高炉冶炼炼铁技术工艺及应用分析

董洪旺

（唐钢国际工程技术股份有限公司，河北 唐山 063000）

社会经济迅猛发展，对钢铁产业的生产方式提出了更多要求。高炉冶炼面临的主要问题在于低碳环保的挑战、高炉技术的变迁与资源能源的竞争等方面，唯有不断改进优化高炉冶炼炼铁技术的生产流程与工艺，加强固体炉料区、炉内软熔区等关键环节的控制，减少炼铁能耗与污染排放，才能推动我国重工业稳中求进发展。

1 高炉冶炼炼铁技术分析

（1）喷吹生物质及木炭技术。生物质在炼铁工艺中属于新能源，是指动植物与微生物新陈代谢后的有机物，可在热解方面通过碳化减少二氧化碳排放。在高炉炼铁工艺中应用生物质与废塑料，能够减少人力物力等资源消耗，同时能在高炉喷吹中取代粉还原剂，在控制二氧化碳含量与降低高炉恒温带温度、提高原料还原能力等方面的特征优势可以与煤粉等同。

（2）粒煤喷吹技术。高炉粒煤喷吹技术在国外发达国家广泛被应用，凭借不易爆炸、节约能源、节省设备投资、降低生产成本等特征优势，在高炉冶炼领域得到了广泛发展。

（3）铁焦技术。铁焦技术是指在煤矿生产过程中，将铁矿粉与低价格的微粘或非粘结煤等生物原料进行混合，经过连续式炉的加热干馏获得三成或七成铁焦，再利用专业设备与相应方式完成冶炼，冶炼成果可以与原始技术等同。利用铁焦取代原有物质，不仅提高了反应速率，同时节省了煤炭资源。尤其是铁焦含量超过30%的，可获得理想的冶炼成果。这项技术仅在发达国家应用，仍处于摸索性前进阶段，有较大的进步空间。

（4）氧气高炉关键技术。首先是PSA技术（变压吸附技术）。气体吸附分离技术的原理主要以气体组分在固体材料上的差异吸附特性为主，通过周期性压力变换以及气体提纯分离得出实现。技术是一种高科技含量的比较成熟的制氧技术，有着制氧工艺流程简单、设备投资低、自动化水平高、操作维护简便、节能等优势特征，随着节能降耗技术的大力推广，PSA技术的市场将不断拓展。其次是CCS（碳捕集与封存技术）技术，是指封存捕集到的二氧化碳，减少其排放到大气中对环境的影响。封存方法以埋存为主，地下埋存与海底埋存方法比较常见，是指向废弃煤田与油田中或海水层中注入二氧化碳，相对于植物埋存方法比较容易实现。

2 高炉冶炼炼铁技术的工艺流程

高炉冶炼生产的目的，是为了将铁矿石分解成铁液，主要依靠炉本体与其他辅助设备完成。首先发生还原反应，将矿石中的铁与非铁元素，利用还原剂实现与氧元素的化学分离。其次是熔化与造渣过程，对还原后的金属与脉石施以机械分离。最后是通过温度控制得到化学成分，通过液体与铁渣的交互作用得到稳定的铁液。高炉炼铁技术工艺步骤如下所示；一是上料工艺：原料比例与高炉匹配，即原料配置比例根据高炉容积大小确定，高炉容积不同，原料比例也存在较大差异。二是装料系统：为确保高炉内燃料充分燃烧，应当将控制好配置比例的原料均匀分布在炉内，并密封高炉顶端。三是送风系统：冷风经过热风机、热风炉加热后达到炉内，提供了燃烧氧气。四是煤气净化系统：直接排出未处理过的燃烧气体会污染空气；对此，需要利用净化器处理成清洁燃气。五是喷吹燃料系统：向炉内均匀喷入磨制好的煤粉，能够维持炉内高温，确保得到稳定合格的铁液。六是处理铁渣：分开处理沉降后的渣滓与铁液[1]。

3 高炉冶炼炼铁技术的工艺应用

（1）应用热压含碳球团。在高炉炼铁中应用热压含碳球团能够满足环保节能与矿物资源循环利用的需求。在矿物燃料中的热压含碳球团比例超过31%，钢铁产量会提升6.5%，熔渣量降低8.1%，焦比下降100kg/thm，炼铁能耗减少7.1%。但合理制作热压含碳球团是重要前提，首先煤粉与粉矿、泥浆、粉尘等应当先预热处理；其次混合并搅拌均匀各物质，提高温度至六百摄氏度。加工成热压块后，通过热处理获得热压含碳球团。

