對高爐使用高反應性燃料的研究

我國高爐燃料結構大多為爐頂層裝冶金焦搭配風(fēng)口噴吹煤粉的結構，其中焦炭的成本占鐵水燃料成本的絕大部分。降低鐵水的燃料成本，傳統的思路主要是降低高爐燃料消耗或降低焦炭的配煤成本。對于大多數高爐操作而言，高爐的燃料消耗在已形成的操作理念下已達到較低的程度，很難進(jìn)一步下降。對于降低配煤成本而言，一方面，大家擔心配煤成本的下降影響焦炭質(zhì)量，導致高爐順行和噴煤受影響；另一方面，高爐需要什么樣的焦炭，至今尚未達成一個(gè)反映高爐實(shí)際情況的、被行業(yè)普遍認可又不過(guò)剩的質(zhì)量標準，甚至部分文獻表達了與焦炭熱性能現有評價(jià)截然相反的觀(guān)點(diǎn)，也影響了焦炭配煤成本的控制。

本文通過(guò)采用熱重試驗和新日鐵焦炭熱強度的檢測方法對不同反應性燃料的互補性進(jìn)行了研究，然后模擬高爐實(shí)際升溫制度和氣氛，研究不同反應性的燃料在高爐內各自的強度變化，通過(guò)熔滴試驗探討了價(jià)格便宜的高反應性燃料的裝入方式，提出了冶金焦搭配少部分高反應性燃料的燃料結構形式，以便使用部分高反應性燃料替代冶金焦來(lái)降低鐵水燃料成本。

1試驗過(guò)程

試驗原料有冶金焦、高反應性焦、蘭炭塊和燒結礦各一種，3種燃料的冶金性能及成分見(jiàn)表1。試驗采用熱重試驗、新日鐵焦炭熱強度的檢測方法及熔滴試驗。

兩種燃料不同比例混合后的熱重試驗結果。

研究者采用熱重法研究了冶金焦和其他兩種燃料之間的交互作用，把冶金焦與高反應性焦、蘭炭塊磨成粉后(100目)按照不同的比例混合在純CO2氣氛下進(jìn)行氣化反應。圖1為冶金焦與高反應性焦不同比例混合后的熱重試驗結果。

若兩種燃料之間沒(méi)有交互作用，則不同比例混合物的氣化量連線(xiàn)應為直線(xiàn)。由圖1可知，混合后的氣化量顯著(zhù)大于其加權氣化量，尤其是當高反應性焦加入量較少時(shí)，偏差最大。這說(shuō)明兩種不同反應性的燃料混合后，與CO2的反應更多地受高反應性燃料的支配。將冶金焦與蘭炭塊混合后在熱重純CO2氣氛下的結果也證實(shí)了上述結果。

固定失重下兩種燃料混合后的失重和強度變化。

對于不同的高爐生產(chǎn)實(shí)績(jì)而言，焦炭進(jìn)入風(fēng)口回旋區時(shí)其失重大約在20%～30%。參考新日鐵焦炭熱強度的檢測方法，將兩種焦炭各100g混勻后放入反應管內，在1100℃純CO2氣體條件下氣化，當燃料氣化失重約30%時(shí)中斷試驗，分揀各單種燃料檢測各自的失重量和反應后強度。表2和表3分別為冶金焦與高反應性焦和蘭炭塊各100g混合后固定失重熱強度檢測結果(因設備精度問(wèn)題，失重難以準確控制在30%，此外產(chǎn)生了少量粉末未歸集) 。

從表2、表3可知，在固定失重的條件下，冶金焦分別與高反應性焦和蘭炭塊混合后失重量大幅減少，遠遠低于平均值，因而其強度得到了保護。這說(shuō)明不同反應性的焦炭若混合使用，存在著(zhù)CO2的搶奪性，高反應性的焦炭可以保護低冶金焦使其相對“鈍化”，冶金焦強度得到保護。同時(shí)，比較蘭炭和高反應性焦炭的反應后強度可知，蘭炭的熔損反應更多地聚焦于表面，因而盡管其失重嚴重，但強度相對更好一點(diǎn)。

高爐塊狀帶條件下冶金焦與其他燃料的交互作用。

研究者模擬高爐冶煉條件，參考新日鐵焦炭熱強度的檢測方法，分別檢測冶金焦、高反應性焦、蘭炭塊及冶金焦與高反應性焦、冶金焦與蘭炭塊混合物在塊狀帶的熔損和強度變化，試驗條件見(jiàn)表4，試驗結果見(jiàn)表5、表6。

