中国高炉炼铁技术装备发展成就与展望

孙悦升，张古兴

（河钢集团有限公司承德分公司炼铁事业部，河北 承德 067002）

众所周知，高炉炼铁作为高能耗的产业，在此种背景下，必须要解决资源短缺对其正常生产的影响，否则其应用范围将会越来越小，甚至会消失。故高炉炼铁行业必须要创新自己的生产方式，改变原来的对化石能源的过度依赖现象，跟随时代发展的大潮，积极寻找绿色的替代性能源，应用低碳绿色的炼铁技术。以实现工业、经济与环境的协调可持续发展。

1 早期的非高炉炼铁技术

早期开发的各种非高炉炼铁技术，其主要针对点是减少SOx、NOx 排放和应对优质焦煤资源短缺。20 世纪50—60 年代，欧美开始了气基直接还原炼铁技术的探索，开发了HYL、Midrex等气基竖炉直接还原方法，确立了工业规模发展直接还原铁的道路。20 世纪80 年代，“薄板坯连铸连轧”的成功有力地推动了“气基竖炉直接还原+电炉”短流程的发展。同时，以取消烧结和炼焦工序、大幅减少硫化物和氮化物排放为目标，发展了COREX、FINEX、HIsmelt 等熔融还原炼铁技术。这些技术直接使用天然块矿或粉矿，以及非焦块煤和粉煤，不使用或少量使用焦炭，具有流程短，工序少，SOx、NOx 和二噁英排放低等技术优势。

2 中国技术发展现状

（1）炼铁排放及烟气治理工艺技术走在世界前列。随着环保政策日益严格，有些排放指标甚至远高于发达国家标准，炼铁排放及烟气治理工艺技术得到大规模研发与应用，部分工艺、技术已经步入世界先进行列。当前很多企业都在投入巨量资金进行环保改造，以尽可能达到“超净排放”，并取得污染天气时政府许可的“不限产或少限产”优惠政策。

（2）高炉炼铁工艺得到了飞跃发展。从新中国建国以来，特别是改革开放以来，高炉生产技术得到了飞速发展，无论是炉容、产量规模、操作水平、技术经济指标，以及与高炉生产相配套的原料、烧结、炼焦技术，都取得了长足进步和发展。目前，中国铁产量世界最高，并拥有世界最大体量的炼铁工艺装备，其中绝大部分是高炉生产工艺。2019 年中国高炉铁水产量为8.09亿t，占全球高炉铁水产量的63.3%。

（3）工业化非高炉炼铁发展相对缓慢。虽然中国开展非高炉炼铁技术研究起步较早，但总体来看，近10 多年来研发投入和重视程度还是不够，取得的突破性成就也较少，目前较具规模的非高炉炼铁只有宝武八钢的欧冶炉、山东墨龙HIsmelt 等工艺，且原创技术都是源于国外。

3 低碳绿色高炉炼铁技术的功能解析

高炉炼铁技术发展历史十分久远，且其技术在不断的进步之中，因其还原率较高、效率高、原理简单等特点，其早已成为了我国钢铁制造过程中的重要技术，对钢铁制造行业的发展起到不可小觑的作用，对我国经济的可持续发展帮助极大。现如今，高炉炼铁技术的发展迅速，其智能化发展趋势明显，还原效率进一步提高，对于设备的操作变得简单，高炉炼铁技术的效率提高了很多。

3.1 还原器与渗碳器功能

在高炉运行中，其重要燃料、还原剂是焦炭，属于还原铁氧化物为液态生铁工艺装置。在上升煤气流、下降炉料的相向运动过程中，可以让高炉冶金“三传一反”目标得以实现。高炉高温还原工作是此目标实现的重要前提，在高炉中，骨架具有不可替代特点，在还原时，会有一定生铁渗碳情况出现。

3.2 能源转化器

高炉炼铁过程需要极高的温度，高炉内部压力巨大，故很容易受到强大的能量转换的影响，导致能源消耗量不断增加。目前，大多数高炉的能源转换器，综合了化学与物理显热技术的新型技术，能够帮助大大提高高炉中化石能源的转化效率，有利于后续过程中的氧化物的还原。高炉用的能源转化器，其实用性极强且可应用的范围十分广泛，可应用于化学物质能源与物理物质能源的转化中，例如对化学物质、物理物质能源的转化，其转化效率非常高。另外，在后续的生产过程中，通过此能源转化器，直接转化化石质能源为产出物，大大缩减转化过程，提高能源转化效率。除此以外，伴随着我国社会经济、科学技术的持续健康发展，高炉炼铁技术不断增强，TRT 余能和余热的浪费越来越少，实现了对其高效的回收利用，这使得能源转化器的优势越来越突出。

