徐明红
（贵州省化工研究院 贵州 贵阳 550000）
摘要：作为国家的第二大产业，工业在经济发展中占据了重要地位。伴随着现代工业的发展，高炉炼铁技术也要持续改进。高炉炼铁过程比较复杂，除了要严格按照流程进行外，还要加强对创新型技术的运用，以便提高我国的炼铁能力。基于此，本文采用资料查阅、总结等方式，从高炉炼铁设备的组成及原理出发，介绍高炉炼铁系统组成，阐述高炉炼铁技术工艺、实现路径及设备维护。合理运用高炉炼铁技术，可以提高冶铁效率，保障冶铁的整体质量，同时也能降低对周围环境的污染，促进我国钢铁行业的高质量发展。
关键词：高炉冶炼；炼铁技术；工艺；设备维护
0 引言
高炉炼铁技术是钢铁行业的常用技术工艺，具有技术工艺成熟、效率高、污染小等优势。近年来，随着钢铁行业低排放政策的实施，对高炉炼铁工艺提出了严格的要求，高炉炼铁要严格遵循环保、低碳等原则，这就要求炼铁技术人员积极探索新型的炼铁工艺、技术，提高炼铁生产效率，减少能源的消耗及排放量，助力高炉炼铁技术工艺的良性发展。本文结合笔者自身经验，就高炉炼铁技术工艺及设备维护展开简要论述，旨在为高炉炼铁技术工艺的改进提供参考。
1 高炉炼铁设备组成及原理
1.1 高炉炼铁设备组成
在冶铁企业生产钢铁的过程中，需要使用很多大型设备，来保证钢铁加工、生产等工作的顺利进行。高炉炼铁设备由高炉鼓风机、高炉本体、高炉热风炉、除尘器等设备组成，除高炉是炼铁的重要场所外，其他都是辅助系统。一般来讲，辅助系统的成本投入是本体成本的 4 ～ 5 倍。在钢铁冶炼过程中，高炉和辅助系统相互合作、制约，形成一个完整的生产环境，满足钢铁冶炼的温度要求[1]。另外，在炼铁设备运行中，高炉和辅助系统一直处于运行状态，除特殊情况、计划检修导致的暂停情况外，高炉系统通常在设备达到使用寿命后才能停炉。
1.2 高炉炼铁原理
熔剂、铁矿石等燃料经炉顶设备的布料溜槽，按照设定的工艺流程加入高炉内，由高炉下方沿风口引入预热空气。在高温作用下，焦炭和空气中的氧发生化学反应，生成氢气和一氧化碳，在炉内上升期间去除铁矿石中的氧，还原得到铁；而铁矿石内尚未还原的石灰石、杂质等，相互结合形成炉渣。先由铁口排出液态渣铁，再经撇渣器分离渣铁，铁水流入铁水罐，炉渣排至渣处理系统；最后，经炉顶排出煤气，除尘净化处理后作为锅炉、加热炉等高炉的燃料。高炉炼铁生产流程见图 1。
2 高炉炼铁系统组成
高炉炼铁系统主要由上料系统、炉体系统、热风系统、喷吹系统等组成。
2.1 上料系统
上料系统包括矿槽、筛分设施、焦槽、称重设施等，其功能主要是按照工艺需求，将高炉燃料按一定比例稳定地输送至高炉。
2.2 炉顶系统
现如今，我国钢铁行业的高炉炼铁系统主要使用无料钟炉顶。无料钟炉顶包括溜槽、料罐、气密箱等部分，其功能是按设定的流程、布料方式将燃料运输到高炉内部。
2.3 炉体系统
炉体系统包括炉体冷却、高炉内衬、炉体检测、高炉炉壳等设施，炼铁反应主要在此进行，以便生产出铁水。
2.4 出铁场系统
出铁场系统包括主铁钩、风口平台、开口机、出铁场平台等设施，其用途主要是负责出铁作业、运输铁水。
2.5 热风系统
热风系统包括热风输送管网、热风炉、空煤气换热器等，功能是对高炉所需风进行加热，一般为1200℃，然后经热风管网运输至炉内。
2.6 渣处理系统
渣处理系统包括水渣脱水装置、水渣堆场、炉渣粒化装置等，功能是对高炉内的液态渣进行水淬处理，使其成为可重复使用的水淬渣。
