摘 要  莱芜分公司炼铁厂在高炉渣中铝达到15.38%的高铝状态下，通过优化高炉关键工艺参数，建立原燃料差错考核体系、烧结配料模型分析体系、“随机代码”抽检评价体系的措施，各高炉实现了长期稳定顺行，取得了较好的技术指标。铁水Si含量0.45%降至0.39%，燃料比由541kg/t降至528kg/t。

关键词  高炉  渣中铝  低硅冶炼  

1  前言

为了进一步降低生铁成本，2013年起芜分公司炼铁厂在烧结混匀料中大比例配加高铝经济料—塞矿。高炉配加高铝原料使炉渣中的Al2O3含量由之前的14%左右升高至15%以上，高Al2O3炉渣难以熔化，粘度增大，流动性变差，会给高炉生产带来一系列负面影响：其一，高Al2O3炉渣的初渣堵塞炉料间的空隙，使料柱透气性变差，增加煤气通过时的阻力。同时，该炉渣在高炉内易在炉腹部位的炉墙结成炉瘤，引起炉料下降不顺，形成崩料、悬料，破坏冶炼进程。其二，由于高Al2O3炉渣过于粘稠，其终渣流动性差，不利于脱硫反应的扩散作用，使脱硫效果变差。一般当Al2O3大于18％时，炉渣的脱硫能力大大降低。其三，高Al2O3炉渣终渣流动性差，容易堵塞炉缸，不宜从炉缸中流出，使炉缸体积减小，造成高炉操作上的困难。严重时还会引起风口的大量烧坏。其四，高炉炉渣中Al2O3含量在10％～15％时，有利于提高炉渣的稳定性，但当Al2O3含量继续升高时，炉渣的稳定性变差。炉温不足时，其流动性急剧变差，不仅会导致炉况恶化，而且会使渣铁排放困难，引起炉缸温度不足的渣铁堆积。

莱芜分公司炼铁厂在采取了降低综合入炉品位、提高渣比，并相应提高炉温改善渣铁流动性的措施后，炉况虽然保持了长期的稳定顺行，但铁水Si含量及燃料比指标与行业先进水平存在较大的差距。

为了进一步降低高铝状态下的铁水Si含量及燃料比指标，2017年采取了优化高炉关键工艺参数，建立原燃料差错考核体系、烧结配料模型大数据分析体系、“随机代码”抽检评价体系等措施，实现了高炉在高铝状态下的低硅冶炼，铁水Si含量由2016年的0.45%降至0.39%，燃料比由541kg/t降至528kg/t，具有较好的推广价值。

2  原因分析

2.1 高铝状态下进行低硅冶炼对入炉焦炭质量的要求

入炉焦炭的灰分、S含量、冷态及热态指标对高炉高铝状态下的低硅冶炼的成败至关重要。首先，在高炉冶炼过程中，焦炭灰分中的二氧化硅是高炉铁水硅的最主要的来源，控制焦炭中的灰分是进行低硅冶炼的必要条件；其二，由于高Al2O3炉渣过于粘稠，其终渣流动性差，不利于脱硫反应的扩散作用，使炉渣脱硫效果变差，降低焦炭中的S含量有利于在低硅条件下保证生铁质量；第三，高炉在配加高铝原料的情况下，一般采取降低综合入炉品位、提高渣比的措施使渣中铝保持在16.5%以下，较高的渣比使高炉更容易出现憋风、憋渣的现象，因此，高炉需要冷、热态指标更好的焦炭改善料柱透气性；第四，提高焦炭的热强度，能够加强焦炭本身对灰分中二氧化硅束缚能力，降低灰分中二氧化硅的自由度，降低铁水中的Si含量。

