當前高爐煉鐵工藝及自動化技術的發展

李繼鋒，李 強， 汪 克

截止到2020年，全世界5000m3的高爐數量為32座，其中，我國獨占9座，這不僅代表著我國綜合國力的提升，同時，也標志著高爐煉鐵工藝在鋼鐵生產領域已經獨占鰲頭。雖然高爐煉鐵是我國煉鐵領域當中最常用的技術，但是隨著現代信息技術以及科學水平的進一步提高，高爐煉鐵也應該引進一些新的技術手段，以此來提高煉鐵的質量和效率，滿足我國的市場需求，提高我國在國際上的核心競爭力。在高爐煉鐵當中引用自動化技術可以進一步拓展我國鋼鐵生產的發展空間，提高該行業在國際市場上的競爭力，同時還能夠貫穿落實我國節能減排的政策，促進該行業的可持續發展，推動我國工業實現質的飛躍。在這一利好形勢下，我國的鋼鐵企業在抓生產、促質量、保安全、提產量的同時，不斷對高爐煉鐵工藝進行創新和改進，尤其在自動化技術體系日趨完善的今天，通過高爐煉鐵工藝而創造的直接經濟效益與社會價值已經逐步突顯出來，特別在促進國民經濟持續穩定增長方面，表現的尤為明顯。

1 煉鐵高爐的基本結構

煉鐵高爐主要由爐喉、爐身、爐腰、爐腹及爐缸等結構組成。其中，爐喉位于高爐本體的最上端，外形結構呈現出圓筒形，在煉鐵生產過程中，爐喉主要扮演爐料加入口與煤氣導出口的角色，該結構可以爐料的填入量與煤氣的導出量進行有效控制。爐身是礦石發生間接還原反應的重要區域，其外形多以圓錐或者圓臺形為主，由下至上逐漸縮小，這一設計原理主要是為了防止爐身受熱膨脹以后出現料拱現象。爐腰與爐身緊鄰，是整個爐體當中直徑最大的部位，在爐體中，使爐身和爐腹能夠實現平穩過渡。在煉鐵過程中，爐腰部位容易積存大量的爐渣，如果累積量過大，則會影響爐料的透氣性，進而影響煉鐵質量，因此，為了避免這種情況的發生，在設計爐腰時，通常以大直徑為主，同時，也需要與爐身之間保持一個平衡比例，以凸顯爐體的美觀度。爐腹一般呈現倒錐臺的形狀，該部位是高爐熔化與造渣的重要區段，當高溫熔化作用結束以后，高爐內的溫度快速降低，這時，爐料的體積極易出現收縮現象，進而逐漸形成一個爐腹角，而爐料成分恰恰可以停留在爐腹內，這就使爐料的透氣性得到有效改善。爐腹的高度一般介于3.0m～3.6m之間，爐腹角度一般在79°～82°之間，如果角度過大，煤氣流分布將呈現分散狀態，如果角度過小，則對爐料的透氣性將造成不良影響。爐缸多以圓筒形為主，出渣口、出鐵口都位于該區段，因此，該區段也是發生物理與化學反應最為頻繁的區段。

2 高爐煉鐵工藝流程

在高爐煉鐵生產過程當中，較為常用的原料與燃料包括鐵礦石、焦炭、石灰石，其中石灰石屬于熔劑，即可以提高焦炭的燃燒效率。一般情況下，1.5t～2.0t鐵礦石能夠煉制1t左右的生鐵，需要消耗0.4t～0.6t左右的焦炭、0.2t～0.4t的石灰石熔劑。由于煉鐵過程屬于一種連續性工藝，因此，需要保證充足的原料供應量。其煉鐵的基本原理是持續向爐頂加入鐵礦石原料，然后從爐缸部位的吹風口，吹入熱風，熱風的溫度一般介于1000℃～1300℃之間，與此同時，需要向爐內噴入油、煤或者天然氣等助燃劑，來提高爐內的溫度。在高溫作用下，焦炭中釋放出的一氧化碳氣體將直接與鐵礦石發生化學反應，進而得到二氧化碳和鐵等物質，在經過化學還原反應之后，鐵水從出鐵口流出。而原料礦中的脈石及焦炭燃料與噴吹物當中的灰分以及石灰石等熔劑則生成爐渣，并從出渣口排出。另外，從爐頂噴入的煤氣，經過干法除塵處理后，可以進行二次利用，進而實現節能減排的既定目標。以直接還原反應原理為例：在850℃左右的高溫區，二氧化碳與水將直接與焦炭發生化學還原反應而生成一氧化碳和氫氣，化學反應式為：CO2+C→2CO-39600千卡、H2O+C→H2+CO-29730千卡。因此，從煉鐵全過程看，實際是碳素直接還原氧化鐵而生成一氧化碳與鐵的過程，即：FeO+C→Fe+CO-36350千卡。

