鞍钢鲅鱼圈2,号4038,m3,高炉合理鼓风动能探讨

吴官印，李黎明，姜彦冰，蒋益，何冲，邵思维

（1. 海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁 鞍山 114009；
2. 鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；
3. 鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司，辽宁 营口 115007）

鼓风动能是高炉各种复杂参数的综合体现，也是高炉下部调剂效果的量化结果，目前已经成为高炉操作与炉况调剂的一个重要参数。

鼓风动能决定了风口回旋区的大小和形状，对初始煤气流分布和炉料下降有着重要影响[1]。鼓风动能过大和过小都将导致煤气流分布不合理，炉况不稳定。实践证明，高炉只有在合理风速条件下生产才能保证炉缸的正常工作，才能实现高炉生产的长期稳定与顺行。

鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司统计了2 号高炉（4038 m3）历史生产数据，分析了各阶段生产运行特点，重点探讨了2 号高炉鼓风动能的合理范围及其适用性，为高炉调整鼓风参数提供了理论依据。

2 号高炉于2009 年4 月开炉，高炉鼓风动能变化趋势如图1 所示。

由图1 可以看出，鼓风动能 的变化趋势具有明显的阶段性特征。

图1 高炉鼓风动能变化趋势Fig. 1 Variation Trend for Blast Kinetic Energy of BF

收集2 号高炉历史数据，并将历年生产数据中高炉计划检修、年修、中修以及因为设备等外界原因短暂影响的数据删除掉。

结合高炉生产实践情况，将2009 年6 月至2020 年8 月分成多个具有典型特征的生产阶段，对各阶段高炉生产运行特点进行分析。

高炉各阶段主要经济技术指标见表1。

表1 高炉各阶段经济技术指标及评价Table 1 Economic and Technical Indexes and Evaluation for BF at Each Stage

1.1 开炉达产阶段

2009 年6 月至2010 年8 月在开炉达产阶段，2 号高炉顺行稳定，强度得到有效释放，富氧率最高达到4.5%，平均风量达到6 486 m3/min，利用系数达到2.270 t/（m3·d），鼓风动能维持在119～138 kJ/s。但由于开炉初期设备和人员都处于一个磨合阶段，开炉达产阶段几乎每个月都发生了设备事故，对高炉各项经济技术指标进一步向优产生一定影响。

1.2 低焦比经济冶炼阶段

2011 年5 月至2014 年12 月随着高炉限产、干熄焦比例波动、设备事故等因素影响，高炉进入低焦比经济冶炼阶段。此阶段高炉通过增加焦炭负荷、减少送风面积、降低富氧率、控制入炉风量等手段实现低强度、低消耗的冶炼特征，燃料比最低达到473 kg/t。但随着时间延长，低鼓风动能导致高炉炉缸活性下降，高炉接受风量能力下降，顺行状态也逐渐变差，异常炉况多发。

1.3 使用经济料冶炼阶段

2015 年1 月至2016 年4 月高炉中修前，高炉受使用低价料以及冷却设备漏水严重等因素影响，鼓风动能维持在103 kJ/s 左右，最低降至91.9 kJ/s，平均利用系数下降到1.805 t/（m3·d），燃料比平均值为543 kg/t，风量平均值为5 573 m3/min，高炉稳定性极差，崩滑料、管道、悬料等异常炉况时有发生。

1.4 “平台+漏斗”料制阶段

2016 年6 月高炉中修开炉至2016 年12 月，2 号高炉进行了为期7 个月的“平台+漏斗”料制生产探索，此阶段鼓风动能在95.0～123.8 kJ/s 波动，平均值为110.8 kJ/s，风量平均值为5 933 m3/min，燃料比平均500 kg/t（2 号高炉一代炉役历史上平均燃料比最优值即出现在这一时期），利用系数平均1.919 t/（m3·d）左右，虽然此阶段燃料消耗低，但由于风量一直维持偏少，鼓风动能长期维持在110 kJ/s左右，中心气流不够充沛，在实验后期高炉出现炉缸活性变差，炉况呈现典型的堆积特征，边缘热负荷频繁波动，高炉操作难度巨大。