2.7 喷吹系统
喷吹系统包括煤粉制备、煤粉喷吹、原煤储运等设施，功能是按规定将煤粉制成粒径大小符合要求的颗粒煤，干燥处理后在气体介质的作用下经高炉风口喷入高炉内部，保证炉内持续高温，从而得到稳定的铁液。
3 高炉炼铁技术工艺及实现路径
3.1 高炉炼铁技术工艺
高炉炼铁技术工艺包括喷煤技术、热压含碳球团技术、高炉喷吹废塑料技术、顶压和含氧量控制技术等，具体介绍如下。
3.1.1 喷煤技术
喷煤技术应用领域广泛，通常在高炉风口处向炉内喷煤粉，为冶炼生产提供热量，确保钢铁冶炼生产的顺利进行。在传统的炼铁生产中，粉煤、焦炭的效果基本相似 [2]。实际工作中，以粉煤为原料，有助于减少焦炭用量，提升冶铁质量。在高炉炼铁中应用喷煤技术，能够减轻对企业和周围环境的污染，提高炼铁技术含量。
3.1.2 热压含碳球团技术
在高品位铁矿资源日益紧缺的背景下，其价格越来越高，企业的生存压力也随之增加。随着近年来低成本炼铁原料的生产和应用，热压含碳球团技术应运而生。热压含碳球团是一种新型的炼铁原料，具有良好的冶金性能、渗碳性，将其用于高炉炼铁生产中，不仅能减少能源的使用，提高高炉的热能利用率，还能增加冶炼产量，实现矿物资源的重复利用和环保目标。热压含碳球团的制作流程：先预热矿粉、煤粉，温度维持在 100℃ ；后预热熔剂、泥浆与粉尘，达到温度要求后将所有物质放在一起搅拌，并将其温度加热至 500 ～ 600℃ ；最后对热压块进行热处理，生成热压含碳球团。
结合大量实践发现，在矿物质燃料中，如果热压含碳球团占比超过 31%，钢铁产量将会提升 6.5%，残渣产出量减少 8.0%，同时也会减少每吨铁的能耗。因此，高炉炼铁生产时要加强对该原料的应用。但是，热压含碳球团也存在一些缺点，即降低渣铁温度，影响渣铁的流动性。鉴于此，在高炉炼铁生产过程中，为了保证渣铁温度适宜，可添加一定数量的热压含碳球团，以提高产量，减少燃料损耗，实现最终的节能降耗目标。
3.1.3 高炉喷吹废塑料技术
在高炉炼铁工艺中，废塑料所制成的颗粒、煤粉在喷吹中的作用相似，可取代部分煤粉使用，这样有助于减少燃料能耗。和煤粉相比，废塑料颗粒质量较大，其和煤粉混合喷吹时，废塑料粒子前进速度缓慢，在回旋区的时间也比较长，因此将煤粉、废塑料颗粒混合喷吹有助于燃料在风口前充分燃烧。
另外，当两者混合喷吹时，因煤粉质量轻、粒径小，往往会依附于塑料颗粒外侧，在回旋区燃烧时，粒径小的煤粉会先燃烧，并对塑料进行加热处理，极大地加快了塑料的燃烧速度 [3]。同时，因煤粉多存在于塑料内部，故其在高温区域停留的时间会比较长，能够促使煤粉充分、快速地燃烧，提高煤粉燃烧效率。在具体应用中，废塑料、煤粉的制粒分开进行，而且喷吹系统也相互独立，废塑料颗粒、煤粉在高炉风口混合，这样既能保证混合方案的有效性，又能提高煤粉的燃烧效率。
3.1.4 顶压和含氧量控制技术
对于钢铁冶炼行业而言，高炉炉顶压力是影响冶炼质量的重要因素。多数情况下，在炉顶可承受的压力值内，适当增加炉顶压力，可提高钢铁产量。随着炉顶压力的不断增大，炉膛内部煤气流速降低，压头损失也随之降低，给增加风量创造了条件，并且炉尘吹出物粒度减小，数量减少。同时，随着煤气在炉膛停留时间的延长，矿物质和煤气之间的反应时间也随之延长，在氧化还原反应下分离出铁元素，增加铁液产出量。
