馬利科，趙鴻波，楊立春，龐清海，何志軍，張軍紅

（1.本鋼板材股份有限公司 技術研究院，遼寧 本溪 117021；2.遼寧科技大學 材料與冶金學院，遼寧 鞍山 114051）

噴入高爐的煤粉能夠有效替代焦炭發(fā)揮還原劑和發(fā)熱劑的作用，從而可以顯著減少高爐工序的焦炭消耗，但過多的未燃煤粉也可能給高爐冶煉過程帶來不利影響［1-3］。未燃煤粉隨煤氣流運動阻塞在礦石和焦炭的縫隙中，將惡化高爐內(nèi)料柱的透氣性，從而破壞煤氣與鐵礦石進行還原反應的動力學條件，降低礦石還原效率。同時，未燃煤粉在軟熔帶的集聚也將增加初渣粘度，并弱化軟熔帶焦窗對煤氣流的均勻分配作用，甚至影響高爐生產(chǎn)過程的穩(wěn)定和順行。因此，研究噴吹煤粉在高爐內(nèi)的利用效率，可作為真實評價高爐噴煤效果的重要手段［4-6］。

高爐內(nèi)部物料的物理和化學反應行為不可觀測，煤粉噴入高爐后在風口回旋區(qū)燃燒、與CO2之間的氣化溶損、被高爐煤氣帶出高爐的過程難以跟蹤［7］。因此，僅能通過入爐煤粉與高爐副產(chǎn)品中的碳含量對煤粉在高爐內(nèi)的利用率進行估算。當前主要通過巖相顯微組分分析、X射線衍射法和拉曼光譜法對高爐除塵灰以及洗滌灰中的煤焦巖相進行分析［8-9］。其中巖相顯微組分分析法主要對高爐除塵灰中焦炭結構和未燃煤粉的結構展開有針對性的分析判定，可以準確、客觀、全面地掌握噴吹煤粉和焦炭在高爐內(nèi)的燃燒及反應行為，避免了射線衍射和光譜分析過程中系統(tǒng)誤差對分析結果的影響。

本文以某鋼廠4座高爐生產(chǎn)過程中煤氣脫灰所得的重力灰和洗滌灰為研究對象，利用巖相顯微鏡對重力灰和洗滌灰中的殘余碳素進行觀測分析，根據(jù)煤和焦炭之間形態(tài)上的差異對上述碳素的來源進行定性和定量分析，并對除塵灰中殘余的未燃煤粉數(shù)量進行計算，實現(xiàn)對高爐內(nèi)煤粉利用率的分析和評價，以此作為優(yōu)化噴吹煤粉在高爐內(nèi)利用效率的有效判據(jù)。

1 實驗

1.1 原 料

高爐除塵灰是在高爐煉鐵過程中隨高爐煤氣排出的粉塵顆粒，主要來自于塊狀原料粉碎后產(chǎn)生的粉末及高溫區(qū)劇烈反應產(chǎn)生的微粒，是含有鐵和碳等多種元素的顆粒復合物。本文使用的重力灰和洗滌灰樣來自某鋼廠A、B、C、D 4座高爐。高爐噴吹煤粉的干燥基成分詳見表1。

1.2 方 法

巖相分析采用GB/T8899-1998《煤的顯微組分組和礦物測定方法》中規(guī)定的數(shù)點法。使用松脂對除塵灰樣品進行鑲樣處理，在油浸顯微鏡下觀察樣品切片上500個點的礦物組成，確定每個組分在該樣品中的表面積比例。

采用透射光偏光顯微鏡進行巖相分析確定樣品中焦炭結構。焦炭具有10種不同結構：類絲碳、破片結構、各向異性、流動結構、片狀結構、微粒鑲嵌結構、中粒鑲嵌結構、粗粒鑲嵌結構、殘?zhí)碱w粒和石墨。未消耗煤粉被分成4種結構，分別是熱變煤顆粒、塊狀同性、具焦炭結構和殘?zhí)款w粒。礦物及雜質(zhì)可分成4種不同結構，分別是灰渣、鐵質(zhì)、灰色硅質(zhì)和半透明礦渣。