3.3 熔化器与质量调控器功能

高炉可以将优质液态生铁提供给转炉，这是转炉炼钢工作开展的重要前提条件。高炉可以还原固态铁氧化物矿物的铁，其具有熔化器的作用。与此同时，高炉生产方式、还原方式具有连续性、不断性特点，此特点决定高炉是重要铁水供应器，而在炼铁过程中，可以使用调控操作，对铁水质量、成分进行控制，让铁水成分、偏差、温度满足要求，高炉是重要质量调控器。

4 面向未来的低碳绿色高炉炼铁技术发展研究

4.1 淘汰落后，实现装备大型化和合理化

高炉装备的大型化具有很多的优点：第一，其内部可承载的材料多，能源转化效率高，很大限度上减少了能源的浪费；第二，大型化装备减少了对人力的要求，降低对人力资源的浪费；第三，大型设备符合现阶段低碳绿色产业发展的要求，通过减少能耗以减少污染物的排放。对比来讲，使用小型化高炉的缺点十分明显，它对能量的消耗很大，于是对化石原料的需求大大提升，能源消耗量大大增加，随之而来的是污染物的大量排放与资源的大量浪费。

4.2 流程创新

流程创新是低碳绿色高炉炼铁技术发展的主要措施，只有结合钢铁市场实际需求，联系钢铁企业自身情况，做到因地制宜、实事求是，完成钢铁厂生产规模确定与产品定位工作，才能对流程进行有效创新。在具体工作开展中，首先，应保证流程集成和结构优化，依照高炉生产动态协同运行目标，综合研判、合理取舍技术单元，对其予以动态整合，让程序化协同效果、网络化整合效果得到保证；其次，应积极构建流程网络，摒弃传统高炉设计中的落后理念，让结构、功能和效率得以优化，完成钢铁厂物质流网络系统、能量流网络系统、信息流网络系统构建工作；最后，应对界面技术进行优化，保证生产、调度信息化，在典型界面技术中，包含炼铁—炼钢界面技术、烧结—高炉界面技术、焦化—高炉界面技术等。

4.3 降低高炉燃料比技术

从目前的发展趋势来看，虽然新型能源的开发力度越来越大，但我国的炼铁行业仍然需要依靠煤炭来提供生产能源，且在短时间内难以转变这种局面。另外，废钢资源的供给不足问题也越来越突出。降低高炉燃烧比可从以下角度入手，首先，要努力升级技术与设备，相关企业还要进行内部资源的整合，抛弃落后的高炉设备，削减不必要工作人员，不断优化生产过程，通过先进技术增强对能源的利用效率。首先，要降低碳的使用量。在高炉生产过程中要尽量降低高炉燃烧比，应用新型技术提高燃烧效率，从而降低碳使用量。其次，炼铁行业要降低对碳的依赖。炼铁行业对碳的依赖注意是因为其在炼铁过程中可帮助还原与提供燃料，故减少碳依赖可从开发不含碳的还原剂或降低还原剂含碳量角度出发，例如可以引进天然气等新型能源，从根源处减少污染物质的排放量。

4.4 技术创新

（1）高炉精料技术。高炉精料技术的发展应用可以让能源消耗得以减少，可以让生产效率得以提升。首先，应保证炉料结构合理性，在高炉炼铁过程中，应落实循环经济理念，融合具有减量化特征技术，让能源利用最优化目标得以实现，与此同时，钢铁企业应对运筹学理论予以积极利用，优化数学模型，保证炉料结构与企业实际情况相符，考量到我国生态环境特点、铁矿石资源特点，在未来发展中，我国应对球团工艺予以大力发展，让球团矿入炉比率得以提升；其次，应对炉料冶金性能予以改善，一方面，应对入炉矿品味、熟料率予以提升，让炉料结构具有高度合理性、经济性，另一方面，应对炉料成分、理化性能稳定性予以提升，让性能波动、成分波动得以减少，除此之外，还应对炉料有害元素予以控制，如锌元素、钠元素、钾元素等；最后，应对炉料分布技术、炉料控制技术予以有效应用，现阶段，大型高炉往往具有较高的生产效率，具有较大的炉料装入量，只有保证炉顶设备可以让高炉装料能力要求得到满足，让分布精准控制要求得到满足，才能起到降低能耗、提升煤气利用率目标。

（2）高炉长寿技术。高炉长寿技术应用可以让高炉使用寿命得到保证，进而提升高炉运行经济效益。

5 结语

面向未来的低碳绿色高炉炼铁技术发展一定要关注能源结构调整，从根源处出发，减少碳元素的使用及排放量，深刻结合我国高炉炼铁实际问题，环境污染严重、资源不足问题十分突出，优化炼铁技术，优化铁的还原过程，通过降低高炉燃烧比技术、高炉精料技术、注意连接管道的保温与引进大型化、合理化设备等多个角度来降低炼铁过程能耗，利用绿色低碳的高炉炼铁技术，减小人力、物力资源的投入，以推动炼铁行业的可持续发展。