高爐冶煉煉鐵技術工藝及應用分析

董洪旺

（唐鋼國際工程技術股份有限公司，河北 唐山 063000）

社會經濟迅猛發展，對鋼鐵產業的生產方式提出了更多要求。高爐冶煉面臨的主要問題在于低碳環保的挑戰、高爐技術的變遷與資源能源的競爭等方面，唯有不斷改進優化高爐冶煉煉鐵技術的生產流程與工藝，加強固體爐料區、爐內軟熔區等關鍵環節的控制，減少煉鐵能耗與污染排放，才能推動我國重工業穩中求進發展。

1 高爐冶煉煉鐵技術分析

（1）噴吹生物質及木炭技術。生物質在煉鐵工藝中屬于新能源，是指動植物與微生物新陳代謝后的有機物，可在熱解方面通過碳化減少二氧化碳排放。在高爐煉鐵工藝中應用生物質與廢塑料，能夠減少人力物力等資源消耗，同時能在高爐噴吹中取代粉還原劑，在控制二氧化碳含量與降低高爐恒溫帶溫度、提高原料還原能力等方面的特征優勢可以與煤粉等同。

（2）粒煤噴吹技術。高爐粒煤噴吹技術在國外發達國家廣泛被應用，憑借不易爆炸、節約能源、節省設備投資、降低生產成本等特征優勢，在高爐冶煉領域得到了廣泛發展。

（3）鐵焦技術。鐵焦技術是指在煤礦生產過程中，將鐵礦粉與低價格的微粘或非粘結煤等生物原料進行混合，經過連續式爐的加熱干餾獲得三成或七成鐵焦，再利用專業設備與相應方式完成冶煉，冶煉成果可以與原始技術等同。利用鐵焦取代原有物質，不僅提高了反應速率，同時節省了煤炭資源。尤其是鐵焦含量超過30%的，可獲得理想的冶煉成果。這項技術僅在發達國家應用，仍處于摸索性前進階段，有較大的進步空間。

（4）氧氣高爐關鍵技術。首先是PSA技術（變壓吸附技術）。氣體吸附分離技術的原理主要以氣體組分在固體材料上的差異吸附特性為主，通過周期性壓力變換以及氣體提純分離得出實現。技術是一種高科技含量的比較成熟的制氧技術，有著制氧工藝流程簡單、設備投資低、自動化水平高、操作維護簡便、節能等優勢特征，隨著節能降耗技術的大力推廣，PSA技術的市場將不斷拓展。其次是CCS（碳捕集與封存技術）技術，是指封存捕集到的二氧化碳，減少其排放到大氣中對環境的影響。封存方法以埋存為主，地下埋存與海底埋存方法比較常見，是指向廢棄煤田與油田中或海水層中注入二氧化碳，相對于植物埋存方法比較容易實現。

2 高爐冶煉煉鐵技術的工藝流程

高爐冶煉生產的目的，是為了將鐵礦石分解成鐵液，主要依靠爐本體與其他輔助設備完成。首先發生還原反應，將礦石中的鐵與非鐵元素，利用還原劑實現與氧元素的化學分離。其次是熔化與造渣過程，對還原后的金屬與脈石施以機械分離。最后是通過溫度控制得到化學成分，通過液體與鐵渣的交互作用得到穩定的鐵液。高爐煉鐵技術工藝步驟如下所示；一是上料工藝：原料比例與高爐匹配，即原料配置比例根據高爐容積大小確定，高爐容積不同，原料比例也存在較大差異。二是裝料系統：為確保高爐內燃料充分燃燒，應當將控制好配置比例的原料均勻分布在爐內，并密封高爐頂端。三是送風系統：冷風經過熱風機、熱風爐加熱后達到爐內，提供了燃燒氧氣。四是煤氣凈化系統：直接排出未處理過的燃燒氣體會污染空氣；對此，需要利用凈化器處理成清潔燃氣。五是噴吹燃料系統：向爐內均勻噴入磨制好的煤粉，能夠維持爐內高溫，確保得到穩定合格的鐵液。六是處理鐵渣：分開處理沉降后的渣滓與鐵液[1]。

3 高爐冶煉煉鐵技術的工藝應用

（1）應用熱壓含碳球團。在高爐煉鐵中應用熱壓含碳球團能夠滿足環保節能與礦物資源循環利用的需求。在礦物燃料中的熱壓含碳球團比例超過31%，鋼鐵產量會提升6.5%，熔渣量降低8.1%，焦比下降100kg/thm，煉鐵能耗減少7.1%。但合理制作熱壓含碳球團是重要前提，首先煤粉與粉礦、泥漿、粉塵等應當先預熱處理；其次混合并攪拌均勻各物質，提高溫度至六百攝氏度。加工成熱壓塊后，通過熱處理獲得熱壓含碳球團。