表1 煤粉的工業(yè)分析Tab.1 Proximate analysis of pulverized coal

表2 重力灰和洗滌灰?guī)r相分析，%Tab.2 Petrographic analysis on gravity ashes and washing ashes，%

值得注意的是，中粒鑲嵌結構可能來自于焦炭也可能來自于煤粉。當中粒鑲嵌結構計算為煤粉時，可以計算出焦炭含量的下限和未燃煤粉含量的上限。當中粒鑲嵌結構計算為焦炭時，可以計算出焦炭含量的上限和未燃煤粉含量的下限。

2 結果與討論

2.1 巖相分析

重力灰樣和洗滌灰樣巖相分析結果詳見表2。巖相顯微鏡下不同組分微觀形貌特征如圖1所示。

圖1 不同組分的微觀形貌特征Fig.1 Microstructures of different components in ash samples

依據(jù)表2除塵灰中各種組分在樣品剖面上的面積占比，考慮到中粒鑲嵌結構可能來自于焦炭也可能來自于煤粉，故計算出焦炭含量的上限和未燃煤粉含量的下限，計算結果見表3。

炭與未消耗煤粉的重量之和即為重力灰和洗滌灰中的碳素總量。根據(jù)各高爐重力灰和洗滌灰中的碳素含量，以及焦炭和未消耗煤粉的面積之比，可計算出除塵灰和洗滌灰中焦炭和未燃煤粉的質(zhì)量波動范圍，所得結果詳見表4。D高爐除塵灰中的焦炭含量最低，而C高爐除塵灰中的焦炭含量范圍最高，說明C高爐內(nèi)碳素溶損反應對焦炭強度的侵蝕更為嚴重。對比同一座高爐的重力灰和洗滌灰發(fā)現(xiàn)，洗滌灰中焦炭含量占比都明顯高于重力灰，這一點在C高爐中最為明顯，說明焦炭在高爐內(nèi)溶損后產(chǎn)生的粉末粒度較小。D高爐的未消耗煤粉含量最低，C高爐的未消耗煤粉含量最高，而兩座高爐的容積和噴吹煤成分皆一致，從而說明噴吹煤粉在D高爐中的利用效率最高。

表3 重力灰和洗滌灰中焦炭和未燃煤粉的面積占比波動范圍，%Tab.3 Area proportions of coke and unburnt coal in gravity ash and washing ash，%

表4 重力灰和洗滌灰中焦炭和未燃煤粉的質(zhì)量波動范圍，%Tab.4 Mass proportions of coke and unburnt coal in gravity ash and washing ash，%

為比較某鋼鐵企業(yè)相同原料條件下各高爐噴吹煤粉的利用效率，選取某月各高爐的鐵水、重力灰、洗滌灰總產(chǎn)量來計算噸鐵重力灰和洗滌灰數(shù)據(jù)，計算所得結果如表5所示。A高爐在保證較大產(chǎn)能的前提下將除塵灰的總量控制在24 kg/t以下的水平，說明鐵礦石和焦炭在A高爐內(nèi)的強度較高，并且噴吹煤粉在高爐內(nèi)的利用效率也較好。相比之下，其他三座高爐的除塵灰總量較為接近，但B高爐除塵灰中小粒度顆粒的比例最高，說明其原料質(zhì)量相對較差或煤粉利用率較低。

為了確定重力灰和洗滌灰中參與碳素的含量，分別對高爐兩種除塵灰中的碳素含量進行檢測，檢測結果如表6所示。C和D兩高爐的除塵灰中鐵元素含量相對較低。這可能是由于C和D高爐的容積相對較小，料柱中含鐵礦原料所承受的壓力也相對較低。因此，在采用相同原料條件進行高爐冶煉的條件下，鐵礦石在A高爐內(nèi)更易于發(fā)生劣化。同時，由于B高爐剛剛投產(chǎn)，其爐況尚未穩(wěn)定，因此其除塵灰中鐵礦石粉末的比例較大。

表5 各高爐重力灰和洗滌灰噸鐵產(chǎn)量Tab.5 Yield of gravity ash and washing ash of blast furnaces

表6 各高爐重力灰和洗滌灰成分分析，%Tab.6 Chemical compositions of gravity ash and washing ash in blast furnaces，%

