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上漲、可持續發展戰略持續深入的背景下，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，探討新時期低碳環保理念下國家高爐煉鐵發展的新方向。

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展，大型化、現代化的高爐冶金生產行業取得了長足進步。但相比西方發達國家，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，在節能減排與可持續發展理念下，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化作用。第一，改變傳統觀念。通常情況下，高爐煉鐵工作人員對于高爐狀態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，即焦炭進入燃燒區域熱平衡的理論燃燒溫度以及焦炭進入燃燒區域時的理論燃燒溫度。另外，焦炭進入燃燒區域與鐵水溫度之間存在著內在聯系，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射率的材料鍍膜到蓄熱體表面，從而增加蓄熱體的表面發射率，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范》中做出了明確的要求與規定，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，減小對自然生態環境的損害，提升鋼鐵生產企業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，并在一些發達國家的高爐冶煉行業中得到了廣泛的應用，相比于中國傳統的粒煤技術來說，粒煤噴吹技術具有較為顯著的優勢。如應用過程安全性較高，不易發生爆炸事故；能源損耗率低，具有良好的節能優勢等^［6］ 。

2 結 語

綜上所述，在高爐煉鐵原料價格上漲、可持續發展戰略目標持續推進的背景下，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、節能、低碳高爐煉鐵的新目標。

參考文獻

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［6］張路明，趙俊勝，郁揚，等.國豐第一煉鐵廠高爐低成本冶煉生產實踐 ［C］.//2017 年全國高爐煉鐵學術年會 論文集. 2017：220-225.