提高高炉运行性能的技术

提高高炉运行性能的技术

高炉 (BF) 是对未来的投资。因此，有必要对所有设备、系统和组件进行适当的尺寸设计，并结合确保所需产量和质量的技术，从而提高高炉的性能。当高炉进行大修时尤其如此。在大修期间，采用技术提高高炉运行性能也满足了对高炉性能、人员安全、维护要求低和环保合规性的新要求。

高炉操作员面临的一个关键挑战一直是确保以尽可能低的成本为炼钢车间持续可靠地供应铁水。铁水生产的任何中断都可能导致下游生产和加工设施的潜在停顿。必须将停机时间保持在最低限度，同时必须尽可能延长高炉的使用寿命。必须避免高炉操作参数的波动，以实现均匀的铁水质量，这只有通过应用适当的技术以及复杂的自动化和过程控制解决方案才能实现。

有几种技术（图 1）在采用时可极大地改善高炉操作性能，并提高其在生产率和燃料消耗方面的效率。从而提高了高炉单位体积的铁水生产率，降低了高炉焦的消耗。下面介绍一些主要技术。

图1提高BF操作性能的技术

增加炉内容积

通过采用先进的炉衬和炉冷却技术，可以在炉子大修期间减少炉衬厚度，同时提高炉子的使用寿命。炉衬厚度的减小导致高炉内容积的增加，从而导致高炉生产能力的增加。这也使整个熔炉运行过程中的熔炉温度曲线保持一致。用于熔炉耐火衬里的改进型耐火材料包括上部烟囱中的耐腐蚀氧化铝耐火材料，炉腹和炉腹中的碳化硅耐火材料，以及带有陶瓷垫的耐腐蚀碳炉壁。对于炉子冷却，铜冷却壁用于高热通量区域，而铸铁冷却壁用于其他区域。铸铁冷却壁一般采用独立冷却。

铁炉料的质量

为确保高炉具有渗透性，这对于稳定运行至关重要，重要的是铁炉料必须坚固、尺寸紧密并有效筛选以去除细粉。它不能在堆栈中过度分解，这会产生额外的罚款。它必须具有足够的多孔性、可还原性和适当的尺寸，以使材料在到达软化区时能够充分还原。这样，内聚区的限制较少，富铁渣较少，炉子下部区域的热负荷较低，有利于平稳运行。应满足烧结矿、校准块矿​​和/或球团的物理和冶金性能要求，以实现高效运行。黑色金属部件的软化和熔化性能对高炉操作有重要影响。粘性区的限制和较差的熔融特性会导致负载下降不稳定、运行不稳定和热波动。

选择单个炉料组件时要考虑的一个重要方面是它们的软化和熔化特性。穿过高炉的压降的主要部分是在铁料软化、熔化和滴落到气体上升的焦炭床的区域。较宽的熔化和软化范围会导致压降增加，并导致较大的粘结区根部撞击下竖井砖。

焦炭质量

为了在合理的生产率下稳定地运行高炉，优质焦炭是必不可少的。这是运营不佳的最常被引用的原因之一。焦炭必须坚固且稳定，以支撑负载的重量，同时将机械故障降至最低。它必须足够大且尺寸紧密，并且细粉最少，以形成一个可渗透的床，液体可以通过该床滴落到炉膛中，而不会限制上升的气体。需要一致的尺寸以避免不希望的渗透率变化，并支持在炉子半径上改变焦炭层厚度以控制径向气流的概念。焦炭必须对溶解损失足够不反应（焦炭反应性指数，CRI，正常值 20% 至 23%），在这种条件下保持其强度（反应后焦炭强度，CSR，正常值 65% 至 68%），并且碱含量低，以最大限度地减少管道中的碱气化，这对焦炭分解具有有害影响。还需要低硫含量以最大限度地减少热金属硫。必须控制焦炭水分和碳含量的变化，以尽量减少它们对工艺热状态的影响。

炉子中心的焦炭逐渐取代了死人和炉膛中的焦炭，它们必须保持可渗透性，以使液体通过炉膛中心排出。这避免了炉膛中过多的热金属外围流动。通常观察到炉膛中心温度的升高伴随着积炭尺寸的增加，这表明炉膛中心的活动增加。焦炭筛的孔径尺寸是保持炉膛渗透性的重要参数。增大筛网尺寸并将额外产生的与铁料混合的小焦炭远离炉膛中心线装入通常是有益的。

指定优质焦炭的目的是确保大焦炭到达炉子的下部区域。为了长期监控这一目标，建议偶尔从风口处取样焦炭，以评估焦炭通过熔炉的分解情况。这通常在计划维护期间进行，通常与风口更换一起进行。大量焦炭样品从风口中耙出，并与相应的进料焦炭样品进行比较。

