冶金技術(shù)在煉鐵高爐中的應(yīng)用和發(fā)展

靳紅濱

（鋼鐵研究總院先進(jìn)鋼鐵及材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

從廣義上來說，所謂“冶金”即是將金屬材料（金屬或含多類金屬的化合物）經(jīng)過物理的、化學(xué)的等多種方法從礦石中提煉，并使其擁有特殊物理的或化學(xué)的特性。這樣的處理過程被稱為“冶金技術(shù)”。從煉鐵高爐生產(chǎn)角度來說，常見的冶金方法包括：濕法冶金、火法冶金和電冶金。隨著節(jié)能減排與智慧冶金的呼聲不斷提升，鋼鐵行業(yè)面臨的“一嚴(yán)兩高”問題日益成為社會(huì)關(guān)注焦點(diǎn)。煉鐵的工藝水平直接影響到鋼鐵生產(chǎn)的成本，也是控制能耗和降低排放的“龍頭”工序（如表1所示）。

表1 2020年主流企業(yè)煉鐵高爐生產(chǎn)能耗平均水平比較

在我國，煉鐵高爐融合冶金技術(shù)的案例已經(jīng)不勝枚舉。這樣做的優(yōu)勢是明顯的，并得到了廣泛的認(rèn)可?？傮w而言，我國的冶金技術(shù)在煉鐵高爐中的應(yīng)用有四個(gè)方面的特點(diǎn)。一是高爐煉鐵工藝發(fā)展較快，原料、燒結(jié)和煉焦等工藝進(jìn)步明顯。二是全國總體煉鐵的技術(shù)和管理水平普遍提升，但是地域間差異明顯。三是煉鐵排放及煙氣治理水平已經(jīng)處于世界領(lǐng)先地位。四是在國內(nèi)工業(yè)化非高爐煉鐵發(fā)展相對緩慢。

1 冶金技術(shù)的介紹

1.1 濕法冶金

此種冶金技術(shù)是一種以化學(xué)反應(yīng)為主的冶煉技術(shù)，往往是在溶液環(huán)境中進(jìn)行的。因此，濕法冶金所需的工作溫度一般不會(huì)太高，工藝由浸出、凈化、制備金屬等工藝流程組成。

在“浸出”流程中，根據(jù)不同的礦石屬性選用配套的溶劑，將預(yù)處理后的礦石與溶液混合，使兩者發(fā)生充分的化學(xué)反應(yīng)。通過化學(xué)反應(yīng)后，礦石中的金屬以離子狀態(tài)混合進(jìn)溶液中。礦石中的多種金屬以離子形式融入溶液，形成了雜質(zhì)，因此需要在“凈化”流程中，借助化學(xué)的和物理的方法將雜質(zhì)除去。在“制備金屬”環(huán)節(jié)，一般采用電積、還原、置換等方法將金屬提純。

1.2 火法冶金

火法冶金一般需要經(jīng)歷如下工藝：干燥—焙解—焙燒—熔煉—精煉—蒸餾—提取。在高溫下，礦石的物理形態(tài)和化學(xué)組成成分發(fā)生變化，使目標(biāo)金屬與礦石中的雜質(zhì)產(chǎn)生分離，并形成某一種（或多種）化合物或者是單質(zhì)。

1.3 電冶金

所謂“電冶金”即是借助電能將目標(biāo)金屬與其他雜質(zhì)金屬分離，具有電化冶金和電熱冶金兩大類。

2 冶金技術(shù)在煉鐵高爐中的具體應(yīng)用

2.1 高爐噴煤技術(shù)

在冶煉環(huán)節(jié)，焦炭是高爐冶煉不可或缺的原材料之一。一方面焦炭燃燒產(chǎn)生的熱量為冶煉提供了必要的熱量，保持鐵礦石參與氧化還原反應(yīng)所需的溫度；另一方面，焦炭里的碳單質(zhì)還起到了還原劑的功能，將鐵礦石中的鐵離子還原為鐵。

高爐噴煤技術(shù)，作為一項(xiàng)新興的技術(shù)，是現(xiàn)代冶金技術(shù)在煉鐵高爐應(yīng)用的典型案例，是現(xiàn)代高爐冶煉的一項(xiàng)重大突破。此項(xiàng)技術(shù)不僅大大降低煉鐵焦比，冶煉性能得到提升，而且還節(jié)約了煉焦設(shè)施和煉焦環(huán)節(jié)，降低了因煉焦而產(chǎn)生的環(huán)境污染程度。

高爐噴煤技術(shù)的原理簡單可以概括為：經(jīng)過處理后煤粉，由高爐風(fēng)口被噴吹系統(tǒng)噴吹至爐內(nèi)，通過選用精料和降低渣比等方法，實(shí)現(xiàn)高煤比和低燃料的生產(chǎn)目標(biāo)。同時(shí)，在此項(xiàng)技術(shù)中，一般會(huì)采用預(yù)熱工藝來保障安全生產(chǎn)。在噴吹系統(tǒng)的選擇方面，現(xiàn)在最為常見的是并聯(lián)罐系統(tǒng)，而以往串聯(lián)罐系統(tǒng)不再是主流的技術(shù)選型。這是因?yàn)?，并?lián)罐系統(tǒng)具有更高的計(jì)量精度和控制精度。

2.2 高爐干法除塵

煉鐵高爐除塵是鋼鐵行業(yè)企業(yè)落實(shí)環(huán)境保護(hù)建設(shè)的不可或缺的工作環(huán)節(jié)。高爐干法除塵技術(shù)在節(jié)約水資源方面具有較大的優(yōu)勢，一般被分為高壓靜電除塵和布袋除塵兩大類。與高壓靜電除塵相比，布袋除塵無論是在成本控制方面還是在運(yùn)行質(zhì)量保障方面均具有較大優(yōu)勢。

