首钢股份3号高炉炉缸活跃度量化研究

马洪修，程洪全，于连成，罗德庆，王荣刚，林春山

(北京首钢股份有限公司炼铁作业部，河北唐山064404)

炉缸寿命决定了高炉一代炉役的长短，提高炉缸活跃度以保证炉缸长寿成为了当下一大研究课题。在炉缸活跃度量化方面有了较多的研究，炼铁人员通过炉缸温度与侧壁温度比值以及高炉炉缸渣铁滞留量等角度研究了炉缸活跃度［1-5］。丁汝才等［2］将炉底热电偶温度与炉缸侧壁热电偶温度进行直接做比。国外Shibaike等［6］给出了计算炉芯死料柱温度的公式。部分学者用炉芯温度及Kozeny-Car man方程来解释高炉活跃度［7-10］。首钢股份3号高炉自2010年投产以来，多次出现炉缸不活跃现象，而对炉缸活跃度的判断基于现场外围出铁等情况，没有定量化的标准。因此，有必要量化首钢股份3号高炉炉缸活跃度，并明确活跃度指数与操作参数的关系，探析其影响因素，从而通过日常操作达到活跃炉缸的目的。

本文统计了首钢股份3号高炉温度比值趋势(炉底中心温度与炉缸侧壁异常升温处的温度比值)，计算了炉缸活跃度指数，分析了炉缸活跃度指数与鼓风风量、风温、喷煤量及鼓风动能之间的关系，明确了炉缸分区、分段活跃度趋势及活跃度变差的原因，总结了提高炉缸活跃度的措施，为同等立级高炉操作提供一定的参考。

1 高炉炉缸活跃度参数取值及指数计算

1.1 高炉炉缸活跃度参数取值

首钢股份3号高炉容积4000 m3，于2010年1月开炉，本文中侧壁温度取自铁口中心线下方2.4 m处的第7层最内环热电偶温度，如图1所示。炉芯温度取值为高炉炉底中心热电偶温度。第7层内环与炉底中心热电偶温度能有效地反应热量在侧壁与炉底的分配。

图1 首钢股份3号高炉炉缸第七层热电偶布置图

1.2 高炉炉缸活跃度指数计算

炉缸活跃度表征为炉缸排出渣铁的顺利程度。首先从炉缸工作状态的表征方面，发现了炉缸炉底中心热电偶温度与炉缸侧壁热电偶温度之间的一般关系。丁汝才等［2］将炉底热电偶温度与炉缸侧壁热电偶温度进行直接做比，提出了炉缸活跃度指数的概念，炉缸炉底温度在一定程度上反应了炉缸热量在炉缸中心死料柱的传递能力，也反应了铁水炉渣在炉缸中心死料柱的渗透能力［7］。但不同高炉的炉缸结构及监测热电偶位置不同，为了更准确地反应首钢股份公司3号高炉炉缸内温度场分布，定量分析活跃度，对首钢股份3号高炉炉底中心温度与侧壁异常升温点(图1中红色点)求比值，如式(1)。

式中：

TD——炉缸底部中心热电偶温度，℃；

TC——炉缸侧壁内环热电偶温度(异常升温点)，℃。

炉缸活跃度指数见图2，TE31303及TE31304为1#出铁口附近热电偶；TE31294为2#出铁口附近热电偶；TE31296为3#出铁口附近热电偶；以上热电偶历史上均数次发生异常升温现象，其均在铁口夹角30°之间，这也符合炉缸铁口下方铁水流动规律。从图2中可以看出，活跃度指数均在0.5～4.5之间，炉缸活跃度指数越高，则说明炉缸越活跃，反之，则活跃度越差。结合现场实际生产，明确了活跃度指数＜2.0为炉缸不活跃；2.0～2.5为炉缸较活跃；＞2.5为炉缸活跃。

图2 炉缸活跃度指数

2 炉缸活跃度指数影响因素及阶段分析

2.1 炉缸活跃度指数与操作参数关系分析

高炉日常操作对炉缸活跃度有着重大影响［11］，尤其下部调节、鼓风风量、风温、煤量和鼓风动能，对下部死料柱透气透液性影响更加明显。另外，高炉鼓风动能作为综合参数，通过影响回旋区深度，及保证高炉截面的合理分配，是保证炉缸活跃的前提［7］。通过统计高炉2018年11月1日至2019年11月1日之间的数据，将炉缸活跃度指数(TE31304点处)与高炉鼓风风量、风温、喷煤量及鼓风动能做了相应对比，结果如图3所示。