1.5 炉役后期护炉阶段

从2017 年4 月开始，高炉炉缸环碳温度出现多点多方向异常升高，炉缸出现整体侵蚀现象。至此，2 号高炉进入了长期护炉阶段，高炉生产强度受到明显制约。

（1）2017 年4 月至2018 年3 月为护炉第一阶段。该阶段主要通过限氧、控制风量、增加钛球、提高炉温等传统护炉手段来控制生产强度，达到护炉效果，但由于对活跃炉缸的整体护炉理念还缺乏认识，虽然平均鼓风动能维持在123 kJ/s 左右，但风量偏低，炉缸热收入不足，最终造成炉缸出现堆积症状，导致低产高耗局面。

（2）2018 年4 月至2019 年10 月为护炉第二阶段。

该阶段已经认识到提高鼓风动能，保持合理风口回旋区深度，进一步活跃炉缸对高炉长期护炉操作的重要性，在干焦比例不断下降的情况下，通过不断降低焦炭负荷，保证入炉风量，平均风量达到6 310 m3/min，鼓风动能最高达到163.9 kJ/s。

但由于对低焦炭负荷条件下，高炉合理鼓风动能以及高炉长寿与冶炼强度极限平衡值的认识不足，高炉最终经济技术指标也只达到低产高耗水平。

（3）2019 年11 月至2020 年8 月为护炉第三阶段。

这一时期高炉焦炭负荷进一步降低，为了保证适当产能，高炉将富氧率由1.70%提升至2.41%，随着富氧增加，高炉气流出现了新的变化，鼓风动能平均水平较前一阶段大幅下降至126.7 kJ/s，煤气利用效率变差，燃料比上升至550 kg/t，但总体上实现了炉役后期提产增效的冶炼目的。

从高炉炉役后期生产运行实践来看，保持合理鼓风动能，持续活跃炉缸，对高炉炉役后期保持长期稳定顺行，减少炉缸铁水环流侵蚀具有重要的意义。

2.1 鼓风动能与炉缸活跃性关系

风口回旋区产生的始发煤气在炉缸进行最重要的一次分配，始发煤气分布合理是高炉实现顺行稳定、高效低耗的关键。

同时，炉缸也是盛放熔融渣铁的地方，渣铁液在炉缸发生剧烈反应，炉缸内渣铁的流动形态、滴落路径、液位高低、热焓高低、偏析与否都将影响着高炉的顺行稳定和健康长寿。因此，炉缸工作状态不仅对高炉生产的长期稳定顺行，技术经济指标的提高，生铁质量和炉前作业的改善等有着重要影响，而且事关高炉的生产安全和长寿[2]。

根据炉缸活性的定义可以知道，影响高炉炉缸活性的因素大致有三个：①焦炭所提供“透气、透液通道”的数量；
②渣铁流动性能；
③风口回旋区的形状和大小。

三个因素相辅相成，相互影响[2]。

每个高炉都有一个合适的回旋区形貌，一般认为，风口回旋区前端所围成的环形区域面积与炉缸面积比值为0.5 左右时，高炉初始煤气流分布较为合理[3]，风口回旋区形状和大小不合理将影响高炉炉缸活性状态；
鼓风动能对炉缸活性的影响主要体现在对风口回旋区的形状和大小上，根据昆钢2000 m3高炉的研究总结得出了回旋区大小的经验公式[4]：

