高爐煉鐵幾個生產(chǎn)技術(shù)問題的探討

王筱留 張建良

　 1、指導(dǎo)高爐煉鐵生產(chǎn)的技術(shù)原則問題

　 指導(dǎo)生產(chǎn)的技術(shù)原則是經(jīng)歷了幾十年的實踐研究總結(jié)而形成的，不同發(fā)展階段有著不同的提法。當前的提法是“高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、長壽、環(huán)保”十字技術(shù)方針。從高爐煉鐵的主要技術(shù)經(jīng)濟指標η_v=I(冶強)/K(焦比)=I_集(綜合冶強)/(K M)(燃料比)的關(guān)系來討論。長期以來以提高利用系數(shù)為核心，組織高爐生產(chǎn)走了四條路：

　 (1)冶強提高，焦比降低，利用系數(shù)提高；

　 (2)冶強提高，焦比維持不變，利用系數(shù)提高；

　 (3)冶強維持不變，大力降低焦比，利用系數(shù)提高；

　 (4)冶強提高，焦比隨之提高，但冶強提高幅度大于焦比升高的幅度，結(jié)果利用系數(shù)也有所提高。

　 對一定的冶強條件，有一個與冶煉條件相對應(yīng)的最佳冶強，在這個冶強下，焦比最低。世界先進高爐大都在這樣的冶強下組織生產(chǎn)，這就是走第三條路：獲得最低燃料比，最低生鐵成本，最好效益。總體上講，世界煉鐵發(fā)展是沿著第一條路前進，就是不斷地改善冶煉條件(特別是精料)，提高操作水平，隨著冶煉條件的改善逐步提高最佳冶強水平，而焦比相應(yīng)也有所降低。

　 中國煉鐵一直走第四條路，直到今日仍然沒有轉(zhuǎn)變，造成的后果是噸鐵能耗高(燃料比高，風耗高，電耗高)，高爐壽命短等。

　 當前的形勢是鋼鐵產(chǎn)能遠超過市場需求，出現(xiàn)供大于求的局面。同時資源、能源和環(huán)保等問題也制約著煉鐵生產(chǎn)。因此，要逐步轉(zhuǎn)變冶煉觀念，穩(wěn)步地走第三條路，即探索具體冶煉條件下合適的冶煉強度，大力降低燃料比，降低能耗，做到低成本、高效益。

　 2、冶煉強度問題

　 長期以來，中國一直是采用冶煉強度來表達高爐強化程度，有很大的局限性。項鐘庸等人提出以爐腹煤氣量來取代冶煉強度是比較科學(xué)和符合高爐煉鐵的基本規(guī)律的。但由于人們的習(xí)慣，短期內(nèi)要完全取消冶煉強度還是困難的。所以探討當前與冶煉條件相適應(yīng)的合適冶煉強度仍然對生產(chǎn)有著指導(dǎo)意義。

　 我們認為能保證高爐長期穩(wěn)定順行，煤氣利用好，燃料比低而且爐子穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的冶煉強度就是與原燃料條件相適應(yīng)的合適冶煉強度。

　應(yīng)當指出，不存在統(tǒng)一的(對所有相同級別高爐而言)合適冶煉強度，不同高爐要根據(jù)自身冶煉條件尋求合適的冶煉強度。

　在尋求具體冶煉條件下與合適冶煉強度相對應(yīng)的最佳操作點時，項鐘庸等提出的爐腹煤氣量(V_BG，m³/ t)噸鐵風口燃料燃燒產(chǎn)生供冶煉需要的熱量(Q_SPCE，GJ/ t)，風口前理論燃燒溫度(t_F，℃)為控制參數(shù)，以諾模圖形式表達的高爐操作圖，有著很好的指導(dǎo)生產(chǎn)的實際意義。

　3、降低燃料比的技術(shù)問題

　 降低高爐燃料比，尤其是焦比是高爐煉鐵技術(shù)發(fā)展的動力。研究和生產(chǎn)實踐表明實現(xiàn)低燃料比需以精料為基礎(chǔ)，采用其它熱量代替焦炭在風口前燃燒放出的熱量的技術(shù)，例如提高風溫，噴吹燃料。采用降低噸鐵熱量消耗的技術(shù)，例如脫濕鼓風，低硅，提高煤氣熱能與化學(xué)能利用率，減少熱損失等。

