张福
【摘 要】本钢7号高炉技术人员通过对布料矩阵的理论探索,对布料轨迹进行理论计算,初步推算出不同档位对应的溜槽倾动角度；同时结合现有的原燃料条件和送风制度进行适当改进,根据合理煤气流分布原则,实现上下部制度相结合,在实际生产过程中依据高炉炉内顺行情况进行逐步调整和优化,摸索出适合七号高炉自身生产条件的布料矩阵,控制好边缘和中心气流发展程度,保证煤气流的稳定分布,高炉炉况长期稳定顺行,各项技术经济指标大幅度改进,高炉实现高效、优质、低耗生产. 【期刊名称】《金属世界》 【年(卷),期】2011(000)006 【总页数】6页(P10-15) 【作 者】张福
【作者单位】本钢连铁厂七炉车间 【正文语种】中 文
本钢7号高炉有效容积为2850 m3，采用了卢森堡PW公司串罐式无料钟炉顶装料设备。自2005年9月开炉以来，技术人员一直在分析、研究、探索，运用科学的方法进行布料测定，确定溜槽布料环位角度以及有关数据。结合不同炉况、不同冶炼条件，对不同角度和装料制度进行了调整，使高炉技术经济指标不断优化。 布料矩阵调节是控制高炉径向煤气流分布的一种有效手段。开炉初期，高炉上部采用 C 矩阵布料，矿批重小、上部气流不稳定；下部风口送风面积大（0.3772m2）、
风速低；中心气流弱边缘气流发展过剩，煤气流分布不合理；上、下部操作制度衔接不得体，很难保证长期稳定顺行，高炉频繁慢风及休风，炉缸圆周工作不均，热制度波动大，高炉稳定性较差，频繁出现风压拔尖悬料现象，久而久之导致炉况进一步恶化以至失常状态。冶炼强度低、利用系数低、焦比高、燃料比高，各项技术经济指标在全国同类型高炉中仅处于中下等水平（见表1）。
装料制度是高炉重要的基本操作制度之一，是控制煤气流分布的一种调剂手段。它的目的是依据炉顶装料设备的特点及原燃料的物理性能，采用各种不同的装料方法，改变炉料在炉喉的分布状况，达到控制煤气流合理分布，以实现最大限度到利用煤气的热能与化学能。装料制度与送风制度相结合，决定着高炉内煤气的分布、利用水平及煤气流的分布是否合理，这对于高炉顺行起到至关重要的作用。科学的分析布料规律，应用布料方程，并根据原燃料条件，进行上下部调剂，确保高炉长期稳定顺行。
开炉前装料期间采用摄像和数字摄影对焦炭和矿石的料流轨迹进行了测定，从而确定开炉后高炉生产的布料矩阵 C和相应的溜槽倾动角度（见表2）。
开炉初期一直采用 C布料，现对该矩阵进行分析（见表3）。现以1.50m料线计算该矩阵各档位n值如下，其中n'为炉料堆尖距炉墙距离；S为布料平台宽度。 经计算得出：矿石和焦炭堆尖位置距离炉墙较远，中心部位矿石布料量过多，整体平台离炉墙较远；而且焦炭最外环角度大于矿石最外环角度；矿石布料面积占炉喉总面积的28.17%，焦炭布料面积占炉喉面积的34.85%；中心漏斗太小，导致边缘气流较强，很难形成倒V型软熔带。因布料不合理，加上下部风口面积过大（风口面积：ΣS30=0.3813 m2），中心气流弱，边缘气流过分发展，并呈不稳定状态；十字测温中心点温度只有280～300℃，W值、Z值均在0.5左右波动。 炉况分析：炉况长期处于不稳定状态，焦比高，在炉内最明显的特征就是风压易拔尖悬料。
原因分析：平台离炉墙远，中心矿石多且漏斗浅，中心气流不易通过，而且风口面积大，鼓风动能不足，所以造成炉况失常，久而久之，导致炉缸中心堆积。虽采用洗炉等措施，但并没有从根本上解决煤气流与下降炉料的矛盾。矿石和焦炭的布料面积小，煤气利用率差，导致长期高焦比生产。通过以上计算得出：矿石离炉墙距离较远，中心漏斗小，难以形成稳定的中心气流。
