高爐內爐渣流動性與焦炭熱間強度之關鍵...

12
24一○五年六月 高爐內爐渣流動性與焦炭熱間強度之關鍵 指標建立及其應用 Development and Application of Final Slag Fluidity Index and Coke Strength After Reaction Index for Blast Furnace Operation 蕭嘉賢 1 何忠根 2 劉世賢 2 洪明在 3 周奇生 4 童哲雄 5 J.S. Shiau, C.K. Ho, S.H. Liu, M.T. Hung, C.S. Chou, C.H. Tung 高爐產製鐵水之績效端視爐上部透氣性 與爐下部透液性而定,而爐料品質優劣有顯著 的影響,尤其焦炭。當焦炭強度差時,爐內粒 度變小,粉料增加,造成爐內透氣性變差、熔 渣滴下不易、爐床出渣出鐵不順等異常爐況, 進而造成鐵水產量損失與高爐壽命減少。故高 爐亟需發展爐渣流動性與適當的焦炭熱間強度 (Coke Strength after Reaction, CSR) 等指標,來 協助操作人員提早因應爐況變化。 爐渣流動性指標(指渣之液化溫度及黏 度)建立乃以高爐渣為基礎,添加不同比率的 MgOAl 2 O 3 及控制 B 2 (CaO/SiO 2 ) 等所做出的 半合成渣,探討對此熔渣流動性之影響,依此 建立了高爐渣流動性線上指標及斷渣預警系 統,已全面應用於中鋼集團之高爐,即時提供 爐操人員掌握爐渣波動,並作出因應對策,為 一種判斷爐床通液性好壞之關鍵指標。其所衍 生之改善方案亦常應用於檢討原料配比之補救 措施,如渣中 Al 2 O 3 偏高影響爐渣流動性之調 整方案。 另外,適當的焦炭熱間強度指標之建立乃 透過高爐鼓風嘴焦炭的取樣,進行焦炭性質試 驗,如 I 型轉鼓強度及磨耗率之分析,探討鼓 風嘴焦炭性質與高爐操作條件和透氣阻力指標 之優劣關係,建立了包含噴煤率與爐渣液化溫 度等爐操條件下,適當入爐焦炭 CSR 之指標 及其線上系統,有助於高爐調整焦炭或爐操之 參考。 關鍵詞:高爐、爐渣流動性、Al 2 O 3 、焦炭熱 間強度 (CSR)、線上指標 The performance of hot metal (HM) produced from Blast furnace (BF) was determined by gas- permeability in the upper portion of BF and liquid- permeability in the lower part of BF. It was well- known that burden quality has a significant impact on the BF permeability. When the coke strength is weak, the coke fines inside BF become finer that reduce production and BF life. It is necessary to develop a Final Slag Fluidity Index and a Coke Strength after Reaction (CSR) Index for a Blast Furnace. In this study, the SiO 2 -Al 2 O 3 -CaO-MgO-TiO 2 semi-synthetic slag was prepared based on BF slag. We investigated related factors (MgO, Al 2 O 3 , CaO/SiO 2 ) of slag fluidity (liquid temperature and viscosity) and its application. We installed slag- flow-off warning system in the process computer of all CSC BFs to present slag fluidity in real time. This system immediately provided BF staffs process information to control the variation of slag fluidity to ensure effective and smooth BF operation. The improvement strategies derived from the indices were often used as a remedy in reviewing burden ratio. The required CSR index of BFs and the online system were established by using the sampling coke properties at different gas permeability resistance and pulverized coal injection ratio to provide references for HM and coke production. Key words: Blast Furnace, Slag Fluidity, Al 2 O 3 , Coke Strength after Reaction (CSR), Online Index 一、前  言 高爐冶煉係將鐵礦石還原成生鐵的連續生產過程。鐵礦石、焦炭和熔劑等固體原料從爐頂 中國鋼鐵股份有限公司 鋼鐵研發處煉鐵組  1 研究員  2 正研究員  3 組長 中國鋼鐵股份有限公司 煉鐵廠高爐二場  4 副主任 煉鐵廠高爐一場  5 課長

Upload: others

Post on 02-Sep-2020

5 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: 高爐內爐渣流動性與焦炭熱間強度之關鍵 指標建立及其應用取樣焦炭已通過高爐內部高溫氣化反應,故以現有熱間強度試驗設備量測強度。本研究篩

