影響煉鐵工藝運(yùn)行效益的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)分析

馮 飛 仲海洋

1.M鋼鐵企業(yè)高爐運(yùn)行概況

2022年，受鋼鐵市場需求節(jié)奏放緩影響，鋼材價格從下半年起環(huán)比下降，但鐵礦石價格卻居高不下，嚴(yán)重?cái)D壓鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)利潤空間。在這一背景下，M鋼鐵企業(yè)高爐煉鐵以降本、提質(zhì)、減碳、高效為目標(biāo)，加強(qiáng)系統(tǒng)攻關(guān)，從2022年11月至2023年6月，該企業(yè)1780m3高爐利用系數(shù)連續(xù)8個月達(dá)3.0t/m3d以上。高爐利用系數(shù)的提高，不僅提升高爐鐵水產(chǎn)量，還能通過擴(kuò)大生鐵產(chǎn)量規(guī)模、降低煉鐵成本，從而促進(jìn)企業(yè)效益的增長。

M鋼鐵企業(yè)1780 m3高爐，在容積保持不變的情況下，通過系統(tǒng)性攻關(guān)，高爐利用系數(shù)(t/m3.d)由2022年9月的2.655t/m3.d提升至2023年5月的3.288 t/m3.d。如高爐系數(shù)能夠長期保持穩(wěn)定，則該企業(yè)煉鐵生產(chǎn)能力至少能提高20%，將極大提升高爐煉鐵工序的綜合競爭力。

2.強(qiáng)化高爐入爐原燃料的“精料”管理，確保高爐穩(wěn)定順行

鋼鐵企業(yè)高爐冶煉實(shí)踐表明，改善原燃料質(zhì)量和采取各種降低燃料比的措施，有助于提高高爐利用系數(shù)。因此，多數(shù)鋼鐵企業(yè)通常采取如下基本方法來提高高爐利用系數(shù)：一是通過提高入爐料品位、提高風(fēng)溫、富氧噴煤和提高高爐頂壓等措施，改善高爐的冶煉條件，實(shí)現(xiàn)高爐利用系數(shù)的提高；二是在控制好高爐適宜冶煉強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，通過加強(qiáng)高爐操作，如優(yōu)化高爐操作制度，改善煤氣與爐料之間的接觸條件，使煤氣的熱能和化學(xué)能得到充分利用，提高煤氣利用率，從而實(shí)現(xiàn)降低焦比、提高高爐利用系數(shù)的目的。

2.1 提高燒結(jié)礦質(zhì)量

高爐利用系數(shù)的提高，要求燒結(jié)礦和球團(tuán)礦具有高品位、高強(qiáng)度、冶金性能好和易還原等特點(diǎn)。M鋼鐵企業(yè)一直將優(yōu)化爐料結(jié)構(gòu)、優(yōu)化并穩(wěn)定原燃料質(zhì)量、減少入爐有害元素等方面作為攻關(guān)重點(diǎn)，系統(tǒng)考慮原燃料質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。如將提高燒結(jié)礦品位作為重點(diǎn)工作，該企業(yè)1780m3高爐從2022年9月份開爐至2023年6月份，燒結(jié)礦品位始終保持在56.6%以上。特別是2022年9月、10月份達(dá)到56.9%以上，創(chuàng)2022年新高，但該指標(biāo)曾在2023年6月份降至56.58%。如果剔除6月份高爐休風(fēng)因素影響，各月份燒結(jié)礦品位質(zhì)量總體穩(wěn)定（見圖1），且燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度指標(biāo)波動幅度小，各月均穩(wěn)高于77.7%以上，高爐渣比穩(wěn)定在310kg/t內(nèi)，滿足了高爐高效生產(chǎn)的要求 。

圖1 2020年9月-2023年6月燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)變化情況 %

為了使高爐易于接受強(qiáng)化冶煉，需要改善爐料的透氣性，M鋼鐵公司通過優(yōu)化協(xié)調(diào)生產(chǎn)工藝操作等技術(shù)措施，強(qiáng)化成本管理，不斷降低燒結(jié)礦返礦率，實(shí)現(xiàn)了提質(zhì)降本增效的目標(biāo)。返礦率的高低既取決于燒結(jié)礦本身的質(zhì)量，也取決于高爐所產(chǎn)鐵水品種對這部分爐料優(yōu)劣的容忍度。如該公司從2022年9月燒結(jié)礦返礦率12.985%，降至2023年6月的10.305%，創(chuàng)本年度新低，較最高點(diǎn)降2.68個百分點(diǎn)（見圖2）。

