慢慢导致炉缸不活跃，从而导致炉缸堆积。为改善高炉炉缸活性，高炉操作应该适当提高炉渣碱度、镁铝比及TiO2含量，保证足够高的铁水温度，尽可能不使用钛矿护炉。
4.4 原料条件。较大的死料柱空隙度是保证良好的炉缸活性的基础。入炉焦炭的粒度、CSR、CRI及原燃料有害元素含量是死料柱空隙度的重要指标。入炉焦炭综合粒度和 CSR 越大，CRI 越小，炉缸焦炭粒度越大，死料柱空隙度越大；且原燃料中有害 元素越少，炉缸炉渣流动性较好，铁水渗碳更容易发生，炉缸铁水和炉渣穿过焦炭床的空间和能力越大，渣铁滞留量越小，炉缸较为活跃。
参考文献：
［1］ 焦克新，张建良，刘征建，等.关于高炉炉缸长寿的关键问题 解析［J］.钢铁，2020，55（8）：193-198.
［2］ 张贺顺，马洪斌 . 首钢 2# 高炉炉缸工作状态探析［J］. 炼铁， 2009，28（4）：10-13.