2.2 高铝状态下进行低硅冶炼对入炉原料的质量的要求

高炉在高铝状态下进行低硅冶炼，对入炉原料的质量提出了更高的要求。一般情况下，高炉在高铝状态下冶炼更容易出现憋风、憋渣的现象，需要更少的入炉粉末以改善料柱透气性。烧结矿碱金属含量的控制也尤为重要，实验表明，在900℃下，碱含量越高，还原试验后粉化越严重，当碱含量增加到一定值，在高炉内的中上部就会出现严重的粉化，使料柱透气性变差；锌在炉内的循环对热量产生了不利的转移，造成炉内热量从高温区转移到低温区，引起炉渣黏度升高，不利于顺行。

2.3  煤比指标

随着煤比的提高，入炉焦比逐步降低，每批炉料装入的焦炭量相应减少，随之焦炭带人炉内的灰分也相应减少，虽然煤粉中也带人炉内一定数量的灰分，但是通过生产实践分析认为其灰分中的大部分SiO2首先与渣液中碱性氧化物反应，生成较为稳定的炉渣。因此，煤比的提升有利于高炉进行低硅冶炼。在高铝状态下，由于高Al2O3炉渣过于粘稠，其终渣流动性差，不利于脱硫反应的扩散作用，使脱硫效果变差。在高铝高煤比的状态下，为了保证铁水质量，需要尽可能的降低煤粉中的S含量。

2.4 造渣制度

对于高铝炉渣来说,在炉渣CaO/SiO2为1.05左右和MgO含量为10%左右的前提条件下,炉渣中Al2O3含量的增加,将导致炉渣粘度和熔化性温度明显上升。炉渣中的Al2O3含量提高后，炉渣中的AlO33- 离子团数量有所增加,同时炉渣中高熔点的复杂化合物也比较容易形成, 如尖晶石(MgO•Al2O3 ,熔点为2135℃) 和铝酸一钙(CaO•Al2O3，熔点为1600℃) ,炉渣的熔点提高而内部结构呈现复杂化,从而使炉渣的粘度和熔化性温度都有所提高。造成炉况难行，这就必须提高炉温，不利于高炉进行低硅冶炼。因此炉渣中Al2O3的含量不能太高，要控制在合理范围内，根据以往经验，炉渣中的Al2O3含量控制在14%-16.5%时，高炉能够长期稳定顺行。

理论表明：随着炉渣中MgO含量的增加,炉渣粘度下降,流动性得到改善。这是因为增加渣中MgO含量的比率,可以带入较多的O2-离子,因而减少了AlO2-阴离子团的聚合度,破坏了它们的网状结构,形成了简单的单、双四面体结构;同时还能与Al2O3、SiO2、硅酸盐反应生成一系列低熔点物质,并能使复合阴离子解体,使粘度有一定下降, 特别是渣中Al2O3含量比较高时适当提高MgO含量,有利改善炉渣的流动性。另外，炉渣中MgO含量的增加,使得含有氧化镁的矿物,钙镁橄榄石、镁方柱石和镁蔷薇辉石增加,当Al2O3含量为14%、MgO含量为11%左右时,炉渣成分处于黄长石、镁蔷薇辉石和钙镁橄榄石区域。黄长石区域中,炉渣的熔化性流动性和稳定性都比较良好,所以高炉渣成分应尽可能选在黄长石区域内。因此在高铝状态下，提高MgO含量有利于降低炉渣的熔化性温度和粘度，同样有利于高炉进行低硅冶炼。

2.5  煤气利用率指标

在高铝状态下，脱硫反应的扩散作用变差，因此需要更好的热量以保证脱硫效果。提高煤气利用率一方面可以改善铁水热量，为铁的还原及炉渣的脱硫提供足够的温度条件；另一方面可以降低高炉综合燃料比，减少因燃料灰分带人炉内的SiO2，降低铁水硅含量。因此，改善煤气利用率有利于高炉在高铝状态下进行低硅冶炼。