高炉操作的关键是在强化冶炼过程中保持炉况长期稳定顺行,以获得良好的经济技术指标。适宜的装料制度与送风制度的相结合是高炉获得“高产、优质、低耗、长寿”的关键，同时也是高炉炉况稳定顺行的重要因素。因此，研究无料钟炉顶的布料规律，对进一步改善高炉的顺行状况，提高高炉的经济技术指标，有着重要的现实意义[1]。
合理的装料制度的要求
合理的装料制度，目的是创造长期稳定顺行的炉况：
①高炉接受风量，风量、风压曲线平稳，压量关系合适，透气性指数适当； ②与送风制度相结合，控制好炉内边缘和中心两股气流的发展程度，炉缸活跃，炉况长期保持稳定顺行；
③在保持炉况顺行的基础上，达到煤气能量利用最好和燃料消耗最低；
④在正常的炉渣碱度下，渣铁物理热充沛，脱硫效率高；炉墙无粘结，无崩、塌料，风口破损少。 合理的煤气流分布
从高炉操作角度出发，合理煤气流分布以“边缘稳定、中心畅通”为原则，控制边缘和中心两股气流的发展程度，既能使煤气的热能和化学能得到充分利用，又能保持煤气的两条通路，保证炉况的长期稳定顺行[1]。
①十字测温：十字测温中心点温度在400～600℃波动，边缘＞100℃。中心温度过低表明中心煤气通路不畅，过高会形成中心过吹，使煤气利用变差，燃料比增高；
边缘温度过低时，虽然煤气利用好，容易造成粘结；而且炉料和煤气中的水蒸汽可能冷凝，也对炉壁不利[1]。
②炉顶红外成像：中心有一定区域明亮；并有一定力度[1]。
③料面平台：休风后观察料面平台形状，料面由“边缘平台+中间环带+中心漏斗”组成，边缘平台与中间环带间有一定的角度；中心漏斗过深，中间环带宽度小，煤气利用差；中心漏斗过浅，中间环带宽度大，煤气利用过高，高炉难以接受高风量。 创造合理煤气分布曲线的方法
① 精料。本钢的焦炭和球团矿自产量不足都需外购。外购焦炭和球团矿的厂家比较多，导致原燃料的冶金性能差、成分波动大、粉末多，高炉变料次数频繁。因此加强原燃料的管理和提升原燃料的质量成为高炉强化冶炼的首要任务。七炉加强入炉原燃料的筛分管理工作，建立原燃料预警制度，优化生产过程；采用新科学、新技术来提高和改善原燃料的理化指标及冶金性能。为提高焦炭的冷、热强度和热反应性，对焦炭集中喷洒钝化剂，焦炭的CRI提高1.5%～2%，CSR提高2%以上。通过对烧结矿洒CaCl2，烧结矿的RDI＋6.3平均增加了52.79%，RDI＋3.15平均增加21.04%，RDI－0.5平均减少4.98%，其中RDI＋3.15指标最高达到99.88%。RDI指标的改善，高炉块状带粉末量减少，使高炉料柱透气性提高，有利于高炉顺行，风量有所提高，灰铁比降低。
② 较高的风速和鼓风动能。合理的送风制度是创造理想煤气曲线的基础，风口前送风状态决定了煤气流的初始分布状态。提高风速和鼓风动能，增加回旋区的长度，使煤气的初始分布向中心延伸，减少中心死料柱，改善炉缸中心的透气性和透液性，对形成“下活、上稳”的格局是非常重要的。为了提高风速和鼓风动能，2008年经过休风将风口面积逐渐缩小到0.3441 m2。
③ 合理的装料制度。在合理的送风制度的基础上，配合以适当的装料制度，才能在上下部调剂上组成理想煤气曲线的充分条件[1]。
高炉布料规律一直是高炉工作者研究的课题。合理的装料制度是保证高炉稳定顺行的前提。为此我们参考刘云彩《高炉布料规律》，对七号高炉布料轨迹进行了理论计算。
炉喉面积11等分计算
可将炉喉视为一个圆柱体，根据等面积同心圆原理,将炉喉截面按面积进行11等分。 （1）炉喉总面积S：
其中 R：炉喉直径，8.4m； π：圆周率，取3.1415926。
（2）根据炉喉总面积，按面积对炉喉进行11等分，则得出每一环面积S '： 根据每环面积计算每环半径，见表4。 溜槽不同倾角炉料落点计算
参考刘云彩《高炉布料规律》，统一布料方程如下： 公式一：炉料在溜槽末端的速度