3 當前高爐煉鐵工藝分析

3.1 爐前操作

高爐自動化技術的發展主要有流程方面的自動化控制，煉鐵過程當中的自動化控制，因此整個技術的核心環節是集中在基礎自動化控制系統當中。在高爐生產控制系統當中，通過計算機來對整個生產活動進行控制，通過計算機完成數據的處理和分析工作，并在機械上設置相關的程序軟件，來進行操作，對儀表盤的數據進行自動調節。為了保證高爐生產過程能夠連續進行，現場操作人員首先需要利用開口機、泥炮或者堵渣機等專屬設備與器具，在規定的時間內，將出渣口與出鐵口打開，并把留存在高爐內的爐渣、鐵水等成分排出爐體，然后對出渣口與出鐵口進行封堵，為了順利完成出鐵與出渣工序，操作人員應當及時更換風、渣口等冷卻設備，并對渣鐵運輸線進行清理。如果高爐無法排出凈渣鐵，一方面會影響爐缸料柱的透氣性，進而導致下料速度緩慢，甚至還會出現崩料、懸料以及風口灌渣等事故。如果爐缸內積存的渣鐵數量過大，那么高溫渣鐵將極易燒損渣口，嚴重的還會引發爆炸事故。

高爐爐前操作需要明確以下幾個概念，即出鐵次數、出鐵正點率、鐵口深度合格率、鐵量差、上渣率等。其中，出鐵次數的確定應當遵循以下原則，第一，單次最大出鐵量應當低于爐缸安全容鐵量。第二，出鐵準備時間充分，并保證高爐順行。第三，出鐵次數的確定應當給鐵口維護提供便利。出鐵正點率是出鐵口正常開啟后的凈渣鐵排出量，如果正點率誤差較大，則會給出鐵口維修維護工作帶來不利影響，進而影響后續的煉鐵生產效率。鐵口深度合格率主要是指鐵口深度合格次數與實際出鐵次數的比值，如果鐵口過淺，則容易引發出鐵事故，比如燒穿爐缸等。鐵量差是每一次實際出鐵量與理論計算出鐵量之間的差值，一般二者的差距介于10%～15%之間。而上渣率則是針對帶有出渣口的高爐而言，從高爐出渣口排出的爐渣被稱之為上渣，而從出鐵口排出的爐渣則稱之為下渣，上渣率即是從出渣口排放的爐渣量占全部爐渣量的百分比。如果上渣率高，則說明出鐵口的排渣量較小，進而能夠有效保護出鐵口免于受損。

3.2 出鐵操作

出鐵口主要由于鐵口框架、冷卻板、磚套、鐵口孔道等結構組成，由于出鐵口同時排放鐵水與爐渣，因此，該位置發生物理與化學反應頻率較高，這就使得出鐵口的工作條件相對比較惡劣。在這種情況下，出鐵口周邊的爐底與爐墻等結構將受到嚴重侵蝕，為了提升出鐵率，設備檢修人員需要及時對出鐵口進行維護，首先，出鐵口深度應當符合標準要求，即容積介于1000m3～2000m3之間的高爐，出鐵口深度應當在2.0m～2.5m之間，容積介于2000m3～4000m3之間的高爐，出鐵口深度應當在2.5m～3.2m之間，容積超過4000m3以上時，出鐵口深度應當在3.0m3～3.5m3之間。如果出鐵口過淺，則極易產生以下危害：第一，爐墻厚度變薄，出鐵口維護難度加大，容易引起出鐵口爆炸或者燒損爐缸等安全事故。第二，如果出鐵口過淺，在出鐵過程中，容易出現“跑大流或者跑焦炭”事故，這時，高爐內的溫度波動幅度也將變大。第三，部分渣鐵積存在爐缸內無法排出，進而給爐料的透氣性造成不良影響，而且出渣口出現爆炸的風險也將陡然上升。因此，現場操作人員應當始終保持正常的出鐵口深度，在出鐵與出渣過程中，渣鐵排出時間應當滿足標準要求，同時，對渣鐵的排出情況進行檢查，以保證爐缸內沒有積存的渣鐵。另外，需要合理控制打泥量，以容積為2500m3的高爐為例，打泥量一般在300kg左右，炮泥的消耗量為0.8k/t。

