高爐煉鐵技術(shù)未來的發(fā)展

摘要：高爐是煉鐵的專用設(shè)備。雖然近代技術(shù)研究了直接還原、熔融技術(shù)還原等冶煉工藝，但它們都不能取代高爐，高爐生產(chǎn)是目前獲得大量生鐵的主要手段。筆者首先分析了我國高爐煉鐵技術(shù)現(xiàn)狀，基于此，展望了高爐煉鐵技術(shù)未來的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：高爐煉鐵；現(xiàn)狀；未來發(fā)展

一、前言

二十一世紀(jì)也是高爐煉鐵“變革的世紀(jì)”，期望在新時(shí)期鋼鐵產(chǎn)業(yè)能夠進(jìn)入資源、能源和環(huán)境的和諧，這是確立煉鐵業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要關(guān)鍵。我國許多高爐已經(jīng)感到當(dāng)前形勢的變化，并采取了相應(yīng)的措施。對高爐煉鐵技術(shù)發(fā)展的方向有了新的認(rèn)識，為振興煉鐵工業(yè)打下了基礎(chǔ)。

二、我國高爐煉鐵技術(shù)現(xiàn)狀分析

由于鋼材的應(yīng)用靈活廣泛、具有良好的成本效益和優(yōu)異的可回收利用性，使得鋼鐵成為支撐現(xiàn)代工業(yè)化社會可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)材料。在國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的拉動下，中國鋼鐵工業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展階段，這也帶動了高爐煉鐵的快速發(fā)展。伴隨著中國生鐵產(chǎn)量的高速增長，中國高爐煉鐵技術(shù)水平也取得了一定進(jìn)展。由于生鐵產(chǎn)量的高速增長造成了全國鐵礦石，焦炭供應(yīng)緊張，價(jià)位攀升，質(zhì)量下降，成分不穩(wěn)定，導(dǎo)致了部分高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)下滑。表現(xiàn)在入爐品位雖提高，但入爐焦比升高，噴煤比下降等現(xiàn)象。

三、高爐煉鐵原理分析

煉鐵過程實(shí)質(zhì)上是將鐵從其自然形態(tài)一一礦石等含鐵化合物中還原出來的過程。煉鐵方法主要有高爐法、直接還原法、熔融還原法等，其原理是礦石在特定的氣氛中（還原物質(zhì)CO，H2，C；適宜溫度等）通過物化反應(yīng)獲取還原后的生鐵。生鐵除了少部分用于鑄造外，絕大部分是作為煉鋼原料。

高爐煉鐵是現(xiàn)代煉鐵的主要方法，鋼鐵生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)。這種方法是由古代豎爐煉鐵發(fā)展、改進(jìn)而成的。盡管世界各國研究發(fā)展了很多新的煉鐵法，但由于高爐煉鐵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)良好，工藝簡單，生產(chǎn)量大，勞動生產(chǎn)率高，能耗低，這種方法生產(chǎn)的鐵仍占世界鐵總產(chǎn)量的95%以上。

高爐生產(chǎn)時(shí)從爐頂裝入鐵礦石、焦炭、造渣用熔劑（石灰石），從位于爐子下部沿爐周的風(fēng)口吹入經(jīng)預(yù)熱的空氣。在高溫下焦炭（有的高爐也噴吹煤粉、重油、天然氣等輔助燃料）中的碳同鼓入空氣中的氧燃燒生成的一氧化碳和氫氣，在爐內(nèi)上升過程中除去鐵礦石中的氧，從而還原得到鐵。煉出的鐵水從鐵口放出。鐵礦石中不還原的雜質(zhì)和石灰石等熔劑結(jié)合生成爐渣，從渣口排出。產(chǎn)生的煤氣從爐頂導(dǎo)出，經(jīng)除塵后，作為熱風(fēng)爐、加熱爐、焦?fàn)t、鍋爐等的燃料。

四、高爐煉鐵技術(shù)未來的發(fā)展

1. 充分利用煉鐵資源和能源

在鋼鐵企業(yè)煉鐵系統(tǒng)的資源消耗和能耗消耗約占70%，在煉鐵系統(tǒng)中削減CO2排放量是迫切的任務(wù)。理論上一噸鐵水最少需要414kg的碳，或者465kg的焦炭，其中333kg的碳或者80%的焦炭將用于化學(xué)反應(yīng)。各廠高爐采取了降低燃料比、焦比，提高熱效率、還原效率，噴吹煤粉、噴吹塑料，回收一切可能回收的熱量等等降低 CO2排放的一系列措施。

