簡介
隨著中國鋼鐵工業的發展，大型高爐所帶來的經濟效益和強有力的競爭力日益突出，對大型高爐的生產操作進行基礎性研究顯得尤為重要，合理的爐腹煤氣量指數控制即為其中之一。爐腹煤氣量指數的定義為單位爐缸面積上通過的爐腹煤氣量，從氣體動力學角度上來說，是衡量高爐強化冶煉程度的一個重要參數。
分析太鋼5號高爐（4350m3）爐腹煤氣量指數由2008年初的54m3/（min·m2）逐步增加到2010年的67m3/（min·m2）生產時的不同爐況特點，探討怎樣通過各項操作制度的合理匹配和操作理念的改變，來實現合理的爐腹煤氣量指數控制，從而為大型高爐在高煤比、高利用係數生產時，在較高爐腹煤氣量指數下實現低燃料比、經濟化生產提供參考。
據初步統計，太鋼5號高爐近2年來爐腹煤氣量指數一般在60～67m3/（min·m2）的水平。在標況下煤氣空塔流速為1．0～1．12m/s，考慮風壓、風溫及爐料孔隙度等影響因素，煤氣在爐內的實際流速一般在2．0～3．0m/s。一般認為，過低的煤氣流速將會導致大型高爐爐缸中心不活，死料柱增大和爐缸堆積；而過高的煤氣流速將會導致高爐內三相反應傳輸矛盾激化，爐內煤氣流的控制難度加大，易造成管道和懸料等失常爐況，而且在高煤氣流速生產情況下，煤氣流對爐襯的侵蝕和沖刷也會加劇，不利於高爐長壽。所以，很有必要對大型高爐的爐腹煤氣量指數控制值進行探討，以提高對大型高爐的駕馭能力。筆者初步提出不同爐腹煤氣量指數生產時的一些爐況控制和操作思想。
爐腹煤氣量指數對高爐生產的影響
高煤比和較低爐腹煤氣量指數的生產控制
由於在高爐追求高煤比和高利用係數的過程中，往往會形成高爐腹煤氣量指數生產，而高爐腹煤氣量指數生產並不是高爐冶煉的目的，恰恰相反的是，會出現怎樣在高爐腹煤氣量指數生產情況下合理控制煤氣流的問題。因為，隨著爐腹煤氣量指數的增大和煤氣流速的加快，往往會出現煤氣流難以控制的情況。當高煤比生產時，由於爐內焦炭負荷加重，壓差和透氣性指數K 值往往會升高，這時需要平衡好透氣性指數K 值和爐腹煤氣量指數的關係，以實現爐內壓量關係的平穩，是保持高煤比生產時爐況順行的重要措施。
5號高爐2008年2月進行煤比200kg/t生產時，將爐腹煤氣量指數控制在56～62m3/（min·m2），實現了高煤比生產時煤氣流的有效控制。從5號高爐2008年2月後連續5個月煤比200kg/t的生產實踐來看，在煤比高而爐腹煤氣量指數較低的情況下，應該適當發展邊緣氣流，否則會出現爐身中上部爐體熱負荷不穩定的現象，從而導致熱制度的大幅度波動，對高煤比下的煤氣流控制和低矽冶煉造成巨大衝擊。
高利用係數和較高爐腹煤氣量指數下的生產
據5號高爐2009年下半年爐腹煤氣量指數達到63～67m3/（min·m2）的生產經驗，在較高爐腹煤氣量指數下，首先要掌握合理煤氣流分布的基本特徵。大型高爐好的煤氣流分布要具有壓量關係適應、下料均勻平穩、煤氣利用率高而穩定、操作爐型易於控制等特點。為了實現爐況的穩定順行，主要是控制邊緣與中心兩股氣流，並且根據形成不同爐腹煤氣量指數的生產，提出不同的煤氣流控制思路。據5號高爐近2年的生產經驗，低煤比高利用係數生產時，不能過分發展邊緣氣流，而是採用料制穩定適宜的邊緣氣流為宜。
例如，5號高爐2010年9月因使用濕熄焦，焦炭強度下降，煤比由190kg/t降至160kg/t，將爐腹煤氣量指數控制在64．0m3/（min·m2）的水平。此時5號高爐在保持中心煤氣流暢通的情況下，將十字測溫邊緣4點溫度控制在45～65℃，爐頂溫度在145～165℃，煤氣利用率在49．5%～50．0%，爐體熱負荷能穩定在90～100GJ/h，爐況穩定性良好，從而在2010年9月實現了月均產量11 450t/d，爐缸截面積利用係數72．3t/（m2·d），生鐵矽含量0．43%的良好指標。
