高炉炼铁技术工艺及应用分析

李兰涛

（江阴兴澄特种钢铁有限公司，江苏 214429）

0 引言

高炉炼铁技术成熟、产量大、效率高，是目前国内外铁水冶炼的主流生产工艺，应该说现代炼铁工艺是建立在高炉炼铁的基础上的，在短时间内，这种情况不会被改变；另外我国在高炉炼铁方面已经掌握了比较先进和成熟的工艺技术，高炉炼铁成本已经相对较低。但高炉炼铁也有能耗高、对环境污染大、严重依靠化石能源等问题[1]。

随着国家钢铁行业超低排放产业政策的实施，对高炉冶炼生产工艺提出了更高的要求，今后高炉冶炼生产要遵循高效、低耗、环保的原则。这就要求广大炼铁技术人员要不断探索高炉炼铁新工艺、新技术，提高高炉炼铁生产效率,降低能耗和排放量，减轻对环境的污染，助推高炉炼铁工艺可持续化发展。本文简要介绍高炉炼铁的生产工艺，对高炉炼铁工艺的发展方向进行了探讨，并对当前高炉冶炼主要先进生产工艺和技术的实际运用情况进行了分析和总结，为今后高炉冶炼工艺的进一步改进提供借鉴。

1 高炉炼铁工艺简介

1.1 高炉炼铁原理

铁矿石、焦炭、熔剂等原燃物料由炉顶设备经布料溜槽按设定的工艺制度加入高炉，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（包括高炉喷吹煤粉、重油、天然气等）与鼓入空气中的氧反应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，铁矿石中未还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣，液态渣铁全部从铁口排出，然后经撇渣器进行渣铁分离，铁水进入铁水罐，炉渣排入渣处理系统。产生的煤气从炉顶排出，经除尘净化后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。高炉冶炼的主要产品是生铁，还有副产品高炉煤气、高炉渣和除尘灰。

1.2 高炉炼铁系统组成

高炉炼铁工艺主要由上料系统、炉顶系统、炉体系统、出铁场系统、热风系统、渣处理系统、喷吹系统以及公辅系统构成，高炉生产工艺流程简图如图1 所示。

1.2.1 上料系统

上料系统主要包括矿槽、焦槽、输送胶带机、筛分设施、称量设施、斜桥上料设施,其主要功能是按照工艺要求，把高炉原燃料按一定的配比稳定的向高炉输送。

1.2.2 炉顶系统

目前炉顶系统主要采用的是无料钟炉顶，主要包括固定受料漏斗、料罐、阀箱、气密箱和溜槽五个主要部分，其主要功能是把原燃料按照设定的工艺要求和布料方式向高炉内布料。

1.2.3 炉体系统

炉体系统主要包括高炉内衬、炉体冷却设施、高炉炉壳及框架平台、炉体检测与控制设施及其他炉体主要附属设备，高炉炼铁的主要反应在此进行，从而生产出铁水。

1.2.4 出铁场系统

出铁场系统主要包括风口平台、出铁场平台、主铁钩、支铁沟、渣沟、泥炮、开口机、烟尘收集装置、铁水运输设施，主要负责高炉出铁作业和铁水运输。

1.2.5 热风系统

热风系统主要包括热风炉、助燃风机、空煤气换热器、热风输送管网等设施，主要功能是将高炉所需的风加热至1200 ℃左右，然后通过热风管网输送至高炉炉内。

1.2.6 渣处理系统渣处理系主要包括炉渣粒化装置（或冲渣沟）、水渣脱水装置、水渣输送装置、水渣堆场，主要功能是将高炉液态渣通过水淬工艺粒化成可回收利用的水淬渣。

1.2.7 喷吹系统

喷吹系统主要包括原煤储运设施、煤粉制备设施、煤粉干燥设施、煤粉喷吹设施，主要功能是将煤粉制备成规定粒径，经干燥后由气体介质从高炉风口喷进炉内。

1.2.8 公辅系统

高炉公辅系统主要包括高炉煤气除尘设施、矿槽及出铁场通风除尘设施、高炉风机及TRT 设施、高炉给排水系统设施。

1.3 高炉炼铁工艺的主要发展方向

目前钢铁工业是我国重要的支柱产业，尽管高炉炼铁工艺存在着环境污染与消耗高的问题，但与其他炼铁工艺相比，高炉炼铁工艺相对简单、产量大、劳动生产率高、相对能耗低，故到目前为止仍是现代炼铁的主要方法。