-24- 一○五年六月

高爐內爐渣流動性與焦炭熱間強度之關鍵指標建立及其應用Development and Application of Final Slag Fluidity Index and Coke Strength After Reaction Index for Blast Furnace Operation

蕭嘉賢1 ■ 何忠根2 ■ 劉世賢2 ■ 洪明在3 ■ 周奇生4 ■ 童哲雄5

J.S. Shiau, C.K. Ho, S.H. Liu, M.T. Hung, C.S. Chou, C.H. Tung

高爐產製鐵水之績效端視爐上部透氣性

與爐下部透液性而定,而爐料品質優劣有顯著

的影響,尤其焦炭。當焦炭強度差時,爐內粒

度變小,粉料增加,造成爐內透氣性變差、熔

渣滴下不易、爐床出渣出鐵不順等異常爐況,

進而造成鐵水產量損失與高爐壽命減少。故高

爐亟需發展爐渣流動性與適當的焦炭熱間強度

(Coke Strength after Reaction, CSR)等指標,來協助操作人員提早因應爐況變化。

爐渣流動性指標(指渣之液化溫度及黏

度)建立乃以高爐渣為基礎,添加不同比率的

MgO、Al2O3及控制B2(CaO/SiO2)等所做出的半合成渣,探討對此熔渣流動性之影響,依此

建立了高爐渣流動性線上指標及斷渣預警系

統,已全面應用於中鋼集團之高爐,即時提供

爐操人員掌握爐渣波動,並作出因應對策,為

一種判斷爐床通液性好壞之關鍵指標。其所衍

生之改善方案亦常應用於檢討原料配比之補救

措施,如渣中Al2O3偏高影響爐渣流動性之調

整方案。

另外,適當的焦炭熱間強度指標之建立乃

透過高爐鼓風嘴焦炭的取樣,進行焦炭性質試

驗,如 I型轉鼓強度及磨耗率之分析,探討鼓風嘴焦炭性質與高爐操作條件和透氣阻力指標

之優劣關係,建立了包含噴煤率與爐渣液化溫

度等爐操條件下,適當入爐焦炭CSR之指標及其線上系統,有助於高爐調整焦炭或爐操之

參考。

關鍵詞: 高爐、爐渣流動性、Al2O3、焦炭熱

間強度 (CSR)、線上指標

The performance of hot metal (HM) produced from Blast furnace (BF) was determined by gas-permeability in the upper portion of BF and liquid-permeability in the lower part of BF. It was well-known that burden quality has a significant impact on the BF permeability. When the coke strength is weak, the coke fines inside BF become finer that reduce production and BF life. It is necessary to develop a Final Slag Fluidity Index and a Coke Strength after Reaction (CSR) Index for a Blast Furnace.

In this study, the SiO2-Al2O3-CaO-MgO-TiO2 semi-synthetic slag was prepared based on BF slag. We investigated related factors (MgO, Al2O3, CaO/SiO2) of slag fluidity (liquid temperature and viscosity) and its application. We installed slag-flow-off warning system in the process computer of all CSC BFs to present slag fluidity in real time. This system immediately provided BF staffs process information to control the variation of slag fluidity to ensure effective and smooth BF operation.

The improvement strategies derived from the indices were often used as a remedy in reviewing burden ratio. The required CSR index of BFs and the online system were established by using the sampling coke properties at different gas permeability resistance and pulverized coal injection ratio to provide references for HM and coke production.

Key words: Blast Furnace, Slag Fluidity, Al2O3, Coke Strength after Reaction (CSR), Online Index

