近年來,為應對嚴峻的鋼鐵形勢,邯鋼將優化高爐原料結構、提高塊礦比例作為降低生產成本的主要途徑。從2020年開始,嘗試提高1號高爐(3200m’)塊礦比例,但受管理水平和冶煉技術的影響,無法克服塊礦含粉率高、低溫粉化嚴重、冶金性能差有害元素含量高的缺點,高爐經常出現透氣性惡化爐墻結厚、渣鐵出不凈等問題,爐況難以穩定順行尤其是當塊礦比例提高至15%以上時,爐內壓差顯著升高、軟熔帶厚度及料層透氣性進一步惡化!高爐順行嚴重受阻。為提高塊礦比例,穩定高爐生產,采取優選塊礦品種、減少粉料入爐,優化排料順序、造渣制度及上下部操作制度等措施,取得了良好的效果。

1 塊礦比例難提高的原因

高爐原料中塊礦價格最低,但冶金性能也最差塊礦的諸多缺點限制了其在高爐爐料結構中的比例。在1號高爐生產實踐中,當塊礦比例>15%以后,爐況順行會變差,經過分析主要原因有以下幾點。

(1)塊礦是天然礦石,含有結品水和碳酸鹽,在高爐內被加熱時,因結晶水逸出、碳酸鹽分解,使礦石爆裂,產生大量粉料,影響高爐上部的透氣性[2]

(2)塊礦中A10,含量比較高,隨著塊礦比例的提高,爐渣(A10,)也會升高,當塊礦比例達到20%時,爐渣(A1,0,)高達17.5%~18.5%,黏度呈指數級上升,進而影響高爐順行[31

(3)塊礦在開采、運輸、造堆中容易產生大量粉料,進入高爐后導致高爐透氣性下降。尤其是在雨雪季,塊礦中的粉料吸收大量水分變成“膠體”狀,難以篩除,并出現下料困難,黏結篩底,冬季凍倉現象,這些都制約了塊礦比例的穩定與提升。另外,高塊礦比例下,如果操作不當,在高爐爐墻容易形成黏結物,造成爐墻結厚、煤氣流失常。

(4)塊礦冶金性能較差,軟化開始溫度低,荷重還原熔滴性能差,造成高爐軟熔帶增厚、透氣性變差,影響煤氣流二次分布和爐況順行程度。

(5)塊礦致密性較高,在爐內僅塊礦表面與煤氣發生反應,因此還原性較差,導致高爐燃料比升高、生產成本增加。

2  提高塊礦比例的措施

2.1 優選塊礦品種確立爐料結構

塊礦品種不同,熱爆裂性能、軟化區間、還原性能等差別較大[4],因此選擇適合自身條件的塊礦非常重要。按產地分,主流塊礦有國產塊、澳塊、巴西塊和南非塊等。為找到“性價比”較高的塊礦,邯鋼與重慶大學等高校開展合作,測定了國內外主流塊礦的還原性、熱爆裂指數、熔滴性能、軟化區間等重要指標。結合1號高爐實際爐料結構,在實驗室擬高爐冶煉環境,測量爐料對料柱透氣性和爐況順行的影響。經過上百次實驗,選出澳礦中的PB塊和紐曼塊作為1號高爐主要塊礦。

為保證生產穩定順行,生產中定期對高爐實際爐料的冶金性能進行測試,時刻關注塊礦在生產中的應用情況,防止爐料性能變化大對生產造成負面影響。同時,檢驗不同堿度燒結礦與塊礦配合使用的最佳指標,用于指導燒結礦生產。在實驗室開展模擬高爐全爐料結構的冶煉試驗,確立了“20%塊礦+77%燒結礦+3%球團礦”的常用爐料結構,該爐料結構下燒結礦堿度控制在1.85時,爐料冶金性能最優,有利于高爐穩定順行。1號高爐爐料熔滴特性曲線如圖1所示。

2.2 控制塊礦含粉率

(1)塊礦造堆及整粒。塊礦來料后,利用皮帶機進行造堆,由于自然特性,大塊料滾動到料堆邊沿,粉料集中在料堆中心。造堆完畢,用取料車將中心粉料取出用于燒結礦配料。為使粒度均勻,用鏟車把大塊料均勻撒布在料堆表面上,再用取料車進行斷面取料,整粒后塊礦5~20mm粒度占比能達到75%。最后,在料場到高爐的轉運站上設置強力篩除部分粉料,對塊礦再次整粒,5~20mm粒度占比提高到 80%。

