摘要：大型高炉在高煤比生产运行状态下，煤粉喷吹的稳定性对维持高炉稳定顺行尤为重要。宝钢湛江钢铁公司2座5050 m3高炉，长期维持175-190kg/t高煤比，针对高炉煤粉喷吹过程中喷吹量不稳的问题，分析其产生的原因。通过改造喷煤设备、改进喷吹过程控制、调整喷吹工艺参数、强化标准作业等措施，使喷煤稳定性明显提高，为高炉稳定顺行和高煤比生产提供了有力保障。
关键词：大型高炉，高煤比，喷煤，稳定性，优化措施
1前言
近年来，提高喷煤比成为大型高炉降低铁水成本、减少工序能耗的主要发展方向，随着喷煤量的增加，高炉对喷吹过程的均匀性要求也越高。高煤比情况下，喷煤量波动大，将严重影响高炉的料柱透气性、压量适应关系和炉热制度，造成堵枪、风口煤流不稳不均、风压限制减风、炉温波动大，甚至引起煤气流分布失常，破坏高炉稳定顺行。
喷煤稳定性主要包括喷煤准确性、均匀性。准确性，即每小时实际喷煤量与设定喷煤量的偏差;均匀性，即瞬时喷煤速率与设定速率之间的偏差[1]。
湛江高炉喷吹系统采用三罐并列、锥部流化、下出料、流化管式二次补气器、喷吹主管加分配器直接喷吹工艺。每座高炉各设置一套煤粉喷吹设施，每套喷吹系统各有一个煤粉仓和三个喷吹罐。湛江1高炉煤比提高至175kg/t，喷煤量达85t/h，2#喷吹罐喷煤稳定性出现大幅度波动，喷煤准确性难以控制在每小时±0.5t以内，且存在较大的均匀性偏差，瞬时喷煤速率极大值与设定值之间偏差最高超过75t/h，瞬时极小值偏差70t/h，甚至瞬时为零，已经影响到高炉稳定顺行和进一步提升煤比。而且，随着煤比进一步提高，喷煤量达到91t时，喷煤准确性无太大变化，但是瞬时喷煤速率波动加剧，极大值偏离设定速率最大超过180t/h，极小值偏离设定速率达到80t/h。因此，对2#喷吹罐整个工作过程进行了分析探究，通过改造喷吹设备、改进工艺过程控制、强化岗位操作等一系列优化措施，使得其喷吹稳定性显著提高，并延用至整个喷吹系统，全面提高了湛江高炉喷吹稳定性，为高煤比状态下确保高炉稳定顺行创造了条件。
2 湛江1高炉2#喷吹罐问题分析
2.1 喷吹波动问题简述
湛江1高炉于2015年9月25日点火投产，至2016年5月，高炉煤比已经逐步提高到175kg/t以上，喷煤量达到85t/h以上，其中最高达到200kg/t，喷煤量100t/h。2#喷吹罐开始出现喷吹稳定性波动的问题，而且随着喷煤量的增加，波动逐步加剧。喷煤量85t/h时，小时实际喷煤量与设定值间偏差较大，喷吹过程中需要不断人为修正和干预，才可基本控制在±0.9t/h以内；瞬时喷煤速率极大值偏离设定值最大超过75t/h，极小值偏离设定值70t/h，甚至出现瞬时为零。2#罐喷吹过程中，其稳定性明显弱于1#、3#罐，上下波动频率较高，严重影响喷吹的精确控制和高炉的稳定顺行。风口观察时，煤流波动较大，且班中风压、炉温出现阶段性高低波动，影响炉温调剂和压量关系的稳定控制。选取设定喷煤量85t/h时，1#、2#、3#喷吹罐喷吹趋势如下图1所示，其中波动较大的白色喷吹曲线为2#罐喷吹趋势。
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图1改进前2#喷吹罐喷吹过程趋势图
2.2 喷吹波动技术原因分析
煤粉仓锥体下部用氮气流化煤粉，向三个并列布置的喷吹罐装粉，每一个喷吹罐均按装料、加压、待喷、喷吹、泄压、再装料的程序循环交错地进行，当一个喷吹罐进行喷吹时，另外二个喷吹罐分别处于装料或待机状态。每个喷吹罐各设有称重压头装置，顶部设有加压管1根，下部椎体有8根圆周方向均匀分布的加压支管，再往下设有流化设施，介质均为氮气。被流化的煤粉通过下煤阀进入输煤管路，三个罐的下输煤管在混合器前集成一根管线后进入混合器，二次加入输送气，将煤粉输送到高炉顶部的两个分配器。分配器接出与风口数相当的喷吹支管，通过喷煤枪将煤粉均匀地喷入高炉。工艺流程简图如下图2所示：
