梁 輝

（南京鋼鐵集團第一煉鐵廠，江蘇 南京 210035）

摘 要：在冶煉原材料價格持續(xù)上漲、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略持續(xù)深入的背景下，如何實現低碳低成本的高爐煉鐵，成為中國冶金行業(yè)亟須解決的實際問題之一。文章從低硅生鐵冶金、高風溫、精料技術、其他技術等方面對高爐低碳低成本煉鐵關鍵技術進行分析，探討新時期低碳環(huán)保理念下國家高爐煉鐵發(fā)展的新方向。

關鍵詞：冶煉技術；高爐；低碳；低成本

隨著國家高爐煉鐵技術的不斷發(fā)展，大型化、現代化的高爐冶金生產行業(yè)取得了長足進步。但相比西方發(fā)達國家，中國高爐煉鐵技術在成本控制、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題。因此，在節(jié)能減排與可持續(xù)發(fā)展理念下，為了進一步實現低碳、低成本的高爐煉鐵目標，貫徹落實國家的相關環(huán)保標準，就需要對高爐低碳低成本煉鐵關鍵技術進行深入分析與優(yōu)化。

1 高爐低碳低成本煉鐵關鍵技術

1.1 低硅生鐵冶煉技術

相比于國外的高爐煉鐵來說，中國高爐煉鐵生產，尤其是一些小型鋼鐵生產公司的高爐煉鐵中含硅量較高^［1］。通過大量的實踐表明，在高爐煉鐵過程中降低硅的含量，可以有效降低燃料比，從而對高爐煉鐵的生產條件起到優(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于高爐狀態(tài)與高爐溫度的判定依據即判定生鐵的含硅量。然而，如果在高爐煉鐵過程中降低硅的含量，那么在對高爐狀態(tài)及高爐溫度的判定時，需要從兩個方面考慮，即焦炭進入燃燒區(qū)域熱平衡的理論燃燒溫度以及焦炭進入燃燒區(qū)域時的理論燃燒溫度。另外，焦炭進入燃燒區(qū)域與鐵水溫度之間存在著內在聯(lián)系，因此在低硅生鐵冶煉技術時，可通過測量鐵水溫度判定高爐溫度。如果仍舊以傳統(tǒng)觀念根據生鐵的含硅量判定高爐溫度，會造成生鐵含硅量偏高的現象，不利于低硅生鐵冶煉技術的應用。第二，提高原料條件。相比于國外來說，中國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量也同樣較高^［2］。

1.2 高風溫技術

在綠色高爐技術理念下，高風溫技術已經逐漸發(fā)展成為一項主要的高爐煉鐵技術。所謂高風溫技術，是指將高爐煉鐵溫度控制在 1250~1300℃，并將熱風爐的結構進行優(yōu)化設計，將其頂部設計成與主壁之間相分離的拱形結構；同時也將燃燒器設計成與拱頂向脫離，利用高效板式加熱交換器對煤氣與燃燒氣體進行加熱。高風溫技術特征主要包括以下幾個方面。

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

第二，由于高風溫技術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℃；同時為了避免熱風爐拱頂因高溫作用而產生晶間性腐蝕，可以將熱風爐頂維持在 1380℃左右，同時也可以有效降低二氧化碳的排放量。

第三，在高風溫技術下，對熱風爐的燃燒機制及熱風爐燃燒過程進行了優(yōu)化，為了進一步提升熱量的儲存量，提升熱煙氣分布的均勻程度、提升拱頂及送風之間溫度的平衡性，采用直徑為 25mm 的格子磚。

第四，高風溫技術下，在高爐材料中運用了一種節(jié)能技術，即高輻射覆層技術。高輻射覆層技術通過將一種具有高發(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，從而通過增加輻射換熱的方式，加強蓄熱體與空氣、蓄熱提與熱風率之間的傳熱，從而降低高爐煉鐵過程中的熱能損耗。

1.3 精料技術

作為軟熔帶以下高爐料柱的主要構成部分，焦炭不僅為高爐料柱的透氣性與透液性提供保障，同時也可以為高爐煉鐵過程提供充足的熱源。對于高爐煉鐵所使用焦炭質量，《高爐煉鐵工藝設計規(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，越來越多的學者開始嘗試利用噴吹燃料替代傳統(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，從而實現高爐低碳煉鐵的目標。

