钢铁厂流程优化大型化

近年来，中国首钢京唐钢铁厂基于新一代可循环钢铁工艺流程，构建了动态有序、连续紧凑、高效协同的生产运行体系，实现了新一代钢铁厂优质产品制造、高效能源转换、消纳废弃物并实现资源化的三大功能［1］。对于现代钢铁厂，高炉的功能不仅可以获得优质的炼钢生铁，而且伴随着大量的能量转换和信息的输入／输出［2］。因此，应该运用冶金流程工程学理论，在整个钢铁厂生产流程的层次上进行分析，也就是从贯通全厂的铁素物质流、能量流、信息流等方面，评价钢铁厂的流程结构优化和与之相关高炉大型化。要从高炉的4个基本功能出发（即氧化矿物还原和渗碳器、液态金属发生器和连续供应器、能量转换器和冶金质量调控器）［3］，全面思考高炉与钢铁厂流程结构优化的关系。炼铁工序是钢铁厂生产成本和能源利用效率控制的关键环节，高炉炼铁技术应实现高效、低耗、优质、长寿、清洁等综合目标。高效不是简单的生产强化，更要重视其经济效益、环境效益和社会效益；长寿不是简单地延长高炉使用寿命，还要重视其技术的先进性和可持续发展的生存能力［4］。面对当前国内外激烈的市场竞争环境，今后中国钢铁企业流程结构如何优化，钢铁厂如何选择合理工艺流程的问题，摆在了钢铁工作者的面前本文针对钢铁厂高炉炼铁这个主要关键工序，运用冶金流程工程学理论，对科学合理地确定高炉产能座数和容积进行了全面系统的分析论证，研究了在同样生产规模条件下，不同高炉配置技术方案的经济性与合理性，希望能为中国钢铁企业流程结构优化和高炉大型化提供参考。

1高炉炼铁的发展趋势

近20年来，国内外高炉炼铁技术在大型、高效长寿、低耗、环保方面取得长足技术进步，特别是高炉长寿、高风温、富氧喷煤、煤气干法除尘－TRT等单项技术成就突出。高炉炼铁技术进步主要体现在能耗和效率两个方面，这些技术进步与高炉大型化发展密不可分，在钢铁厂整体流程结构优化前提下的高炉大型化是当前国内外高炉炼铁技术的发展趋势。考虑到物质流、能量流和信息流网络结构的优化，一个钢铁厂配置2～3座高炉是适宜的选择。应该以钢铁厂整体流程结构优化为前提，考虑高炉产能、座数、合理容积以及合理的位置、合理的平面布置等，同时不应不顾产品市场等因素片面强调某一高炉越大越好，盲目比大小、盲目追求“最大”。高炉大型化是钢铁生产流程结构优化的重要内涵关系到钢铁厂的物质流、能量流和信息流动态运行的优化。

1．1国外高炉大型化发展现状

1．1．1日本高炉大型化发展现状日本在役高炉数量由1990年的65座下降到28座，下降幅度为56．9％，高炉的平均有效容积由1558m3上升到4157m3，上升幅度为166．8％。与此同时，日本高炉燃料比已经普遍降低到500kg／t以下，煤比达到120kg／t以上，焦比降低到380kg／t以下。图1是近20年来日本高炉座数和容积的变化［5］，图2是近20年来日本高炉燃料比的变化［6］，图1和图2基本代表了日本高炉炼铁技术的发展状况。目前日本单个钢铁厂一般配置2～3座高炉，也有一些钢铁厂只有1座高炉生产，2010年新日铁大分厂生产能力为963．4万t／a，仅有2座5775m3高炉运行。

1．1．2欧洲高炉大型化发展现状欧洲在役高炉数量由1990年的92座减少到58座，下降幅度为37％。高炉平均工作容积由1690m3（有效容积约为2150m3）上升到2063m3（有效容积约为2480m3），上升幅度为22％。欧洲高炉燃料比已经降低到496kg／t，焦比降低到351．8kg／t，煤比达到123．9kg／t以上，喷吹重油和天然气为20．3kg／t。图3是近20年来欧洲高炉座数和容积的变化，图4是近20年来欧洲高炉燃料比的变化图3和图4基本代表了欧洲高炉炼铁技术的发展状况［7］。欧洲单个钢铁厂的高炉数量基本是2～3座如德国蒂森克虏伯（TKS）的施维尔根厂年产量约为780万t／a，目前仅有2座高炉运行（1×4407m3＋1×5513m3）。

