高爐冶煉煉鐵技術工藝及應用探討

秦培華+++劉志英

【摘要】：隨著機械自動化水平的不斷提升，機械制造行業對鋼鐵的需求量在不斷提升，此外汽車、輪船、高層建筑等行業的快速發展進一步提升鋼鐵需求量的提升。作為鋼鐵生產的關鍵過程，高爐冶煉煉鐵技術工藝及應用的探討有著非常重要地位及價值。

【關鍵詞】：高爐冶煉煉鐵；工藝流程；工藝實現；發展

引言

煉鐵技術作為整個鋼鐵工業中的關鍵技術之一，對整個煉鐵工程的發展起著重要的作用。而高污染、高耗能、高物耗是我國鋼鐵生產的主要特征，這個特征在整體煉鐵系統中表現最為明顯。因此研究分析高爐煉鐵技術的工藝流程與應用有著重要的意義。

一、高爐煉鐵工藝技術參數

高爐冶煉過程是在一個密閉的豎爐內進行的。高爐冶煉過程的特點是，在爐料與煤氣逆流運動的過程中完成了多種錯綜復雜地交織在一起的化學反應和物理變化，且由于高爐是密封的容器，除去投入（裝料）及產出（鐵、渣及煤氣）外，操作人員無法直接觀察到反應過程的狀況，只能憑借儀器儀表間接觀察。為了弄清楚這些反應和變化的規律，首先應對冶煉的全過程有個總體和概括的了解，這體現在能正確地描繪出運行中的高爐的縱剖面和不同高度上橫截面的圖像。這將有助于正確地理解和把握各種單一過程和因素間的相互關系。高爐冶煉過程的主要目的是用鐵礦石經濟而高效率地得到溫度和成分合乎要求的液態生鐵。為此，一方面要實現礦石中金屬元素（主要為Fe）和氧元素的化學分離——即還原過程；另一方面還要實現已被還原的金屬與脈石的機械分離——即熔化與造渣過程。最后控制溫度和液態渣鐵之間的交互作用得到溫度和化學成分合格的鐵液。全過程是在爐料自上而下、煤氣自下而上的相互緊密接觸過程中完成的。低溫的礦石在下降的過程中被煤氣由外向內逐漸奪去氧而還原，同時又自高溫煤氣得到熱量。礦石升到一定的溫度界限時先軟化，后熔融滴落，實現渣鐵分離。已熔化的渣鐵之間及與固態焦炭接觸過程中，發生諸多反應，最后調整鐵液的成分和溫度達到終點。故保證爐料均勻穩定的下降，控制煤氣流均勻合理分布是高質量完成冶煉過程的關鍵。

二、高爐煉鐵工藝流程

（1）高爐本體。煉鐵生產的關鍵部分就是高爐本體，其是圓筒形設備，主要包括了由鋼鐵焊接成的爐殼、由耐火磚砌筑成的爐襯、冷卻設備、爐型、立柱、爐體框架以及高爐的基礎等部分。高爐內部空間就是爐型，其從下至上分成五段，包括了爐缸、爐腹、爐腰、爐身以及爐。在高爐內完成整個煉鐵過程。

（2）上料系統。上料系統的工作是把高爐所需要的原燃料，根據一定的比例經過上料設備完整地運送至爐頂受料漏斗內。

（3）裝料系統。裝料系統的工作是把上料系統運送的爐料，裝入爐中，并均勻分布在爐中。該系統也能夠起到回收煤氣與密封爐頂的作用。

（4）送風系統。送風系統的工作是把鼓風機運送的冷風通過熱風爐進行預熱處理后送至高爐內。

（5）煤氣凈化系統。煤氣凈化系統的工作是凈化處理在高爐煉鐵過程中所產生的含量偏高的荒煤氣，以此得到達標的氣體燃料。

（6）渣鐵處理設備。渣鐵處理系統的工作是把爐中放出的鐵和渣，根據相關要求進行處理。

（7）噴吹燃料設備。噴吹燃料設備的工作是把煤進行收集、計量以及磨制后，從風口穩定、均勻地噴至高爐中。

三、高爐冶鐵煉鐵具體技術工藝的實現

1、焦炭燃燒

一般而言，高爐煉鐵時風口前溫度可達到1800～1900℃左右，這也是爐內最高溫度值，隨著爐體上升溫度會緩慢下降。由裝料系統送入高爐本體中的焦炭，在下落過程中即會逐漸加熱，當焦炭到達爐缸風口附近時，遇風口熱風充分燃燒而形成二氧化碳并放出大量熱量。然后二氧化碳在上升過程中，因氧氣的缺乏和大量的焦炭的存在，會繼續反應生成一氧化碳和氫氣。最終，焦炭燃燒的產物為一氧化碳和少量的氫氣，這也是后續工藝中鐵氧化物和其它非鐵元素的主要還原劑。