（1）高效利用資源、能源

近年來，我國高爐生產(chǎn)理念已經(jīng)發(fā)生了根本變化，過去單純強(qiáng)調(diào)高產(chǎn)，如今轉(zhuǎn)變?yōu)椤案咝А保嗉锤咝Ю觅Y源、高效利用能源、高效利用設(shè)備。

（2）噴煤技術(shù)

我國煤炭已由以往的原料出口國轉(zhuǎn)變?yōu)檫M(jìn)口國，在此之前，我國焦煤早已成為進(jìn)口國了。我國早在 1963年就開發(fā)了噴煤技術(shù)，是最早采用噴煤的國家之一。近年來，為了降低原燃料的成本，大力提倡噴吹煤粉，寶鋼等廠長期維持超過 200kg/t 大噴吹量。可是由于礦石和煤的品位降低，噴吹量僅維持在了120～200kg/t。為了提高噴煤量，除了改善原燃料條件以外，適當(dāng)發(fā)展中心氣流、控制爐頂溫度和壓力降、避免軟熔帶透氣性惡化，降低未燃炭和入爐焦粉量，采取活躍爐缸中心和死料堆等措施，以及采取中心加焦控制氣流分布，采用混合配煤以提高煤粉燃燒率，改善礦石高溫還原性等措施，均可獲得滿意的效果。由于各高爐的生產(chǎn)條件不同，在高利用系數(shù)，低燃料比的條件下，提高煤比必須采用焦炭強(qiáng)度高，低SiO2、低 Al2O3和高溫還原性良好的燒結(jié)礦。

2.高爐大型化

近年來，我國高爐的大型化有了很大進(jìn)步。隨著高爐大型化，高爐裝備水平有了很大提高，裝備技術(shù)也有長足進(jìn)步，裝備的本地化率不斷提高。

在世界上，我國新建大型高爐具有領(lǐng)先的裝備水平。在裝備技術(shù)方面采用了無料鐘爐頂、銅冷卻壁、高壓爐頂、噴煤裝置、水渣粒化裝置、爐前煙氣除塵裝置、高溫?zé)犸L(fēng)爐、富氧鼓風(fēng)、脫濕鼓風(fēng)等等裝備。

高爐大型化除了對高爐爐內(nèi)現(xiàn)象進(jìn)行了更精細(xì)的研究外，還必須弄清各種爐內(nèi)現(xiàn)象，合理控制循環(huán)區(qū)及死料堆的形成行為、焦炭粉化及產(chǎn)生堆積的行為，這些行為對爐料透氣性和下料有重大的影響。進(jìn)一步有必要尋求重要操作因素以制定合適的送風(fēng)制度和裝料制度。

3.高爐長壽及快速大修

由于高爐大型化高爐大修對整個鋼鐵企業(yè)將產(chǎn)生影響巨大，由于設(shè)備更新資金的短缺、高爐穩(wěn)定操作和爐體維修技術(shù)的發(fā)展，各國都在大力研究高爐的長壽技術(shù)。

世界各國都十分重視高爐的長壽技術(shù)。超過15 年的長壽高爐不斷增加，我國也出現(xiàn)了超過 15年的長壽高爐。在長壽技術(shù)中，有以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）合理的高爐爐體設(shè)計(jì)技術(shù)

采用合理內(nèi)型；采用銅冷卻壁；例如日本的鑄銅冷卻壁技術(shù)，新日鐵為了提高銅冷卻壁的可靠性和降低銅冷卻壁的制造費(fèi)用，開發(fā)的鑄入鋼管的銅冷卻壁，它具有成本低（只有軋制銅冷卻壁 60%的價(jià)格）、設(shè)備可靠性高（沒有鉆孔的塞焊縫、沒有水管與銅板的焊接接頭等潛在的漏水隱患），水管布置靈活，爐殼開孔少等優(yōu)點(diǎn)。

特別是，為了克服爐缸環(huán)流加深死鐵層，同時(shí)提高爐缸爐墻耐材的抗鐵水侵蝕性，提高炭磚的導(dǎo)熱率，防止鐵水的滲透將氣孔微細(xì)化，以及爐缸側(cè)壁采用銅冷卻壁，以改進(jìn)爐體冷卻。