1．2中国高炉大型化发展现状日本和欧洲的高炉大型化发展开始于20世纪80年代，快速发展期为1990年以后。在钢铁厂整体流程结构优化的前提下高炉数量减少，高炉容积扩大，单座高炉的产量提高。20世纪90年代，中国钢铁工业发展迅猛，钢铁产量持续增长，在高效连铸、高炉喷煤、高炉长寿、连续轧制等关键共性技术取得重大突破的同时，中国钢铁厂整体流程结构优化、高炉大型化的发展进程也随之加快。1985年9月，宝钢1号高炉（4063m3）建成投产，成为中国高炉大型化发展进程的重要里程碑。然而真正大面积推进钢铁厂整体流程结构优化的高炉大型化，应该是在新世纪。据不完全统计，至2010年，中国在役和正在建设的1080m3以上高炉数量约为227座，高炉总容积约为429420m3。其中1080～1780m3高炉为119座，2000～2500m3高炉为27座，2500～4080m3高炉为61座，4063m3以上高炉为20座。图5是2010年中国1000m3以上高炉结构分布。实践证实，中国高炉大型化带动了高炉炼铁技术进步。目前，中国重点钢铁企业高炉燃料比已降低到520kg／t以下，焦比降低到370kg／t，煤比达到150kg／t以上，炼铁工序能耗降低到410kg／t以下。图6是进入新世纪以来中国重点钢铁企业高炉燃料消耗和风温的变化情况，由图6中可以看出，从2005年开始，随着1080m3以上大型高炉数量的增加，高炉燃料比和入炉焦比显著降低。

2钢铁厂流程结构优化前提下的高炉大型化钢铁厂生产能力的选择要适应社会发展和市场需求，应根据区域市场需求和产品结构需求的变化，因地制宜，由相关区域的市场容量进行钢铁厂产品的定位和生产规模的优化选择。要根据钢铁厂整体流程结构的合理性、高效性、经济性考虑顶层设计，继而综合考虑轧机组成并评估合理产能，再对与之相应的高炉座数和容积做出初步选择，同时必须兼顾企业投资取向和企业发展的远景目标。

2．1确定高炉座数与高炉容积选择的准则除了铁水产能需求以外，高炉的座数、位置对于钢铁厂的物质流网络、能量流网络、信息流网络以及与之相应的动态运行程序有着十分明显的关联性。笔者通过首钢迁安钢厂和京唐钢厂的实例，对物质流网络、能量流网络进行简要分析（图7～10）。由图7～8可见，高炉座数、容积及其在总平面图中的位置，对钢厂的物质流动态运行的结构和程序有着决定性影响，同时对能量流的结构、转换效率和运行程序也存在着决定性的影响。在相同的产品和产量规模下，高炉大型化、座数和位置合理化有利于企业结构优化和提高市场竞争力。笔者认为，推动实施中国高炉大型化，应该是以钢铁厂整体流程结构优化为前提下的大型化，既不提倡一个钢铁厂有过多数量的高炉，也不主张盲目追求高炉越大越好，应当按照钢铁厂流程优化的原则择优确定高炉的座数和产能，而且还应关注其合理位置。值得指出的是，高炉产能和容积的确定绝不能不顾钢铁厂流程结构的合理性，而盲目追求所谓的高炉大型化，同时更不能因循守旧建造数量过多的小高炉。还应避免在评比、设计的过程中片面地“比大比小、凑零凑整”和盲目攀比“第一”。

