高炉强化冶炼详解

高炉强化冶炼技术及其进步高炉炼铁生产的原则高炉冶炼生产的目标是在较长的一代炉龄(例如5年或更长)内生产出尽可能多的生铁，而且消耗要低，生铁质量要好，经济效益要高，概括起来就是“优质，低耗，高产，长寿，高效益”。

长期以来，我国乃至世界各国的炼铁工作者对如何处理这五者间的关系进行过，而且还在进行着讨论，讨论的焦点是如何提高产量及焦比与产量的关系。

众所周知，表明高炉冶炼产量与消耗的三个重要指标—有效容积利用系数(ηY)、冶炼强度(I)和焦比(K)之间有着如下的关系：ηY＝I/K显然，利用系数的提高，也即高炉产量的增加，存在着四种途径：(1)冶炼强度保持不变，不断地降低焦比；(2)焦比保持不变，冶炼强度逐步提高；(3)随着冶炼强度的逐步提高，焦比有所降低；(4)随着冶炼强度的提高，焦比也有所上升，但焦比上升的幅度不如冶炼强度增长的幅度大。

在高炉炼铁的发展史上，这四种途径都被应用过，应当指出在最后一种情况下，产量增长很少，而且是在牺牲昂贵的焦炭的消耗中取得的，一旦在冶炼强度提高的过程中，焦比升高的速率超过冶炼强度提高的速率，则产量不但得不到增加，反而会降低。

因此，冶炼强度对焦比的影响，成为高炉冶炼增产的关键。

在高炉冶炼的技术发展过程中，人们通过研究总结出冶炼强度与焦比的关系如图1所示。

图1 冶炼强度与产量(I)和焦比(K)的关系a一美国资料，b一原西德资料，c一前苏联资料在一定的冶炼条件下，存在着一个与最低焦比相对应的最适宜的冶炼强度I适。

当冶炼强度低于或高于I适时，焦比将升高，而产量稍迟后，开始逐渐降低。

这种规律反映了高炉内煤气和炉料两流股间的复杂传热、传质现象。

在冶炼强度很低时，风量及相应产生的煤气量均小，流速低，动压头很小，造成煤气沿炉子截面分布极不均匀，表现为边缘气流过分发展，煤气与矿石不能很好地接触，结果煤气的热能和化学能不能得到充分利用，炉顶煤气中CO，含量低，温度高，而进入高温区的炉料因还原不充分，直接还原发展，消耗了大量宝贵的高温热量，因此焦比很高。

随着冶炼强度的提高，风量、煤气量相应增加，煤气的速度也增大，从而改变了煤气流的流动状态，由层流转为湍流，风口前循环区的出现，大大改善了煤气流分布和煤气与炉料之间的接触，煤气流的热能和化学能利用改善，间接还原的发展减少了下部高温区热量的消耗，从而焦比明显下降，直到与最适宜冶炼强度儿相对应的最低焦比值。

之后冶炼强度继续提高，煤气量的增加进一步提高了煤气流速，这将带来叠加性的煤气流分布，导致中心过吹或管道行程，在煤气流速过大时，它的压头损失可变得与炉料的有效质量相等或超过有效质量，炉料就停止下降而出现悬料。

所有这些将引起还原过程恶化，炉顶煤气温度升高，炉况恶化，最终表现为焦比升高。

高炉炼铁工作者应该掌握这种客观规律，并应用它来指导生产，即针对具体生产条件，确定与最低焦比相适应的冶炼强度，使高炉顺行，稳定地高产。

然而高炉的冶炼条件是可以改变的，随着技术的进步，例如加强原料准备，采取合理的炉料结构，提高炉顶煤气压力，使用综合鼓风，改造设备等，高炉操作条件大大改善。

与改善了的条件相应的冶炼强度可以进一步提高，而焦比不会提高，相反与之相对应的最低焦比也进一步下降，这就是世界各国几十年来冶炼强度不断提高，焦比也降低的原因，见图2。

但是，在任何生产技术水平上，当冶炼条件一定时，冶炼强度I与焦比K之间始终保持着极值关系，决不可以得出产量是与冶炼强度成正比地增长的简单结论，而盲目追求高冶炼强度。

