劉健
（河鋼集團(tuán)承德釩鈦新材料有限公司）
眾所周知近些年來(lái)鋼鐵冶金行業(yè)面臨著環(huán)保要求嚴(yán)格、市場(chǎng)需求銳減、利潤(rùn)空間降低、行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈等諸多方面的困難，這樣的環(huán)境也顯示這個(gè)行業(yè)正由增量經(jīng)濟(jì)向存量經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變，在這樣嚴(yán)峻形勢(shì)的考驗(yàn)下，企業(yè)本身所具備的綜合競(jìng)爭(zhēng)力便顯得尤為重要。在這個(gè)高速發(fā)展的新時(shí)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(guò)就是因?yàn)樾录夹g(shù)的產(chǎn)生淘汰了落后的技術(shù)，在技術(shù)更新迭代快的領(lǐng)域，如電子產(chǎn)品領(lǐng)域，表現(xiàn)的特別突出。我相信這個(gè)道理也同樣適用于鋼鐵行業(yè)，所以我們的企業(yè)想要生存、發(fā)展、壯大，就一定不能忽視在科技創(chuàng)新方面的投資與研發(fā)，不能忽視科創(chuàng)人才的重視和任用，不能放棄新技術(shù)的探索與嘗試。
高爐煉鐵在鋼鐵企業(yè)中占據(jù)著關(guān)鍵的中心地位，其產(chǎn)量直接關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)流程的產(chǎn)量，鐵前成本占據(jù)鋼材成本的60%~70%，所以高爐煉鐵產(chǎn)量的高低和成本的控制在鋼鐵行業(yè)中至關(guān)重要。
一座生產(chǎn)中的高爐，它的爐況按透氣性指數(shù)來(lái)區(qū)分，我把它分成三種狀態(tài)，第一種狀態(tài)透氣性指數(shù)差，第二種狀態(tài)透氣性指數(shù)一般，第三種狀態(tài)透氣性指數(shù)好。那么我們通常追求的就是第三種狀態(tài)，第三種狀態(tài)的表現(xiàn)就是相對(duì)來(lái)說(shuō)使用著更大的風(fēng)量或者氧量，同時(shí)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(wěn)定性也就越差，就越容易被還原，同時(shí)更多的高溫區(qū)域（1000℃以上），才能使C+CO2=2CO激烈進(jìn)行，并產(chǎn)生大量的CO作為還原劑，（如圖2所示CO含量與溫度對(duì)于鐵氧換物還原反應(yīng)的影響），當(dāng)然也需要間接還原反應(yīng)及混合反應(yīng)區(qū)域產(chǎn)生大量的FeO，綜上所述，擁有這些條件才能使料速加快、產(chǎn)量增加。同時(shí)我們知道料速的提高，爐內(nèi)必須要有足夠的熱量來(lái)支撐這個(gè)高料速狀態(tài)，如果熱量不足的話，一段時(shí)間后伴隨著氣流的出現(xiàn)，爐溫就會(huì)迅速轉(zhuǎn)涼，但是這個(gè)足夠的熱量如果過(guò)度的集中在一個(gè)區(qū)域，通常是高溫區(qū)域如軟融帶、滴落帶，就會(huì)增加半熔融狀態(tài)下礦物的數(shù)量，從而降低該區(qū)域的透氣性，如果沒(méi)有影響透氣性的話，證明這些增加的熱量擴(kuò)散到了其它的區(qū)域（間接還原反應(yīng)、混合還原反應(yīng)區(qū)域）。
我們通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，富養(yǎng)量不變的情況下，風(fēng)量增加、透氣性指數(shù)變好時(shí)，爐身溫度通常有所增加，我認(rèn)為其增加程度與邊緣氣流發(fā)展?fàn)顩r有關(guān)，如果邊緣氣流發(fā)展的好，則增加的程度明顯，如果此時(shí)中心氣流發(fā)展的更好，則增加的程度不明顯。當(dāng)然同樣與軟融帶是“W”形，還是倒“V”形也密切相關(guān)，其道理與邊緣氣流發(fā)展?fàn)顟B(tài)相同。
以軟融帶為倒“V”形為例，我們可以通過(guò)以下三張示意圖來(lái)理解高爐三種狀態(tài)下溫度區(qū)域分布的差異。（圖3）
如果將爐頂料面分成九個(gè)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(tài)，氣流僅僅在少數(shù)方向上發(fā)展的健康，在多數(shù)方向上發(fā)展的不健康，通過(guò)爐頂攝像就很容易觀測(cè)到料面在這九個(gè)方向上死活差異的不同來(lái)。
