当前高炉炼铁工艺及自动化技术的发展

2022-11-22李继锋

中国金属通报 2022年8期

李继锋，李强，汪克

截止到2020年，全世界5000m3的高炉数量为32座，其中，我国独占9座，这不仅代表着我国综合国力的提升，同时，也标志着高炉炼铁工艺在钢铁生产领域已经独占鳌头。虽然高炉炼铁是我国炼铁领域当中最常用的技术，但是随着现代信息技术以及科学水平的进一步提高，高炉炼铁也应该引进一些新的技术手段，以此来提高炼铁的质量和效率，满足我国的市场需求，提高我国在国际上的核心竞争力。在高炉炼铁当中引用自动化技术可以进一步拓展我国钢铁生产的发展空间，提高该行业在国际市场上的竞争力，同时还能够贯穿落实我国节能减排的政策，促进该行业的可持续发展，推动我国工业实现质的飞跃。在这一利好形势下，我国的钢铁企业在抓生产、促质量、保安全、提产量的同时，不断对高炉炼铁工艺进行创新和改进，尤其在自动化技术体系日趋完善的今天，通过高炉炼铁工艺而创造的直接经济效益与社会价值已经逐步突显出来，特别在促进国民经济持续稳定增长方面，表现的尤为明显。

1 炼铁高炉的基本结构

炼铁高炉主要由炉喉、炉身、炉腰、炉腹及炉缸等结构组成。其中，炉喉位于高炉本体的最上端，外形结构呈现出圆筒形，在炼铁生产过程中，炉喉主要扮演炉料加入口与煤气导出口的角色，该结构可以炉料的填入量与煤气的导出量进行有效控制。炉身是矿石发生间接还原反应的重要区域，其外形多以圆锥或者圆台形为主，由下至上逐渐缩小，这一设计原理主要是为了防止炉身受热膨胀以后出现料拱现象。炉腰与炉身紧邻，是整个炉体当中直径最大的部位，在炉体中，使炉身和炉腹能够实现平稳过渡。在炼铁过程中，炉腰部位容易积存大量的炉渣，如果累积量过大，则会影响炉料的透气性，进而影响炼铁质量，因此，为了避免这种情况的发生，在设计炉腰时，通常以大直径为主，同时，也需要与炉身之间保持一个平衡比例，以凸显炉体的美观度。炉腹一般呈现倒锥台的形状，该部位是高炉熔化与造渣的重要区段，当高温熔化作用结束以后，高炉内的温度快速降低，这时，炉料的体积极易出现收缩现象，进而逐渐形成一个炉腹角，而炉料成分恰恰可以停留在炉腹内，这就使炉料的透气性得到有效改善。炉腹的高度一般介于3.0m～3.6m之间，炉腹角度一般在79°～82°之间，如果角度过大，煤气流分布将呈现分散状态，如果角度过小，则对炉料的透气性将造成不良影响。炉缸多以圆筒形为主，出渣口、出铁口都位于该区段，因此，该区段也是发生物理与化学反应最为频繁的区段。

2 高炉炼铁工艺流程

在高炉炼铁生产过程当中，较为常用的原料与燃料包括铁矿石、焦炭、石灰石，其中石灰石属于熔剂，即可以提高焦炭的燃烧效率。一般情况下，1.5t～2.0t铁矿石能够炼制1t左右的生铁，需要消耗0.4t～0.6t左右的焦炭、0.2t～0.4t的石灰石熔剂。由于炼铁过程属于一种连续性工艺，因此，需要保证充足的原料供应量。其炼铁的基本原理是持续向炉顶加入铁矿石原料，然后从炉缸部位的吹风口，吹入热风，热风的温度一般介于1000℃～1300℃之间，与此同时，需要向炉内喷入油、煤或者天然气等助燃剂，来提高炉内的温度。在高温作用下，焦炭中释放出的一氧化碳气体将直接与铁矿石发生化学反应，进而得到二氧化碳和铁等物质，在经过化学还原反应之后，铁水从出铁口流出。而原料矿中的脉石及焦炭燃料与喷吹物当中的灰分以及石灰石等熔剂则生成炉渣，并从出渣口排出。另外，从炉顶喷入的煤气，经过干法除尘处理后，可以进行二次利用，进而实现节能减排的既定目标。以直接还原反应原理为例：在850℃左右的高温区，二氧化碳与水将直接与焦炭发生化学还原反应而生成一氧化碳和氢气，化学反应式为：CO2+C→2CO-39600千卡、H2O+C→H2+CO-29730千卡。因此，从炼铁全过程看，实际是碳素直接还原氧化铁而生成一氧化碳与铁的过程，即：FeO+C→Fe+CO-36350千卡。