2.6  炉顶压力

高顶压操作是高炉进行低硅冶炼的重要调剂手段之一。在高铝状态下，要降低铁水含硅量更需要进行高顶压操作，高Al2O3炉渣的初渣堵塞炉料间的空隙，使料柱透气性变差，增加煤气通过时的阻力。高顶压操作降低了全压差，使炉料下降的阻力减小，有利于改善炉内透气性；高顶压操作增加了煤气在炉内停留时间，改善煤气流分布，提高煤气利用率，有利于提高铁水热量，改善高铝炉渣的脱硫效果；高顶压操作可以抑制SiO2＋C＝SiO气↑＋CO反应的发展，减少SiO气体的产生，降低硅（Si）的还原率；高顶压操作同样可以缩短高炉的冶炼进程，降低SiO2在炉内的滞留时间。因此，采用高顶压操作有利于高炉在高铝状态下进行低硅冶炼。

2.7  无计划休风对高铝状态下的低硅冶炼的影响

高炉炉况顺行是所有指标的基础。无论是在高铝状态还是其他状态下，都要尽可能的避免无计划休风。高炉的生产是连续进行的，炉况的调剂存在一定的滞后性，无计划休风打乱了前期的调剂方针，长时间的无计划休风在复风时如果处理不当还会引起炉缸冻结等恶性事故，处理事故的过程往往是漫长而艰辛的，在此过程中低硅冶炼及其他各项经济技术指标更是无从谈起。

3  主要措施

3.1  改善入炉焦炭质量

为了改善入炉焦炭的灰分、S含量、冷态及热态指标，分公司炼铁厂依据公司印发的《大纲》内容，建立原燃料差错考核体系，修订了关于焦炭质量的考核标准。

配合新的考核标准，对焦炭的热态强度指标检验频次做了相应的优化，增加1#、2#焦炉、3#、4#焦炉焦炭的热态强度指标检验频次，实行每天检验，每天出检验结果，有效指导高炉生产。

加大了对焦炭质量检验的力度，在督察流程上也进行了优化。之前的流程为厂内督察—汇报公司生产管理部门—公司生产管理部门与焦化厂沟通解决，新的流程为公司生产管理部门与厂内质检部门、督察部门等联合督察，出现不符合项，直接要求焦化厂改善焦炭质量。

通过增加焦炭的检验频次、优化考核制度及督察流程，加强了督察力度，提高了督察效率，焦炭的各项指标有了不同程度的改善。

焦炭的热态指标有了明显的改善，2016年1#2#焦炉CRI为27.41%，CSR为64.02%，2017年CRI降低至26.75%，CSR提高至64.96% ；2016年3#4#焦炉CSR为63.16%，2017年CSR提高至64.32% 。焦炭的冷态指标M10虽然有所升高，但都符合《大纲》要求的M10≤6.9%。    

从自产焦差错统计情况来看，2017年焦炭CSR差错折算平均数比2016年降低了89%，灰分降低了30%，硫分降低了162%，焦炭热态指标的改善，灰分、硫含量的降低有利于高炉在高铝状态下进行低硅冶炼。

3.2 优化入炉原料质量

3.2.1 稳定入炉烧结矿质量

3.2.1.1 提高烧结配料的计划性

为提高原料采购数量的准确性，确保烧结配料库存充足，避免因非计划配比调整影响烧结矿质量，实施了以下措施：

（1）定期召开矿料平衡会议，对当前矿料需求预知预判，为原料采购部门提供矿料采购策略。

（2）进一步细化矿料库存信息，为生产管理部门及采购部门提供持续动态化库存信息，为采购计划的制定提供可靠的数据保障。

（3）每月中旬根据已有数据预计全月各种矿料配比，为采购部门提供参考。

（4）周日统计本周各种进厂物料的现有库存，依据优化大纲差错考核标准进行差错统计，并由公司主管生产部门进行考核。

3.2.1.2 优化烧结配料模块，建立烧结配料模型分析体系

（1）针对烧结配矿结构做出重要优化。形成并固化以澳矿比例、巴西矿比例、褐铁矿比例、细粉比例、渣中铝比例五大要素为主，同时兼顾烧结烟气SO2浓度、铁水P含量的配矿模型。

