1 引言
高炉炉料结构主要取决于原料资源情况、配套生产工艺、操作技术水平、操作习惯和理念、生产成本、环保要求等多方面因素，实践证明：合理炉料结构与冶炼进程及技术经济指标有极为密切的关系，合理的炉料结构是高炉获得最大经济效益的基础之一，应符合各企业的实际情况，需要因地制宜，既要为高炉稳定顺行和实现良好经济技术指标创造条件，又要力争原料成本最经济。
评价炉料结构合理性包括化学成分、物理性能和冶金性能三个方面，化学成分是基础，物理性能是保证，
冶金性能是关键，三者之间又是相辅相成的[1]。根据高炉工艺冶炼原理，各种炉料的化学成分、物理性能具有叠加性，通过各种炉料理化性能指标加权平均，可以直接判断炉料结构理化性能的优劣。由于高炉内复杂的物理化学反应，以及在软化熔融过程中炉料之间相互交互作用，不同炉料结构的冶金性能并非单一炉料的冶金性能叠加，而炉料的冶金性能对高炉软熔带生成以及形状分布影响较大，而软熔带在高炉冶炼过程中起到举足轻重的作用，对高炉炉况稳定性、煤气流分布以及透气性等有至关重要的影响。因此，评价炉料结构合理性不应仅关注炉料理化性能，应给予炉料结构综合冶金性能特别关注[2][3]。高炉炉料主要有烧结矿、球团矿和精块矿三种，高炉炉料结构冶金性能不仅与各种炉料自身冶金性能有关，而且与各种炉料不同配比相关。
高炉炉料结构入炉品位影响消耗、产量等指标，而炉料结构冶金性能影响高炉稳定性，进而影响高炉操作经济技术指标。在优化炉料结构方面，对高炉入炉品位特别重视，而忽略了炉料结构冶金性能差异对高炉的影响，这是由于高炉使用的铁矿石资源受地域制约相对稳定，与高炉配套工艺的产能相对稳定，因此炉料结构变动不大，炉料结构冶金性能差异不大，对高炉操作影响较小。然而，随着近年国内炼铁迅猛发展，高炉大型化改造，原先配套工艺流程被打破，同时，世界范围内铁矿石资源的品种和品质均发生较大变化，以进口矿为主的高炉炉料结构冶金性能变化更为明显。优化炉料结构，不仅仅限于提升高炉入炉品位，改善炉料强度指标，关键是保持炉料结构及品种的稳定性，同时，改善炉料结构的综合冶金性能[3]。
至今为止，对高炉炉料单一品种冶金性能研究很多，而不同炉料结构冶金性能研究尚少，很难解析不同炉料结构冶金性能变化规律。本文根据宝钢不同炉料结构生产实绩，结合各种炉料高温性能分析，研究不同炉料结构对高炉煤气流分布和透气性影响，以及不同炉料结构下高炉操作技术对策，探讨优化炉料结构技术方向，对应对高炉原料品质和性能变化具有重要参考价值。
2 宝钢高炉炉料结构变化
宝钢高炉一直坚持精料方针，高炉炉料质量基本保持优良和稳定，为高炉长期稳定奠定了扎实基础。宝钢没有球团生产工序，高炉炉料结构以烧结矿为主，配加少量的外购球团矿和精块矿。4 号高炉投产以前，高炉炉料结构与烧结工序的产能规模相对应，一直沿用一台450m2 烧结机对应一座4000m3 级高炉匹配模式，形成了宝钢高炉基本炉料结构：78%烧结矿比+5%球团矿比+17%精块矿比.烧结配比接近炉料结构4/5。伴随宝钢高炉扩容改造和产能规模增大，宝钢烧结与高炉装备与生产能力情况见表1，虽然将烧结机扩容至495m2，但烧结生产能力与高炉产能仍没有配套，导致高炉炉料结构中烧结矿配比下降至67%左右，烧结矿比占炉料结构大约2/3，烧结矿在炉料结构中主导地位不显著了，用球团矿替代烧结矿，球团矿配比达到19%左右。