2009年9月前，5號高爐爐腹煤氣量指數由2008年1月的54m3/（min·m2）逐漸增加到2009年9月的67m3/（min·m2），有效容積利用係數也由2．15t/（m3·d）增加到2．6t/（m3·d），爐缸面積利用係數達到69～72t/（m2·d），利用係數與爐腹煤氣量指數呈正相增加的趨勢。此後，5號高爐爐腹煤氣量指數維持在64～66m3/（min·m2），爐缸面積利用係數達到69～72t/（m2·d）的水平，從而成功實現高利用係數生產。
對煤氣利用率和燃料比的影響
大型高爐就是一個高溫高壓的密閉逆流反應器。高爐爐腹煤氣量指數實質上就是在高爐爐缸斷面上爐內煤氣的空塔流速。高爐操作者的中心任務就是以精料為基礎，以爐況順行和提高煤氣利用率為手段，以降低焦比和燃料比、提高產量為核心來操作。2009年下半年5號高爐產量不斷提高，特別是在2009年11月後，產量達到11 000t/d以上，有效容積利用係數達到2．53t/（m3·d），爐腹煤氣量指數也增大到65m3/（min·m2）以上。這期間出現過爐況穩定性變差，煤氣利用率下降到49%，燃料比急劇升高到508kg/t的情況。
5號高爐在2009年7月開始隨著爐腹煤氣量指數的不斷增加，煤氣利用率卻呈不斷下降的趨勢（低於49．5%），而且還不太穩定。同樣，在2009年1月開始，隨著爐腹煤氣量指數的不斷增加，燃料比呈不斷上升的趨勢，基本上在504～512kg/t運行，這其中有一部分原燃料質量變差的原因，但主要是5號高爐在爐腹煤氣量指數達到65．0m3/（min·m2）以上的生產情況下，對煤氣流的控制還有待做進一步的摸索和改善。
大型高爐在提高煤比或產量的過程中，爐腹煤氣量指數也會相應增加。當爐腹煤氣量指數增加到一定程度並影響到爐況順行時，就應採取提高富氧率，控制風量，或是在爐況允許的條件下逐步降低燃料比等措施來降低爐腹煤氣量指數，也可在設備允許的條件下適當提高頂壓，有利於控制煤氣流速和全爐壓差，從而為控制煤氣流創造條件。根據2010年的原燃料條件及操作爐型的發展特點，初步提出5號高爐將爐腹煤氣量指數控制在62～66m3/（min·m2）為最好，此時爐內煤氣流易於控制，煤氣利用率能穩定在50%的水平。並提出在較高爐腹煤氣量指數生產時，要實現合理的煤氣流分布，送風制度的確立是基礎，而且應根據爐腹煤氣量指數大小，對風口工作面積、風速、鼓風動能及理論燃燒溫度等主要送風參數進行定位控制管理。
實現高而穩定的煤氣利用率從而降低燃料消耗，是高爐操作者的責任。大型高爐在爐腹煤氣量指數達66m3/（min·m2）生產時，控制煤氣流分布，實現煤氣的熱能和化學能充分有效利用，即實現低爐頂溫度（爐頂溫度低於180℃）和高煤氣利用率（煤氣利用率高於51%）操作，以低燃料比生產來實現利用係數的增長，才是經濟有效的手段。
對操作爐型及爐體熱負荷的影響
高爐爐體熱負荷的強弱反映了高爐爐體各部分的熱量散失狀況。根據熱負荷的分布狀況能夠獲得高爐煤氣流分布、爐牆侵蝕等方面的信息。鑒於熱負荷管理的重要性，把熱負荷管理提升為一項重要的高爐操作制度，並成為和爐溫控制一樣的高爐日常管理內容。高爐冶煉條件千差萬別，導致操作爐型各有不同。高爐操作爐型受到設計爐型、原燃料條件、操作制度和操作理念等多種因素的影響，而且在生產中，操作爐型一直處於運動變化中，對其合理性的判斷還無統一的量化標準。所以，5號高爐根據自身爐型設計及一段時期操作爐型的特點，推行爐體熱負荷管理制度。根據爐體各段及其圓周8個方向熱負荷均勻性來控制邊緣煤氣流，使爐體各段溫度和熱負荷在一定的範圍內波動，從而實現操作爐型的有效控制。
2009年後5號高爐在爐腹煤氣量指數不斷增加的過程中，熱負荷呈逐步穩定並相對下降的趨勢，說明5號高爐在爐腹煤氣量指數不斷增加的過程中，對熱負荷的控制能力有所提高。合理控制熱負荷的高低和其在爐體各部位的分布，對高爐保持穩定順行、降低能耗、達到長壽的目標都有重要意義。
針對不同爐腹煤氣量指數調整生產操作
通過降低燃料比來提高產量
