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，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。
(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、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、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)生的殘渣，其主要組成單元包括爐渣粒化設(shè)施、渣脫水設(shè)施、渣運輸設(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，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)濟效益的實現(xiàn)具有較大的現(xiàn)實困難；其五，高爐煉鐵工藝涉及原料熱處理、鐵元素還原、熔化、造渣、脫硫等多個環(huán)節(jié)，整個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
(一)科學(xué)利用熱壓含碳球團
近年來，生鐵冶煉產(chǎn)量不斷增加，同時，隨著礦產(chǎn)資源開采時間的累計，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。熱壓含碳球團在還原性、冶金性能、冷態(tài)抗壓強度、高溫還原反應(yīng)強度、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，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，會造成渣鐵溫度下降影響渣鐵流動性的問題，因此，添加熱壓含碳球團時應(yīng)保證渣鐵溫度不能過大。
(二)強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，隨著金屬化球團礦冶煉技術(shù)的不斷成熟，選擇這一類原料時應(yīng)注意選擇強度、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，保證冶煉強度維持在較高水平，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，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，在回旋區(qū)內(nèi)停留的時間更長，從而能更好地實現(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，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)實行重點優(yōu)化與管理。現(xiàn)階段，日本與歐洲的一些老牌工業(yè)強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項目、日本的COURSE50項目以及瑞典的HYBRIT項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，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，實現(xiàn)高爐煉鐵的可視化管理，同時應(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，強化設(shè)計、生產(chǎn)、運維管理等方面的智能化、數(shù)字化以及一體化。同時，科學(xué)地引入AR與VR技術(shù)，實現(xiàn)高爐生產(chǎn)的動態(tài)監(jiān)測、遠(yuǎn)程人員培訓(xùn)、智能化運維診斷分析等功能，實現(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。