3.3 出鐵口打開方法

現場操作人員首先利用開口機鉆到赤熱層，然后將出鐵口捅開，如果赤熱層含有凝鐵，可以利用氧氣等助燃氣體將其燒開，并利用開口機將出鐵口鉆漏，為了避免開口機滯留在爐體內，應當快速退出開口機。如果采用埋置鋼棒法，拔炮操作必須在出鐵口封堵之后的20min～30min內完成，然后將開口機鉆進出鐵口，鉆入深度為爐體橫向深度的2/3，接下來，利用長度為5m的圓鋼棒打入出鐵口，當出鐵口位置排出渣鐵后，應當及時拔出開口機。

3.4 出鐵準備工作

出鐵前，現場操作人員首先應對渣鐵溝進行清理，并壘好砂壩與砂閘，檢查出鐵口位置的泥套、撇渣器、渣鐵流嘴的使用狀態是否完好，如果出現破損的情況，應當及時進行修補與烤干處理。在裝泥過程中，應對泥質進行檢查，硬泥、軟質泥與凍泥不得混入缸體內，為了保證出鐵效率，操作人員應對開口機、泥炮等設備進行試運轉，以便于及時排除故障隱患。另外，渣鐵罐內不得留有水或者潮濕性的雜物，撇渣器內鐵水表面殘渣凝蓋應當處于旋開狀態，以確保鐵流暢通。由于渣鐵排出過程中伴隨著高溫，并且具有流動性特征，因此，現場作業人員應當做好安全防護措施，以防止燒燙傷等安全事故的發生。在爐渣與鐵水排出過程中，受到鐵口直徑、高爐內壓力、鐵口深度等因素的影響，出鐵量也將出現較大的波動區間。

3.5 放渣準備工作

在放渣工序開始之前，需要對渣溝進行清理，然后檢查泥套、水槽與溝嘴是否完好無損。為了避免渣罐爆炸事故的發生，渣罐內應當保證無積水與潮濕性雜物。由于在放渣過程中，經常出現渣口堵塞的情況，因此，現場作業人員應當事先準備好大錘、鋼釬、鐵鍬等通淤工具，以保證渣口實時保持通暢。在進入放渣工序以后，可以采用帶風堵渣機，當堵渣機頭拔出后，爐缸內的爐渣將自動流出，現場管理人員應對放渣情況進行實時跟蹤，尤其對渣口的完好情況，應當特別予以關注，如果爐渣距離渣罐頂部的距離小于300mm以后，應當及時將爐渣運送至指定的堆放地點，這時，應當做好堵口工作，以防止爐渣溢出。

4 自動化技術在高爐煉鐵中的具體應用與發展趨勢

4.1 基于PLC技術的自動控制系統

近年來，隨著PLC技術的日漸成熟，在工業生產領域的應用頻率越來越高，應用范圍越來越廣，尤其對鋼鐵生產企業來說，PLC技術在高爐煉鐵自動化系統扮演著重要角色。比如以高爐煉鐵噴煤系統為例，該系統與PLC之間通過I/O與多種智能單元模塊相連，進而完成數據輸入與輸出工序。其中，交流開關在整個噴煤系統當中占據著核心位置，它可以同時對繼電器、寄存器、時鐘脈沖進行有效控制。系統的程序設計原理如下：在編寫程序時，參照于PLC的梯形圖，一個設計周期是從電機啟動開始，一直到原煤運輸、磨粉工序結束。經過一段時間后，系統內部的定時器將自動復位，這樣一來，當原煤被磨完之后，系統將自動停止運轉，這就節省了大量的電力能源。在對煤粉進行處理時，處理過程一般經過燃燒爐、引風機與氮氣包，在氮氣包的作用下，煤粉收集器、儲煤罐等裝置將同時運轉，這一過程無需進行斷電延時，當經過一個短暫的時鐘脈沖后，煤粉最終被存儲在收集器當中，通過PLC技術的應用，不僅提升了噴煤效率，同時，也降低了能源消耗，進而可以為企業節約更多的生產投入成本。