大型高爐在較高爐腹煤氣量指數生產時，應首先穩定和降低燃料比。根據5號高爐2010年的生產經驗，在爐腹煤氣量指數達到65m3/（min·m2）時，風速一般應控制在264～272m/s，鼓風動能在160～165kJ/s。在保持中心煤氣流旺盛的前提下，適當放開邊緣煤氣流，通過平衡好爐內的壓量關係來控制下部的風速和鼓風動能，提高煤氣流分布的穩定性，從而實現低燃料比生產。
當爐腹煤氣量指數受到制約時，高爐的增產要從降低燃料比、降低單位生鐵的爐腹煤氣量、降低能量消耗入手。根據5號高爐2011年1月和2月爐腹煤氣量指數在64．0m3/（min·m2）時的生產經驗，5號高爐採取適當松邊的裝料制度和調整風口工作面積等，使當前的風壓水平能同焦炭負荷、風量及頂壓的水平相適應，使煤氣利用率由49．5%提高到51%。同時，由於爐體各段熱負荷和操作爐型也趨於穩定，爐況穩定性明顯好轉。5號高爐將燃料比由505kg/t逐步降低到495kg/t，生鐵含矽量也由0．55%下降到0．35%，在同等條件下，產量由11 250t/d提高到11 650t/d。據5號高爐4年多來的理論計算和生產經驗，同樣得出這樣的結果，即在煤氣利用率改善的情況下，燃料比每降低2～3kg/t，產量將增加100t/d左右。這樣，在其他生產條件不變情況下，每降低10kg/t燃料比，可以提高產量300～400t/d，其經濟效益巨大。所以，一定要建立大型高爐在爐腹煤氣量指數超過64．0m3/（min·m2）生產時，通過穩定煤氣流，逐步降低燃料比來提高產量的操作理念。
上下部操作制度相結合穩定煤氣流
5號高爐採用PW 串罐無鍾爐頂。提高高爐煤氣利用率的主要措施是調整高爐的礦石批重和提高高爐的礦焦比。據5號高爐4年多的生產經驗，只要爐況允許，逐步提高礦石批重和加重焦炭負荷是提高煤氣利用率的主要途徑。高風速、大礦批和無料鍾裝料方式為實現“平峰式”曲線提供了技術保證。
2011年1月底5號高爐在強化冶煉的過程中，採用高富氧率操作，風量穩定在6600m3/min，富氧量在29 000m3/h，富氧率維持在5．3%，煤比180kg/t，爐腹煤氣量指數在64．0m3/（min·m2）。這時根據5號高爐爐腹煤氣量指數較大的情況，實行大礦批操作。礦批由130t逐步加大到134～136t，維持爐頂煤氣十字測溫中心溫度在550～600℃，次中心溫度在180～220℃，邊緣4點溫度90～100℃，爐頂溫度在160～180℃，煤氣利用率達到50%～51%，爐況穩定性好，燃料比能控制到494～498kg/t的良好水平。在現有生產條件下，5號高爐將爐腹煤氣量指數維持在58～66m3/（min·m2）時高爐較好操作，也易於獲得較好的技術經濟指標。
在5號高爐生產中深刻體會到，煤氣流的穩定與否對大型高爐降低燃料比和穩定熱制度至關重要。在高爐生產中，找到一個與原燃料條件和送風制度適宜的布料制度是高爐操作的關鍵。大型高爐在進行高爐腹煤氣量指數生產時，一定要根據形成高爐腹煤氣量指數的原因，充分發揮好裝料制度的作用，實現合理的煤氣流分布。在上部調劑沒有餘地的情況下，可考慮下部送風制度中風量、富氧量、風口面積和濕度的調劑，實現爐內壓量關係的穩定平衡。
合理爐腹煤氣量指數的控制及探討
限制爐腹煤氣量指數的主要因素有：爐腹渣量，爐腹渣粘度，焦炭在爐腹處的粒度及孔隙度，煤比及爐內有害元素含量等。可見，使用精料，降低渣鐵比和改善焦炭質量，都有利於高爐適應高爐腹煤氣量指數操作。根據5號高爐目前的原燃料條件、爐型設計特點及4年多的大型高爐操作經驗，將其合理的爐腹煤氣量指數定位控制在60～65m3/（min·m2）比較理想，處於該值時高爐既易於操作，技術經濟指標也良好，爐況穩定有益於長壽。在富氧量有限（富氧量29 000m3/h，富氧率5．38%），仍要繼續提高產量，爐腹煤氣量指數將達到或超過66m3/（min·m2）的生產情況下，5號高爐怎樣實現爐況的長期穩定順行，是下一步面臨的問題。
