国内外高炉炼铁技术的发展 (2)

国内外高炉炼铁技术的发展现状和趋势

邹忠平、项钟庸、赵瑞海、罗云文

1 前言

21进入世纪以来，钢铁工业受到金融危机的冲击，世界环境有了很大的变化。随着我国钢铁产能的增加（图1），炼铁原料质量下降，资源和能源价格上扬，二氧化碳排放等问题，炼铁作为钢铁工业集中消耗能源、资源的部门首当其冲。 在德国，钢铁企业已经承诺将在2012年前比1990年降低CO2排放量22%；在京都议定书中日本计划钢铁厂排放的CO2量比1990年减少10.5 %。我国生铁产量已经超过世界产量的一半，必然会对我国高炉炼铁提出相应的要求。 在新世纪对炼铁技术的展望，离不开资源、能源和经济等形势的变化，这些主要课题。21世纪也是高炉炼铁“变革的世纪”，期望在新时期钢铁产业能够进入资源、能源和环境的和谐，这是确立炼铁业持续发展的重要关键，也必须从这个理念和观点展开高炉炼铁技术的研究和开发。

10000090000800007000073975178412987410529152969274105259721119781154525149157411549885172874125452531020811357091064317814578489433080160897073943822165093603698225729718135138378304071007844086274177698647947714602386479217066770世界中国日本生铁产量/万t600005000040000300002000010000019941996199820002002年份2004200620082010 图1 世界、我国和日本的生铁产量

我国许多高炉已经感到当前形势的变化，并采取了相应的措施。对高炉炼铁技术发展的方向有了新的认识，为振兴炼铁工业打下了基础。为此很有必要综观世界高炉炼铁技术发展及今后的方向十分必要。

我国高炉在大型化、高效化、低排放过程中，对高炉设计、生产出现了一系

列的新问题已经得到各方面的重视，并正在进行研究，更需要多方协作。 2 炼铁资源和能源的充分利用

在钢铁企业炼铁系统的资源消耗和能耗消耗约占70%，在炼铁系统中削减CO2排放量是迫切的任务。理论上一吨铁水最少需要414kg的碳，或者465kg的焦炭，333kg的碳或者80％的焦炭将用于化学反应。各厂高炉采取了降低燃料比、焦比，提高热效率、还原效率，喷吹煤粉、喷吹塑料，回收一切可能回收的热量等等降低CO2排放的措施。

我国提出以精料为基础，“高效、优质、低耗、长寿、环保”的炼铁生产技术方针[1]。

2.1 高效利用资源、能源

近年来，我国高炉生产理念已经发生了根本变化，过去单纯强调高产，如今转变为“高效”，亦即，高效利用资源、高效利用能源、高效利用设备。

图2为德国在降低燃料比方面的取得的成就。通过过去几年降低燃料比方面的进步，可以清楚的看到未来减少燃料比还存在着潜在的空间。

图2 德国近60年来降低燃料比的成绩[2]

2.2 喷煤技术

去年我国煤炭由出口国转变为进口国，在此之前，我国焦煤早已成为进口国了。我国早在1963年就开发了喷煤技术，是最早采用喷煤的国家之一。近年来，为了降低原燃料的成本，大力提倡喷吹煤粉，宝钢等厂长期维持超过200kg/t大量喷吹。可是由于矿石和煤的品位降低喷吹量维持在120~200kg/t。

为了提高喷煤量，除了改善原燃料条件以外，适当发展中心气流、控制炉顶温度和压力降、避免软熔带透气性恶化，由于未燃炭和焦粉采取活跃炉缸中心和

死料堆等等，例如采取中心加焦控制气流分布，采用混合配煤等措施提高煤粉燃烧率，改善矿石高温还原性等措施。

由于各高炉的生产条件不同，在高利用系数，低燃料比的条件下，提高煤比必须采用焦炭强度高，低SiO2、低Al2O3和高温还原性良好的烧结矿。图3表示宝钢、浦项和日本等国高炉燃料比与煤比的关系。特别是，上海宝钢1号高炉、浦项3号高炉，达到了界限的过剩氧气比0.6，矿焦比6.0的操作。

图3 世界各国燃料比与煤比的关系[3]