一、前  言

高爐冶煉係將鐵礦石還原成生鐵的連續生產過程。鐵礦石、焦炭和熔劑等固體原料從爐頂

中國鋼鐵股份有限公司 鋼鐵研發處煉鐵組 1研究員 

2正研究員 

3組長

中國鋼鐵股份有限公司 煉鐵廠高爐二場 4副主任 煉鐵廠高爐一場 

5課長

Page 2: 高爐內爐渣流動性與焦炭熱間強度之關鍵 指標建立及其應用取樣焦炭已通過高爐內部高溫氣化反應,故以現有熱間強度試驗設備量測強度。本研究篩

-25-鑛冶 60/2

分批送入高爐,並使爐喉料面保持一定的高度,焦炭和礦石在爐內形成交替分層架構。礦石料

在下降過程中逐步被還原、熔化成鐵和渣,滴落在爐床中,並分別從鐵口和渣口排出。高爐渣

之生成係由礦脈石(SiO2、Al2O3、CaO、MgO、TiO2等)、焦炭灰分、助熔劑(石灰石、白雲

石、蛇紋石、矽石等)在高溫下熔融而成,主要區分為初渣、中間渣及終渣。高爐渣本身價值

雖不高,但其性質之良窳,對鐵水的品質及高爐操作有莫大的影響。高爐造渣即高爐冶煉過程

中,熔劑、脈石和焦炭灰分之相互作用,把不進入生鐵的物質熔解成液態爐渣的過程。下降中

的礦石和熔劑逐漸被上升的還原氣加熱而發生還原、分解和固相反應,在達到一定溫度後就出

現黏結,進而軟化和熔融成初渣。初渣在向下滴落過程中,不斷變化著,稱之中間渣,在爐床

中爐渣完成脫硫和還原反應以後,即為高爐終渣,定時或連續地被排出高爐外。高爐操作一般

在爐腹靠近爐壁部份,如爐渣穩定性差,爐溫波動或原料的成份波動時,容易造成爐況失常,

如崩料與懸料等。爐渣流動性差一般會造成高爐爐床通液性不佳,而常會發生斷渣現象,甚至

無法出渣等嚴重影響爐況的穩定。故於高爐冶煉過程中,出鐵作業順暢的關鍵在於具備良好終

渣流動性的監控。由於高爐長期缺乏實務上易用且精準的線上流動性指標。因此,有必要提供

現場人員掌握爐渣流動行為的工具。本研究利用高爐渣為基礎之半合成渣,建立高爐渣流動性

線上指標(即液化溫度及黏度)及斷渣預警系統,期即時提供爐操人員掌握爐渣波動並作出因

應對策。

焦炭在高爐的主要作用可分為化學與物理功能。化學功能為提供鐵礦還原時所需的還原劑

和熱量;而物理功能則為提供氣、液流動的空間。為降低高爐燃料成本,同時也為了降低煉焦

爐稼動率,高爐操作均以提升噴煤率 (Pulverized Coal Injection Rate)作為操作目標。隨著高爐噴

煤水平提高,入爐焦比不斷降低,增加了焦炭在爐內支撐作用的負荷。因此,降低焦炭粉化率

及維持一定水準之焦炭品質為高爐操作順利的必要條件之一。假如焦炭強度不足,會使爐下部

細粉增多,爐內透氣阻力上升而降低鐵水產率。利用鼓風嘴焦炭取樣便是了解高爐內部焦炭性

質、鼓風嘴內粉煤燃燒情況,並確認爐床清淨度、獲得高爐爐況真實訊息的有效方法。本研究

使用新一代鼓風嘴取樣機,配合中鋼 3、4號高爐定修進行多次取樣,針對取樣焦炭強度與磨

耗率進行試驗分析,藉以探討其與高爐鐵水產率,以及對高爐操作條件之關係,並找出各高爐

不同產率下之適當熱間焦炭強度指標。

二、研究方法與步驟

2-1 高溫熔渣流動性量測方法(如圖 1)

本案所進行的爐渣高溫軟熔性質與黏度量測,是取自高爐的爐終渣為基礎渣,配渣方案的

規劃是由基礎渣加入少許氧化物粉末,改變其爐渣成份比例後形成半合成渣。半合成渣再分別

以高溫光學軟熔溫度量測儀與高溫黏度計,進行其軟熔溫度與黏度量測,最後以不同於一般的

多元迴歸方法,分別求得爐渣成份比例與變形溫度關係式、定溫下爐渣成份比例與黏度關係式

以及爐渣溫度與黏度關係式,最後再結合為一完整的黏度預測模式。高爐渣之軟熔溫度分析為

爐渣由固相加溫受熱後之軟熔過程,從一開始放入之樣品之原始形狀至樣品開始變形,而此時

對應溫度為變形溫度;當樣品加熱至半球型之溫度,視為液化溫度;該樣品隨溫度上升外表逐

漸擴大散開,則為流動溫度。而爐渣黏度則是結合扭力式黏度計、直立式高溫爐及自行設計之

Page 3: 高爐內爐渣流動性與焦炭熱間強度之關鍵 指標建立及其應用取樣焦炭已通過高爐內部高溫氣化反應,故以現有熱間強度試驗設備量測強度。本研究篩

-26- 一○五年六月

升降、冷卻、密閉等控制機構來進行量測。量測數據以扭力、溫度與時間之關係曲線呈現於螢

幕上,再與標準黏度液校正所得之校正曲線相對應後,可得到黏度與溫度之關係曲線。

圖 1 高爐熔渣流動性量測示意圖

2-2 取樣焦炭分析試驗流程(如圖 2)