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图2 湛江喷吹系统工艺流程简图
根据文献2和3，煤粉从喷吹罐经二次补气输送至高炉风口，具有下列压力平衡关系式:
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（1）
式中，P1为喷吹罐压力，MPa；Ph为风口前压力，MPa；ΔPx为输送中煤粉压力损失；ΔPG为输送中二次风压力损失。
瞬时喷吹速率的实时计算公式如下所示：
（2）
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式中，V为瞬时喷吹速率，t/h；?W为?t时间内测得的喷吹罐重量变化，即?t内喷吹的煤量，t；?t为数据更新时间差，可以根据需要更改设置，目前设置为1s；n为数据取样个数，可据需要设置，目前设置为1。
由公式（1）可知，湛江高炉高煤比喷吹状态时，采用恒定罐压，调节二次补气量的方式进行喷吹量控制。Ph风口前压力一定的情况下，ΔPG、P1的波动，均会影响到ΔPx的波动。例如，ΔPG增大（即二次风量增大），则 ΔPx减小（即煤粉喷吹量减小）；P1减小（即喷吹罐压减小），则ΔPx减小（即煤粉喷吹量减小）；反之亦然。由公式（2）可知，瞬时速率计算的取样时间?t为设定值，取样个数n为设定值，则测得的喷吹罐重量变化?W有波动，会直接影响到瞬时喷吹速率V的波动。
从以上工艺过程及技术原理分析得出，影响喷吹稳定性的因素主要是喷吹过程中煤流量的波动，而造成煤流量波动的主要来源有喷吹罐压力波动、二次补气量波动、重量检测波动、煤粉流化效果的波动。
3 提高2#喷吹罐喷煤稳定性的优化措施
3.1喷吹罐压稳定性优化
（1）适度提高喷吹罐压。随着煤量增加，逐步提高喷吹罐工作压力，将喷吹罐压提高了15%。大喷煤条件下，适度提高罐压，可以提供相对充足和稳定的煤流输送动力。同时，相对减小罐压的系统波动值，弱化罐压波动影响；借由椎体部加压支管改造，强化煤粉流化效果。
（2）改造加压支管。喷吹罐下部椎体，周向均匀设置8根加压支管，由此进行充氮对罐体加压。利用定修时间对加压支管进行了改造，多次调整其端部加压N2孔的开孔方向和位置，找到了最适合2#喷吹罐的加压孔工作方向。一方面，提高了喷吹过程加压稳定性；另一方面，强化了对椎体上部煤粉的流化效果。
图3 湛江2#喷吹罐加压支管及端部充气开孔简图
（3）调整加压调节阀上、下限开度设定。喷吹过程中，罐压偏离设定值时，加压调节阀会根据实际罐压反馈值自动调节开度，调整加压N2流量，以补充或降低罐压。通过摸索调节阀自动调整的范围，由15%-45%开度范围，设置为23%-53%，缩小了因加压调节阀开、闭动作过大而导致的罐压波动区间，由之前的±0.05MPa降至±0.02Mpa以内，使罐压的调节控制过程更加平稳。
3.2 二次补气稳定性优化
（1）固定载送气量，减少人为干预。之前喷吹控制为固定罐压设定值，人为通过调节二次补气量进行煤量的控制，存在很大的人为干预因素；后改为固定罐压设定值，同时固定二次补加的载送气流量，通过自动程序闭环微调罐压、二次补气量，稳定调节喷吹量，减少人为大幅调整补气量导致的喷煤量波动。
（2）提高二次补加载送气流量计的灵敏度。二次补加载送气时，设有流量检测计，将其检测时间间隔设置为1秒，检测精度提高到0.5m3/h，与输送气流量调节阀联锁控制，自动调节阀门开度，微调补气量。
3.3 重量检测准确性优化
（1）校准2#喷吹罐水平位置。定修时进行2#喷吹罐的水平零位校准，发现其罐体有略微倾斜。通过调节罐体的防扭拉杆松紧，校正了罐体水平零位，且使罐体喷吹过程中能够保持水平稳定。消除了测重压头因罐体不平导致的测量数值偏差，以及喷吹过程中罐体晃动引起的测量偏差，使瞬时喷吹速率计算更加精确、稳定。
