在高炉空料线过程中用风量计算料面位置的探讨

杨军昌

1.引言

高炉停炉方法有两种，填充法和打水空料线法。打水空料线法就是在停炉过程中不向炉内装料，采用炉顶打水控制炉顶温度，当料线空至风口附近进行休风的一种方法。自鞍钢率先采用打水空料线法停炉后，该方法经逐年改进，趋于成熟，推广沿用至今。

对打水空料线法空料面位置的判断，一是使用机械探尺测量料面：把机械探尺放下，直接测量料面深度，一般机械料尺的绳索长度在4.0～5.0m。而停炉空料线深度要到风口中心线附近，所以机械料尺深度不够，需要加长。二是使用雷达探尺测量料面：高炉空料线过程中，煤气流速强、探测距离远、炉内充斥着高温气体、水分、渣皮、结厚物、死料柱等，很可能发生爆震，导致干扰源多。空料线后期经常会出现雷达探尺数据来回漂移、无法探测等现象，影响了雷达探尺测量的准确性。三是使用煤气成分中的CO2含量间接判断法。这种方法要求煤气成分分析尽量准确，否则会影响判断结果。煤气成分判断料面位置是空料面停炉过程判断料面位置的一种重要方法。但近年来发现，空料线停炉过程中煤气成分出现了新情况，存在无规律波动的现象，无法单纯按照煤气成分变化判断料面位置。分析认为这是炉内水蒸汽含量高及人工煤气成分，致使煤气成分产生误差。四是风量计算法。利用消耗的风量间接计算出料面位置。本文重点探讨风量计算法在空料线过程中的应用。

2.风量计算法简介

2.1 计算原理

风量计算法就是利用消耗的风量来计算料面位置的一种判断方法。基本思路是列出一段时间内的累计风量A；吨焦消耗风量B，用A÷B计算出消耗的焦炭重量C；用焦炭重量×焦炭负荷，得出炉料重量D；根据重量C和D，分别计算出焦炭和炉料的体积VC和VD；VC+VD是燃烧焦炭熔化炉料腾出的高炉空间，利用腾出的空间对应侵蚀后的高炉容积，从而推算出料面位置。

2.2 吨焦耗风量的计算

吨焦耗风量就是燃烧每吨焦炭需要的风量，分为带负荷焦炭燃烧和不带负荷焦炭燃烧两种情况。因所需要的风量不尽相同，在此推荐两种计算方法：

2.2.1 带负荷时燃烧每吨焦炭需要的风量

带负荷就是焦炭、炉料依次入炉。在空料线过程中，料面在炉身范围内，按公式(Ⅰ)计算得出吨铁耗风量。这时的吨焦耗风量是选定高炉预休风前7天的平均操作参数作为基准，包括高炉这7天的平均风量、焦炭量、煤量、焦丁量，把煤量和焦丁量乘以系数折算成焦炭量（焦丁折算系数0.9；煤粉折算系数0.8），再用平均风量除以焦炭总量，等于带负荷时的吨焦耗风量。公式(Ⅰ)：

带负荷吨焦耗风量＝天平均风量×60×24/(焦炭量+煤量×0.8＋焦丁量×0.9) (m3/t) (Ⅰ)

2.2.2 不带负荷时燃烧每吨焦炭需要的风量

不带负荷就是只有焦炭没有炉料。当料面进入炉腰位置时，炉料已全部软化部分开始滴落，当料面进入炉腹时，炉料全部滴落，基本只剩焦炭，透气性明显变好，吨铁耗风量会增大。这时的理论计算为：燃烧1kg碳素,在不富氧、湿度2%情况下的耗风量，乘以焦炭含碳量，等于不带负荷时吨焦耗风量。公式(Ⅱ)：

V＝0.9333 / (1-0.02 ) ×0.21＋0.5×0.02＝4.325(m3/kg)

不带负荷吨焦耗风量(m3/t)＝4.325×1000×焦炭含碳量(Ⅱ)

2.3 高炉侵蚀容积计算

高炉投产后运行一段时间，内衬会受到侵蚀形成一个操作炉型。随着运行的延长，侵蚀加剧，由于高炉各段位置侵蚀机理不同，侵蚀程度也不尽相同。所以，在计算高炉容积时，要结合实际，按侵蚀后的炉型计算。

