吳宏亮，凌明生

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司第三煉鐵總廠，安徽馬鞍山243000)

馬鋼4 000 m3高爐無料鐘布料調(diào)整

吳宏亮，凌明生

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司第三煉鐵總廠，安徽馬鞍山243000)

分析馬鋼4 000 m3高爐自開爐以來的裝料制度，結(jié)合實(shí)踐探索合理的布料模式。以開爐實(shí)測落點(diǎn)為調(diào)節(jié)依據(jù)，同時(shí)參考料流軌跡與落點(diǎn)的理論計(jì)算結(jié)果，通過調(diào)整布料形狀、料面寬度及布料角度等參數(shù)，形成適合馬鋼爐型與爐料條件下的高爐布料模式。使高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不斷優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了高爐較長時(shí)期的爐況穩(wěn)定順行和低燃料消耗下的強(qiáng)化冶煉。

高爐；爐料批重；中心加焦；布料模式

爐頂布料是操控高爐的主要手段之一[1]，無鐘爐頂?shù)拈_發(fā)成功使高爐操作者能將爐料布到爐頂需要的任何地方[2]。料面的良好形態(tài)對(duì)高效化生產(chǎn)具有重要意義。在高壓、高粉塵的環(huán)境中進(jìn)行料面形狀測量的方法主要有機(jī)械探尺法、十字測溫估算法、激光測量法[3-4]、紅外熱成像法[5]及雷達(dá)法[6]等。但以上直接測量方法穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性較差，需借助爐料運(yùn)動(dòng)與堆積規(guī)律的爐料分布模型[7]，而模型的應(yīng)變性能差、連續(xù)性有限。因此，有必要開發(fā)實(shí)用的理論計(jì)算模型。

馬鋼4 000 m3高爐(B爐)采用緊湊PW型串罐無料鐘爐頂、微孔炭磚加陶瓷杯綜合爐底與爐缸結(jié)構(gòu)、磚壁合一薄壁內(nèi)襯結(jié)構(gòu)、銅冷卻壁聯(lián)合軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)，設(shè)有4個(gè)鐵口、36個(gè)風(fēng)口[8]。該高爐自2007年投產(chǎn)連續(xù)生產(chǎn)至今，在生產(chǎn)過程中遇到焦炭緊張、風(fēng)口上翹、噴煤頻繁磨壞風(fēng)口等問題，且入爐燃料質(zhì)量和外圍波動(dòng)較頻繁的情況。為此，以馬鋼4 000 m3高爐開爐實(shí)測落點(diǎn)為調(diào)節(jié)依據(jù)，參考料流軌跡與落點(diǎn)的理論計(jì)算結(jié)果，開發(fā)適合馬鋼爐型與爐料條件下的高爐布料模式，以實(shí)現(xiàn)高爐穩(wěn)定、順行與指標(biāo)優(yōu)化。

1 布料調(diào)節(jié)的理論計(jì)算與開爐裝料工業(yè)實(shí)測

1.1 爐料在爐喉空區(qū)運(yùn)動(dòng)軌跡及落點(diǎn)計(jì)算

1)爐料離開溜槽時(shí)的速度

無料鐘爐頂料流的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1所示。圖中：v0為節(jié)流閥物料排放初始速度，m/s；v1為入溜槽速度，m/s；v2為出溜槽速度，m/s；h1為節(jié)流閥至溜槽懸掛點(diǎn)的距離，m；h2為溜槽懸掛點(diǎn)至零料線的距離，m；H為零料線距離料面P點(diǎn)的垂直距離(即料線)，m；l為溜槽有效長度，m；L為溜槽長度，m；S1為出溜槽平向距離，m；S2為出溜槽橫向距離，m；b為傾動(dòng)距，m；α為溜槽傾角，°；R1為落點(diǎn)與中心距離，m。

溜槽有效長度

爐料進(jìn)入溜槽的速度

爐料出溜槽的速度

其中：g為重力加速度，m·s-2；μ為爐料與溜槽耐磨襯板的摩擦系數(shù)。以上計(jì)算忽略了慣性科氏力、因溜槽旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的爐料與溜槽側(cè)向的摩擦力和溜槽側(cè)向?qū)t料的作用力。