（2）更换测量压头并定期校准。更换了2#喷吹罐的三个测重压头，并对其测量数据进行了空罐测重、满罐测重、喷吹中定量变动测重等全面校准，保证煤量变动测量值的准确性。
3.4 流化效果均匀性优化
（1）严控煤粉质量。提高对煤粉质量的把控，水分控制≤1.5%，粒度-200目＞60%，-325目＜3%，严控杂物带入，确保煤粉均匀，提高流化效果和输送性能，减少堵塞、板结等情况。如下图4所示：
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图4 湛江高炉喷吹煤分水分、粒度控制情况
（2）确保煤粉均匀加热。喷吹煤粉温度低，容易产生板结，疏松不充分，影响流化效果；若温度较低，煤粉流动性变差，容易堵塞管路和煤枪。通过换热器将加压N2、流化N2的温度提高了5-6℃；罐体通蒸汽保温，提高罐体表面温度；二次补气温度控制提高了约10℃。全面提升喷吹过程中的介质温度，确保煤粉充分保温加热，强化流化效果和煤粉流动性能。
（3）调整流化气量。湛江喷吹罐分为装粉、待机、喷吹三个运行状态，均进行通N2流化。煤粉流化不足或者过度，均会导致喷吹罐底部出煤量波动。通过摸索调整2#罐装粉、待机、喷吹三个不同状态下的流化N2量，寻找流化效果最适宜的流化气流量，使得2#喷吹罐喷煤稳定性明显改善。
3.5 设备维护及岗位操作优化
（1）加强设备维护。每次定修定期对设备进行全面维护，对测重压头、加压调节阀、二次补气调节阀、喷吹罐水平零位等进行校准；拆卸检查旧加压支管的磨损状况，更换新的加压支管；检查流化板磨损情况，并进行修复或者更换。
（2）优化岗位操作。固化喷吹控制过程的岗位规范，减少人为干预罐压、二次补气量的调节。当必须干预时，补气量控制值尚有余地时，首选调节二次补气量，每次动作量50m3/h，多次少量微调，减少人为波动影响；当喷煤量提高到一定程度，输送气量已减至下限控制值时，则不再调节补气量，改为罐压调节，每次动作量0.01MPa，多次少量微调，上限控制1.3MPa左右。
4 优化效果
（1）喷煤量准确性。依照每小时91吨的设定喷煤量进行对比：优化改进前小时实际、设定煤量偏差达到每小时±0.9吨；而优化改进后每小时实际、设定煤量偏差减小到每小时±0. 2吨。
（2）喷煤量均匀性。依照每小时91吨的设定喷煤量进行对比：改进前的瞬时喷煤速率的极大值与设定速率的偏差超过180t/h，优化改进后降至35t/h；极小值与设定速率偏差超过80 t/h，优化后降至16t/h。
（3）喷煤稳定后，高炉炉温和风压阶段性波动的情况逐步消除，运行稳定性和平稳性得到提高，煤比稳定提高至180kg/t水平，且其他各项经济技术指标均有稳定提高。
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图5 改进后2#喷吹罐喷吹过程趋势图（白色曲线）
5 结论
通过改造喷吹设备、改进喷吹过程控制、调整喷吹工艺参数、强化标准作业等措施，显著提升了湛钢炼铁厂1号5050m3高炉高煤比情况下喷煤的稳定性，尤其2#喷吹罐的喷吹稳定得到大幅度提高。喷煤准确性，即每小时实际、设定煤量之间的偏差，可控制在每小时±0.2吨以内；喷煤均匀性，即瞬时喷吹速率极值、设定速率之间的偏差，即喷煤均匀性可控制于每小时16-35t/h以内。高炉炉温控制和风压波动减少，平稳性得到较大提高，为高炉长期稳定运行和进一步提高煤比奠定了基础。
参考文献
[1] 冯帅、谢建军、刘明明等，邯宝高炉喷煤稳定性提高的措施.炼铁，2016（12）:33-35
[2] 王绪鹏等，天铁崇钢高炉喷煤系统技术改造.科技风，2017（11）:235-236
[3] 任学利、赵月生、申和亭等，柳钢高炉提高喷煤稳定性的措施.天津冶金，2015（1）:44-46