优化混匀料配比调整方式，实行“以稳为首、逐步调节”的策略，当计划停配某种现用比例较大的矿料或者大幅调整烧结矿成分时，提前3－4堆料开始渐进式调整，杜绝“大起大落、一次到位”的调整方式，给高炉充足的时间适应新的配矿结构。

烧结矿成分预测方面，考虑了烧结矿碱度、MgO实际检验与预期的差值对TFe的影响，使烧结矿TFe预测精度有了较大提高；另外，对烧结矿SiO2修正值对应的熔剂配比进行了反推，使熔剂的理论计算配加比例更加接近实际配加比例，能更好地指导生产调节。

（2）建立烧结配料模型分析体系。体系内容包括统计每一堆混匀料的实际配比情况、对应本堆烧结矿的产质量情况、高炉使用本堆烧结矿时的各项技术指标情况、高炉生产中出现的影响产量的因素等，该体系能够直观的反映每堆混匀料的使用效果，根据数据客观地对混匀料配矿结构做出系统评价，对烧结配料提供更好的指导。

3.2.1.3  建立“随机代码”抽检评价体系

体系中最重要的环节为原料大堆抽检取样。督察人员每周对两区原料一次料场的原料进行抽查取样，并拍照留存。样品从原料场大堆多点取样混匀，对取出的样品进行随机编号“11、12、13、14……”送质检化验，化验结果公布后再对应附上矿料名称，每次抽检结束后根据化验结果对本次抽查矿料进行评价。大堆抽检取样的督察方式，能够对化验部门的化验结果进行核对，防止化验成分出现大的偏差。

通过对矿粉督察方式的优化，使原料的有害元素得到了有效控制。2017年国内粗粉系列K2O+ Na2O含量最大值为0.2532，PbO含量最大值为0.0270，ZnO含量最大值为0.0945，As含量最大值为0.0538；烧结精粉系列K2O+ Na2O含量最大值为0.1811，PbO含量最大值为0.0270，ZnO含量最大值为0.0495，As含量最大值为0.0204。烧结矿的有害元素全部达标，避免了高炉出现碱负荷失控进而影响整个体系的稳定。

通过以上各项改善措施，烧结矿质量有了明显的改善，转鼓指数合格率达到99.7%，筛分指数差错考核情况

2017年老区烧结矿筛分指数的差错比2016年降低了167%，二区降低了81%。转鼓指数及筛分指数的改善，有利于降低烧结矿粉末，为高炉高铝低硅冶炼提供了有利条件。

3.2.2 对原料场块矿筛进行改造，提升入炉块矿质量

2016年高炉配加块矿比例为16%，为进一步降低生铁成本，2017年块矿配加比例要继续提升。随着块矿比例的提升，高炉对入炉块矿质量的要求也越来越高。因此，2017年对二区原料块矿筛分系统进行了改造。将之前的一条等厚椭圆振动筛工艺线改造为大倾角棒条筛，提高了筛分效率，过筛块矿的粉末明显减少。入炉块矿质量的改善为高炉炉况的长期稳定顺行奠定了基础。

3.3 优化煤比指标

3.3.1 稳定入炉煤粉的质量

每月召开专题会，研究煤粉使用问题。定期测量煤种发热值，送样到技术中心、焦化厂检验煤种粘结性指数、胶质层厚度和可磨性指数等技术指标，并结合日常使用情况，全面掌握各种煤种性价比，根据性价比不断优化煤种配比。

