劉健

（河鋼集團承德釩鈦新材料有限公司）

眾所周知近些年來鋼鐵冶金行業面臨著環保要求嚴格、市場需求銳減、利潤空間降低、行業競爭激烈等諸多方面的困難，這樣的環境也顯示這個行業正由增量經濟向存量經濟轉變，在這樣嚴峻形勢的考驗下，企業本身所具備的綜合競爭力便顯得尤為重要。在這個高速發展的新時代，我們很容易看到新興巨頭的崛起與落后巨頭的謝幕，不過就是因為新技術的產生淘汰了落后的技術，在技術更新迭代快的領域，如電子產品領域，表現的特別突出。我相信這個道理也同樣適用于鋼鐵行業，所以我們的企業想要生存、發展、壯大，就一定不能忽視在科技創新方面的投資與研發，不能忽視科創人才的重視和任用，不能放棄新技術的探索與嘗試。

高爐煉鐵在鋼鐵企業中占據著關鍵的中心地位，其產量直接關系到整個生產流程的產量，鐵前成本占據鋼材成本的60%~70%，所以高爐煉鐵產量的高低和成本的控制在鋼鐵行業中至關重要。

一座生產中的高爐，它的爐況按透氣性指數來區分，我把它分成三種狀態，第一種狀態透氣性指數差，第二種狀態透氣性指數一般，第三種狀態透氣性指數好。那么我們通常追求的就是第三種狀態，第三種狀態的表現就是相對來說使用著更大的風量或者氧量，同時有著更高的料速。那么我們知道如圖1所示，溫度越高，鐵氧化物的穩定性也就越差，就越容易被還原，同時更多的高溫區域（1000℃以上），才能使C+CO₂=2CO激烈進行，并產生大量的CO作為還原劑，（如圖2所示CO含量與溫度對于鐵氧換物還原反應的影響），當然也需要間接還原反應及混合反應區域產生大量的FeO，綜上所述，擁有這些條件才能使料速加快、產量增加。同時我們知道料速的提高，爐內必須要有足夠的熱量來支撐這個高料速狀態，如果熱量不足的話，一段時間后伴隨著氣流的出現，爐溫就會迅速轉涼，但是這個足夠的熱量如果過度的集中在一個區域，通常是高溫區域如軟融帶、滴落帶，就會增加半熔融狀態下礦物的數量，從而降低該區域的透氣性，如果沒有影響透氣性的話，證明這些增加的熱量擴散到了其它的區域（間接還原反應、混合還原反應區域）。

我們通過觀察發現，富養量不變的情況下，風量增加、透氣性指數變好時，爐身溫度通常有所增加，我認為其增加程度與邊緣氣流發展狀況有關，如果邊緣氣流發展的好，則增加的程度明顯，如果此時中心氣流發展的更好，則增加的程度不明顯。當然同樣與軟融帶是“W”形，還是倒“V”形也密切相關，其道理與邊緣氣流發展狀態相同。

以軟融帶為倒“V”形為例，我們可以通過以下三張示意圖來理解高爐三種狀態下溫度區域分布的差異。（圖3）

如果將爐頂料面分成九個方向即中心、（邊緣）東、南、西、北、東南、東北、西南、西北，那么圖3中第一種透氣性差的狀態，氣流僅僅在少數方向上發展的健康，在多數方向上發展的不健康，通過爐頂攝像就很容易觀測到料面在這九個方向上死活差異的不同來。

氣流分布的不好，料面也會出現傾斜的狀況，當氣流進一步惡化，往往就需要恢復爐況操作了，恢復爐況的高手一定明白一個道理，那就是流量為先。需要大家認識到并記住的就是，一定要把增加流量作為恢復爐況的第一要素來看待！不管我們是采用輕負荷也好，是加凈焦也好，是放邊也好還是降料面恢復也好，當你流量加起來之后，爐況的恢復自然就變得得心應手起來，那是因為大風量在料柱內流動，會自然的把熱量分配到各個區域上，在物理化學反應的綜合作用下，各區域溫度就達到了合理范圍，區域溫度分布合理后氣流分布就自然合理起來，那么這個爐況自然就漸漸的恢復過來了。（恢復爐況的具體方法非本篇內容要義，就不詳述了。）當然區域溫度的合理分布，也更有利于一氧化碳還原反應的合理進行，使煤氣利用率保持在良好的范圍。

前面提到過我們所追求的爐況狀態就是圖3中的第三種狀態，為了達到第三種狀態我們通常都會加強以下幾種強化冶煉措施來實現。

第一提升原料質量，近些年來高爐冶煉指標的進步，離不開原料水平逐漸提高所帶來的有益因素影響，尤其是焦炭質量，其中的M10、M40、CSR、CRI指標對高爐爐況的順行至關重要，因為焦炭料柱骨架作用深刻影響著氣流的合理分布，焦炭所提供的碳元素對高爐內發生的物理化學反應都起到至關重要的作用。不過大多數煉鐵人都知道使用精料對高爐爐況變好作用重大，但實際使用上還要受到成本、決策等諸多其它因素的束約。