式中，D为回旋区深度，m；
E为鼓风动能，kJ/s；
M为喷煤流量，kg/h；
n为风口数。

从式（1）中可以看出，鼓风动能是决定回旋区形状和大小的主要原因，盲目通过扩大风口面积追求高风量，造成低风速、低鼓风动能，极易引起风口回旋区缩小，鼓风吹不透中心，炉缸中心堆积，炉缸活跃性降低；
同样，边缘过重，风口面积过小，高炉长期处于高风速、高鼓风动能的送风状态，容易造成中心煤气流过分发展，风口回旋区扩大，中心过吹，炉缸边缘堆积[5]。

2.2 鼓风动能、风量下限值

2 号高炉鼓风动能与异常炉况关系见图2，2 号高炉风量与异常炉况关系见图3。

图2 2 号高炉鼓风动能与异常炉况关系Fig. 2 Relationship between Blast Kinetic Energy and Abnormal Condition in Terms of No.2 BF

图3 2 号高炉风量与异常炉况关系Fig. 3 Relationship between Blast Volume and Abnormal Condition in Terms of No.2 BF

由图2 和图3 可以很明显地看出，高炉异常炉况发生比较多的时间段基本上都集中在高炉鼓风动能长时间低于120 kJ/s 的区间和风量低于6 000 m3/min 时。

实际生产过程中，发现通过缩小风口面积以保持合适的鼓风动能时，风量却降低较多甚至长期低于6 000 m3/min，且这种状态并不持久，最后高炉顺行仍会变差。因此，高炉鼓风动能和风量都应该有下限值，即鼓风动能不能长时间低于120 kJ/s，风量不能长时间低于6 000 m3/min，当高炉因为原燃料、操作制度等原因导致风少、鼓风动能低时，高炉应该尽快通过采取降低焦炭负荷、缩小风口或者改制增加气流中心通道等措施，控制风量和鼓风动能在合理区间波动。

2.3 鼓风动能、风量合理范围

高炉保持顺行稳定、高效生产的阶段一般都是高炉煤气流分布合理、能量利用高效、炉缸活跃的阶段，因此，这个阶段鼓风动能一定是合适的。

2 号高炉在一代炉役期间经济技术评价最好的时期为开炉达产阶段，此时鼓风动能在119～138 kJ/s，风量维持在6 246～6 691 m3/min。2 号高炉鼓风动能与燃料比和利用系数关系见图4，2 号高炉风量与燃料比和利用系数的关系见图5。

由图4和图5 中数据回归结果可以看出，高炉鼓风动能在120～140 kJ/s、 风量在6 200～6 700 m3/min 时，高炉的燃料比和利用系数都接近最优。可见，大数据回归结果与生产实践能够很好的吻合上。

图4 2 号高炉鼓风动能与燃料比和利用系数的关系Fig. 4 Relationship among Blast Kinetic Energy, Fuel Ratio and Utilization Coefficient in Terms of No.2 BF

图5 2号高炉风量与燃料比和利用系数的关系Fig. 5 Relationship among Blast Volume, Fuel Ratio and Utilization Coefficient in Terms of No.2 BF

2.4 合理鼓风动能适用性探讨

由表1 可以看出，“平台+漏斗” 料制阶段，高炉鼓风动能只维持在110 kJ/s 左右，在强度水平不低的情况下，燃料比实现了历史最低水平；
高炉护炉第一阶段，鼓风动能维持在120 kJ/s 左右，但高炉经济技术评价为低产高耗，后期异常炉况多发，高炉出现炉缸堆积的症状；
高炉护炉第三阶段，高炉鼓风动能维持在126 kJ/s 左右，风量均值为6 307 m3/min，但高炉经济技术评价也只是低产高耗。可见，实际生产中存在高炉合理鼓风动能和风量与高产低耗没有对应出现的情况，也就是说大数据统计得到的合理鼓风动能和风量范围不能简单地作为指导高炉生产的依据，还需要对其适用性进行进一步探讨。

要解决这种理论和生产之间存在的差异，必须明确以下两点：①影响炉缸活性的因素不只是回旋区形貌，焦炭提供的透气通道、渣铁流动性能也会影响炉缸活性，且影响力往往更大，并同时影响回旋区形貌。

