冶金技術(shù)在煉鐵高爐中的應(yīng)用和發(fā)展

王鋒

（甘肅酒鋼集團(tuán)宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

我國(guó)在20 世紀(jì)70 年代末引入發(fā)達(dá)國(guó)家鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)和相關(guān)設(shè)備，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)趨于成熟，無(wú)論是鋼鐵生產(chǎn)效率，還是鋼鐵生產(chǎn)質(zhì)量，都在不斷提高。但在全球提倡綠色環(huán)保的當(dāng)下，為了使我國(guó)鋼鐵行業(yè)產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)中具備競(jìng)爭(zhēng)力，不僅要提高產(chǎn)量和質(zhì)量，更要引用綠色環(huán)保技術(shù)，有效強(qiáng)化高爐煉鐵過(guò)程材料的利用效率。而在高爐煉鐵過(guò)程應(yīng)用先進(jìn)冶金技術(shù)能充分實(shí)現(xiàn)這一目的，所以，相關(guān)行業(yè)人員有必要探究冶金技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。

1 煉鐵高爐概述

煉鐵過(guò)程涉及許多操作，包括加熱燃料、供給氧氣、處理渣鐵等，通常會(huì)有大量廢氣、廢渣產(chǎn)生。在我國(guó)鋼鐵冶煉過(guò)程中，高爐是較為常見(jiàn)且相對(duì)重要的設(shè)備。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平，逐漸提升，鋼鐵資源需求不斷加大，這為冶金技術(shù)發(fā)展帶來(lái)了促進(jìn)作用。高爐設(shè)備主要是在高溫環(huán)境下交換氣體以實(shí)現(xiàn)冶金操作，在冶金環(huán)節(jié)，高爐設(shè)備往往要使用大量燃料以支撐其加熱爐料，所以高爐設(shè)備一般具有耗能較高的特征。

2 煉鐵高爐冶煉發(fā)展現(xiàn)狀

在我國(guó)高爐煉鐵技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中，一直注重引進(jìn)、學(xué)習(xí)其他國(guó)家先進(jìn)技術(shù)，也大規(guī)模采購(gòu)其他國(guó)家先進(jìn)冶煉裝置，這推動(dòng)著鋼鐵行業(yè)的良性發(fā)展。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)高爐煉鐵領(lǐng)域發(fā)展較為落后，還存在一定差距，重點(diǎn)表現(xiàn)在生產(chǎn)效率較低、生產(chǎn)質(zhì)量較差，所以，在國(guó)際市場(chǎng)中，我國(guó)鋼鐵產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力不足，致使鋼鐵冶煉領(lǐng)域供需處于不平衡的狀態(tài)。同時(shí)，我國(guó)煉鐵技術(shù)以煉鐵高爐的應(yīng)用為主，存在能耗較大的弊端，加之煉鐵生產(chǎn)效率不高，因而阻礙著我國(guó)鋼鐵冶煉領(lǐng)域發(fā)展。為了充分發(fā)揮高爐設(shè)備應(yīng)用價(jià)值，可引用冶金技術(shù)，以降低鋼鐵冶煉中對(duì)能源的消耗，提高生產(chǎn)效率，響應(yīng)我國(guó)提出的可持續(xù)發(fā)展要求。

3 常見(jiàn)冶金技術(shù)

在冶金技術(shù)應(yīng)用中，主要對(duì)煉鐵高爐冶煉環(huán)節(jié)所需要的原料進(jìn)行加工處理，如礦石等，進(jìn)而對(duì)其中的金屬物質(zhì)進(jìn)行提煉，并加工制作，最終得到具備金屬性的材料。現(xiàn)階段，鋼鐵冶煉領(lǐng)域常用冶金技術(shù)包括3 種。