3 当前高炉炼铁工艺分析

3.1 炉前操作

高炉自动化技术的发展主要有流程方面的自动化控制，炼铁过程当中的自动化控制，因此整个技术的核心环节是集中在基础自动化控制系统当中。在高炉生产控制系统当中，通过计算机来对整个生产活动进行控制，通过计算机完成数据的处理和分析工作，并在机械上设置相关的程序软件，来进行操作，对仪表盘的数据进行自动调节。为了保证高炉生产过程能够连续进行，现场操作人员首先需要利用开口机、泥炮或者堵渣机等专属设备与器具，在规定的时间内，将出渣口与出铁口打开，并把留存在高炉内的炉渣、铁水等成分排出炉体，然后对出渣口与出铁口进行封堵，为了顺利完成出铁与出渣工序，操作人员应当及时更换风、渣口等冷却设备，并对渣铁运输线进行清理。如果高炉无法排出净渣铁，一方面会影响炉缸料柱的透气性，进而导致下料速度缓慢，甚至还会出现崩料、悬料以及风口灌渣等事故。如果炉缸内积存的渣铁数量过大，那么高温渣铁将极易烧损渣口，严重的还会引发爆炸事故。

高炉炉前操作需要明确以下几个概念，即出铁次数、出铁正点率、铁口深度合格率、铁量差、上渣率等。其中，出铁次数的确定应当遵循以下原则，第一，单次最大出铁量应当低于炉缸安全容铁量。第二，出铁准备时间充分，并保证高炉顺行。第三，出铁次数的确定应当给铁口维护提供便利。出铁正点率是出铁口正常开启后的净渣铁排出量，如果正点率误差较大，则会给出铁口维修维护工作带来不利影响，进而影响后续的炼铁生产效率。铁口深度合格率主要是指铁口深度合格次数与实际出铁次数的比值，如果铁口过浅，则容易引发出铁事故，比如烧穿炉缸等。铁量差是每一次实际出铁量与理论计算出铁量之间的差值，一般二者的差距介于10%～15%之间。而上渣率则是针对带有出渣口的高炉而言，从高炉出渣口排出的炉渣被称之为上渣，而从出铁口排出的炉渣则称之为下渣，上渣率即是从出渣口排放的炉渣量占全部炉渣量的百分比。如果上渣率高，则说明出铁口的排渣量较小，进而能够有效保护出铁口免于受损。

3.2 出铁操作

出铁口主要由于铁口框架、冷却板、砖套、铁口孔道等结构组成，由于出铁口同时排放铁水与炉渣，因此，该位置发生物理与化学反应频率较高，这就使得出铁口的工作条件相对比较恶劣。在这种情况下，出铁口周边的炉底与炉墙等结构将受到严重侵蚀，为了提升出铁率，设备检修人员需要及时对出铁口进行维护，首先，出铁口深度应当符合标准要求，即容积介于1000m3～2000m3之间的高炉，出铁口深度应当在2.0m～2.5m之间，容积介于2000m3～4000m3之间的高炉，出铁口深度应当在2.5m～3.2m之间，容积超过4000m3以上时，出铁口深度应当在3.0m3～3.5m3之间。如果出铁口过浅，则极易产生以下危害：第一，炉墙厚度变薄，出铁口维护难度加大，容易引起出铁口爆炸或者烧损炉缸等安全事故。第二，如果出铁口过浅，在出铁过程中，容易出现“跑大流或者跑焦炭”事故，这时，高炉内的温度波动幅度也将变大。第三，部分渣铁积存在炉缸内无法排出，进而给炉料的透气性造成不良影响，而且出渣口出现爆炸的风险也将陡然上升。因此，现场操作人员应当始终保持正常的出铁口深度，在出铁与出渣过程中，渣铁排出时间应当满足标准要求，同时，对渣铁的排出情况进行检查，以保证炉缸内没有积存的渣铁。另外，需要合理控制打泥量，以容积为2500m3的高炉为例，打泥量一般在300kg左右，炮泥的消耗量为0.8k/t。

