焦炭質(zhì)量提升對高爐冶煉的影響分析

張 軍 嚴(yán)鐵軍 席瑋城

(武漢平煤武鋼聯(lián)合焦化有限責(zé)任公司)

焦炭在高爐冶煉中主要起還原劑、發(fā)熱劑和料柱骨架的作用[1]。為滿足高爐冶煉的要求，武鋼對入爐焦炭有以下幾個指標(biāo)要求：固定碳含量高，較好的冷強(qiáng)度M40、M10，較高的熱強(qiáng)度，灰分低，硫含量低，水分穩(wěn)定。在高爐大型化和冶煉低成本的要求下，高爐生產(chǎn)采取了高溫、高壓、噴吹、富氧等措施強(qiáng)化冶煉生產(chǎn)[2]，而良好的焦炭質(zhì)量是這些強(qiáng)化冶煉措施的基礎(chǔ)。

1 武鋼焦炭質(zhì)量的影響因素

武鋼焦化公司共有7座焦?fàn)t，包括3座6 m焦?fàn)t、2座7 m焦?fàn)t、2座7.63 m焦?fàn)t，配煤采用筒倉儲配一體化工藝，熄焦全部采用干熄焦系統(tǒng)，同時濕熄焦備用。武鋼焦炭質(zhì)量的影響因素主要有以下幾個方面：

(1)筒倉配煤的限制。武鋼原料煤礦點(diǎn)較多，同一細(xì)分煤種存在著不同礦點(diǎn)間的質(zhì)量差異，原來的堆場混勻可通過多次堆取的方式最大程度地保證細(xì)分煤種質(zhì)量的穩(wěn)定性。但筒倉儲配一體的工藝無法實(shí)現(xiàn)不同礦點(diǎn)煤的混勻，配合煤的質(zhì)量波動較大。

(2)洗煤粒度降低，甚至部分礦點(diǎn)的瘦煤和1/3焦煤顆?！? mm的組分超過50%，給配煤的細(xì)度控制帶來了一定的難度。

(3)部分煤源緊張，配合煤配比變動比較頻繁。

(4)為降低配煤成本，增加了進(jìn)口煤的使用，同時開發(fā)了部分國內(nèi)煤礦點(diǎn)，新品種煤的部分指標(biāo)不穩(wěn)定，如G值、Y值和灰分。

(5)為保證高爐的需求量，焦?fàn)t長期超負(fù)荷生產(chǎn)，為焦炭質(zhì)量進(jìn)一步提升增加了難度。

2 焦炭質(zhì)量的提升及對高爐冶煉的影響

通過煤種進(jìn)一步細(xì)分、差異化配煤、降低配煤細(xì)度、優(yōu)化加熱制度和穩(wěn)定焦?fàn)t生產(chǎn)等措施，保證了焦炭質(zhì)量的穩(wěn)步提升，為不斷提升高爐冶煉強(qiáng)度、降低高爐焦比創(chuàng)造了條件，從而滿足大高爐強(qiáng)化冶煉的需求。

2.1 焦炭質(zhì)量的提升

武鋼焦化公司7.63 m焦?fàn)t的焦炭主供煉鐵8號高爐，其焦炭指標(biāo)與8號高爐的冶煉指標(biāo)有較好的關(guān)聯(lián)性。跟蹤了2019-2021年的焦炭指標(biāo)，其固定碳含量、灰分、硫分、冷強(qiáng)度和熱強(qiáng)度均穩(wěn)步提升。焦炭指標(biāo)情況如圖1～5所示。

圖1 焦炭固定碳含量

圖2 焦炭冷強(qiáng)度M40

圖3 焦炭熱強(qiáng)度

圖4 焦炭灰分

圖5 焦炭硫分

從圖1～5可以看出，7.63 m焦?fàn)t焦炭固定碳含量和冷強(qiáng)度穩(wěn)步提升，硫含量穩(wěn)步降低，焦炭灰分和熱強(qiáng)度有所波動。

2019年焦化公司開展了配合煤細(xì)度攻關(guān)，將配合煤細(xì)度由80%逐步降至70%，焦炭熱強(qiáng)度有了明顯改善，同時為進(jìn)一步改善焦炭質(zhì)量，將山西地區(qū)高硫焦煤的使用量由18%降至12%，所以焦炭灰分、硫分同時呈明顯下降趨勢。

2021年因焦煤資源緊張，高硫高灰煤使用量增加到15%，焦炭灰分、硫分出現(xiàn)小幅升高。為降低配煤成本，降低了焦煤用量，大量使用了進(jìn)口肥煤。年中，焦化配煤由堆場堆取改為筒倉儲配一體化工藝，使得配煤的均勻性變差，部分礦點(diǎn)來煤粒度偏小，導(dǎo)致配合煤細(xì)度升高。綜合以上因素，2021年尤其下半年的焦炭冷強(qiáng)度不斷改善的同時，熱強(qiáng)度出現(xiàn)了較大幅度波動。

