高爐爐身靜壓監(jiān)測技術(shù)最早由寶鋼在20世紀80年代引進!,在指導(dǎo)高爐操作中具有超前性、穩(wěn)定性及準確性等優(yōu)點!21,對判斷爐內(nèi)壓力與煤氣流在橫縱兩個斷面上的變化趨勢,減少爐況大幅波動及避免爐況失常,具有重要的參考價值。

目前,國內(nèi)高爐基本上都應(yīng)用了該技術(shù),但缺乏對大型高爐壓差與爐身靜壓差變化的一般性規(guī)律總結(jié),難以對一般和特殊爐況起到指導(dǎo)作用。京唐1號高爐(5500m:)在設(shè)計中也引人了爐身靜壓監(jiān)測技術(shù),并將監(jiān)測數(shù)據(jù)作為重要的調(diào)劑參數(shù)應(yīng)用于作過程中,形成一套通過爐身靜壓差變化判斷爐況的操作方式。

1 爐身靜壓差與高爐壓差變化的規(guī)律

1.1爐身靜壓監(jiān)測裝置

1號高爐在爐身安裝了4層靜壓監(jiān)測點，把高爐壓差分為上部壓差、中部壓差、下部壓差分別進行監(jiān)測,稱為“靜壓差”上中下三部分壓差總和是高爐總壓差。最下層爐身靜壓監(jiān)測安裝在爐腰位置最上層爐身靜壓監(jiān)測安裝在爐身中部以下[3。京唐1號高爐爐身靜壓監(jiān)測位置如圖1所示,風(fēng)壓與第1層靜壓力的差值為下部壓差,第2層靜壓力與第4層靜壓力的差值為中部壓差,爐頂壓力與第4層靜壓力的差值為上部壓差。利用上、中、下部壓差分別監(jiān)控爐腹區(qū)域、軟熔帶、塊狀帶透氣性的變化。

1.2 高爐壓差的一般性規(guī)律

高爐壓差指入爐的風(fēng)壓與爐頂壓力的差值。在生產(chǎn)過程中,高爐壓差代表爐內(nèi)的氣體流過整體料柱的壓力損失,代表爐內(nèi)料柱的透氣性,透氣性越好壓力損失越小,壓差越低。

爐內(nèi)氣體流動是鼓入的熱風(fēng)與爐缸內(nèi)焦炭燃燒產(chǎn)生大量煤氣,煤氣上升與爐料繼續(xù)反應(yīng),最終反應(yīng)后產(chǎn)生的煤氣從爐頂排出的過程。鼓入高爐的熱風(fēng)與焦炭反應(yīng)產(chǎn)生煤氣而使氣體體積增加,風(fēng)口前端有回旋區(qū)存在,并且爐缸內(nèi)雖然有大量爐料及渣鐵填充,但是仍屬于大體積容器。因此,熱風(fēng)進入高爐后的壓力大幅降低。由于爐缸焦炭及渣鐵的阻力爐缸水平面的壓力分布從風(fēng)口向內(nèi)逐漸降低,若爐缸透氣性好,則從外往內(nèi)壓力降低小,反之則壓力降低大。而在豎直方向爐缸煤氣上升過程中,由于爐料及入的熱風(fēng)需要的風(fēng)壓就低,反之需要的風(fēng)壓則高在定頂壓、定風(fēng)量的操作模式下,壓差低也就代表了爐內(nèi)整體透氣性好。

京唐1號高爐開爐前烘爐打壓時,風(fēng)壓、頂壓及高爐壓差的變化如圖2所示,各層壓差的變化如圖3所示。對比圖2和圖3.爐頂放散閥全開時,爐內(nèi)存在較高的壓差值,但都是在下部。這時候的高爐壓差不是因為熱風(fēng)通過的阻力，而是由于空高爐風(fēng)口前的面積急劇變大,壓力會出現(xiàn)陡降,以至于爐缸水平面壓力遠遠低于熱風(fēng)壓力,熱風(fēng)在爐頂出口因為通過面積急劇變小而產(chǎn)生較小的爐頂壓力。這時候的高爐壓差值,只是表征熱風(fēng)進人風(fēng)口前的壓力與爐頂壓力的差值,并不表征爐內(nèi)的透氣性。當關(guān)閉爐頂放散閥提高頂壓進行打壓試驗時，下部壓差回零表示爐缸水平面壓力與鼓風(fēng)壓力持平時,高爐空腔壓差為零。