3.风量计算法运用实例

3.1 实际吨焦耗风量计算

首钢长钢8号高炉计划于2022年2月10日停炉大修，高炉采取打水空料线停炉法空料面至风口中心线。停炉前依据风量计算法进行了前期数据统计和预算。2月1日至7日，8号高炉7天平均每天入炉风量为3140m3/min，焦炭量1225t；煤量444t；焦丁量139.6t，入炉混合焦炭固定碳84.8%。见表1。

表1 首钢长钢8号高炉空料线前7天控制参数统计

依据公式(Ⅰ)计算带负荷时吨焦耗风量为：

3140×24×60÷（1225×1.0+444×0.8+139.6×0.9）=4514400÷1705.8=2650（m3/t）

依据公式(Ⅱ)计算不带负荷时吨焦耗风量为：

4.325×1000×84.8%=3667（m3/t）

3.2高炉侵蚀后的炉容计算

8号高炉有效炉容1080m3，采用砖砌炉衬，设计炉喉高度1.65m，炉身高度14m，炉腰高度1.75m，炉腹高度3.15m，2012年4月投产运行至今。依据之前停炉和最近3次空料线喷补的经验，高炉炉身前2m高度有部分侵蚀；2m后至14m高度砖衬、炉腰以及炉腹砖衬已全部侵蚀，全部靠有一定厚度的渣皮保护，炉腹砖衬位置还可能出现较厚的粘结物。所以侵蚀后的高炉容积，炉喉按不侵蚀计算，炉身前2m按侵蚀200mm计算，炉身2m之后至14m按侵蚀300mm计算；炉腰按侵蚀300mm计算；炉腹至风口中心按侵蚀200mm计算。侵蚀后的高炉容积为1123.2m3，较设计高炉容积997.7m3多出125.5m3。见表2。

表2 首钢长钢8号高炉各段容积统计

3.3 空料线过程中料面位置判断

空料线开始后，为了更清楚和快速比对出料面位置，提前把高炉侵蚀后的容积进行划分，采取等高分割的办法，从炉身4m开始，分别计算出每米高度位置的容积至风口中心线，即从炉身4m位置开始至风口中心线分割成等高的18份，计算出18份容积，并逐段累计，以便与根据耗风量计算的腾出空间进行对照，从而快速得出料面位置。

2月9日05:30，8号高炉开始空料线。此时料线2.0m，该段容积为58m3。08:23预休风，其过程进行了前期空料线，整个空料线过程消耗风量

441660m3。

根据风量法计算前期空料线过程中料面位置：

腾出的焦炭体积：441660/2650/0.6×（1-13%）

=241.7（m3）

腾出的炉料体积：441660/2650×2.8×71%/1.7×（1-13%）+441660/2650×2.8×29%/2.0×（1-13%）=228.4（m3）

腾出的高炉容积：241.7+228.4=470.1（m3）

腾出的高炉容积对比侵蚀后的炉容，发现计算料面位置在炉身10米，加上2.0米料线，高炉内位置应是12.0米。

2月9日15:00，预休风结束高炉复风，20:00炉顶放散。2月10日04:28，休风停炉。复风后的高炉腾出空间计算分为两部分：一是料面在炉身位置时，吨焦耗风量按2650m3/min计算，这段高炉容积内燃烧的焦炭体积和熔化的炉料体积都要进行计算。进入炉腰后，吨焦耗风量按3667m3/min计算，直至停炉。这段容积不计算炉料体积只计算焦炭体积，当风量计算消耗的总体积达到侵蚀后的炉容体积时，就基本到达了风口中心位置。现场观察风口会明显变暗，有的风口会变黑；雷达探尺测量料面位置会达到或接近风口中心线高度。煤气成分中CO2含量明显回升，达15%左右。出现上述情况时，可以进行休风停炉操作。