2.2 焦炭質(zhì)量對冶煉指標(biāo)的相關(guān)性分析

隨著焦炭質(zhì)量指標(biāo)的不斷提升，高爐冶煉指標(biāo)也在持續(xù)提高，對焦炭指標(biāo)和高爐冶煉指標(biāo)(焦比、煤比)進(jìn)行了相關(guān)性分析，尋求兩者之間的相關(guān)度。在較長時間跨度內(nèi)高爐冶煉情況受入爐焦炭、含鐵原料、生產(chǎn)管理和操作水平等多因素影響[3]，為盡量減少除焦炭外的其他因素的影響，選取了連續(xù)三個月的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖6～11所示，可以看出焦炭質(zhì)量指標(biāo)與高爐冶煉指標(biāo)有明顯的相關(guān)性。

焦炭固定碳是高爐冶煉主要的還原劑和發(fā)熱劑，其含量越高，焦炭在風(fēng)口區(qū)燃燒釋放的熱量越多，在同等冶煉強(qiáng)度下可以降低焦比，即焦炭固定碳和焦比呈負(fù)相關(guān)性，如圖6所示。

焦炭冷強(qiáng)度的作用主要表現(xiàn)在高爐內(nèi)的塊狀帶，較高的焦炭冷強(qiáng)度可以保證焦炭入爐后在塊狀帶的粒度，提高塊狀帶氣窗的透氣性，有利于高爐內(nèi)氣流的二次分布，提高礦石間接還原率，從而提高高爐冶煉強(qiáng)度。如圖7所示，焦炭冷強(qiáng)度與焦比呈負(fù)相關(guān)性，且明顯弱于焦炭固定碳和焦比的負(fù)相關(guān)性，其中的22～26、29～31樣本出現(xiàn)了兩者趨于一致的情況，說明冷強(qiáng)度對焦比的降低存在著邊際效應(yīng)遞減規(guī)律，在滿足高爐冶煉所需最低冷強(qiáng)度的前提下，進(jìn)一步提高冷強(qiáng)度對高爐冶煉的影響有限。

圖6 固定碳對焦比的影響

圖7 冷強(qiáng)度M40對焦比的影響

圖8 熱強(qiáng)度對焦比的影響

圖9 灰分對焦比的影響

圖10 硫分對焦比的影響

圖11 熱強(qiáng)度對煤比的影響

圖8可以看出，焦炭熱強(qiáng)度的提升會顯著降低焦比，樣本15～18焦炭熱強(qiáng)度數(shù)日在69%左右徘徊，對應(yīng)的焦比均偏高；樣本23～30熱強(qiáng)度指標(biāo)逐步提升，焦比同時下降，并保持在較低水平。

焦炭的主要工業(yè)成分是固定碳和灰分，灰分的升高自然會使固定碳含量降低。灰分與焦比呈比較明顯的正相關(guān)性，其中焦比的表現(xiàn)有一定的滯后性，如圖9所示，可能是隨著灰分中的堿性金屬在高爐內(nèi)的不斷富集，使得灰分對焦比的影響逐漸增強(qiáng)。

圖10中，樣本25之前顯示硫分與焦比呈比較明顯的正相關(guān)性，之后因?yàn)槿霠t燒結(jié)礦堿度的調(diào)整，在一定程度上抵消了焦炭含硫帶來的不利影響。

焦炭熱強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)在高爐的軟熔帶，其指標(biāo)可影響死料柱的透液性，進(jìn)而影響爐缸活躍度，也會通過影響回旋區(qū)的一次煤氣流分布而影響高爐爐型，所以焦炭熱強(qiáng)度對高爐冶煉能力的提升至關(guān)重要。圖11中焦炭熱強(qiáng)度與高爐煤比表現(xiàn)明顯的正相關(guān)性，說明提高焦炭熱強(qiáng)度在降低焦比的同時，提高了爐缸活躍度，改善了高爐爐型，為高爐增加噴煤量、提高冶煉強(qiáng)度提供了基礎(chǔ)。

通過數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，可以得出焦炭固定碳、冷強(qiáng)度M40、熱強(qiáng)度、灰分、硫分與焦比的相關(guān)系數(shù)分別為-0.174、-0.008、-0.247、0.060、0.020，熱強(qiáng)度與煤比的相關(guān)系數(shù)為0.108，表明焦炭質(zhì)量指標(biāo)對高爐冶煉的影響大小依次為熱強(qiáng)度、固定碳、冷強(qiáng)度M40、灰分和硫分。

3 結(jié)論

(1)焦炭固定碳、冷強(qiáng)度M40、熱強(qiáng)度的提升對降低高爐焦比有利，通過相關(guān)系數(shù)可知，熱強(qiáng)度對高爐焦比的影響要遠(yuǎn)大于冷強(qiáng)度的影響，灰分、硫分的升高不利于高爐焦比降低。

(2)提升焦炭熱強(qiáng)度不僅可以降低高爐焦比，而且還有利于提高高爐噴煤量和高爐冶煉強(qiáng)度，所以在滿足一定冷強(qiáng)度指標(biāo)的前提下應(yīng)著重于提高焦炭熱強(qiáng)度。

(3)降低焦炭灰分不僅降低了高爐焦比，而且提高了焦炭的含碳量。同時要對焦炭灰分的構(gòu)成重點(diǎn)關(guān)注，尤其是要對其中的堿性氧化物含量進(jìn)行控制。