4 高炉投产后，三台烧结机对四座高炉生产，至少两座高炉使用两种以上烧结矿，并且根据生产组织调整，经常变化供料模式，烧结矿供料处于不稳定状态，即使在混匀配矿时，尽量保持烧结矿成分相近，但实际烧结矿成分和质量仍存在一定差异，同时，由于产能不匹配，在炉料结构中占主导地位的自产烧结矿比例下降，生产组织尽量提高烧结矿产量，在一定程度上或多或少影响烧结矿质量稳定，导致高炉炉料稳定性下降，给高炉操作带来一定影响。
宝钢炉料结构中，而球团矿和精块矿全部来自于外购进口，其质量和性能不受控，高炉炉料受市场及资源影响变动较大。近年，随着宝钢高炉炉料结构变化，特别是球团矿使用比例增大以后，外购球团矿质量和品种不受控，使得球团矿品种多，质量指标相差较大，2002~2006 年，高炉所使用的球团矿品种仅有2~5 种，以酸性球团为主。2007 年以后，球团矿的使用品种逐年增加至10 余个，涉及美洲、欧洲、亚洲、大洋洲共10 多个国家，最多时全年共使用球团矿品种16 个，由于地域差异，各种球团矿品质与冶金性能相差较大，炉料结构稳定性下降，对高炉稳定性以及经济技术指标造成一定影响。
宝钢高炉精块矿品种主要从巴西和澳大利亚进口，从品质和性能上看，巴西精块矿略优于澳大利亚精块矿，特别是澳大利亚精块矿中Al2O3 含量相对较高，但巴西为远程矿，运费相对高，因此，宝钢高炉逐渐减少巴西精块矿用量，主要以澳大利亚的哈默斯利块矿（OHA）和纽曼山块矿（ONE）为主，伴随国内铁产能不断扩张，精块矿资源日趋紧张，矿业公司将不同矿山不同品质精块矿混合销售，从2007 年开始，哈默斯利块矿以皮尔巴垃块矿（OHP）替代，从2014 年开始，纽曼山块矿以纽曼山混合块（ONM）替代。根据宝钢实验分析研究，混合精块矿由多种不同品质精块矿混合而成，其冶金性能差异较大，并且，质量稳定性波动较大，对高炉稳定顺行有较大影响。
对高炉稳定顺行来讲，炉料结构是基础，操作是关键，只有两者有机结合，才能实现高炉高效、低耗、低成本和长寿的总目标。在生产过程中，由于资源变化、生产条件变化，以及产能匹配变动等因素影响，炉料结构经常会进行相应调整，结合不同炉料结构冶金性能特点，分析研究不同炉料结构在实际应用中表现出来特征，一方面，在炉料结构调整过程中，合理调整配比，最大限度减少对高炉稳定影响，另一方面，结合市场变化，不断优化炉料结构，使高炉的经济性和技术水平全面提升。同时，通过了解和掌握不同炉料冶金性能变化规律，预知不同炉料结构对高炉生产影响，相应进行高炉操作技术调整，可以有效避免高炉炉况波动，实现高炉稳定顺行。
3 炉料结构与高炉操作
3.1 炉料结构对高炉稳定顺行的影响
宝钢高炉炉料结构由：78%烧结比+5%球团比+17%精块矿比，变为：67%烧结比+19%球团比+14%球团比。无论炉料结构如何变化，在搭配炉料结构时，始终保持高炉炉渣成分基本保持稳定，炉渣碱度1.22～1.25，由于烧结矿品位低于球团矿和精块矿，入炉品位有所提高，高炉渣比由280kg/t 左右降至250kg/t 左右。按照传统精料理论，后者炉料结构应该优于前者，但高炉表现出不稳定状态。