2)爐料由溜槽旋轉(zhuǎn)中心至爐料落點(diǎn)P的水平距離

一般冶煉條件下，煤氣浮力只相當(dāng)于粒徑5 mm燒結(jié)礦重量的0.93%，粒徑3 mm燒結(jié)礦重量的2.35%；相當(dāng)于直徑10 mm焦炭重量的1%～2%，直徑5 mm焦炭重量的5.09%。但對(duì)于粒徑小于3 mm的燒結(jié)礦及5 mm以下的焦炭，煤氣浮力不容忽視。不過一般爐料中含粒徑小于3 mm的燒結(jié)礦和5 mm以下的焦炭很少，故可忽略煤氣浮力對(duì)布料的影響。不考慮煤氣浮力作用，爐料離開溜槽后只受重力的作用，爐料離開溜槽進(jìn)行斜下拋運(yùn)動(dòng)到達(dá)爐料落點(diǎn)P。

式中：h為溜槽出口至料面高度，m；D為爐喉半徑，m；R2為落點(diǎn)與邊緣距離，m。

馬鋼4 000 m3級(jí)高爐采用串罐無鐘布料，主要設(shè)備與計(jì)算參數(shù)：溜槽長度4.5 m；掛點(diǎn)到零料面的垂直距離6.1 m；中心喉管直徑0.75 m；下料閘開度定為43.5°；爐料與溜槽之間的摩擦系數(shù)取0.5；礦石平均堆比重取1.8 t/m3、形狀系數(shù)為0.9；焦炭的堆比重0.53 t/m3，形狀系數(shù)為0.4。根據(jù)式(4)～(8)采用VB語言編程計(jì)算，得到常用1.50 m料線時(shí)礦石與焦炭的落點(diǎn)，如表1。

1.2 開爐裝料工業(yè)實(shí)測

高爐裝料采用激光網(wǎng)格法進(jìn)行料流軌跡測量，并采用激光掃描的方法檢查高爐原始內(nèi)型和料面形狀。實(shí)測內(nèi)容包括料罐最大裝焦能力標(biāo)定、料流調(diào)節(jié)閥開度與排料流量關(guān)系測定、料流軌跡測定及最后批料的料面形狀測定等。高爐爐料在規(guī)定料線平面內(nèi)的落點(diǎn)對(duì)爐料的分布及煤氣流的分配影響很大，在1.50 m料線處實(shí)測的礦、焦料流的落點(diǎn)位置見表1。

表1 在1.50 m料線處理論計(jì)算與實(shí)測礦、焦落點(diǎn)值Tab.1 Dropping points of ore-coke and ore at 1.50 m stock-line based on theoretical calculations and practical measurement

由表1可見，在大角位區(qū)（溜槽傾角大于36°時(shí)），1.5 m料線處實(shí)測礦石、焦炭的理論計(jì)算落點(diǎn)值要大于實(shí)測值，但是在小角度區(qū)，其理論落點(diǎn)位置更加靠近爐喉中心。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因有：新裝的溜槽帶有料打料結(jié)構(gòu)，在大角度區(qū)爐料溜槽內(nèi)的實(shí)際阻力比理論阻力大，料流離開溜槽的實(shí)際速度小于理論計(jì)算速度，故理論落點(diǎn)大于實(shí)際落點(diǎn)位置；在小角度區(qū)，由于溜槽與爐料的摩擦力相對(duì)變小，對(duì)爐料運(yùn)動(dòng)的影響相對(duì)較小，致使實(shí)際落點(diǎn)大于理論計(jì)算落點(diǎn)位置。在調(diào)節(jié)布料矩陣時(shí)應(yīng)該考慮其影響。

2 布料參數(shù)的選擇

2.1 爐頂布料模式

一般高爐有平臺(tái)加漏斗式布料與平臺(tái)加中心加焦布料。平臺(tái)加漏斗模式在爐料質(zhì)量與穩(wěn)定性相對(duì)較好的情況下使用效果良好，其有邊緣與中心兩股氣流，可形成W型軟熔帶，具有煤氣利用較高、燃料消耗較低等優(yōu)點(diǎn)[9]，常用的布料矩陣為。平臺(tái)加中心加焦的布料模式在爐料質(zhì)量變差尤其波動(dòng)較大時(shí)使用能保持高爐的相對(duì)穩(wěn)定與順行，可形成倒V型軟熔帶，具有爐況穩(wěn)定與強(qiáng)化程度高的特點(diǎn)。但是該布料模式容易導(dǎo)致中心過度開放，邊緣煤氣流較弱的狀況，煤氣利用率相對(duì)偏低、燃料消耗有時(shí)偏高[10]，常用的布料矩陣為(L代表有大粒度燒結(jié)礦的爐料，S代表小粒度燒結(jié)礦)。

2.2 高爐布料參數(shù)

