梁 輝

（南京鋼鐵集團(tuán)第一煉鐵廠，江蘇 南京 210035）

摘 要：在冶煉原材料價(jià)格持續(xù)上漲、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略持續(xù)深入的背景下，如何實(shí)現(xiàn)低碳低成本的高爐煉鐵，成為中國(guó)冶金行業(yè)亟須解決的實(shí)際問(wèn)題之一。文章從低硅生鐵冶金、高風(fēng)溫、精料技術(shù)、其他技術(shù)等方面對(duì)高爐低碳低成本煉鐵關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，探討新時(shí)期低碳環(huán)保理念下國(guó)家高爐煉鐵發(fā)展的新方向。

關(guān)鍵詞：冶煉技術(shù)；高爐；低碳；低成本

隨著國(guó)家高爐煉鐵技術(shù)的不斷發(fā)展，大型化、現(xiàn)代化的高爐冶金生產(chǎn)行業(yè)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。但相比西方發(fā)達(dá)國(guó)家，中國(guó)高爐煉鐵技術(shù)在成本控制、低碳控制等方面仍舊存在一定的差距，仍舊存在燃料比高、燃燒排放高、高爐使用壽命短等問(wèn)題。因此，在節(jié)能減排與可持續(xù)發(fā)展理念下，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)低碳、低成本的高爐煉鐵目標(biāo)，貫徹落實(shí)國(guó)家的相關(guān)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，就需要對(duì)高爐低碳低成本煉鐵關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入分析與優(yōu)化。

1 高爐低碳低成本煉鐵關(guān)鍵技術(shù)

1.1 低硅生鐵冶煉技術(shù)

相比于國(guó)外的高爐煉鐵來(lái)說(shuō)，中國(guó)高爐煉鐵生產(chǎn)，尤其是一些小型鋼鐵生產(chǎn)公司的高爐煉鐵中含硅量較高^［1］。通過(guò)大量的實(shí)踐表明，在高爐煉鐵過(guò)程中降低硅的含量，可以有效降低燃料比，從而對(duì)高爐煉鐵的生產(chǎn)條件起到優(yōu)化作用。第一，改變傳統(tǒng)觀念。通常情況下，高爐煉鐵工作人員對(duì)于高爐狀態(tài)與高爐溫度的判定依據(jù)即判定生鐵的含硅量。然而，如果在高爐煉鐵過(guò)程中降低硅的含量，那么在對(duì)高爐狀態(tài)及高爐溫度的判定時(shí)，需要從兩個(gè)方面考慮，即焦炭進(jìn)入燃燒區(qū)域熱平衡的理論燃燒溫度以及焦炭進(jìn)入燃燒區(qū)域時(shí)的理論燃燒溫度。另外，焦炭進(jìn)入燃燒區(qū)域與鐵水溫度之間存在著內(nèi)在聯(lián)系，因此在低硅生鐵冶煉技術(shù)時(shí)，可通過(guò)測(cè)量鐵水溫度判定高爐溫度。如果仍舊以傳統(tǒng)觀念根據(jù)生鐵的含硅量判定高爐溫度，會(huì)造成生鐵含硅量偏高的現(xiàn)象，不利于低硅生鐵冶煉技術(shù)的應(yīng)用。第二，提高原料條件。相比于國(guó)外來(lái)說(shuō)，中國(guó)高爐煉鐵原料中所含的硅量也較高，所使用的焦炭中的灰分質(zhì)量也同樣較高^［2］。

1.2 高風(fēng)溫技術(shù)

在綠色高爐技術(shù)理念下，高風(fēng)溫技術(shù)已經(jīng)逐漸發(fā)展成為一項(xiàng)主要的高爐煉鐵技術(shù)。所謂高風(fēng)溫技術(shù)，是指將高爐煉鐵溫度控制在 1250~1300℃，并將熱風(fēng)爐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將其頂部設(shè)計(jì)成與主壁之間相分離的拱形結(jié)構(gòu)；同時(shí)也將燃燒器設(shè)計(jì)成與拱頂向脫離，利用高效板式加熱交換器對(duì)煤氣與燃燒氣體進(jìn)行加熱。高風(fēng)溫技術(shù)特征主要包括以下幾個(gè)方面。

第一，高爐的支柱及爐箅子采用特殊耐高溫材料制成，最高可承受來(lái)自熱風(fēng)爐排出的煙氣溫度為 450~500℃，可以有效減少溫度的損耗，提升加熱爐的送風(fēng)溫度^［3］。