由此可見,通常意義上的高爐壓差并不代表爐缸水平面壓力與爐頂壓力的差值,只是在高爐生產(chǎn)爐缸內(nèi)風(fēng)口前壓力水平接近熱風(fēng)壓力取壓點的風(fēng)壓時,高爐壓差才基本代表爐內(nèi)壓差。而通常意義上的高爐壓差代表的是熱風(fēng)壓力取壓點與頂壓取壓點渣鐵阻力,以及通過的截面積變化,同樣導(dǎo)致壓力逐漸降低,爐料阻力越小,壓力損失越少,爐料前端與后端壓差越小。

高爐冶煉是定頂壓、定風(fēng)量的操作,在爐頂壓力固定的情況下,爐內(nèi)透氣性好,煤氣上升阻力小,鼓之間整個系統(tǒng)壓力損失的大小,由于管道系統(tǒng)是固定的,也就在一定意義上能夠代表從風(fēng)口前端到爐頂料面整體透氣性的好壞。

高爐內(nèi)從爐缸至爐頂煤氣體積的變化如圖4所示。熱風(fēng)進入高爐與焦炭反應(yīng)是體積膨脹過程,爐缸煤氣體積大于熱風(fēng)體積,爐缸煤氣上升過程中與焦炭及礦石反應(yīng),在爐身下部經(jīng)過軟熔帶后體積增加到最大,在爐身塊狀帶煤氣體積不再變化。由于高爐煤氣在爐內(nèi)自下而上體積、溫度的變化,以及爐內(nèi)自下而上各層煤氣通過橫截面積的變化,即使爐內(nèi)各層截面的爐料透氣性相同,也必然導(dǎo)致各層的壓力分布不同。由于爐料在爐內(nèi)不同區(qū)域的分布不同,且煤氣在爐內(nèi)不同區(qū)域的流速不同,各區(qū)域煤氣通過的阻力不同,也就導(dǎo)致了爐內(nèi)水平面壓力不等同。因此,爐身靜壓監(jiān)測的上、中、下部壓差總值雖然等同風(fēng)壓與頂壓的差值,但是通過爐身靜壓監(jiān)測的各層壓差變化并不完全代表各層的透氣性變化僅僅代表邊沿區(qū)域的壓差變化。京唐1號高爐各層壓差及總壓差的變化如圖5所示,由圖5可以看出:

通過爐身靜壓監(jiān)測的各層靜壓差正常范圍的變化并不完全等同于高爐壓差的變化。

1.3 靜壓差的影響因素

(1)下部壓差。下部壓差監(jiān)控區(qū)域為高爐爐腰下部至風(fēng)口帶的高溫區(qū)域,處于高爐軟熔帶以下,為焦炭與滴落的渣鐵混合區(qū)域。影響下部壓差的因素有:經(jīng)過高爐上部反應(yīng)消耗后進人爐缸的焦炭粒度中心死焦堆大小及透氣性;軟熔帶根部位置的高低渣鐵排放干凈程度;進入爐缸的渣鐵黏度。

改善下部壓差應(yīng)從爐缸透氣性著手,改善焦炭熱態(tài)性能,提高爐缸焦炭粒度,增加爐缸焦炭氣窗面積:保持足夠的風(fēng)速、鼓風(fēng)動能使爐缸具備足夠大的風(fēng)口回旋區(qū)面積,盡可能減小爐缸死焦堆體積:合理搭配爐料結(jié)構(gòu),保持合理的綜合爐料治金性能:構(gòu)建合理的煤氣分布形態(tài),使軟熔帶具備一定的高度,增加爐缸純焦炭區(qū)域體積;調(diào)整合適的造渣制度,減小進入爐缸的渣鐵對焦炭氣窗的淤堵:控制合理的渣鐵溫度,避免煤氣體積過度膨脹;及時排凈渣鐵,盡可能保持穩(wěn)定的渣鐵液面,增大爐缸焦炭區(qū)的體積(2)中部壓差。中部壓差監(jiān)控區(qū)域為高爐的中溫區(qū)域,是煤氣與焦炭、礦石發(fā)生還原反應(yīng)的區(qū)域是半熔化礦、焦炭、渣鐵的混合區(qū)域。影響中部壓差的因素有:爐料的綜合冶金性能形成的軟熔帶厚度初渣及終渣黏度;焦炭的冷態(tài)、熱態(tài)性能;裝料制度及形成的軟熔帶形狀。