超越冶炼条件允许的过高冶炼强度将使焦比大幅度上升。

上述有关高炉冶炼重要技术指标ηY、I、K之间的关系还未解决经济效益最佳的冶炼强度问题。

在对钢铁的需求大于供给的条件下，实践表明，尽管焦比的消耗对生铁成本有着很大影响，但在一定的操作情况下，产品的最低成本并不是在最低焦比相对应的冶炼强度下，而是在略高的情况下取得的。

所以出现这种情况，是因为最高产量是在比最低焦比相对应的冶炼强度稍高的情况下达到的(图1)。

随着产量的提高，单位生铁成本中不随时间变化的费用总和不断降低。

在K=ƒ(I)曲线的最低值附近，随着冶炼强度的提高，焦比上升得较缓慢，在这个区域内多消耗焦炭的费用能被节省下的加工费用全部补偿，而且还有多余。

实践还证明，经济上最合算的产量，并不是生铁成本最低时的产量，而是略高于这个最低产量。

图2 不同冶炼条件下的冶炼强度(I)与焦比(K)的关系，l～5示意冶炼条件不断改善图3 日产量(P)对产品成本(S)和生产盈利性的影响(C一出厂价格)炼铁厂(或车间)经济上最合算的产量是在所具有的设备上，于单位时间内达到最高利润总和时的产量，如图3所示，在生铁成本为产量的函数S＝ƒ (P)曲线上，生铁最低成本是在P0产量下获得，而且在最低处附近，生铁成本升高较慢，使得生铁出厂价与成本的差值(C-S)减小的幅度比产量增加的幅度小，所以在某种P> P0的情况下经济效益户(C-S)的乘积达到最大，这就是我国众多厂家追求的产量指标。

最后，应当指出的是在我国随着产量和效益的提高，高炉设备，特别是高炉本体的寿命越来越短，大修和中修费用不断增加，有可能影响到增产的效益。

这个问题的严重性已引起人们重视，开始研究提高高炉寿命的有效措施，例如采用高质量碳砖，碳化硅砖，改进高炉冷却(炉底水冷，炉身软水密闭循环冷却)以及钒钛炉渣护炉等。

高炉长寿技术的开发和实现将促使高炉生产实现高产、低耗、优质，高效益。

目前世界各国已把高炉长寿看作炼铁技术的一个重要组成部分和发展的标志。

高炉强化冶炼工艺操作技术我国高炉炼铁在近几年来取得了很大的进步，冶炼强度在中小型高炉上超过了1.5 t/(m3•d)，大高炉上也达到了1.1t/(m3•d)以上，利用系数相应达到3.5 t/(m3•d)以上和2.3 t/(m3•d)以上，燃料比降到530 kg/t和500 kg/t左右。

这是由于采取了所谓强化高炉冶炼技术的结果。

这些技术包括精料技术、高风温技术、高压操作技术、喷吹燃料技术、富氧大喷煤技术、先进的计算机控制技术等。

精料是高炉强化冶炼的基础高炉强化冶炼以后，一方面单位时间内产生的煤气量增加，煤气在炉内的流速增大，煤气穿过料柱上升的阻力 p上升；另一方面炉料下降速度加快，炉料在炉内停留时间缩短，也就是冶炼周期缩短，这样煤气与矿石接触的时间缩短，不利于间接还原的进行。

为保持强化冶炼后炉况顺行、煤气利用好、产量高、燃料比低，原燃料质量成为决定性的因素。

首先是矿石的人炉晶位和焦炭灰分及含硫量，它们决定着渣量。

人们普遍认为，渣量不低于300 kg/t，要实现喷吹燃料200 kg/t 以上，燃料比500 kg/t是困难的，甚至是不可能的；另外渣量也是煤气顺利穿过滴落带的决定性因素。

其次，原料的粒度组成、高温强度和造渣特性是影响料柱透气性和高炉顺行的决定性因素。

均匀的粒度组成和较好的高温强度是保证块状带料柱透气性的基本条件，而良好的造渣性能是降低软熔带和滴落带煤气运动阻力的基本条件。

第三，原料的还原性是影响高炉内铁的直接还原度的决定性因素，只有原料具有良好的还原性(如烧结矿、球团矿或粒度小而均匀的天然赤铁矿和褐铁矿矿石)，才能保证炉料在进入高温区以前充分还原，从而降低焦比。

