【技术文摘】高炉经济炼铁的探讨

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（来源：中国炼铁网）

臧向阳 尹雪山 王玉会

（日照钢铁控股集团有限公司）

摘 要 本文根据经济冶强、欧根方程理论阐述了经济炼铁的理念，并从炉型优化、经济原料、高炉操作、原料处理及降本思路几个方面探讨了经济炼铁。

关键词 经济冶强 欧根方程 炉型优化 经济原料

1 前言

1.1 经济炼铁理念

当前及今后的突出问题：

（1）优质资源与高炉大型化之间的矛盾；

（2）钢铁产能过剩趋势下，市场竞争加剧，降低成本是企业有效的出路；

（3）钢铁成本的70%以上在炼铁，炼铁降本是重中之重。

经济炼铁就是应用经营理念，指导炼铁实践，利用系统集成的炼铁技术实现经营理念，通俗地讲，就是经营理念同炼铁技术相结合、供应同生产相结合，炼铁也要面对市场。

1.2 经济炼铁理论方法

以欧根方程为理论基础，以经济冶强为技术依据，以降低生铁成本为导向，紧随市场变化，优化原料结构，粗粮细做，精细操作，实现铁水成本最低，争取效益最大。

1.2.1 高炉生产条件下的欧根方程

散料层、块状带欧根方程：

在软熔带和滴落带根据物料变化对公式进行了局部修正，主要对实际空隙率ε的影响。

从欧根方程中，可以明确地看出，影响△P最大的是炉料的空隙率ε，和煤气流速ω，两个重要的因素。其中ε是原燃料条件决定，ω由设计和操作参数决定。粒度分布ω对影响比较大，见图1。高炉炉内ε处于变化非常敏感的区域[1]，见图2。改善ε对于维持高炉顺行极为有利。

1.2.2 高炉经济冶强

冶炼强度、炉腹煤气指数与燃料消耗之间的关系见图3。

高炉冶炼均存在一个最佳的冶炼强度[2]及炉腹煤气指数。从成本角度出发，则存在如图4的关系，受固定费用分摊影响，最低成本点冶强或XBG一般高于最低消耗点。考虑利润，企业效益存在图5的关系。

XBG实际是炉缸截面上的煤气标态流速，单位Nm³/（m²·min）。

2 经济炉型的设计与优化

合理炉型评价，是以高炉投产后，稳定顺行、优质高产、低耗长寿等实效为评价标准的。

传统的炉型设计参数，是以大量的统计数据分析得出各尺寸之间的关系，并定型，为新的高炉设计提供指导，其中较大的缺陷就是未能有效地指出改进方向及逻辑。

2.1 高径比

H/D为高径比。

△P与D4成反比，D的微小变化会引起△P的大幅变化。

H/D要矮胖，重点在胖，不在矮，即重点是扩大横向的直径D，适当降低有效高度H。

2.2 Vu/A

为了直观分析Vu/A与τ（煤气停留时间）的关系，工作容积为有效炉容的84%，则有以下关系[3]：

2.3 β炉身角

β=79°~83° ，d/D=0.6~0.7

β角大，边缘气流抑制，β角小边缘气流发展。

β〈76°后，边缘气流不受控制。

若厚壁炉衬侵蚀严重，会引起炉身角变的很小。

2.4 α炉腹角

α=74°±2° D/d=1.20~1.30

日常生产中，通过调整风口长度，可以调整等效炉腹角，正常运行在70°±2°水平。

α、β角共同控制边缘气流。

2.5 h1/d炉缸形状系数

h1/d≥0.45向瘦高发展；

深炉缸，有利于保证回旋区在高度上有宽松空间，不受渣铁排放影响。

瘦炉缸，有利于在同样的动能条件下，保证活化区比例提高。

2.6 炉底结构

受环流影响，炉底一般为象脚侵蚀，象脚侵蚀的形成往往加剧了炉缸环流，对炉缸死焦堆的置换及高炉长寿均不利。

人造锅底炉底结构，可以引导炉缸炉底侵蚀。

通过调整耐材性能，优化炉底冷却方式(通过对传统炉底水冷管布局优化，冷却强度由外向内逐步降低，甚至取消中心冷却，示意见图7)，可以引导形成锅底状炉缸侵蚀。锅底状炉底结构，利于缓解炉缸环流，利于加速死焦堆置换。