本研究配合高爐定修,進行鼓風嘴焦炭取樣,取樣冷卻後之樣品再進行如下的測試與分

析:

(1) 取樣焦炭粒度分析:使用 50、38、25、15及 3.35mm的方孔篩網進行過篩,將樣品區分成

+50mm、+38mm、+25mm、+15mm、+3.35mm及 -3.35mm,6種不同粒度的焦炭,並將大

體積鐵渣挑出後,分別秤重。

(2) 取樣焦炭強度分析試驗:直接以測試反應後焦炭強度(CSR)之 I型轉鼓來進行試驗,因

取樣焦炭已通過高爐內部高溫氣化反應,故以現有熱間強度試驗設備量測強度。本研究篩

選取樣後各徑向區 19∼ 25 mm粒度的焦炭裝入 I型轉鼓,經 600轉滾動後,測定 +10 mm

之比率。

(3) 取樣焦炭反應率分析試驗:以篩選鼓風嘴徑向區之 25-38 mm粒度的焦炭,裝入測定CSR

的試驗機,分別滾動 100、200、500、1000轉,測定並計算轉後焦炭所剩平均粒度以及取

粉末進行灰份及歷程溫度 (Lc)。由灰份含量可求得個別表層之反應率及所佔層厚,原理

如下:

反應前灰份重量 =反應後灰份重量

W0‧a0 W‧a (1)

Page 4: 高爐內爐渣流動性與焦炭熱間強度之關鍵 指標建立及其應用取樣焦炭已通過高爐內部高溫氣化反應,故以現有熱間強度試驗設備量測強度。本研究篩

-27-鑛冶 60/2

W (1f)‧W0 (2)

f 1(a0/a) (3)

其中W0、W:分別為反應前後樣品重量

a0、a:反應前後灰份重量百分比

f:反應率(磨耗粉化率)

(4) 數據分析:取樣焦炭強度會隨徑向位置、噴煤率、焦炭含 SiO2比率等而有所變化,故本研

究探討 2007~2014年間,來自 3、4號高爐共 14次之取樣焦炭,分析在不同鐵水產率下,

其焦炭性質與高爐操作條件之相關性,建立不同鼓風條件之適當的焦炭熱間強度指標。

圖 2 高焦炭取樣分析試驗方法與進程示意圖

三、結果與討論

3-1 建立高爐爐渣流動性線上指標及斷渣預警系統,穩定出鐵

本研究以擴大高爐渣成份範圍方式,進行一系列爐渣液化溫度與黏度量測 (1-8),利用渣相

圖建立了高爐渣液化溫度及黏度資料庫,提供高爐進料時之配渣依據,並全面應用高爐流動性

指標於中鋼集團六座高爐之控制室,提供準則,建立高爐渣斷渣預警系統(如圖 3)。其利用

爐渣分析後之Al2O3、MgO、CaO、SiO2、TiO2五個成份的比例及當時鐵水溫度,即可即時計

算並於螢幕上呈現爐渣液化溫度及黏度數據(如圖 4)。此數據可提供現場人員判斷最近一次

出渣之流動性之優劣,以避免異常爐渣成份影響爐內透氣性與透液性,並可依此預警而後出渣

的情況,進一步調整高爐進料之配渣,以即時改善爐內阻力與出鐵狀況。目前現場對爐渣液化

溫度及黏度的警示門檻值分別為 1450℃與 15 poise,即當液化溫度高於 1450℃或黏度大於 15

Page 5: 高爐內爐渣流動性與焦炭熱間強度之關鍵 指標建立及其應用取樣焦炭已通過高爐內部高溫氣化反應,故以現有熱間強度試驗設備量測強度。本研究篩

-28- 一○五年六月

圖 3 高爐渣斷渣預警系統示意圖

圖 4 高爐即時爐渣流動性系統應用 (程控電腦 )

