张 波，李晓东，杨 波

（武钢集团昆明钢铁股份有限公司炼铁厂，云南 昆明 650302）

摘 要：针对高碱、高锌负荷下，高炉存在透气性差、气流不稳、风口小套上翘、炉温和炉况波动大、产量低、消耗高等问题，通过精料控制降低入炉有害元素负荷，调节两股煤气流合理分布和强化渣铁排放提升碱、锌负荷排出效率，合理控制炉温、富氧率促进高炉稳定顺行，高炉在 54.30%左右的入炉品位下，利用系数提高到3.60 t/m³· d，燃料比、焦比分别降低至 555 kg/t 和 400 kg/t 左右。

关键词：碱负荷；锌负荷；产量；燃料比；焦比

某公司 1 350 m³ 高炉 （以下称 3 号高炉） 于2008 年 7 月 9 日建成投产，有效容积 1 350 m³ ，设有风口 22 个、铁口 2 个、渣口 1 个；2021 年 3月高炉停炉检修，进行了炉腹修复造衬，于 2021 年 3 月 21 日开炉投产。由于缺乏矿山、焦化厂等资源设施，长期以来 3 号高炉生产所需原燃料皆靠外部采购。原燃料资源紧张，用矿、用焦复杂多变，炉料中钾、钠、锌等有害元素含量高，使得入炉有害元素负荷远高于行业标准，尤其高碱负荷和高锌负荷入炉对炉况稳定顺行产生了较大的影响，高炉产量低、消耗高^[1]，如表 1 所示。

1 高炉碱负荷、锌负荷的来源

3 号高炉矿石用料结构主要为“烧结矿、南非块、昆球、华宁球”4 种矿石，有时少量使用老挝块、越南块、一立球、红山球等；在焦炭用料上主要使用师宗焦和派盟焦两种主力焦种，但根据库存及采购情况亦使用其他焦种且短期配比可达20%～30%。从 2020 年矿石成份分析来看，有害元素的含量各有高低，其中钾、钠元素在烧结矿、昆球、华宁球中含量较高；锌元素在球团矿中含量高，其次是烧结矿中。如表 2 所示。

结合高炉生产实际用料占比，通过分析测算，2020 年 3 号高炉入炉平均碱负荷达 6.91 kg/t、锌负荷达 1.12 kg/t，远高于国标 GB-5024-2008 控制要求：碱负荷≤3 kg/t、锌负荷≤0.15 kg/t，也高于行业绝大部分企业。3 号高炉入炉碱负荷主要由烧结矿带入，其次是焦炭、昆球、华宁球；入炉锌负荷主要来自于烧结矿，其次华宁球也带入了19.39%的锌负荷。如图 1、图 2 所示。

2 高碱、高锌负荷对高炉的影响

3 号高炉长期处于高碱负荷和高锌负荷的生产条件下，其循环富集一方面使得高炉炉墙结厚、结瘤，有效容积减少且气流分布变化；另一方面其浸入高炉硅铝质耐材、碳砖等保护材料中，长期以往导致了炉壳破裂、风口上翘等情况发生。高碱负荷和高锌负荷，极大地影响了 3 号高炉的稳定顺行，增加了高炉操作难度，甚至时有炉况失常的情况发生^[2]，是高炉提产降耗的一大阻力。

2.1 高炉透气性差

由于碱金属和锌元素在高炉内部的循环富集，会破坏矿焦强度，增加烧结矿、球团矿的还原粉化率，同时其吸附或渗入炉料，堵塞了矿、焦孔隙，因此高炉透气性差^[3]。2020 年 3 号高炉透气性指数维持在 （15 000～15 500） m/min·Mpa 左右，高炉压差较顶压高出 15 kPa 左右，如图 3 所示；此外，高炉呈现渣铁排放前后风压变换明显的状况，在高炉出铁后期及出铁间隔期间风压紧张，而开口出渣后则压量关系好转。高炉透气性差，增加了高炉炉况稳顺的操作难度。