考虑到高温环境会升高炉顶气压，为了保证钢铁品质，需要严格调节高炉顶压。一般来讲，在炼铁生产过程中，将顶压控制在最小的范围，可推动钢铁冶炼生产的顺利进行。此过程中，矿石、煤气发生化学反应，随着高炉使用时间的延长，铁矿石储量也随之增加。这种情况下，单纯对炉内气压进行控制远远不够，若缺乏足够的氧气，不仅会影响燃烧速度和效率，还会对周围环境产生影响。对此，在矿物质的燃烧过程中，要保证炉内氧气量充足，这样有助于提高生产效率，减少污染气体的排放量。
数据调查显示 [4]，氧气燃料比提高 1%，钢铁产量升高 5%。由此可见，确保炉内氧气量充足，对钢铁冶炼而言非常重要。但前提是燃料、氧气配比适宜，配比过低、过高都会影响铁液产量。
3.1.5 其他技术
（1）干法除尘技术。干法除尘技术是冶炼行业常用技术之一，其具有良好的脱硫效果，将其用于高炉炼铁生产中，可提高烟气利用率，增强环保效果。
（2）风温控制技术。高炉炼铁过程中，风温控制技术是控制高炉风温度的主要技术。现阶段，高炉风温多为 1000℃，仅部分企业的高炉风温为 1200℃，相较于发达国家，我国的高炉风温仍存在较大的差距。因此，钢铁企业要积极研究风温提升的举措与技术，可从热风炉的选择入手。热风炉是一种燃烧功率大、能源消耗多的热交换装置，虽然其能吹出1200℃以上的热风，但热风在炉内的分布并不均匀，其利用率也不是很高。和热风炉相比，顶燃式热风炉可吹出 1300℃左右的热风，并且热风能在炉内均匀分布。鉴于此，在高温炼铁技术的应用过程中，优先选用顶燃式热风炉。
3.2 高炉炼铁的实现路径
3.2.1 去硫工艺
在高炉设备内部，硫的存在会使得钢材质量降低。一般来讲，硫主要存在于焦炭、矿石等熔体中，想要有效改善钢材质量，就要去除高炉设备内的硫。在高炉炼铁操作中，可将石灰石放入熔炼炉内，在高温环境下和硫酸发生化学反应，形成不含铁的硫酸钙，从而达到去硫的效果 [5]。
3.2.2 焦炭燃烧
在高炉炼铁中，熔化前的熔化温度介于 1800 ～1900℃，这是一个临界值。在钢材熔化过程中，高炉炉膛内的温度也随之降低。在钢材进入高炉炉膛后，炉膛内的温度持续升高，并在炉膛内部产生二氧化碳，散发热量。同时，随着二氧化碳浓度的升高，其与焦炭、水蒸气发生反应，生成氢气和一氧化碳，这是焦炭燃烧过程最重要的还原物质。
3.2.3 提高原材料利用率
原材料利用率和炼铁成本有着密切的关系，故在炼铁过程中，要提高对原材料的利用率，减少原材料不必要的浪费。在我国传统的炼铁工艺中，普遍存在原材料严重浪费的现象，这不仅会浪费原材料，增加生产成本，还会严重污染环境。这种形势下，可在高炉炼铁中充分燃烧原材料，并通过对高炉结构的合理设计，提高原材料的利用率。主要措施为：高炉炼铁期间，适当提高炉内压力，为其提供足够的氧气，促使炉内原材料充分燃烧，减少碎渣量，从而提高炼铁效率，保障钢材生产品质 [6]。
3.2.4 减少生产残渣
在高炉炼铁生产中，如果残渣量过多，说明产品产出量低，这也使得企业生产效率降低。因此，需要合理运用高炉炼铁技术工艺，有效改善这种情况。在实际的炼铁工艺中，通过对热压含碳球团的燃烧，促使炉内原材料充分燃烧，以减少残渣形成量。同时，结合高炉炼铁的优势，可通过对残渣的处理，实现可循环利用，从而减少生产成本，降低因残渣量过多给环境带来的不良影响。现如今，我国钢铁行业不断提高对高炉炼铁工艺的要求，这需要钢铁企业基于自身情况、生产特征，积极改善和优化炼铁技术工艺，进而提高高炉炼铁技术工艺的应用成效，促进钢铁企业的高质量发展。