第二，由于高風(fēng)溫技術(shù)中所使用的高效板式換熱器具有雙重加熱的功能，因此其可以將煤氣加熱至 200~ 250℃；同時(shí)為了避免熱風(fēng)爐拱頂因高溫作用而產(chǎn)生晶間性腐蝕，可以將熱風(fēng)爐頂維持在 1380℃左右，同時(shí)也可以有效降低二氧化碳的排放量。

第三，在高風(fēng)溫技術(shù)下，對(duì)熱風(fēng)爐的燃燒機(jī)制及熱風(fēng)爐燃燒過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化，為了進(jìn)一步提升熱量的儲(chǔ)存量，提升熱煙氣分布的均勻程度、提升拱頂及送風(fēng)之間溫度的平衡性，采用直徑為 25mm 的格子磚。

第四，高風(fēng)溫技術(shù)下，在高爐材料中運(yùn)用了一種節(jié)能技術(shù)，即高輻射覆層技術(shù)。高輻射覆層技術(shù)通過(guò)將一種具有高發(fā)射率的材料鍍膜到蓄熱體表面，從而增加蓄熱體的表面發(fā)射率，從而通過(guò)增加輻射換熱的方式，加強(qiáng)蓄熱體與空氣、蓄熱提與熱風(fēng)率之間的傳熱，從而降低高爐煉鐵過(guò)程中的熱能損耗。

1.3 精料技術(shù)

作為軟熔帶以下高爐料柱的主要構(gòu)成部分，焦炭不僅為高爐料柱的透氣性與透液性提供保障，同時(shí)也可以為高爐煉鐵過(guò)程提供充足的熱源。對(duì)于高爐煉鐵所使用焦炭質(zhì)量，《高爐煉鐵工藝設(shè)計(jì)規(guī)范》中做出了明確的要求與規(guī)定，如表 1 所示。

隨著高爐低碳低成本煉鐵理念的提出，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始嘗試?yán)脟姶等剂咸娲鷤鹘y(tǒng)的焦炭，如向高爐中噴吹 H₂ 或富含 H₂ 的燃料作為還原劑、熱源，從而實(shí)現(xiàn)高爐低碳煉鐵的目標(biāo)。

1.3.1 熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析

從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，高爐煉鐵屬于火法冶金，其主要產(chǎn)物為 1475~1510℃的高溫液態(tài)鐵水，在高爐煉鐵過(guò)程中，主要的熱量來(lái)源即碳在高爐內(nèi)氧化形成 CO 與 CO₂過(guò)程中所釋放的熱量，其中有 25%的熱量來(lái)自于碳在風(fēng)口前燃燒所放的熱、有 9%~10%的熱量來(lái)自于碳還原所放的熱、43%來(lái)自于 CO 間接還原過(guò)程中所放的熱，僅有 5%的熱量來(lái)自于 H₂ 在間接還原過(guò)程中所放的熱^［4］。 每噸生鐵需消耗約 9~11GJ 熱量。由于向高爐中噴吹的 H₂ 富含碳?xì)浠衔锶剂现械奶細(xì)浠衔镌陲L(fēng)口燃燒時(shí)，只有碳氧化過(guò)程能夠放熱，因此其在風(fēng)口前燃燒過(guò)程所釋放的熱量較少。其中焦炭或煤粉中碳燃燒的公式

碳?xì)浠衔锶紵ㄒ?CH₄ 為例）公式：

表 2 列出了不同燃料噴入高爐后燃燒放熱與焦炭燃燒放熱的比較。

從供熱的角度來(lái)看，在高爐煉鐵過(guò)程中噴吹 H₂，碳?xì)淙剂系确绞街荒軐?duì)于一小部分的碳起到替代作用，因此再?gòu)倪€原的角度對(duì)其進(jìn)行分析。圖 1 為鐵氧化還原熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，CO 還原能力與 H₂ 還原能力的對(duì)比圖，從圖中可以看出，在未達(dá)到 810℃時(shí)，CO 相比 H₂ 來(lái)說(shuō)具有更強(qiáng)的還原能力，而當(dāng)溫度高于 810℃時(shí)，H₂ 表現(xiàn)出了比 CO 更強(qiáng)的還原能力。這說(shuō)明在高爐煉鐵的過(guò)程中，當(dāng)溫度較高時(shí)，H₂ 的還原作用要強(qiáng)于 CO。

