高爐冶煉煉鐵技術(shù)工藝及應(yīng)用分析

董洪旺

（唐鋼國際工程技術(shù)股份有限公司，河北 唐山 063000）

社會經(jīng)濟迅猛發(fā)展，對鋼鐵產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)方式提出了更多要求。高爐冶煉面臨的主要問題在于低碳環(huán)保的挑戰(zhàn)、高爐技術(shù)的變遷與資源能源的競爭等方面，唯有不斷改進優(yōu)化高爐冶煉煉鐵技術(shù)的生產(chǎn)流程與工藝，加強固體爐料區(qū)、爐內(nèi)軟熔區(qū)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的控制，減少煉鐵能耗與污染排放，才能推動我國重工業(yè)穩(wěn)中求進發(fā)展。

1 高爐冶煉煉鐵技術(shù)分析

（1）噴吹生物質(zhì)及木炭技術(shù)。生物質(zhì)在煉鐵工藝中屬于新能源，是指動植物與微生物新陳代謝后的有機物，可在熱解方面通過碳化減少二氧化碳排放。在高爐煉鐵工藝中應(yīng)用生物質(zhì)與廢塑料，能夠減少人力物力等資源消耗，同時能在高爐噴吹中取代粉還原劑，在控制二氧化碳含量與降低高爐恒溫帶溫度、提高原料還原能力等方面的特征優(yōu)勢可以與煤粉等同。

（2）粒煤噴吹技術(shù)。高爐粒煤噴吹技術(shù)在國外發(fā)達國家廣泛被應(yīng)用，憑借不易爆炸、節(jié)約能源、節(jié)省設(shè)備投資、降低生產(chǎn)成本等特征優(yōu)勢，在高爐冶煉領(lǐng)域得到了廣泛發(fā)展。

（3）鐵焦技術(shù)。鐵焦技術(shù)是指在煤礦生產(chǎn)過程中，將鐵礦粉與低價格的微粘或非粘結(jié)煤等生物原料進行混合，經(jīng)過連續(xù)式爐的加熱干餾獲得三成或七成鐵焦，再利用專業(yè)設(shè)備與相應(yīng)方式完成冶煉，冶煉成果可以與原始技術(shù)等同。利用鐵焦取代原有物質(zhì)，不僅提高了反應(yīng)速率，同時節(jié)省了煤炭資源。尤其是鐵焦含量超過30%的，可獲得理想的冶煉成果。這項技術(shù)僅在發(fā)達國家應(yīng)用，仍處于摸索性前進階段，有較大的進步空間。

（4）氧氣高爐關(guān)鍵技術(shù)。首先是PSA技術(shù)（變壓吸附技術(shù)）。氣體吸附分離技術(shù)的原理主要以氣體組分在固體材料上的差異吸附特性為主，通過周期性壓力變換以及氣體提純分離得出實現(xiàn)。技術(shù)是一種高科技含量的比較成熟的制氧技術(shù)，有著制氧工藝流程簡單、設(shè)備投資低、自動化水平高、操作維護簡便、節(jié)能等優(yōu)勢特征，隨著節(jié)能降耗技術(shù)的大力推廣，PSA技術(shù)的市場將不斷拓展。其次是CCS（碳捕集與封存技術(shù)）技術(shù)，是指封存捕集到的二氧化碳，減少其排放到大氣中對環(huán)境的影響。封存方法以埋存為主，地下埋存與海底埋存方法比較常見，是指向廢棄煤田與油田中或海水層中注入二氧化碳，相對于植物埋存方法比較容易實現(xiàn)。

