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高爐煉鐵工藝的優(yōu)化與發(fā)展趨勢研究

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2023-03-03  作者:李嚴(yán)  瀏覽次數(shù):3978
 
核心提示:相較于其他類型的冶煉工藝,高爐煉鐵在可操作性、產(chǎn)量、勞動生產(chǎn)效率以及綜合能耗方面具有較顯著的優(yōu)勢。因而,高爐煉鐵在鋼鐵冶煉領(lǐng)域中占據(jù)重要地位。隨著人們對環(huán)保、鋼鐵質(zhì)量、冶煉成本控制等方面需求的不斷提高,高爐煉鐵工藝也在不斷優(yōu)化。本文介紹了高爐煉鐵的主要工藝結(jié)構(gòu),指出了當(dāng)前高爐煉鐵的生產(chǎn)困境,分析了高爐煉鐵工藝優(yōu)化的重點(diǎn),提出未來高爐煉鐵將持續(xù)朝著節(jié)能減排與智慧智能的方向發(fā)展。
 高爐煉鐵工藝的優(yōu)化與發(fā)展趨勢研究

李嚴(yán)

相較于其他類型的冶煉工藝,高爐煉鐵在可操作性、產(chǎn)量、勞動生產(chǎn)效率以及綜合能耗方面具有較顯著的優(yōu)勢。因而,高爐煉鐵在鋼鐵冶煉領(lǐng)域中占據(jù)重要地位。隨著人們對環(huán)保、鋼鐵質(zhì)量、冶煉成本控制等方面需求的不斷提高,高爐煉鐵工藝也在不斷優(yōu)化。本文介紹了高爐煉鐵的主要工藝結(jié)構(gòu),指出了當(dāng)前高爐煉鐵的生產(chǎn)困境,分析了高爐煉鐵工藝優(yōu)化的重點(diǎn),提出未來高爐煉鐵將持續(xù)朝著節(jié)能減排與智慧智能的方向發(fā)展。

一、高爐煉鐵工藝概述

經(jīng)過長期的發(fā)展,現(xiàn)代高爐煉鐵在技術(shù)與工藝方面已經(jīng)十分成熟,勞動生產(chǎn)率、綜合成本等方面也較為可觀。但是,隨著國內(nèi)外對環(huán)保問題的重視程度不斷提高以及我國政府對“碳達(dá)峰”與“碳中和”目標(biāo)的允諾,鋼鐵冶煉產(chǎn)業(yè)受到了更多的關(guān)注。

(一)高爐煉鐵的基本原理

高爐煉鐵的主要產(chǎn)出物為生鐵,副產(chǎn)物包括高爐渣、高爐煤氣、除塵灰等。高爐煉鐵工藝的基本原理是在高爐內(nèi)加入焦炭、鐵礦石、白云石等原燃料,同時(shí)在高爐下方各方向涌入經(jīng)充分預(yù)熱的空氣。焦炭、煤粉等燃料及重油、天然氣等中間產(chǎn)物,在高溫環(huán)境下與氧反應(yīng)生成氫氣與一氧化碳,這些生成物在高爐內(nèi)上升的過程中,與鐵的化合物發(fā)生反應(yīng),經(jīng)過還原反應(yīng)得到生鐵。高爐煉鐵的技術(shù)工藝示意圖如圖1所示。

圖片1 

(二)高爐煉鐵的工藝結(jié)構(gòu)