3 高炉操作界限的研究

高炉稳定顺行是充分利用资源、能源的有效途径。所以各国大力开发各种操作技术，采用人工智能等辅助操作工具，使用专家系统来指导高炉操作。由于目前专家系统主要是总结有经验操作人员的知识，加以条理化，往往在炉况正常时专家系统能够给予正确指导。由于高炉的复杂性，而在高炉失常时，有经验的操作专家也主要是依靠高炉的各种表象临场发挥处理，这就成为提高控制水平的障碍。因此必须把表象的内在因素弄清楚，这是研究高炉操作界限的动因。

对高炉强化界限研究的目标是，燃料比降低到450kg/t，削减CO210.5%。实现低燃料比操作的障碍在炉身、死料堆、炉缸部分形成悬料、崩料、液泛、出铁和出渣不顺等异常现象。这些都是自古以来炼铁界急待解决的问题，而对降低燃料比起着重大的作用，已经到了非解决不可的程度。研究揭示其发生机理和解明主要原因，以及缓和动力学界限发生的技术，迫在眉睫。

探索界限并不是限制生产，而是利用规律，由必然走向自由的必由之路。

随着高炉大型化，下料的不稳定因素增加，发生悬料、崩料可能性的频率增高，为了确保稳定生产，对高炉下料的行为的研究越来越重要。高炉下部受风口前循环区内焦炭供应的漏斗流区域与炉缸中心死料堆的影响非常大。确保高炉下部死料堆的透气性和透液性对维持稳定生产非常重要。此外，关注死料堆1~2周的更新，在更新的机理中由于贮铁时铁水的浮力炉缸内焦炭层的上升运动。包括死料堆在内的炉料运动对高炉长寿和稳定操作至关重要。

为了弄清强化的界限及下料异常现象，分三个方面进行研究（1）煤气的界限流量及流态化和液泛现象；（2）悬料、崩料和管道发生的原因及高炉稳定顺行的研究；（3）死料堆结构的变化与煤气、熔体的偏流及不稳定传热机理。 3.1煤气的界限流量及流态化和液泛现象[3]

最近对高炉滴落带产生液泛，及其极限的定量化进行了更深入的研究，综合许多作者的研究成果绘成图14。此外，由液滴的力学分析导出滞留量的推算式，确认了其妥当性（图15）。进一步，明确了在低燃料比的操作条件下，颗粒直径、颗粒的浸润性和填充结构对滴落带液体的偏流、液泛和渣铁滞留的影响。

图14 液泛数据曲线

（左下角的图例为已经发表的作者名；上部表格中为Y.Bando等人的试验）

图15 液体总滞留量的实验数据与计算结果的比较[4]

我国高炉工作者了也对宝钢高炉条件下粉末的流态化和液泛进行了研究，并说明高炉强化存在界限，同时提出了控制炉腹煤气量，提高高炉强化的方法。进而，提出了以炉腹煤气量指数为准绳的高炉设计新体系[5] 。 3.2悬料、崩料和管道发生的原因及高炉稳定顺行的研究

研究了高炉循环区周期性的崩料与压力变动的关系（图13），由控制炉料结构来防止悬料的方法。根据高炉解剖调查配合实物模型和数学模型分析了高炉内料柱压力，循环区上部区域煤气和固体流及空隙率周期变化[17]。弄清了维持循环区的稳定、确保中心气流、防止炉腹、炉腰炉墙附着物的形成是得到炉料稳定下降重要因素。此外，用微波对实际高炉循环区进行了调查，死料堆形状及循环区深度及循环区与死料堆的间距对高炉顺行有很大的影响。

图13 循环区大小与不连续性之间相对应[15]

首钢4号高炉进行风口取样，根据焦炭取样的研究结果，分析了循环区焦炭带的长度与实际风速、风口焦炭粒度及焦炭质量的关系；通过炉缸风口循环区径向煤气压差分析对高炉焦炭负荷、上下部制度的合理调整提出了建议[6]。