在整个空料线过程中，对消耗风量、腾出的高炉空间、计算料面位置、雷达探尺位置进行统计。见表3。

表3 8号高炉空料线过程中风量与计算料面位置统计

从表中看出，依据耗风量计算的料面位置与雷达探尺测量出的位置偏差不大。高炉在预休风时雷达探尺显示11.6m，计算料面位置12.0m，偏差0.4m。累计腾出高炉空间1070+58=1128（m3），完全达到侵蚀后的高炉容积1123.2 m3。

4.验证比较

4.1 计算料面位置与雷达探尺测量位置比较

本次空料线分为两部分：第一部分是前期预休风空料线。预休风期间总耗风量441660m3，腾出炉容空间470m3，计算空料面位置在炉身10.0m，即12.0m位置；雷达显示料面位置11.6m，计算料面位置与雷达探尺测量料面位置最大相差0.4m。这一时段风量计算和雷达探尺及人工测量受干扰较小，其结果相对准确。第二部分是复风后的空料线。高炉复风后至停炉总耗风量1072700m3，腾出空间600m3，计算料面位置在风口中心，即21.1m位置，雷达探尺为20.7m，偏差0.4m。2月9日至2月10日01:05，在复风后的空料线过程直至休风停炉，雷达探尺为20.7m。

从上述结果看，依据耗风量计算的料面位置与雷达探尺测量出的位置偏差不大，整体控制在≤0.5m范围，有参考价值。为进一步验证其参考价值，对空料线过程取样煤气成分中CO2含量与计算出的料面位置进行了比较。

3.2 计算料面位置与煤气CO2 曲线比较

空料线法停炉，根据CO2变化规律，预示料面的相对位置。从正常料线到拐点，随料面下降，间接还原反应逐渐降低，CO2含量呈下降趋势，拐点标志停炉过程中间接还原反应基本结束，CO2降至最低点，约3%～5%,相对位置为炉腰附近。拐点过后由于料层逐渐变薄，风口前焦炭生成CO2，上升途中被C还原成CO的反应，CO2+C=2CO减弱，故煤气中的CO2又逐渐回升，料面位置至风口附近含量达到15%～18%。2月8日，8号高炉取样煤气成分中CO2含量16.1%，2月9日15:00复风后，从16:10开始至21:25共取样煤气8次进行分析。从煤气成分分析结果来看，成分中CO2含量在炉身位置时呈下降趋势，在炉腰位置时达到最低点，接近炉腹位置时呈上升趋势，整体呈C形抛物线样式，符合煤气中CO2含量与料面位置对应的变化规律。此期间的风量计算料面位置、取样时间、雷达探尺位置、煤气成分CO2含量，得出的计算料面位置与煤气成分CO2曲线反应趋势一致。

3.3 空料线过程使用数据比较

本次空料线停炉过程中当料面在炉身位置时，吨焦耗风量按2650m3/min计算，当料面位置进入炉腰开始，吨焦耗风量按3667m3/min计算，直至停炉。计算过程中使用的焦炭堆比重为0.6t/m3，烧结矿堆比重为1.7t/m3，压缩率为13%。这些取值为本次空料线过程中使用，罗列出来仅供参考。为保证数据的准确性，可以在实际操作过程中现场测量得到。

从上述结果判断，计算料面位置使用的吨铁耗风量、烧结料和焦炭的堆比重以及入炉料压缩率的取值、侵蚀炉容的判断和计算都基本到位。说明其对原燃料管控、炉型管理的预判都是正确的，为高炉控制数字化积累了经验。

5.结束语

高炉空料线停炉过程中采取风量计算法计算料面位置，有助于强化原燃料质量的管理，强化高炉炉型的管理，也有助于细化高炉操作，全面细致了解高炉工作情况，促进对高炉的整体把控。

风量计算法计算料面位置，作为空料线过程的一种参考手段，现场计算选取的参数要尽量准确，以减小误差，为准确掌握空料面进度提供保证。此法可结合其他方式进行综合判断再作决定，也可在机械探尺、雷达探尺、煤气曲线失灵后作为主要的判断依据。

当料面位置进入炉腹位置后，随着料面降低、料层变薄，风量穿过炉料的阻力大大降低，高炉在此阶段会拉起炉顶放散，结束煤气回收。此时燃烧吨焦炭的耗风量会升高，这有待于进一步研究、细化、分析、总结规律，以促进高炉控制数字化。

参考文献略