（2）控制炉内顶压与含氧量。在指定的承压范围中，钢铁产量会随着炉顶压力增大而提高。同时气体流动会随着压力增加而降低；通常情况下，排出口不会出现强烈的气体流动，实际工作量随之增加。与此同时，延长了炉内煤气停留与接触时间，炉内的燃料与矿料反应更加完全，矿物质中的铁元素得到还原，更利于得到稳定合格与高产量的铁液。但合理控制压力是重要前提，以确保氧气量达标。燃烧充分性直接影响氧气重组，同时能够降低气体排放量，铁液生产质量与效率随之加强。在规定界限范围内，铁液产量与氧气燃料比成正比，可见氧气重组与含量等指标，对生产质量与效率提升的重要意义。氧气燃料比控制在4%～5%最佳，过高或过低的比例都会降低产量。

（3）控制热风炉传输风温。通常情况下，要求热风炉传输风温不低于一千摄氏度，为缩小以发达国家标准规定温度的差距，应当合理提升风温。热风炉高铁冶炼重要热交换装置，也是能耗最高与燃烧功率最大的装置之一。热风炉的类型多样，包括顶燃式与蓄热式等，后者虽然能够达到理想的高风温，但不能确保炉内气体分布均匀，直接降低了炉内热量利用率。前者不仅能够达到理想的温度，同时能够确保气体分布均匀；对此，建议使用顶燃式热风炉。

（4）处理炉身结瘤。影响出现崩料情况的因素较多，其中高炉结瘤原因不能忽视。同时高炉结瘤后会降低气流的稳定性，钢铁产量随之下降。

对此，需要定期检测高炉温度。出现高炉结瘤的原因与原料内锌负荷高而沉积锌元素、软熔带变化导致出现亏料线或崩料情况、原燃料或炉型发生变化等因素有关。停炉补喷处理后，炉内形态随之发生变化，也会对结瘤情况产生一定影响。出现炉身结瘤情况后，首先应适当的提高炉内温度，满足热量与活跃度等需求的同时调整布料、稳定气流，从而改善炉内情况。其次施以炸瘤处理。降低料面后暴露结瘤，确定结瘤位置后在结瘤上开孔放置炸药，要求炸药与炉身保持间距15cm。在整个操作过程中，应当避免出现炉凉的情况。

（5）还原铁氧化物与非铁元素。高炉内含有丰富的铁氧化物，包括硫化铁与三氧化二铁等。在还原反应中，沿炉内上升的一氧化碳与铁矿石发生反应，在1100℃范围内使铁氧化物还原，从铁的高氧化物逐渐被还原为铁的低氧化物与铁。矿料内含有丰富的铁氧化物与非铁元素，包括磷与硅等，可利用一氧化碳或固体碳还原剂实现还原[2，3]。

（6）脱硫工艺。高炉中的熔剂与焦炭等燃料内含有丰富的硫化铁物质，会造成铁产品的热脆性，直接降低钢铁质量；对此，施以脱硫处理尤为重要。向炉料内添加石灰石，会促使氧化钙与硫化铁在高温下反应生成硫化钙，炉渣经过处理后，可达到脱硫的目的。

4 控制工艺关键环节

（1）控制送风条件。炉内热风与燃烧的煤粉、焦炭混合后会形成高温煤气，为还原铁矿石提供了氢气与一氧化碳还原剂。高温煤气分布情况直接受风口循环区影响；对此，应当合理布置风口循环区的大小与圆周方向分布情况。为了确保风口前燃烧温度满足生产需要，应根据鼓风含水量与富氧含量等情况合理喷吹辅助燃料。

（2）控制炉内软熔区。炉料在软熔区的上下部边界分别软化与熔融滴落，并在软熔区内发生铁还原反应与沉渣。除此之外，软熔区有二次分配高温煤气的作用，区域的尺寸与形状等将直接影响冶炼成效。为了控制铁水成分，减少燃料消耗量，提高冶炼生产产量，应当合理设置软熔区，并加强该区域形态变化的监测与调整，以确保处于最佳工艺性能与生产状态。

（3）控制固体炉料区。固体炉料区是炉料发生直接或间接还原反应的区域，生铁燃料消耗量将直接受区域工作状态影响。为确保最佳的生产状态，首先应当充分利用区域煤气热能与化学能，加强对直接还原反应的抑制，实现充分间接还原反应。其次严格按照炉内生产情况与炉顶装料制度调节炉料分布情况。

5 总结

高炉炼铁技术工艺优化规避了高污染与高消耗情况，对钢铁生产行业现代化发展有着现实意义。高炉炼铁工艺流程主要涉及还原反应、熔化与造渣过程、铁水与渣滓分离等，其中也包括渗碳与除尘等细节性流程。为得到稳定合格的铁水，加强热风炉等设备更新维护的同时，要求技术人员提高责任意识与工作能力，明确炉身结瘤预防与热压含碳球团应用等工艺要点，并加强对工艺环节的控制，确保高炉炼铁技术工艺高效安全展开。