從動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，H₂ 及 H₂ 氧化產(chǎn)物的密度、粘度都要小于 CO 及其氧化產(chǎn)物的密度與粘度，這也說(shuō)明 H₂ 與 H₂ 氧化產(chǎn)物擁有比 CO 及其氧化產(chǎn)物更強(qiáng)的擴(kuò)散能力。這一特征在高爐煉鐵過(guò)程中的具體表現(xiàn)為H₂ 可以深入到鐵礦石的縫隙中進(jìn)行還原反應(yīng)，從而提升整體高爐煉鐵生產(chǎn)效率。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)研究

在學(xué)術(shù)界，許多學(xué)者都對(duì) H₂ 對(duì)于鐵氧化物的還原過(guò)程進(jìn)行了大量的研究，文章介紹了某鋼鐵公司所進(jìn)行的利用 H₂ 對(duì)燒結(jié)礦、球團(tuán)礦進(jìn)行還原實(shí)驗(yàn)的研究，從而驗(yàn)證在高爐煉鐵過(guò)程中，向高爐噴吹 H₂ 提升煉鐵效率的可行性。該實(shí)驗(yàn)共設(shè)置 4 個(gè)不同的溫度，分別為600、700、900、1000℃，還原氣體中 H₂ 含量分別為 2.5%、5.0%、7.5%、10.0%、12.0%、15.0%，實(shí)驗(yàn)試樣為某鋼鐵公司日常高爐煉鐵所使用的燒結(jié)礦與球團(tuán)礦兩種，粒度均為12.5mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 3 所示。

從表 3 中可以看出以下幾點(diǎn)：第一，在 600~900℃的中低溫實(shí)驗(yàn)條件下，H₂ 含量在 2.5%~10%區(qū)間內(nèi)，其對(duì)于燒結(jié)礦與球團(tuán)礦的還原作用與含量成正比，當(dāng) H₂含量高于 10%后，其還原度并無(wú)明顯提升^［5］ 。 第二，在H₂ 含量與溫度相同的實(shí)驗(yàn)條件下，球團(tuán)礦的還原性要明顯低于燒結(jié)礦，即使提升實(shí)驗(yàn)溫度，這種差異性仍舊不發(fā)生變化；但當(dāng)還原氣體中 H₂ 含量超過(guò) 5%時(shí)，燒結(jié)礦與球團(tuán)礦之間的還原并無(wú)明顯差異。因此可以得出結(jié)論，在溫度條件相同時(shí)，向高爐中噴吹 H₂ 含量5%的還原性氣體，可以有效提升高爐的整體還原效率，進(jìn)而提升高爐煉鐵的整體效率，但當(dāng) H₂ 含量過(guò)高時(shí)，這種提升作用并不明顯。

1.4 其他技術(shù)

1.4.1 干法除塵技術(shù)

干法除塵技術(shù)作為一種中國(guó)自主研發(fā)的高爐冶煉技術(shù)，在高爐冶煉工作中得到了廣泛應(yīng)用。隨著干法除塵技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，已成為一項(xiàng)高爐低碳低成本煉鐵中的重要技術(shù)。干法除塵技術(shù)可對(duì)高爐煤氣起到良好的凈化作用，從而有效提升高爐煤氣的處理效率，在降低生產(chǎn)成本、提升高爐煉鐵效率的同時(shí)，降低高爐煉鐵生產(chǎn)廢物的排放，減小對(duì)自然生態(tài)環(huán)境的損害，提升鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

1.4.2 粒煤噴吹

粒煤噴吹技術(shù)最早起源于西方國(guó)家，并在一些發(fā)達(dá)國(guó)家的高爐冶煉行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，相比于中國(guó)傳統(tǒng)的粒煤技術(shù)來(lái)說(shuō)，粒煤噴吹技術(shù)具有較為顯著的優(yōu)勢(shì)。如應(yīng)用過(guò)程安全性較高，不易發(fā)生爆炸事故；能源損耗率低，具有良好的節(jié)能優(yōu)勢(shì)等^［6］ 。

2 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，在高爐煉鐵原料價(jià)格上漲、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)持續(xù)推進(jìn)的背景下，如何在不降低高爐煉鐵生產(chǎn)效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高爐低碳低成本煉鐵的目標(biāo)，成為鋼鐵企業(yè)需解決的首要問(wèn)題之一。文章從提高風(fēng)溫、降低生鐵硅含量、大力發(fā)展精料技術(shù)、應(yīng)用干粉除塵技術(shù)等方面，對(duì)高爐低碳低成本煉鐵關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，以期實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、低碳高爐煉鐵的新目標(biāo)。

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