Page 6: 高爐內爐渣流動性與焦炭熱間強度之關鍵 指標建立及其應用取樣焦炭已通過高爐內部高溫氣化反應,故以現有熱間強度試驗設備量測強度。本研究篩

-29-鑛冶 60/2

poise,則表示爐渣流動性已經變差而有斷渣的危險。此應用已改善了以往只以實際爐渣分析與

出鐵情況,來判斷爐渣流動性好壞和是否斷渣的缺點。此亦為高爐首次具有爐渣流動性指標之

線上應用,且已成為現場人員爐操必看的制式系統之一。目前高爐現場維持爐渣穩定流動性的

做法為:正常操作下,根據爐渣液化溫度與B2趨勢一致性,以配料(調整B2)方式控制液化溫

度小於鐵水溫度(爐溫)達 80℃以上,另進行停爐作業(或異常操作)時,預知爐溫會下降,

為了能順利出清爐床鐵渣,調降B2以降低液化溫度,增加爐渣流動性(如圖 5)。

3-2 制訂 Al2O3 爐渣之最高容許量,降低成本

隨著優質鐵礦日趨減少,成本考量,次級礦使用日趨增多,導致高爐渣中Al2O3增加,而

影響高爐冶煉操作。因此,也有必要進一步計算高Al2O3爐渣之容許量。其中高Al2O3爐渣對

高爐冶煉影響(如圖 6),包括 (1)風量萎縮:高Al2O3渣對鐵渣流動性影響很大,若鐵渣黏稠

排放困難,不易排淨,會使高爐下部透氣性變差,進風量隨之萎縮;(2)高爐穩定性下降:高

黏度爐渣影響成渣帶以下的料柱透氣性,渣鐵在滴落帶流動性差,降低料柱孔隙度,增加氣體

上升阻力,影響高爐順行。渣鐵排放不暢,造成爐床堆積,中心吹不透,氣流不穩定,透氣性

指數變差,高爐穩定性下降;(3)燃料率高:配料中Al2O3過高,如以提高渣比方式來降低渣中

Al2O3含量,渣比升高導致燃料率上升,同時爐渣黏稠,爐溫必須升高,也是導致燃料率上升

原因之一。

本研究針對既有的實驗數據,計算其終渣流動性(包括黏度、液化溫度)局部變化,並

研判高爐終渣正常流動性下所能容忍Al2O3之比率。圖 7表示在MgO=6.5%、TiO2=0.5%下

圖 5 現場高爐以調整B2方式控制(鐵水溫度-液化溫度)≧ 80℃

Page 7: 高爐內爐渣流動性與焦炭熱間強度之關鍵 指標建立及其應用取樣焦炭已通過高爐內部高溫氣化反應,故以現有熱間強度試驗設備量測強度。本研究篩

-30- 一○五年六月

的等液化溫度五元渣相圖。由圖可知於B2=1.0∼ 1.20時,高Al2O3含量(約 15%∼ 17.5%)