2 高爐冶煉煉鐵技術(shù)的工藝流程

高爐冶煉生產(chǎn)的目的，是為了將鐵礦石分解成鐵液，主要依靠爐本體與其他輔助設(shè)備完成。首先發(fā)生還原反應(yīng)，將礦石中的鐵與非鐵元素，利用還原劑實現(xiàn)與氧元素的化學分離。其次是熔化與造渣過程，對還原后的金屬與脈石施以機械分離。最后是通過溫度控制得到化學成分，通過液體與鐵渣的交互作用得到穩(wěn)定的鐵液。高爐煉鐵技術(shù)工藝步驟如下所示；一是上料工藝：原料比例與高爐匹配，即原料配置比例根據(jù)高爐容積大小確定，高爐容積不同，原料比例也存在較大差異。二是裝料系統(tǒng)：為確保高爐內(nèi)燃料充分燃燒，應(yīng)當將控制好配置比例的原料均勻分布在爐內(nèi)，并密封高爐頂端。三是送風系統(tǒng)：冷風經(jīng)過熱風機、熱風爐加熱后達到爐內(nèi)，提供了燃燒氧氣。四是煤氣凈化系統(tǒng)：直接排出未處理過的燃燒氣體會污染空氣；對此，需要利用凈化器處理成清潔燃氣。五是噴吹燃料系統(tǒng)：向爐內(nèi)均勻噴入磨制好的煤粉，能夠維持爐內(nèi)高溫，確保得到穩(wěn)定合格的鐵液。六是處理鐵渣：分開處理沉降后的渣滓與鐵液[1]。

3 高爐冶煉煉鐵技術(shù)的工藝應(yīng)用

（1）應(yīng)用熱壓含碳球團。在高爐煉鐵中應(yīng)用熱壓含碳球團能夠滿足環(huán)保節(jié)能與礦物資源循環(huán)利用的需求。在礦物燃料中的熱壓含碳球團比例超過31%，鋼鐵產(chǎn)量會提升6.5%，熔渣量降低8.1%，焦比下降100kg/thm，煉鐵能耗減少7.1%。但合理制作熱壓含碳球團是重要前提，首先煤粉與粉礦、泥漿、粉塵等應(yīng)當先預(yù)熱處理；其次混合并攪拌均勻各物質(zhì)，提高溫度至六百攝氏度。加工成熱壓塊后，通過熱處理獲得熱壓含碳球團。

（2）控制爐內(nèi)頂壓與含氧量。在指定的承壓范圍中，鋼鐵產(chǎn)量會隨著爐頂壓力增大而提高。同時氣體流動會隨著壓力增加而降低；通常情況下，排出口不會出現(xiàn)強烈的氣體流動，實際工作量隨之增加。與此同時，延長了爐內(nèi)煤氣停留與接觸時間，爐內(nèi)的燃料與礦料反應(yīng)更加完全，礦物質(zhì)中的鐵元素得到還原，更利于得到穩(wěn)定合格與高產(chǎn)量的鐵液。但合理控制壓力是重要前提，以確保氧氣量達標。燃燒充分性直接影響氧氣重組，同時能夠降低氣體排放量，鐵液生產(chǎn)質(zhì)量與效率隨之加強。在規(guī)定界限范圍內(nèi)，鐵液產(chǎn)量與氧氣燃料比成正比，可見氧氣重組與含量等指標，對生產(chǎn)質(zhì)量與效率提升的重要意義。氧氣燃料比控制在4%～5%最佳，過高或過低的比例都會降低產(chǎn)量。

（3）控制熱風爐傳輸風溫。通常情況下，要求熱風爐傳輸風溫不低于一千攝氏度，為縮小以發(fā)達國家標準規(guī)定溫度的差距，應(yīng)當合理提升風溫。熱風爐高鐵冶煉重要熱交換裝置，也是能耗最高與燃燒功率最大的裝置之一。熱風爐的類型多樣，包括頂燃式與蓄熱式等，后者雖然能夠達到理想的高風溫，但不能確保爐內(nèi)氣體分布均勻，直接降低了爐內(nèi)熱量利用率。前者不僅能夠達到理想的溫度，同時能夠確保氣體分布均勻；對此，建議使用頂燃式熱風爐。

（4）處理爐身結(jié)瘤。影響出現(xiàn)崩料情況的因素較多，其中高爐結(jié)瘤原因不能忽視。同時高爐結(jié)瘤后會降低氣流的穩(wěn)定性，鋼鐵產(chǎn)量隨之下降。

對此，需要定期檢測高爐溫度。出現(xiàn)高爐結(jié)瘤的原因與原料內(nèi)鋅負荷高而沉積鋅元素、軟熔帶變化導致出現(xiàn)虧料線或崩料情況、原燃料或爐型發(fā)生變化等因素有關(guān)。停爐補噴處理后，爐內(nèi)形態(tài)隨之發(fā)生變化，也會對結(jié)瘤情況產(chǎn)生一定影響。出現(xiàn)爐身結(jié)瘤情況后，首先應(yīng)適當?shù)奶岣郀t內(nèi)溫度，滿足熱量與活躍度等需求的同時調(diào)整布料、穩(wěn)定氣流，從而改善爐內(nèi)情況。其次施以炸瘤處理。降低料面后暴露結(jié)瘤，確定結(jié)瘤位置后在結(jié)瘤上開孔放置炸藥，要求炸藥與爐身保持間距15cm。在整個操作過程中，應(yīng)當避免出現(xiàn)爐涼的情況。

