高爐煉鐵技術(shù)工藝及應(yīng)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(shù)成熟、產(chǎn)量大、效率高，是目前國(guó)內(nèi)外鐵水冶煉的主流生產(chǎn)工藝，應(yīng)該說(shuō)現(xiàn)代煉鐵工藝是建立在高爐煉鐵的基礎(chǔ)上的，在短時(shí)間內(nèi)，這種情況不會(huì)被改變；另外我國(guó)在高爐煉鐵方面已經(jīng)掌握了比較先進(jìn)和成熟的工藝技術(shù)，高爐煉鐵成本已經(jīng)相對(duì)較低。但高爐煉鐵也有能耗高、對(duì)環(huán)境污染大、嚴(yán)重依靠化石能源等問(wèn)題[1]。

隨著國(guó)家鋼鐵行業(yè)超低排放產(chǎn)業(yè)政策的實(shí)施，對(duì)高爐冶煉生產(chǎn)工藝提出了更高的要求，今后高爐冶煉生產(chǎn)要遵循高效、低耗、環(huán)保的原則。這就要求廣大煉鐵技術(shù)人員要不斷探索高爐煉鐵新工藝、新技術(shù)，提高高爐煉鐵生產(chǎn)效率,降低能耗和排放量，減輕對(duì)環(huán)境的污染，助推高爐煉鐵工藝可持續(xù)化發(fā)展。本文簡(jiǎn)要介紹高爐煉鐵的生產(chǎn)工藝，對(duì)高爐煉鐵工藝的發(fā)展方向進(jìn)行了探討，并對(duì)當(dāng)前高爐冶煉主要先進(jìn)生產(chǎn)工藝和技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用情況進(jìn)行了分析和總結(jié)，為今后高爐冶煉工藝的進(jìn)一步改進(jìn)提供借鑒。

1 高爐煉鐵工藝簡(jiǎn)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(shè)備經(jīng)布料溜槽按設(shè)定的工藝制度加入高爐，從位于爐子下部沿爐周的風(fēng)口吹入經(jīng)預(yù)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(yīng)生成的一氧化碳和氫氣，在爐內(nèi)上升過(guò)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(zhì)和石灰石等熔劑結(jié)合生成爐渣，液態(tài)渣鐵全部從鐵口排出，然后經(jīng)撇渣器進(jìn)行渣鐵分離，鐵水進(jìn)入鐵水罐，爐渣排入渣處理系統(tǒng)。產(chǎn)生的煤氣從爐頂排出，經(jīng)除塵凈化后，作為熱風(fēng)爐、加熱爐、焦?fàn)t、鍋爐等的燃料。高爐冶煉的主要產(chǎn)品是生鐵，還有副產(chǎn)品高爐煤氣、高爐渣和除塵灰。

1.2 高爐煉鐵系統(tǒng)組成

高爐煉鐵工藝主要由上料系統(tǒng)、爐頂系統(tǒng)、爐體系統(tǒng)、出鐵場(chǎng)系統(tǒng)、熱風(fēng)系統(tǒng)、渣處理系統(tǒng)、噴吹系統(tǒng)以及公輔系統(tǒng)構(gòu)成，高爐生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

1.2.1 上料系統(tǒng)

上料系統(tǒng)主要包括礦槽、焦槽、輸送膠帶機(jī)、篩分設(shè)施、稱量設(shè)施、斜橋上料設(shè)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(wěn)定的向高爐輸送。

1.2.2 爐頂系統(tǒng)

目前爐頂系統(tǒng)主要采用的是無(wú)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(gè)主要部分，其主要功能是把原燃料按照設(shè)定的工藝要求和布料方式向高爐內(nèi)布料。

1.2.3 爐體系統(tǒng)

爐體系統(tǒng)主要包括高爐內(nèi)襯、爐體冷卻設(shè)施、高爐爐殼及框架平臺(tái)、爐體檢測(cè)與控制設(shè)施及其他爐體主要附屬設(shè)備，高爐煉鐵的主要反應(yīng)在此進(jìn)行，從而生產(chǎn)出鐵水。

1.2.4 出鐵場(chǎng)系統(tǒng)

出鐵場(chǎng)系統(tǒng)主要包括風(fēng)口平臺(tái)、出鐵場(chǎng)平臺(tái)、主鐵鉤、支鐵溝、渣溝、泥炮、開(kāi)口機(jī)、煙塵收集裝置、鐵水運(yùn)輸設(shè)施，主要負(fù)責(zé)高爐出鐵作業(yè)和鐵水運(yùn)輸。

1.2.5 熱風(fēng)系統(tǒng)

熱風(fēng)系統(tǒng)主要包括熱風(fēng)爐、助燃風(fēng)機(jī)、空煤氣換熱器、熱風(fēng)輸送管網(wǎng)等設(shè)施，主要功能是將高爐所需的風(fēng)加熱至1200 ℃左右，然后通過(guò)熱風(fēng)管網(wǎng)輸送至高爐爐內(nèi)。