氣流分布的不好，料面也會(huì)出現(xiàn)傾斜的狀況，當(dāng)氣流進(jìn)一步惡化，往往就需要恢復(fù)爐況操作了，恢復(fù)爐況的高手一定明白一個(gè)道理，那就是流量為先。需要大家認(rèn)識(shí)到并記住的就是，一定要把增加流量作為恢復(fù)爐況的第一要素來(lái)看待！不管我們是采用輕負(fù)荷也好，是加凈焦也好，是放邊也好還是降料面恢復(fù)也好，當(dāng)你流量加起來(lái)之后，爐況的恢復(fù)自然就變得得心應(yīng)手起來(lái)，那是因?yàn)榇箫L(fēng)量在料柱內(nèi)流動(dòng)，會(huì)自然的把熱量分配到各個(gè)區(qū)域上，在物理化學(xué)反應(yīng)的綜合作用下，各區(qū)域溫度就達(dá)到了合理范圍，區(qū)域溫度分布合理后氣流分布就自然合理起來(lái)，那么這個(gè)爐況自然就漸漸的恢復(fù)過(guò)來(lái)了。（恢復(fù)爐況的具體方法非本篇內(nèi)容要義，就不詳述了。）當(dāng)然區(qū)域溫度的合理分布，也更有利于一氧化碳還原反應(yīng)的合理進(jìn)行，使煤氣利用率保持在良好的范圍。
前面提到過(guò)我們所追求的爐況狀態(tài)就是圖3中的第三種狀態(tài)，為了達(dá)到第三種狀態(tài)我們通常都會(huì)加強(qiáng)以下幾種強(qiáng)化冶煉措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。
第一提升原料質(zhì)量，近些年來(lái)高爐冶煉指標(biāo)的進(jìn)步，離不開(kāi)原料水平逐漸提高所帶來(lái)的有益因素影響，尤其是焦炭質(zhì)量，其中的M10、M40、CSR、CRI指標(biāo)對(duì)高爐爐況的順行至關(guān)重要，因?yàn)榻固苛现羌茏饔蒙羁逃绊懼鴼饬鞯暮侠矸植?，焦炭所提供的碳元素?duì)高爐內(nèi)發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)都起到至關(guān)重要的作用。不過(guò)大多數(shù)煉鐵人都知道使用精料對(duì)高爐爐況變好作用重大，但實(shí)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(fēng)溫，熱風(fēng)爐約消耗高爐產(chǎn)生煤氣量的40%，它約供給高爐正常生產(chǎn)耗熱的四分之一，熱風(fēng)仍是供給高爐生產(chǎn)所耗熱中最廉價(jià)的熱量。雖然每提高100℃的風(fēng)溫，可降低焦比4%~7%，但是風(fēng)溫也不是無(wú)上限供給的，一般高爐所使用的風(fēng)溫在1100℃~1300℃之間，其風(fēng)溫上限受限于熱風(fēng)爐的材料、工藝水平、煤氣質(zhì)量等因素，同時(shí)風(fēng)溫的使用還要考慮到高爐的熱平衡，保證爐溫處于合理區(qū)間。風(fēng)溫使用的高低通常與爐況的好壞成正比關(guān)系，如果不考慮爐況而一味的提高風(fēng)溫，就會(huì)造成透氣性變差，甚至懸料的風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)楫?dāng)爐況不能匹配此時(shí)的風(fēng)溫時(shí)，風(fēng)量沒(méi)有增加，料速?zèng)]有加快，只是提高風(fēng)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(tài)下礦物的數(shù)量，從而降低了透氣性。那為什么爐況好的時(shí)候可以使用風(fēng)溫呢？因?yàn)槭紫雀吡纤偈箚挝惑w積的爐料在高爐內(nèi)同一區(qū)域停留的時(shí)間變短，尤其在高溫區(qū)域如軟熔帶、滴落帶、渣鐵帶，其溫度自然就不容易過(guò)高，另外大流量有利于熱量的快速運(yùn)輸與傳遞，所以好爐況時(shí)使用高風(fēng)溫才不會(huì)造成透氣性變差的情況。所以風(fēng)溫要配合爐況狀態(tài)來(lái)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(lái)使用，所以煤比的高低也受限于焦炭質(zhì)量，當(dāng)焦炭質(zhì)量好，能提供良好的料柱骨架作用時(shí)，才能夠?qū)崿F(xiàn)低焦比、高煤比的好指標(biāo)。還有一點(diǎn)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(fēng)口噴入，所以改變煤比比改變焦比對(duì)高爐爐溫的影響更為迅捷，由于它直接作用于風(fēng)口燃燒帶區(qū)域，不考慮爐況，一味的增加煤比，也會(huì)使風(fēng)口帶區(qū)域溫度過(guò)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(qū)間。另外就是當(dāng)爐溫過(guò)低、透氣性差時(shí)，也不能直接通過(guò)噴煤手段來(lái)增加爐溫，因?yàn)槊悍蹏娙敫郀t首先其分解、造焦的過(guò)程要吸收熱量，當(dāng)熱量不足時(shí)更容易使煤粉不能充分燃燒，就進(jìn)一步降低了風(fēng)口燃燒帶的溫度，同時(shí)降低該區(qū)域的透氣性，不利于爐況恢復(fù)。
