徐明紅
（貴州省化工研究院 貴州 貴陽 550000）
摘要：作為國家的第二大產(chǎn)業(yè)，工業(yè)在經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)了重要地位。伴隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，高爐煉鐵技術(shù)也要持續(xù)改進。高爐煉鐵過程比較復(fù)雜，除了要嚴格按照流程進行外，還要加強對創(chuàng)新型技術(shù)的運用，以便提高我國的煉鐵能力?；诖耍疚牟捎觅Y料查閱、總結(jié)等方式，從高爐煉鐵設(shè)備的組成及原理出發(fā)，介紹高爐煉鐵系統(tǒng)組成，闡述高爐煉鐵技術(shù)工藝、實現(xiàn)路徑及設(shè)備維護。合理運用高爐煉鐵技術(shù)，可以提高冶鐵效率，保障冶鐵的整體質(zhì)量，同時也能降低對周圍環(huán)境的污染，促進我國鋼鐵行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。
關(guān)鍵詞：高爐冶煉；煉鐵技術(shù)；工藝；設(shè)備維護
0 引言
高爐煉鐵技術(shù)是鋼鐵行業(yè)的常用技術(shù)工藝，具有技術(shù)工藝成熟、效率高、污染小等優(yōu)勢。近年來，隨著鋼鐵行業(yè)低排放政策的實施，對高爐煉鐵工藝提出了嚴格的要求，高爐煉鐵要嚴格遵循環(huán)保、低碳等原則，這就要求煉鐵技術(shù)人員積極探索新型的煉鐵工藝、技術(shù)，提高煉鐵生產(chǎn)效率，減少能源的消耗及排放量，助力高爐煉鐵技術(shù)工藝的良性發(fā)展。本文結(jié)合筆者自身經(jīng)驗，就高爐煉鐵技術(shù)工藝及設(shè)備維護展開簡要論述，旨在為高爐煉鐵技術(shù)工藝的改進提供參考。
1 高爐煉鐵設(shè)備組成及原理
1.1 高爐煉鐵設(shè)備組成
在冶鐵企業(yè)生產(chǎn)鋼鐵的過程中，需要使用很多大型設(shè)備，來保證鋼鐵加工、生產(chǎn)等工作的順利進行。高爐煉鐵設(shè)備由高爐鼓風機、高爐本體、高爐熱風爐、除塵器等設(shè)備組成，除高爐是煉鐵的重要場所外，其他都是輔助系統(tǒng)。一般來講，輔助系統(tǒng)的成本投入是本體成本的 4 ～ 5 倍。在鋼鐵冶煉過程中，高爐和輔助系統(tǒng)相互合作、制約，形成一個完整的生產(chǎn)環(huán)境，滿足鋼鐵冶煉的溫度要求[1]。另外，在煉鐵設(shè)備運行中，高爐和輔助系統(tǒng)一直處于運行狀態(tài)，除特殊情況、計劃檢修導致的暫停情況外，高爐系統(tǒng)通常在設(shè)備達到使用壽命后才能停爐。
1.2 高爐煉鐵原理
熔劑、鐵礦石等燃料經(jīng)爐頂設(shè)備的布料溜槽，按照設(shè)定的工藝流程加入高爐內(nèi)，由高爐下方沿風口引入預(yù)熱空氣。在高溫作用下，焦炭和空氣中的氧發(fā)生化學反應(yīng)，生成氫氣和一氧化碳，在爐內(nèi)上升期間去除鐵礦石中的氧，還原得到鐵；而鐵礦石內(nèi)尚未還原的石灰石、雜質(zhì)等，相互結(jié)合形成爐渣。先由鐵口排出液態(tài)渣鐵，再經(jīng)撇渣器分離渣鐵，鐵水流入鐵水罐，爐渣排至渣處理系統(tǒng)；最后，經(jīng)爐頂排出煤氣，除塵凈化處理后作為鍋爐、加熱爐等高爐的燃料。高爐煉鐵生產(chǎn)流程見圖 1。