圖2 2020年9月-2023年6月燒結(jié)礦返礦率 %

2.2 提高焦炭質(zhì)量

在鋼鐵行業(yè)中，鐵前系統(tǒng)的排放占了碳排放總量的70%和污染物排放總量的90%以上。提高焦炭質(zhì)量，降低現(xiàn)有高爐的燃料比，是減碳降碳的一項(xiàng)重要措施。隨著高爐噴煤量的增加，高爐料柱的礦焦比不斷增大，焦炭作為高爐料柱骨架，更要突出滲透性(透氣與透液)作用，這必然要求焦炭具有更高的質(zhì)量特性，如焦炭的冷態(tài)指標(biāo)要高，熱態(tài)性能要好，灰分和硫含量要低，從而為高爐生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)較高利用系數(shù)提供必要的保障條件。高爐生產(chǎn)實(shí)踐表明，焦炭灰分每增加1%，焦比上升2%左右。M鋼鐵公司2022年9月份冶金焦灰分為12.757%，2023年6月份降至12.663%，較2022年9月份下降了0.094個百分點(diǎn)（見圖3）。同時剔除2023年1月份（高爐休風(fēng)影響）高達(dá)12.803%的特殊值外，冶金焦灰分基本控制在12.7%左右，且各月波動幅度較小。

圖3 2020年9月-2023年6月冶金焦質(zhì)量指標(biāo)變化情況 %

高爐生產(chǎn)實(shí)踐表明，焦炭含硫量每增加0.1%，焦比上升1.2%～2.0%。2022年9月份該公司冶金焦硫分為0.913%，2023年5月份降至0.911%，下降了0.02個百分點(diǎn)。同時，除2023年1月份因高爐休風(fēng)影響外，冶金焦硫分基本控制在0.9%左右，且各月波動幅度較小。總體看，該公司焦炭質(zhì)量的提升，為高爐生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)較高利用系數(shù)提供了必要的保障條件。

考核焦炭粒度指標(biāo)有冷態(tài)指標(biāo)和熱態(tài)指標(biāo)。其中冷態(tài)指標(biāo)涉及抗碎強(qiáng)度M40指標(biāo)、抗碎強(qiáng)度M25指標(biāo)、抗磨強(qiáng)度M10指標(biāo)；熱態(tài)指標(biāo)涉及CSR指標(biāo)和CRI指標(biāo)。焦炭抗碎強(qiáng)度M40每降1%，高爐利用系數(shù)降低3%～4%，焦比(冶煉1噸生鐵所消耗的焦炭的重量)增加1.3%～5%；抗磨強(qiáng)度M10每降低0.1%，高爐生產(chǎn)能力提高0.3%～1.3%，焦比降低0.2%～0.6%。該公司焦炭抗碎強(qiáng)度M40指標(biāo)值從2022年9月份87.569%持續(xù)升至2023年6月份的88.355%，提升0.786個百分點(diǎn)；抗磨強(qiáng)度M10指標(biāo)值從2022年9月份6.477%降至2023年6月份的5.939%，降低了0.538個百分點(diǎn) (見圖4) 。

圖4 2020年9月-2023年6月冶金焦冷態(tài)指標(biāo)變化情況 %

3.以經(jīng)濟(jì)煉鐵為目標(biāo)，開展精料技術(shù)攻關(guān)

入爐鐵礦品位高低直接影響高爐產(chǎn)量，高爐煉鐵精料技術(shù)水平對煉鐵指標(biāo)的影響在70%，而精料技術(shù)的核心是要提高入爐礦石品位。入爐鐵礦品位每提高l%，鐵水產(chǎn)量一般提高2.5%～3%，燃料比降低1.0%～1.5%，噸鐵渣量減少30㎏，允許多噴吹煤粉15㎏/t。自2023年1月份開始，M鋼鐵公司1780m3高爐入爐鐵礦品位保持較高水平，其中連續(xù)4個月保持在58%以上，最高為4月份的58.437%， 比2022年12月份提高了0.917個百分點(diǎn)（見圖5）。同時，入爐鐵礦品位基本呈逐月提高的態(tài)勢，波動性明顯低于燒結(jié)礦品位，表明該企業(yè)將提高入爐鐵礦品位作為貫徹精料技術(shù)的核心經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。伴隨著入爐礦品位指標(biāo)的逐步提升，企業(yè)的燃料比指標(biāo)呈現(xiàn)逐月下行態(tài)勢，促進(jìn)了企業(yè)節(jié)能減排、綠色生產(chǎn)的高效發(fā)展。高爐燃料比指標(biāo)由2022年9月份的544.9㎏/t降至2023年3月份的歷史最好水平503㎏/t，下降了41.95㎏/t，刷新了該企業(yè)1780m3高爐燃料比、煤氣平均利用率兩項(xiàng)指標(biāo)的歷史紀(jì)錄。其中，燃料比指標(biāo)連續(xù)3個月均穩(wěn)定在503㎏/t左右水平，進(jìn)入行業(yè)同類型高爐先進(jìn)行列。

