趙德勝，范崇強(qiáng)，姜喆

（1.鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠，遼寧 鞍山 114021；2.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山 114009；3.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

隨著鋼鐵市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，努力降低煉鐵生產(chǎn)成本，降低燃料消耗，節(jié)能減排已成為鋼鐵企業(yè)能否持續(xù)生存和發(fā)展的關(guān)鍵。與燒結(jié)礦相比，球團(tuán)礦具有品位高、粒度均勻、球形度高、冷態(tài)強(qiáng)度高、含粉末少等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，球團(tuán)生產(chǎn)工序能耗較低，污染排放物少，且球團(tuán)中氧化亞鐵含量低、還原性好。因此，提高球團(tuán)配比，減少燒結(jié)礦使用量，可增加高爐利用系數(shù)和降低燃料消耗，最終達(dá)到低碳煉鐵和提高規(guī)模效益的目的[1-3]。

隨著高爐產(chǎn)能逐年增加，鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠（以下簡(jiǎn)稱“鞍鋼”）燒結(jié)礦產(chǎn)能不足，煉鐵生產(chǎn)面臨燒結(jié)礦供料緊張和高爐用料結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定問(wèn)題。為此,有必要提高球團(tuán)入爐配比，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)機(jī)一機(jī)對(duì)一爐的穩(wěn)定供料方式，保證高爐穩(wěn)定順行。然而爐料球團(tuán)比例提高后，由于球團(tuán)自然堆角小，滾動(dòng)能力強(qiáng)，會(huì)造成爐喉料面形狀和徑向礦焦比發(fā)生變化，最終影響高爐內(nèi)煤氣流分布。為了給高爐冶煉高比例球團(tuán)提供布料理論依據(jù)，以鞍鋼7號(hào)（2580 m3）無(wú)料鐘高爐布料規(guī)律和爐料結(jié)構(gòu)參數(shù)為依據(jù)，利用無(wú)料鐘布料數(shù)學(xué)模型，模擬計(jì)算出不同球團(tuán)比例條件下料面形狀，并找出其變化規(guī)律，本文對(duì)此做一介紹。

1 布料模型開發(fā)

1.1 料面內(nèi)堆角

料面形狀受球團(tuán)比例影響很大，爐料內(nèi)堆角隨著球團(tuán)比例增加而降低。王國(guó)斌等對(duì)不同球團(tuán)比例爐料的自然堆角進(jìn)行了測(cè)試，得出球團(tuán)比例與自然堆角關(guān)系[4]，如表1所示，筆者沿用此測(cè)試數(shù)據(jù)。

1.2 料面外堆角

高爐爐料外堆角計(jì)算公式為經(jīng)驗(yàn)公式，具體見式（1）、（2）[5]。

式中，θ為爐料外堆角，°；α為溜槽傾角，°。

1.3 計(jì)算程序框圖

采用計(jì)算機(jī)迭代的方式先計(jì)算出不同落點(diǎn)的爐料體積，再通過(guò)擬合得到高爐布料的整個(gè)料面形狀。高爐布料計(jì)算程序框架圖如圖1所示。

圖1 高爐布料計(jì)算程序框架圖Fig.1 Framework Diagram for BF Burden Calculation Program

布入高爐內(nèi)爐料的體積為新、舊料面形成的旋轉(zhuǎn)體的體積，計(jì)算公式見式（3）[6-7]。

式中，V：爐料體積，m3；f1（x）：半徑為x處的新料面表面，m；f2（x）：半徑為x處的舊料面表面，m。

2 料面形狀影響分析

2.1 不同球團(tuán)比例料面形狀計(jì)算

圖2 不同球團(tuán)比例條件下布料料面形狀Fig.2 Burden Surface Shape under Different Pellet Ratios

由圖2可以看出，隨著球團(tuán)比例的提高，由于球團(tuán)自然堆角較燒結(jié)礦小，爐料向爐喉中心滾動(dòng)，造成爐喉中心無(wú)礦區(qū)越來(lái)越小。