操作下,液化溫度(即爐渣能流動之最低容忍溫度)可低於 1430℃。圖 8表示在 6.5%MgO、

0.5%TiO2下,爐渣黏度條件設計為高爐渣黏度(=15 poise)之等爐溫五元渣相圖。由圖可知

於同樣條件下 (B2=1.0-1.20,Al2O3=15%-17.5%),所需提供爐渣黏度為 15 poise之爐渣溫度必

須大於 1450℃。本研究認為,就爐渣黏度觀點而言,雖然黏度升高會致使出渣流動性變差,

但並不會立即使爐況惡化。但就爐渣溫度而言,如低於爐渣液化溫度,將立即發生爐內透液

性變差,甚至出渣困難情況。因此評估爐渣流動性準則,須以爐渣溫度避開黏度隨溫度急升

段(亦即液化溫度)為首要,其次為黏度穩定段之較低黏度的追求。圖 9為Al2O3含量對液化

溫度的影響,由圖得知在Al2O3=10-20%範圍內,B2=1.0,MgO=7%條件下,液化溫度會由

1412℃ (10%Al2O3)開始下降至 1390℃ (14.5% Al2O3),再回升至 1413℃(20% Al2O3),液化溫

度於Al2O3=14∼ 15%較低(主流高爐渣),當Al2O3 >15%,液化溫度隨Al2O3增加而增加。液

化溫度也會隨B2增加而增加。整體而言(Al2O3=10∼ 20%),B2由 1.0升高至 1.2,液化溫度

平均升高 75℃,由此可知,調整B2對液化溫度相當敏感,控制液化溫度高低為穩定爐渣流動

性的優先選擇。圖 10同樣以既有高Al2O3之爐渣流動性實驗數據為基礎,計算在較嚴苛條件時

(B2=1.2,爐溫 =1450℃),高Al2O3(15-19%)下,增加MgO含量對其爐渣黏度之效應。結果顯

示分別增加MgO至 6.5%、7.6%時,可分別使 15與 16%Al2O3的爐渣黏度明顯降低,但如使用

較高Al2O3(17-19%),則需加入更多MgO才能降低爐渣黏度改善流動性。因此,本研究提出於

圖 (6)、高A l2O3爐渣對高爐冶煉影響示意圖

Page 8: 高爐內爐渣流動性與焦炭熱間強度之關鍵 指標建立及其應用取樣焦炭已通過高爐內部高溫氣化反應,故以現有熱間強度試驗設備量測強度。本研究篩

-31-鑛冶 60/2

圖 8 等爐渣溫度曲線圖(MgO= 6.5%, µ= 15 poise)

圖 7 等液化溫度曲線圖(MgO= 6.5%)

Page 9: 高爐內爐渣流動性與焦炭熱間強度之關鍵 指標建立及其應用取樣焦炭已通過高爐內部高溫氣化反應,故以現有熱間強度試驗設備量測強度。本研究篩

-32- 一○五年六月

正常爐操下(爐溫≧ 1495℃),在可接受的爐渣黏度範圍(<10 poise),考慮經濟效益下(添加

MgO=6-8%),且於液化溫度優先考量下 (B2≦ 1.1),不影響高爐渣流動性之Al2O3最高容忍含

量為 15-17%。本研究也進行在爐渣在高Al2O3下,其渣鐵間之界面張力對高爐出渣之影響,試

驗結果顯示增加些許Al2O3(16.5%),其渣鐵間界面張力與一般文獻相比較(正常操作下),相去

不大(如圖 11)。此外,本研究亦提出當發生配料異常(Al2O3>16%)或爐溫異常(<1450℃)

時之改善爐渣流動性的配渣調整方案,並於高爐現場協助下進行測試,測試期間爐渣中Al2O3

由月平均 14.4%提高至月平均 15.3%,其中不乏有高達 16.5%Al2O3。現場使用本研究所提之配

渣準則:當Al2O3接近 16%時,調整配渣提高MgO以降低黏度,並同時降低B2,以控制其爐

圖 9 Al2O3對爐渣液化溫度的影響(MgO= 7%, B2=1.0∼ 1.2)

圖 10 MgO添加比率與黏度關係(B2=1.2,爐溫 = 1450℃,Al2O3=15∼ 19%)

Page 10: 高爐內爐渣流動性與焦炭熱間強度之關鍵 指標建立及其應用取樣焦炭已通過高爐內部高溫氣化反應,故以現有熱間強度試驗設備量測強度。本研究篩

-33-鑛冶 60/2

渣液化溫度,結果顯示爐況仍是穩定順行。故可驗證於爐溫相對穩定之高爐,可使用相對廉價

之高Al2O3鐵礦石,並減少稀釋Al2O3之助熔劑使用量,大幅降低配礦成本(10)。

3-3 適當的焦炭熱間強度指標暨線上系統 (9)

本研究結合 2007-2014年間,中鋼No.3及No.4高爐共 14次,分析取樣焦炭性質與取樣前

爐操數據進行相關性,探討焦炭性質與爐操之關係(如表 1)。首先藉由取樣焦炭細粉率 (CFR)

與入爐焦炭熱間強度 (CSR)之負相關係數相當高 (-0.92),故選出較易取得之焦炭熱間強度數據

來取代取樣焦炭細粉率數據。綜觀表 1,本研究選擇以爐況高爐透氣阻力指標 (DP/V)為應變

數、CSR、爐渣液化溫度 (Tliquidus)與噴煤率 (PCR)等相關係數較高之參數為自變數,先將所有

數據正規化為 0-1(如表 2),再進行複迴歸 (Multiple Regression)分析,最後得出迴歸方程式如

下:

DP/V=- 0.238CSR+ 0.345Tliquidus + 0.586PCR,r2=0.88,α<0.05 (4)