因此，如今研究高炉炼铁工艺时，不但要保证高炉生产高效、稳定、顺行，还要确保不会在很大程度影响生态环境。假如炼铁工艺改进造成能量消耗增加：一是会导致资源紧缺，二是会使生态环境污染加重，三是会影响人们的日常生活与健康，这样就得不偿失了。所以，对高炉炼铁新技术、新工艺探索要着眼于这两大问题，要本着高效、低耗原则，保证钢铁工业的可持续性发展[2]。

2 高炉炼铁主要先进工艺的应用实践

2.1 运用热压含碳球

高品位铁矿资源会越来越紧张，价格也在逐步升高，企业生存压力也越来越大。随着新型低成本的或是可以降低炼铁成本的炼铁原料研发、生产、投用，热压含碳球应运而生。热压含碳球作为新型的高还原性的炼铁原料，具有优良的冶金性能，包括冷态的抗压强度和高温还原反应强度，有较好的渗碳性等。研究发现，高炉使用适量的热压含碳球能有效的提高高炉热利用效率，增加产量，降低焦比，高炉可接受的热压含碳球最大量为含铁料的30%。缺点是：降低渣铁温度，对渣铁流动性造成影响。故高炉在保证渣铁温度，不影响正常生产的情况下，可以配加一定比例的热压含碳球，以降低渣比，提高产量，同时又能降低高炉燃料消耗，进而实现节能降耗。

2.2 科学选用入炉原燃料

选用优质的入炉原燃料是高炉冶炼的首要环节，原燃料的品质对高炉铁水的质量和产量有着深度的影响，同时也对冶炼能源消耗与环境的污染紧密相关。因此在高炉产生中要特别注重入炉原料燃质量，科学选用入炉原燃料要从焦炭质量控制和原料质量控制着手。一是，要选用热强度高、反应性好，粒度均匀、水份、灰分、挥发分、硫分低的焦炭，焦炭质量问题是造成高炉炉况波动和和铁水质量的主要原因，要合理搭配焦炭种类，确保入炉焦炭质量稳定。二是，要选用品位高、强度好，还原性和低温还原粉化性能好，成分稳定、粒度均匀的高碱度烧结矿，烧结矿作为高炉炼铁的主要原料，配比高达70%以上，因此烧结矿的质量对高炉的产量和质量影响非常大。三是，要选用品位高、强度好，反应性、膨胀性、熔滴性和低温还原粉化性能好的金属化球团矿，以改善高炉透气性和入炉料品位[3]。

2.3 提高顶压和富氧量

（1）在炼铁作业时，高炉顶压的控制在设计范围内要尽量提高，这样有利于高炉顺行，提高高炉冶炼强度、降低能源消耗。

（2）在条件允许的情况下，尽量提高富氧率。这样可使高炉风量减少，有利于减小料拄下降的阻力，为提高风量、提高冶炼强度提供了条件。富氧的增加，使高炉煤气中CO 浓度增加，有利于间接还原反应，但是煤气量的降低，在一定程度扩大了低温区，阻碍了间接还原。另外增加富氧可有效提高风口区域理论燃烧温度，下部高温区热交换有明显的改善。同时富氧增加可使风量降低，炉顶温度下降，所以煤气带走的热量也变少。但总体讲提高富氧率，高炉总的热量消耗是呈降低趋势。

2.4 维持高的风温

提高热风温度是高炉强化冶炼、降低能源消耗的重要手段。热风温度的提高离不开热风炉的燃烧效率和蓄热能力。因此要选用燃烧效率高、蓄热能力强和风温稳定的热风炉来提高高炉入炉风温。另外热风炉助燃空气和煤气采用双预热技术，在燃料条件不变的情况下可有效提高热风温度。提高入炉风温可提高高炉产量、降低燃料消耗，在高炉正常使用的热风温度范围内，风温提高100 ℃，可降低焦比15～20 kg/t，可增加产量约3%，目前国际上最先进高炉风温可大达1300 ℃，我国与国际上最先进风温水平还有一定的差距。