4.2 過程自動化控制系統

過程自動化控制系統主要是在主爐煉鐵過程中，從爐頂裝料工序開始到渣鐵排放等所有工序，都能夠實現自動化控制與管理。這其中涉及遠程系統操作、指令執行、數學模型計算、數據報表處理、生產過程監視以及數據通信等。尤其是專家系統的引入，為高爐煉鐵生產的安全性與可靠性提供了強大的技術支持。如果高爐的某一個部位出現故障，自動化系統將第一時間將故障信息反饋給系統終端，終端操作人員只需要根據反饋信息的內容，便可以制訂一套針對性強、實效性好的故障排除方案，并且可以和專家系統中存儲的信息進行比對，這樣可以快速確定故障類型以及具體的部位。由此可以看出，過程自動化控制系統是實現無人化操作的一個重要載體。

4.3 高爐煉鐵自動化技術的發展趨勢

隨著互聯網技術、圖像處理技術、移動通訊技術、計算機技術以及人工智能技術的迅猛發展，高爐煉鐵的自動化水平也越來越高，技術先進性與高端性也逐步浮出水面，因此，高爐煉鐵自動化技術具有廣闊的發展空間與前景。尤其在“節能降耗、綠色環保”理念提出以后，國內各鋼鐵企業不斷對高爐煉鐵工藝進行改進和創新，將研制出了一些新型的生態高爐、可視化高爐與低成本高爐的應用技術，并在實際應用過程當中取得了較好的效果。

4.3.1 生態高爐

生態高爐主要是通過提高噴煤比的方法，來減少煤礦能源的消耗量，同時，也可以大幅降低粉塵、一氧化碳、二氧化碳、硫化物與氮化物的排放量，避免給自然生態環境造成污染。目前，在高爐煉鐵領域，生態高爐的改造技術已經逐步成熟，并且取得了較為理想的實際應用效果。比如以噴吹低濃度二氧化碳的創新技術為例，對于鋼鐵生產企業來說，二氧化碳的排放量與能源消耗之間存在著必然聯系，而噴吹低濃度二氧化碳則是減少二氧化碳排放量的一種有效手段，比如第一次將原始煤氣中的二氧化碳脫除25%，并將其噴吹到高爐內，這時，煤氣的利用率從原來的51.564%提高到75.24%，如果第二次將原始煤氣中的二氧化碳脫除50%，那么煤氣的利用率則由原來的51.564%提升到77.675%，如果最后一次將原始煤氣中的二氧化碳脫除100%，那么煤氣的利用率則由51.564%提升到83.795%，可見，利用這種技術，能夠節省大量的資源能源，而且原料礦的轉化率也得到大幅提升。

4.3.2 可視化高爐與低成本高爐

可視化高爐主要利用先進的傳感器技術、智能檢測技術、數據處理技術以及數字成像為主，將高爐煉鐵的工藝流程全過程進行在線連續檢測，檢測結果可以直接呈現在終端顯示器上面，這時，操作人員只需要在操作室內便可以完成對高爐煉鐵過程的監視與管理，這種先進的可視化技術既節省了大量的人力資源成本，而且也為故障排除爭取了大量時間。

而低成本高爐則是出于對經濟性指標的考慮，而在高爐安裝、檢測、使用過程中配備自動化設備與儀器，進而實現對高爐安裝過程、使用過程與檢測過程的自動化監測。在監測過程中，無需相關操作人員的介入，只需要借助于系統的自動化與智能化功能，便可以快速的完成監測任務，并且監測結果的準確性也相對較高，這就給鋼鐵生產企業節省了大量的生產成本。

5 結語

（1）提高廢鋼比，可以減少鐵水用量，有助于降低轉爐生產成本。

（2）提高廢鋼比，可減少石灰用量和渣量，減少渣中鐵損，提高冶煉收得率。

（3）廢鋼量增加，可以縮短冶煉時間，降低氧氣消耗。

自動化技術在高爐煉鐵中的應用，不僅促進了煉鐵生產效率的提升，同時，也推進了煉鐵工藝的自動化、智能化、現代化發展進程。隨著自動化技術水平的高速發展，相信高爐煉鐵工藝水平也將躍升到一個全新的高度，而高爐煉鐵所創造的直接經濟效益、生態效益與社會效益也將逐步顯現出來。