（2）操作管理技術(shù)：

由高爐布料控制爐內(nèi)氣流分布降低爐墻熱負(fù)荷；

保持高爐的穩(wěn)定操作，降低爐體、爐缸熱負(fù)荷的波動；

控制爐缸、爐底冷卻，強(qiáng)化側(cè)壁溫度管理；

改善出鐵制度和布料技術(shù)，控制爐缸鐵水流動。

4.減少 CO2排放的新工藝

高爐是直接排放CO2的工藝，所以主要目標(biāo)是降低所以主要目標(biāo)是減少投入高爐中的碳，尤其是焦炭。在歐洲ULCOS工程，為煉鋼評估單位容積內(nèi)的物料、電、氫、天然氣的消耗，同時(shí)也對降低碳進(jìn)行評估。國外正在研究多種全氧并利用爐頂煤氣循環(huán)的工藝，RFCS 正在研究一種全氧高爐。用冷的氧氣替代熱風(fēng)從風(fēng)口鼓入，將大部分爐頂煤氣經(jīng)過一個CO2洗滌塔，一部分被處理過的富含CO的煤氣被循環(huán)使用到風(fēng)口加熱到 1200℃，其余部分被加熱到 900℃，并鼓入位于爐身下部的第二排風(fēng)口。模型計(jì)算約使用 175kg/t 煤、焦比降低到200kg/t，燃料比降低了 24%，并在 LKAB 實(shí)驗(yàn)高爐上得到了驗(yàn)證。計(jì)劃建設(shè)具有煤氣回收技術(shù)的50萬噸高爐。但要達(dá)到大高爐的規(guī)模大約還要15～20年。

5.高爐煉鐵自動化

（1）可視化高爐

采用新型高精度傳感器技術(shù)、智能化檢測技術(shù)、軟測量技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、惡劣環(huán)境下的可靠性技術(shù)為手段對高爐工藝流程進(jìn)行在線連續(xù)檢測，通過數(shù)字成像技術(shù)，使密閉的高爐成為基于爐內(nèi)檢測，機(jī)理及經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑪?shù)字成像技術(shù)的可視化高爐。針對高爐操作穩(wěn)定，降低生產(chǎn)成本的高爐可視化應(yīng)用，應(yīng)首先考慮高爐長壽和原料適應(yīng)性。

（2）生態(tài)高爐

是通過提高爐內(nèi)反應(yīng)強(qiáng)度，通過檢測及控制提供調(diào)整反應(yīng)強(qiáng)度手段.持續(xù)提高噴煤比。通過設(shè)置相關(guān)檢測，調(diào)整操作，大力削減污染物排放。包括粉塵、CO、CO2、氮化物和硫化物。為實(shí)現(xiàn)生態(tài)高爐的目標(biāo)，高爐自動化需隨著高爐煉鐵技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)控制機(jī)能的實(shí)施及過程的優(yōu)化。

（3）低成本高爐

通過合理的檢測及自動化設(shè)備配置，降低高爐建設(shè)成本。通過全集成的自動化控制系統(tǒng)，先進(jìn)的管理和控制功能，提高勞動生產(chǎn)率，減少定員及維護(hù)費(fèi)用。通過設(shè)置相關(guān)檢測設(shè)備及模型及專家系統(tǒng)，優(yōu)化過程，提高原料適應(yīng)性。

五、結(jié)語

綜上所述，隨著高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)不斷進(jìn)步， 未來高爐煉鐵工藝技術(shù)將會繼續(xù)占有主導(dǎo)地位。煉鐵系統(tǒng)應(yīng)深入開展節(jié)能降耗、降成本工作， 進(jìn)而提高鋼鐵工業(yè)的市場競爭力。

參考文獻(xiàn)：

[1]儲滿生 郭憲臻 沈峰滿：《高爐煉鐵新技術(shù)的數(shù)學(xué)模擬研究》，《東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》， 2007年06期

[2]顧祥林 劉振均 吳淑華：《寶鋼1#高爐爐況操作功能綜合開發(fā)及應(yīng)用》，《冶金自動化》， 2000年06期

[3]于仲潔：《高爐煉鐵技術(shù)未來的發(fā)展》，《鋼鐵研究》， 2000年01期

[4]劉穎 霍璐：《高爐煉鐵新技術(shù)研究》，《商品與質(zhì)量》， 2012年09期