1)料線 根據(jù)馬鋼2 500 m3高爐的操控經(jīng)驗(yàn)，4 000 m3高爐的料線基本定在1.30～1.50 m。

2)焦炭與礦石批重 大型高爐軟熔帶焦炭窗必須保持一定的厚度才能保證高爐下部軟熔的爐料區(qū)具有足夠的透氣能力，否則會(huì)造成料柱壓差大幅上升。大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)每批焦炭下行到爐腰區(qū)域，其厚度達(dá)200～250 mm時(shí)，高爐能得到較合理的透氣性，過高與過低都不合適。以爐腰區(qū)域批焦炭層厚度為200 mm計(jì)算，得到最小的批重為21 t。因此焦炭批重應(yīng)為22～23 t。焦炭批重確定后，根據(jù)煤氣利用、噴煤量等綜合評(píng)估便可確定礦石批重，當(dāng)噴煤比在170 kg左右時(shí)，全焦炭負(fù)荷一般可以達(dá)到4.4～4.8 t/t，故礦石批重應(yīng)在100～115 t。

3 布料調(diào)整實(shí)踐與評(píng)析

3.1 前期布料調(diào)整

馬鋼4 000 m3高爐于2007年5月24順利開爐，隨后遇到焦炭緊張、風(fēng)口上翹、噴煤頻繁磨壞風(fēng)口等問題。在此過程中，采用平臺(tái)加漏斗布料模式，沒有中心加焦，高爐基本順行，開爐裝料矩陣起始布料角度為40.6°，布料角差為6.4°，采用布料矩陣。在沒有全開風(fēng)口的情況下，該制度會(huì)導(dǎo)致邊緣氣流不足，中心氣流過旺。隨后將布礦檔位向靠近中心的方向移動(dòng)，改為，氣流分布趨于合理，中心氣流得到合理控制，煤氣利用趨好，礦石布料角度區(qū)間為40.6°～28.9°，角差11.7°，堆尖平臺(tái)1.39 m，料面平臺(tái)達(dá)到2.15 m。至2008年中，布料制度由，向外推一檔位進(jìn)行布料，變更為，高爐順行程度有所改善，煤氣利用穩(wěn)定在48%～49%。2009年，布焦與布礦的檔位數(shù)相同，同時(shí)加重邊緣與中心的礦焦比。這種布料方式雖然可以改善煤氣利用，但是由于邊、中兩氣流同時(shí)受到抑制，至使高爐料柱壓差升高，此階段內(nèi)料柱壓差高達(dá)0.193 MPa[11]左右。

3.2 中心加焦布料

2010年中到2014年初，采用中心加焦布料，其較典型的布料矩陣為。通常有中心加焦的大型高爐較難實(shí)現(xiàn)中心邊緣同時(shí)放開，如果邊緣開放，中心氣流會(huì)明顯減弱，起不到中心加焦的效果，故采用適當(dāng)增加邊緣布礦與減少中心加焦量，效果較好。2011年較典型布料矩陣為，意在增強(qiáng)邊緣氣流，但效果不佳。2012年采用焦炭外環(huán)錯(cuò)檔位布料，以求放開邊緣，布料調(diào)為，由于布焦總環(huán)數(shù)增加，實(shí)際布于中心焦炭降為17%，而最初使用中心加焦時(shí)，實(shí)際加到中心區(qū)的焦炭達(dá)23%以上，到2013年實(shí)際加到中心的焦炭量降為5%～10%，代表性的布料矩陣為。高爐此時(shí)實(shí)際中心加焦較少，布礦檔位增加到6個(gè)，高爐煤氣利用有所改善，燃料消耗較低。

采用中心加焦階段，高爐風(fēng)量增加100 m3/min左右，料柱壓差下降10 kPa左右，達(dá)到0.183 MPa，順行程度有所改善。馬鋼4 000 m3高爐開爐以來的部分技術(shù)經(jīng)濟(jì)指數(shù)如表2。由表2可看出，煤氣利用率下降了1%～3%，對(duì)燃料消耗有負(fù)面影響。

表2 馬鋼4 000 m3高爐開爐以來的部分技術(shù)經(jīng)濟(jì)指數(shù)Tab.2 Partial technical and economic indexes of Masteel 4 000 m3blast furnace since it’s blowing in

3.3 近年來布料調(diào)整

2014年初，受用料結(jié)構(gòu)中有害元素及鈦氧化物偏高等影響，高爐出現(xiàn)較大幅度波動(dòng)。為恢復(fù)爐況、降低消耗及生產(chǎn)成本，希望放開邊緣，穩(wěn)住中心氣流。2014年4月至2015年8月布料制度調(diào)節(jié)情況如下。

