芜湖新兴焦炭置换法停炉新工艺

李珏明， 李红全， 沈洪流， 李志刚， 谬德明

（1.芜湖新兴铸管有限责任公司炼铁部， 安徽 芜湖 241000；2.成都市明德冶金技术服务有限责任公司， 四川 成都 610023）

目前因环保管控的要求，钢铁行业高炉停炉的方式都是带煤气停炉，焦炭置换法停炉工艺就是一种带煤气停炉的新工艺方式，主要通过用焦炭置换风口带以上的料柱进行停炉，使高炉停炉后在扒炉（热扒）过程利用焦炭轻、流动性好的特点，让其自动流出炉外，同时还能少打水，保护高炉耐材的寿命，并且扒出的焦炭不含杂质可以不用筛分继续使用，经效明显。但是该工艺在行业内没有成熟经验，芜湖新兴铸管炼铁部经过工艺攻关后，在其1 280 m3高炉2019 年11 月中修时成功应用此工艺。

1 焦炭置换法停炉的危险性

焦炭置换法核心就是必须将停炉后风口带以上料柱都置换成焦炭，在停炉过程后期的停炉料由于缺少矿层的过渡，会发生爆震的风险。高炉爆震的原因：水气化快速膨胀造成的爆炸。

1）水流过大，在接触炙热炉料、炉体时，液态水体积急剧膨胀，极易引起爆炸。因为1 kg 的液态水体积是0.001 m3，在标态情况下，温度升高至100 ℃气化后，体积膨胀至1.244 m3，体积膨胀1 244 倍。正常焦炭的燃烧温度在450～650 ℃之间，在降料面鼓风情况下，料柱煤气阻力小，气体通过的速度更快，料柱内等温线上移，焦炭表面温度更高，因此，如果水流直接与炙热的焦炭接触，段时间内会大量气化，造成体积膨胀，引起爆炸。

2）水煤气反应强化爆炸效果。液态水或者水蒸气与炙热的焦炭接触时，会发生水煤气反应。

这个过程中，如果液态水与焦炭发生水煤气反应，体积膨胀倍数是水气化体积的两倍，即使是气态的水蒸气与焦炭发生反应，体积膨胀也要增加一倍。而焦炭吸水性强，大量焦炭填充炉内，加上停炉过程中打水，必然会造成爆震性可能性加大，因此如何降低爆震的可能性是成功使用新工艺的基础。

2 主要采取措施

1）控制合理的顶温水平。顶温过高，液态水进入炉内体积膨胀的体积越大，在炉喉区域极易造成爆震；顶温过低，液态水气化效果不好，水蒸气有向下分布接触炙热焦炭的可能，引起水煤气反应。料线越浅，顶温的水平应控制的范围高一些，水汽能够及时排除，不与焦炭接触；料线越深，顶温水平控制的范围应低一些，保持合理的低温控制区。实际上，由于料线越深，气流速度越快，很难控制后期的顶温，这也是深料线时打水强度较大的原因。为此制定顶温控制水平在200～350 ℃，料线越深，顶温按下限控制，提前打水控制。

2）打水雾化和控制打水量。1g 一滴的水的比表面积是4.86 cm2/g。高炉打水雾化能够将液态水雾化至250 μm 左右，即将1g 水打散成490 000 个小水珠，表面积增加至3 840 cm2，增加790 倍，能够快速吸收热量，降低顶温。因此停炉前安装了新型的雾化打水喷淋头，在炉喉位置成8 个方向，均匀布置，并安装了流量表，同时按照根据炉顶四个方向的炉顶测温，确定打水量和打水方向。

3）氮气使用。利用无料钟炉顶装配的气密箱氮气冷却系统，全开氮气，提高炉顶氮气量，减少煤气中的含氧量。

4）制定停炉安全警戒点。当混合煤气中含ρ（H2）＞6%或 ρ（O2）＞2%、煤气成分曲线 CO2数值出现明显拐点、控制风量仍然出现炉顶压力剧烈波动、频繁爆震必须立刻停炉。

5）优化停炉料，控制炉温。针对焦炭置换法的特点，核算两段停炉料，一为盖面焦，总量焦炭375 t，作为风口以上料柱的填充层；另一为负荷料，焦比选择551 kg，主要因焦炭置换法的特点，料柱因大量使用焦炭，造成阻力小，过高的炉温会产生大量煤气流窜行，造成形成局部气流，因此炉温按照0.5～0.6%控制，见表1。同时为防止出现不可控因素，预休风时，尽可能降低料线。

表1 停炉料

3 停炉过程

停炉作业前，高炉进行了一次预休风，下完停炉料后，高炉休风对探尺进行了加长，对打水装置进行了安装，并对漏水的风口进行了更换，后于17:56 分复风，复风前料线4.8m，复风后风量恢复到1 000 m3/min，初始，顶温和顶压上升较快，减风后顶温打水控制住，逐步加风到2 000 m3/min，维持一个半小时左右，后根据顶温情况逐步减风，到23:30 分左右，因煤气在线监测系统中的H2含量上升到6%，23:56 分切煤气休风，停炉料线12.2 m，停炉用时6 h，未发生爆震及管道气流等现象，停炉后料面到炉身下部（炉身高炉14.750 m），焦炭完全填充风口以上炉腰、炉腹和下部，具体操作见表2，停炉记录表。

此次停炉炉温控制较低，但从实际高炉停炉操作看效果较好。停炉前预休风最后一炉炉温0.48%，停炉作业过程末期炉温0.26%，未出现以前负荷较轻炉温上行造成停炉过程中煤气流波动，炉温见表3，停炉前后炉温表。

4 焦炭置换法停炉的实际效果

1）因焦炭填充了风口以上料柱，扒炉工期提前一天。见图1，焦炭自流。

图1 焦炭自流

表2 停炉记录表

表3 预休风和停炉炉温表 %

2）扒出的焦炭约200 余t，不用筛分直接转入高炉使用。

3）整个工艺负荷料焦比比以往停炉降低100 kg/t，节省焦炭约24 t。

5 结论

1）焦炭置换法停炉，特别要注意炉温的控制，因料柱阻力小，容易形成局部气流，炉温控制以停炉前0.5%，实际0.4%左右较为适宜。另外降料线过程中，软熔带下移，焦炭层温度如果过高，喷到大量打水落下，会形成气化反应，造成体积膨胀，引起爆炸。

2）停炉操作，一定要注意打水量，以顶温控制住为主，顶温一旦下行，就可以停止打水，避免大量水流入焦炭。

3）严格执行含 ρ（H2）>6%或 ρ（O2）>2%的控制标准，在焦炭置换法一旦计算焦炭层接近风口，不能看顶温和顶压操作，立刻可转为停炉作业。