3.2.5 处理炉身结瘤问题
高炉结瘤后，往往会出现阶段性的崩料问题，导致钢铁产量降低；而且，也会造成高炉内部温度分布不均匀的情况。分析工作情况得知，高炉结瘤的原因为：矿物质富含大量锌元素，在高炉炼铁生产中，由于锌元素的沉积，造成炉内低温区结瘤；受各方面影响，炉内软熔带发生变化，最终导致炉内结瘤；在高炉停炉喷补期间，高炉形状也会发生变化，进而出现结瘤的现象。
为了有效处理高炉炉身结瘤的问题，需做好以下工作：
（1）提高高炉温度，适当调整原材料分布机制，以提高钢铁产量。通过该措施的实施，可提高炉内活跃度，确保炉内气流稳定，从而改善炉内情况。
（2）降低原材料高度，充分暴露整个瘤体，便于精准定位瘤体位置 [7]。随后，对瘤体进行开孔处理，将炸药放在瘤体内部。该过程中，要采用由上到下的顺序炸瘤，炸药和炉身保持 150mm 左右的距离。此外，在炸瘤过程中，还要避免凉炉情况的出现。
4 高炉炼铁设备维护策略
4.1 优化基础送风机制
第一，有效整合设备的基础富氧状态数据，对相应数据展开对比分析，保证设备的整体运行状态符合相关标准。高炉炼铁设备运行过程中，通常会受到富氧数值的影响，这就需要相关人员做好富氧数值的控制工作，确保设备的整个运行过程合理、科学。加强对设备活跃度数值的审核，适当提升基础燃烧温度，保证设备高质量、高效率运行。第二，做好基本风口的处理工作，在选择基本风口面积时，需结合相关数据全面考虑设备的运行结构，以便保证设备风速符合要求，使鼓风动能保持稳定。一般来讲，基本风速为 150 ～ 250m/s，鼓风机动能为 70 ～100kJ/s。
4.2 记录设备作业与故障
对于每一台高炉炼铁设备的运行情况，必须做好全面、客观的记录工作，发现故障后分析故障原因，拟定处理方案。同时，加强设备运行状态的检修管理，具体来讲，基于设备的运行情况给予必要检修与维护。相较于计划检修，状态维修要制定科学的检修方案，明确工作量和范围，便于第一时间发现潜在隐患。在检修维护过程中，详细记录每台设备的工作情况、故障情况，加强和操作人员的交流，充分掌握每台设备的运行状态，便于及时处理潜在的故障隐患 [8]。
4.3 用计算机技术监测设备运行情况
相关人员要运用计算机完成设备操作、检修和维护工作，以便提高工作效率。比如，借助计算机技术建立远程维修系统，只要用户登录该系统，就能远程实时监测生产；并在设备出现故障后，系统能够及时发出预警，将故障位置、处理方案反馈给相关人员，从而提高设备故障的处理效率，减少故障给设备运行、产品生产带来的不良影响。
5 结语
综上所述，高炉炼铁设备作为钢铁冶炼企业的重要设备，要想保证冶铁工作的顺利开展，提高生产效率与质量，就要做好炼铁技术工艺优化与设备维护工作。本文对当前的高炉炼铁技术工艺进行了分析，包括热压含碳球团技术、干法除尘技术、顶压和含氧量控制技术等，有助于提高高炉冶炼强度，减少燃料消耗，减少高炉生产对环境的影响。同时，从焦炭燃烧、减少生产残渣等方面介绍了高炉炼铁的实现路径，阐述了高炉炼铁设备的维护策略，在确保高炉炼铁设备高质量运行的前提下，进一步改进炼铁工艺，促进钢铁冶炼企业的可持续发展。
参考文献：
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