第四，焦炭的强度特别是高温强度是软熔带焦窗和滴落带焦床透气性和透液性的决定性因素，所以降低焦炭的灰分、反应性是十分重要的。

由此可见，要想高炉强化冶炼并获得良好的高炉生产指标，必须抓好原燃料，改善原燃料质量，使原料具有品位高、粒度均匀、强度好、还原和造渣特性优良等条件，使焦炭具有灰分低、硫低、强度高、反应性低等优良条件。

我国精料技术取进步和发展方近年来，精料的重要性已深入炼铁工作者的心中，受到各级组织生产者的重视，精料技术取得了相当大的进步，具体表现为：(1) 入炉品位显著提高。

由于认识到入炉品位的高低是决定渣量和冶炼过程热量消耗的决定性因素之一，在原来入炉品位较低(T Fe约为50％左右)时，提高矿石晶位1％，可降低燃料比2％，提高产量3％。

因此各厂都把提高人炉晶位作为提高冶炼强度和降低燃料消耗最积极、最有效的措施。

我国宝钢、三明、杭钢等10余家企业的人炉品位已在60 ％以上，绝大部分企业的人炉品位在58.5％以上。

入炉晶位提高的措施是：利用两种资源，适量使用进口富矿，淘汰国产劣质矿；改进选矿技术，使精矿粉的品位由原来的60％~63％提高到66％~68％等。

(2) 做好入炉料成分稳定工作。

生产实践使人们认识到，原料成分的不稳定是引起高炉炉况波动的重要原因。

为防止炉况失常，生产中常被迫维持较高的炉温，这就无形中增加了燃料消耗，这就是很多高炉尤其是中小型高炉炼钢生铁中的[Si]降不下来的原因。

例如炼钢要求生铁中[Si]在0.4％即可，但生产者考虑烧结矿中T Fe和碱度m CaO/m SiO2的波动，[Si]迫维持在0.6％，甚至0.8％，而[Si]每增加0.1％焦比要上升4 kg/t。

为使原料成分稳定，就要加强中和混匀工作，很多厂包括地方骨干中型企业建成了中和混匀料场，取得了很好的效果。

(3) 优化入炉料的粒度组成，这是改善料柱透气性和强化冶炼过程的重要影响因素。

现在广泛地强化了筛分工作，不仅在烧结厂、球团厂进行，还普遍地在高炉槽下进行，筛去粒度小于5 mm的粉末，与此同时，还限制烧结矿粒度的上限为40~50 mm。

(4)采用低温烧结法生产高碱度低FeO高还原性的烧结矿，并向低SiO2发展，这是提高烧结矿冶金性能的重要措施。

我国宝钢烧结矿中的SiO2含量降到4.5 ％左右，达到世界先进水平，现在已逐步推广。

(5)发展球团矿生产，为合理炉料结构提供优质酸性料。

我国铁矿资源主要是贫矿，通过磁选得到磁精粉，本应用它来生产球团矿，但走的却是生产烧结矿的道路，球团矿生产一直没有得到重视。

随着精料技术的发展，球团矿逐步被人们认识到是一种优质的高炉炉料，开始得到发展。

近年来，一些厂都新建了球团车间以满足高炉炉料结构的要求。

虽然这些球团生产设备绝大部分是竖炉(84％)，球团矿的质量还不是太好，很难满足大型高炉对球团矿质量的要求，但为炉料结构的优化还是做出了贡献。

现在首钢迁安矿山公司已成功地建成和投产了国产100万t/年的链箅机回转窑生产线，并正在建设200万t/年的新球团设备。

(6)焦炭质量不断提高。

我国已有两家焦化厂生产出灰分为10 ％左右的优质焦炭，达到国际上要求的一级焦炭。

有10余家生产的焦炭的灰分已降到12 ％以下，达到11.2 ％～11.5 ％。

很多厂焦炭的含硫量在0.5 ％以下。

M40有了很大提高，宝钢焦炭的M40达到89.87％，M10小于7％。

高炉精料技术发展的方向大致是：进一步提高人炉品位；改进焦炭质量，将灰分普遍地降到12％以下，M40提高到85％~90％，M10降到小于6％；烧结矿质量改进，含铁波动±0.05，碱度波动±0.03，粒度大于50 mm加的不超过10％，不大于10 mm的在30％以下，不大于5 mm的不超过3％；大力发展球团矿，将其占人造富矿总量的比例由现在的10％提高到25％；开发生产适用于高炉使用的金属化炉料等。