2 高爐煉鐵系統(tǒng)組成
高爐煉鐵系統(tǒng)主要由上料系統(tǒng)、爐體系統(tǒng)、熱風系統(tǒng)、噴吹系統(tǒng)等組成。
2.1 上料系統(tǒng)
上料系統(tǒng)包括礦槽、篩分設(shè)施、焦槽、稱重設(shè)施等，其功能主要是按照工藝需求，將高爐燃料按一定比例穩(wěn)定地輸送至高爐。
2.2 爐頂系統(tǒng)
現(xiàn)如今，我國鋼鐵行業(yè)的高爐煉鐵系統(tǒng)主要使用無料鐘爐頂。無料鐘爐頂包括溜槽、料罐、氣密箱等部分，其功能是按設(shè)定的流程、布料方式將燃料運輸?shù)礁郀t內(nèi)部。
2.3 爐體系統(tǒng)
爐體系統(tǒng)包括爐體冷卻、高爐內(nèi)襯、爐體檢測、高爐爐殼等設(shè)施，煉鐵反應(yīng)主要在此進行，以便生產(chǎn)出鐵水。
2.4 出鐵場系統(tǒng)
出鐵場系統(tǒng)包括主鐵鉤、風口平臺、開口機、出鐵場平臺等設(shè)施，其用途主要是負責出鐵作業(yè)、運輸鐵水。
2.5 熱風系統(tǒng)
熱風系統(tǒng)包括熱風輸送管網(wǎng)、熱風爐、空煤氣換熱器等，功能是對高爐所需風進行加熱，一般為1200℃，然后經(jīng)熱風管網(wǎng)運輸至爐內(nèi)。
2.6 渣處理系統(tǒng)
渣處理系統(tǒng)包括水渣脫水裝置、水渣堆場、爐渣?；b置等，功能是對高爐內(nèi)的液態(tài)渣進行水淬處理，使其成為可重復(fù)使用的水淬渣。
2.7 噴吹系統(tǒng)
噴吹系統(tǒng)包括煤粉制備、煤粉噴吹、原煤儲運等設(shè)施，功能是按規(guī)定將煤粉制成粒徑大小符合要求的顆粒煤，干燥處理后在氣體介質(zhì)的作用下經(jīng)高爐風口噴入高爐內(nèi)部，保證爐內(nèi)持續(xù)高溫，從而得到穩(wěn)定的鐵液。
3 高爐煉鐵技術(shù)工藝及實現(xiàn)路徑
3.1 高爐煉鐵技術(shù)工藝
高爐煉鐵技術(shù)工藝包括噴煤技術(shù)、熱壓含碳球團技術(shù)、高爐噴吹廢塑料技術(shù)、頂壓和含氧量控制技術(shù)等，具體介紹如下。
3.1.1 噴煤技術(shù)
噴煤技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，通常在高爐風口處向爐內(nèi)噴煤粉，為冶煉生產(chǎn)提供熱量，確保鋼鐵冶煉生產(chǎn)的順利進行。在傳統(tǒng)的煉鐵生產(chǎn)中，粉煤、焦炭的效果基本相似 [2]。實際工作中，以粉煤為原料，有助于減少焦炭用量，提升冶鐵質(zhì)量。在高爐煉鐵中應(yīng)用噴煤技術(shù)，能夠減輕對企業(yè)和周圍環(huán)境的污染，提高煉鐵技術(shù)含量。
3.1.2 熱壓含碳球團技術(shù)
在高品位鐵礦資源日益緊缺的背景下，其價格越來越高，企業(yè)的生存壓力也隨之增加。隨著近年來低成本煉鐵原料的生產(chǎn)和應(yīng)用，熱壓含碳球團技術(shù)應(yīng)運而生。熱壓含碳球團是一種新型的煉鐵原料，具有良好的冶金性能、滲碳性，將其用于高爐煉鐵生產(chǎn)中，不僅能減少能源的使用，提高高爐的熱能利用率，還能增加冶煉產(chǎn)量，實現(xiàn)礦物資源的重復(fù)利用和環(huán)保目標。熱壓含碳球團的制作流程：先預(yù)熱礦粉、煤粉，溫度維持在 100℃ ；后預(yù)熱熔劑、泥漿與粉塵，達到溫度要求后將所有物質(zhì)放在一起攪拌，并將其溫度加熱至 500 ～ 600℃ ；最后對熱壓塊進行熱處理，生成熱壓含碳球團。