其中DP/V:高爐透氣阻力 (kg-min./cm2-NM3),CSR:焦炭熱間強度 (%),Tliquidus:爐渣液

化溫度 (℃ ),PCR:噴煤率 (kg/THM)。

式 (4)表示透氣阻力與焦炭、爐渣性質與高爐噴煤率之關係,由此式可知當入爐焦炭熱間

強度下降(即取樣焦炭細粉率增加)、爐渣液化溫度及高爐噴煤率上升,高爐透氣阻力會明顯

增加。此式的複相關係數 (r)為 0.94,表示其對原始數據的符合程度相當高。α(顯著性水平)遠小於 0.05,表示此迴歸式之應變數以此 3個自變數來描述,其顯著性相當高。其中的爐渣液

化溫度,乃使用作者等人先前開發之模式 (2),依據高爐終渣之主要五種化學成分配比來進行計

算。本研究透過式 (4)以 2014年的平均爐渣液化溫度為基礎,建立了中鋼No.3與No.4高爐於

不同高爐透氣阻力 (0.24∼ 0.28)與噴煤率 (140∼ 180)下所需之焦炭熱間強度指標(如表 3),

以及提供更即時之CSR線上系統(如圖 12)。由表 3可知欲達到較低的透氣阻力時,需要較

圖 11 高Al2O3%下之渣鐵界面張力相圖 (MgO=6.5%,爐溫 =1400℃ -1450℃,Al2O3=16.5%)

Page 11: 高爐內爐渣流動性與焦炭熱間強度之關鍵 指標建立及其應用取樣焦炭已通過高爐內部高溫氣化反應,故以現有熱間強度試驗設備量測強度。本研究篩

-34- 一○五年六月

強的入爐焦炭熱間強度,而相同透氣阻力下,隨著噴煤率的提升,同樣需要較強的CSR,以

2014/12之平均噴煤率與爐渣液化溫度計算,要維持理想的透氣性 (0.25),No.3 高爐需要CSR

大於 69之入爐焦,No.4高爐則需CSR大於 70之入爐焦。圖 12為No.3高爐於 2015/3∼ 2015/5

之每日入爐焦炭與即時模式計算之CSR比較,結果顯示有一半的入爐焦已接近焦炭熱間強度需

求。

表 1 高爐鼓風嘴取樣焦炭性質與相關爐操數據之相關性分析

DP/V CFR CSR CRI M40 M10 MS PCR BT TFT BP BV Tliq.

DP/V(透氣阻力,kg-mon./cm2-NM3) 1.00

CFR(焦炭細粉率,%) 0.96 1.00

CSR(焦炭熱間強度,%) -0.96 -0.92 1.00

CRI(焦炭反應指標,%) 0.93 0.87 -0.94 1.00

M40(焦炭冷間強度 -1,%) -0.28 -0.31 0.31 -0.25 1.00

M10(焦炭冷間強度 -2,%) -0.20 -0.19 0.21 -0.18 -0.71 1.00

MS(焦炭平均粒徑,mm) -0.34 -0.48 0.39 -0.29 0.12 0.29 1.00

PCR(噴煤率,kg/THM) 0.83 0.84 -0.82 0.83 -0.15 -0.34 -0.29 1.00

BT(鼓風溫度,℃ ) 0.55 0.55 -0.50 0.59 -0.05 -0.22 -0.13 0.77 1.00

TFT(理論火燄溫度,℃ ) 0.25 0.33 -0.37 0.26 -0.54 0.09 -0.17 0.50 0.18 1.00

BP(鼓風壓力,Pa) 0.72 0.73 -0.75 0.85 -0.19 -0.31 -0.31 0.89 0.62 0.48 1.00

BV(鼓風量,NM3/min.) 0.53 0.57 -0.58 0.69 -0.28 -0.19 -0.28 0.73 0.41 0.59 0.93 1.00

Tliq.(爐渣液化溫度,℃ ) 0.91 0.88 -0.88 0.96 -0.18 -0.22 -0.31 0.88 0.68 0.28 0.88 0.73 1.00

表 2  2007-2014年取樣焦炭前一日之透氣阻力、焦炭熱間強度、爐渣液化溫度、噴煤率等

正規化數據

Sampling No No.1 No.2 No.3 No.4 No.5 No.6 No.7 No.8 No.9 No.10 No.11 No.12 No.13 No.14