　 3．1精料

　在精料方面要重視三個方面的工作：優(yōu)化配料和工藝生產(chǎn)以針狀鐵酸鈣為粘結(jié)相的高還原性、高強度、粒度組成好的高堿度燒結(jié)礦(SFCA)；往球團礦配料中添加MgO，生產(chǎn)含MgO的球團礦，作為合理爐料結(jié)構(gòu)的優(yōu)質(zhì)酸性料；通過配煤和優(yōu)化煉焦工藝生產(chǎn)適合大型高爐要求的焦炭。

　 3．1．1高堿度燒結(jié)礦(SFCA)

　為獲得優(yōu)質(zhì)高堿度燒結(jié)礦要做到：

　 ①優(yōu)化配料。首先，進行燒結(jié)用含Fe料的高溫燒結(jié)性能測定，即測定同化性(與CaO反應(yīng)形成液相的能力)、粘結(jié)相自身強度、SFCA生成的難易程度和生成的穩(wěn)定性等。通過對比，選擇同化性好、液相生成量多、流動性適宜、粘結(jié)相強度高、還原性好等礦粉組成混合料方案。其次，根據(jù)線性配料計算，選擇既能滿足高溫燒結(jié)特性，又具有較低采購成本的礦粉修改配料方案。

　 ②根據(jù)生產(chǎn)SFCA的要求，優(yōu)化燒結(jié)工藝。

　 3．1．2含MgO球團礦

　 往球團礦原料配入適量含MgO物料達到兩個目的：第一，用MgO提高球團礦的冶金性；第二，通過冶煉過程MgO進入爐渣，改善爐渣性能和提高爐渣脫S能力。所謂改善爐渣性能是以MgO破壞高Al₂O₃爐渣中的復(fù)合鋁氧離子團來降低爐渣黏度，適應(yīng)使用東半球富礦造成的高Al₂O₃爐渣遇到的問題，配入球團礦的MgO量要根據(jù)高爐冶煉的要求確定。

　 3．1．3焦炭

　 隨著高爐大型化，大噴煤量和高強化冶煉的發(fā)展，焦炭質(zhì)量對高爐冶煉的影響更加明顯。在焦炭塊表面與中心溫度差(200℃)造成的熱應(yīng)力；CO₂、K₂O、Na₂O等與焦炭中C反應(yīng)造成焦炭表面成蜂窩狀；強度變差以及下降過程中的摩擦等原因造成焦炭破損嚴重，入爐焦平均粒度與風口焦平均粒度的變化證實了這種破損：噴煤100 kg／t時，焦炭平均粒徑由50．4 mm降到23 mm，噴煤200 kg／t時，它由53．04 mm降到17．15mm。我們認為焦炭質(zhì)量已成為限制高爐爐容的因素之一，限制噴煤量的因素之一，也是爐缸狀況的決定性因素之一，也是爐缸狀況的決定性因素之一。

3．2風溫問題

風溫問題上存在著高爐能接受多高風溫和熱風爐系統(tǒng)能穩(wěn)定地提高到多高的風溫。高爐噴吹燃料以后，能接受高風溫的問題已得到解決，即使1400℃風溫也能為高爐所接受。現(xiàn)在的問題是熱風爐到底能穩(wěn)定地提高到多高的風溫。20世紀80年代，人們追求的是1400℃風溫。歐洲和日本的高爐也有少數(shù)使用了1300～1 350℃風溫。但是20世紀末，21世紀初，風溫普遍穩(wěn)定在1200±50℃。目前的技術(shù)還不能長期保證提供1 300～1400℃風溫，而使熱風爐一代壽命與高爐一代壽命同步，而人們現(xiàn)在要求熱風爐一代為高爐二，提供穩(wěn)定的1200℃風溫。

　造成這一現(xiàn)象的主要原因是燃燒過程形成的NO_x和SO_x對熱風爐壽命影響太大，尚沒有完善的技術(shù)來抵御NO_x與SO_x形成的酸對爐殼的晶界腐蝕，從而使熱風爐技術(shù)達不到15～30年的要求，而快速和大量生成NO_x的溫度正是熱風爐的燃燒火焰溫度1450℃左右。

　 熱風爐燃燒單一高爐煤氣達到火焰溫度1450℃的技術(shù)已完全掌握。因此，問題集中在熱風爐拱頂溫度控制在1350±50℃的條件下，為高爐提供1200～1250℃風溫，就是要采取一系列技術(shù)措施將t_拱與t_風的溫差穩(wěn)定在100℃左右。這些技術(shù)措施有：