2.7 小结

炉型设计优化重点在于以下三个方面：

1）扩大炉腰直径，并适当降低高炉H，有利于降低对原燃料质量的苛求；

2）缩小炉腹角，从下部控制边缘气流，可延长炉腹炉腰炉身下部冷却壁的寿命；

3）增加炉缸h1/d，有利于通过渣铁自身重力，提高炉缸自清洁能力，活跃炉缸，降低对焦炭热态冶金性能的要求。

研究经济炉型的目的，是为了实施经济炼铁[3]，奠定基础。

3 经济原料与精料方针

3.1 精料方针（以宝钢用矿为例）

精料八字方针：高、熟、净、匀、小、少、稳、好。

其中，只有“高”-品位高，“少”-杂质少、有害元素少，两字是对资源的要求，其余六字都是针对铁前工序的工艺技术要求，是属于技术层面的。

3.2 经济原料

经济矿定义：是以市场主流矿或本厂主力矿为参照，通过建模对各种资源进行铁成本测算排序，成本低于主矿的叫经济矿。

以此类推，经济焦、经济煤、经济熔剂的定义，统称为经济原料。

经济料是一个动态概念，随市场价格变化趋势而变化，与矿石品位无直接关系，更不是大家误解中的垃圾料。

由此可见经济原料是经营层面的概念，与精料方针并不矛盾，我们要做的就是以经营的理念，做好炼铁技术，在经济原料的条件下，做好精料方针。

在市场中，没有经济性的技术是不可能长期存在的！技术必须要有经济性！

3.3 经济料的限制因素

（1）有害元素控制

对于有害元素要实行总体控制，以吨铁负荷为控制单位，建立有害元素平衡表，关注日常排出率。行业及日钢对有害元素入炉负荷控制标准见表1。

（2）配比的限制因素

对于严重影响烧结、球团性能的原料，要通过各种实验等技术措施，探讨其上限的配比。保障高炉能够承受。比如，日钢配料结构条件下，加精经济配比≤12%，新西兰海砂，球团配比≤50%。

3.4 经济料的选择

经济料选择的步骤：（1）建立适用于本厂的数学模型，图8为日钢矿石测算模型；（2）广泛寻源，紧跟市场，测算排序；（3）确定配比、采购配料、生产；（4）边生产边测算，边总结边改善。

图8 日钢矿石测算模型

贯彻“先算后干、边干边算、干完再算”的三算原则，执行PDCA循环，持续改进。

3.5 经济原料下的精料重点

经济原料下的精料重点考虑：“好”“稳”“匀”“净”。

其中：

好：冶金性能好，低温还原粉化率要低，若达不到，则喷洒氯化钙溶液；软熔温度要高，软熔区间要窄，有利于降低下部压差。

稳：化学成分、冶金性能稳定，稳定比单个成分优秀更重要。要注意稳定入炉炉料结构，禁止日常操作将炉料结构作为渣相调整的手段。

匀：烧结矿<10mm粒级不高于20%，>40mm不高于5%。

净：入炉＜5mm粉末不高于3%。

4 高炉操作技术探讨

高炉操作的核心问题在于活跃炉缸和改善气流两个基本点。

4.1 活跃炉缸

对炉缸状态监测的参数目前主要有以下三种。

（1）死料堆清洁度指数DCI

（2）炉芯死料堆温度DMT

以上表征炉缸活跃度的指数，总体上是有效的，但这只是监测手段，要把重点放在保持炉缸活跃上，炉缸活跃的本质是炉缸各区域焦炭空隙度的问题，可以从焦炭运动，渣铁流动，温度梯度三个视角来分析操作上需要做什么。