為改善中部壓差,應(yīng)合理搭配爐料結(jié)構(gòu),以具備合理的綜合爐料冶金性能,使綜合爐料的熔融溫度區(qū)間盡可能的小,熔融最大壓差盡可能低,熔融帶厚度薄,這樣才能最大程度改善軟熔帶的透氣性:通過調(diào)整上部裝料制度,形成合理的一次煤氣流分布,使軟熔帶形狀具備穩(wěn)定、合適的煤氣通路。

(3)上部壓差。上部壓差監(jiān)控區(qū)域為塊狀帶區(qū)域。影響上部壓差的因素有:入爐原料的粉末量;塊狀帶爐料粒度;爐料的抗壓強度及冶金性能:裝料制度形成的礦焦分布[4-5]

改善上部壓差的措施:

①提高人爐原料粒度,減少人爐粉末;

②提高含鐵爐料的抗壓強度、降低爆裂指數(shù),降低低溫還原粉化率;

③通過裝料調(diào)整構(gòu)建合理的二次煤氣流分布通路

2 爐身靜壓在高爐操作中的應(yīng)用

2.1 高爐調(diào)整的參考

大高爐冶煉都會保持中心與邊沿的兩條煤氣通路,這兩條煤氣通路是蹺蹺板式的平衡。在原料條件不變條件下,中心變強則邊沿變?nèi)?中心變?nèi)鮿t邊沿變強。爐身靜壓監(jiān)測爐身邊沿的靜壓力變化,通過靜力壓變化情況監(jiān)測邊沿區(qū)域的靜壓差變化,基本能夠監(jiān)測高爐邊沿區(qū)域透氣性變化。在裝料調(diào)整時,通過靜壓差變化情況可以判斷邊沿氣流變化[]。雖然各層靜壓差值不能完全代表各層整體透氣性變化,在高爐中心區(qū)域煤氣通路穩(wěn)定的情況下,靜壓差變化也能反應(yīng)出各層透氣性變化。通過靜壓差分析爐身各層透氣性變化,必須結(jié)合煤氣分布變化綜合分析,才能得出正確的參考意義。

京唐1號高爐各層壓差分布比例的變化如圖6所示。高爐壓差主要集中在下部與上部,中部壓差很低。上部壓差占總壓差的30%左右,中部壓差占總壓差的10%左右，下部壓差占總壓差的60%左右。因此,生產(chǎn)中高爐以改善壓差作為調(diào)整手段,應(yīng)該主要改善上部與下部壓差。

2.2 日常操作的輔助

大高爐生產(chǎn)都需要保持生產(chǎn)條件穩(wěn)定,一般不會出現(xiàn)短時間內(nèi)原燃料條件大的波動及操作制度上大的調(diào)整,從而保證爐內(nèi)煤氣流分布的基本穩(wěn)定,爐身上部壓差與中部壓差也能保持穩(wěn)定!7。如果工長在操作中能夠保持爐溫的穩(wěn)定,則下部壓差也會維持穩(wěn)定。但是,在實際生產(chǎn)過程中,爐溫會在一定范圍內(nèi)波動,而爐溫波動必然會導(dǎo)致爐腹煤氣體積的波動,進而會引起下部壓差的波動8。因此,在高爐操作中,通過下部壓差變化能夠判斷爐溫變化下部壓差升高代表爐溫上行,下部壓差降低代表爐溫下行。京唐1號高爐下部壓差及鐵水[Si]的變化如圖7所示,對比可見下部壓差與鐵水[Si]的對應(yīng)關(guān)系,正常情況下爐溫升高會帶來下部壓差升高，

2.3 特殊爐況的監(jiān)控及處理

京唐1號高爐某天的爐身靜壓監(jiān)測畫面見圖8。由圖8可以看出,下部壓差穩(wěn)定性偏差,表明下部邊沿氣流穩(wěn)定性差,對應(yīng)的操作曲線表現(xiàn)為料尺工作不均勻。當下部壓差降低時,表明下部邊沿透氣阻力減小,煤氣通過量加大,對應(yīng)的會帶來中上部阻力增大。如果中上部能夠承受下部增加的煤氣量而保持壓差穩(wěn)定,則操作曲線表現(xiàn)為壓量關(guān)系基本穩(wěn)定。當中部不能承受下部的煤氣流時,會帶來中部壓差急劇下降,上部壓差急劇升高。當上部能夠承受急劇增加的氣流時,也能保持整體壓差基本穩(wěn)定,并保持操作曲線基本平穩(wěn)。當下部壓差下降過低,而中上部都不能夠接受突然增加的煤氣量時,就會出現(xiàn)管道。