（2）控制爐內頂壓與含氧量。在指定的承壓范圍中，鋼鐵產量會隨著爐頂壓力增大而提高。同時氣體流動會隨著壓力增加而降低；通常情況下，排出口不會出現強烈的氣體流動，實際工作量隨之增加。與此同時，延長了爐內煤氣停留與接觸時間，爐內的燃料與礦料反應更加完全，礦物質中的鐵元素得到還原，更利于得到穩定合格與高產量的鐵液。但合理控制壓力是重要前提，以確保氧氣量達標。燃燒充分性直接影響氧氣重組，同時能夠降低氣體排放量，鐵液生產質量與效率隨之加強。在規定界限范圍內，鐵液產量與氧氣燃料比成正比，可見氧氣重組與含量等指標，對生產質量與效率提升的重要意義。氧氣燃料比控制在4%～5%最佳，過高或過低的比例都會降低產量。

（3）控制熱風爐傳輸風溫。通常情況下，要求熱風爐傳輸風溫不低于一千攝氏度，為縮小以發達國家標準規定溫度的差距，應當合理提升風溫。熱風爐高鐵冶煉重要熱交換裝置，也是能耗最高與燃燒功率最大的裝置之一。熱風爐的類型多樣，包括頂燃式與蓄熱式等，后者雖然能夠達到理想的高風溫，但不能確保爐內氣體分布均勻，直接降低了爐內熱量利用率。前者不僅能夠達到理想的溫度，同時能夠確保氣體分布均勻；對此，建議使用頂燃式熱風爐。

（4）處理爐身結瘤。影響出現崩料情況的因素較多，其中高爐結瘤原因不能忽視。同時高爐結瘤后會降低氣流的穩定性，鋼鐵產量隨之下降。

對此，需要定期檢測高爐溫度。出現高爐結瘤的原因與原料內鋅負荷高而沉積鋅元素、軟熔帶變化導致出現虧料線或崩料情況、原燃料或爐型發生變化等因素有關。停爐補噴處理后，爐內形態隨之發生變化，也會對結瘤情況產生一定影響。出現爐身結瘤情況后，首先應適當的提高爐內溫度，滿足熱量與活躍度等需求的同時調整布料、穩定氣流，從而改善爐內情況。其次施以炸瘤處理。降低料面后暴露結瘤，確定結瘤位置后在結瘤上開孔放置炸藥，要求炸藥與爐身保持間距15cm。在整個操作過程中，應當避免出現爐涼的情況。

（5）還原鐵氧化物與非鐵元素。高爐內含有豐富的鐵氧化物，包括硫化鐵與三氧化二鐵等。在還原反應中，沿爐內上升的一氧化碳與鐵礦石發生反應，在1100℃范圍內使鐵氧化物還原，從鐵的高氧化物逐漸被還原為鐵的低氧化物與鐵。礦料內含有豐富的鐵氧化物與非鐵元素，包括磷與硅等，可利用一氧化碳或固體碳還原劑實現還原[2，3]。

（6）脫硫工藝。高爐中的熔劑與焦炭等燃料內含有豐富的硫化鐵物質，會造成鐵產品的熱脆性，直接降低鋼鐵質量；對此，施以脫硫處理尤為重要。向爐料內添加石灰石，會促使氧化鈣與硫化鐵在高溫下反應生成硫化鈣，爐渣經過處理后，可達到脫硫的目的。

4 控制工藝關鍵環節

（1）控制送風條件。爐內熱風與燃燒的煤粉、焦炭混合后會形成高溫煤氣，為還原鐵礦石提供了氫氣與一氧化碳還原劑。高溫煤氣分布情況直接受風口循環區影響；對此，應當合理布置風口循環區的大小與圓周方向分布情況。為了確保風口前燃燒溫度滿足生產需要，應根據鼓風含水量與富氧含量等情況合理噴吹輔助燃料。

（2）控制爐內軟熔區。爐料在軟熔區的上下部邊界分別軟化與熔融滴落，并在軟熔區內發生鐵還原反應與沉渣。除此之外，軟熔區有二次分配高溫煤氣的作用，區域的尺寸與形狀等將直接影響冶煉成效。為了控制鐵水成分，減少燃料消耗量，提高冶煉生產產量，應當合理設置軟熔區，并加強該區域形態變化的監測與調整，以確保處于最佳工藝性能與生產狀態。

（3）控制固體爐料區。固體爐料區是爐料發生直接或間接還原反應的區域，生鐵燃料消耗量將直接受區域工作狀態影響。為確保最佳的生產狀態，首先應當充分利用區域煤氣熱能與化學能，加強對直接還原反應的抑制，實現充分間接還原反應。其次嚴格按照爐內生產情況與爐頂裝料制度調節爐料分布情況。

5 總結

高爐煉鐵技術工藝優化規避了高污染與高消耗情況，對鋼鐵生產行業現代化發展有著現實意義。高爐煉鐵工藝流程主要涉及還原反應、熔化與造渣過程、鐵水與渣滓分離等，其中也包括滲碳與除塵等細節性流程。為得到穩定合格的鐵水，加強熱風爐等設備更新維護的同時，要求技術人員提高責任意識與工作能力，明確爐身結瘤預防與熱壓含碳球團應用等工藝要點，并加強對工藝環節的控制，確保高爐煉鐵技術工藝高效安全展開。