1.2.6 渣處理系統(tǒng)渣處理系主要包括爐渣?；b置（或沖渣溝）、水渣脫水裝置、水渣輸送裝置、水渣堆場(chǎng)，主要功能是將高爐液態(tài)渣通過(guò)水淬工藝?；煽苫厥绽玫乃阍?。

1.2.7 噴吹系統(tǒng)

噴吹系統(tǒng)主要包括原煤儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施、煤粉制備設(shè)施、煤粉干燥設(shè)施、煤粉噴吹設(shè)施，主要功能是將煤粉制備成規(guī)定粒徑，經(jīng)干燥后由氣體介質(zhì)從高爐風(fēng)口噴進(jìn)爐內(nèi)。

1.2.8 公輔系統(tǒng)

高爐公輔系統(tǒng)主要包括高爐煤氣除塵設(shè)施、礦槽及出鐵場(chǎng)通風(fēng)除塵設(shè)施、高爐風(fēng)機(jī)及TRT 設(shè)施、高爐給排水系統(tǒng)設(shè)施。

1.3 高爐煉鐵工藝的主要發(fā)展方向

目前鋼鐵工業(yè)是我國(guó)重要的支柱產(chǎn)業(yè)，盡管高爐煉鐵工藝存在著環(huán)境污染與消耗高的問(wèn)題，但與其他煉鐵工藝相比，高爐煉鐵工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、產(chǎn)量大、勞動(dòng)生產(chǎn)率高、相對(duì)能耗低，故到目前為止仍是現(xiàn)代煉鐵的主要方法。

因此，如今研究高爐煉鐵工藝時(shí)，不但要保證高爐生產(chǎn)高效、穩(wěn)定、順行，還要確保不會(huì)在很大程度影響生態(tài)環(huán)境。假如煉鐵工藝改進(jìn)造成能量消耗增加：一是會(huì)導(dǎo)致資源緊缺，二是會(huì)使生態(tài)環(huán)境污染加重，三是會(huì)影響人們的日常生活與健康，這樣就得不償失了。所以，對(duì)高爐煉鐵新技術(shù)、新工藝探索要著眼于這兩大問(wèn)題，要本著高效、低耗原則，保證鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展[2]。

2 高爐煉鐵主要先進(jìn)工藝的應(yīng)用實(shí)踐

2.1 運(yùn)用熱壓含碳球

高品位鐵礦資源會(huì)越來(lái)越緊張，價(jià)格也在逐步升高，企業(yè)生存壓力也越來(lái)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(fā)、生產(chǎn)、投用，熱壓含碳球應(yīng)運(yùn)而生。熱壓含碳球作為新型的高還原性的煉鐵原料，具有優(yōu)良的冶金性能，包括冷態(tài)的抗壓強(qiáng)度和高溫還原反應(yīng)強(qiáng)度，有較好的滲碳性等。研究發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)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(diǎn)是：降低渣鐵溫度，對(duì)渣鐵流動(dòng)性造成影響。故高爐在保證渣鐵溫度，不影響正常生產(chǎn)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(chǎn)量，同時(shí)又能降低高爐燃料消耗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

2.2 科學(xué)選用入爐原燃料

選用優(yōu)質(zhì)的入爐原燃料是高爐冶煉的首要環(huán)節(jié)，原燃料的品質(zhì)對(duì)高爐鐵水的質(zhì)量和產(chǎn)量有著深度的影響，同時(shí)也對(duì)冶煉能源消耗與環(huán)境的污染緊密相關(guān)。因此在高爐產(chǎn)生中要特別注重入爐原料燃質(zhì)量，科學(xué)選用入爐原燃料要從焦炭質(zhì)量控制和原料質(zhì)量控制著手。一是，要選用熱強(qiáng)度高、反應(yīng)性好，粒度均勻、水份、灰分、揮發(fā)分、硫分低的焦炭，焦炭質(zhì)量問(wèn)題是造成高爐爐況波動(dòng)和和鐵水質(zhì)量的主要原因，要合理搭配焦炭種類，確保入爐焦炭質(zhì)量穩(wěn)定。二是，要選用品位高、強(qiáng)度好，還原性和低溫還原粉化性能好，成分穩(wěn)定、粒度均勻的高堿度燒結(jié)礦，燒結(jié)礦作為高爐煉鐵的主要原料，配比高達(dá)70%以上，因此燒結(jié)礦的質(zhì)量對(duì)高爐的產(chǎn)量和質(zhì)量影響非常大。三是，要選用品位高、強(qiáng)度好，反應(yīng)性、膨脹性、熔滴性和低溫還原粉化性能好的金屬化球團(tuán)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(yè)時(shí)，高爐頂壓的控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)要盡量提高，這樣有利于高爐順行，提高高爐冶煉強(qiáng)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(fēng)量減少，有利于減小料拄下降的阻力，為提高風(fēng)量、提高冶煉強(qiáng)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(yīng)，但是煤氣量的降低，在一定程度擴(kuò)大了低溫區(qū)，阻礙了間接還原。另外增加富氧可有效提高風(fēng)口區(qū)域理論燃燒溫度，下部高溫區(qū)熱交換有明顯的改善。同時(shí)富氧增加可使風(fēng)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(shì)。

