高球团比下高炉布料的控制和优化.pdf

2 0 1 0 年第 2 期 钢 铁 译 文 集 1 高球团比下高炉布料的控制和优化 P K Gu p t a等 摘要 由于高球团比操 作下静 止 角小 易滚动和料 层 易坍 塌 的特 性 高 炉的 煤气分布控 制 比 烧 结 矿操 作 更 难 而且 较 重 的球 团矿 对前 面 的 焦 炭 层 产 生一 个 推 动 作 用 将 焦炭 层 推 向妒 壁 而球 团矿则向中央滚落 中心 区高球 团比例促使 强边缘煤 气流的形成 影响料 层分布和工 艺稳 定 性 为 了获得精确 的煤 气分布 改 变 了料仓 的 出料 顺序 和高 炉上料 速率 为避 免球 团矿在 炉 内过 度地滚 动 对矿石和 焦炭的下降轨迹 进行 了监控 和优化 以在 没有 中心 区焦炭 装料 的条件下加 强 中心煤 气流 在球 团矿 比例 高达 7 O 8 O 的情 况 下 京德 勒 钢铁 厂 1号 高炉 的利 用 系数 达 到 2 1 t m3 d 燃 料 比下 降 到 5 7 0 kg t 铁 水 关键词 炼铁 高炉 炉料 分布优化球 团矿料顶探 头 中心 工作 指数 1 前言 炉料分布关系到高炉内煤气气体动力学 的控制 因而决定软熔带 的形状 和位置 高 炉布 料还 直接 或 间 接 地影 响炼 铁 工艺 绩 效 和产品质量等 而且还对炉衬寿命和成本产 生影响 炉内的煤气分布对实现高 生产率 低 能耗 和 工艺稳 定性 具有 重大 影 响 在没 有 料 面 探 测 仪 的 情 况 下 由 料 顶 测 温 探 头 AB P 测评上升煤气流的温度 曲线 炉 内径 向矿石 对 焦炭 的分布 情况 根 据料 顶 探头 绘 制的曲线和高炉的效 能 来监 控并校正 炉料 下降轨迹 从而获得炉内合适的煤气分布 印度京德 勒 J S W 钢 铁公 司 是一 家 联合 型钢铁厂 年产能 为 4 0 0万吨 其炼铁 厂由 两 座 C 0R E X C 2 0 0 0模 块 化 装 置 1号 C X 和 2号 C X 及 两 座 内容 积分 别为 1 2 5 0 m 和 1 6 8 0 m 的高炉 1号和 2号 组成 1号高炉 的生产率较高 布料的控制和优化对实现稳 定操作 高生产率和低能耗具有重大作用 烧结矿由于其物理 化学和冶金性能 常 规上作为主要的炉料使用 而且 因为烧结 厂能回收利用钢铁厂其他单位产生 的废料 所以还能为联合 型钢厂提供 环保方 面 的服 务 此外 与球团矿相 比 使用烧结矿高炉炉 喉内的料面控制更为容易 然而 由于京德 勒 公 司没有 烧 结 厂 其 1 号 高 炉 调试 投 产时 就 采用 球 团矿作 为 主要 炉 料 球 团 比 高达 7 0 8 0 图 1 有时甚至高达 9 O 1 0 0 这 常常带来一些 问题 如频繁崩料 不规则炉料 下降 中心煤气流不足 风 口烧坏 低喷煤率 低劣的铁水质量 高能耗和低生产率等 此 外 还造 成炉 腹 炉 腰 区的 高 热负 荷 因而 导 致 冷却 壁的过 早 损坏 图 1 近年来京德勒 l 号高炉的炉料组成 在高炉布料方面我们开展 了几项研究工 作 包括料层分布测量 混合料层现象 炉料 下 降行为 矿 石 焦 炭 分 布等 课 题 研 究 中采 用了模拟模型 探测头信号 数学模型和神经 2 钢 铁 译 文 集 2 0 1 0 年第 2 期 网络模 型等 技术 手 段 另 一 方 面 以球 