从宝钢高炉生产实际看，炉料结构的不稳定，对高炉顺行影响很大。宝钢高炉炉料结构中，烧结矿理化性能和冶金性能相对变动不大，而不稳定因素主要表现在球团矿品种复杂，各球团矿理化性能和冶金性能差异较大，以及精块矿由单一品种转变为混合精块矿品种，混合精块矿本身理化性能和冶金性能均存在不稳定性。代表高炉顺行的一个重要指标是高炉崩滑料，宝钢高炉2007 年开始，球团矿比例不断提升，使用品种也逐渐增加，并且混合精块矿也开始增加比例，高炉稳定性明显下降，崩滑料次数明显增加，见图1，虽然影响高炉顺行的因素诸多，但是从高炉实际结果看，在其他因素变动不大的情况下，炉料不稳定与炉况顺行有一定相关性，因此，从合理炉料结构角度，保持炉料结构稳定性，对高炉稳定顺行具有重要作用。炉料结构不稳定，不仅影响顺行，而且影响高炉指标，见图2，从宝钢生产实际看，表现一明显特征：随着炉料结构变化，球团矿使用比例高，品种多均会对炉料高温性能稳定性产生一定影响，影响高炉喷煤比提升。
炉料结构不稳定，对高炉顺行产生影响，其主要原因[4]：
（1）主体炉料结构比例变化。宝钢烧结矿为自产的，其质量和性能可以受控，如果主体炉料烧结矿比例在75%以上，烧结矿在炉料结构中的作用约占4/5，或者说，单一炉料在炉料结构中起主导作用，即使球团矿或者精块矿质量和性能影响较大，其共同作用也只占1/5，其对高炉影响相对较少；若主体炉料烧结矿比例在67%以下，烧结矿在炉料结构中的作用仅占2/3，而球团矿和精块矿共同作用在炉料结构中占1/3，其影响程度明显增加，如果球团矿和精块矿质量较稳定，其性能与烧结矿相匹配，则其影响较小，反之，其影响就会影响高炉稳定顺行。因此，主体炉料比例大小对炉料结构稳定性具有重要作用，合理炉料结构不仅需要考虑传统理论所关注的熟料率，还要考虑炉料结构中主体炉料的比例。
（2）软熔带不稳定。软熔带在高炉冶炼过程中起到至关重要作用，影响高炉透气性以及煤气流分布，而软熔带的形状和位置分布影响因素除了高炉内温度场分布以外，另一重要因素就是高炉炉料结构的软熔性能。根据检测分析研究，烧结矿与球团矿和精块矿之间软熔性能存在一定差异，并且相互之间发生交互反应，反应程度与炉料自身特性相关，不同种类、不同比例的炉料结构其软熔性能差异较大，对软熔带影响也较大，因此，炉料结构不稳定，导致软熔带形状和位置发生变化，导致高炉煤气流分布变化，从而影响高炉顺行。
（3）操作炉型不稳定。由于炉料结构不稳定，炉料结构软熔性能差异，导致软熔带位置不稳定，若煤气流分布控制不合理，会导致高炉操作炉型发生变化，高炉炉墙频繁黏结和脱落，导致高炉圆周分布不均匀，煤气流分布不均匀，甚至产生崩滑料，对高炉顺行稳定更加不利。严重时，容易导致炉墙结厚，影响高炉透气性和高炉顺行。在高炉实际生产中，经常出现由于炉墙黏结物脱落导致高炉风压变动，甚至出现崩滑料或者管道，这主要因为高炉下部黏结物脱落，引起局部气流不稳定，在高炉实际操作中反映为：下部炉墙（炉腹、炉腰）脱落，热负荷上升，因为炉墙脱落黏结物堵塞高炉滴落带通道，透气性变差，风压升高，料速变慢，当黏结物逐渐落入炉缸熔融后，因为高炉圆周气流不均匀性，导致高炉崩滑料，料速加快，并伴随透气性改善，风压下降。若上部煤气流控制不合理，脱落部位煤气流急剧增加，上升至高炉上部，甚至出现管道。高炉风压波波动与热负荷对应关系见图3。这种状态在炉腹炉腰为铜冷却壁更明显，更频繁，因为铜冷却壁有一特性，冷却强度高，但与炉渣亲和力较差，易粘接也易脱落。产生这种现象的原因：一方面由于炉料结构软熔性能不稳定，引起软熔带波动导致，另一方面，由于煤气流控制不合理或者与炉料结构冶金不匹配而导致炉墙不稳定。