球團(tuán)比例與爐喉中心無(wú)礦區(qū)半徑對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。由圖3可以看出，爐喉無(wú)礦區(qū)半徑從球團(tuán)比例為20%時(shí)的1.22 m降到100%時(shí)的0.69 m。尤其是當(dāng)球團(tuán)比例超過(guò)40%后，中心無(wú)礦區(qū)面積減小趨勢(shì)更加明顯，勢(shì)必會(huì)降低高爐中心區(qū)域透氣性。因此，當(dāng)球團(tuán)比例提高后，為保證爐喉中心一定的透氣性，應(yīng)適當(dāng)提高中心加焦比例。

圖3 球團(tuán)比例與爐喉中心無(wú)礦區(qū)半徑對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.3 Corresponding Relationship between Pellet Ratio and Radius of Region Being No Iron Ore Distributed in Center of Furnace Throat

不同球團(tuán)比例條件下爐喉徑向O/C如圖4所示。由圖4可以看出，與爐喉中心區(qū)域O/C比變化趨勢(shì)相反，爐喉邊緣O/C比反而隨著爐料中球團(tuán)比例的增加而變小。

圖4 不同球團(tuán)比例條件下爐喉徑向O/CFig.4 Radial O/C of Furnace Throat under Different Pellet Ratios

分析認(rèn)為，由于隨著球團(tuán)比例增加，爐料自然堆角減小對(duì)爐料內(nèi)堆角影響更大，內(nèi)堆角快速減小，而外堆角在邊緣環(huán)位不變時(shí)幾乎不變，勢(shì)必會(huì)造成有一部分原先落在邊緣的礦石向爐喉中心滾動(dòng)，因此高爐邊緣礦石減少。這應(yīng)該也是唐鋼和太鋼等高爐開展大比例球團(tuán)冶煉工業(yè)試驗(yàn)[8-9]時(shí)，邊緣煤氣流發(fā)展的一個(gè)重要原因。因此，為了保證爐料中球團(tuán)比例提高后高爐內(nèi)煤氣流分布穩(wěn)定，從布料矩陣上來(lái)看，應(yīng)該首先提高中心加焦比例，擴(kuò)大爐喉中心焦堆體積，將礦石擋在平臺(tái)上。

2.2 中心加焦比例對(duì)料面形狀影響

如2.1所述，球團(tuán)比例提高后，應(yīng)提高中心加焦量來(lái)保證中心氣流通暢。將中心加焦圈數(shù)由3圈分別增加到4圈和5圈，計(jì)算球團(tuán)比例分別為40%，60%，80%和100%時(shí)布料料面形狀。矩陣為的料面形狀分別如圖5、6所示。

圖5 矩陣為的料面形狀Fig.5 Burden Surface Shape for Matrix of

圖6 矩陣為的料面形狀Fig.6 Burden Surface Shape for Matrix of

由圖5、6可以看出，中心焦堆明顯增大，爐喉無(wú)礦區(qū)面積也增加。中心加焦圈數(shù)與中心無(wú)礦區(qū)半徑關(guān)系如圖7所示。

圖7 中心加焦圈數(shù)與中心無(wú)礦區(qū)半徑關(guān)系Fig.7 Relationship between Number of Turns for Adding Coke to Center and Radius of Region Being No Iron Ore Distributed in Center