結(jié)合大量實踐發(fā)現(xiàn)，在礦物質(zhì)燃料中，如果熱壓含碳球團占比超過 31%，鋼鐵產(chǎn)量將會提升 6.5%，殘渣產(chǎn)出量減少 8.0%，同時也會減少每噸鐵的能耗。因此，高爐煉鐵生產(chǎn)時要加強對該原料的應(yīng)用。但是，熱壓含碳球團也存在一些缺點，即降低渣鐵溫度，影響渣鐵的流動性。鑒于此，在高爐煉鐵生產(chǎn)過程中，為了保證渣鐵溫度適宜，可添加一定數(shù)量的熱壓含碳球團，以提高產(chǎn)量，減少燃料損耗，實現(xiàn)最終的節(jié)能降耗目標。
3.1.3 高爐噴吹廢塑料技術(shù)
在高爐煉鐵工藝中，廢塑料所制成的顆粒、煤粉在噴吹中的作用相似，可取代部分煤粉使用，這樣有助于減少燃料能耗。和煤粉相比，廢塑料顆粒質(zhì)量較大，其和煤粉混合噴吹時，廢塑料粒子前進速度緩慢，在回旋區(qū)的時間也比較長，因此將煤粉、廢塑料顆?；旌蠂姶涤兄谌剂显陲L口前充分燃燒。
另外，當兩者混合噴吹時，因煤粉質(zhì)量輕、粒徑小，往往會依附于塑料顆粒外側(cè)，在回旋區(qū)燃燒時，粒徑小的煤粉會先燃燒，并對塑料進行加熱處理，極大地加快了塑料的燃燒速度 [3]。同時，因煤粉多存在于塑料內(nèi)部，故其在高溫區(qū)域停留的時間會比較長，能夠促使煤粉充分、快速地燃燒，提高煤粉燃燒效率。在具體應(yīng)用中，廢塑料、煤粉的制粒分開進行，而且噴吹系統(tǒng)也相互獨立，廢塑料顆粒、煤粉在高爐風口混合，這樣既能保證混合方案的有效性，又能提高煤粉的燃燒效率。
3.1.4 頂壓和含氧量控制技術(shù)
對于鋼鐵冶煉行業(yè)而言，高爐爐頂壓力是影響冶煉質(zhì)量的重要因素。多數(shù)情況下，在爐頂可承受的壓力值內(nèi)，適當增加爐頂壓力，可提高鋼鐵產(chǎn)量。隨著爐頂壓力的不斷增大，爐膛內(nèi)部煤氣流速降低，壓頭損失也隨之降低，給增加風量創(chuàng)造了條件，并且爐塵吹出物粒度減小，數(shù)量減少。同時，隨著煤氣在爐膛停留時間的延長，礦物質(zhì)和煤氣之間的反應(yīng)時間也隨之延長，在氧化還原反應(yīng)下分離出鐵元素，增加鐵液產(chǎn)出量。
考慮到高溫環(huán)境會升高爐頂氣壓，為了保證鋼鐵品質(zhì)，需要嚴格調(diào)節(jié)高爐頂壓。一般來講，在煉鐵生產(chǎn)過程中，將頂壓控制在最小的范圍，可推動鋼鐵冶煉生產(chǎn)的順利進行。此過程中，礦石、煤氣發(fā)生化學反應(yīng)，隨著高爐使用時間的延長，鐵礦石儲量也隨之增加。這種情況下，單純對爐內(nèi)氣壓進行控制遠遠不夠，若缺乏足夠的氧氣，不僅會影響燃燒速度和效率，還會對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響。對此，在礦物質(zhì)的燃燒過程中，要保證爐內(nèi)氧氣量充足，這樣有助于提高生產(chǎn)效率，減少污染氣體的排放量。