高爐煉鐵的完整工藝結(jié)構(gòu)主要包括上料系統(tǒng)、爐體系統(tǒng)、熱風(fēng)系統(tǒng)、渣處理系統(tǒng)、出鐵場系統(tǒng)、爐頂系統(tǒng)、噴吹系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等組成。其中,上料系統(tǒng)由礦槽、焦槽、篩分設(shè)備、稱量設(shè)備、輸送膠帶機(jī)、斜橋或上料主皮帶結(jié)構(gòu)等組成,其功能主要為根據(jù)生產(chǎn)需求將各種原料輸運(yùn)到高爐內(nèi);爐體系統(tǒng)主要由高爐內(nèi)襯、爐體冷卻單元、爐體檢測設(shè)施、爐體控制設(shè)施、高爐爐殼、支撐框架結(jié)構(gòu)等組成,爐體系統(tǒng)是高爐煉鐵工藝產(chǎn)出鐵水的主要單元;爐頂系統(tǒng)主要用于根據(jù)工藝設(shè)定向高爐內(nèi)完成各種原料的布料,其主要組成部分包括料罐、固定受料漏斗、氣密箱、閥箱、溜槽等;熱風(fēng)系統(tǒng)主要用于加熱風(fēng)至 1200℃,并經(jīng)特殊管道將熱風(fēng)引入高爐,其主要組成部分包括熱風(fēng)爐、空煤氣換熱器、助燃風(fēng)機(jī)、熱風(fēng)輸送管道等;噴吹系統(tǒng)主要將煤粉加工成符合要求的粒徑大小,在充分干燥后,使用氣流將煤粉送入高爐內(nèi),其組成單元主要有煤粉制備設(shè)施、煤粉干燥設(shè)施、煤粉噴吹設(shè)施等;渣處理系統(tǒng)主要用于處理及回收高爐煉鐵產(chǎn)生的殘?jiān)渲饕M成單元包括爐渣粒化設(shè)施、渣脫水設(shè)施、渣運(yùn)輸設(shè)施等。

二、傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝的發(fā)展困境

現(xiàn)代高爐煉鐵工藝的誕生,極大地提高了鋼鐵的冶煉效率、冶煉產(chǎn)量以及成品質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計(jì),2021年我國生鐵總產(chǎn)量高達(dá) 8.68 億噸,占世界生鐵總產(chǎn)量的六成以上。近幾年,我國高爐煉鐵產(chǎn)出的生鐵在全球生鐵總產(chǎn)出中也占有極高的比重。雖然我國的高爐煉鐵總產(chǎn)能一直保持在較高的水平,但是相比其他發(fā)達(dá)國家,在綜合成本、經(jīng)濟(jì)效益、自動化與智能化等方面存在一定差距。近年來,我國政府開始致力于產(chǎn)業(yè)供給的結(jié)構(gòu)化轉(zhuǎn)型,針對高爐煉鐵產(chǎn)業(yè)的工藝與技術(shù)優(yōu)化,需要擺脫以下幾個(gè)方面的發(fā)展困境:其一,傳統(tǒng)的高爐煉鐵工藝過程控制不夠直觀,生鐵在高爐內(nèi)冶煉時(shí)的狀態(tài)既無法直觀的觀測,也沒有專業(yè)檢測系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測,高爐冶煉工藝的操作與成品質(zhì)量控制對操作人員的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)積累依賴程度高,高爐內(nèi)生產(chǎn)環(huán)境波動較大,總體的生產(chǎn)穩(wěn)定性與 可靠性不足;其二,隨著對環(huán)保問題重視程度的提高,各國紛紛加大了對焦炭產(chǎn)量與使用的限制,而作為鋼鐵冶煉的重要原料,焦炭來源的減少直接影響了高爐冶煉的生產(chǎn)成本;其三,高爐冶煉的產(chǎn)出物生鐵是鋼鐵工業(yè)最重要的原料之一,但是,現(xiàn)階段生鐵冶煉消耗的能源與產(chǎn)生的廢氣、廢水等污染因子占據(jù)了鋼鐵冶煉全壽命周期的一半以上,特別是酸性氣體SO2與溫室氣體CO2的排放,更是造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題;其四,當(dāng)前高爐煉鐵的綜合成本偏高,自動化水平較低,產(chǎn)能的持續(xù)提高與企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的實(shí)現(xiàn)具有較大的現(xiàn)實(shí)困難;其五,高爐煉鐵工藝涉及原料熱處理、鐵元素還原、熔化、造渣、脫硫等多個(gè)環(huán)節(jié),整個(gè)工藝流程的控制十分繁瑣。

三、現(xiàn)代高爐煉鐵工藝的優(yōu)化要點(diǎn)

(一)科學(xué)利用熱壓含碳球團(tuán)

近年來,生鐵冶煉產(chǎn)量不斷增加,同時(shí),隨著礦產(chǎn)資源開采時(shí)間的累計(jì),優(yōu)質(zhì)鐵礦石的可用儲量越來越少,因而,高品位鐵礦石原料的單位采購價(jià)格不斷上升,導(dǎo)致高爐煉鐵企業(yè)的生產(chǎn)成本越來越高。熱壓含碳球團(tuán)在還原性、冶金性能、冷態(tài)抗壓強(qiáng)度、高溫還原反應(yīng)強(qiáng)度、滲碳性等方面均具有較好的表現(xiàn),可減少單位生鐵的燃料消耗量,因而成為高爐煉鐵原料的良好替代品。在高爐煉鐵工藝中添加適量的熱壓含碳球團(tuán),可顯著改善高爐熱的利用效率,還可以起到一定的降低焦比的作用。需要注意的是,在高爐煉鐵中添加熱壓含碳球團(tuán),會造成渣鐵溫度下降影響渣鐵流動性的問題,因此,添加熱壓含碳球團(tuán)時(shí)應(yīng)保證渣鐵溫度不能過大。