3.1 火法冶金

火法冶金技術(shù)主要在高溫環(huán)境下加工制作礦石材料，其目的在于通過(guò)物理、化學(xué)反應(yīng)，將堅(jiān)硬的礦石材料轉(zhuǎn)化為金屬物質(zhì)或化合物。為有效分離礦石材料中涵蓋的雜質(zhì)和金屬，要對(duì)固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)產(chǎn)物進(jìn)行匯集。在高爐冶鐵過(guò)程，燃燒燃料是首要操作，其作用在于創(chuàng)設(shè)高溫環(huán)境，并基于化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)生來(lái)散發(fā)更多熱量。在應(yīng)用火法冶金技術(shù)時(shí)，首先，要干燥處理相應(yīng)物料，高效剔除其中水分，在這一環(huán)節(jié)，可使用氣流干燥法，在破碎機(jī)中放入物料，運(yùn)用高溫?zé)釟饬鲗?duì)其進(jìn)行粉碎，粉碎后的物料接觸高溫能快速干燥；也可使用圓筒干燥法，這種方法以圓筒干燥窯的應(yīng)用為主。其次，結(jié)合工藝選用合適的焙燒方法，如氧化法、還原法、鹽化法、燒結(jié)法、揮發(fā)法等。

3.2 濕法冶金

濕法冶金技術(shù)主要在溶液環(huán)境中處理礦石材料?；谶@項(xiàng)技術(shù)的冶煉過(guò)程，對(duì)溫度要求不高，且流程相對(duì)簡(jiǎn)單。首先，將礦石材料放在相關(guān)溶液中浸出，目的在于讓礦石材料中的金屬物質(zhì)與溶劑產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)后轉(zhuǎn)變?yōu)殡x子狀態(tài)；其次，凈化處理浸出的礦石材料，通常情況下，在對(duì)礦石中的金屬物質(zhì)進(jìn)行提取時(shí)，可能摻雜其他雜質(zhì)，所以要通過(guò)凈化方式對(duì)這些雜質(zhì)進(jìn)行處理。最后，制備金屬物質(zhì)，主要通過(guò)化學(xué)還原或置換目標(biāo)物質(zhì)的方式來(lái)獲得金屬材料。在應(yīng)用濕法冶金技術(shù)時(shí)，要結(jié)合實(shí)際對(duì)溶劑進(jìn)行合理選擇，保證礦石放入其中可充分發(fā)生反應(yīng)，針對(duì)無(wú)法高效處理的礦石材料，應(yīng)在放入溶劑之前進(jìn)行化學(xué)處理，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橐自谌軇┲薪龅幕衔镄螒B(tài)，以便金屬物質(zhì)的提取。

3.3 電冶金

電冶金技術(shù)主要在電能環(huán)境中處理礦石材料，以高效提取其中的金屬物質(zhì)?；谶@項(xiàng)技術(shù)的冶煉過(guò)程，加熱能源以電力為主，通過(guò)電熱、電化兩種形式將電力轉(zhuǎn)換為熱能。其中，電熱形式最為常見(jiàn)，具體通過(guò)電子熱化學(xué)溶液對(duì)礦石原料進(jìn)行處理，其本質(zhì)上是發(fā)揮電力能源作用來(lái)提供熱能動(dòng)力以支持金屬材料制備，這種方式與火法冶金技術(shù)類(lèi)似，但兩種技術(shù)的熱能產(chǎn)生方式不同，且使用中對(duì)熱能的要求也不同。

4 冶金技術(shù)在煉鐵高爐中的應(yīng)用

4.1 噴煤技術(shù)

在高爐煉鐵過(guò)程，焦炭是不可或缺的物質(zhì)，其可提供充足熱能用于高爐煉鐵流程。在應(yīng)用高爐噴煤技術(shù)時(shí)，要將煤粉從特定風(fēng)口向高爐內(nèi)噴吹，這些煤粉的主要作用有2 個(gè)，其一是持續(xù)供熱；其二是促使礦石材料在高爐內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。通過(guò)噴吹煤粉，能降低煉焦設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，對(duì)應(yīng)用焦炭與排放廢氣之間的矛盾問(wèn)題予以解決。噴煤技術(shù)的應(yīng)用為高爐煉鐵領(lǐng)域發(fā)展帶來(lái)了推動(dòng)作用。根據(jù)相關(guān)研究表明，以現(xiàn)階段市場(chǎng)交易價(jià)格進(jìn)行分析，鋼鐵企業(yè)應(yīng)用1t 煤粉能節(jié)約大概1000 元的生產(chǎn)成本。但噴吹煤粉并不代表能減少原材料燃燒，所以，還要加大關(guān)注，通過(guò)提高噴吹煤粉的應(yīng)用比例來(lái)提供更多熱量。具體而言，為了節(jié)省生產(chǎn)成本，應(yīng)強(qiáng)化煤粉的應(yīng)用效率。而經(jīng)多次研究實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加強(qiáng)煤粉應(yīng)用效率的前提是降低煤粉中的渣比。同時(shí)，在煉鐵高爐冶煉過(guò)程中，為保障煉鐵技術(shù)安全性，合理設(shè)計(jì)預(yù)熱環(huán)節(jié)尤為關(guān)鍵。