为了最大限度地减少热和化学变化，需要均匀的负载。负载成分应尽可能紧密混合。这取决于装载部件的数量和单独的装料系统，但通常可以通过选择储料仓和卸料顺序来达到合理的程度。

坚果焦装料

灵活的装料系统允许使用坚果焦。可用于装料的坚果焦的尺寸取决于焦炉电池焦炭分选单元的高炉焦炭筛的尺寸和效率，但通常在 10 毫米至 25 毫米的范围内。将混合在黑色金属材料中并沿中半径放置的坚果焦的装料通过提高粘性区矿石层的还原效率和渗透性来改善操作。装满坚果焦炭还可以降低腹部温度。坚果焦也装在壁上，夹在两个矿料之间，以防止在壁上装细矿石时出现不活跃的壁区。

负担分配

负荷分布是影响运行稳定性的主要因素之一，通过确定炉内径向气流，它是控制炉壁磨损率的主要因素之一。作为更好地控制高炉烟囱中的炉料分布从而改善气固接触和燃料效率的一种手段，近年来已经采用了一些新的发展。能够充分控制以实现高生产率的两种分配系统是使用可倾斜旋转溜槽的无钟罩顶部和带有可移动喉部装甲的钟罩装料系统。

首先，径向气流由含铁原料与焦炭的比例控制，因为焦炭的尺寸通常要大得多。这最容易通过将材料装入离散层并改变整个炉子半径的层厚度来实现。因此，通过增加炉壁上矿石层的比例来保护炉壁，从而减少炉壁冷却系统带走的热量。然而，靠近炉壁的铁质材料的比例是有限的，否则会形成非活性层，这可能会促进炉壁积聚的形成，并使未准备好的炉料进入炉的下部区域并增加风口故障。炉子中心的焦炭比例必须足以使炉子在所需的生产水平下稳定运行。大量的焦炭形成了一个相对渗透性较低的区域，下降的液体较少，从而允许使用最大的鼓风量，而鼓风压力没有大的波动和不稳定的炉料下降。

炉子中心的焦炭取代了炉膛中的焦炭，富含焦炭的可渗透中心促进了可渗透的炉膛，这与穿过炉膛的液体流动有关。中央焦炭烟囱不宜过宽，但由于上升气体的热容量过高，可能会导致效率低下并损坏炉顶的某些部位。

物料分装进料

更复杂的分配系统允许通过使用超过一个尺寸范围的给定材料来额外控制负载分配。最常用的做法之一是装料细铁材料，通常来自主要铁料的筛分。在靠近炉壁的地方单独装入少量细粉，以局部降低渗透性，从而保护炉壁。单独装入一小批较细的材料通常会降低熔炉的装料容量。由于减少了放电时间，使用钟形和可移动喉部装甲系统进行小批量充电比使用无钟形顶部造成的延迟更少。可以将少量较细的材料装入炉壁，方法是先将它们装入顶部料斗或大钟形料斗，并使用相应的初始斜槽角度或可移动喉部装甲设置。然而，数量受料斗排放特性的限制，只能通过料斗而不与剩余的装料混合。直接使用这种含铁细粉也有经济利益，而不是将它们退回重新烧结。以类似的方式，可以将铁料分成大尺寸和小尺寸，然后将它们装在炉子半径的不同部分以控制径向渗透率。

高压操作

试图增加高炉中的鼓风体积率的限制因素之一是由大量气体向上吹过炉料引起的提升效应。这种提升效应（质量流量）阻止了负载正常下降并导致损失而不是产量增加。为了提高生产率，高炉在炉顶煤气系统中配备了隔膜阀，以增加出口气体压力。这种压力的增加会压缩整个系统中的气体，并允许吹出更大量的空气。随着每分钟吹出的空气量的增加，生产率也相应提高。此外，这也抑制了SiO的形成，导致铁水硅含量降低。

当炉顶气压力增加时，进风压力也应按比例增加。此外，如果顶部压力增加，则需要使用更大的鼓风机，能够在更高的压力下输送增加的鼓风量。炉壳、炉壳、除尘器、主清洗器和燃气总管也需要具有结构完整性以承受增加的压力。用于增加顶部压力的节流阀位于主气体洗涤器之外，在该处气体的喷砂效果已通过从熔炉中去除气体携带的大部分灰尘而降低。主清洗器的出口水管需要配备调节器，以便清洗器内的气压不会破坏水封。清洁气体或氮气用于平衡炉装料设备的压力。顶部压力为 2 -2.5 kg/sq cm 的熔炉运行成功。在其中一些熔炉中，顶部压力回收涡轮机用于回收部分压缩能量并产生电力。

热风温度

热风温度提高了高炉的燃料效率，并允许更高的炉温，从而增加了炉子的容量。高热风温度对于高炉的高效运行至关重要，因为它们大大降低了高炉焦炭的需求，并促进了辅助燃料（如煤粉）的注入，以替代高炉焦炭。通过多种技术组合可节省的总能源约为 12 万大卡/吨铁水。它可以降低运营成本，因为当风温保持在 1000 摄氏度到 1200 摄氏度之间时，焦炭比每升高 100 摄氏度就会降低 2.8%。许多现代熔炉在高于 1300 摄氏度的热风温度下运行.