公式二：炉料离开溜槽末端后，在xy平面上x方向的投影
公式三：炉料落到xy平面后，距高炉中心的实际距离，是炉料在炉喉内分布的具体位置
式中：α：布料溜槽角度；l0：溜槽实际长度，取3.80m；
ω：溜槽转速，取0.1333r/s；e：溜槽倾动距，是溜槽倾动轴到溜槽底面的垂直距离，取1.09m；
la：溜槽有效长度：la = l0－ectga；h：料线高度，h= h1+ h2，m； h1：操作料线深度，m；h2：溜槽垂直位置到料尺零点的距离，m；
μ：摩擦系数，焦炭对溜槽的摩擦系数μc = 0.3，矿石对溜槽的摩擦系数μo = 0.53；
g：重力加速度，取9.810001m/s2；n：炉料堆尖位置距离高炉中心线的水平距离；
料线深度的确定
高炉生产时要选定一个加料的料线。料线的高低，可以改变炉料堆尖位置与炉墙的距离，料线在炉料与炉喉碰撞点以上时，提高料线，炉料堆尖逐步离开炉墙；在碰撞点以上时，提高料线会取得相反的效果。一般选用料线在碰撞点以上，并保证加完一批料后仍有0.5m以上的余量，以免影响溜槽的动作，损坏设备。为了确定较高的煤气利用，同时参考国内同类型高炉实际生产经验，本高炉操作料线h1 =1.5m。
计算溜槽能把炉料布到中心位置时的倾动角度amin
为了实现中心加焦技术，首先计算中心加焦布料溜槽的倾动角度。能把炉料布到中心的最大角度，也就是说炉料在溜槽上的有效长度为零时的溜槽倾动角度，该角度应为溜槽正常布料最小角度amin。此时炉料不经过溜槽，直接从中心喉管处垂直下落到中心。
根据公式：la = lo － ectga 得出：
溜槽倾动角度0≤a≤amin = 16°时，溜槽的有效长度为零，炉料直接下落在中心位置，此时n值为零，溜槽在此区间内倾动对布料不产生影响。 计算在规定料线内，炉料能与炉墙碰撞的角度amax
在规定料线内，炉料能与炉墙碰撞的溜槽倾动角度临界值，此时n值为炉喉半径，即n=4.2m时，布焦炭、布矿石在规定料线，正好与炉喉钢砖碰撞。 确定不同档位溜槽倾动角度
根据表4、表5和表6计算出来的结果，确定11等分炉喉面积后，不同档位对应的溜槽倾动角度（见表7）。
第一阶段： 外布矿石，减少中心矿石布料量
从2008年1月份开始，改变矿石布料档位由O6543222222 → O7654323321
→ O876543322221，矿石布料档位往外增加两档，同时增加布矿的圈数，由最初的10圈增加到13圈；在实际生产过程中发现中心第一档位14°布焦炭时溜槽无法到达中心该位置，因此将中心档位布焦档位去除。调整后，在实际生产过程中，明显发现中心气流减弱，煤气利用率很高，炉顶煤气成分中CO2高达21%，煤气利用率达到50%以上，炉子发闷，风压偏高，风量上不去，长期维持在4600m3/min。
第二阶段：恢复中心加焦，继续减少中心布矿量，改善高炉透气性
2008年2月份，为了实现中心气流畅通，实现中心加焦，布料矩阵由C。通过理论计算后，将中心加焦角度定为17°，保证布焦环数10圈数，增大焦炭平台宽度0.94m，同时减去外环矿。炉内主要表现为料柱透气性改善，中心气流略微渐强，但是边缘气流仍然比较强，风量加不上去，风压仍然不稳定，频繁因为风压高回头拔尖现象出现。
第三阶段：减少中心矿量的同时矿石外扬，发展中心气流
为了制止边缘气流强势趋势，在发展中心的同时对边缘气流的发展做了适当的抑制，主要是将增加外环布料。布料矩阵变化：CO。矿石堆尖位置距炉墙距离由1.33m减小到1.04m，将中心3档位矿减除，中心矿量明显减少，矿平台宽度减少，边缘7档位布焦环数增加为2圈，而3档位焦炭布料档位减除，从而使边缘7档位实际布焦量增加，边缘气流仍然较盛，明显出现中心和边缘两股气流，风量不稳定，强度不均衡，炉子适应外围能力较差，不接受返热等。 第四阶段：加大中心焦量和边缘矿量，继续抑制边缘