圖5 2020年9月-2023年6月入爐鐵礦品位與燃料比變化

4.以技術(shù)創(chuàng)新為抓手，開展降本增效攻關(guān)

高爐通過富氧鼓風(fēng)手段實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)和增加噴煤量。噴吹煙煤，噴煤比過高或過低都對高爐生產(chǎn)和生鐵成分帶來不利影響，而經(jīng)濟(jì)噴煤比可使噴入高爐內(nèi)的煤粉充分燃燒、高爐順行、降低生鐵成本。經(jīng)濟(jì)噴吹煤比的確定是指在一定的生產(chǎn)條件下，考慮產(chǎn)量、原燃料質(zhì)量、爐料結(jié)構(gòu)、煤和焦炭的市場價格等因素，噴吹煤比最高且穩(wěn)定、焦比和燃料比最低的操作煤比?？梢?，經(jīng)濟(jì)噴煤比的大小取決于噴煤量水平、煤焦置換比和能量消耗利用程度，最終由總?cè)剂舷摹⒐ば虺杀緛泶_定。

在高爐冶煉過程中，富氧對提高煤粉在高爐風(fēng)口前的燃燒率，提高置換比起到了關(guān)鍵作用。尋求大富氧和經(jīng)濟(jì)煤比的搭配，即可改善高爐冶煉的效果，又能夠?qū)崿F(xiàn)低碳、低能耗、低成本的目標(biāo)。大富氧的作用：一是對理論燃燒溫度的影響。富氧是彌補(bǔ)噴煤后，風(fēng)口理論燃燒溫度降低的有效措施。提升富氧率1%可補(bǔ)償理論燃燒溫度40到50攝氏度。從風(fēng)口理論燃燒溫度維持不變的角度計(jì)算，根據(jù)日本制鐵、寶鋼等企業(yè)經(jīng)驗(yàn)，富氧率每提高1%，高爐可提高煤比22公斤/噸。二是對煤粉燃燒率的影響。富氧使鼓風(fēng)中的氧濃度增加，加快了氧向煤表面的傳遞速度，從而促進(jìn)了煤粉燃燒，提高了煤粉燃燒率。三是改善高爐透氣性的作用，富氧1%可使噸鐵的煤氣量減少4%。因此，隨著富氧率的提高，爐腹煤氣量的減少，從而降低了高爐壓差，改善了料柱透氣性，從而促進(jìn)了爐況順行，有利于高爐接受高煤比。

M鋼鐵公司1780m3高爐以經(jīng)濟(jì)、低碳煉鐵為目標(biāo)，堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新，開展高爐大富氧經(jīng)濟(jì)煤比應(yīng)用技術(shù)（見圖6）。2022年9月開爐時富氧率僅為4.43%，2023年6月份提高至6.167%，提高了1.737個百分點(diǎn)，且該公司富氧率自2月份起基本保持逐月上升，穩(wěn)定在5.93%的態(tài)勢，與噴煤比的走勢保持一致；該高爐的噴吹煤比2022年9月為133.494㎏/t，2023年6月提高至162.933㎏/t，提高了29.439㎏/t，而且是隨著高爐富氧率的不斷提升，高爐噴煤比也持續(xù)呈現(xiàn)穩(wěn)中有升的態(tài)勢。通過實(shí)施大富氧與經(jīng)濟(jì)煤比相匹配技術(shù)，M鋼鐵公司1780m3高爐確保穩(wěn)定、順行，優(yōu)化煉鐵用能的結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了燃料消耗的最優(yōu)化。