數(shù)據(jù)調(diào)查顯示 [4]，氧氣燃料比提高 1%，鋼鐵產(chǎn)量升高 5%。由此可見，確保爐內(nèi)氧氣量充足，對鋼鐵冶煉而言非常重要。但前提是燃料、氧氣配比適宜，配比過低、過高都會影響鐵液產(chǎn)量。
3.1.5 其他技術(shù)
（1）干法除塵技術(shù)。干法除塵技術(shù)是冶煉行業(yè)常用技術(shù)之一，其具有良好的脫硫效果，將其用于高爐煉鐵生產(chǎn)中，可提高煙氣利用率，增強環(huán)保效果。
（2）風溫控制技術(shù)。高爐煉鐵過程中，風溫控制技術(shù)是控制高爐風溫度的主要技術(shù)。現(xiàn)階段，高爐風溫多為 1000℃，僅部分企業(yè)的高爐風溫為 1200℃，相較于發(fā)達國家，我國的高爐風溫仍存在較大的差距。因此，鋼鐵企業(yè)要積極研究風溫提升的舉措與技術(shù)，可從熱風爐的選擇入手。熱風爐是一種燃燒功率大、能源消耗多的熱交換裝置，雖然其能吹出1200℃以上的熱風，但熱風在爐內(nèi)的分布并不均勻，其利用率也不是很高。和熱風爐相比，頂燃式熱風爐可吹出 1300℃左右的熱風，并且熱風能在爐內(nèi)均勻分布。鑒于此，在高溫煉鐵技術(shù)的應(yīng)用過程中，優(yōu)先選用頂燃式熱風爐。
3.2 高爐煉鐵的實現(xiàn)路徑
3.2.1 去硫工藝
在高爐設(shè)備內(nèi)部，硫的存在會使得鋼材質(zhì)量降低。一般來講，硫主要存在于焦炭、礦石等熔體中，想要有效改善鋼材質(zhì)量，就要去除高爐設(shè)備內(nèi)的硫。在高爐煉鐵操作中，可將石灰石放入熔煉爐內(nèi)，在高溫環(huán)境下和硫酸發(fā)生化學反應(yīng)，形成不含鐵的硫酸鈣，從而達到去硫的效果 [5]。
3.2.2 焦炭燃燒
在高爐煉鐵中，熔化前的熔化溫度介于 1800 ～1900℃，這是一個臨界值。在鋼材熔化過程中，高爐爐膛內(nèi)的溫度也隨之降低。在鋼材進入高爐爐膛后，爐膛內(nèi)的溫度持續(xù)升高，并在爐膛內(nèi)部產(chǎn)生二氧化碳，散發(fā)熱量。同時，隨著二氧化碳濃度的升高，其與焦炭、水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，生成氫氣和一氧化碳，這是焦炭燃燒過程最重要的還原物質(zhì)。
3.2.3 提高原材料利用率
原材料利用率和煉鐵成本有著密切的關(guān)系，故在煉鐵過程中，要提高對原材料的利用率，減少原材料不必要的浪費。在我國傳統(tǒng)的煉鐵工藝中，普遍存在原材料嚴重浪費的現(xiàn)象，這不僅會浪費原材料，增加生產(chǎn)成本，還會嚴重污染環(huán)境。這種形勢下，可在高爐煉鐵中充分燃燒原材料，并通過對高爐結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，提高原材料的利用率。主要措施為：高爐煉鐵期間，適當提高爐內(nèi)壓力，為其提供足夠的氧氣，促使爐內(nèi)原材料充分燃燒，減少碎渣量，從而提高煉鐵效率，保障鋼材生產(chǎn)品質(zhì) [6]。
3.2.4 減少生產(chǎn)殘渣