从2008年4月开始矩阵C，在增加中心2档位焦炭环数为3圈，中心焦炭比例由11.11%增加到27.27%，焦炭的布料档位整体外移，以利于形成稳定的焦炭平台，减少矿石对焦炭的推移作用；为了保证矿石径向负荷稳定，将第6、7档位矿石的环数变为2圈，从而导致中心矿石量相对增加，中心温度维持在400～500℃
仍然未达到理想水平，炉子适应外围能力比较弱。 第五阶段：实行大矿角、大α角布料
继续增大布矿角度，将布料矩阵 C →C，同时减少中心档位矿石量，中心矿石比例由14.29%降低到10%左右，矿石外移至堆尖距离炉墙0.94m，缩短了0.61m，炉况转好，十字测温中心温度达到668℃，边缘温度稳定在70℃左右，中心气流畅通，边缘气流稳定（见图1）。休风后观察料面，料面平台宽度大约1.2m，漏斗深度约1.8m。
第六阶段：微量调整，求指标。
C 矩阵布料，高炉的煤气利用较差，炉顶温度在280℃，打水频繁。为了提高煤气利用，降低燃料比，2009年1月将矩阵变为 C，矩阵调整后，煤气流分布发生了本质的变化，体现出合理的煤气流分布是高炉操作的核心，是高炉操作制度优化的前提，是高炉长寿，炉型管理的关键。用此布料矩阵（见表9），焦炭堆尖距离炉墙0.70m，矿石堆尖距离炉墙0.81m，焦平台宽1.16m，矿平台宽0.86m，与休风后观察到的料面形状一致，真正实现平台+漏斗的料面形状。针对布矿后出现浅尺假象，将焦炭料线改为1.30m，避免出现宽尺窄尺现象。
高炉炼铁以稳中求突破为原则，在保持顺行的同时，积极探索、科学论证、大胆实践，加大技改力度，不断改进工艺和操作制度，抓高炉操作入手，及时的环带内[1]。为了保证适当的边缘气流和中心气流的畅通，最大的矿角、最大焦角二者同角同时，在靠近炉喉中心部位没有矿石的角位上，保持3个焦碳环数。
矿石环带应有一定宽度，表现为矿角差为7°，理论布矿宽度为0.93 m，实际达到0.86 m。在一定的矿石批重下，较宽的矿石环带使矿层变薄，有利于改善料柱透气性，稳定煤气流并提高煤气利用水平[1]。从2009年1月至今，七号高炉在该矩阵布料，取得了较好的经济技术指标（见表10）。
七号高炉通过对布料矩阵的理论研究和实践探索，总结出一套适合七炉自身操作的
布料矩阵，取调整上部装料制度，将创新装料制度和送风制度作为突破口，保证高炉有合理的煤气流分布。七号高炉技术人员通过理论计算，在实践中逐步总结出适合七号高炉的布料矩阵，显示了七号高炉操作人员在布料理念上的变化。 焦碳布料档位数多于矿石，各档位上的焦碳环数倾向于平均分配，中心档位焦炭环数较多，有利于在靠近炉喉边缘处形成“边缘+中间环带”式的稳定的焦碳平台，保证中心气流的畅通。通过调整不同档位的矿石环数来微调煤气流，使边缘和中心负荷的调整更为灵活、准确。集中布在中心档位的焦炭起“焦坝”作用，阻挡矿石特别是球团矿流向中心[1]，而且矿石环带距离中心足够远，球团矿主要布在边缘时，实际流向中心的矿石不多。
采用“大α角、大矿角”方法布料将矿石环带整体向炉喉边缘外移，在α最大矿外移的同时，α最小矿也随之外移，矿石环带布在炉喉半径距中心60%～90%得了良好的经济技术指标。但是离国内同类型高炉相比仍有一定差距，特别是焦比和燃料比，七号高炉人员坚持研究，争取把焦比和燃料比降低到国内同类型高炉水平。
【相关文献】
[1] 刘琦. 谈无料钟炉顶布料规律. 炼铁, 2007, 26（6）：56-60.
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