2.5 科学合理的运用高炉喷吹废塑料技术

高炉喷煤可以替代焦炭为高炉提供热源和还原剂，可有效降低高炉焦比和冶炼成本。由于煤粉在高炉风口前燃烧，能够降低风口处的理论燃烧温度，有利于高炉提高富氧和热风温度的使用。

废塑料制成的颗粒与煤粉在高炉喷吹中的作用类似，因此可以替代部分煤粉，节约燃料消耗。因废塑料颗粒相对质量比煤粉要大，在废塑料颗粒与煤粉混喷时，废弃塑料粒子的行进速度相对较慢，经过回旋区的时间更长，因此废塑料颗粒与煤粉混喷是有利于燃料在风口前气化与燃烧；另外，在塑料颗粒与煤粉混喷时，由于煤粉粒径细小质量轻，因此会依附在塑料颗粒外部，在回旋区燃烧过程中，细小煤粉会先燃烧并加热塑料，有效加速了塑料的气化与燃烧；与此同时，因为煤粉依附于塑料中，煤粉在高温区域停留时间会延长，从而有利于煤粉的充分燃烧，提高煤粉的燃烧率。在现实运用中，煤粉与废塑料的制粒是分开进行的，喷吹系统也是独立的，最终煤粉与废塑料颗粒在高炉风口前端混合，这样可以充分保证这种混合方案的成效，提升煤粉的燃烧效率。

2.6 碱金属的危害及预防

2.6.1 碱金属的危害

高炉炉内的碱金属主要由高炉的炉料带入。炉料下降至高温区产生碱金属蒸气，碱金属蒸气随煤气流上升。上升的碱金属蒸气分为三部分去向：一部分被焦炭吸收及黏附在炉料上的；一部分沉积于炉衬上；一部分随煤气排出炉外。其中被焦炭吸收及黏附在炉料上的碱金属，随炉料下降到高温区后又形成碱金属蒸气再次进入煤气流中，这样导致碱金属在高炉内形成循环，最终在炉衬上出现碱金属的富集。富集于炉衬上碱金属与高炉炉衬发生反应，使砖衬软化和熔融，黏结粉料，周而往复就会逐渐形成炉墙结瘤或结厚。

通过对入炉烧结矿、块矿、焦炭、煤粉及其高炉炉渣（炉料中大部分未还原的碱金属以硅酸盐形式随炉渣排出）、除尘灰、瓦斯灰的碱金属进行分析，结果表明高炉中百分之八十以上碱金属来自烧结矿和焦炭(烧结矿约占67%、焦炭约占17%)，并随高炉炉渣、除尘灰、瓦斯灰等高炉副产品排出。

2.6.2 高炉碱害的预防措施

高炉预防碱害的措施主要包括：开展有效的高炉日常碱负荷管理工作；合理控制煤气流分布；对炉料进行脱碱及合理配矿；合理控制炉渣碱度、确保适宜的渣量及炉温；改善焦炭热性能；优化高炉操作等。

3 结语

高炉炼铁技术和工艺的不断优化可以有效避免高炉冶炼高污染、高消耗的状况，对钢铁工业的可持续发展有十分现实的意义。本文对当前高炉冶炼主要先进生产工艺和技术的实际运用情况进行了分析和总结，介绍了高炉添加热压含碳球工艺、入炉原燃料的优化选用、高顶压和大富氧量技术、高风温技术、高炉喷吹废塑料技术以及高炉碱金属危害预防措施等先进的高炉冶炼工艺技术。这些先进的工艺技术可有效提高高炉的冶炼强度、改善高炉铁水的质量状况、降低燃料消耗和减少高炉生产对环境造成的影响，为今后高炉冶炼工艺的进一步改进、实现超低排放的目标提供了借鉴。