DP/V 0.830 0.585 0.623 0 0.170 0.528 0.925 0.698 0.830 0.528 0.189 1 0.453 0.189

CSR 0.337 0.518 0.446 1 0.880 0.663 0.145 0.434 0.361 0.542 0.759 0 0.663 0.723

Tliquidus 0.976 0.854 0.902 0 0.439 0.756 0.976 0.927 0.976 0.756 0.439 1 0.659 0.683

PCR 0.977 0.743 0.714 0 0.531 0.691 0.977 0.743 0.863 0.714 0.503 1 0.697 0.531

表 3 不同高爐透氣阻力與噴煤率下所需之焦炭熱間強度指標

3BF/2014/Tliquidus=1410℃ 4BF/2014/Tliquidus=1415℃

0.24 0.26 0.28 0.24 0.26 0.28

140 160 180 140 160 180 140 160 180 140 160 180 140 160 180 140 160 180

70.7 68.0 69.5 70.7 61.0 62.5 64.0 70.7 68.8 70.3 70.7 61.7 63.2 64.8

Page 12: 高爐內爐渣流動性與焦炭熱間強度之關鍵 指標建立及其應用取樣焦炭已通過高爐內部高溫氣化反應,故以現有熱間強度試驗設備量測強度。本研究篩

-35-鑛冶 60/2

四、結論

由以上試驗結果與計算解析,總結如下:

(1) 經由基礎研究與指標開發驗證,建立中鋼高爐首套高爐出渣流動性線上系統,全面落實應

用於中鋼集團六座高爐,協助高爐人員預先判斷出鐵難易,即時因應調整,精進爐況。

(2) 以既有高Al2O3之爐渣流動性實驗數據為基礎,求出高爐正常入爐料條件下之爐渣Al2O3

合理容許量。研究結果顯示增加MgO含量對其爐渣黏度之效應,在考慮經濟效益下,其

可容許接受的爐渣黏度範圍為添加MgO=6-8%,Al2O3含量為 15-17%。

(3) 利用爐渣液化溫度結合高爐操作數據與取樣焦炭性質之相關性分析,建立不同鼓風條件之

下,適當的焦炭熱間強度指標及線上系統,提供焦爐生產焦炭與高爐操作參考。

五、參考文獻

(1) 蕭嘉賢、郭旭堂、何忠根,「高爐渣最適量Al2O3之科學化解析」,2014年輸送現象及其應用專題研討會,2014,

pp. 61-64。

(2) Jia-Shyan Shiau, Shih-Hsien Liu and Chung-Ken Ho, "Effect of Magnesium and Aluminum Oxides on Fluidity of Final Blast

Furnace Slag and Its Application", Materials Transactions, Vol. 53, No. 8 (2012), pp.1449-1455.

(3) Jia-Shyan Shiau, Chung-Ken Ho and Shih-Hsien Liu, "Investigation of Related Factors of Blast Furnace Slag Fluidity and Its

Application", AIST2010 (USA)(2010), pp. 711-722.

(4) Jia-Shyan Shiau and Shih-Hsien Liu, "Effect of Magnesium Oxide and Aluminum Oxide Content on the Final Slag Fluidity of

Blast Furnace", ICSTI’09(China)(2009), 1198-1202.

(5) 蕭嘉賢、何忠根、劉世賢,「高爐渣流動性相關因子之研究及其應用」,台灣化學工程學會,2009。

(6) 蕭嘉賢、劉世賢、何忠根,「TiO2含量對高爐護爐渣流動性之影響」,技術與訓練,第 34卷第 3期,2009,

pp.17-28。

(7) Jia-Shyan Shiau and Shih-Hsien Liu, "Effect of Magnesium Oxide Content on the Final Slag Fluidity of Blast Furnace", CSC

Tech. Report, Vol. 21 (2008), pp. 21-28.

(8) 蕭嘉賢、劉世賢,「MgO含量對高爐終渣流動性之影響」,鑛冶,Vol. 52,No. 1 March 2007,pp. 44-50。

(9) Jia-Shyan Shiau, Yung-Chang Ko, Chung-Ken Ho and Ming-Tzai Hung, "Development and Application of Appropriate BF

Coke Strength after Reaction", Metec_and_2nd_Estad_2015 (Germany) (2015).

(10) 齊偉等,「寶鋼不銹鋼事業部 2500m3高爐的高Al2O3爐渣生產實踐」,寶鋼技術,2011年第 4期,pp. 77。

圖 12 中鋼三號高爐入爐焦炭與本研究模式計算之CSR比較

日期

CSR

(%)