（5）還原鐵氧化物與非鐵元素。高爐內(nèi)含有豐富的鐵氧化物，包括硫化鐵與三氧化二鐵等。在還原反應(yīng)中，沿爐內(nèi)上升的一氧化碳與鐵礦石發(fā)生反應(yīng)，在1100℃范圍內(nèi)使鐵氧化物還原，從鐵的高氧化物逐漸被還原為鐵的低氧化物與鐵。礦料內(nèi)含有豐富的鐵氧化物與非鐵元素，包括磷與硅等，可利用一氧化碳或固體碳還原劑實現(xiàn)還原[2，3]。

（6）脫硫工藝。高爐中的熔劑與焦炭等燃料內(nèi)含有豐富的硫化鐵物質(zhì)，會造成鐵產(chǎn)品的熱脆性，直接降低鋼鐵質(zhì)量；對此，施以脫硫處理尤為重要。向爐料內(nèi)添加石灰石，會促使氧化鈣與硫化鐵在高溫下反應(yīng)生成硫化鈣，爐渣經(jīng)過處理后，可達到脫硫的目的。

4 控制工藝關(guān)鍵環(huán)節(jié)

（1）控制送風條件。爐內(nèi)熱風與燃燒的煤粉、焦炭混合后會形成高溫煤氣，為還原鐵礦石提供了氫氣與一氧化碳還原劑。高溫煤氣分布情況直接受風口循環(huán)區(qū)影響；對此，應(yīng)當合理布置風口循環(huán)區(qū)的大小與圓周方向分布情況。為了確保風口前燃燒溫度滿足生產(chǎn)需要，應(yīng)根據(jù)鼓風含水量與富氧含量等情況合理噴吹輔助燃料。

（2）控制爐內(nèi)軟熔區(qū)。爐料在軟熔區(qū)的上下部邊界分別軟化與熔融滴落，并在軟熔區(qū)內(nèi)發(fā)生鐵還原反應(yīng)與沉渣。除此之外，軟熔區(qū)有二次分配高溫煤氣的作用，區(qū)域的尺寸與形狀等將直接影響冶煉成效。為了控制鐵水成分，減少燃料消耗量，提高冶煉生產(chǎn)產(chǎn)量，應(yīng)當合理設(shè)置軟熔區(qū)，并加強該區(qū)域形態(tài)變化的監(jiān)測與調(diào)整，以確保處于最佳工藝性能與生產(chǎn)狀態(tài)。

（3）控制固體爐料區(qū)。固體爐料區(qū)是爐料發(fā)生直接或間接還原反應(yīng)的區(qū)域，生鐵燃料消耗量將直接受區(qū)域工作狀態(tài)影響。為確保最佳的生產(chǎn)狀態(tài)，首先應(yīng)當充分利用區(qū)域煤氣熱能與化學能，加強對直接還原反應(yīng)的抑制，實現(xiàn)充分間接還原反應(yīng)。其次嚴格按照爐內(nèi)生產(chǎn)情況與爐頂裝料制度調(diào)節(jié)爐料分布情況。

5 總結(jié)

高爐煉鐵技術(shù)工藝優(yōu)化規(guī)避了高污染與高消耗情況，對鋼鐵生產(chǎn)行業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展有著現(xiàn)實意義。高爐煉鐵工藝流程主要涉及還原反應(yīng)、熔化與造渣過程、鐵水與渣滓分離等，其中也包括滲碳與除塵等細節(jié)性流程。為得到穩(wěn)定合格的鐵水，加強熱風爐等設(shè)備更新維護的同時，要求技術(shù)人員提高責任意識與工作能力，明確爐身結(jié)瘤預(yù)防與熱壓含碳球團應(yīng)用等工藝要點，并加強對工藝環(huán)節(jié)的控制，確保高爐煉鐵技術(shù)工藝高效安全展開。