　 (1)加強熱風爐蓄熱室內(nèi)的輻射和對流傳熱，使其在燃燒期內(nèi)貯存更多的高溫熱量。在送風期內(nèi)鼓風在下部吸取更多的熱量以節(jié)約上部高溫熱量，使t_拱下降速度減慢來縮小t_拱與t_風溫度差。為此采用格孔相對較小的19孔磚，并對高溫區(qū)格子磚浸泡強化輻射的物質(zhì)。

　 (2)改進換爐操作，適當縮短送風周期時間。例如，由1h改為40～45min，可縮小t_拱與t_風溫度差20～40℃；或者采用交叉并聯(lián)(4座熱風爐)或半交叉并聯(lián)(3座熱風爐)送風，均可以縮小t_拱與t_風溫度差。

　 (3)改進熱風爐爐篦子和支柱材質(zhì)，使其正常工作溫度提高到450～500℃，以便將廢氣溫度提高，廢氣溫度每提高100℃，可縮小t_拱與t_風的溫度差40℃。

　 3．3脫濕鼓風問題

　 在現(xiàn)今的高爐煉鐵條件下，富氧3％左右，風溫1200～1250℃，噴煤150 kg／t以上，可以肯定地說，鼓風應(yīng)脫濕而不是加濕。中國沿海地區(qū)、南方濕度大且波動大的地區(qū)、晝夜溫差大的地區(qū)，應(yīng)采用鼓風脫濕技術(shù)。脫濕可取得的效果為：

　 (1)減少濕度波動對爐況的影響。鼓風中1gH₂O使風口前的t_理波動6～9℃，晝夜大氣濕度波動4～6g／m³，可造成爐缸熱狀態(tài)發(fā)生幾十度的波動，消除這種影響可使產(chǎn)量提高。

(2)提高噴煤量，每脫除1gH₂O可增加噴煤1．5～2．0kg。

(3)采用全冷脫濕方式，可將風機吸風口的溫度降到冬季水平，改善了風機制吸風條件。

(4)降低焦比。脫除1gH₂O可降低焦比約0．7～1．0kg。

　 據(jù)不完全估算，對江南地區(qū)4000m³級高爐來說，脫濕到冬季水平時，可節(jié)焦24000t／a，提高噴煤4560t／a；因吸風條件改善，風機功率降低5％～10％，增產(chǎn)174000t／a，總效益大約在8000萬元／a。

　 3．4噴吹煤粉問題

　 在具體生產(chǎn)條件下，不僅有一個合適的冶煉強度問題，而且還有一個合適噴煤量的問題。因為噴煤量受到爐缸熱狀態(tài)，煤粉燃燒速率，高爐穩(wěn)定順行，置換比和操作水平等多方面因素的限制。超過冶煉條件允許的合適噴煤量后，不是爐況變壞就是未燃煤粉量大幅增加，在高爐內(nèi)無法全部消化掉而造成煤粉在高爐內(nèi)的利用率和置換比降低，還可能使燃料比升高。最明顯的特征就是除塵灰和布袋灰中合碳量大幅度升高，有的高爐布袋灰中含C高達45％以上。

　在現(xiàn)今中國高爐煉鐵的條件下，合適的噴煤量應(yīng)該是120～150kg／t。國內(nèi)外高爐煉鐵低燃料比的生產(chǎn)業(yè)績也證實這種認識。

　 生產(chǎn)實踐表明，要將噴吹量提高到150 kg／t以上，到200kg／t而燃料比又低于500 kg／t，必須創(chuàng)造以下冶煉條件：渣量280kg／t以下；風溫1200～1250℃；富氧3 5％左右；脫濕維持全年濕度在冬季水平；焦炭強度M₄₀大于89％，M₁₀小于6％，CRI小于24％，CSR大于65％；入爐平均粒度50 mm；噴吹混合煤，其揮發(fā)分控制在20％±2％，灰分和硫分低于焦炭；均勻噴吹，風口間噴煤量的差別應(yīng)控制在5％以下，徹底消除脈沖式噴煤；精心操作，保證爐缸有充沛的高溫熱量，爐況穩(wěn)定順行等。在生產(chǎn)中只要有1～2項做不到，就不宜將噴煤量提高。

　 3．5煤氣能量利用問題

　中國高爐煉鐵的燃料比比國外的高出50～100kg／t，其主要原因之一是煤氣利用差，高爐的CO利用率低而直接還原度高，造成噸鐵熱量消耗高，迫使在風口前燃燒更多的燃料供冶煉需要的熱量。搞好煤氣流合理分布，充分利用煤氣的化學(xué)能與熱能是，中國煉鐵工者的一項重要工作。