在高爐煉鐵生產(chǎn)中，如果殘渣量過多，說明產(chǎn)品產(chǎn)出量低，這也使得企業(yè)生產(chǎn)效率降低。因此，需要合理運用高爐煉鐵技術(shù)工藝，有效改善這種情況。在實際的煉鐵工藝中，通過對熱壓含碳球團的燃燒，促使爐內(nèi)原材料充分燃燒，以減少殘渣形成量。同時，結(jié)合高爐煉鐵的優(yōu)勢，可通過對殘渣的處理，實現(xiàn)可循環(huán)利用，從而減少生產(chǎn)成本，降低因殘渣量過多給環(huán)境帶來的不良影響。現(xiàn)如今，我國鋼鐵行業(yè)不斷提高對高爐煉鐵工藝的要求，這需要鋼鐵企業(yè)基于自身情況、生產(chǎn)特征，積極改善和優(yōu)化煉鐵技術(shù)工藝，進而提高高爐煉鐵技術(shù)工藝的應(yīng)用成效，促進鋼鐵企業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。
3.2.5 處理爐身結(jié)瘤問題
高爐結(jié)瘤后，往往會出現(xiàn)階段性的崩料問題，導致鋼鐵產(chǎn)量降低；而且，也會造成高爐內(nèi)部溫度分布不均勻的情況。分析工作情況得知，高爐結(jié)瘤的原因為：礦物質(zhì)富含大量鋅元素，在高爐煉鐵生產(chǎn)中，由于鋅元素的沉積，造成爐內(nèi)低溫區(qū)結(jié)瘤；受各方面影響，爐內(nèi)軟熔帶發(fā)生變化，最終導致爐內(nèi)結(jié)瘤；在高爐停爐噴補期間，高爐形狀也會發(fā)生變化，進而出現(xiàn)結(jié)瘤的現(xiàn)象。
為了有效處理高爐爐身結(jié)瘤的問題，需做好以下工作：
（1）提高高爐溫度，適當調(diào)整原材料分布機制，以提高鋼鐵產(chǎn)量。通過該措施的實施，可提高爐內(nèi)活躍度，確保爐內(nèi)氣流穩(wěn)定，從而改善爐內(nèi)情況。
（2）降低原材料高度，充分暴露整個瘤體，便于精準定位瘤體位置 [7]。隨后，對瘤體進行開孔處理，將炸藥放在瘤體內(nèi)部。該過程中，要采用由上到下的順序炸瘤，炸藥和爐身保持 150mm 左右的距離。此外，在炸瘤過程中，還要避免涼爐情況的出現(xiàn)。
4 高爐煉鐵設(shè)備維護策略
4.1 優(yōu)化基礎(chǔ)送風機制
第一，有效整合設(shè)備的基礎(chǔ)富氧狀態(tài)數(shù)據(jù)，對相應(yīng)數(shù)據(jù)展開對比分析，保證設(shè)備的整體運行狀態(tài)符合相關(guān)標準。高爐煉鐵設(shè)備運行過程中，通常會受到富氧數(shù)值的影響，這就需要相關(guān)人員做好富氧數(shù)值的控制工作，確保設(shè)備的整個運行過程合理、科學。加強對設(shè)備活躍度數(shù)值的審核，適當提升基礎(chǔ)燃燒溫度，保證設(shè)備高質(zhì)量、高效率運行。第二，做好基本風口的處理工作，在選擇基本風口面積時，需結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)全面考慮設(shè)備的運行結(jié)構(gòu)，以便保證設(shè)備風速符合要求，使鼓風動能保持穩(wěn)定。一般來講，基本風速為 150 ～ 250m/s，鼓風機動能為 70 ～100kJ/s。
4.2 記錄設(shè)備作業(yè)與故障
