高炉炼铁技术未来的发展

摘要：高炉是炼铁的专用设备。虽然近代技术研究了直接还原、熔融技术还原等冶炼工艺，但它们都不能取代高炉，高炉生产是目前获得大量生铁的主要手段。笔者首先分析了我国高炉炼铁技术现状，基于此，展望了高炉炼铁技术未来的发展。

关键词：高炉炼铁、现状、未来发展

中图分类号： TF54 文献标识码： A

一、前言

二十一世纪也是高炉炼铁“变革的世纪”，期望在新时期钢铁产业能够进入资源、能源和环境的和谐，这是确立炼铁业持续发展的重要关键。我国许多高炉已经感到当前形势的变化，并采取了相应的措施。对高炉炼铁技术发展的方向有了新的认识，为振兴炼铁工业打下了基础。

二、我国高炉炼铁技术现状分析

由于钢材的应用灵活广泛、具有良好的成本效益和优异的可回收利用性，使得钢铁成为支撑现代工业化社会可持续发展的基础材料。在国民经济快速发展的拉动下,中国钢铁工业进入快速发展阶段,这也带动了高炉炼铁的快速发展。伴随着中国生铁产量的高速增长,中国高炉炼铁技术水平也取得了一定进展。由于生铁产量的高速增长造成了全国铁矿石,焦炭供应紧张,价位攀升,质量下降,成分不稳定,导致了部分高炉技术经济指标下滑。表现在入炉品位虽提高,但入炉焦比升高,喷煤比下降等现象。

三、高炉炼铁原理分析

炼铁过程实质上是将铁从其自然形态一一矿石等含铁化合物中还原出来的过程。炼铁方法主要有高炉法、直接还原法、熔融还原法等，其原理是矿石在特定的气氛中(还原物质CO，H2，C；适宜温度等)通过物化反应获取还原后的生铁。生铁除了少部分用于铸造外，绝大部分是作为炼钢原料。

高炉炼铁是现代炼铁的主要方法，钢铁生产中的重要环节。这种方法是由古代竖炉炼铁发展、改进而成的。尽管世界各国研究发展了很多新的炼铁法，但由于高炉炼铁技术经济指标良好，工艺简单，生产量大，劳动生产率高，能耗低，这种方法生产的铁仍占世界铁总产量的95%以上。

高炉生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂(石灰石)，从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预热的空气。在高温下焦炭(有的高炉也喷吹煤粉、重油、天然气等辅助燃料)中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气，在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。炼出的铁水从铁口放出。铁矿石中不还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣，从渣口排出。产生的煤气从炉顶导出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。

四、高炉炼铁技术未来的发展

1. 充分利用炼铁资源和能源

在钢铁企业炼铁系统的资源消耗和能耗消耗约占70%，在炼铁系统中削减CO2排放量是迫切的任务。理论上一吨铁水最少需要414kg的碳，或者465kg的焦炭，其中333kg的碳或者80％的焦炭将用于化学反应。各厂高炉采取了降低燃料比、焦比，提高热效率、还原效率，喷吹煤粉、喷吹塑料，回收一切可能回收的热量等等降低 CO2排放的一系列措施。

（1）高效利用资源、能源

近年来，我国高炉生产理念已经发生了根本变化，过去单纯强调高产，如今转变为“高效”，亦即高效利用资源、高效利用能源、高效利用设备。

（ 2）喷煤技术

我国煤炭已由以往的原料出口国转变为进口国，在此之前，我国焦煤早已成为进口国了。我国早在 1963年就开发了喷煤技术，是最早采用喷煤的国家之一。近年来，为了降低原燃料的成本，大力提倡喷吹煤粉，宝钢等厂长期维持超过 200kg/t 大喷吹量。可是由于矿石和煤的品位降低，喷吹量仅维持在了120～200kg/t。为了提高喷煤量，除了改善原燃料条件以外，适当发展中心气流、控制炉顶温度和压力降、避免软熔带透气性恶化，降低未燃炭和入炉焦粉量，采取活跃炉缸中心和死料堆等措施，以及采取中心加焦控制气流分布，采用混合配煤以提高煤粉燃烧率，改善矿石高温还原性等措施，均可获得满意的效果。由于各高炉的生产条件不同，在高利用系数，低燃料比的条件下，提高煤比必须采用焦炭强度高，低SiO2、低 Al2O3和高温还原性良好的烧结矿。

2. 高炉大型化

近年来，我国高炉的大型化有了很大进步。随着高炉大型化，高炉装备水平有了很大提高，装备技术也有长足进步，装备的本地化率不断提高。

在世界上，我国新建大型高炉具有领先的装备水平。在装备技术方面采用了无料钟炉顶、铜冷却壁、高压炉顶、喷煤装置、水渣粒化装置、炉前烟气除尘装置、高温热风炉、富氧鼓风、脱湿鼓风等等装备。