团矿 作为主要炉料g t NN高炉操作方面的现 参 考 资料少 之又少 2 1号高炉 的料仓布局和上料系 统 l 号 高炉 配 备 有 P a u l Wu r t h无 料钟 炉 顶 B L T 用 一 输 送 斗 2 0 m 分 配 炉 内原 料 该无 料钟 炉 顶 的具 体 特 点 在 表 l中列 出 料仓 的总体布 局 见 图 2 由于系 统 的局 限性 每小 时的最 大装料 次数 焦炭 和矿 石批 次 是 8 5 因此 难 以将 焦 炭 批 分割 为 两 部分 来 顾及 中心 焦批 C c 或 C C c O 型装 料 以期 保证较高的中心工作指数 C WI 该指数为 三 个 中心 AB P 料 顶 测 温 探 头 温 度 的 平 均 值 与平 均温 度之 比 用 于 评 估 中 心煤 气 流 的 强 度 图 3 炉 喉表面 区域 为炉 内的 原料 分 配 划分成 8个同心 圆 R1 R 8 图 3 表 l P a u l Wu r t h无料钟 炉顶 B L T 的特点 特 点 数 值 料槽旋转速度 转 rain 料槽 倾斜速度 s 料槽移动 最小 一最大 各环的倾角 位 置 R1 R 2 R8 1 Z 2 6 7 l 3 5 3 1 6 2 5 9 3 2 5 3 7 6 41 8 4 5 4 4 8 7 5 1 8 闰 2料仓和加料设备布局 3 高球 团比操作 的理论 问题 从理论上说 球团矿 因其尺寸均匀 能为 炉 内提 供更 好 的透 气 性 然 而 由于球 团矿 的静止角小 滚动性高并且易导致料层坍塌 使高球 团 比操作下煤气 分布 的控制较为 困 难 此 外 它还 对 前 面 的焦 炭 层 产 生 一个 推 动作用 含铁炉料的静止角是评估炉内料层 形态 的最 重要 的因 素 与 烧 结 矿 不 同 球 团 矿对 获得 炉 喉 内 M 或 V 形 料层 构成 更 多 的 困难 采用高球团 比促使过多的滚动 并造 成 中心 区的 O c 比率 增加 继而 导致 焦 炭 的 过 度 劣化 当劣化 焦 炭 到 达 炉缸 时 将 大 量 的焦粉 携带 到 死 料柱 附近 导 致 死 料柱 透 气 性 差和 边缘 煤气 流发展 过盛 它 常促使 焦层 坍 塌和 混合层 形 成 造成 不 均 匀 的煤 气 分 布 和不规则的炉料下降 而且 使用酸性球 团 矿促进 w 形软熔带的生长 导致炉腹区的热 负荷 增加 既 而影 响喷煤 率 圈 3 AB P位 置 和 同 心 环 位 置 4 高球 团比操作 下采用 的方法 为高球团比操作采用了以下方法 以获 得较强的 中心煤气流 和合适 的炉 内煤气 分 布 4 1 在料 仓 内优化 出料顺 序 由于大量地使用酸性球团矿 石灰石 白 云石和石英石 等熔剂 的添加 量高达 2 5 0 3 0 0 k g t 铁水 最初的出料顺序是球 团矿先 2 0 1 0 年第 2 期 钢 铁 译 文 集 3 加 其次是熔剂 图 4 为 了避免未过筛 的 熔剂加到 中心区 倾倒方 向是从 内到外 后 来 同时输 出铁 矿石和熔剂使 料仓可 以从外 到内的方向倾倒 这样有助于避免粉料到达 中心区 从而有利于加强中心煤气流 之前 之后 三三 二 图 4高炉料仓 出料顺序 4 2优化 料仓 的 出料速 率 在 B L T加料系统 中 球 团矿在旋转料槽 中被抛向上方 这是 因为球团矿 与料槽壁表 面之间存在一个摩擦系数 因此 