高爐操作上，通過適當提高富氧率和爐頂壓力，將爐腹煤氣量指數控制在一定範圍內，實現低燃料比生產，是大型高爐高產的主要措施。2010年5號高爐在爐腹煤氣量指數達到65．0m3/（min·m2）生產時，深刻體會到各項操作制度的選擇和匹配是一項系統工程，一定要將送風制度、裝料制度、爐缸熱制度和造渣制度統一結合起來，從而形成煤氣流分布曲線和操作爐型的合理控制才能實現爐況長期穩定順行。在原燃料一定的條件下，要想提高產量，唯有進一步降低燃料比，從而降低單位生鐵耗風量和其噸鐵爐腹煤氣量指數值才能實現。
5號高爐將爐腹煤氣量指數和透氣性指數K值視為衡量高爐強化程度的2個重要參數。當生產要求進一步強化高爐時，管理者應該檢查透氣性指數和爐腹煤氣量指數的潛力。採取必要的措施，降低透氣性指數，使爐腹煤氣量接近最大值；已經接近最大值時，應為高爐創造必要的條件，採取減少噸鐵爐腹煤氣量措施，保持爐況穩定和順行。高爐生產無論在何種冶煉條件下都沒有一成不變的操作制度。只有根據爐內煤氣流的發展變化，遵循一定的冶煉規律，才能使爐況長期穩定順行。
從5號高爐2010年4月下旬和2010年10月兩次嘗試進行大風量（風量6700～6800m3/min）操作，使5號高爐爐腹煤氣量指數達到67m3/（min·m2），爐況穩定性開始變差的情況看，大型高爐在進行大風量下高爐腹煤氣量指數生產時，一定要視爐況適應性和接受能力來逐步進行。大型高爐在爐腹煤氣量指數達到67m3/（min·m2）後，每增加100m3/min的風量最好是穩定1～2天再進行下一步的加風操作，給爐內煤氣流和操作爐型一個適應過程。因為在爐腹煤氣量指數達到67m3/（min·m2）時，煤氣在爐內的流速急劇增加，在高爐下部易形成液泛，表現為下部壓差升高，整體風壓也隨之顯著升高，嚴重時出現崩料或懸料。而到了高爐上部，則易導致爐料的流態化，形成偏料或管道，風壓穩定性明顯變差。總之，在爐腹煤氣量指數達67m3/（min·m2）生產時，要實行高爐頂壓力和低燃料比操作，要想方設法降低爐腹煤氣量指數，以控制煤氣流速來提高爐況的穩定性。並且要加強爐前作業，減少爐內憋風次數和程度，以穩定煤氣流的分布，充分發揮各項操作制度的調劑作用。在技術套用方面，當接近最大爐腹煤氣量指數上限時，增加風量受到限制。繼續強化的途徑很明確，就是提高透氣性和降低噸鐵爐腹煤氣量，為此必然採取提高爐料質量、降低燃料比、富氧等技術手段，以達到強化的目的。這樣就把高爐操作由技藝轉變為科學。
據報導，1977-1982年，在日本東北大學原選礦煉鐵研究所大森教授的指導下，日本金屬學會和日本學術振興會聯合舉辦“鋼鐵基礎共同研究會高爐爐內反應專門會議”。會議的目的是以實際高爐解體調查結果的綜合研究為中心，調査高爐爐內的爐料分布、軟熔帶形狀、風口迴旋區行為、爐芯的構造和工作狀態等。鑒於此，隨著中國高爐大型化發展和產能的不斷擴大，很有必要對大型高爐在不同爐腹煤氣量指數下的生產進行深入細緻的基礎性研究，明確高爐爐體各部位的功能作用/煤氣流速及與爐料進行反應的狀態/爐料的運動狀態和煤氣流分布的基本特徵，以更好地指導大型高爐的設計和生產，對大型高爐實現節能降耗生產和提高中國鋼鐵企業的競爭力意義重大。
總結
1）爐腹煤氣量指數的上限受原燃料條件，爐型和高爐操作方式及渣鐵排放狀態等綜合影響，現初步定位大型高爐合理爐腹煤氣量指數控制值在62～66m3/（min·m2）。此時，煤氣流和操作爐型易於控制，技術經濟指標也較好。
2）當大型高爐在爐腹煤氣量指數低於62m3/（min·m2）條件下運行時，可以通過增大風量提高爐腹煤氣量來增產。當爐腹煤氣量指數將要大於66m3/（min·m2）時，則需通過提高富氧率和爐頂壓力/降低燃料比和低矽冶煉來增產。
3）大型高爐在較高爐腹煤氣量指數運行狀態下，通過調整富氧率、風口工作面積、焦炭負荷、礦批和布料檔位等，合理控制爐腹煤氣量指數，進而控制煤氣流速，可以實現較低的燃料比和較好的順行狀態。
