高爐煉鐵技術工藝及應用分析

李蘭濤

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 214429）

0 引言

高爐煉鐵技術成熟、產量大、效率高，是目前國內外鐵水冶煉的主流生產工藝，應該說現代煉鐵工藝是建立在高爐煉鐵的基礎上的，在短時間內，這種情況不會被改變；另外我國在高爐煉鐵方面已經掌握了比較先進和成熟的工藝技術，高爐煉鐵成本已經相對較低。但高爐煉鐵也有能耗高、對環境污染大、嚴重依靠化石能源等問題[1]。

隨著國家鋼鐵行業超低排放產業政策的實施，對高爐冶煉生產工藝提出了更高的要求，今后高爐冶煉生產要遵循高效、低耗、環保的原則。這就要求廣大煉鐵技術人員要不斷探索高爐煉鐵新工藝、新技術，提高高爐煉鐵生產效率,降低能耗和排放量，減輕對環境的污染，助推高爐煉鐵工藝可持續化發展。本文簡要介紹高爐煉鐵的生產工藝，對高爐煉鐵工藝的發展方向進行了探討，并對當前高爐冶煉主要先進生產工藝和技術的實際運用情況進行了分析和總結，為今后高爐冶煉工藝的進一步改進提供借鑒。

1 高爐煉鐵工藝簡介

1.1 高爐煉鐵原理

鐵礦石、焦炭、熔劑等原燃物料由爐頂設備經布料溜槽按設定的工藝制度加入高爐，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（包括高爐噴吹煤粉、重油、天然氣等）與鼓入空氣中的氧反應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，鐵礦石中未還原的雜質和石灰石等熔劑結合生成爐渣，液態渣鐵全部從鐵口排出，然后經撇渣器進行渣鐵分離，鐵水進入鐵水罐，爐渣排入渣處理系統。產生的煤氣從爐頂排出，經除塵凈化后，作為熱風爐、加熱爐、焦爐、鍋爐等的燃料。高爐冶煉的主要產品是生鐵，還有副產品高爐煤氣、高爐渣和除塵灰。

1.2 高爐煉鐵系統組成

高爐煉鐵工藝主要由上料系統、爐頂系統、爐體系統、出鐵場系統、熱風系統、渣處理系統、噴吹系統以及公輔系統構成，高爐生產工藝流程簡圖如圖1 所示。

1.2.1 上料系統

上料系統主要包括礦槽、焦槽、輸送膠帶機、篩分設施、稱量設施、斜橋上料設施,其主要功能是按照工藝要求，把高爐原燃料按一定的配比穩定的向高爐輸送。

1.2.2 爐頂系統

目前爐頂系統主要采用的是無料鐘爐頂，主要包括固定受料漏斗、料罐、閥箱、氣密箱和溜槽五個主要部分，其主要功能是把原燃料按照設定的工藝要求和布料方式向高爐內布料。

1.2.3 爐體系統

爐體系統主要包括高爐內襯、爐體冷卻設施、高爐爐殼及框架平臺、爐體檢測與控制設施及其他爐體主要附屬設備，高爐煉鐵的主要反應在此進行，從而生產出鐵水。

1.2.4 出鐵場系統

出鐵場系統主要包括風口平臺、出鐵場平臺、主鐵鉤、支鐵溝、渣溝、泥炮、開口機、煙塵收集裝置、鐵水運輸設施，主要負責高爐出鐵作業和鐵水運輸。

1.2.5 熱風系統

熱風系統主要包括熱風爐、助燃風機、空煤氣換熱器、熱風輸送管網等設施，主要功能是將高爐所需的風加熱至1200 ℃左右，然后通過熱風管網輸送至高爐爐內。

1.2.6 渣處理系統渣處理系主要包括爐渣粒化裝置（或沖渣溝）、水渣脫水裝置、水渣輸送裝置、水渣堆場，主要功能是將高爐液態渣通過水淬工藝粒化成可回收利用的水淬渣。