(二)強(qiáng)化入爐原燃料的選擇

在高爐冶煉工藝中,入爐原料的選擇與品質(zhì)直接關(guān)系著產(chǎn)出物鐵水的品位與產(chǎn)量,還會在相當(dāng)程度上影響冶煉過程的燃料消耗與污染物的排放。因此,強(qiáng)化對入爐原料的原則具有重要的作用。入爐原料的原則與控制應(yīng)以原料的品質(zhì)與焦炭質(zhì)量管理為重,一方面要選擇反應(yīng)性與熱強(qiáng)度好,且水分、揮發(fā)性、硫分、灰分、粒度均勻性等指標(biāo)均較好的焦炭,以降低高爐冶煉過程中爐內(nèi)環(huán)境的波動;另一方面應(yīng)優(yōu)先選擇強(qiáng)度、還原性,特別是要以低溫還原性以及粒度均勻性較好的燒結(jié)礦為冶煉原料。此外,隨著金屬化球團(tuán)礦冶煉技術(shù)的不斷成熟,選擇這一類原料時(shí)應(yīng)注意選擇強(qiáng)度、反應(yīng)性、膨脹性、低溫還原粉化性以及熔滴性較好的原料。

(三)保持較高的頂壓和富氧量

較高的爐頂壓力有助于在減少高爐冶煉燃料消耗的同時(shí),保證冶煉強(qiáng)度維持在較高水平,還有助于提高高爐冶煉環(huán)境。富氧率的提高有助于減少高爐冶煉對風(fēng)量的需求,從而降低原料進(jìn)入高爐后的下降阻力,且提高高爐冶煉過程中的富氧率和爐內(nèi)的 CO濃度,進(jìn)而起到刺激間接還原反應(yīng)效率的作用。此外,提高富氧率還有助于對高爐封風(fēng)口區(qū)域理論燃燒溫度的控制,提高高溫區(qū)熱交換的效率。因此,保持較高頂壓與富氧率可以有效減少燃料消耗。

(四)合理控制入爐風(fēng)溫

長期的高爐冶煉實(shí)踐發(fā)現(xiàn),適當(dāng)提高入爐熱風(fēng)的溫度,能夠起到優(yōu)化冶煉效率與減少冶煉燃料消耗的效果。為了提高入爐熱風(fēng)溫度,一方面應(yīng)選擇蓄熱能力、風(fēng)溫穩(wěn)定能力、燃燒效率較高的熱風(fēng)爐;另一方面要強(qiáng)化熱風(fēng)爐助燃?xì)怏w的預(yù)熱處理,從而保證在不增加原料消耗量的前提下,升高熱風(fēng)溫度。據(jù)統(tǒng)計(jì),在一定范圍內(nèi),高爐冶煉的入爐風(fēng)溫度升高 100℃,可有效降低焦比,還有助于提高鐵水產(chǎn)量。

(五) 強(qiáng)化高爐噴吹廢塑料工藝的過程控制

以高爐噴煤為高爐煉鐵提供燃料和還原劑,可以改善焦比,還可以在一定程度上降低生產(chǎn)成本。以廢塑料為主要組分的顆粒物,在高爐風(fēng)口前端燃燒,可以將風(fēng)口處的燃料溫度調(diào)節(jié)到合適水平,進(jìn)而起到提高高爐富氧率的作用。需要注意的是,廢塑料顆粒相較于煤粉的質(zhì)量更大,因此,使用廢塑料進(jìn)行噴吹時(shí),在回旋區(qū)內(nèi)停留的時(shí)間更長,從而能更好地實(shí)現(xiàn)氣化與燃燒。此外,將煤粉與塑料顆粒按照一定的比例混合后噴吹,煤粉灰附著在塑料顆粒的外部,進(jìn)入高溫區(qū)后由于回旋時(shí)間變長而使煤粉的燃料更充分。