高球团 比 导致高出料速率 易造成炉内煤气 的不对称 和不 良分布 矿石和焦炭通过输送斗的速度 由以下公式确定 D 一 5 NK 1 式 中 Q为 出料 速度 矿 石 焦 炭 m s W 为总重 量 t N 为 份 数 K 为 原 料 常 数 矿 石 焦 炭 的体 积 密 度 t m Q 最 小 最 大为 最 小 和最 大允 许 Q m s 对 于铁 矿 石 Q最 小 和 Q最 大 分别为 0 2 5和 0 4 1 对于焦炭 Q最 小 和 Q 最 大分别 为 0 2 5和 0 3 7 如果计算的 Q超出了预设范围 那么它 将除以系数 2 3 4 5 这些系数 分别 代表 料槽在各环位置的转数 最初 焦 炭 和矿石 的 出料速率 分别 为0 2 7 和 0 2 5 m s 采用核子感测器观察到该出 料速率过快 各环位 的原料分布 不均匀 后 来 通过调节物流控制门逐渐将 出料速 率降 低 2 5 这一举措 改善 了整个炉 内的煤气 分布和煤气 的圆周切线 向对称性 图 5和图 6 赵 靼 亲 茁 0 O 0 窭 0 习 O 图 5 焦炭 出料速 度对应 焦批大小 的变化 图 6矿石出料 速度对应 矿石 批量 大小 的变化 4 3优化 上料 矩阵 较 重 的球 团矿 将 前 面 的焦 炭 层 推 向炉 壁 并 向中央滚落 这样一来 中央 区的 O C 比上 升 使边 缘煤 气流 过度 冷 却损 失 和炉 衬损失增加 相 比之下 较强的中心煤气流 易导致工艺不稳定 煤气 的热能和化学能利 用系数低 不过 对矿石焦炭下降轨迹进行 了以下改变 以使中心煤气流和边缘煤气流 之 间达 成某 种平衡 图 7 离球团比下的布料控制 为了避免球 团矿过多地滚向炉子 中心 采用了一种称为 堆高和倾倒 的方法 首先 将近 3 3 的焦炭批加到 R 3环位置 形成一 个焦炭 料堆 它充当下一个球团矿 料批 4 钢 铁 译 文 集 2 0 1 0 年第 2 期 的阻挡 物 有 利 于控 制 球 团 矿 过 多地 向 中心 滚 落 图 7 同时 料 堆被 推 向中央 保 证强 劲 的 中心燃 气 流 这 有 助 于 C WI 达 到 1 9 2 0水平 矿石和焦炭被倾倒于靠近炉壁 的相似的环位 R 6和 R7 以保证这些料层 从 中间 区至炉壁 的平 整 炉壁 附近形成 较平 的矿石 和焦炭层 有助 于减 少球 团滚动 和对焦 炭的推动效应 另外 这还有助于抑制高球 团 比操作 下易 发 生 的料 层 坍 塌 现 象 再 者 中心 炉壁 附近 形成 焦炭 台 阶 图 8 有利 于将 表 皮流动温度保持在理想 的 2 5 0 3 0 0 C 优 化 后 的上料 矩阵 见表 2 表 2 高球团比操作下经优化 的上料矩阵 R Rz R3 R5 炉壁 中心 图 8 高球团比下的料层分布 5结果 与讨论 所有 上述 变化使 高 炉 内获 得 了理 想 的料 层分布和精确的煤气分布 高球团比操作初 期遇到的问题 如风 口烧坏 炉腹 区高热 负 荷 频繁崩料和冷却壁故障等 均被控制到最 小程 度 1 从 前 高球 团 比导 致流 过 中心 区 的煤 气 流减 少 在 此 期 问 温 度 分 布 呈平 直 状 C WI 在 0 9 1 1范 围 内变 动 图 9 经 优 化后 中心煤气流增加 了 6 O 平均 C WI 保 持在 1 9 2 0水平 不 同的球 团矿 比例对 AB P温度分布 的影响见图 