高煤比条件下高炉风口前现象的取样研究

　　1前言高产、低耗和稳定、长寿是炼铁生产不断追求的目标，喷煤量和焦炭质量在其中起着至关重要的作用。实践证明，提高焦炭质量、保证煤粉在风口前较高燃烧率是实现这些目标的客观要求和必要条件。要检查焦炭质量和煤粉燃烧状况，除作实验室测试外，进行现场监测分析和试验研究是必要的，也是*可靠的方法。高炉风口取样就是研究高炉下部和炉缸现象的有效手段，通过取样分析不仅可定量地了解焦炭劣化程度和煤粉燃烧效果，对焦炭质量和煤粉燃烧条件进行直接评价，而且可以了解高炉下部及死料柱的活性，为炉缸侵蚀控制提供有益的指导。利用风口取样技术还可研究焦炭在高炉内的实际劣化机理和煤粉的燃烧规律，并获得高炉工况的真实信息，有助于提高试验装置的模拟性和测定结果的实际代表性。

　　徐万仁博士1966年生1995年毕业于东北大学现从事炼铁专业电话26647174欧洲、日本、韩国等高炉在技术基础研究、新工艺开发和喷煤技术攻关中，非常注重采用包括风口取样在内的各种检测分析手段，大量细致的研究无疑为其技术创新和保持**起到了重要支撑作用。宝钢十分重视高炉风口取样技术的开发和应用，1990年自主设计制造出**台离线用风口取样机，同年11月至1991年5月在1号高炉上进行了6次取样。因设备性能可靠、操作维护简便，此后一直在生产中使用。1994、1998、2000和2001年，配合焦炭热性能研究、200kg/t喷煤比攻关和炉缸长寿技术研究，在3座高炉上先后进行了30余次取样作业，获得大量基础性研究数据。2002年，宝钢对风口取样机进行了全面更新改造，研制成第二代取样设备，使其结构、性能更加合理优越。本文将阐述宝钢应用风口取样技术在高炉风口前现象、焦炭质量和喷煤技术研究中所取得的成果。

　　2风口取样条件及分析方法2000年以来各高炉生产长期稳定顺行，煤气流控制稳定，高炉透气性良好。1号和3号篼炉在年均2.2~2.3V（m3d）的篼利用系数条件下，年均喷煤比分别保持220~230kg/t和205 ~210kg/t的水平，炉役后期的2号篼炉为165 ~175kg/t.宝钢一直注重稳定和提篼焦炭质量，近年来，焦炭的冷、热态强度指标保持国际同行较篼水平，满足了篼炉高煤比操作的需要。2000年以来宝钢篼炉操作和焦炭质量指标列于表1.三座高炉风温为1230~1250，风速表1离炉操作和焦炭度量主要指标时间/年喷煤比/kgM富氧率/%为了研究不同喷煤操作风口前现象和焦炭的劣化行为，2000年2月以来用风口取样机在3座高炉上共进行了15次取样，设备构造如所示。设备采用篼性能液压马达驱动，推力可达到120~ 150kN，将取样管插入风口前3m以上。

　　板一起从风口推人，到预定位置后移出盖板，使上部焦炭落人槽内，再将取样管拉出，可取出炉缸半径方向风口水平的焦炭（包括炉腹焦、回旋区焦、鸟巢焦和死料柱焦）、未燃煤粉、渣铁等，见。

　　对所取各段风口焦样先捡除渣、铁，然后作筛分分析，粉末部分用磁铁吸附将铁珠分离出来。然后进行性状、成分、相组成、显微结构等分析。

　　3结果及分析3.1风口回旋区深度的测定和理论火焰度的计算风口回旋区外鸟巢区是粉焦开始集中的地方，根据风口焦粉末含量沿径向分布的规律可确定循环区长度。如，喷煤175kg/t时<2.5mm粉焦不同喷煤比时风口热<2.5mm粉名、量量在距风口前1.52.0m处剧增，可知对应回旋区长度约1.8~2.0m，鸟巢区厚度约0.5m，>2.25m范围为死料柱。由图可见，喷煤量提篼到200kg/t以上时，<2.5粉焦含量突增点向风口方向靠近，回旋区缩短至1.3 ~1.7m，同时显示鸟巢区和死料柱体积扩大，死料柱内粉末量明显升高。