1)布料角度調(diào)整對(duì)高爐11個(gè)檔位的角位角度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，最大布料檔位角度根據(jù)需要進(jìn)行微調(diào)，由此前的41°～42°，降為39°～41°，高爐運(yùn)行趨平穩(wěn)。

國內(nèi)PDA大致有兩種形式，一是讀者直接通過郵箱、論壇、到館推薦的方式向圖書館提供所需文獻(xiàn)的信息；二是圖書館與原版圖書的出版商或是代理商合作，在圖書館舉辦大型原版書展，邀請(qǐng)讀者參與，并根據(jù)他們的挑選情況進(jìn)行現(xiàn)場采買。2014年5月，天津大學(xué)圖書館和中國進(jìn)出口總公司就曾聯(lián)合舉辦了這樣的原版書展，參展的都是最新出版的原版外文圖書，是經(jīng)有關(guān)專家和國外出版社推薦，從劍橋大學(xué)出版社等眾多國際知名出版社中精選出來的，他們讓圖書館的讀者現(xiàn)場參與挑選，最后，根據(jù)推薦情況進(jìn)行擇優(yōu)訂購。像這樣讓讀者充分參與圖書采購決策，能夠增加原版外文圖書的利用率，將滯架率降低。

2)爐況恢復(fù)調(diào)整為維持較強(qiáng)邊緣與中心氣流，采用7個(gè)檔位布焦，4～5檔位布礦。隨著爐況的改善，2014年3月中旬開始逐漸減少中心加焦量，7月末布料矩陣由變更為。8月初徹底取消中心加焦，布料模式由中心加焦型變?yōu)槠脚_(tái)漏斗型，此后較典型的布料矩陣為，料線1.30～1.50 m，礦批105～108 t。爐況總體順行，9號(hào)檔位角度調(diào)為39°左右，布礦角差選為9°左右，平臺(tái)寬度為1.7 m左右，此時(shí)料面具有較小的外堆角。

3)布料模式調(diào)整2015年以來焦批重22～24 t。礦批重98～110 t，料線1.30～1.50 m，較典型的布礦矩陣為。采用兩頭輕，中間重的模式，旨在發(fā)展兩股氣流，形成W型的煤氣分布。焦炭布料矩陣遵循放開邊緣與中心的路線。代表性的布料矩陣為，邊緣相對(duì)松得較多。5，4號(hào)檔位的總布焦環(huán)數(shù)只有3圈，該種布料矩陣更多地傾向發(fā)展邊緣氣流。3月中旬再將進(jìn)風(fēng)面積從0.456 2 m2擴(kuò)大到0.460 2 m2，并且將料線提高0.05 m，更趨向于發(fā)展邊緣。至4月將料線從1.45 m分3次提到1.30 m，下部擴(kuò)2個(gè)風(fēng)口，進(jìn)一步開放邊緣氣流，并逐步增加噴煤量，使全焦負(fù)荷由4.3 t/t左右提到4.5 t/t；富氧量由130 000 m3/h升為150 000 m3/h。但此時(shí)中心氣流稍遜。故于5月將6號(hào)角位減一環(huán)礦石，布料矩陣調(diào)為，此后因風(fēng)口面積調(diào)回到0.456 3 m2，故增加10號(hào)角位布焦來保證邊緣氣流。矩陣變?yōu)?，爐況順行，礦批擴(kuò)大到107 t。富氧量增加到17 000 m3/min。風(fēng)量增加了100 m3/min，達(dá)到6 650 m3/min左右，爐況向好。利用系數(shù)由2.10 t/(m3·d)左右增到2.23 t/(m3·d)。隨后對(duì)兩股氣流進(jìn)行微調(diào)，布料矩陣變?yōu)?。同時(shí)將料線由1.30 m逐步放到1.45 m，達(dá)到預(yù)期效果，爐身中下部冷卻壁壁體溫度波動(dòng)次數(shù)減少，熱負(fù)荷趨穩(wěn)定。高爐料柱壓差維持在歷史較低水平，達(dá)到0.170 MPa左右。

4 討 論

1)批重 馬鋼4 000 m3級(jí)高爐(B爐)的礦批重一般維持在100～105 t，稍小于國內(nèi)其他同級(jí)別的高爐[12]，礦批重有提高的必要，礦層厚度偏小，焦層厚度可能不夠，造成焦窗的透氣阻力增加，同時(shí)渣皮容易脫落。因此下步嘗試適當(dāng)擴(kuò)大礦、焦批重，優(yōu)化馬鋼高爐在高效化冶煉時(shí)的合理礦焦批重區(qū)間。