1 0 炉壁附近的 焦炭层形成得更加平整 使炉壁附近的 O C 分 布更 加均 匀 图 l O 在 早期 中心 区 的高 O c 比导致 直接 还原 增 加 溶 损 反 应耗 碳 高 达 9 5 1 0 0 k g t 铁 水 后 来 中心 煤 气 流增 强后这一数据下降到 7 5 8 0 k g t 铁水 有助 于减少总体能耗 b 赠 山 爱 I O 球团 4 6 0 球 螂a A B P煤气试样 s l S 9 图 l O 球团比例对温度分布的影响 2 优化前 圆周表皮流温度 的变动较大 2 0 1 0 年第 2 期 钢 铁 译 文 集 5 图 1 1 导致不对称的煤气分布 继而造 成 炉内上部的热量失衡 在这一阶段平均表皮 流温 度高 达 4 5 0 5 5 0 由 于 过 高 的边 缘 煤气流 冷却损失高达 5 5 0 M t 铁水 经优 化后 获得了对称的煤气分布 平均表皮流温 度降至 2 5 0 3 0 0 此外 边缘煤气流的减 小使喷煤比从 5 0 k g t 铁水上升到 7 0 k g t 优化前优化后 U 2 趟 赠 糖 嵌 圈 l l 一段时期内表皮流温度的变化 U 2 桐 堡 磐 冀 3 中心煤气流减小导致较低 的顶部煤 气温度 因此 为了维持较高的顶部煤气 温 度 氧富率 被限制 于 l 以下 不过 随着 C WI 的提 高 顶 部 煤 气 温 度 从 9 O 上 升 到 1 2 0 这有助 于使 氧 富率增 加 到 3 4 图 1 2 1 霆 圈 1 2一段时间内顶部煤气 温度和氧富率的变化 4 优化前 较差的煤气分布促使 不规则 的炉料下降和频繁的崩 料现象 每 日高达 3 4次 造成炉渣中较高的 F e 0成分 O 5 0 6 见 图 1 3 而 且 工 艺 波 动 大 也 导 致 铁水 中 S i 和 S的含量较高 后来 经优化 的 煤气分布使操作稳定性显著提高 从前频繁 的崩料现象被完全杜绝 铁水质量也有提高 图 1 4 图 l 3一段时期 内炉渣中的 F e O含量 图 l 4一段时期 内铁水 中的 S i 和 S含量 图 l 5一段时期 内的煤气利用率和燃料 比 图 l 6 一段时期 内的生产率 下转 第 2 4页 譬 宴饕 2 4 钢 铁 译 文 集 2 0 1 0 年第 2 期 金 中 位 于 树枝 晶 周 围 的 Cu膜 是 裂 纹 发 源 之 地 5 结论 几种 包 晶钢 在凝 固过 程 中观察到 的拉力 增加 现象 应归 因于凝 固 收缩 在液相 与 固相 之 间的温度 范 围内 出现 的拉 力 突然下 降是 由 裂纹形 成 引起 的 而 裂 纹形 成 则 是 由伴 随 包 晶转变的体积变化导致 的 微观偏析研究表 明 包 晶转变以扩散控 制方式 或 无 扩 散 转 变 短 程 扩 散 的 方 式 发 生 以无 扩 散转 变 方 式 发 生 的包 晶转 变 的 收 缩 拉力变 化速 率大 于 以扩散控 制方 式发生 的 包 晶转变 而且 收缩 力测定 试验结 果显示 在无 扩散 转变 条件下 会有 更大 的拉力 下降 F e C和 F e C u系包 晶转变速率 的理论 计算结果说 明 冷却速率越大 包晶转变速率 也越大 裂纹形成的可能性也增加 此外 一 次析出铁素体比例较高的合金表现出较高的 转 变 速率 理 论计算 得 出的转 变速 率与 实验测 得 的 速率之间存在偏 差的可能原因是体积蠕动 在高