　 根據(jù)鐵礦石還原熱力學(xué)計算，理論上煤氣利用率應(yīng)在0．6～0．65。實際上，先進高爐煤氣利用率在0．52～0．54，一般高爐在0．45～0．48，落后高爐則不足0．4，所以煤氣化學(xué)能利用還有相當大的潛力。

　從礦石還原動力學(xué)研究分析，改善煤氣利用的途徑在于提高含Fe礦石的還原性和使煤氣流分布合理。

　·提高含Fe料的還原性

　從已有含Fe料的冶金性能比較中可以認定以針狀鐵酸鈣為粘結(jié)相的高堿度燒結(jié)礦SFCA還原性最好，與之搭配含MgO酸性球團礦的還原性也是好的，建議盡量使用它們作為合理爐料結(jié)構(gòu)的組成，以改善間接還原。

　·合理煤氣流分布

　 煤氣從燃燒帶內(nèi)形成上升到爐頂，經(jīng)歷了三次分配：離開燃燒帶時的初始分配，流經(jīng)軟熔帶時的二次分配，經(jīng)塊狀帶到達爐頂時的三次分配。只有搞好這三次分配，才可使爐內(nèi)整體煤氣分布合理，并充分利用煤氣的化學(xué)能和熱能，實現(xiàn)低的燃料比。

　 煤氣初始分配受燃燒帶大小和燃燒帶上方和周邊料柱透氣性的影響。

　 操作者用適合于冶煉條件的風速和鼓風動能，以及風口小套數(shù)來調(diào)節(jié)燃燒帶大小。燃燒帶上方與周邊焦炭床的透氣性取決于滴落帶中焦炭的空隙度、渣鐵在焦床中的滯留率以及焦炭落入燃燒帶時的狀況。這要求焦炭具有好的高溫性能(CRI和CSI)保證滴落帶內(nèi)的空隙度，也要求噸鐵渣量少，降低滯留率，使煤氣通過的實際通道穩(wěn)定，有足夠的煤氣量向中心分布。

　 煤氣二次分配在流經(jīng)軟熔帶時實現(xiàn)。煤氣流到軟熔帶時發(fā)生方向改變，通過焦炭層(焦窗)流入塊狀帶，焦窗數(shù)目，焦層厚度和焦層內(nèi)的空隙度成為煤氣二次分配的決定性因素。

　 生產(chǎn)中要選擇適宜的焦窗數(shù)目，采用大料批增加焦層厚度(焦窗高度)，提高焦炭熱態(tài)性能以保持有較大的空隙度，要特別強調(diào)的是調(diào)負荷應(yīng)保持焦批不動，調(diào)礦石批重。如果頻繁地調(diào)焦炭批重將造成焦窗高度和焦窗內(nèi)的空隙度的變化，對煤氣流二次分布不利。

　 煤氣三次分配在塊狀帶內(nèi)實現(xiàn)，決定其分配的是料柱的空隙度。由于塊狀帶爐料運動保持著層狀活塞型下降，因此影響三次分配的是爐頂裝料制度和燒結(jié)礦的低溫還原粉化等造成的粒度變化。

　 4、結(jié)論

　 (1)全面貫徹“高效，優(yōu)質(zhì)，低耗，長壽，環(huán)保”十字方針，要用”與冶煉條件相適應(yīng)的合適冶煉強度，要大力降低燃料比。

　 (2)應(yīng)用爐腹煤氣量，風口前燃燒產(chǎn)生的熱量，風口前理論燃燒溫度為參數(shù)的諾模圖一高爐操作圖可以找到合適冶煉強度的參考值。

(3)充分發(fā)揮SFCA的優(yōu)越性，搭配合MgO球團礦是低燃料比冶煉的基礎(chǔ)。要特別重視焦炭的熱態(tài)性能，它是決定高爐爐容大小，噴煤量多少和煤氣流合理分布的重要因素。

(4)熱風爐要在拱頂溫度1350～1400℃的情況下為高爐提供1200～1250℃風溫。

(5)高爐鼓風脫濕是實現(xiàn)低燃料比，大噴煤量的重要技術(shù)手段。

(6)生產(chǎn)中要根據(jù)冶煉條件探索低燃料比下的合適噴煤量，達到節(jié)能減排。

(7)提高煤氣利用率是降低燃料比的關(guān)鍵技術(shù)之一，需探索三次煤氣流分配，以提高煤氣利用率。