2、鐵氧化物和非鐵元素的還原

高爐內鐵氧化物主要有三氧化二鐵、四氧化生鐵、硫化鐵等。各種鐵氧化物的還原過程為：一氧化碳在沿爐內上升過程中，與鐵礦石接觸使鐵氧化物還原，其溫度多在低于1100℃的范圍內進行，然后依次由鐵的高氧化物還原為鐵的低氧化物，并最終還原為鐵。具體還原與分解順序為：

3Fe2O3→2Fe3O4→6FeO→6Fe

礦料內除鐵元素以外，通常還包含有錳、硅、磷等非鐵元素。這些非鐵元素的還原主要依靠一氧化碳或固體碳作為還原劑來進行。以錳元素的還原為例，鐵礦石中錳元素多以二氧化錳的形式存在，其還原過程也與鐵氧化物還原相類似，具體還原與分解順序為：

6MnO2→3Mn2O3→2MnO4→6MnO→6Mn

3、去硫工藝

高爐中的硫主要以硫化鐵的形式存在于焦炭、礦石、熔劑等爐料中。由于硫元素會造成鐵產品具有熱脆性，對鋼鐵質量造成嚴重影響，因此必須采取去硫處理。具體工藝是在爐料中添加入較多的石灰石，使硫化鐵與氧化鈣在爐內的高溫下生成化學反應，而產生不溶于鐵而溶于爐渣的硫化鈣，以起到去硫留鐵的目的。

四、高爐煉鐵技術未來的發展

1、高爐大型化

近年來，我國高爐的大型化有了很大進步。隨著高爐大型化，高爐裝備水平有了很大提高，裝備技術也有長足進步，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先的裝備水平。在裝備技術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、高溫熱風爐、富氧鼓風、脫濕鼓風等等裝備。

高爐大型化除了對高爐爐內現象進行了更精細的研究外，還必須弄清各種爐內現象，合理控制循環區及死料堆的形成行為、焦炭粉化及產生堆積的行為，這些行為對爐料透氣性和下料有重大的影響。進一步有必要尋求重要操作因素以制定合適的送風制度和裝料制度。

2、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、智能化檢測技術、軟測量技術、數據處理技術、惡劣環境下的可靠性技術為手段對高爐工藝流程進行在線連續檢測，通過數字成像技術，使密閉的高爐成為基于爐內檢測，機理及經驗模型，數字成像技術的可視化高爐。針對高爐操作穩定，降低生產成本的高爐可視化應用，應首先考慮高爐長壽和原料適應性。

（2）生態高爐

是通過提高爐內反應強度，通過檢測及控制提供調整反應強度手段.持續提高噴煤比。通過設置相關檢測，調整操作，大力削減污染物排放。包括粉塵、CO、CO2、氮化物和硫化物。為實現生態高爐的目標，高爐自動化需隨著高爐煉鐵技術的發展，實現控制機能的實施及過程的優化。

（3）低成本高爐

通過合理的檢測及自動化設備配置，降低高爐建設成本。通過全集成的自動化控制系統，先進的管理和控制功能，提高勞動生產率，減少定員及維護費用。通過設置相關檢測設備及模型及專家系統，優化過程，提高原料適應性。

結語

綜上所述，科學技術的日益進步，使得高爐煉鐵技術在不斷的改進，高爐煉鐵技術依然占據著重要的地位。因此相關工作人員還需要進一步改善煉鐵系統，使得改善后的煉鐵系統能夠達到降低投資成本、節約資源、降低能夠消耗的效果，全面提高我國鋼鐵企業在市場上的競爭力，推動我國鋼鐵行業的可持續性發展。

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