3.2 炉料结构对高炉透气性的影响
由于宝钢烧结能力不足，使用的球团矿和精块矿比例相对较高，因此球团和精块矿冶金性能与烧结矿之间差异会对高炉透气性产生较大影响。当炉料结构单一品种占主导转变为多品种相对均衡时，其性能差异就会显现出来，整体炉料性能变化也越大，突出影响高炉透气性最差的软熔带。根据炉料结构冶金性能分析研究，以烧结矿为主的炉料结构，无论是增加精块矿比例，还是增加球团矿比例，软化开始温度降低，软化区间加宽，熔滴性能变差，软熔带加宽，高炉透气性变差。根据宝钢4 号高炉年实际生产数据回归，得到如图4 所示的相关关系：烧结比和球团比与高炉透气性有显著相关关系，随烧结比升高，高炉透气性明显改善，随球团比升高，高炉透气性明显劣化，并且相关性很显著。
对比国内大型高炉2013 年高炉操作参数也有类似规律，如图5 所示，烧结比低，高炉压差相对较高，虽然影响高炉透气性的因素诸多，烧结矿比例不易作为定量参照，但是一般情况下，烧结矿比高，负面影响相对较小。
由于球团矿和精块矿中CaO 含量较低，呈酸性性或弱酸性，在炉料结构中，根据高炉炉渣碱度要求，高烧结矿比相应要求烧结矿碱度较低，反之，低烧结矿比相应要求烧结矿碱度较高，不同碱度烧结矿的高温性能如图6 所示，烧结矿碱度越高，软熔温度相对越高，区间越宽，烧结矿本身透气性变差，与之相对应的精块矿或者球团矿使用比例也越高，其间的性能差异也就越大，对高炉影响也就越大。因此，烧结矿低于一定比例，或者，球团矿比和精块矿比高于一定比例，对高炉透气性会产生一定影响。炉料结构高温性能影响高炉软熔带分布，对高炉透气性影响大，在一定渣比范围内，炉料结构高温性能对高炉透气性影响要大于渣比对透气性影响程度，对合理炉料结构应该更关注其高温性能优劣。
3.3 炉料结构对高炉煤气流分布的影响
不同炉料结构对煤气流分布影响主要表现在由于各种炉料冶金性能差异，在高炉温度场的作用下，软熔带位置和形状各不相同，引起煤气流初始分布以及通过软熔带二次再分布发生变化，另外由于各种炉料比重、自然堆角以及形状等差异，在高炉布料表现不同特征，从而对高炉煤气流分布影响各不相同。
从布料制度方面看，由于球团矿和精块矿的比重均高于烧结矿，用球团矿或者精块矿替代烧结矿，在同样的矿焦负荷条件下，矿石总体积减少，在相同的布料制度条件下，料流质心在布料溜槽上的高度降低，布料过程中，在高炉内的落点位置相对远离炉墙，因此，低烧结比相对高烧结比，在同样布料制度下，边缘气流相对发展，中心气流相对受抑。
对于高球团比的炉料结构来讲，由于球团矿特殊的形状特点，与烧结矿和精块矿相比，自然堆角小，更容易滚动，按照宝钢布料模式，在平台漏斗料面形状下，球团更加容易滚至中心，减小漏斗深度，对中心煤气流的抑制更明显。
从布料角度看，不同炉料结构对高炉煤气流分布有一定影响，但其影响甚少，通过布料制度调整完全可以弥补，而不同炉料结构对高炉煤气流分布影响不仅仅局限于布料制度变化，其更大影响在于各种炉料冶金性能差异，改变高炉软熔带形状和位置高度，以至于影响高炉送风制度，导致高炉煤气流发生较大变化。