2.2 气流不稳，炉况波动大

在高炉煤气流及渣铁的冲刷下，炉墙上黏结的碱负荷和锌负荷并不稳定^[4]。不断黏结和脱落的碱负荷、锌负荷，使得高炉炉身四周冷却强度不均匀且不断变化，高炉渣皮不稳、水温差波动大，影响高炉气流的稳定分布，高炉时有边缘过吹的现象；在不均匀的气流影响下，炉墙部分位置碱、锌负荷不断富集黏结，结厚、结瘤，而当黏结物随渣皮大面积脱落时，则会引起管道的发生，高炉气流急剧变化紊乱、滑料频繁，高炉顶温不可控，如 4 图所示。

大量黏结物脱落进入炉缸，使得炉缸温度急剧下降^[5]，高炉铁水出现高硅低物理热的现象，生铁含锌急剧升高，脱硫效果转差，如图 5 所示；同时黏稠的渣铁，进一步恶化了高炉透气性，不利于炉况稳顺。为保证铁水质量，加快恢复炉缸温度，高炉临时采取大量喷吹煤粉、增加用焦等调整手段；此外，每次发生气流紊乱和滑料现象，高炉都不得不大量减风退氧，以稳定炉况。因此，高碱、高锌负荷使得高炉初始煤气流变换、燃料比和炉温波动大，高炉操作难度增加，炉况稳顺程度差。

2.3 风口小套上翘

长期在高碱负荷和高锌负荷的侵蚀、渗透作用下，3 号高炉出现了炉身中下部炉壳裂缝，风口中套变形、煤气泄漏，以及风口小套上翘等问题。尤其以锌为主的有害元素渗入风口组合砖^[6]，使得高炉风口小套上翘严重，如表 3 所示。风口小套上翘极大的影响了高炉初始煤气流的分布，高炉风口亮度不均匀、炉温不稳定等现象明显。

3 高碱、高锌负荷下的提产降耗措施

为降低高碱负荷和高锌负荷对高炉炉况的影响，强化高炉冶炼，提高高炉生产效率，实现提产降耗的生产目标，3 号高炉从以下几个方面展开了对策实施。

3.1 精料控制，降低入炉碱负荷和锌负荷

为保证高炉在大风、高压、高风温、高负荷生产条件下的稳定顺行，为高炉降低消耗和提高冶炼强度打下基础，3 号高炉进行了精料控制^[7]。

首先，高炉加强了对烧结矿质量的管控，在烧结矿配料过程中，一方面减少含钾元素高的粉矿配比，减弱碱金属对焦炭热态性能等影响；另一方面，停用了含锌量高的污泥，避免锌元素的炉外循环；此外，不断增加烧结矿配矿中高品位粉矿占比、减少 Al₂O₃ 含量，使烧结矿品位从 50％左右提高至 52％左右，Al₂O₃ 含量从 2％左右降低至1.7％左右，如图 6 所示，从而达到减少渣量、改善炉渣流动性的目的，以缓解高碱、高锌负荷带来的憋风问题。

其次，高炉停用了钾、钠、锌含量较高且用量少的红山球等矿石，将烧结矿用量逐步增加并控制在 71%～74％左右，生矿用量逐步降低至 5％以内。通过以上措施，2021 年 7 月份以来，高炉入炉碱负荷控制低于 6.50 kg/t，锌负荷控制低于1.02 kg/t，如表 4 所示。

此外，3 号高炉通过加强对焦炭质量的改善，以减轻高碱、高锌负荷对焦炭性能破坏后恶化高炉透气性的影响。一方面，高炉提高对主力焦种师宗焦的质量要求，使入炉焦炭反应性和反应后强度波动幅度减小并改善提升；另一方面，高炉增加了其他优质焦种的使用，以缓解采购困难等问题，确保高炉用焦质量的稳定。如表 4 所示，2021 年 7 月份以来，高炉入炉焦炭平均反应性和反应后强度都得到了有效改善。