图3 炉缸活跃度指数与操作参数之间的关系

图3 (a)为活跃度指数与风量之间的关系图，可见活跃度指数趋势与风量趋势呈现正相关，风量趋势比活跃度指数趋势较提前，当风量变化，活跃度指数随之逐渐变化。这是因为鼓风风量越大，加之现在风口都有一定的向下倾斜，风量越大鼓风动能越大，越易吹透炉缸死料柱，则透气透液性越好，活跃度指数越高。

图3(b)为活跃度指数与煤粉量之间的关系图，可见活跃度指数趋势与煤粉量趋势呈现正相关，但煤粉操作趋势比活跃度指数趋势有一定的延迟，这是因为喷煤量增加，虽然使炉内压量关系偏紧，但是提高了炉内热量，增加了铁中［Si］含量，提高了炉温，活跃了炉缸。另外，高炉是一个“黑匣子”，这致使高炉操作者对高炉判断是有一定程度延迟的，因此提高操作经验，发展高炉可视化技术，可进一步明确炉缸活跃度变化趋势。

图3(c)为活跃度指数与风温之间的关系图，活跃度指数与风温有着正相关的关系，同样风温趋势比活跃度指数有所提前。这是因为，提高风温，增加理论燃烧温度，可增加煤粉燃烧率，增加死料柱透气透液性，提高活跃度，反之，降低活跃度。因此，风温趋势与炉缸活跃度趋势有正相关，且风温操作较活跃度指数变化趋势较提前。

图3(d)为活跃度指数与鼓风动能之间的关系图，活跃度指数趋势与鼓风动能趋势密切相关，呈正相关，并且鼓风动能变化可提前影响高炉炉缸活跃度指数变化趋势。这是因为合理鼓风动能和风量能够保证中心及边缘的合理分布，即一次煤气分布，可保证整体的活跃度，避免边缘堆积和中心堆积。高炉操作者应适当结合鼓风动能、风量、风温及喷煤量，来判断炉缸活跃度指数的趋势变化，从而达到活跃炉缸，高炉长寿的目的。

2.2 炉缸活跃度指数区域及阶段分析

首先，通过炉缸活跃度指数在三个铁口的趋势规律可以发现，炉缸活跃度指数在圆周上分布并不完全一致，从温度上分析即为三个出铁场附近很难出现同时异常升温现象；从内部机理可以判断为，三个出铁场出现了炉缸活跃度不均的现象，因此日常操作中有必要将炉缸活跃度进行分区分析，首钢股份3号高炉可将高炉炉缸分为4个区域，每个出铁场分为一个区域。而区域之间的差异可能与并罐布料及风口距离热风围管总管的风量分配不均均有关系，具体情况需要进一步探析。

通过2013～2019年之间的炉缸活跃度指数数据分析，并结合现场实际经验，可将炉缸活跃度指数变化分为三个阶段。

第一阶段：开炉至2013年为高炉炉缸初期阶段，炉缸操作内型逐渐形成，小块热压炭砖开炉初期均出现多次异常侵蚀现象，加钛护炉后，炉缸则开始稳定，炉缸活跃度逐渐增加。

第二阶段：2014年至2017年为常态化护炉阶段，高炉初期热电偶温度控制住后，则高炉进入常态化护炉阶段，高炉操作也进入稳定阶段。常态化护炉的优势：1)通过钛平衡计算，增加炉缸内部钛含量，可增加Ti(C，N)保护层的富集［12］。2)可维护炉门，降低炉门孔道出铁中的冲刷，增加出铁时间，及时出净渣铁。弊端：1)由于初期异常侵蚀是不可逆转的，所形成的钛保护层是需要钛富集的，因此必须常态化护炉，增加了生产成本。2)为了增加钛保护层富集，必须保证一定的Si含量，保证炉温，增加Ti(C，N)的析出，以维持当下稳定操作［12-14］。因此，当炉缸活跃度下降时，可适当进行护炉操作，从而为提高炉缸活跃度提供条件。

第三阶段：2018年至今，根据设计炉龄，高炉进入炉役中期，通过炉缸活跃度指数分析，活跃度指数频繁出现“断崖”式波动，很长一段时间活跃度指数处于2.0～2.5的不活跃区间，甚至出现活跃度指数小于2.0的情况。这是因为高炉进入中期后，炉缸侧壁炭砖较初期脆化更加严重，由于环保限产等因素，炉料结构变化较大，炉况变差，造成了炉缸活跃度下降，保护层异常剥落，脆化碳砖直接接触高温铁水，从而造成了热电偶温度异常上升，表现为活跃度指数下降［13］。因此，当高炉进入中后期后，尤其进入末期炉役时，更应注重精料操作、稳定操作。日常操作中，高炉可根据实际情况，实时跟踪炉缸活跃度指数变化，从而明确炉缸活跃度变化趋势。