2．2高炉生产能力与生产效率根据目前国内外炼铁技术的发展现状，不同级别的高炉生产能力均有较大幅度提高。按照当前不同级别高炉的技术装备水平、操作水平和原燃料条件，其生产能力已基本确定在一个合理范围内。图11是30年来中国重点钢铁企业高炉平均利用系数变化情况。由图11可见，近30年以来，中国重点钢铁企业高炉平均利用系数提高了1．30t／（m3•d）。衡量高炉生产效率，过去一般采用2个技术指标进行评价，即“冶炼强度”和“容积利用系数”。由于炉缸反应是高炉炼铁中十分重要的冶金过程，因此采用高炉炉缸截面积利用系数来衡量高炉生产效率更具科学性［8］，炉缸面积利用系数体现了高炉冶炼的本质特征。不同级别高炉的容积利用系数和炉缸面积利用系数不同。例如1260m3高炉容积利用系数为2．5～2．7t／（m3•d），炉缸面积利用系数为61．16～66．05t／（m2•d）；2500m3高炉容积利用系数为2．4～2．6t／（m3•d），炉缸面积利用系数为60．93～66．01t／（m2•d）；3200m3高炉容积利用系数为2．3～2．5t／（m3•d），炉缸面积利用系数为60．98～66．28t／（m2•d）；4080m3高炉容积利用系数为2．2～2．4t／（m3•d），炉缸面积利用系数为61．51～67．10t／（m2•d）；5500m3高炉容积利用系数为2．1～2．3t／（m3•d），炉缸面积利用系数为62．04～67．95t／（m2•d）。在同等冶炼条件下，小型高炉与大型高炉的容积利用系数不可进行简单的类比。图12为2010年中国不同级别高炉年平均容积利用系数和年平均炉缸面积利用系数。由图12中可以看出，随着高炉容积增加，容积利用系数和炉缸面积利用系数呈现不同的变化趋势。2．3钢铁厂高炉数量的优化配置根据高炉生产效率和生产能力的分析，可以进一步推算不同容积高炉的期望年产量，进而确立不同模式钢铁厂合理的高炉数量和合理的高炉容积，表1列出了不同级别高炉的生产能力和生产效率［9］。针对当前国内外钢铁工业面临的严峻形势和挑战，保障钢铁工业的可持续发展，实现低碳冶金和循环经济，要着力构建高效率、低成本的洁净钢生产体系。根据产品定位和市场需求，科学合理地确定钢铁厂的生产规模，具有国际影响力和市场竞争力生产薄板的大型钢铁厂，其产能一般定位在800～900万t／a，对于钢铁生产流程结构优化而言，配置2～3座高炉应是优化的选择。4座以上的高炉同时运行，会引起物流分散、输送路径拥塞、铁水输送时间长、铁水温降大且不利于铁水脱硫预处理等；同时也将导致能量流网络分散复杂、运行紊乱，将使高炉煤气等二次能源的利用效率降低。高炉容积和座数将直接影响到平面布置的简捷顺畅程度，这就是钢铁企业物质流网络、能量流网络以及信息流网络的优化问题。高炉大型化有利于减少高炉座数，有利于流程简捷顺畅，有利于提高能源效率、节能减排，有利于信息化控制。

3不同容积高炉的工艺技术装备比较高炉大型化的技术优势主要体现在高效集约、节能减排、低耗环保和信息化控制等方面，更具体地讲，有利于实现现代高炉优质铁水生产、高效能源转换和消纳废弃物并实现资源化的三大功能。与此同时，高炉大型化有力地促进着炼铁技术装备的发展，推动大型冶金装备和耐火材料技术的开发，促进信息化技术、高炉长寿、精料、无料钟炉顶、炉前设备、高风温、富氧喷煤、煤气干法除尘－TRT、除尘环保等多项技术的协同发展。因此，对于不同生产规模和不同产品结构的钢铁厂，高炉生产能力、数量和容积的选择确定具有多种技术方案。对于200～300万t／a建筑用棒／线材厂或中／厚板厂、400～600万t／a的板材厂（薄板或薄板＋中板）、800～900万t／a的大型薄板厂等不同产品、不同生产规模的钢铁厂，其高炉数量和容积的确定，必须在整个钢铁厂的层次上综合考虑，以实现物质流、能量流与信息流各自在合理的流程网络上协同高效运行为目标，实现钢铁厂整个生产流程结构优化前提下的高炉大型化。对于一个生产能力为900万t／a的钢铁厂，可以配置3座4080m3高炉或配置2座5576m3高炉，为此，针对这2种技术方案进行了对比分析研究。重点对4080m3高炉和5576m3高炉技术经济指标、原燃料适应性、能源及动力消耗、电力装机容量、工程投资、生产管理及运行成本、总图占地、节能环保等多方面进行了分析比较。

3．1大型高炉主要技术经济指标表2列出了中国新建的3座大型高炉主要技术经济指标。由表2可以看出，4000m3级高炉与5500m3级高炉的技术指标仍有一定差距，特别是高炉燃料比和炼铁工序能耗2项关键指标，5500m3级高炉分别低10～15kg／t和18kg／t。

3．24000m3以上高炉对原燃料的适应性通过对日本各主要钢铁厂的考察调研得知，日本高炉大型化和5000m3以上高炉的建造主要是通过高炉扩容大修改造实现的，许多高炉是由原来的4000m3扩大到5000m3以上，虽然高炉在大修期间进行了扩容，但焦化、烧结等工序并未进行全面技术改造，原燃料条件也并未发生根本性改变。日本大型高炉生产实践表明，适应4000m3高炉的原燃料条件基本可以满足5000m3高炉的生产要求。图13是4350m3高炉与5576m3高炉内型和有效高度的比较。2座高炉容积相差1226m3，主要是高炉炉缸容积扩大而有效高度仅相差1．2m，料柱高度相差不大，因此与4000m3级高炉相比，5000m3级高炉对焦炭机械强度（M40，M10）、反应性指数CRI及反应后强度CSR并无显著苛刻要求。根据高炉炼铁工艺设计规范（GB50427—2008）对高炉原燃料条件要求［10］，表3和表4分别列出4000m3级和5000m3级高炉对原燃料的质量要求。从表3和表4中可以看出，4000m3级和5000m3级高炉的原燃料设计条件差别不是太大。