3.2 两股煤气流合理分布调节

从 3 号高炉锌负荷的排出统计发现，高炉炉尘中排出的锌负荷占整体排出量的 96％左右，即使排出量占比较少时亦达 90％左右，因此要减少锌在炉内的富集，就要加大锌随煤气的排出量^[8]；此外，保持炉况稳定、顺行，减少炉温波动，也是防止锌害的有效措施^[9]。为避免碱负荷和锌负荷在炉墙上大量富集和脱落带来的炉况、炉温波动问题，同时有效缓解高碱、高锌负荷及低品位、大渣量而带来的憋风问题，3 号高炉采取了对两股煤气流合理稳定分布的操作调节。

一方面，高炉在 2021 年 3 月份停炉检修时将风口全部更换为 φ120 mm 的风口小套，有效扩大圆周方向燃烧带，促进炉缸活跃，使初始煤气分布更加均匀；其次，高炉将入炉风量由 2 800m³ /min 左右增加至 3 000 m³ /min 左右，提高了煤气的穿透性，进一步改善了料柱中煤气的分布。另一方面，高炉将矿批由 35t 左右逐步增加至 （39～ 41） t，通过增加料层厚度抑制管道形成，避免气流过吹；此外，高炉控制料线在 2.0m 左右的同时，将高炉布料矩阵由过渡到，并根据透气性情况灵活调整选择矩阵和控制料线深度，在强化中心煤气流的同时适当发展边缘，使得高炉气流维持稳定顺行并促进锌负荷随中心煤气排出。通过实践，3 号高炉两股煤气流合理分布，使得有害元素的富集影响减少，高炉气流更加通畅稳定且煤气利用率得到了有效提高。

3.3 强化渣铁排放

高炉炉渣是碱负荷排出的重要途径，在 3 号高炉碱负荷的排出占比中，通过炉渣排出的碱负荷占比达 96％以上。加强渣铁排放，缩短碱金属在炉渣中的还原时间，抑制碱金属在炉渣中的还原和挥发，可有效提高碱负荷排出率和改善高炉透气性；同时还可以减少锌在炉内的滞留时间^[10]，提高锌负荷的排出率。

为强化渣铁排放，3 号高炉一方面加强了出铁组织，在增加使用 3 机车对罐的同时，加强与铁运联系对罐，并在出铁结束后及时完成堵小井口、拉罐，从而尽可能在 5 min 内完成铁罐的对位；此外，通过加强各项基础工作的管理，提前做好渣、铁沟等设施检查工作，实现罐好即开口。另一方面，加强了对炉前工技能的培训提升，通过严格落实铁口泥套和炮嘴的清理工作，并精准控制、稳定堵口打泥量，尽量避免堵口跑泥，逐步提升铁口深度至 2.80 m 以上，从而实现开口容易快速、出铁时间和次数稳定的目标。通过以上举措，3 号高炉出铁时间占有率从不足 80％提高至 84％以上，有效增强了高炉渣铁的排放，如图 7 所示。

此外，3 号高炉采取定期降碱排锌操作，防止锌的加剧富集^[10]。在铁水温度充足、产品质量得到保证条件下，高炉每隔 （20～30） d 进行 1次降碱操作，将炉渣碱度降低至 1.15 倍左右并稳定生产 （1～2） 个班以上，必要时进一步降低炉渣碱度；在高炉炉渣碱度低于 1.15 倍，尤其在 1.11 倍下生产冶炼时，高炉排锌效果明显，如图 8 所示。

3.4 合理操作参数控制

控制合理的操作参数，是稳定高炉炉况长周期顺行，提升碱负荷、锌负荷排出效率，减轻各类有害元素危害的有效措施，也是高炉实现高产低耗的关键所在。

3.4.1 适宜的炉温和物理热

3 号高炉除碱负荷、锌负荷较高外，硫负荷与钛负荷也相对较高 （2021 年平均硫负荷 4.51 kg/t，钛负荷 10.99 kg/t），因此高炉在炉温和物理热的控制上既要保证高炉良好的透气性，又要确保生铁质量。通过对高炉炉温分布统计情况发现，高炉生铁含硅控制在 0.20%≤ [Si] ≤0.40%时，高炉炉况稳顺情况及燃料比、铁水质量相对较好；此外，在高炉排碱、排锌时，呈现高硅低物理热的现象，此时 [Si] 不能真实的反应出高炉炉缸温度状态。因此，2021 年 7 月份以来，高炉调整以物理热作为热制度的重要参考， [Si] 作为炉况走势的判断参考。高炉调整操作物理热范围为 （1 440～1 460） ℃、炉温控制在 0.30%～0.35%左右。生产实践证明，通过合理的炉温和物理热控制，高炉炉况稳顺程度得到了大幅提高；2021 年 8 月份以来，3 号高炉铁水含硅稳定率 （0.15%～0.60%） 大幅提高至 90%以上，见表 5 所示。