2.3 高爐雙預(yù)熱技術(shù)

煉鐵高爐的熱源主要分為兩部分，約有80%源于焦炭和煤粉，來為其提供的，剩余的源于熱風(fēng)和爐料化學(xué)反應(yīng)熱。煤炭中的能量不是完全用于高爐煉鐵過程，其中大約有35%的能量被轉(zhuǎn)化為副產(chǎn)煤氣。出于提高能源利用率的角度考量，雙預(yù)熱技術(shù)將副產(chǎn)煤氣（高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣等），連同熱風(fēng)爐煙道廢氣一起與助燃空氣混合并預(yù)熱至300℃以上。此項(xiàng)技術(shù)節(jié)能的突出優(yōu)勢主要表現(xiàn)在如下兩個(gè)方面：一方面，將高爐廢氣熱代替以往煉鐵高爐采用的化學(xué)熱；另一方面，以熱管（金屬）換熱器預(yù)熱助燃空氣或煤氣。

在國內(nèi)，寶鋼、昆鋼、鞍鋼等多家煉鐵高爐均采用了雙預(yù)熱技術(shù)。借助此項(xiàng)技術(shù)，外送熱風(fēng)的溫度可以達(dá)到1 200℃以上。與此同時(shí)，在國內(nèi)，煉鐵高爐雙預(yù)熱技術(shù)的廢氣余熱利用率僅為26%左右，因此，此項(xiàng)技術(shù)依然還具有較大的改進(jìn)空間。

3 冶金技術(shù)及高爐煉鐵的發(fā)展趨勢

3.1 鋼鐵行業(yè)發(fā)展規(guī)律及新的發(fā)展要求

從國際鋼鐵行業(yè)整體發(fā)展趨勢角度來看，近年來，鋼材在國際市場上的需求量呈現(xiàn)下降態(tài)勢，并逐級逐級趨于飽和。在此種趨勢下，廢鋼量將會(huì)呈現(xiàn)增長，相對而言，鐵水減產(chǎn)的可能性大幅度上升。

截止2020年，中國的CO2的排放比已經(jīng)在世界占據(jù)首位，占據(jù)世界的28.21%排放量（見圖1）。

圖1 不同國家CO2排放比例（%）

在中國，不同行業(yè)的CO2的排放比例也是有差異的，其中鋼鐵占據(jù)的比例為16.02%（見圖2）。

圖2 不同行業(yè)（中國）CO2排放比例（%）

3.2 氧氣高爐高效煉鐵工藝技術(shù)分析

氧氣高爐的概念及最早的氧氣高爐流程在1970年由德國Wenzel和Gudenau等人提出，并進(jìn)行了半工業(yè)試驗(yàn)。氧氣高爐工藝使用純氧氣代替熱鼓風(fēng)，與傳統(tǒng)高爐相比，二氧化碳排放量明顯降低。同時(shí)，由于氧氣高爐在無氮環(huán)境下運(yùn)行，其生產(chǎn)效率也可實(shí)現(xiàn)大幅提升。

中國鋼鐵行業(yè)由于嚴(yán)格、剛性的環(huán)保排放政策，短期內(nèi)煉鐵面臨最大的挑戰(zhàn)是環(huán)保排放問題，但從長遠(yuǎn)來看，成本競爭力仍是可持續(xù)發(fā)展的根本保證。前者是保證企業(yè)從法律、法規(guī)層面生存下來；后者是保證企業(yè)從市場層面生存下來。但企業(yè)要長久生存，歸根到底還是要有成本競爭力。

在國際上，冶金技術(shù)在煉鐵高爐應(yīng)用的主要研發(fā)方向包括如下三個(gè)方面：一是與智慧制造相融合。在煉鐵生產(chǎn)過程中，冶金技術(shù)與智慧制造相結(jié)合實(shí)現(xiàn)可視化、自動(dòng)化、智能化、操作控制的模塊化；二是對現(xiàn)有主體工藝進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新與優(yōu)化（見圖3）；三是大規(guī)模開展低碳冶煉工藝和技術(shù)研究。例如氧氣高爐高效煉鐵工藝技術(shù)（見下頁圖4）。

圖3 傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝

圖4 氧氣高爐煉鐵工藝

氧氣高爐工業(yè)試驗(yàn)共分三個(gè)階段。第一階段計(jì)劃用三到四個(gè)月，突破傳統(tǒng)高爐的富氧極限，實(shí)現(xiàn)35%高富氧冶煉目標(biāo)。第二階段將引入脫除二氧化碳技術(shù)，用三至四個(gè)月時(shí)間打通煤氣循環(huán)工藝流程，實(shí)現(xiàn)50%的超高富氧。第三個(gè)階段將完成氧氣高爐頂煤氣循環(huán)和全氧冶煉的試驗(yàn)，并將開展富氫冶金工業(yè)試驗(yàn)。

4 結(jié)語

從國內(nèi)冶金技術(shù)的成熟程度來看，能夠更好地服務(wù)于我國各行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。為了更好地適應(yīng)資源和能源的高質(zhì)量利用的需求，一方面要進(jìn)一步引進(jìn)新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝；另一方，也要不斷堅(jiān)持自主創(chuàng)新，提升冶金技術(shù)在煉鐵高爐中的應(yīng)用水平，在國際鋼鐵行業(yè)高端領(lǐng)域占據(jù)一席之地。