　　用X射线衍射方法根据风口焦石墨化程度可计算出焦炭温度，再根据理论燃烧温度与焦炭温度的关系（大型篼炉，风口焦温度约为理论燃烧温度的0.7~0.8倍），可推测风口前理论燃烧温度。从测定结果可知，风口前1.21.5m处风口焦温度*高，达到1950~2000，再向炉内则温度降低，此规律与风口焦粒度分布规律一致。

　　3.2焦炭劣化检查和焦炭质量的评价通过风口焦与入炉焦性状的比较，可准确直观地检验焦炭在炉内的劣化程度，评价其质量。

　　1991年1月和2月在1号篼炉取样时，高炉冶炼条件基本相同，但焦炭质量有较大差异，结果当011129.8%、031160.6%时，风口焦平均粒度<6mm粉焦占12.2%，高炉透气性指数尺值2.331；当CRI35.5%、CSR51.4%时，风口焦平均粒度下降至22.67mm，<6mm粉焦增加到19.84%，A：值升高到2.63，这说明焦炭热性能对高炉透气性有显著影响。

　　在焦炭质量、粒度、高炉操作条件基本相同情况下，通过在不同喷煤量时风口取样，可考提高喷煤量对焦炭劣化程度的影响。如，喷煤量提篼后，风口焦平均粒度减小，煤比超过200kg/t时变化显著，表明焦炭劣化加重。

　　前1.5~2.0m处存在转折点，这亦表明风口回旋区深度在1.8~2.0tn.鸟巢区和死料柱内未燃尽残炭并未出现通常认为的跳跃性升篼即未燃煤粉大量堆积于死料柱表面的现象，说明宝钢高炉大喷煤操作时鼓风和下部调剂合理，煤粉燃烧和残炭在炉缸内的消耗正常，下部透气性良好。从可知，靠近风口处煤粉燃烧率接近90%，向炉内随未燃煤粉残留量增加，燃烧率（消耗率）下降，在距风口前1.5 ~2.0m处至炉芯更深处，燃烧率保持稳定。由此说明煤粉在离开煤枪后即快速分解燃烧，效率较篼，离开氧化带的粒度较粗、活性较差的炭粒因缺氧燃烧速度下降，成为未燃尽残炭的主要来源，堆积于回旋区外的鸟巢层。

　　风口前2.0m外为死料柱区，此时的燃烧率实质是未燃煤粉的消耗率，约60%左右。死料堆内部残炭的生成和消耗是均衡的。从可见，提高喷煤量使回旋区内煤粉燃烧率迅速下降，经计算，喷煤量175kg/t时燃烧率为84.9%，喷煤量提篼到210-230kg/t时燃烧率下降到70.5% ~72%.该测定结果与鞍钢在线煤气分析燃烧率计算结503.3风口前煤粉燃烧、积聚和消耗状况的分析采用岩相观察和定量分析方法，可以测定风口回旋区至死料柱内未燃尽煤粉的分布，了解死料柱内未燃煤粉和焦末的积聚状况。根据测定结果，结合成分分析，可计算出回旋区煤粉燃烧率和死料层内焦炭及煤粉的消耗率。

　　中未燃尽煤粉残炭含量呈逐步增加趋势，距风口不同喷煤比时煤粉燃烧（消耗）率果相符合，说明离线风口取样方法测定回旋区煤粉燃烧率是比较准确的。

　　3.4焦炭结构变化和煤粉燃烧行为的研究通过风口取样，分析焦炭成分（包括工业分析、灰成分、碱金属等）、性能指标、显微结构的变化，研究劣化机理，可为炼焦配煤技术和质量评价方法的改进提供重要依据，促进焦炭质量的提高和成本的降低。对未燃煤粉形态结构和来源的研究，有助于认识不同煤种的燃烧和反应特性，指导喷吹煤配煤的合理化。

　　如，焦炭经历炉内反应到达风口后，有不同程度的降解，表面蚀坑很多，气孔增多变大，孔壁变薄，结构疏松，有较多渣铁渗人，表明碳溶损反应仍是焦炭强度破坏的主要原因。风口焦显微结构组成测定结果见表2，可发现风口焦各向同性结构SISO（各向同性、类丝炭、破片、基础各向表2风口焦与入炉焦显微结构组成的比较具有不同结构和劣化程度的风口焦形态Fig.7Formsoftuyerecokewithdifferent各向同性细粒镶嵌粗粒镶嵌流动状类丝炭+破片基础各向异性入炉焦一人炉焦-8取样人炉焦一-9取样异性结构的总和）均高于人炉焦炭，说明在炉内高温、含碱条件下，焦炭的各向同性结构具有相对高的抗溶损反应破坏能力。宝钢多年风口取样的结果证明了炼焦配煤新概念的正确性和重要性，对大量使用气煤类煤和弱粘结煤配煤炼焦、生产高质量焦炭、节省资源、降低成本具有重要价值。