在我國(guó)煉鐵高爐冶煉工藝設(shè)計(jì)中，噴吹系統(tǒng)最初以串聯(lián)灌系統(tǒng)的應(yīng)用為主，后經(jīng)反復(fù)研究，開(kāi)始運(yùn)用并聯(lián)灌系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行取代，且隨著研究的發(fā)展，逐漸普及應(yīng)用單管線與分配器結(jié)合的煉鐵高爐設(shè)備。而優(yōu)化煉鐵高爐設(shè)備和相關(guān)技術(shù)后，煉鐵過(guò)程得到了改善，主要體現(xiàn)在材料應(yīng)用計(jì)量和材料用量控制上。例如，我國(guó)寶鋼企業(yè)通過(guò)應(yīng)用噴煤技術(shù)，優(yōu)化了煉鐵高爐設(shè)備，進(jìn)而有效降低了生產(chǎn)成本，改善了產(chǎn)品質(zhì)量。

4.2 雙預(yù)熱技術(shù)

煉鐵高爐運(yùn)行過(guò)程通常需要大量能源持續(xù)供應(yīng)以保證煉鐵環(huán)節(jié)對(duì)溫度的要求。根據(jù)研究統(tǒng)計(jì)，在煉鐵高爐冶煉過(guò)程中，大約超過(guò)60%的熱量都由焦炭和煤粉燃燒進(jìn)行提供，剩余接近30%的熱量來(lái)源于化學(xué)反應(yīng)和高爐設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱風(fēng)。但在焦炭和煤粉燃燒過(guò)程形成的大量廢氣，加劇了溫室效應(yīng)，對(duì)鋼鐵企業(yè)環(huán)保性發(fā)展造成制約。所以，鋼鐵企業(yè)應(yīng)回收利用這些副產(chǎn)煤氣，以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭資源的高效利用，落實(shí)節(jié)能減排目標(biāo)。雙預(yù)熱技術(shù)主要是在煉鐵高爐內(nèi)充分混合煉鐵過(guò)程產(chǎn)生的高溫廢氣和煉鐵設(shè)備中存在的高溫混合氣體，以此提供熱量，預(yù)熱高爐內(nèi)部煤氣和助燃空氣，使之溫度達(dá)到300℃以上。

通過(guò)應(yīng)用雙預(yù)熱技術(shù)，能有效提高資源利用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，這在我國(guó)寶鋼、鞍鋼等多家鋼鐵企業(yè)的應(yīng)用實(shí)踐中得到了證實(shí)。在煉鐵高爐中運(yùn)用雙預(yù)熱技術(shù)，對(duì)煉鐵過(guò)程形成的高溫廢氣以及熱風(fēng)爐煙道廢氣進(jìn)行利用，高爐內(nèi)部的溫度甚至能達(dá)到1200℃以上。例如，寶鋼企業(yè)采用了分離型熱管式余熱回收裝置對(duì)熱風(fēng)爐進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)其煙道內(nèi)部廢氣以及煉鐵過(guò)程形成的高溫廢氣予以快速收集；采用了分離型肉感對(duì)熱風(fēng)爐進(jìn)行優(yōu)化，并安裝了煤氣和空氣霜預(yù)熱器設(shè)備；同時(shí)，在煉鐵高爐投入使用的基礎(chǔ)上，增設(shè)了空氣和煤氣自身雙預(yù)熱熱風(fēng)爐，通過(guò)運(yùn)用預(yù)熱設(shè)備和余熱回收裝置，在煉鐵過(guò)程提供溫度超過(guò)1200℃的熱風(fēng)。