結合煤巖顯微鏡觀測所確定的未燃煤粉、焦炭比例和兩種高爐除塵灰碳素含量分析結果，對每噸生鐵所產(chǎn)生除塵灰中的碳素來源進行定量分析，確定碳素中來自未燃煤粉和焦炭的碳素范圍，計算結果如表7所示。

B高爐噸鐵重力灰中未燃煤粉量最低，為3.33 kg，C高爐噸鐵重力灰中未燃煤粉量最高，為11.11 kg。高爐噸鐵洗滌灰中未燃煤粉的含量則相對較少，B高爐含量最高，達到7.11 kg，C和D高爐噸鐵洗滌灰中未燃煤粉的含量較為相近在1.75～1.80 kg之間，說明小顆粒煤粉在C和D高爐內(nèi)的利用效率較高。

根據(jù)噴吹煤粉的化學成分和噸鐵除塵灰產(chǎn)量，按照除塵灰總量與爐渣帶走未燃煤粉的比例為3：7［10］，可以計算出除塵灰總量和爐渣分別帶走的煤粉量。計算結果見表8。由于C高爐重力灰中未燃煤粉的數(shù)量較高，因此其爐渣中的未燃煤粉數(shù)量也相對較高。相比之下，其他三座高爐除塵灰和爐渣中的未燃煤粉含量較為接近。

表7 重力灰和洗滌灰中的噸鐵碳含量及焦炭和未燃煤粉所占比例Tab.7 Carbon contents，proportions of coke and pulverized coal in gravity ashes and washing ashes

表8 未燃煤粉質(zhì)量分布，kgTab.8 Mass distributions of unburnt pulverized coal，kg

2.2 煤粉利用率分析

高爐除塵灰取樣時間為2018年8月，依據(jù)當月4座高爐的噴煤比作為計算數(shù)據(jù)，各高爐的噴煤比如表9所示。高爐噴吹煤利用效率上限計算式

利用率下限計算式

式中：C為高爐噴吹煤煤比，kg/t·HM和分別為除塵灰中未燃煤粉的最大值和最小值，kg/t·HM；和分別為高爐渣中未燃煤粉的最大值和最小值，kg/t·HM。

各高爐噴吹煤利用效率計算結果見表9。由于A高爐配備了較為穩(wěn)定的制粉系統(tǒng)，能夠保證噴吹煤粉良好的粒度構成，因此在較高的噴煤量下仍能保證噴吹煤良好的利用率。B高爐由于剛剛投產(chǎn)，高爐爐況尚不穩(wěn)定，在未進行富氧鼓風的條件下，煤比并未超過100 kg/t·HM，但煤粉利用率仍較低。C和D高爐共用同一套制粉系統(tǒng)，使用的煤種和制粉能力相同的條件下，D高爐獲得了較好的煤粉利用效率。C高爐則可通過優(yōu)化富氧鼓風和改善焦炭質(zhì)量等手段提高噴吹煤利用效率。

表9 各高爐噴煤比及風口前煤粉的利用率Tab.9 Coal injection ratios and utilization rates of pulverized coal at tuyeres of the blast furnaces

3 結論

（1）利用煤巖顯微鏡對高爐除塵灰中的碳素種類進行定性和定量分析，能夠確定噴吹煤粉在高爐內(nèi)利用效率的波動范圍，了解高爐冶煉工序碳素燃料的利用情況，并具有針對性地制定高爐煉鐵成本的操作方案。

（2）A高爐的噴煤量達到了156 kg/t·HM，通過穩(wěn)定煤粉粒度和優(yōu)化富氧鼓風等手段保證噴吹煤在高爐內(nèi)良好的利用效率。當前噴吹混煤的綜合揮發(fā)分含量僅為17%左右，可通過提高揮發(fā)分含量改善混煤燃燒性能來提高噴煤量。

（3）C高爐與D高爐采用相同混煤方案和制粉工藝，但C高爐噴吹煤粉利用效率較低，與D高爐相差10%左右，應通過優(yōu)化富氧鼓風和改善焦炭質(zhì)量等手段來提高噴吹煤利用效率。