3．3工艺装备比较表5列出了2座5576m3高炉和3座4080m3高炉工艺技术装备的比较。通过比较可以看出，2座5576m3高炉比3座4080m3高炉设备数量和项量明显减少，设备数量减少15％，设备总质量减少14820t，设备总质量降低22．6％，上料主胶带机长度缩短118．8m。设备数量的大幅度降低使设备投资、运行维护、备品备件消耗等均相应降低，而且动力消耗、岗位定员、污染物排放等都也相应降低，生产运行成本将大幅度降低。

3．4能源动力消耗与节能环保表6列出了4000m3级高炉与5576m3高炉在能源动力消耗、节能环保及装机容量的比较，由表6可见两者之间存在一定差距。5576m3高炉在水消耗、原燃料消耗、电机装机容量、电力消耗、清洁环保等方面具有显著优势，在节能、环保方面表现突出，主要技术经济指标、信息化水平及清洁化生产等方面均达到国际先进水平，并产生了显著的经济效益、社会效益和环境效益。

3．5工程投资及总图占地比较首钢京唐5576m3高炉和首钢迁钢4080m3高炉同属首钢集团，并且由同一家设计单位完成工程设计，在同一时期内建成投产，具有较强的可比性。针对首钢京唐建造2座5576m3高炉或建造3座4080m3高炉技术方案，进行了工程投资和总图占地的对比研究。结果表明，在同口径条件下建造2座5576m3高炉，同建造3座4080m3高炉相比，降低工程投资6．55亿元，降低工程投资12％～14％。同时由于装备大型化、流程紧凑集约，高炉区域占地面积减少15．81万m2，同比降低20％～24％。节省占地不仅可以节约土地资源，还使物料运输和能源介质输送距离大幅度减低，运行成本降低、生产效率提高。2种技术方案的工程投资与占地比较见表7和表8。

4结论

1）对于现代钢铁厂，高炉的功能不仅是通过还原反应过程获得优质的炼钢铁水，而且伴随着大量的能量转换和信息的输入／输出。因此，应从更高、更宽的视野进行分析，也就是应该从铁素物质流、能量流、信息流等方面，综合评价钢铁厂的流程结构优化和与之相关的高炉大型化。2）近20年来，国内外高炉炼铁技术在大型、低耗、高效、长寿、环保等方面取得长足进步，高炉长寿、高风温、富氧喷煤、煤气干法除尘－TRT等单体技术成就突出。国内外高炉炼铁技术进步与高炉大型化发展密不可分，在钢铁厂整体流程结构优化下的高炉大型化是当今高炉炼铁技术的重要发展趋势。考虑到物质流、能量流和信息流网络结构的优化，一个钢铁厂配置2～3座高炉应是优化的选择，应该以钢铁厂整体流程结构优化为前提，考虑高炉大型化的合理配置，不应片面强调高炉越大越好，片面比大比小，甚至盲目攀比“最大”；同时必须重视高炉座数及其位置的合理化。3）研究分析和生产实践证实，4000m3级高炉和5000m3级高的原燃料条件差别不大。相比之下，5000m3级高炉技术指标则更具有优势，特别是高炉燃料比和工序能耗等关键指标。4）对于生产规模为800～900万t／a的现代大型薄板厂，在钢铁厂流程结构优化的前提下，综合考虑铁素物质流、能量流、信息流的流程网络优化，配置2座5000m3级高炉优于配置3座4000m3级高炉，在节能减排、清洁环保、节省投资、经济效益等方面具有优势。5）通过技术方案对比研究，在同等生产规模的条件下，建造2座5576m3高炉比建造3座4080m3高炉，其技术装备数量和项量大幅度减少。设备数量减少15％左右，设备总重量减少14820t，设备总重量降低22．6％，设备数量的大幅度降低使设备投资、运行维护、备品备件消耗等均相应降低，而且动力消耗、岗位定员、污染物排放等都也相应降低，生产运行成本随之相应降低。6）在同等生产规模和产品的条件下，建造2座5576m3高炉比建造3座4080m3高炉，可以降低工程投资6．55亿元，即相当于降低工程投资12％～14％。同时由于装备大型化、流程紧凑集约，高炉占地面积减少15．81万m2，同比降低20％～24％与此同时，还使高炉运行的动力消耗、物料运输和能源介质输送距离大幅度减低，运行成本降低、生产效率提高。7）这种发展趋势对于生产建筑用棒材／线材产品的中、小钢铁厂也同样具有参考价值。