對于每一臺高爐煉鐵設(shè)備的運行情況，必須做好全面、客觀的記錄工作，發(fā)現(xiàn)故障后分析故障原因，擬定處理方案。同時，加強設(shè)備運行狀態(tài)的檢修管理，具體來講，基于設(shè)備的運行情況給予必要檢修與維護。相較于計劃檢修，狀態(tài)維修要制定科學的檢修方案，明確工作量和范圍，便于第一時間發(fā)現(xiàn)潛在隱患。在檢修維護過程中，詳細記錄每臺設(shè)備的工作情況、故障情況，加強和操作人員的交流，充分掌握每臺設(shè)備的運行狀態(tài)，便于及時處理潛在的故障隱患 [8]。
4.3 用計算機技術(shù)監(jiān)測設(shè)備運行情況
相關(guān)人員要運用計算機完成設(shè)備操作、檢修和維護工作，以便提高工作效率。比如，借助計算機技術(shù)建立遠程維修系統(tǒng)，只要用戶登錄該系統(tǒng)，就能遠程實時監(jiān)測生產(chǎn)；并在設(shè)備出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)能夠及時發(fā)出預(yù)警，將故障位置、處理方案反饋給相關(guān)人員，從而提高設(shè)備故障的處理效率，減少故障給設(shè)備運行、產(chǎn)品生產(chǎn)帶來的不良影響。
5 結(jié)語
綜上所述，高爐煉鐵設(shè)備作為鋼鐵冶煉企業(yè)的重要設(shè)備，要想保證冶鐵工作的順利開展，提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量，就要做好煉鐵技術(shù)工藝優(yōu)化與設(shè)備維護工作。本文對當前的高爐煉鐵技術(shù)工藝進行了分析，包括熱壓含碳球團技術(shù)、干法除塵技術(shù)、頂壓和含氧量控制技術(shù)等，有助于提高高爐冶煉強度，減少燃料消耗，減少高爐生產(chǎn)對環(huán)境的影響。同時，從焦炭燃燒、減少生產(chǎn)殘渣等方面介紹了高爐煉鐵的實現(xiàn)路徑，闡述了高爐煉鐵設(shè)備的維護策略，在確保高爐煉鐵設(shè)備高質(zhì)量運行的前提下，進一步改進煉鐵工藝，促進鋼鐵冶煉企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
參考文獻：
[1] 魏冉君 . 煉鐵高爐機械設(shè)備管理過程中存在的問題及解決措施分析 [J]. 中國機械 ,2020(14):66-67.
[2] 張寶東 . 高爐煉鐵技術(shù)工藝及應(yīng)用分析 [J]. 山西冶金 ,2023,46(06):98-100.
[3] 李蘭濤 . 高爐煉鐵技術(shù)工藝及應(yīng)用分析 [J]. 天津冶金 ,2021(06):5-7+32.
[4] 郭艷軍 . 高爐冶煉煉鐵技術(shù)工藝及應(yīng)用分析 [J]. 山西冶金 ,2021,44(02):160-161+181.
[5] 張大晶 . 煉鐵高爐設(shè)備維護檢修措施探討 [J]. 中國機械 ,2021(3):30-31.
[6] 孫久健 . 高爐煉鐵設(shè)備的使用及維護檢修管理 [J]. 中國金屬通報 ,2022(11):195-197.
[7] 周帥 . 高爐煉鐵設(shè)備的故障診斷及處理措施 [J]. 冶金與材料 ,2021,41(6):123-124.
[8] 張付昌 . 高爐冶煉煉鐵技術(shù)工藝及應(yīng)用分析 [J]. 冶金管理 ,2021(07):1-2.