2.4 維持高的風(fēng)溫

提高熱風(fēng)溫度是高爐強(qiáng)化冶煉、降低能源消耗的重要手段。熱風(fēng)溫度的提高離不開(kāi)熱風(fēng)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(qiáng)和風(fēng)溫穩(wěn)定的熱風(fēng)爐來(lái)提高高爐入爐風(fēng)溫。另外熱風(fēng)爐助燃空氣和煤氣采用雙預(yù)熱技術(shù)，在燃料條件不變的情況下可有效提高熱風(fēng)溫度。提高入爐風(fēng)溫可提高高爐產(chǎn)量、降低燃料消耗，在高爐正常使用的熱風(fēng)溫度范圍內(nèi)，風(fēng)溫提高100 ℃，可降低焦比15～20 kg/t，可增加產(chǎn)量約3%，目前國(guó)際上最先進(jìn)高爐風(fēng)溫可大達(dá)1300 ℃，我國(guó)與國(guó)際上最先進(jìn)風(fēng)溫水平還有一定的差距。

2.5 科學(xué)合理的運(yùn)用高爐噴吹廢塑料技術(shù)

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(fēng)口前燃燒，能夠降低風(fēng)口處的理論燃燒溫度，有利于高爐提高富氧和熱風(fēng)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(jié)約燃料消耗。因廢塑料顆粒相對(duì)質(zhì)量比煤粉要大，在廢塑料顆粒與煤粉混噴時(shí)，廢棄塑料粒子的行進(jìn)速度相對(duì)較慢，經(jīng)過(guò)回旋區(qū)的時(shí)間更長(zhǎng)，因此廢塑料顆粒與煤粉混噴是有利于燃料在風(fēng)口前氣化與燃燒；另外，在塑料顆粒與煤粉混噴時(shí)，由于煤粉粒徑細(xì)小質(zhì)量輕，因此會(huì)依附在塑料顆粒外部，在回旋區(qū)燃燒過(guò)程中，細(xì)小煤粉會(huì)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(shí)，因?yàn)槊悍垡栏接谒芰现?，煤粉在高溫區(qū)域停留時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，從而有利于煤粉的充分燃燒，提高煤粉的燃燒率。在現(xiàn)實(shí)運(yùn)用中，煤粉與廢塑料的制粒是分開(kāi)進(jìn)行的，噴吹系統(tǒng)也是獨(dú)立的，最終煤粉與廢塑料顆粒在高爐風(fēng)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(yù)防

2.6.1 堿金屬的危害

高爐爐內(nèi)的堿金屬主要由高爐的爐料帶入。爐料下降至高溫區(qū)產(chǎn)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(qū)后又形成堿金屬蒸氣再次進(jìn)入煤氣流中，這樣導(dǎo)致堿金屬在高爐內(nèi)形成循環(huán)，最終在爐襯上出現(xiàn)堿金屬的富集。富集于爐襯上堿金屬與高爐爐襯發(fā)生反應(yīng)，使磚襯軟化和熔融，黏結(jié)粉料，周而往復(fù)就會(huì)逐漸形成爐墻結(jié)瘤或結(jié)厚。

通過(guò)對(duì)入爐燒結(jié)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(jìn)行分析，結(jié)果表明高爐中百分之八十以上堿金屬來(lái)自燒結(jié)礦和焦炭(燒結(jié)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(chǎn)品排出。

2.6.2 高爐堿害的預(yù)防措施

高爐預(yù)防堿害的措施主要包括：開(kāi)展有效的高爐日常堿負(fù)荷管理工作；合理控制煤氣流分布；對(duì)爐料進(jìn)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(yōu)化高爐操作等。

3 結(jié)語(yǔ)

高爐煉鐵技術(shù)和工藝的不斷優(yōu)化可以有效避免高爐冶煉高污染、高消耗的狀況，對(duì)鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有十分現(xiàn)實(shí)的意義。本文對(duì)當(dāng)前高爐冶煉主要先進(jìn)生產(chǎn)工藝和技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用情況進(jìn)行了分析和總結(jié)，介紹了高爐添加熱壓含碳球工藝、入爐原燃料的優(yōu)化選用、高頂壓和大富氧量技術(shù)、高風(fēng)溫技術(shù)、高爐噴吹廢塑料技術(shù)以及高爐堿金屬危害預(yù)防措施等先進(jìn)的高爐冶煉工藝技術(shù)。這些先進(jìn)的工藝技術(shù)可有效提高高爐的冶煉強(qiáng)度、改善高爐鐵水的質(zhì)量狀況、降低燃料消耗和減少高爐生產(chǎn)對(duì)環(huán)境造成的影響，為今后高爐冶煉工藝的進(jìn)一步改進(jìn)、實(shí)現(xiàn)超低排放的目標(biāo)提供了借鑒。