(2)改造槽下振動篩,增強篩分效果。傳統振動篩是棍狀篩底,篩棍間隙容易被小粒度爐料或潮濕粉料結塊堵塞,失去篩分功能,致使爐料中的粉料無法篩除而進入高爐,引發爐況失常,因此需要定期清理篩棍。傳統的清理方法需要將振動篩上方除塵罩拆除,工人爬上篩面逐個清理。該方法不僅非常費時,而且效果差,嚴重影響備料時間,對高爐順行相當不利。針對這個問題,首先將篩底換成聚氨酯孔狀篩,可以有效減少粉料黏結篩底情況的發生;其次,將底做成多個模塊,類似拉抽屜的方式拉出需要清理或檢修的篩底,裝入新篩底。該方法無需拆除除塵罩,不影響備料即可實現底快速更換,更換下來的篩底清理干凈后備用。上述措施不僅提高了振動篩檢修效率、增強了篩分效果,而且有效地減少了粉料入爐。篩分后塊礦7~20mm粒度占比≥98%,粉料率≤2%。1號高爐快拆式振動篩結構如圖2所示。

(3)改造料倉,解決黏結篩網問題。在雨雪天氣或造堆打水抑塵時,塊礦含水量明顯增加,由于塊礦的特性,這部分水大多被粉料吸收,形成“膠體狀”料。這種料輕則黏結料倉嘴,造成下料不暢,影響備料速度,重則黏結篩網,使振動篩失去分能力,導致大量粉料進人高爐,惡化爐況。針對這一狀況,通過改造料倉嘴結構,將高爐鼓風機站200℃左右的熱風引至槽下!1,通過特制環管均勻地吹入塊礦倉,利用熱風加熱塊礦來防止凍倉,減少“膠體狀”料黏結篩網或料倉嘴的問題,進而減少粉料人爐量,使高爐塊礦比例全年穩定在20%,有效地降低了生產成本。雨雪天,采用熱風加熱前后1號高爐振動篩篩網實況見圖3。

2.3 優化排料順序

隨著塊礦比例的不斷提高,高爐經常出現邊沿結厚、爐況難行現象。尤其是雨雪天氣,塊礦粉料難以篩除的情況下更易出現。經研究發現,將塊礦布料至邊沿時,由于其自然特性,大塊料向高爐中心滾動,而粉料則更容易在爐墻邊沿堆積,如果高爐邊沿布有大量塊礦,在粉料增加時就會出現板結(見圖4)。隨著冶煉的持續進行,這種板結料來到爐身中下部,由于塊礦熔化開始溫度低,板結料熔融后黏附在爐墻上,隨著黏結物的不斷聚集,出現爐墻結厚影響煤氣流三次分布,造成爐況失常。

為此,優化排料程序,要求塊礦排料順序不能早于燒結礦,使焦丁在第一順位排料,料頭單排15%燒結礦,然后再進行燒結礦和塊礦混排,料尾單排13%燒結礦,形成以燒結礦和焦丁為主的料頭,以燒結礦為主的料尾,中間為燒結礦、塊礦、球團礦以及熔劑的排料順序。同時,為避免料流在中間斗和料罐內出現二次混料,通過延長第一個塊礦倉與第-個燒結礦倉和焦丁倉排料的時間間隔,優化皮帶上的料流結構,減少二次混料。該措施有效地解決了塊礦比例升高后的爐墻結厚問題。

2.4 優化造渣制度

隨著高爐塊礦比例的增加,爐渣(A10:)升高至17.5%~18.5%,此時爐渣熔化性溫度顯著升高,變得黏稠,流動性變差,高爐常因渣鐵出不凈而順行變差。高鋁渣條件下的冶煉是一個業界難題很多學者就添加MgO解決高A,0,鐵礦石冶煉開展了大量的研究!5-1],尤其是煉鐵專家劉云彩,對Mg0具有改善爐渣黏度作用的研究過程及爐渣鎂鋁比問題進行了非常有益的探討[6]。上述研究成果均表明,適當配加MgO可以降低高鋁渣的黏度[]。結合1號高爐生產實踐,爐渣鎂鋁比控制在0.47~0.52.能夠顯著改善高鋁渣的流動性,確保其順利流出,改善爐況。

另外生產實踐表明,在保證鐵水溫度>1515℃的前提下,適當降低爐渣堿度也可以改善高鋁渣的流動性。究其原因,爐渣堿度降低后渣量相對增加在一定程度上降低了爐渣(AL0)的含量。操作上,爐渣二元堿度由1.25~1.30逐步降低至1.18~1.23,但需要注意的是,渣量提高勢必帶來燃料比升高和脫硫效果下降,因此必須控制好爐渣二元堿度下限。