第四增加富氧，富氧有利于強(qiáng)化風(fēng)口回旋區(qū)域的氧化反應(yīng)，提高煤粉的燃燒率，提高風(fēng)口燃燒帶區(qū)域焦炭的理論燃燒溫度，能夠有效的降低焦比，提高產(chǎn)量。但是隨著富養(yǎng)率的提高，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)明顯的“上冷下熱”現(xiàn)象（如圖4所示），而且對(duì)產(chǎn)量提高的影響也變得越來(lái)越小。為什么會(huì)出現(xiàn)這種“上冷下熱”現(xiàn)象呢？風(fēng)口帶區(qū)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(yǎng)率會(huì)使高爐內(nèi)N2的含量降低，氣流中CO的含量升高，如圖2所示當(dāng)CO含量過(guò)高以后其極易與鐵氧化物發(fā)生還原反應(yīng)，在高爐上部區(qū)域存在著大量的Fe3O4，當(dāng)滿足與其發(fā)生還原反應(yīng)的條件之后，F(xiàn)e3O4+CO=3FeO+CO2大量發(fā)生，進(jìn)一步降低了該區(qū)域的溫度，當(dāng)溫度低到一定程度（如570℃）以下時(shí)，溫度條件又限制了該還原反應(yīng)的進(jìn)行，在CO含量與溫度的雙重作用下，使得高爐從整體來(lái)看產(chǎn)生了這種“上冷下熱”的現(xiàn)象。為什么增加富氧對(duì)產(chǎn)量的影響越來(lái)越小呢？就是因?yàn)楫?dāng)富氧率達(dá)到一定程度時(shí)，其雖然對(duì)直接還原反應(yīng)區(qū)域的強(qiáng)化效果明顯，但是由于“上冷”區(qū)域的影響，弱化了間接還原反應(yīng)和混合還原反應(yīng)的強(qiáng)度，兩者利害相抵自然對(duì)產(chǎn)量提高的影響變的越來(lái)越小（如圖4所示）。同時(shí)上部區(qū)域溫度長(zhǎng)期過(guò)低，使高爐爐況一直處于危險(xiǎn)的邊緣地帶，一旦有其它不利因素參與進(jìn)來(lái)，極易造成高爐大涼，甚至爐缸凍結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)，這便是高富氧率所帶來(lái)的固有難題。
下面我向大家揭秘一下高爐為何向矮胖型發(fā)展，如圖5所示中型高爐向大型高爐的發(fā)展過(guò)程中，高爐的有效容積增大了，體內(nèi)的空間增大，當(dāng)料柱的密度相同的情況下，氣流運(yùn)動(dòng)的距離越長(zhǎng)，氣流所受到的阻力越大，那么氣流就越不好發(fā)展，爐況也就越差。如果高爐爐型向細(xì)高化發(fā)展，（如圖五中的陰影部分代表氣流運(yùn)動(dòng)增長(zhǎng)距離的部分）那么料柱內(nèi)所有氣流受到的阻力都會(huì)增強(qiáng)，這是我們所無(wú)法接受的。向矮胖型發(fā)展則有一些氣流的運(yùn)動(dòng)距離變化不大，但是也有一部分的氣流運(yùn)動(dòng)距離增長(zhǎng)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(gè)有趣的現(xiàn)象，超過(guò)1000m³的高爐，有效容積大小往往和利用系數(shù)大小成反比的關(guān)系，那是因?yàn)殡S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(lái)越大，中心陰影部分占比越大，中心氣流越不好發(fā)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(qiáng)，邊緣就會(huì)相對(duì)減弱。我們沒(méi)有將高爐的有效容積繼續(xù)擴(kuò)大到7000m³以上，其中很大一部分的擔(dān)心就是有效空間利用系數(shù)變得過(guò)低，使得其經(jīng)濟(jì)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(fā)展所存在的先天性缺陷。