地方汽运煤取样方式由人工取样全部改为自动取样，并对取样深度、取样点等进行优化，提高取样代表性；增加人工大堆抽查频次，保证了汽运煤质量的稳定。

2017年入炉煤粉的灰分、S含量指标较2016年降低，固定碳略有升高。入炉煤粉质量的稳定有利于高炉煤比的提升，也有利于在高铝状态下进行低硅冶炼。

3.3.2  优化关键操作参数

高炉煤比提升后，炉内冶炼进程发生了一系列变化。高炉炉缸热制度方面，风口前理论燃烧温度下降；煤粉热滞后作用延长；煤气流分布上，随着煤比上升，煤气发生量增加，煤气流发生再分布；焦窗减小，煤气阻损加大；煤粉利用方面，煤粉燃烧率下降，煤粉置换比降低。针对这些变化，采取了以下改善措施。

3.3.2.1  优化热制度，提升风温、提高富氧

2017年高炉平均风温由1140℃提升至1159℃，平均富氧由2667m3/h提升至4020 m3/h。风温和富氧的提升，为煤比的提升奠定了良好的基础。

3.3.2.2  优化布料制度，使用“大矿批、大矿角”布料

很多的模型实验及高炉解剖已经表明，高炉内部的炉料在到达风口软熔带之前，一直保持着炉喉的布料状态，具有明显的层次。而矿石层与焦炭层的透气性指数有明显区别，焦炭多的地方，煤气流易发展，焦炭少的地方，煤气流难发展。矿石与焦层的厚度比的改变，明显改变了煤气流的发展，而矿批的大小直接影响了煤气流的分布，煤气流的分布又影响着煤气的利用率。随着煤比的增加，料柱透气性变差，中心气流变弱，边缘气流增强，采用大料批装料有利于压制边缘气流。在大煤比时，由于矿焦比的大幅提高，炉内焦窗变薄，不利于气流通过。采用大料批能确保焦窗厚度，提高炉料透气性，稳定气流，优化炉内气流的二次分布，改善煤气利用率，从而达到降低燃料消耗，节约成本的目的。

大矿角布料使矿石环带整体外移，即在ɑ（最大矿）外移的同时，ɑ 最小矿也随之外移。为了保持一定的边缘通路，最大矿角的矿石初始落点，距炉墙大约0.5m。同时为了降低炉喉矿石层的厚度,改善料柱透气性，矿角差根据各高炉实际情况进行调整。优化布料制度后，高炉的中心温度有所提升，料柱透气性也有所改善，对煤比的提升创造了有利条件。

3.3.3  提高煤粉利用率

结合煤粉的品种及发热量、设备的制粉能力及制粉成本及高炉的实际使用情况，将喷吹煤粉的-200目指标及高炉煤枪的直径纳入工艺考核范围，由督察部门定期抽查，相关单位严格执行。

通过以上措施，在保证高炉炉况稳定顺行的前提下，各高炉的煤比指标有了明显的提升，平均煤比由2016年的145kg/t提高到2017年的151kg/t。

3.4  高铝状态下的造渣制度的优化

炉渣中的铝主要来自烧结配矿原料中的塞矿，因此要想将炉渣中的Al2O3含量控制在14%-16.5%，就要从源头开始对塞矿的配比进行动态调整。2017年的烧结混匀料配矿计算中引入了对高炉渣中铝的计算，针对每堆混匀料烧成烧结矿进入高炉形成炉渣后的铝含量系统的进行预测，配矿要求预测渣中铝低于16.5%，有效的从源头上控制了高炉的炉渣铝含量。

为了获得合适的炉渣粘度等冶金性能，采取了增加渣量保证高铝渣MgO/Al2O3达到在0.5以上的措施。然而过度增加渣量会导致燃耗的增加，不利于高炉的低硅冶炼，因此渣量的多少要结合高炉的实际情况综合考虑。炉渣中的MgO含量主要以烧结生产中配加白云石为调剂手段，必要的时候在高炉炉料中配加蛇纹石为进行调剂。通过对入炉MgO和Al2O3成分的控制，2017年平均渣中镁铝比为0.51，达到了控制要求。