(六)控制冶煉過程中的堿金屬

富集在高爐煉鐵工藝中,堿金屬富集會在高溫環(huán)境下與高爐爐襯進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致高爐磚襯硬度降低,甚至?xí)?dǎo)致磚襯熔融并黏結(jié)粉料。如果冶煉過程的持續(xù)高爐內(nèi)出現(xiàn)爐墻結(jié)瘤問題,可采用科學(xué)的技術(shù)手段控制高爐冶煉過程中的堿金屬富集。高爐冶煉工藝中的堿金屬主要源自爐料,爐料進(jìn)入高溫區(qū)后會生成堿金屬蒸汽,并隨煤氣流運(yùn)動。這些堿金屬蒸汽一部分會在爐襯處發(fā)生沉積,一部分會被焦炭吸收并附著在爐料中,在進(jìn)入高溫度后再度生成堿金屬蒸汽并造成富集。爐料中的堿金屬主要來自焦炭與燒結(jié)礦,為了預(yù)防堿金屬富集,應(yīng)加強(qiáng)對爐料的脫堿工藝控制,提高高爐爐內(nèi)堿負(fù)荷的監(jiān)測與清除,優(yōu)化焦炭的熱性能同時(shí),還可在一定范圍內(nèi)降低爐渣的堿度。

四、未來高爐煉鐵工藝的發(fā)展趨勢

(一)朝著綠色、節(jié)能、低碳的方向發(fā)展

近年來,世界范圍內(nèi)的環(huán)境問題越來越突出,碳排放控制也得到了越來越多人的重視,冶煉工業(yè)作為高碳排放產(chǎn)業(yè),應(yīng)實(shí)行重點(diǎn)優(yōu)化與管理。現(xiàn)階段,日本與歐洲的一些老牌工業(yè)強(qiáng)國已著手研究氫冶金煉鐵工藝,用以降低煉鐵工藝中的碳排放水平。歐盟的ULCOS項(xiàng)目、日本的COURSE50項(xiàng)目以及瑞典的HYBRIT項(xiàng)目等均取得了一定成績,顯著改善了高爐煉鐵工藝的碳排放超標(biāo)問題。我國在高爐煉鐵的碳排放控制方面也在不斷加強(qiáng),隨著“碳達(dá)峰”與“碳中和”目標(biāo)的明確,提出了源頭減碳、過程減碳、末端減碳等高爐煉鐵的碳排放控制策略。

(二)朝著高自動化與智能化的方向發(fā)展

一方面,在數(shù)字孿生的基礎(chǔ)上通過科學(xué)的數(shù)字化設(shè)計(jì)將大數(shù)據(jù)、數(shù)學(xué)模型、過程仿真等進(jìn)行充分整合,實(shí)現(xiàn)高爐煉鐵的可視化管理,同時(shí)應(yīng)用監(jiān)測設(shè)備與智能算法改善高爐操作與冶煉過程,并以互聯(lián)網(wǎng)云為工具,建設(shè)高爐煉鐵云管理平臺,以高效化、協(xié)同化、智能化以及綠色化為目標(biāo),致力于高爐煉鐵的智能化轉(zhuǎn)型。另一方面,合理運(yùn)用工具搭建基于高爐煉鐵全生命周期的工業(yè)管理平臺,強(qiáng)化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)維管理等方面的智能化、數(shù)字化以及一體化。同時(shí),科學(xué)地引入AR與VR技術(shù),實(shí)現(xiàn)高爐生產(chǎn)的動態(tài)監(jiān)測、遠(yuǎn)程人員培訓(xùn)、智能化運(yùn)維診斷分析等功能,實(shí)現(xiàn)高爐煉鐵的精細(xì)化管理。

五、結(jié)束語

綜上所述,高爐煉鐵工藝在現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)中扮演著重要角色,加強(qiáng)高爐煉鐵工藝的過程控制,通過節(jié)能減排與智能化的升級對高爐煉鐵工藝及整個(gè)鋼鐵工業(yè)的發(fā)展都大有裨益。目前,我國已致力于高爐煉鐵工藝的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。未來,隨著更多信息技術(shù)與新材料的開發(fā)與應(yīng)用,高爐冶金將在智能化、綠色化、一體化等方向發(fā)展,生產(chǎn)效率、綜合能耗、綜合競爭力等將得到進(jìn)一步優(yōu)化和提升。

 

 
 
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