由表5、表6可知，對于冶金焦而言，與高反應性焦或者蘭炭塊混合后，其失重量?jì)H僅為單獨試驗時(shí)的一半左右，其對應的強度也得到了保護。

高反應性燃料裝料方式及使用效果比較。

上述試驗證明了冶金焦搭配部分高反應性燃料，能夠減少冶金焦在高爐內的熔損反應，保護其強度。研究者對高反應性燃料與燒結礦是層裝還是混裝進(jìn)行了試驗探索。根據常規的熔滴試驗方法，研究者將100g燃料與450g燒結礦混勻后裝入熔滴爐內進(jìn)行熔滴性能檢測，與常規上下層各50g燃料、中間層450g燒結礦的熔滴性能進(jìn)行了比較。

圖2為高反應性燃料(50g)與燒結礦(450g)分別混裝與層裝的熔滴試驗S值比較。高反應性燃料與燒結礦混裝更有助于降低料柱的壓差，尤其是高反應性焦炭與燒結礦混裝后在熔融區間的壓差為0，其S值亦為0，遠小于層裝條件下的S值。

按照混裝的概念，研究者對配加和不配加高反應性焦的燒結礦的熔滴性能進(jìn)行了檢測，具體裝料形式和熔滴性能結果見(jiàn)表7、表8。

從表8可知，在總用焦量一定的條件下，冶金焦配加少部分的高反應性焦后，燒結礦的熔滴性能明顯改善，表現為壓差降低，軟熔帶變薄。

2結果與討論

對于焦炭的反應性，常規認識是焦炭反應性低、熔損起始溫度高更好，以便爐身間接還原充分發(fā)展，提高煤氣利用率，部分研究者甚至研究了焦炭的鈍化措施。但近十幾年來(lái)，自日本提出高反應性、高強度焦炭的思路后，國內不少研究者提出了降低焦炭熔損反應起始溫度、提高焦炭反應性的觀(guān)點(diǎn)，認為高反應性焦可以降低高爐熱儲備區溫度，促進(jìn)高爐內鐵氧化物的還原，達到降低煉鐵燃料消耗并減少CO2排放的目的。該觀(guān)點(diǎn)的理由是基于Rist 操作線(xiàn)和“叉子”曲線(xiàn)。由于Rist 操作線(xiàn)和“叉子”曲線(xiàn)僅僅解釋了使用高反應性焦的熱力學(xué)平衡條件更好，因而部分學(xué)者提出了使用高反應性焦的前提條件是燒結礦具有良好的還原性和良好的煤氣分布。

事實(shí)上，評估提高焦炭反應性能否降低燃料消耗的唯一條件是爐頂煤氣利用率是否得到提高。煤氣利用率低、燃料消耗高的高爐，從高爐的物料平衡和熱平衡計算來(lái)看，焦炭在風(fēng)口氣化相對較多，因而，其高爐內的CO絕對量以及還原勢相對煤氣利用率高的高爐更能夠滿(mǎn)足熱力學(xué)平衡條件，人為地提高焦炭的反應性，其實(shí)是不必要的，甚至是適得其反。從某種程度上講，提高爐料的還原性和優(yōu)化煤氣分布的確是提高煤氣利用率的關(guān)鍵，但這與焦炭的反應性可能關(guān)系不大。

相對來(lái)說(shuō)，傳統的觀(guān)念追求焦炭反應性低、熔損起始溫度高的方向更有理論依據，所欠考慮的是不同高爐內焦炭的熔損量波動(dòng)并不是太大，而新日鐵發(fā)布的檢測方法導致不同的焦炭熔損量差別很大，因而強度差別也會(huì )很大。

降低鐵水燃料成本，可否從新的思路來(lái)考慮？冶金焦搭配少量低價(jià)、反應性高的燃料，讓熔損反應消耗低價(jià)燃料，既能保證冶金焦的強度，又能提高含鐵爐料進(jìn)入軟熔帶區域的金屬化率，盡管煤氣利用率可能不會(huì )得到提高。

按照這一思路，高反應性的燃料使用量不宜超過(guò)焦炭的熔損量，即小于20%的冶金焦量。此外，從熔滴性能來(lái)看，高反應性焦比蘭炭塊更好。