由高炉渣四元相图分析可知，炉渣中的Al2O3高时，其熔化性温度及粘度会升高，适当提高二元碱度，可以改善熔化性温度，降低高温区粘度。2017年通过长期实践，对于Al2O3含量在15.5%以上的高铝炉渣，R2控制在1.15-1.20，MgO/Al2O3控制在0.5以上，能够满足高炉冶炼需求，以此渣系进行高炉生产，可以使高炉获得良好的技术经济指标。

3.5  提高煤气利用率

通过调整上部布料制度和下部送风制度来改善煤气利用率。上部坚持使用“大矿批、大矿角”布料，确保焦窗厚度，提高炉料透气性，稳定气流，优化炉内气流的二次分布，改善煤气利用率。下部采取缩小进风面积，适当加长风口长度的措施，保持较高的风速和理论燃烧温度，在风口前形成较长的循环区，使煤气的初始分布向中心延伸，减少中心死料柱，改善炉缸中心的透气性和透液性,形成“下活，上稳”的冶炼环境。通过以上措施的实施，高炉的煤气利用率有了明显的提升。

2017年的平均煤气利用率明显好于2016年，煤气利用率的升高，降低了高炉的热量损耗，为高炉高铝低硅冶炼提供足够的温度条件。

3.6  提高炉顶压力

（1）根据以往高炉顶压条件下（170-180kPa)的设备运行情况，对高炉系统相关设备和自动化程序进行了检验、调整，并制定了日常点检维护方案，确保高炉提顶压操作顺利进行。

（2）对高炉提高顶压过程中可能遇到的问题和突发情况制定了应急预案，并由专人值守，处理突发情况。

（3）改善喷吹煤粉-200目指标，提高煤焦置换比和燃烧率。

（4）根据季节特点调整了原燃料存放方案，减少混料对高炉的影响。

（5）优化布料制度，使用“大矿批、大矿角”布料。

以上措施为高炉提升炉顶压力创造了有利条件，2017年高炉炉顶压力较2016年有了一定程度的提高。高顶压降低了高炉内煤气流速，改善了煤气流分布，提高煤气利用率，降低焦比，减少了焦炭灰分的入炉量，有利于高炉在高铝状态下进行低硅冶炼。

3.7  使用新的主沟沟壁侵蚀厚度测量方法，杜绝主沟漏铁事故，减少无计划休风次数。

高炉炉前主沟需要随时测量沟内最大耐材损耗处水平内径尺寸（监测主沟沟壁侵蚀厚度），一旦发现主沟损耗超标，就需要尽快进行浇筑处理，否则极易发生漏铁、跑铁类重大安全事故。

针对如何安全准确的测量高炉主沟沟壁侵蚀厚度，采取了新的测量方法（此方法已获得了国家实用新型专利，授权公告号：CN 204924128 U），通过日常对主沟的维护，结合使用新的主沟沟壁侵蚀厚度测量方法，彻底杜绝了主沟漏铁事故，消除了安全隐患，减少了高炉的无计划休风次数，为高炉指标的提升提供了保障。

4  效果

通过实施以上各项改善措施，2017年各高炉炉况保持了长期稳定顺行。铁水质量有所改善， S含量平均值为0.027%；铁水硅含量较2016年明显降低，燃料比指标达到了较好的水平，具体如表11所示：

表11可以看出，2017年在渣中Al2O3含量达到15.38%的高铝状态下，高炉铁水Si含量由0.45%降至0.39%，燃料比由541kg/t降至528kg/t。高炉在高铝状态下达到了较好的燃料比指标，实现了在高铝状态下降低铁水Si含量的目标。

5  结论

实践表明，中小型高炉在高铝状态下，采取改善原燃料质量、提高煤比、优化造渣制度、提高煤气利用率、提高炉顶压力、减少无计划休风次数等措施，能够实现在高铝状态下降低铁水Si含量的目标，同时也可以降低高炉的燃料比指标。2017年高炉渣中铝平均值为15.38%，铁水Si含量由2016年的0.45%降至0.39%，燃料比由541kg/t降至528kg/t，高炉在高铝状态下取得了较好的技术指标。