高風(fēng)溫是降低焦比和強(qiáng)化高爐冶煉的重要措施。高爐生產(chǎn)實(shí)踐表明，風(fēng)溫在950℃～1350℃之間時，每提高 100℃可降低焦比8 kg～20kg，鐵水產(chǎn)量增加2%～3%。M鋼鐵公司高爐除在2022年9月開爐初期，高爐風(fēng)溫處在低位，為1160.63℃（見圖7），其他各月高爐風(fēng)溫穩(wěn)定，均保持在1170℃～1185℃，上下波動幅度未超過15℃，且呈小幅上升態(tài)勢；而高爐入爐焦比指標(biāo)則表現(xiàn)剛好相反，2022年9月高爐入爐焦比達(dá)383.53㎏/t（為開爐以來最高值），從2022年10月開始，隨著風(fēng)溫的不斷提升，高爐入爐焦比指標(biāo)一路下行，2023年5月當(dāng)風(fēng)溫達(dá)到今年最高點(diǎn)1182.567℃時，高爐入爐焦比也同時達(dá)到今年最好水平的320.56㎏/t，比2022年9月最高焦比下降62.97㎏/t。說明高風(fēng)溫可以降低高爐的燃料消耗，對高爐節(jié)能降耗發(fā)揮重要作用。

圖7 2020年9月-2023年6月高爐平均熱風(fēng)溫度和焦比變化情況

4.高爐運(yùn)行高效率與極致能效

高爐高效煉鐵應(yīng)包括高效率組織生產(chǎn)、高質(zhì)量生產(chǎn)、低成本生產(chǎn)、清潔綠色低碳生產(chǎn)、前沿技術(shù)研發(fā)等，M鋼鐵公司通過提高燒結(jié)礦、焦炭等原燃料質(zhì)量，提高高爐運(yùn)行，從而為高爐爐況的順行和冶煉強(qiáng)度的提高提供了必要條件。該公司燒結(jié)礦品位、燒結(jié)礦返礦率、冶金焦灰分、冶金焦硫分、入爐鐵礦品位、高爐富氧率、燃料比、高爐工序能耗等關(guān)鍵性指標(biāo)，均在2023年上半年達(dá)到年內(nèi)最優(yōu)，高爐噴煤比、高爐平均熱風(fēng)溫度等指標(biāo)保持較高水平，多種因素共同作用，從而使高爐利用系數(shù)于2023年5月份達(dá)到年內(nèi)最優(yōu)（見圖8），同時該指標(biāo)于2022年11月份起，連續(xù)8個月均保持在3.0 t/m3.d，呈逐月提高的態(tài)勢，表明該公司高爐生產(chǎn)效率的提升是循序漸進(jìn)的，亦表明其各類技術(shù)措施亦是循序漸進(jìn)的。

圖8 2020年9月-2023年6月高爐利用系數(shù)和工序能耗變化情況

由于M鋼鐵公司對高爐生產(chǎn)采取了綜合性技術(shù)措施，該企業(yè)1780m3高爐從2022年9月至2023年6月，共有4個月高爐沒有因休風(fēng)影響生產(chǎn)。同時，該高爐的工序能耗指標(biāo)大幅下降，從2022年9月的397.37（kgce/t），降至2023年6月384.069（kgce/t），下降了13.301（kgce/t），比2023年3月歷史最好水平的377.612（kgce/t）降低19.759（kgce/t），降幅為4.97%。而且自2022年9月份起，高爐工序能耗呈逐月下降的態(tài)勢，這對該企業(yè)高爐節(jié)能降耗有著非常積極的意義。

6.結(jié)語

M鋼鐵公司在嚴(yán)峻的市場形勢下采用綜合性技術(shù)措施，強(qiáng)化了高爐冶煉強(qiáng)度，優(yōu)化了高爐爐況，大幅度提高了高爐利用系數(shù)、降低了入爐焦比，實(shí)現(xiàn)了高效、綠色、低碳、低成本生產(chǎn)。該公司成功的生產(chǎn)實(shí)踐進(jìn)一步表明：高爐生產(chǎn)要以精料為基礎(chǔ)，一方面采用高風(fēng)溫、高頂壓、高富氧等操作技術(shù)，另一方面強(qiáng)化高爐操作與管理，精打細(xì)算、苦練內(nèi)功、細(xì)節(jié)降本，不僅可以實(shí)現(xiàn)高爐冶煉的穩(wěn)定順行，而且能夠大幅提高高爐冶煉的關(guān)鍵性技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。這一經(jīng)驗(yàn)值得其他鋼鐵企業(yè)借鑒。