高炉冶炼是一个连续、不间断的物理化学反应过程,冶炼条件越稳定,越有利于高炉稳定顺行[1]。高炉从生产到休风,再从休风到复风恢复生产的过程,炉内均伴随着煤气流与温度场的剧烈变化与重新分布,高炉休风后操作不当极易发生炉况失常事故,不利于高炉复风进程的发展[2]。为避免休复风过程中由于不规范操作造成炉况恢复过程反复,需研究改进当前高炉休复风操作制度,并通过对高炉进行热量补充及上下部适应性调节,实现在短时间内将炉况恢复至正常生产冶炼状态[3],从而减弱休风对炉况的不利影响,有利于高炉实现节能减排,促进高炉稳定顺行。当前国内部分高炉出现休风后复风困难的问题,具体表现为炉况恢复时间长,且状态不佳。因此,对国内不同钢企的10余座高炉休复风操作案例进行总结归纳,发现高炉休复风操作难点在于3点。由于高炉休风后失去热源,加之自身热量大量散失,导致炉缸温度降低;此外,由于复风后煤气流在高炉内重新分布,煤气利用率低,高炉直接还原度增加,还原反应需大量吸热,进一步加剧炉缸热量损失,因此对高炉休风后热量的控制与补充显得尤为重要[4,5]。然而热量补充与周围环境、高炉密封程度、冷却强度、休风时间长短等诸多因素密切相关[6,7],导致对因炉缸热量提高而添加的物料量的控制难度加大[8]。从现实角度考虑,休复风操作对高炉生产冶炼状态的影响显而易见,但高炉休复风又不可避免[9]。因此,研究改进高炉休复风操作制度,最大程度减弱休复风对高炉顺行的不利影响,争取用最短的时间使炉况恢复正常状态,是炼铁工作者不懈追求的目标[10]。但由于高炉进行休复风操作时对应的原燃料条件、休风前炉况、炉内外环境等影响条件存在差异,导致同一高炉每次休复风操作制度的制定与炉况恢复进度都不尽相同,因此,若对高炉休复风过程中炉况恢复进度不了解,操之过急则易导致炉况恢复反复,延缓恢复进程,造成铁水产量降低的同时燃料比升高,不利于高炉节能减排[11,12]。
由于当前钢铁企业成本压力加大,高炉使用的原燃料已经由“精料”向“经济物料”转变,导致高炉入炉料的质量下降[13];加之高炉休风后炉内剩余热量不断散失,高炉内部块状带和软熔带温度逐渐降低,造成烧结矿局部易破碎粉化,当高炉复风后炉内重新建立煤气流管道时全炉压差增大,使得炉内料柱透气性恶化,复风时炉况易出现波动[14,15],此时若操作不当易引发炉况失常,不利于炉况恢复[16]。
鉴于此,本文通过对国内多座复风效果较佳的高炉休复风操作制度进行分析,依据不同的休复风操作制度,包括短期计划休复风、长期计划休复风与长期非计划休复风,从休复风操作制度的制定原则与实施等方面入手,对高炉复风过程的炉况状态进行研究,期望可以为优化高炉休复风操作制度提供一定借鉴,使高炉从休风迅速恢复至正常冶炼。
短期计划休复风操作主要是在临时检修设备或外部条件发生变化时,高炉需暂时停止生产所采用的一种制度。安阳钢铁集团有限责任公司(简称安钢)6 号高炉进行短期计划休复风操作时,首先避免在高炉生产冶炼状态不好时休风,并在休风前使炉温保持在适宜水平,休风后通过逐步减小风量、风压,排尽渣铁,合理控制水压、水量及炉顶温度等措施为复风操作时处理好布料制度,逐渐恢复富氧喷煤打好基础。最终在短期休风 108 min 后开始进行复风,并在复风后 33 min 恢复全风作业,做到了在短期休风后快速恢复炉况[17],操作要点如表 1 所示。(1)休风前出净渣铁。在高炉休风前将炉内渣铁全部出净是短期计划休复风的操作原则,其保证炉缸下部空间充裕,为后续焦炭等休风料的加入打好基础,有利于高炉实现快速复风,且渣铁出净可有效避免休风时因炉缸渣铁堆积严重或炉温过低时风口被灌的风险[18]。
