高爐煉鐵技術未來的發展

摘要：高爐是煉鐵的專用設備。雖然近代技術研究了直接還原、熔融技術還原等冶煉工藝，但它們都不能取代高爐，高爐生產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現狀，基于此，展望了高爐煉鐵技術未來的發展。

關鍵詞：高爐煉鐵；現狀；未來發展

一、前言

二十一世紀也是高爐煉鐵“變革的世紀”，期望在新時期鋼鐵產業能夠進入資源、能源和環境的和諧，這是確立煉鐵業持續發展的重要關鍵。我國許多高爐已經感到當前形勢的變化，并采取了相應的措施。對高爐煉鐵技術發展的方向有了新的認識，為振興煉鐵工業打下了基礎。

二、我國高爐煉鐵技術現狀分析

由于鋼材的應用靈活廣泛、具有良好的成本效益和優異的可回收利用性，使得鋼鐵成為支撐現代工業化社會可持續發展的基礎材料。在國民經濟快速發展的拉動下，中國鋼鐵工業進入快速發展階段，這也帶動了高爐煉鐵的快速發展。伴隨著中國生鐵產量的高速增長，中國高爐煉鐵技術水平也取得了一定進展。由于生鐵產量的高速增長造成了全國鐵礦石，焦炭供應緊張，價位攀升，質量下降，成分不穩定，導致了部分高爐技術經濟指標下滑。表現在入爐品位雖提高，但入爐焦比升高，噴煤比下降等現象。

三、高爐煉鐵原理分析

煉鐵過程實質上是將鐵從其自然形態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CO，H2，C；適宜溫度等）通過物化反應獲取還原后的生鐵。生鐵除了少部分用于鑄造外，絕大部分是作為煉鋼原料。

高爐煉鐵是現代煉鐵的主要方法，鋼鐵生產中的重要環節。這種方法是由古代豎爐煉鐵發展、改進而成的。盡管世界各國研究發展了很多新的煉鐵法，但由于高爐煉鐵技術經濟指標良好，工藝簡單，生產量大，勞動生產率高，能耗低，這種方法生產的鐵仍占世界鐵總產量的95%以上。

高爐生產時從爐頂裝入鐵礦石、焦炭、造渣用熔劑（石灰石），從位于爐子下部沿爐周的風口吹入經預熱的空氣。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和石灰石等熔劑結合生成爐渣，從渣口排出。產生的煤氣從爐頂導出，經除塵后，作為熱風爐、加熱爐、焦爐、鍋爐等的燃料。

四、高爐煉鐵技術未來的發展

1. 充分利用煉鐵資源和能源

在鋼鐵企業煉鐵系統的資源消耗和能耗消耗約占70%，在煉鐵系統中削減CO2排放量是迫切的任務。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%的焦炭將用于化學反應。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，我國高爐生產理念已經發生了根本變化，過去單純強調高產，如今轉變為“高效”，亦即高效利用資源、高效利用能源、高效利用設備。

（2）噴煤技術

我國煤炭已由以往的原料出口國轉變為進口國，在此之前，我國焦煤早已成為進口國了。我國早在 1963年就開發了噴煤技術，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，適當發展中心氣流、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。由于各高爐的生產條件不同，在高利用系數，低燃料比的條件下，提高煤比必須采用焦炭強度高，低SiO2、低 Al2O3和高溫還原性良好的燒結礦。

2.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。

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將產生影響巨大，由于設備更新資金的短缺、高爐穩定操作和爐體維修技術的發展，各國都在大力研究高爐的長壽技術。

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

（1）合理的高爐爐體設計技術

采用合理內型；采用銅冷卻壁；例如日本的鑄銅冷卻壁技術，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用，開發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%的價格）、設備可靠性高（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，爐殼開孔少等優點。

特別是，為了克服爐缸環流加深死鐵層，同時提高爐缸爐墻耐材的抗鐵水侵蝕性，提高炭磚的導熱率，防止鐵水的滲透將氣孔微細化，以及爐缸側壁采用銅冷卻壁，以改進爐體冷卻。

（2）操作管理技術：

由高爐布料控制爐內氣流分布降低爐墻熱負荷；

保持高爐的穩定操作，降低爐體、爐缸熱負荷的波動；

控制爐缸、爐底冷卻，強化側壁溫度管理；

改善出鐵制度和布料技術，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，所以主要目標是降低所以主要目標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的物料、電、氫、天然氣的消耗，同時也對降低碳進行評估。國外正在研究多種全氧并利用爐頂煤氣循環的工藝，RFCS 正在研究一種全氧高爐。用冷的氧氣替代熱風從風口鼓入，將大部分爐頂煤氣經過一個CO2洗滌塔，一部分被處理過的富含CO的煤氣被循環使用到風口加熱到 1200℃，其余部分被加熱到 900℃，并鼓入位于爐身下部的第二排風口。模型計算約使用 175kg/t 煤、焦比降低到200kg/t，燃料比降低了 24%，并在 LKAB 實驗高爐上得到了驗證。計劃建設具有煤氣回收技術的50萬噸高爐。但要達到大高爐的規模大約還要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、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。

五、結語

綜上所述，隨著高爐煉鐵生產技術不斷進步， 未來高爐煉鐵工藝技術將會繼續占有主導地位。煉鐵系統應深入開展節能降耗、降成本工作， 進而提高鋼鐵工業的市場競爭力。

參考文獻：

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