2)料面形狀控制 縱觀馬鋼4 000 m3級(jí)高爐(B爐)由從平臺(tái)漏斗型→中心加焦型→帶較小外堆角的平臺(tái)漏斗型的變化過程，平臺(tái)漏斗型強(qiáng)調(diào)的是平臺(tái)與必要深度的漏斗。漏斗淺，中心氣流無法形成；漏斗太深，平臺(tái)寬度變窄，易出現(xiàn)滑料現(xiàn)象。因此，漏斗深度與平臺(tái)寬度的合理匹配還需探討與摸索。馬鋼4 000 m3級(jí)高爐(B爐)2014年后的生產(chǎn)實(shí)踐表明，具有一定外堆角與合適深度的漏斗比較適合馬鋼的設(shè)備與原燃料條件。

3)邊緣與中心氣流控制 馬鋼4 000 m3級(jí)高爐(B爐)近年來控制氣流的經(jīng)驗(yàn)表明，中心氣流不是主要問題，取消中心加焦，中心的十字測溫溫度還能保持在合理范圍，故關(guān)鍵是如何合理控制邊緣氣流。從2015年的調(diào)整趨勢看，如何合理開放邊緣穩(wěn)定中心是關(guān)鍵，邊緣氣流形成并穩(wěn)定后，高爐順行條件改觀，風(fēng)量上升，富氧量增加，礦批擴(kuò)大，焦炭負(fù)荷提高，產(chǎn)量上升，煤氣利用率能保持在47%～49%的較高水平。但是隨著邊緣的放開，渣皮的穩(wěn)定性降低，冷卻設(shè)備損壞概率會(huì)增加。因此如何保證冷卻強(qiáng)度是必須面對(duì)的問題。制度調(diào)節(jié)上也有必要尋找控制平衡點(diǎn)，以滿足高爐長壽與高效生產(chǎn)的需要。

4)中心加焦與平臺(tái)漏斗 中心加焦技術(shù)在原燃料條件較差時(shí)是一項(xiàng)實(shí)用的技術(shù)，其可改善中心料柱的透氣性，利于高爐順行與強(qiáng)化冶煉。但是，有中心焦時(shí)存在煤氣利用偏低、消耗偏高等問題。相對(duì)于“中心加焦”這種布料模式，“平臺(tái)+漏斗”布料模式具有高煤氣利用率、低燃料比的優(yōu)勢，可以達(dá)到節(jié)能增效，降低噸鐵成本等目的，但高爐強(qiáng)化程度不會(huì)太高。因此2種布料模式各有優(yōu)缺點(diǎn)，要根據(jù)不同的原燃料及爐況條件來靈活調(diào)節(jié)。

5 結(jié) 語

馬鋼4 000 m3高爐(B爐)上部布料模式調(diào)整經(jīng)歷了平臺(tái)漏斗、中心加焦、再到具有外堆角的平臺(tái)漏斗的衍進(jìn)過程，料柱壓差由偏高(0.193 MPa)、中等水平(0.180 MPa)變?yōu)檩^低(0.170 MPa)水平，逐步形成了適合馬鋼爐型、原燃料條件的高爐裝、布料的動(dòng)態(tài)調(diào)控模式，滿足高爐在不同時(shí)期維持爐況長期穩(wěn)定順行的需要。

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責(zé)任編輯：何莉

ChargingAdjustment at 4 000 m3Blast Furnace with Bell-less Top in Masteel

WU Hongliang,LING Mingsheng
(No.3 Iron-making Plant,Ma'anshan Iron and Steel Co.Ltd.，Ma'anshan 243000,China)

Charging system of Masteel 4 000 m3blast furnace(BF)since blowing-in was analyzed,and the burden distribution pattern in practice was explored.With continuous adjustment of the burden specifications such as profile,angle and width of burden platform,the burden distribution pattern，which is fit for the Masteel furnace type and its burden conditions,was developed successfully based on the measured burden dropping points and the theoretical calculation of trajectories during BF blowing-in.As a result,BF technical and economic indexes are constantly optimized,and BF long term smooth performance is gradually realized,intensified operation with relatively low fuel consumption is also achieved.

blast furnace;burden batch weight;coke center charge;burden distributional pattern

TF543

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2015.04.001

2015-09-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51274003)

吳宏亮(1974-)，男，安徽巢湖人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楦郀t煉鐵。

1671-7872(2015)-04-0299-06