②合理的鼓风动能虽然和高炉料柱透气性密切相关[1]，但鼓风动能决定不了能耗高低，高炉能耗水平取决于煤气利用是否高效，而煤气流在整个高炉纵向分布是否合理、 煤气能量利用是否高效，又取决于煤气三次分布过程中所遭遇的上中下部调剂制度、原燃料质量、操作炉型、渣铁流动性能等因素，因此高炉燃料消耗水平往往很难与合理鼓风动能区间简单对应上。

结合生产实际情况分析，高炉采用“平台+漏斗”料制期间，由于上部料制的改变，煤气利用率均值达到48.5%，因此出现鼓风动能在110 kJ/s 左右而能耗指标实现历史最低水平的情况；
高炉护炉第一阶段大量使用钛球，造成渣铁粘稠，虽然通过缩小风口面积、降低风压等手段稳定鼓风动能，但仍造成了长期风少且炉缸出现堆积前兆；
高炉护炉第三阶段，虽然鼓风动能和风量都处在合理范围，但由于焦炭结构复杂、湿焦使用比例高，2 号高炉采取了提高入炉焦比、 增加中心焦量等措施以确保稳定顺行，高炉煤气利用率均值只有42.9%左右，导致高炉燃料消耗居高不下。可见，合理的鼓风动能与实际生产阶段的原燃料条件、操作制度、渣铁性能等方面均有关系，应综合考虑。

总体而言，在非护炉阶段采取中心加焦料制时，2 号高炉合理风量应该控制在6 246～6 691 m3/min，合理鼓风动能控制在119～138 kJ/s；
在2 号高炉炉役后期护炉阶段，应重视保持高炉鼓风动能和风量在合适范围，同时采取降低焦炭负荷、增加中心气流通道、 降低终渣碱度、 维持合理镁铝比等手段，使影响高炉炉缸活性的三个因素都保持在合理范围内，以实现高炉炉役后期高质量运行。

但也应该清楚认识到，在炉役后期护炉阶段，尤其是焦炭负荷比较低的条件下，既要保持高炉风量和鼓风动能在合适范围，又要实现低耗生产是非常难的，或者说这两者如果都要实现，必然会导致高炉冶炼强度的提高，而高炉炉缸侵蚀与冶炼强度极限平衡关系还需要不断探索。2 号高炉炉役后期的生产优化空间就是提高焦炭质量，降低焦炭负荷，提高煤气利用效率，适当增加富氧，同时探索好炉缸侵蚀与冶炼强度的动态平衡关系。而同时应该客观认识到，统计出来的各项参数合理区间只是历史生产实践累积出来的数据，并不一定是高炉能达到的最优结果。

（1）2 号高炉鼓风动能和风量都应该有下限值，即鼓风动能不能长时间低于120 kJ/s，风量不能长时间低于6 000 m3/min。

（2）2 号高炉在非护炉阶段采用中心加焦料制生产时，合理鼓风动能应控制在118～139 kJ／s，合理风量应控制在6 246～6 691 m3／min；
2 号高炉炉在役后期护炉阶段，应重视保持高炉鼓风动能和风量在合适范围，同时采取降低焦炭负荷、增加中心气流通道、降低终渣碱度、维持合理镁铝比等手段，使影响高炉炉缸活性的三个因素都保持在合理范围内，以实现高炉炉役后期高质量运行。

（3）2 号高炉炉役后期的生产优化空间就是提高焦炭质量，适当降低焦炭负荷和增加富氧，并通过合理上下部调剂，提高煤气利用效率，同时探索好炉缸侵蚀与冶炼强度的动态平衡关系。

（4）合理的鼓风动能与实际生产阶段的原燃料条件、操作制度、渣铁性能等方面均有关系，应综合考虑。

不同的高炉应根据实际情况选择合理的鼓风动能。

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