下面重点是从焦炭运动的角度，谈一下活化区的问题。

日本经验：活化区水平投影面积占比n=50%最佳；

刘云彩教授：n=0.5-0.60，（见图9、10）；

王筱留教授：n=0.45~0.65（450m³-5800m³）；

当n=0.50时，回旋区深度L=30%Rd

当n=0.55时，回旋区深度L=1/3Rd

平台漏斗的布料模式，平台占炉喉半径约1/3Rd。是由炉缸活化区决定的。

布料平台和炉缸的活化区是相对应的，上下部操作的一致性和协调性得到了充分的展现。

n值是存在下限的，n值太小炉缸长期不活跃，下限的n值决定了炉缸最小炉腹煤气指数（56-66），决定了炉缸截面积最小风量。

4.1.1 问题讨论

（1）最佳n值在什么水平？

①根据小高炉经验，随着强化，n值从0.5上升到0.65以上，各项指标都出现大幅度改善；

②大高炉强化水平低，n值最高才达到了0.55；

③n值超过0.55后，燃料比上升，是由于煤气流速上升，尤其是炉腰带煤气流速的上升引起，归因错误，现在下结论为时尚早；

（2）布料平台是否随着n值提高而拓宽？

小高炉布料平台宽度L/R要比大高炉大；布料模式由窄平台深漏斗向宽平台浅漏斗趋势发展。

4.1.2 个人观点

（1）炉缸直径决定了入炉风量下限，炉腰直径决定了入炉风量上限，所以存在最佳炉腹煤气指数。

大高炉D/d=1.12，小高炉D/d=1.25。

（2）活化区大小和布料中心区空隙度共同决定了中心气流的强弱，相互协同平衡，吹透中心和引出中心不可偏废。

（3）活化区太小，带来的另一个弊端就是炉缸环流加剧。适度强化，可改善炉缸工作状态，减轻炉缸环流，延长高炉寿命。

（4）死焦堆的置换，周期7天到2个月。

加速死焦堆置换，可改善死焦堆的空隙度。炼铁专家王国英提出死焦堆置换的动力是力学运动，方式是涡旋蠕动。

死焦堆主要受三方面的力，炉料的重力、煤气流对炉料的阻力、液态渣铁对炉料的浮力。

F=G料-△P-F渣铁浮力

高炉内重负荷的边缘区，炉料重力较轻负荷的中心区大的多，炉料的下降动力F重负荷区较F轻负荷区就大的多，从而形成了边缘炉料挤压死焦堆的动力，死焦堆由边缘向中心缓慢蠕动，从而能在一定程度上实现死焦堆的置换，见图11。

锅底状侵蚀有利于死焦堆置换。

4.2 改善气流

煤气流周向均匀，径向分布合理，以保证炉况稳定顺行，另一方向要实现煤气与炉料的充分密切接触，改善间接还原，降低燃料消耗。

煤气与炉料要充分接触，重点在于改善矿层透气性。高炉内的阻力分布，决定了煤气流如何流过高炉。

在煤气流径向合理分布方面，已有非常成熟的经验，软熔带呈倒“V”形的在中心气流模式，是现今条件下的较为合理的煤气流分布模式，经验表明，边缘气流和中心煤气流密切相关联。煤气控制的目的就是实现中心和边缘煤气流的最佳平衡，注意以下三点：