1.2.7 噴吹系統

噴吹系統主要包括原煤儲運設施、煤粉制備設施、煤粉干燥設施、煤粉噴吹設施，主要功能是將煤粉制備成規定粒徑，經干燥后由氣體介質從高爐風口噴進爐內。

1.2.8 公輔系統

高爐公輔系統主要包括高爐煤氣除塵設施、礦槽及出鐵場通風除塵設施、高爐風機及TRT 設施、高爐給排水系統設施。

1.3 高爐煉鐵工藝的主要發展方向

目前鋼鐵工業是我國重要的支柱產業，盡管高爐煉鐵工藝存在著環境污染與消耗高的問題，但與其他煉鐵工藝相比，高爐煉鐵工藝相對簡單、產量大、勞動生產率高、相對能耗低，故到目前為止仍是現代煉鐵的主要方法。

因此，如今研究高爐煉鐵工藝時，不但要保證高爐生產高效、穩定、順行，還要確保不會在很大程度影響生態環境。假如煉鐵工藝改進造成能量消耗增加：一是會導致資源緊缺，二是會使生態環境污染加重，三是會影響人們的日常生活與健康，這樣就得不償失了。所以，對高爐煉鐵新技術、新工藝探索要著眼于這兩大問題，要本著高效、低耗原則，保證鋼鐵工業的可持續性發展[2]。

2 高爐煉鐵主要先進工藝的應用實踐

2.1 運用熱壓含碳球

高品位鐵礦資源會越來越緊張，價格也在逐步升高，企業生存壓力也越來越大。隨著新型低成本的或是可以降低煉鐵成本的煉鐵原料研發、生產、投用，熱壓含碳球應運而生。熱壓含碳球作為新型的高還原性的煉鐵原料，具有優良的冶金性能，包括冷態的抗壓強度和高溫還原反應強度，有較好的滲碳性等。研究發現，高爐使用適量的熱壓含碳球能有效的提高高爐熱利用效率，增加產量，降低焦比，高爐可接受的熱壓含碳球最大量為含鐵料的30%。缺點是：降低渣鐵溫度，對渣鐵流動性造成影響。故高爐在保證渣鐵溫度，不影響正常生產的情況下，可以配加一定比例的熱壓含碳球，以降低渣比，提高產量，同時又能降低高爐燃料消耗，進而實現節能降耗。

2.2 科學選用入爐原燃料

選用優質的入爐原燃料是高爐冶煉的首要環節，原燃料的品質對高爐鐵水的質量和產量有著深度的影響，同時也對冶煉能源消耗與環境的污染緊密相關。因此在高爐產生中要特別注重入爐原料燃質量，科學選用入爐原燃料要從焦炭質量控制和原料質量控制著手。一是，要選用熱強度高、反應性好，粒度均勻、水份、灰分、揮發分、硫分低的焦炭，焦炭質量問題是造成高爐爐況波動和和鐵水質量的主要原因，要合理搭配焦炭種類，確保入爐焦炭質量穩定。二是，要選用品位高、強度好，還原性和低溫還原粉化性能好，成分穩定、粒度均勻的高堿度燒結礦，燒結礦作為高爐煉鐵的主要原料，配比高達70%以上，因此燒結礦的質量對高爐的產量和質量影響非常大。三是，要選用品位高、強度好，反應性、膨脹性、熔滴性和低溫還原粉化性能好的金屬化球團礦，以改善高爐透氣性和入爐料品位[3]。

2.3 提高頂壓和富氧量

（1）在煉鐵作業時，高爐頂壓的控制在設計范圍內要盡量提高，這樣有利于高爐順行，提高高爐冶煉強度、降低能源消耗。

（2）在條件允許的情況下，盡量提高富氧率。這樣可使高爐風量減少，有利于減小料拄下降的阻力，為提高風量、提高冶煉強度提供了條件。富氧的增加，使高爐煤氣中CO 濃度增加，有利于間接還原反應，但是煤氣量的降低，在一定程度擴大了低溫區，阻礙了間接還原。另外增加富氧可有效提高風口區域理論燃燒溫度，下部高溫區熱交換有明顯的改善。同時富氧增加可使風量降低，爐頂溫度下降，所以煤氣帶走的熱量也變少。但總體講提高富氧率，高爐總的熱量消耗是呈降低趨勢。