高炉大型化除了对高炉炉内现象进行了更精细的研究外，还必须弄清各种炉内现象，合理控制循环区及死料堆的形成行为、焦炭粉化及产生堆积的行为，这些行为对炉料透气性和下料有重大的影响。进一步有必要寻求重要操作因素以制定合适的送风制度和装料制度。

3. 高炉长寿及快速大修

由于高炉大型化高炉大修对整个钢铁企业将产生影响巨大，由于设备更新资金的短缺、高炉稳定操作和炉体维修技术的发展，各国都在大力研究高炉的长寿技术。

世界各国都十分重视高炉的长寿技术。超过15 年的长寿高炉不断增加，我国也出现了超过 15年的长寿高炉。在长寿技术中，有以下关键技术：

（1）合理的高炉炉体设计技术

采用合理内型；采用铜冷却壁；例如日本的铸铜冷却壁技术，新日铁为了提高铜冷却壁的可靠性和降低铜冷却壁的制造费用，开发的铸入钢管的铜冷却壁，它具有成本低（只有轧制铜冷却壁 60％的价格）、设备可靠性高（没有钻孔的塞焊缝、没有水管与铜板的焊接接头等潜在的漏水隐患），水管布置灵活，炉壳开孔少等优点。

特别是，为了克服炉缸环流加深死铁层，同时提高炉缸炉墙耐材的抗铁水侵蚀性，提高炭砖的导热率，防止铁水的渗透将气孔微细化，以及炉缸侧壁采用铜冷却壁，以改进炉体冷却。

（2）操作管理技术：

由高炉布料控制炉内气流分布降低炉墙热负荷；

保持高炉的稳定操作，降低炉体、炉缸热负荷的波动；

控制炉缸、炉底冷却，强化侧壁温度管理；

改善出铁制度和布料技术，控制炉缸铁水流动。

4. 减少 CO2排放的新工艺

高炉是直接排放CO2的工艺，所以主要目标是降低所以主要目标是减少投入高炉中的碳，尤其是焦炭。在欧洲ULCOS工程，为炼钢评估单位容积内的物料、电、氢、天然气的消耗，同时也对降低碳进行评估。国外正在研究多种全氧并利用炉顶煤气循环的工艺，RFCS 正在研究一种全氧高炉。用冷的氧气替代热风从风口鼓入，将大部分炉顶煤气经过一个CO2洗涤塔，一部分被处理过的富含CO的煤气被循环使用到风口加热到 1200℃，其余部分被加热到 900℃，并鼓入位于炉身下部的第二排风口。模型计算约使用 175kg/t 煤、焦比降低到200kg/t，燃料比降低了 24％，并在 LKAB 实验高炉上得到了验证。计划建设具有煤气回收技术的50万吨高炉。但要达到大高炉的规模大约还要15～20年。

5.高炉炼铁自动化

（1）可视化高炉

采用新型高精度传感器技术、智能化检测技术、软测量技术、数据处理技术、恶劣环境下的可靠性技术为手段对高炉工艺流程进行在线连续检测，通过数字成像技术，使密闭的高炉成为基于炉内检测，机理及经验模型，数字成像技术的可视化高炉。针对高炉操作稳定，降低生产成本的高炉可视化应用，应首先考虑高炉长寿和原料适应性。

（2）生态高炉

是通过提高炉内反应强度，通过检测及控制提供调整反应强度手段．持续提高喷煤比。通过设置相关检测，调整操作，大力削减污染物排放。包括粉尘、CO、CO2、氮化物和硫化物。为实现生态高炉的目标，高炉自动化需随着高炉炼铁技术的发展，实现控制机能的实施及过程的优化。

（3）低成本高炉

通过合理的检测及自动化设备配置，降低高炉建设成本。通过全集成的自动化控制系统，先进的管理和控制功能，提高劳动生产率，减少定员及维护费用。通过设置相关检测设备及模型及专家系统，优化过程，提高原料适应性。

五、结语

综上所述，随着高炉炼铁生产技术不断进步, 未来高炉炼铁工艺技术将会继续占有主导地位。炼铁系统应深入开展节能降耗、降成本工作, 进而提高钢铁工业的市场竞争力。

参考文献：

储满生 郭宪臻 沈峰满：《高炉炼铁新技术的数学模拟研究》，《东北大学学报（自然科学版）》， 2007年06期

顾祥林 刘振均 吴淑华：《宝钢1#高炉炉况操作功能综合开发及应用》，《冶金自动化》， 2000年06期

于仲洁：《高炉炼铁技术未来的发展》，《钢铁研究》， 2000年01期

刘颖 霍璐：《高炉炼铁新技术研究》，《商品与质量》， 2012年09期