2.5 優化操作制度

(1)裝料制度。針對塊礦比例大于15%后,爐況順行變差的問題,對高爐運行狀態進行了詳細分析。認為,塊礦比例增加后,高爐料柱透氣性降低壓差升高,是爐況順行變差的根本原因。高爐塊礦比例提高,軟熔帶厚度必然增加,煤氣穿過軟熔帶需要做更多的功,表現為高爐透氣性變差,透氣性指數K變大,風量、富氧量降低,進而導致爐況難行。裝料制度不可能降低軟熔帶厚度,但可以改變軟熔帶的位置和形態。通過調整爐料的徑向焦炭負荷,改變軟熔帶位置和形態,進而改善高爐料柱透氣性是可行的。

通過不斷地摸索,開發了“焦包礦”布料技術主要思路是形成中心和邊沿同時開放的兩股氣流提高料柱透氣性來提高風量和富氧量,穩定高爐順行。操作上,仍然通過中心加焦來維持較強的中心氣流,不同的是布料上通過減小礦石布料角度,形成礦石平臺較焦炭平臺窄的礦帶和邊沿焦炭,維持較強的邊沿氣流,充分把透氣面積占比達70%的邊沿利用起來。通常,礦石布料最大角度小于焦炭最大角度1°~2°,礦石擋位增加至5擋,礦角差增加109左右,讓礦石均勻分布在焦炭平臺內部,形成獨特的“焦包礦”布料形式(如圖5所示)。

1號高爐“焦包礦”布料技術典型布料矩陣為C’,”、”0、.。”。具有中心氣流強、邊沿氣流穩定的特點。與中心加焦布料相比,能形成相近的中心氣流,又有更穩定的邊沿氣流,兩股氣流均衡發展,高爐透氣性增強,風量、富氧量水平提高,高爐順行得到很大改善。

(2)送風制度。上部裝料制度優化后,需要與下部送風制度相配合,才能保證爐況長期穩定。為改善高爐順行程度,下部調節上開發了“兩全兩高’的操作技術。“兩全”是指全風全氧,目的在于盡可能地創造條件提高人爐風量、富氧量,以形成足夠的爐腹煤氣量,增加初始煤氣流對爐缸下部的“攪動:作用,借以活躍爐缸和增加中心氣流強度。“兩高是指高風速高鼓風動能,可以增加初始煤氣向中心的穿透深度,目的在于“吹透”中心,形成強有力的中心氣流。

按照上述技術思路,在操作上適當減小風口面積,由0.4358m'逐漸縮小至0.4012m',同時增加長風口使用個數，占比由30%提高至60%。風口面積減小后,同樣風量、富氧量條件下,風速、鼓風動能增加,初始煤氣流吹透能力增加,中心氣流增強,十字測溫中心高溫點變窄,形成集中有力的中心“氣流束”料柱透氣性增強。風量、富氧量水平有較大的提高,料柱更加“疏松”為提高礦批創造了條件礦批由82t逐步提高至94t,煤氣利用率由46%提升至48%,燃料比進一步降低到512kg/t,日產量提升至8600td,形成高產低耗的良好局面。1號高爐主要操作參數見表1。

3 生產效果

通過采取以上措施,1號高爐塊礦比例穩定在20%,爐況長期穩定順行,2023年下半年技術經濟指標優良(見表2)。平均日產量保持在8600td以上,煤比155kg/t,燃料比512kg/t,生產成本大幅降低,經濟效益明顯。

4 結語

(1)塊礦含粉率高,難以篩除,是1號高爐塊礦比例難以提高的首要原因,采取必要措施降低塊礦含粉率,減少粉料入爐量,是高爐提升塊礦比例的主要方向。

(2)塊礦中粉料難以篩除時,必須優化排料順序,避免塊礦直接接觸爐墻,造成爐墻結。

(3)高爐內良好的煤氣流分布是提高塊礦比例的前提。在保證中心氣流的前提下,適當放開邊沿氣流,是塊礦比例提升后保證料柱透氣性的必要措施。

(4)當爐渣(A10;)達到17.5%~18.5%時,將爐渣鎂鋁比提高到0.5左右,并適當降低爐渣堿度和提高鐵水溫度,有利于在高塊礦比例冶煉條件下改善高鋁渣的流動性。