　　在鼓风燃烧条件一定的情况下，煤粉在炉缸内的燃烧、气化和消耗能力主要取决于煤的活性（煤种特性）。如，风口焦中未燃煤粉主要有两种形态结构，一种是经高温变形、产生气孔、壁厚不同的球形煤胞，另一种是仍保持不规则外形、具有丝质组结构的网状炭、蜂窝炭及未熔炭。这两种炭粒燃烧程度不同的形态都有发现。根据作者过去的研究认为，两种炭粒分别来源于烟煤的镜质组及无烟煤与烟煤中的惰性显微组分（半镜质组、丝质组），从形态结构上的不同，可发现球形煤胞的燃烧主要发生在内部气孔，按等直径方式进行；而不规则蜂窝炭、未熔炭则主要表现为等密度方式的表面燃烧。因为燃烧速度不同，它们的燃尽程度也不同。在风口焦中只观察到极少数的球形煤胞，其在风口前不能完全燃尽与煤粉在回旋区停留时间极短（7~8mS）有关。而且对炉尘灰中煤粉残炭颗粒的形态观察和定量分析也表明蜂窝炭、未熔炭的反应活性是较差的。所以，从提高燃烧率、减少未燃煤粉对死料柱透液性与全炉透气性的影响和扩大喷煤量的角度考虑，适当提高混煤中烟煤的配比是有利时。/ 3.S死料柱透液性及炉缸活性：的奋析通过分析死料柱内粉焦和燃煤粉的积聚量、滞留的渣铁量，测定死料柱的空隙度和渗透性等，可以定量地对炉芯活性进行评价，这是监视炉缸工作状态和对炉缸侧壁温度上升早期预警的有效方法。

　　如，风口焦中渣铁滞留量沿炉缸径向呈逐渐升高规律，在风口前1.5~2.0m以外的死料柱区增幅显著，说明死料柱的透液性比炉腹焦和回旋区焦差得多。这实质与死料柱内粉末量较高、粒度较小有关。由图可见，炉芯焦平均粒度越小，渣铁滞留量增加越快，而此时炉缸温度越低，生产上通常表现为高炉炉底温度较低，而侧壁温度发生波动或升高，这是炉缸活性下降、铁水环流加强的结果。2号高炉渣铁滞留量比3号高炉高20%~26%，其风口焦平均粒度比3号高炉小4~7mm，对应取样时期炉底温度也比较低。

　　所以，提高焦炭强度、减少炉芯焦粉末量是非常重要的。

　　4结论高炉风口取样是高炉下部和炉缸现象研究的必备手段。本文采用休风风口取样方法，取得宝钢3座篼炉不同喷煤量操作条件下的15批风口焦试样，通过大量细致的分析研究，获得了关于风口前现象和炉缸工作情况变化的重要认识，得出以下主要结论：采用休风取样方法，同样可以准确测定风口回旋区深度、理论燃烧温度和煤粉燃烧率，是篼炉生产研究风口前现象、评价焦炭质量和煤粉燃烧效果的安全、可靠、适宜的方法。

　　测定和计算表明，喷煤200kg/t以上时，风口回旋区长度约1.3~1.7m，煤粉燃烧率约71%~72%.对于大型篼炉，随喷煤量提篼，回旋区缩短，煤粉燃烧率下降，死料柱扩大。

　　测定表明，喷煤量超过200kg/t后，炉内焦炭劣化严重，死料柱内<2.5mm粉焦量显著增加。分析指出，由于焦炭的各向同性结构具有相对篼的抗篼温、碱侵蚀能力，扩大气煤类煤和弱粘结煤用量是低成本、高质量配煤炼焦的有效途径。

　　定量分析可知，风口焦粉末中煤粉残炭含量随径向深度增加而升篼，其中绝大部分是混煤中惰性显微组分产生的蜂窝炭和未熔炭。因此，要提篼煤粉燃烧效果，适当减少无烟煤比例或强化煤粉燃烧是必要的。

　　（5）测定分析表明，风口焦渣铁滞留量与风口焦粒度和粉末含量有密切关系。渣铁滞留量、死料柱空隙率、炉底温度等指标是反映死料柱透液性、炉缸工作活性的有效信号，为控制铁水环流和侧壁侵蚀，确保焦炭篼热态强度、减少死料柱粉末量是非常重要的。