第二提高風溫，熱風爐約消耗高爐產生煤氣量的40%，它約供給高爐正常生產耗熱的四分之一，熱風仍是供給高爐生產所耗熱中最廉價的熱量。雖然每提高100℃的風溫，可降低焦比4%~7%，但是風溫也不是無上限供給的，一般高爐所使用的風溫在1100℃~1300℃之間，其風溫上限受限于熱風爐的材料、工藝水平、煤氣質量等因素，同時風溫的使用還要考慮到高爐的熱平衡，保證爐溫處于合理區間。風溫使用的高低通常與爐況的好壞成正比關系，如果不考慮爐況而一味的提高風溫，就會造成透氣性變差，甚至懸料的風險。因為當爐況不能匹配此時的風溫時，風量沒有增加，料速沒有加快，只是提高風溫就直接增加了軟融帶、滴落帶的溫度，從而增加了半熔融狀態下礦物的數量，從而降低了透氣性。那為什么爐況好的時候可以使用風溫呢？因為首先高料速使單位體積的爐料在高爐內同一區域停留的時間變短，尤其在高溫區域如軟熔帶、滴落帶、渣鐵帶，其溫度自然就不容易過高，另外大流量有利于熱量的快速運輸與傳遞，所以好爐況時使用高風溫才不會造成透氣性變差的情況。所以風溫要配合爐況狀態來使用才最為合理。

第三增加噴煤，噴煤的作用與焦炭有些相似，不同于焦炭的就是其不能作為料柱骨架來使用，所以煤比的高低也受限于焦炭質量，當焦炭質量好，能提供良好的料柱骨架作用時，才能夠實現低焦比、高煤比的好指標。還有一點就是其加入高爐的位置不同，焦炭是由爐頂布料器加入，煤粉則是由風口噴入，所以改變煤比比改變焦比對高爐爐溫的影響更為迅捷，由于它直接作用于風口燃燒帶區域，不考慮爐況，一味的增加煤比，也會使風口帶區域溫度過高，造成透氣性變差的影響。噴煤的使用同樣要考慮到高爐的熱平衡的變化，保證爐溫處于合理區間。另外就是當爐溫過低、透氣性差時，也不能直接通過噴煤手段來增加爐溫，因為煤粉噴入高爐首先其分解、造焦的過程要吸收熱量，當熱量不足時更容易使煤粉不能充分燃燒，就進一步降低了風口燃燒帶的溫度，同時降低該區域的透氣性，不利于爐況恢復。

第四增加富氧，富氧有利于強化風口回旋區域的氧化反應，提高煤粉的燃燒率，提高風口燃燒帶區域焦炭的理論燃燒溫度，能夠有效的降低焦比，提高產量。但是隨著富養率的提高，我們會發現明顯的“上冷下熱”現象（如圖4所示），而且對產量提高的影響也變得越來越小。為什么會出現這種“上冷下熱”現象呢？風口帶區域的理論燃燒溫度提高了所以“下熱”很好理解，“上冷”則是由于提高富養率會使高爐內N₂的含量降低，氣流中CO的含量升高，如圖2所示當CO含量過高以后其極易與鐵氧化物發生還原反應，在高爐上部區域存在著大量的Fe₃O₄，當滿足與其發生還原反應的條件之后，Fe₃O₄+CO=3FeO+CO₂大量發生，進一步降低了該區域的溫度，當溫度低到一定程度（如570℃）以下時，溫度條件又限制了該還原反應的進行，在CO含量與溫度的雙重作用下，使得高爐從整體來看產生了這種“上冷下熱”的現象。為什么增加富氧對產量的影響越來越小呢？就是因為當富氧率達到一定程度時，其雖然對直接還原反應區域的強化效果明顯，但是由于“上冷”區域的影響，弱化了間接還原反應和混合還原反應的強度，兩者利害相抵自然對產量提高的影響變的越來越小（如圖4所示）。同時上部區域溫度長期過低，使高爐爐況一直處于危險的邊緣地帶，一旦有其它不利因素參與進來，極易造成高爐大涼，甚至爐缸凍結的風險，這便是高富氧率所帶來的固有難題。