1.3.1 熱力學與動力學分析

從本質上來說，高爐煉鐵屬于火法冶金，其主要產物為 1475~1510℃的高溫液態(tài)鐵水，在高爐煉鐵過程中，主要的熱量來源即碳在高爐內氧化形成 CO 與 CO₂過程中所釋放的熱量，其中有 25%的熱量來自于碳在風口前燃燒所放的熱、有 9%~10%的熱量來自于碳還原所放的熱、43%來自于 CO 間接還原過程中所放的熱，僅有 5%的熱量來自于 H₂ 在間接還原過程中所放的熱^［4］。 每噸生鐵需消耗約 9~11GJ 熱量。由于向高爐中噴吹的 H₂ 富含碳氫化合物燃料中的碳氫化合物在風口燃燒時，只有碳氧化過程能夠放熱，因此其在風口前燃燒過程所釋放的熱量較少。其中焦炭或煤粉中碳燃燒的公式

碳氫化合物燃燒（以 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。

從供熱的角度來看，在高爐煉鐵過程中噴吹 H₂，碳氫燃料等方式只能對于一小部分的碳起到替代作用，因此再從還原的角度對其進行分析。圖 1 為鐵氧化還原熱力學實驗中，CO 還原能力與 H₂ 還原能力的對比圖，從圖中可以看出，在未達到 810℃時，CO 相比 H₂ 來說具有更強的還原能力，而當溫度高于 810℃時，H₂ 表現出了比 CO 更強的還原能力。這說明在高爐煉鐵的過程中，當溫度較高時，H₂ 的還原作用要強于 CO。

從動力學的角度來看，H₂ 及 H₂ 氧化產物的密度、粘度都要小于 CO 及其氧化產物的密度與粘度，這也說明 H₂ 與 H₂ 氧化產物擁有比 CO 及其氧化產物更強的擴散能力。這一特征在高爐煉鐵過程中的具體表現為H₂ 可以深入到鐵礦石的縫隙中進行還原反應，從而提升整體高爐煉鐵生產效率。

1.3.2 實驗研究

在學術界，許多學者都對 H₂ 對于鐵氧化物的還原過程進行了大量的研究，文章介紹了某鋼鐵公司所進行的利用 H₂ 對燒結礦、球團礦進行還原實驗的研究，從而驗證在高爐煉鐵過程中，向高爐噴吹 H₂ 提升煉鐵效率的可行性。該實驗共設置 4 個不同的溫度，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%，實驗試樣為某鋼鐵公司日常高爐煉鐵所使用的燒結礦與球團礦兩種，粒度均為12.5mm，實驗結果如表 3 所示。

從表 3 中可以看出以下幾點：第一，在 600~900℃的中低溫實驗條件下，H₂ 含量在 2.5%~10%區(qū)間內，其對于燒結礦與球團礦的還原作用與含量成正比，當 H₂含量高于 10%后，其還原度并無明顯提升^［5］ 。 第二，在H₂ 含量與溫度相同的實驗條件下，球團礦的還原性要明顯低于燒結礦，即使提升實驗溫度，這種差異性仍舊不發(fā)生變化；但當還原氣體中 H₂ 含量超過 5%時，燒結礦與球團礦之間的還原并無明顯差異。因此可以得出結論，在溫度條件相同時，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，進而提升高爐煉鐵的整體效率，但當 H₂ 含量過高時，這種提升作用并不明顯。

1.4 其他技術

1.4.1 干法除塵技術

干法除塵技術作為一種中國自主研發(fā)的高爐冶煉技術，在高爐冶煉工作中得到了廣泛應用。隨著干法除塵技術的不斷發(fā)展與成熟，已成為一項高爐低碳低成本煉鐵中的重要技術。干法除塵技術可對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，在降低生產成本、提升高爐煉鐵效率的同時，降低高爐煉鐵生產廢物的排放，減小對自然生態(tài)環(huán)境的損害，提升鋼鐵生產企業(yè)的經濟效益與社會效益。

1.4.2 粒煤噴吹

粒煤噴吹技術最早起源于西方國家，并在一些發(fā)達國家的高爐冶煉行業(yè)中得到了廣泛的應用，相比于中國傳統(tǒng)的粒煤技術來說，粒煤噴吹技術具有較為顯著的優(yōu)勢。如應用過程安全性較高，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)勢等^［6］ 。

2 結 語

綜上所述，在高爐煉鐵原料價格上漲、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標持續(xù)推進的背景下，如何在不降低高爐煉鐵生產效率的同時，實現高爐低碳低成本煉鐵的目標，成為鋼鐵企業(yè)需解決的首要問題之一。文章從提高風溫、降低生鐵硅含量、大力發(fā)展精料技術、應用干粉除塵技術等方面，對高爐低碳低成本煉鐵關鍵技術進行分析，以期實現高效、節(jié)能、低碳高爐煉鐵的新目標。

參考文獻

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