當(dāng)中心加焦圈數(shù)由3圈增加到4圈后，球團(tuán)比例分別為40%，60%，80%和100%的爐料布在高爐爐喉所產(chǎn)生的無(wú)礦區(qū)半徑分別增加1.34，1.42，1.56，1.63 m；中心加焦圈數(shù)由3圈增加到5圈后，球團(tuán)比例分別為40%，60%，80%和100%的爐料布在高爐爐喉所產(chǎn)生的無(wú)礦區(qū)半徑分別增加2.38，2.51，2.76，2.89 m。球團(tuán)比例越高，提高中心加焦量后，中心無(wú)礦區(qū)面積增加越大，也就是說(shuō)改善高爐中心氣流透氣性越明顯。當(dāng)中心加焦圈數(shù)提高到4圈后，球團(tuán)比例為40%的中心無(wú)礦區(qū)面積基本與中心加焦圈數(shù)為3圈、球團(tuán)比例為20%的中心無(wú)礦區(qū)面積相當(dāng)。當(dāng)中心加焦圈數(shù)提高到5圈后，球團(tuán)比例為60%的中心無(wú)礦區(qū)面積基本與中心加焦圈數(shù)為3圈、球團(tuán)比例為20%的中心無(wú)礦區(qū)面積相當(dāng)。因此，提高中心加焦量是保證高比例球團(tuán)冶煉高爐中心煤氣流通暢的一個(gè)重要方法。

2.3 批重對(duì)料面形狀影響

高爐煤氣流幾乎都是從焦窗中穿過(guò)，批重的大小不僅決定著焦窗的厚度，還影響著高爐徑向O/C。當(dāng)爐料中球團(tuán)比例提高后，由于球團(tuán)的中心滾動(dòng)效應(yīng)，批重對(duì)料面形狀和高爐透氣性的影響將會(huì)更加明顯。筆者通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算，研究了球團(tuán)比例提高后，入爐總O/C比不變時(shí)，批重對(duì)邊緣O/C、中心無(wú)礦區(qū)半徑的影響。

不同批重下球團(tuán)比例與邊緣O/C關(guān)系如圖8所示?？梢钥闯?，同一球團(tuán)比例下，隨著批重的增加，邊緣O/C并沒(méi)有太大變化，說(shuō)明批重對(duì)邊緣煤氣流影響不大；隨著球團(tuán)比例增加，邊緣O/C逐漸降低。

圖8 不同批重下球團(tuán)比例與邊緣O/C關(guān)系Fig.8 Relationship between Pellet Ratio and O/C at Edge under Different Batch Weights

不同批重下球團(tuán)比例與中心無(wú)礦區(qū)半徑關(guān)系如圖9所示?？梢钥闯?，同一球團(tuán)比例下，隨著批重的增加，中心無(wú)礦區(qū)半徑逐漸降低，說(shuō)明批重增加會(huì)加重中心；隨著球團(tuán)比例增加，中心無(wú)礦區(qū)半徑逐漸降低，且當(dāng)球團(tuán)比例超過(guò)40%后，無(wú)礦區(qū)半徑減小會(huì)更加明顯。因此，在球團(tuán)比例超過(guò)40%后，在保證爐喉焦炭層厚度條件下，礦石批重不宜過(guò)大。

圖9 不同批重下球團(tuán)比例與中心無(wú)礦區(qū)半徑關(guān)系Fig.9 Relationship between Pellet Ratio and Radius of Region Being No Iron Ore Distributed in Center under Different Batch Weights

3 結(jié)論

（1）隨著球團(tuán)比例的提高，爐喉中心無(wú)礦區(qū)面積將減小，尤其是當(dāng)球團(tuán)比例超過(guò)40%后，中心無(wú)礦區(qū)面積減小趨勢(shì)更加明顯；爐喉邊緣O/C隨著球團(tuán)比例的增加而變小。

（2）球團(tuán)比例提高后，提高中心加焦量是保證高比例球團(tuán)冶煉爐況順行的一個(gè)重要方法。

（3）球團(tuán)比例提高后，批重的變化對(duì)邊緣O/C影響不大，但中心無(wú)礦區(qū)半徑卻隨著礦石批重的增加而稍微降低，從而加重中心。因此，在保證爐喉焦炭層厚度條件下，礦石批重不宜過(guò)大。