下面我向大家揭秘一下高爐為何向矮胖型發展，如圖5所示中型高爐向大型高爐的發展過程中，高爐的有效容積增大了，體內的空間增大，當料柱的密度相同的情況下，氣流運動的距離越長，氣流所受到的阻力越大，那么氣流就越不好發展，爐況也就越差。如果高爐爐型向細高化發展，（如圖五中的陰影部分代表氣流運動增長距離的部分）那么料柱內所有氣流受到的阻力都會增強，這是我們所無法接受的。向矮胖型發展則有一些氣流的運動距離變化不大，但是也有一部分的氣流運動距離增長了，就是圖5中矮胖型高爐的中心陰影部分。我們觀察到一個有趣的現象，超過1000m³的高爐，有效容積大小往往和利用系數大小成反比的關系，那是因為隨著高爐有效容積的增大，其中心陰影部分的體積占比也越來越大，中心陰影部分占比越大，中心氣流越不好發展，即便是采取中心加焦的方法，在燃料比不變的情況下，中心得到加強，邊緣就會相對減弱。我們沒有將高爐的有效容積繼續擴大到7000m³以上，其中很大一部分的擔心就是有效空間利用系數變得過低，使得其經濟性得不到保障，所以這是我們不能忽視的大型高爐矮胖化發展所存在的先天性缺陷。

高爐的富氫冶煉技術，不僅能夠降低焦比，更重要的是能夠減少碳排放，為我國實現“碳達峰、碳中和”的目標貢獻力量，但是我們知道氫氣還原氧化鐵是吸熱反應，所以說人們進行高爐富氫冶煉的時候，通常還要采取手段對高爐進行熱補償，但是即便我們有技術在風口帶區域提供足夠的熱量，在我們加大富氫量的同時，氫氣的利用率也會降低，與高富氧的情況類似，料柱氣流中隨著H₂含量的增加，增加了H₂與鐵氧化物還原反應的數量（如圖2所示），使區域溫度進一步降低，（在810℃以上H₂的還原劑效果好于CO）低溫又限制還原反應的強度，兩者綜合作用便產生的“上冷”現象，（下部的熱補償還不能太高，不然會造成“下熱”的現象）同時使用高富氫、高富氧、熱補償等措施又容易增加煉鐵成本，這些問題便成了高爐富氫冶煉所帶來的先天性難題。所以當使用大型高爐進行富氫冶煉再配上全富氧時，三大難題相疊加，情況如何不用我說大家也可想而知。

每一個企業把提產降耗作為目標都是合理的追求，然而并不是你有能力吃好料而不吃，有好爐況使用風溫、富氧、噴煤而不使，有先進的高爐富氫技術而不用，而是受到了種種條件的制約而不能使用。當然人為操作水平的差異還是存在的，但是隨著時間的推移，先進成熟技術的推廣，市場及企業的優勝劣汰，在人為操作水平方面的差距會變得越來越小。

綜上所述，那么大型高爐的提產降耗及富氫冶煉的關鍵核心是什么？就是技術的進步！進一步來說就是通過技術來打破束縛高爐強化冶煉措施的受限范圍，高爐強化冶煉措施的受限范圍越小，我們強化冶煉的程度也就越高，我們的產量也就越高，消耗也就越低。

以上我列舉了一些限制高爐強化冶煉措施的因素，我們發現這些因素有一些共同點，其中提高風溫和增加煤比容易出現“下熱”情況，降低下部透氣性；高富氧和高富氫都容易受到“上冷”的影響。那么通過什么方法突破這個限制呢？高爐的大型化、矮胖化能否繼續有活力的發展下去？富氫冶煉技術能否健康的發展下去呢？

我認為這些難題是可以解決的，我給出的解決方案是直接在高爐上部加熱，如圖6所示，首先由于高爐的煤氣有富余，我們可以繼續增加熱風爐的蓄熱能力，其中一部分通過上層風口為高爐的上部直接提供熱量，這樣既避開了“下熱”的狀況，又解決了“上冷”的問題；其次大型高爐矮胖化發展的先天性缺陷就是中心陰影部分，其不利于氣流發展，那么這種膈式雙層風口型高爐的束心壁將下層風口原本的邊緣氣流向中心約束，從而起到強化中心的作用，而邊緣氣流的發展則有上層風口來進行補充；再次使用廉價的風溫對上部加熱，即能解決富氫冶煉需要進行熱補償的問題，（上層風口氣流的運動距離短，易發展）又能解決高富氫的“上冷”問題。那么此時我們是不是覺得大多數的問題都迎刃而解了呢？當然新的爐型雖然針對解決舊的難題，但也會帶來新的問題，如上下兩層風口的氣流干涉問題，不過問題是一個一個解決的，只要我們解決了主要矛盾，即便有次要矛盾的存在，技術也是在進步的。

如圖7所示，將熱風爐改造成兩個熱風出口，即便使用一臺風機也可以為這種爐型的高爐送風。

目前雖然一些企業生產、經營出現了困難，但是鋼鐵冶金這個行業是不會消失的，現在的困難時期恰恰需要企業抓住轉型升級的機會，而科技創新則是轉型升級成功最有力的保障。