宝钢高炉使用的烧结矿与常用的球团矿和精块矿的软熔性能如图7 所示，与烧结矿相比，球团比和精块矿软化开始温度较低，熔融终了温度也较低，并且不同球团矿软熔性能差异较大，混合精块矿软熔性能更差。在炉料结构中，随着球团矿或者精块矿比例增加，软化开始温度降低，软熔带上移，间接还原减少，直接还原增加，不利于煤气利用，并且由于球团矿和精块矿熔融终了温度相对较低，劣化了软熔带透气性。从高炉十字测温煤气流分布看，温度场呈现上移趋势，特别边缘软熔带根部上移，结合大型高炉操作特点，边缘气流相对更发展，而根据宝钢炉料结构变化特点，球团矿品种不稳定，精块矿以混合精块矿为主，由于炉料软熔性能变动导致边缘气流变化较大，边缘软熔带根部变动较大，使边缘炉墙黏结物不稳定，以至于边缘煤气流处于不稳定状态。因此，炉料结构不稳定，容易导致煤气流分布不稳定，给高炉操作带来较大困难，炉料结构稳定是煤气流合理分布的基础。
根据高炉煤气流分布特点，在原料冶金性能变差条件下，高炉透气性变差，高炉鼓风动能下降，高炉炉腹煤气流不易吹透中心，主要分布在边缘，使边缘高温区上移，边缘软熔带层加宽，透气性更差，严重时导致边缘气流分布不均匀，形成管道。在这种情况下，上部采取适当控制边缘气流调剂方法，可以使中心气流相对发展，不仅使下部煤气流分布更合理，而且控制了边缘软熔带根部高度，缩小了软熔带层宽度，对改善高炉透气性是有利的，对于高炉下部吹透中心有利[5]。
在炉料结构高温软熔性能较差的情况下，尽量均匀布料，使料层均匀铺开，降低软熔带厚度，改善软熔带稳定性，对控制高温区有利，可以减缓因炉料结构和性能变化对高炉的影响。当高炉炉料结构发生变化，高炉煤气流随之也发生相应化。在实际生产中，为了保持炉况稳定顺行，操作制度要根据煤气流变化，进行相应调整，保持合理煤气流分布。宝钢3 号高炉第二代生产实绩看，在保证炉况稳定顺行的前提下，不同炉料结构对应的操作制度变化见表2, 可见，随着炉料结构变化：烧结矿比由80%降低至67%，球团矿比由8%提高至21%，精块矿比基本保持12%不变，在其他操作制度变化不大的情况下，为了保持煤气流分布合理并且大体相同，高炉布料制度相应进行调整，调整方向：适当控制边缘煤气流，而发展中心煤气流，反过来，可以看出，随着球团比增加，烧结矿比降低，煤气流分布变化趋势应该是：边缘煤气流相对增强，而中心煤气流相对减弱。如果不进行相应煤气流调剂，就会导致高炉煤气流分布失常，影响炉况稳定顺行。
不同炉料结构显现不同煤气流分布特点，操作制度必须与之相匹配，才能实现高炉稳定顺行。炉料结构相对稳定，冶金性能相对较好，高炉操作制度合理区间相对也较宽，相反，炉料结构越不稳定，冶金性能越差，操作制度合理区间越窄，因此，伴随铁矿石资源匮乏，品质劣化，对高炉操作技术要求越来越高。
4 结论
（1）优化炉料结构，不仅仅局限提升高炉入炉品位，改善炉料强度指标，关键改善炉料结构的综合冶金性能；
（2）高炉软熔带与高炉炉料结构的软熔性能密切相关，炉料结构不稳定，容易导致软熔带不稳定，高炉操作炉型变化，从而影响高炉顺行；
（3）以烧结矿为主的炉料结构，无论是增加精块矿比例，还是增加球团矿比例，软化开始温度降低，软化区间加宽，熔滴性能变差，软熔带加宽，高炉透气性变差，煤气流分布发生变化；
（4）不同炉料结构显现不同煤气流分布特点，操作制度必须与之相匹配，才能实现高炉稳定顺行。
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