3.4.2 适宜的富氧率

增加高炉富氧，可提高冶炼强度，增加产量^[7]。2021 年 4 月份，红钢 3 号高炉将富氧率由4%以下提高至 5%以上，其中 5 月～7 月平均富氧率达 5.97%。高富氧的同时，高炉采取大喷吹，喷煤比提高至 150 kg/t；高富氧、大喷吹有效促进了高炉间接还原的发展，高炉产量大幅提高，焦比、燃料比也得到一定降低。然而，随着高炉富氧率的提高，使得理论燃烧温度过高，5 月～7 月间 3 号高炉理论燃烧温度达 2 500 ℃以上；理论燃烧温度过高会引起 SiO 大量挥发，不利于炉况顺行^[7]，尤其是在高碱、高锌负荷条件下，3 号高炉管道、 悬料、崩料等情况频繁，极大的制约了高炉降低生产消耗。因此，2021 年 8 月份以来，高炉降低富氧率生产冶炼。通过生产实践发现，高炉富氧率维持在 4.60%左右时，产量和消耗指标都相对较好，如表 5 中所示，2021 年 10 月～11 月，高炉利用系数达 3.60 t/m³ ·d，燃料比分别为 552.27 kg/t 和 555.23 kg/t。

4 高碱、高锌负荷下的提产降耗效果

高碱、高锌负荷使得高炉透气性差，出铁前后憋风严重；同时，其黏结物的形成和脱落也会对高炉气流产生较大的影响，尤其是高富氧条件下对高炉炉况稳顺影响很大。此外，长期的高锌负荷冶炼，还会使得高炉风口小套上翘严重，影响高炉初始煤气流的分布，导致高炉风口亮度不均匀、炉温不稳定。因此，2021 年一季度前，3 号高炉日均产量基本维持在 4 050 t 左右，且焦比、燃料比分别高达 430 kg/t 和 570 kg/t 以上，高炉产量低、消耗高。

在控制降低入炉碱、锌负荷的同时改善提升其排出效率，以及合理的控制高炉炉温、富氧率等，高炉炉况稳顺程度得到了大幅提高。2021 年8 月份以来，3 号高炉生铁含硅稳定率持续稳定在90%以上。稳定顺行的炉况，为 3 号高炉在低品位和高碱、高锌负荷生产条件下提产降耗奠定了良好的条件基础；8 月份以来，高炉产量大幅提高（8、9 月份限产能生产冶炼），利用系数达 3.60 t/m³ ·d，高炉燃料比降低至 555 kg/t 左右，焦比降低至 400 kg/t 左右，如表 5 所示。

5 结 语

1） 高碱、高锌负荷会导致高炉透气性差、高炉气流不稳定、风口小套上翘等问题；尤其是高富氧下，高炉煤气流变化较大且难以控制；

2） 烧结矿配矿时应避免锌元素的炉外循环和减少使用含钾、钠、锌等元素高的粉矿，同时采取优化炉料结构调整，可有效降低入炉碱负荷、锌负荷；

3） 高碱、高锌负荷下，高炉在强化中心煤气流促进有害元素排出的同时也要适当发展边缘，以实现促进两股煤气流的合理分布，稳定高炉气流；

4） 增加对罐机车、加强炉前组织协调以及精准控制铁口深度和堵口打泥量，可有效提高出铁时间占有率，促进碱负荷排出；

5） 控制炉温 0.30%～0.35%、富氧率 4.60%左右，可有效促进高炉在高碱、高锌负荷条件下的稳定顺行，有利于高炉提产降耗生产冶炼。

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