在余熱回收技術(shù)的應(yīng)用中，要基于爐煤氣爐進(jìn)行快速燒熱，其本質(zhì)上是運(yùn)用高爐煉鐵技術(shù)，通過(guò)應(yīng)用煉鐵過(guò)程形成的廢氣熱量對(duì)化學(xué)物質(zhì)熱量予以取替。在具體應(yīng)用時(shí)，要將金屬熱管換熱器安裝在設(shè)備上，預(yù)熱助燃空氣和煤氣。這種方式不僅能減少焦炭使用量，還能強(qiáng)化熱風(fēng)爐應(yīng)用效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)焦煤資源的充分回收和利用。現(xiàn)階段，我國(guó)煉鐵高爐冶煉領(lǐng)域應(yīng)用雙預(yù)熱技術(shù)后，對(duì)冶煉過(guò)程產(chǎn)生廢氣熱量的利用效率在25%左右，經(jīng)專(zhuān)家學(xué)者研究，利用效率還能有效提升。

4.3 干法除塵技術(shù)

在高爐煉鐵領(lǐng)域，應(yīng)用的除塵技術(shù)類(lèi)型包括2 種：一是干法除塵技術(shù)；二是濕法除塵技術(shù)。其中，干法除塵技術(shù)又包括2 種形式：一種為高壓靜電除塵，另一種為布袋除塵。由于布袋除塵方式在應(yīng)用成本和除塵效率上具有明顯優(yōu)勢(shì)，所以在我國(guó)現(xiàn)階段高爐煉鐵領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。與干法除塵技術(shù)相比，濕法除塵技術(shù)應(yīng)用較少，其原因在于我國(guó)存在缺少水資源的問(wèn)題，且我國(guó)南方地區(qū)和北方地區(qū)的水資源分布存在差異，并不均勻，所以，我國(guó)早在20 世紀(jì)80 年代左右開(kāi)始應(yīng)用干法布袋除塵技術(shù)，至今，這項(xiàng)技術(shù)已得到了成熟發(fā)展。

在我國(guó)剛引入布袋除塵技術(shù)時(shí)，高爐煉鐵領(lǐng)域采用的布袋除塵工藝，以加壓煤氣吹噴形式為主，由于部分小型煉鐵企業(yè)資金水平較低、技術(shù)水平不足，所以這項(xiàng)技術(shù)僅在大型煉鐵企業(yè)中得到推廣應(yīng)用。但在布袋除塵技術(shù)引入初期，由于此項(xiàng)技術(shù)僅可在體積處于200 ～300m3的高爐設(shè)備中應(yīng)用，所以并未得到快速普及。直到20 世紀(jì)90 年代前后，我國(guó)自主研發(fā)出對(duì)高爐設(shè)備無(wú)體積要求的布袋除塵技術(shù)，即低壓煤氣脈沖布袋除塵工藝，隨后這項(xiàng)技術(shù)開(kāi)始廣泛應(yīng)用于高爐煉鐵領(lǐng)域之中。在高爐煉鐵行業(yè)逐漸發(fā)展的背景下，煉鐵生產(chǎn)設(shè)備規(guī)模逐漸增大，其已達(dá)到1000m3，我國(guó)研發(fā)的布袋除塵技術(shù)能在這一規(guī)模下的煉鐵設(shè)備中有效應(yīng)用，且除塵效果良好。近年來(lái)，通過(guò)深入研究，干法除塵技術(shù)已能在體積不超過(guò)2600m3的煉鐵高爐中應(yīng)用。

5 冶金技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，我國(guó)冶金技術(shù)發(fā)展對(duì)相關(guān)專(zhuān)業(yè)技術(shù)進(jìn)行了吸取、對(duì)工業(yè)領(lǐng)域新成就進(jìn)行了借鑒。第一，行業(yè)專(zhuān)家深入研究了冶金熱動(dòng)力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)等方面，進(jìn)一步優(yōu)化了冶金技術(shù)，提高了冶金技術(shù)的應(yīng)用效率。第二，行業(yè)專(zhuān)業(yè)持續(xù)深入研究了冶金技術(shù)熱力供應(yīng)等方面，更明確地提出了應(yīng)用冶金技術(shù)時(shí)對(duì)熱力供應(yīng)物質(zhì)熔渣結(jié)構(gòu)的要求以及對(duì)供應(yīng)物質(zhì)物理性質(zhì)的要求。第三，我國(guó)結(jié)合煉鐵企業(yè)發(fā)展情況，推動(dòng)了熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了信息化、智能化，有效融合了信息技術(shù)和冶金行業(yè)。第四，在冶金技術(shù)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，目前，總自動(dòng)化控制系統(tǒng)已在高爐煉鐵領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但在高爐煉鐵行業(yè)和冶金技術(shù)的持續(xù)發(fā)展中，越來(lái)越強(qiáng)的產(chǎn)量效應(yīng)導(dǎo)致鋼鐵行業(yè)難以處理發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的關(guān)系，致使兩者出現(xiàn)失衡問(wèn)題，所以現(xiàn)階段，探究并找到解決這一問(wèn)題的方法是煉鐵行業(yè)關(guān)注的課題。具體而言，在冶金技術(shù)持續(xù)研發(fā)進(jìn)程中，要以推動(dòng)煉鐵行業(yè)長(zhǎng)效發(fā)展為重，創(chuàng)造更多環(huán)保效益。