3.3 出铁口打开方法

现场操作人员首先利用开口机钻到赤热层，然后将出铁口捅开，如果赤热层含有凝铁，可以利用氧气等助燃气体将其烧开，并利用开口机将出铁口钻漏，为了避免开口机滞留在炉体内，应当快速退出开口机。如果采用埋置钢棒法，拔炮操作必须在出铁口封堵之后的20min～30min内完成，然后将开口机钻进出铁口，钻入深度为炉体横向深度的2/3，接下来，利用长度为5m的圆钢棒打入出铁口，当出铁口位置排出渣铁后，应当及时拔出开口机。

3.4 出铁准备工作

出铁前，现场操作人员首先应对渣铁沟进行清理，并垒好砂坝与砂闸，检查出铁口位置的泥套、撇渣器、渣铁流嘴的使用状态是否完好，如果出现破损的情况，应当及时进行修补与烤干处理。在装泥过程中，应对泥质进行检查，硬泥、软质泥与冻泥不得混入缸体内，为了保证出铁效率，操作人员应对开口机、泥炮等设备进行试运转，以便于及时排除故障隐患。另外，渣铁罐内不得留有水或者潮湿性的杂物，撇渣器内铁水表面残渣凝盖应当处于旋开状态，以确保铁流畅通。由于渣铁排出过程中伴随着高温，并且具有流动性特征，因此，现场作业人员应当做好安全防护措施，以防止烧烫伤等安全事故的发生。在炉渣与铁水排出过程中，受到铁口直径、高炉内压力、铁口深度等因素的影响，出铁量也将出现较大的波动区间。

3.5 放渣准备工作

在放渣工序开始之前，需要对渣沟进行清理，然后检查泥套、水槽与沟嘴是否完好无损。为了避免渣罐爆炸事故的发生，渣罐内应当保证无积水与潮湿性杂物。由于在放渣过程中，经常出现渣口堵塞的情况，因此，现场作业人员应当事先准备好大锤、钢钎、铁锹等通淤工具，以保证渣口实时保持通畅。在进入放渣工序以后，可以采用带风堵渣机，当堵渣机头拔出后，炉缸内的炉渣将自动流出，现场管理人员应对放渣情况进行实时跟踪，尤其对渣口的完好情况，应当特别予以关注，如果炉渣距离渣罐顶部的距离小于300mm以后，应当及时将炉渣运送至指定的堆放地点，这时，应当做好堵口工作，以防止炉渣溢出。

4 自动化技术在高炉炼铁中的具体应用与发展趋势

4.1 基于PLC技术的自动控制系统

近年来，随着PLC技术的日渐成熟，在工业生产领域的应用频率越来越高，应用范围越来越广，尤其对钢铁生产企业来说，PLC技术在高炉炼铁自动化系统扮演着重要角色。比如以高炉炼铁喷煤系统为例，该系统与PLC之间通过I/O与多种智能单元模块相连，进而完成数据输入与输出工序。其中，交流开关在整个喷煤系统当中占据着核心位置，它可以同时对继电器、寄存器、时钟脉冲进行有效控制。系统的程序设计原理如下：在编写程序时，参照于PLC的梯形图，一个设计周期是从电机启动开始，一直到原煤运输、磨粉工序结束。经过一段时间后，系统内部的定时器将自动复位，这样一来，当原煤被磨完之后，系统将自动停止运转，这就节省了大量的电力能源。在对煤粉进行处理时，处理过程一般经过燃烧炉、引风机与氮气包，在氮气包的作用下，煤粉收集器、储煤罐等装置将同时运转，这一过程无需进行断电延时，当经过一个短暂的时钟脉冲后，煤粉最终被存储在收集器当中，通过PLC技术的应用，不仅提升了喷煤效率，同时，也降低了能源消耗，进而可以为企业节约更多的生产投入成本。