(2)休风时逐步减风。借鉴安钢 6 号高炉的短期计划休复风操作,即高炉休风前炉况良好,休风操作时需逐渐减小通入炉内的风量、风压,不仅利于配合高炉出净渣铁,还可避免由于快速减风导致压差过大,引起炉内物料崩落骤降,造成炉内料柱透气性恶化或亏料线过深的情况发生。休风后待渣铁全部出净再停止喷煤与富氧鼓风,并向炉顶通入蒸汽或氮气,使炉内总压平稳降到最低水平,为高炉复风操作打好基础。
(3)复风时注意料动与料线变化。高炉开始复风操作时需加大风量快速加风,使炉内休风料快速降落,避免其堆积在风口区域,有利于吹活料柱,改善炉内透气性[19]。随着复风进程的发展,炉内风量上升,炉顶温度升高,在提高休风料下降速度的同时需加速料线下降,即观察炉顶与炉缸温度是否满足后续操作条件,再缓慢添加休风料至正常料线后开始进行喷煤与富氧鼓风操作,使高炉从休风状态逐渐恢复至全风作业。
在进行短期计划休复风操作时,由于高炉在休风前炉况处于正常状态,且休风过程持续时间短,故休风后通过逐步减小风量、风压,合理控制水压、水量及炉顶温度等措施,尽快排净炉内剩余渣铁,为复风操作打下良好基础。因此,短期计划休复风的操作要点在于休风前出净炉内渣铁、休风时逐步减风操作、复风时注意料动与料线变化,操作难点在于如何有效解决复风后全炉压差的控制问题。
3 长期计划休复风
长期计划休复风操作主要是需较长时间检修设备或炉顶,及清洗煤气系统时将煤气清除所采用的一种操作制度。2016 年 9 月,包钢 7 号高炉因生产需要,需完成更换布料器与溜槽、炉顶封罩部位的喷涂工作,因此该高炉被迫进行长期计划休复风操作,休风时间长达 96 h。由于该高炉在休风前以维持高炉风压平稳、促进高炉透气性良好为操作原则,并通过保持炉内热量充沛与渣铁流动性良好,使得炉缸温度适宜、煤气流分布合理,为逐渐恢复富氧喷煤打下了良好的基础[20]。最终在休风18h后恢复全风作业,该长期计划休复风操作要点如图1所示[21,22],可为解决高炉复风后炉缸热量的控制问题提供解决思路。(1)调整休风料的设计。由于包钢 7 号高炉进行长期计划休复风操作,高炉休风持续时间长,炉内缺少热源的同时热量不断散失,导致炉缸温度大幅降低,因此需在尽快提高鼓风温度的同时保持缓慢加风。为使炉内物料维持在较低负荷水平,待炉缸温度提高后再进行复风操作,须通过调整休风料的设计方案与其在炉内的分布结构,达到快速提高炉缸温度的目的[23]。为保证轻负荷休风料可快速降落至炉缸部位,在调整休风料配比时应减少生矿加入量,适当降低焦炭负荷,减小布料角度,将休风料设计时长调整为高炉正常生产冶炼周期的1.2 ~1.5倍,既可快速提高炉缸温度,也可改善渣铁流动性,促使炉缸内部渣铁快速出净,保证高炉休风后炉缸热量充沛[24]。(2)复风后确保料速均匀、风压平稳。由于高炉长时间休风后炉内温度大幅下降,造成入炉烧结矿局部易破碎,低温还原粉化现象严重,导致炉内料柱透气性较差,影响煤气流合理分布,而高炉复风后炉内需重新建立煤气流管道[25]。因此,复风时为确保料速、风压均匀稳定,需对送风制度与装料制度做出调整,使炉料在高炉内保持合理有序的层状结构,并均匀下降,有利于高炉在复风后保持炉内良好的透气性,形成合理的软熔带形状,避免因气流失常紊乱或料速不均等因素引起悬料或塌料现象[26]。在进行长期计划休复风操作时,由于高炉内提前加入了设计合理的休风料,故高炉休风前炉况良好,再以促进高炉透气性良好为原则,在休风后保持鼓入炉内的风压、风速、风温平稳,可维持炉内热量充沛,保证炉缸部位渣铁流动性良好,有利于炉缸温度快速上升、煤气流合理分布,最终为恢复富氧喷煤打下良好的基础。因此,长期计划休复风的操作要点在于休风料设计的合理性与复风后确保料速均匀、风压平稳,操作难点在于如何有效解决高炉复风后炉缸热量的控制问题。
4 长期非计划休复风