热风的富氧

向鼓风中富氧的目的是控制滚道绝热火焰温度 (RAFT)、炉膛气体产生和熔化强度。当鼓风空气富含氧气时，RAFT 会增加。高火焰温度通常与质量相对较低的炉料不相容，需要质量合适的炉料。由于富氧而导致的更高火焰温度需要通过鼓风湿气和燃料喷射来控制。有使用超过 12% 富氧量的熔炉操作。对于高于正常鼓风（大约 21% 的氧气）的氧气百分比，产率会增加大约 2% 到 4%。在炉料还原性好即迅速还原的情况下，可以显着提高火焰温度，提高燃油效率。明智地使用氧气提供了一种控制炉腹气体质量流量的方法，以便在控制铁水质量的同时最大限度地提高熔炉产量。

辅助燃油喷射

随着将热风温度提高到 1000 摄氏度到 1300 摄氏度的技术的发展，以及由于所使用的装载材料类型而需要控制 RAFT，将碳氢燃料注入到爆破中成为可能通过风口控制火焰温度，提高炉腹煤气的还原力，同时替代部分高炉焦炭。在存在大量焦炭的情况下，碳氢燃料只能燃烧成一氧化碳和氢气；因此，它们产生的热量比它们替代的焦炭少，从而控制了火焰温度，但它们产生的还原气体比焦炭燃烧产生的还原气体更有效。

已经尝试了许多不同的燃料——天然气、焦炉煤气、石油、焦油和煤粉，甚至石油中的煤浆。煤粉是当今高炉中使用最多的喷射剂，因为它相对丰富且成本低廉。当使用煤时，它也通过喷枪通过吹管的侧面进入空气流中被引入空气鼓风中。最理想的是在喷射的煤离开炉内的滚道之前完全气化和燃烧。喷射燃料时，需要采取特殊预防措施，以避免燃料在导流管或吹管中积聚以及随后的燃烧。下面介绍喷煤工艺。

煤炭原料被输送到选煤厂，在那里通过筛分和头顶磁铁去除杂质。然后将煤粉碎并同时在热气流中或在组合的研磨单元/干燥器中干燥，然后通过引风机通过系统提取。具有正确产品粒度分布的煤通过速度分离器被抽出并被收集在袋式过滤器单元中。最终产品在转移到储存筒仓之前经过筛选。一部分废气被循环回研磨单元/干燥器处的热气发生器。这种控制功能确保与煤接触的热气的总氧含量保持在 12% 以下，以消除任何点燃煤粉的机会。喷煤系统由锁斗和喷油器组成。每个风口的煤流量可以由机械给料机独立控制。或者，可以使用基于分流器的系统来提供对每个风口的流量控制精度较低的更简单的系统。现在的 PCI 设备相当坚固，可用性超过 98 %，准确的喷煤率在 2 % 以内。

自动化和控制

如今，自动化和控制系统为熔炉操作的各个方面提供了理想的解决方案。其中包括 (i) 对具有复杂装料模式和炉料分布的箕斗或皮带装料炉顶进行炉顶控制，(ii) 独特的螺旋装料系统，用于无钟罩炉顶，以增加可装料的细粉部分，(iii) 仓库通过“飞行中”称重和材料分层控制顺序配料材料，(iv) 气体净化控制，(v) 用于循环、平行、重叠平行和交错平行四炉操作的炉子控制，(vi) 喷煤系统控制， (vii) 铸造厂操作和控制，以及 (viii) 渣粒化厂控制。除了自动化和控制之外，还具有工厂安全和停机序列的功能。

为了确保低成本的高性能高炉运行，如今的高炉配备了闭环优化系统。该系统以先进的流程模型、人工智能、增强的软件应用程序、图形用户界面和操作技术为基础发挥作用。具有闭环优化系统的熔炉实现了卓越的工艺性能和显着降低的生产成本。在闭环专家系统中，对高炉的主要参数进行控制，无需操作员交互。例如，焦炭率、碱度、蒸汽喷射率甚至配料分配的控制可以同时自动以闭环模式执行，以确保以低生产成本稳定和一致的工艺操作。高炉的精确控制是基于先进的工艺模型实现的。

当今高炉提供的过程信息管理系统，收集、准备和存储所有相关数据，以备后用。