（1）保持边缘足够高的焦炭比例；

（2）确保边缘有最小的煤气流；

（3）控制中心气流，挖掘中心气流潜力，是改善煤气利用率的核心。

中心气流模式(见图12)在高炉稳定顺行，优质、高产、低耗、长寿方面能够实现非常好的效果。然而，工艺对原料的波动，特别是粒度组成的变化，非常敏感。

软熔带是煤气流向各层分布的分配器，通过焦窗通道把气流分向各层，焦窗的稳定通畅是分布的核心环节，焦层的厚度决定了焦窗的大小。

软熔带起点在炉腰与炉腹交界一带，一般以炉腰焦层厚度作为评价依据。最少3颗焦炭才能构成一个通道（焦炭平均粒度50mm），最小焦层厚度应大于150mm。如果考虑到物料的填充现象，最佳焦层应该更大一些。

宝钢经验，hc≥200mm，日本经验hc≥300-350mm。厚焦层有利于减少矿焦混合层，有利于降低下部压差。

推荐布料要素：

（1）厚焦层，hc=200-300mm；

（2）分粒级，分层次；分质量，分区域；

（3）按功能需求，合理对应，分割布料。

大焦布中心，小焦布边缘，焦丁与铁矿混合布边缘。

对于焦炭分质量对应功能，有利于资源合理利用。

对于矿分级分层入炉，可以改善矿层透气性。

4.3 渣系选择

渣中Al2O3超过15%，已成普遍现象。澳矿、印矿的大幅度应用，为控制高Al2O3的影响，提高渣中MgO是最为有效的措施，从理论上和冶炼实践上，也得到了普遍认同。

现在争议的焦点在Mg/Al，到底多高更合适。

日钢生产条件下经验，Mg/Al=0.70~0.75，R4=1.00±0.02根据脱硫需求，调整R2=1.1~1.20。

（1）四元碱度按需求确定后，渣量也就确定了；

（2）高MgO低R2，有利于排碱；

（3）高MgO渣，热稳定性好，熔化性温度降低，同样温度下，流动性较好；

（4）对烧结矿也有正面影响，可以改善低温还原粉化率；

（5）有利于低硅冶炼。

4.4 原料准备技术措施

原料准备工作，重点在降低粉末，提前为入炉料改善ε。

（1）整粒、分级

烧结矿>40mm要去除，焦炭>80mm要去除；不是粒度越大越好，而是要追求“匀”。对原料进行分级（2~3级），按需求分别入炉。两种粒度不同配比下的空隙率变化见图1。

（2）控制入炉粉末，降低入炉<10mm比例

①供料流程转运站要少，转运次数要少；

②皮带供料速度要低，<2.0~2.5m/s；

③物料倒运中使用柔性导料槽缓冲，见图13；

④提高料仓管理，避免低仓位打料，尽量做到仓位不低于50%打料；

⑤加强筛分，控制入炉<5mm比例低于3%。

（3）混矿技术

不同单一炉料冶金性能有较大差异，质量较差的与较好的炉料混合后，混合矿的性能则较多种单一炉料的平均要好[4]。以日钢炉料熔滴性能举例，综合炉料熔滴性能明显好于单品种炉料，见表3。

5 降本的思路和方法

（1）抓节奏

紧随市场变化，让库存适当波动起来，体现经营水平。

（2）调结构

跟随市场趋势，优化原料结构，矿石、焦炭、煤粉、熔剂结构，注意平衡好降本与稳定的关系，处理好长效与短效之间的关系。

（3）提指标

在现有的条件下，精细操作，改善各项经济技术指标，促进成本下降。

（4）降费用

管理精细化，促进各种费用降低。

6 参考文献

［1］周传典．高炉炼铁生产技术手册[M]．冶金工业出版社，2002: 132-133．

［2］向钟庸，王筱留．高炉设计—炼铁工艺设计理论与实践[M]．冶金工业出版社，2007: 138-143．

［3］臧向阳，吕定建，王玉会．高炉经济炉型设计的探讨[J]．炼铁，2012，31(3)：58—62．

［4］马丁.戈德斯，沙永志等．现代高炉炼铁[M]．冶金工业出版社，2016: 36-37．

［5］刘云彩．现代高炉操作[M]．冶金工业出版社，2016: 52-53．