4.2 过程自动化控制系统

过程自动化控制系统主要是在主炉炼铁过程中，从炉顶装料工序开始到渣铁排放等所有工序，都能够实现自动化控制与管理。这其中涉及远程系统操作、指令执行、数学模型计算、数据报表处理、生产过程监视以及数据通信等。尤其是专家系统的引入，为高炉炼铁生产的安全性与可靠性提供了强大的技术支持。如果高炉的某一个部位出现故障，自动化系统将第一时间将故障信息反馈给系统终端，终端操作人员只需要根据反馈信息的内容，便可以制订一套针对性强、实效性好的故障排除方案，并且可以和专家系统中存储的信息进行比对，这样可以快速确定故障类型以及具体的部位。由此可以看出，过程自动化控制系统是实现无人化操作的一个重要载体。

4.3 高炉炼铁自动化技术的发展趋势

随着互联网技术、图像处理技术、移动通讯技术、计算机技术以及人工智能技术的迅猛发展，高炉炼铁的自动化水平也越来越高，技术先进性与高端性也逐步浮出水面，因此，高炉炼铁自动化技术具有广阔的发展空间与前景。尤其在“节能降耗、绿色环保”理念提出以后，国内各钢铁企业不断对高炉炼铁工艺进行改进和创新，将研制出了一些新型的生态高炉、可视化高炉与低成本高炉的应用技术，并在实际应用过程当中取得了较好的效果。

4.3.1 生态高炉

生态高炉主要是通过提高喷煤比的方法，来减少煤矿能源的消耗量，同时，也可以大幅降低粉尘、一氧化碳、二氧化碳、硫化物与氮化物的排放量，避免给自然生态环境造成污染。目前，在高炉炼铁领域，生态高炉的改造技术已经逐步成熟，并且取得了较为理想的实际应用效果。比如以喷吹低浓度二氧化碳的创新技术为例，对于钢铁生产企业来说，二氧化碳的排放量与能源消耗之间存在着必然联系，而喷吹低浓度二氧化碳则是减少二氧化碳排放量的一种有效手段，比如第一次将原始煤气中的二氧化碳脱除25%，并将其喷吹到高炉内，这时，煤气的利用率从原来的51.564%提高到75.24%，如果第二次将原始煤气中的二氧化碳脱除50%，那么煤气的利用率则由原来的51.564%提升到77.675%，如果最后一次将原始煤气中的二氧化碳脱除100%，那么煤气的利用率则由51.564%提升到83.795%，可见，利用这种技术，能够节省大量的资源能源，而且原料矿的转化率也得到大幅提升。

4.3.2 可视化高炉与低成本高炉

可视化高炉主要利用先进的传感器技术、智能检测技术、数据处理技术以及数字成像为主，将高炉炼铁的工艺流程全过程进行在线连续检测，检测结果可以直接呈现在终端显示器上面，这时，操作人员只需要在操作室内便可以完成对高炉炼铁过程的监视与管理，这种先进的可视化技术既节省了大量的人力资源成本，而且也为故障排除争取了大量时间。

而低成本高炉则是出于对经济性指标的考虑，而在高炉安装、检测、使用过程中配备自动化设备与仪器，进而实现对高炉安装过程、使用过程与检测过程的自动化监测。在监测过程中，无需相关操作人员的介入，只需要借助于系统的自动化与智能化功能，便可以快速的完成监测任务，并且监测结果的准确性也相对较高，这就给钢铁生产企业节省了大量的生产成本。