3.3死料堆结构的变化与煤气、熔体的偏流及不稳定传热机理

根据高炉解剖调查和实际生产操作发现循环区对死料堆的状况及其透液性有重大影响。实物模型和数学模型分析了循环区发生粉末的积蓄行为对死料堆透液性有重大影响（图16）。此外，开发了炉缸部份熔体流动、传热、反应模型，明确了降低燃料比时，渣铁流动、残留渣铁量与温度变化的关系。根据高炉解剖调查配合数学模型分析研究了死料堆漂浮的状况（图）[7]。同时，为了稳定出铁、出渣克服炉缸环流研究了出铁的操作制度（图17）。

图16 未燃烧煤粉和粉焦的体积分数[23]

图17 各种炉内条件对最高煤气－炉渣界面的相对高度至出铁口的影响

图

根据死料堆漂浮条件和克服炉缸环流的研究，世界各国都提出了加深死铁层至炉缸直径25~30%的建议，在我国也有相同的建议[1]。

对高炉操作技术和设计技术的定量化已经提上日程。这是高炉技术由粗放型转变到集约型和精细化的必由之路。对高炉失常等难于定量化的现象开始进行系统的研究，开发新的强化高炉功能的实验方法及现象的模型和分析方法等。此外，关于炉况波动的力学因素也得到了重要的认识，迫切希望以此为基础进一步展开指导操作和设计技术的研究。

4 高炉大型化

近年来，我国高炉的大型化有了很大进步。随着高炉大型化，高炉装备水平有了很大提高，装备技术也有长足进步，装备的本地化率不断提高。

世界上4000m3以上高炉大部分集中在日本，日本仅5000m3高炉12有座，主要集中于大分、福山、鹿岛、君津、名古屋、京浜、仓敷、千叶、加古川等厂。欧洲主要集中于德国施威尔根、俄罗斯斯维尔德罗夫和克里瓦洛格、意大利塔兰托、法国敦刻尔克、英国雷德卡、荷兰艾莫依登。还有美国的内陆和雀点，巴西的图巴朗，以及韩国浦项、光阳。

在世界上，我国新建大型高炉具有领先的装备水平。在装备技术方面采用了无料钟炉顶、铜冷却壁、高压炉顶、喷煤装置、水渣粒化装置、炉前烟气除尘装置、高温热风炉、富氧鼓风、脱湿鼓风等等装备。

高炉大型化除了对高炉炉内现象进行了更精细的研究外，为此，必须弄清各种炉内现象，并合理控制循环区及死料堆的形成行为和焦炭粉化及产生堆积的行为对炉料透气性和下料有重大的影响。进一步有必要寻求重要操作因素合适的送风制度和装料制度。

高炉大型化不仅是装备的大型化，更重要的是必须了解不同容积高炉炉内过程特征，对于操作者是一个重新认识的过程，只有充分了解炉内过程才能用以指导高炉操作。

大型高炉的设计特征是依靠先进的技术手段来实现高炉的强化，依靠自动控制采用精细的管理来控制高炉过程。不能单纯依靠鼓风，依靠强制的方法，粗放

型的手段实现高产。 5 高炉长寿及快速大修

由于高炉大型化高炉大修对整个钢铁企业的影响巨大，由于金融危机的影响设备更新资金短缺，由于高炉稳定操作和炉体维修技术的发展，各国都在大力研究高炉的长寿技术。 5.1 高炉长寿

世界各国都十分重视高炉的长寿技术。15超过年的长寿高炉不断增加，我国也出现了15超过年的长寿高炉，宝钢3号高炉正在向20年的高寿迈进。图11为日本大型高炉寿命的实绩，表明由于近年来高炉操作技术和维护技术的进步，高炉寿命越来越长，近年来出现了超过20年的长寿高炉，其中有巴西图巴朗1号4415m3高炉超过26年（2009年月停炉，整个炉役情况尚未见报导），水岛4号4826m3高炉差2个月达到20年，千叶6号4500 m3高炉寿命20年。