长期非计划休复风主要是高炉生产冶炼过程中发生突发事故且较长时间得不到有效解决,高炉不能在计划时间内快速复风恢复生产时采用的一种操作制度。2010 年 5 月 8 日首钢京唐钢铁联合有限责任公司(简称首钢京唐公司)1 号高炉由于下游生产环节突发生产事故[27],迫使该高炉于5h内紧急休风,之后由于生产事故扩大,高炉休风时间由原计划的48h延长到110 h,高炉被迫进行长期非计划休复风操作。由于该高炉需从重负荷生产冶炼状态突然转变到长期休风条件,且休风持续时间过长,存在炉凉的风险,严重时甚至可能发生炉缸冻结事故。因此,该高炉长期非计划休复风操作制度的制定,需以减少休风期间热量损失、送风时促进炉缸温度快速上升、快速出净炉内的冷态渣铁等措施为基本原则[28],再搭配正确有效的复风方案,最终使高炉在 88 h 后恢复了全风冶炼状态,操作要点如图2所示[29,30]。(1)炉内热量的把控情况。长期非计划休复风的操作难点在于炉缸部位的热量控制,由于高炉进行长期非计划休复风操作,休风前高炉生产负荷大,非计划休风持续时间过长,炉内热量损失严重,炉缸温度过低,此时需采取保温措施以减少炉内热量损失防止炉凉,包括:密封风口,避免漏风;减少炉顶放散阀的开启数量,减小炉顶抽力;休风后全面检查冷却设备的漏水情况,确保无漏水隐患;降低高炉的冷却水流量,减少炉体散热。借助上述保温措施,当铁水温度大于 1 450 ℃时排出渣铁,可有效避免休风后因炉内物理热过低,造成渣铁黏度大且流动性差,而导致高炉休风后炉内渣铁不能排净,烧坏风口,引起高炉炉况恢复过程反复的现象。(2)炉缸状态的判定。高炉休风后需根据炉缸部位硅含量和物理温度的大小判断炉缸所处状态,炉缸所处状态判定的准确与否,直接影响高炉操作者选择排出剩余渣铁的具体时间,因此,长期非计划休复风操作过程中对炉缸状态的把控十分重要,若打开铁口过早,此时,炉缸温度偏低,渣铁量少且渣铁流动性差,可能造成渣铁出不净,易堵死渣铁沟;若打开铁口时间过晚,炉缸部位堆积严重,铁水环流势必增加,造成炉缸部位侵蚀加剧,对高炉长寿极为不利,同时影响后续高炉复风操作,不利于炉况快速恢复[31]。(3)送风制度的把控。高炉长期非计划休风后由于炉内温度过低,炉墙内壁可能粘连部分休风料,送风开始后休风料不断脱落,造成高炉内压差波动大,因此向炉内送风时应控制初始风量为正常风量的40%~60% ,保持风速大于240m·s- 1,鼓风温度大于1050 ℃,使炉缸温度迅速上升并达到要求,再配合焦炭等物料的投放,可有效改善渣铁流动性与料柱透气性,有利于炉况快速恢复。若送风时机与送风量把控不好,易导致送风后炉内出现悬料或塌料现象,甚至造成风口灌渣,引起高炉炉况恢复过程反复[32]。在进行长期非计划休复风操作时,由于高炉从重负荷生产冶炼状态突然进入长期休风状态,炉内未添加休风料,且休风持续时间过长,因此,有炉凉的风险,严重时可能导致炉缸发生冻结事故。所以,高炉需以减少休风期间热量损失、送风时促进炉缸温度稳定上升、快速出净炉内的冷态渣铁为原则,并搭配合理有效的复风方案,使炉况尽快恢复正常。因此,长期非计划休复风的操作要点在于控制炉内热量快速回升、精确判定炉缸工作状态与送风制度的合理把控,操作难点在于如何有效解决高炉休复风过程中炉况恢复进度的控制问题。
5 结语
针对高炉休复风过程中的操作难点及部分企业的优秀操作经验,可总结为:在休风时采取保温措施减少炉内热量损失,同时逐渐减小风量、风压,调整休风料的设计方案与其在炉内的分布结构,在复风时加大风量快速加风,保持料速均匀、风压平稳等可实现高炉快速休复风,且效果良好。这些优秀操作经验,在优化高炉休复风操作制度,促进高炉合理休风,快速达产,降低铁水产量损失的同时,为提高高炉休复风过程的能量利用效率提供理论支撑,有助于实现高炉生产冶炼过程节能减排。