高爐的富氫冶煉技術(shù)，不僅能夠降低焦比，更重要的是能夠減少碳排放，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)貢獻(xiàn)力量，但是我們知道氫氣還原氧化鐵是吸熱反應(yīng)，所以說(shuō)人們進(jìn)行高爐富氫冶煉的時(shí)候，通常還要采取手段對(duì)高爐進(jìn)行熱補(bǔ)償，但是即便我們有技術(shù)在風(fēng)口帶區(qū)域提供足夠的熱量，在我們加大富氫量的同時(shí)，氫氣的利用率也會(huì)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(yīng)的數(shù)量（如圖2所示），使區(qū)域溫度進(jìn)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(yīng)的強(qiáng)度，兩者綜合作用便產(chǎn)生的“上冷”現(xiàn)象，（下部的熱補(bǔ)償還不能太高，不然會(huì)造成“下熱”的現(xiàn)象）同時(shí)使用高富氫、高富氧、熱補(bǔ)償?shù)却胧┯秩菀自黾訜掕F成本，這些問(wèn)題便成了高爐富氫冶煉所帶來(lái)的先天性難題。所以當(dāng)使用大型高爐進(jìn)行富氫冶煉再配上全富氧時(shí)，三大難題相疊加，情況如何不用我說(shuō)大家也可想而知。
每一個(gè)企業(yè)把提產(chǎn)降耗作為目標(biāo)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(fēng)溫、富氧、噴煤而不使，有先進(jìn)的高爐富氫技術(shù)而不用，而是受到了種種條件的制約而不能使用。當(dāng)然人為操作水平的差異還是存在的，但是隨著時(shí)間的推移，先進(jìn)成熟技術(shù)的推廣，市場(chǎng)及企業(yè)的優(yōu)勝劣汰，在人為操作水平方面的差距會(huì)變得越來(lái)越小。
綜上所述，那么大型高爐的提產(chǎn)降耗及富氫冶煉的關(guān)鍵核心是什么？就是技術(shù)的進(jìn)步！進(jìn)一步來(lái)說(shuō)就是通過(guò)技術(shù)來(lái)打破束縛高爐強(qiáng)化冶煉措施的受限范圍，高爐強(qiáng)化冶煉措施的受限范圍越小，我們強(qiáng)化冶煉的程度也就越高，我們的產(chǎn)量也就越高，消耗也就越低。
以上我列舉了一些限制高爐強(qiáng)化冶煉措施的因素，我們發(fā)現(xiàn)這些因素有一些共同點(diǎn)，其中提高風(fēng)溫和增加煤比容易出現(xiàn)“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(guò)什么方法突破這個(gè)限制呢？高爐的大型化、矮胖化能否繼續(xù)有活力的發(fā)展下去？富氫冶煉技術(shù)能否健康的發(fā)展下去呢？
我認(rèn)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(xù)增加熱風(fēng)爐的蓄熱能力，其中一部分通過(guò)上層風(fēng)口為高爐的上部直接提供熱量，這樣既避開(kāi)了“下熱”的狀況，又解決了“上冷”的問(wèn)題；其次大型高爐矮胖化發(fā)展的先天性缺陷就是中心陰影部分，其不利于氣流發(fā)展，那么這種膈式雙層風(fēng)口型高爐的束心壁將下層風(fēng)口原本的邊緣氣流向中心約束，從而起到強(qiáng)化中心的作用，而邊緣氣流的發(fā)展則有上層風(fēng)口來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充；再次使用廉價(jià)的風(fēng)溫對(duì)上部加熱，即能解決富氫冶煉需要進(jìn)行熱補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，（上層風(fēng)口氣流的運(yùn)動(dòng)距離短，易發(fā)展）又能解決高富氫的“上冷”問(wèn)題。那么此時(shí)我們是不是覺(jué)得大多數(shù)的問(wèn)題都迎刃而解了呢？當(dāng)然新的爐型雖然針對(duì)解決舊的難題，但也會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題，如上下兩層風(fēng)口的氣流干涉問(wèn)題，不過(guò)問(wèn)題是一個(gè)一個(gè)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(shù)也是在進(jìn)步的。
如圖7所示，將熱風(fēng)爐改造成兩個(gè)熱風(fēng)出口，即便使用一臺(tái)風(fēng)機(jī)也可以為這種爐型的高爐送風(fēng)。
目前雖然一些企業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)出現(xiàn)了困難，但是鋼鐵冶金這個(gè)行業(yè)是不會(huì)消失的，現(xiàn)在的困難時(shí)期恰恰需要企業(yè)抓住轉(zhuǎn)型升級(jí)的機(jī)會(huì)，而科技創(chuàng)新則是轉(zhuǎn)型升級(jí)成功最有力的保障。