3 炉缸活跃度指数变差原因及改善途径

3.1 炉缸活跃度指数变差原因分析

由图3可知，2019年初炉缸活跃度指数不断波动，但处于相对稳定水平，但从2019年4月开始至9月高炉炉缸活跃度指数处于较低水平，长期处于2.0～2.5，甚至小于2.0，且7月份炉缸活跃度指数达到最低，2019年10月开始，炉缸活跃度指数逐渐上升。

2019年环保压力加大，烧结矿限产，配吃粒级较碎、品位较低的一烧及外购烧结矿(＜10 mm比例达30%甚至更高，且碱度较二烧偏低)，其配吃比例由2月份20%逐渐增加到30%；至7月中旬期间，配吃比例一度增加到55%；10月开始，高炉配吃100%二烧。由于一烧及外购烧结矿粒级及成分均不稳定，配吃一烧及外购烧结矿期间，炉内压量关系偏紧，炉内顺行受阻，难以全风，鼓风动能及风温均难以处于正常水平，造成炉况频繁波动，致使炉缸活跃度下降，铁水环流加重，最终造成了炉缸活跃度变差，炉缸环流加重，侧壁炭砖异常侵蚀，表现为活跃度指数降低。

3.2 活跃炉缸的途径

(1)精料操作

高炉稳定的原燃料、稳定的化学成分和粒级对高炉的透气性指数及煤气流分布有着重要影响，化学成分波动、碱度变化，会影响渣比及燃料比，从而对节能降耗目标的达成造成影响。另外，原燃料稳定能够稳定炉渣成分、碱度和炉渣流动性能，从而减少亏渣铁现象。稳定的原燃料可以避免高炉碱金属负荷及碱金属循环富集，当高炉有过多的碱负荷会影响焦炭稳定性，增加其破碎的可能性，致使料柱透气透液性下降，造成炉缸不活现象。

(2)上下部调节相结合

上部调节不仅能够调整焦炭负荷，另一方面，可以调整焦窗的多少和位置，煤气的主要通道是焦炭层，尤其软熔带位置。合理的的煤气流分布可以形成合理的煤气流，保证合理的边缘及中心的开度。另外，布料深度应合理，减少下料通过炉喉的再分布，从而增加煤气分布的可控度。应结合实际情况，优化装料制度，避免矿焦层交界处的过度填充所造成的透气性指数下降现象。

下部调节作为重要的操作调剂手段，一方面，合理的鼓风动能能够保证合理的风口回旋区，从而影响煤气流一次分布。另一方面，结合活跃度指数变化规律，可以发现合理的鼓风动能能够吹透中心，保证中心死料柱的透气透液性。另外，下部调节需结合炉容、风量系数(风量/炉缸截面积)。

4 结论

(1)首钢股份3号高炉炉缸活跃度指数与操作参数密切相关，活跃度指数与鼓风风量、风温、煤粉量及鼓风动能变化趋势呈正相关。但是鼓风动能、鼓风风量和风温是因参数，其变化趋势会影响活跃度指数变化趋势；因为高炉是一个“黑匣子”，喷煤量滞后于活跃度指数。高炉操作者更应结合风量及动能，以保证合理的回旋区深度和煤气量。

(2)首钢股份3号高炉炉缸活跃度指数小于2.0为炉缸不活跃，2.0～2.5为炉缸较活跃，大于2.5为炉缸活跃。另外，根据铁口分布情况，将炉缸分为四个工作区域，分区讨论活跃度更加合理。

(3)首钢股份3号高炉炉缸活跃度指数可以将开炉以来分为三个阶段，第一阶段：开炉至2013年为高炉炉缸初期。活跃度指数特点：有降低趋势，经过治理逐渐稳定；第二阶段：2014年至2017年为常态化护炉阶段。活跃度指数特点：仍有较大波动，但较第一阶段相对稳定；第三阶段：2018年至今，炉缸进入中期，活跃度指数特点：有“断崖”式下降现象。当下高炉处于第三阶段。

(4)结合活跃度指数变化规律，高炉进入炉役中期，炉缸活跃度受操作更加敏感。因此，提高活跃度更应该基于炉况稳定，关注原燃料条件和出铁情况，避免炉况波动和渣铁出不净，造成钛保护层和脆化层的剥落。