5.1 研究氫原料，加強(qiáng)氫原料應(yīng)用

強(qiáng)化煉鐵化學(xué)反應(yīng)效率是優(yōu)化高爐煉鐵技術(shù)的關(guān)鍵所在。根據(jù)研究表明，在高爐煉鐵過(guò)程，提高焦炭和礦石材料的比例，且將足夠化學(xué)催化劑加入其中，能在低溫環(huán)境和快速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下減少焦炭與礦石材料的反應(yīng)，以此使煉鐵反應(yīng)效率提升。同時(shí)，在高爐煉鐵過(guò)程，將一定量的氫原料加入化學(xué)反應(yīng)后，能使低溫還原速度加快，并減少制備原料時(shí)所排放的二氧化碳量，這種方式不僅能提高原料透氣性，加快化學(xué)反應(yīng)，還能抑制溫室氣體排放。

5.2 實(shí)現(xiàn)低焦煤，落實(shí)無(wú)污染目標(biāo)

為了響應(yīng)我國(guó)綠色環(huán)保號(hào)召，高爐煉鐵行業(yè)應(yīng)注重可持續(xù)發(fā)展，推動(dòng)冶金技術(shù)綠色發(fā)展。而為在高爐煉鐵行業(yè)普及應(yīng)用冶金技術(shù)，促進(jìn)高爐煉鐵反應(yīng)技術(shù)不斷優(yōu)化，要通過(guò)3 種途徑來(lái)落實(shí)綠色發(fā)展目標(biāo)。第一，在我國(guó)科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，引用先進(jìn)化學(xué)反應(yīng)技術(shù)以優(yōu)化高爐煉鐵技術(shù)，探索新能源取替現(xiàn)階段高爐煉鐵過(guò)程所需焦炭資源和其他會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境的資源，使高爐煉鐵化學(xué)反應(yīng)效率得到有效的提升。第二，在高爐煉鐵技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中，煉焦配套系統(tǒng)也在不斷優(yōu)化，通過(guò)對(duì)滿足行業(yè)市場(chǎng)冶煉需求、符合高爐煉鐵企業(yè)要求的配套方案進(jìn)行深入研究，有效優(yōu)化配煤比例，使高爐煉鐵過(guò)程對(duì)焦炭的需求量減少，同時(shí)，達(dá)到減小碳排放的目的，對(duì)工業(yè)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系進(jìn)行有效維護(hù)。第三，強(qiáng)化研究綠色無(wú)污染冶金技術(shù)，使高爐煉鐵過(guò)程排放的污染性氣體減少，促進(jìn)高爐煉鐵技術(shù)綠色發(fā)展，落實(shí)無(wú)污染目標(biāo)，推動(dòng)冶金行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

6 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段，鋼鐵冶煉領(lǐng)域常用冶金技術(shù)包括火法冶金技術(shù)、電冶金技術(shù)以及濕法冶金技術(shù)。在高爐煉鐵行業(yè)引用冶金技術(shù)，能有效強(qiáng)化高爐煉鐵產(chǎn)品質(zhì)量。但目前，我國(guó)高爐煉鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展還存在一定問(wèn)題，比如，產(chǎn)業(yè)不集中、小型企業(yè)較多、高爐設(shè)備熔爐容積率比例失調(diào)等，不僅對(duì)產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展造成影響，還存在資源浪費(fèi)現(xiàn)象。為解決這些問(wèn)題，應(yīng)普及應(yīng)用冶金技術(shù)，對(duì)高爐煉鐵過(guò)程所需焦炭資源進(jìn)行替代，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，為行業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)推動(dòng)作用。