2.4 維持高的風溫

提高熱風溫度是高爐強化冶煉、降低能源消耗的重要手段。熱風溫度的提高離不開熱風爐的燃燒效率和蓄熱能力。因此要選用燃燒效率高、蓄熱能力強和風溫穩定的熱風爐來提高高爐入爐風溫。另外熱風爐助燃空氣和煤氣采用雙預熱技術，在燃料條件不變的情況下可有效提高熱風溫度。提高入爐風溫可提高高爐產量、降低燃料消耗，在高爐正常使用的熱風溫度范圍內，風溫提高100 ℃，可降低焦比15～20 kg/t，可增加產量約3%，目前國際上最先進高爐風溫可大達1300 ℃，我國與國際上最先進風溫水平還有一定的差距。

2.5 科學合理的運用高爐噴吹廢塑料技術

高爐噴煤可以替代焦炭為高爐提供熱源和還原劑，可有效降低高爐焦比和冶煉成本。由于煤粉在高爐風口前燃燒，能夠降低風口處的理論燃燒溫度，有利于高爐提高富氧和熱風溫度的使用。

廢塑料制成的顆粒與煤粉在高爐噴吹中的作用類似，因此可以替代部分煤粉，節約燃料消耗。因廢塑料顆粒相對質量比煤粉要大，在廢塑料顆粒與煤粉混噴時，廢棄塑料粒子的行進速度相對較慢，經過回旋區的時間更長，因此廢塑料顆粒與煤粉混噴是有利于燃料在風口前氣化與燃燒；另外，在塑料顆粒與煤粉混噴時，由于煤粉粒徑細小質量輕，因此會依附在塑料顆粒外部，在回旋區燃燒過程中，細小煤粉會先燃燒并加熱塑料，有效加速了塑料的氣化與燃燒；與此同時，因為煤粉依附于塑料中，煤粉在高溫區域停留時間會延長，從而有利于煤粉的充分燃燒，提高煤粉的燃燒率。在現實運用中，煤粉與廢塑料的制粒是分開進行的，噴吹系統也是獨立的，最終煤粉與廢塑料顆粒在高爐風口前端混合，這樣可以充分保證這種混合方案的成效，提升煤粉的燃燒效率。

2.6 堿金屬的危害及預防

2.6.1 堿金屬的危害

高爐爐內的堿金屬主要由高爐的爐料帶入。爐料下降至高溫區產生堿金屬蒸氣，堿金屬蒸氣隨煤氣流上升。上升的堿金屬蒸氣分為三部分去向：一部分被焦炭吸收及黏附在爐料上的；一部分沉積于爐襯上；一部分隨煤氣排出爐外。其中被焦炭吸收及黏附在爐料上的堿金屬，隨爐料下降到高溫區后又形成堿金屬蒸氣再次進入煤氣流中，這樣導致堿金屬在高爐內形成循環，最終在爐襯上出現堿金屬的富集。富集于爐襯上堿金屬與高爐爐襯發生反應，使磚襯軟化和熔融，黏結粉料，周而往復就會逐漸形成爐墻結瘤或結厚。

通過對入爐燒結礦、塊礦、焦炭、煤粉及其高爐爐渣（爐料中大部分未還原的堿金屬以硅酸鹽形式隨爐渣排出）、除塵灰、瓦斯灰的堿金屬進行分析，結果表明高爐中百分之八十以上堿金屬來自燒結礦和焦炭(燒結礦約占67%、焦炭約占17%)，并隨高爐爐渣、除塵灰、瓦斯灰等高爐副產品排出。

2.6.2 高爐堿害的預防措施

高爐預防堿害的措施主要包括：開展有效的高爐日常堿負荷管理工作；合理控制煤氣流分布；對爐料進行脫堿及合理配礦；合理控制爐渣堿度、確保適宜的渣量及爐溫；改善焦炭熱性能；優化高爐操作等。

3 結語

高爐煉鐵技術和工藝的不斷優化可以有效避免高爐冶煉高污染、高消耗的狀況，對鋼鐵工業的可持續發展有十分現實的意義。本文對當前高爐冶煉主要先進生產工藝和技術的實際運用情況進行了分析和總結，介紹了高爐添加熱壓含碳球工藝、入爐原燃料的優化選用、高頂壓和大富氧量技術、高風溫技術、高爐噴吹廢塑料技術以及高爐堿金屬危害預防措施等先進的高爐冶煉工藝技術。這些先進的工藝技術可有效提高高爐的冶煉強度、改善高爐鐵水的質量狀況、降低燃料消耗和減少高爐生產對環境造成的影響，為今后高爐冶煉工藝的進一步改進、實現超低排放的目標提供了借鑒。