图11 日本和巴西高炉寿命

在长寿技术中，有以下关键技术： （1）合理的高炉炉体设计技术： a) 采用合理内型； b) 采用铜冷却壁；

c) 特别是，为了克服炉缸环流加深死铁层，同时提高炉缸炉墙耐材的抗铁水侵蚀性[12,13]，提高炭砖的导热率，防止铁水的渗透将气孔微细化，以及炉缸侧壁采用铜冷却壁；

d) 改进炉体冷却。 （2）操作管理技术：

a) 由高炉布料控制炉内气流分布降低炉墙热负荷； b) 保持高炉的稳定操作，降低炉体、炉缸热负荷的波动；

c) 控制炉缸、炉底冷却，强化侧壁温度管理； d) 改善出铁制度和布料技术，控制炉缸铁水流动。

日本从1990年以来，认识到了提高炉缸炉墙耐侵蚀[12,13]是最重要的课题。

特别是在高炉开炉初期炭砖热面尚不要被渣皮复盖，裸露在铁水中的碳砖极易被侵蚀，在操作上更要精心；在冷却方面，甚至采用制冷机降低水温。

（3）高炉长寿和维修技术； a) 破损测量和调查技术； b) 有效修补破损部位的技术[18]。

5.2 快速大修

由于高炉停炉的损失巨大，除了投入巨资外，钢铁企业的产量下降不但招致的经济损失，还因此带来市场份额的损失。因此，除了延长高炉寿命以外，还要求缩短停炉的时间进行快速大修。

在快速大修方面，我国也自力更生开发了世界一流的高炉快速大修技术，实现了宝钢1、2号4000m3级高炉采用分段装卸的大修工艺，一次搬运最大重量达到3200t。宝钢1、2号高炉大修时间分别为78天和98天的成绩[8]。 6 减少CO2排放的新工艺

高炉是直接排放CO2的工艺，所以主要目标是降低所以主要目标是减少投入高炉中的碳，尤其是焦炭。在欧洲ULCOS工程，为炼钢评估单位容积内的物料、电、氢、天然气的消耗，同时也对降低碳进行评估[2]。

国外正在研究多种全氧并利用炉顶煤气循环的工艺，RFCS正在研究一种全氧高炉，如图14。用冷的氧气替代热风从风口鼓入，将大部分炉顶煤气经过一个CO2洗涤塔，一部分被处理过的富含CO的煤气被循环使用到风口加热到1200℃，其余部分被加热到900℃，并鼓入位于炉身下部的第二排风口。

图14 炉顶煤气循环高炉

模型计算约使用175kg/t煤、焦比降低到200kg/t，燃料比降低了24％，并在LKAB实验高炉上得到了验证。计划建设具有煤气回收技术的50万吨高炉。但要达到大高炉的规模大约还要15～20年。 7 结语 参考文献

1. S. peter, L. H. Bodo, E. Gerhard. Measures to Reduce CO2 and Other Emissions Steel Industry in Germany and Europe. The 5th International Congress on the Science and Technology of Ironmaking (ICSTI’09) p.44~52.

2. 项钟庸，王筱留等编著. 高炉设计－炼铁工艺设计理论与实践，冶金工业出版社，2007年.

3. 清水正贤，内藤诚章. 新世纪における高炉操业の進展と研究开发，铁钢，92（2006）12，694~702.

4. Y.Bando, S.Hayashi, A.Matsubara, M.Nakamura. Effects of Packed and Liquid Properties on Liquid Flow Behavior in Lower Part of Blast Furnace, ISIJ Int. , 2005, 45 (10): 1461~1465.

5. Xiang Zhong-yong, Chen Ying-ming, Zou zhong-ping. A New Design System of Blast Furnace. The 5th International Congress on the Science and Technology of Ironmaking (ICSTI’09) p.1016~1022.

6. Zhu Wei-chun, Zhang Xue-song. Research on Tuyere Coke Sempling and Instruction for BF Operation. The 5th International Congress on the Science and Technology of Ironmaking (ICSTI’09) p.711~715.

7. T. Inada, A. Kasai, K. Nakand, S. Komatsu, A. Ogawa. Dissection Investigation of BF Hearth－Kokura No.2 BF(2nd Campaign). ISIJ International, Vol. 49(2009),No.4, p.470~478

8. Zhu ren-liang, Zhu Jin-ming, Li Jun, Xing Zhong-yong, Ou Yang-biao, Zhou Zhong-ping. The 5th International Congress on the Science and Technology of

Ironmaking (ICSTI’09) p.716~721.

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