低碳炼铁的几个重要技术问题

我们为什么要提低碳炼铁？这是因为高炉炼铁是以焦炭为主要燃料的高温火法冶炼。焦炭作为高炉料柱骨架，保证高炉冶炼顺利进行，其用量决定着高炉炼铁的经济性。炼铁系统是耗碳大户，也是 CO2排放大户，在提倡构建低碳经济的今天，低碳炼铁就显得愈发重要。

在现今世界炼铁原燃料质量逐步劣化的情况下，近年来高炉入炉品位下降，燃料比上升。我国高炉炼铁燃料比平均水平为 530kg/t~550kg/t，高于世界平均水平 40kg/t~50kg/t。要实现低碳炼铁，需要采取有效措施降低燃料比，即坚持精料、提高风温、保持合适的富氧率、维持与冶炼条件相适应的喷煤量以及提高操作水平等。

（1）坚持精料——系统优化

精料是降低燃料比、实现低碳炼铁的基础。精料是基础，已成为炼铁工作者的共识。我国近30 年在精料上取得较大进步，为高炉降低焦比、提高喷煤量、实现低燃料比炼铁作出贡献。但当前国内也出现一些小高炉弃优矿而用劣矿，争购品位低于 50%、Al2O3 含量高达 8%~10%的铁矿石的现象，这种做法笔者认为不科学。

矿石劣化趋势下如何实现精料？笔者认为，首先应尽量使入炉品位保持在 57.5%~58%，不要低于55%。如果入炉品位由 55%降到 51%，那么燃料比上升 35kg/t~40kg/t，吨铁风耗增加150m3/t~200m3/t，吨铁矿耗增加 200kg/t 以上，渣量将达到 450kg/t 以上。入炉品位低是我国吨铁燃料比高于国外的一个主要原因，在过低的入炉品位条件下难以实现低碳炼铁。其次，应努力寻求合适的炉料结构。研究和实践表明，以针状铁酸钙为黏结相的 SFCA 烧结矿是目前所有烧结矿中，还原性最好、强度最高、低温还原粉化率最低的。再其次，应重视焦炭质量。最近一个值得关注的问题是对于捣固焦的评价和使用。笔者认为，应对捣固焦质量评价体系进行系统研究，科学地评价捣固焦。从对国内某钢铁公司所用的 10 余种捣固焦试样进行的研究表明，捣固焦的气孔小而不均匀，抗碱能力比顶装焦差，碱作用后表面大气孔多而且壁薄；在 1200℃与CO2反应后，捣固焦强度比顶装焦差，从风口取样看，其劣化程度也稍大于顶装焦。基于上述研究，在中国现在高炉生产中，炉料带入 K2O、Na2O 普遍高于要求的 2.5kg/t~3.0kg/t，因此造成使用捣固焦使用效果较差。要想改进捣固焦的性能和质量，须在炼焦的配煤中保证有足够的焦煤和肥煤比例，选择合适的非黏结煤捣固压力，使产品的气孔均匀而且厚壁，并在炼焦过程中结焦时间应比顶装焦适当延长等。

（2）提高风温——仍有潜力

提高风温是降低燃料比的重要手段。如今，我国风温水平已提高到 1150℃以上，但是仍有100℃  ~150℃的潜力，即在当前技术条件下最高风温可达 1250℃  ~1300℃。而 100℃风温的差距可降低焦比2.0%~2.5%。风温高低的决定性因素是热风炉的拱顶温度，而拱顶温度又取决于热风炉内煤气燃料的火焰温度。现代高炉生产对热风炉的要求是长寿、高效，即寿命长约 30 年、热效率在 80%（甚至 85%)以上。在这样的要求下，热风炉拱顶温度要维持在 1380±20℃才能满足要求。建议可采用已经成熟的技术，将高炉煤气和助燃空气预热(250℃以上)，在具有性能良好的陶瓷助燃器的燃烧室内烧单一高炉煤气，达到拱顶温度1380±20℃。在操作上则用自动燃烧与换炉缩短送风期到 40 分钟~50 分钟，提高废气温度到炉箅和支柱能够承受的温度 400±50℃，将废气用于双预热，并强化热风炉蓄热室内的热交换。也可采用交叉或半交叉并联送风等技术，将热风温度与拱顶温度差缩小至 80℃ ~ 100℃，从而使热风温度达到 1250℃~1300℃，这将为吨铁提供15%~20%的热量，降低燃料比 2%~2.5%。

（3）喷吹焦炉煤气——有待研究

自从提出低碳炼铁后，有不少人提出向高炉喷吹焦炉煤气和富氧燃料，以利用氢的还原优势来降低铁的直接硬度，达到降低碳素消耗、实现低碳炼铁的目的。笔者认为这个想法值得肯定，但在目前还无法实现，而且把高热值煤气转变成低热值煤气，无法实现焦炉煤气的充分应用。高炉内风口前燃烧的特点是不完全燃烧，即燃烧产物是 CO、H2、N2，而不是在锅炉内燃烧形成 CO2、H2、N2，这样无论是焦炉煤气还是天然气，喷入高炉后燃料放热远不及焦炭和煤粉。有学者和专家提出科学地利用冶金企业炼焦产出的焦炉煤气，作为高炉喷吹燃料。已有部分高炉在此方面作出尝试，但并未取得预想的效果。笔者认为，对高炉喷吹焦炉煤气应科学分析。喷吹天然气的实践表明，H2 在高炉内的利用率只有 40%~45%，这一方面是受还原热力学限制；另一方面是因水煤气置换反应在高炉内达到平衡，H2的利用率受 CO 利用率的制约；此外还因高炉内煤气流分布控制技术的掌控，需要科学对待。当前用焦炉煤气来代替煤粉，或用来置换焦炭，都尚不成熟。喷吹焦炉煤气的工艺还需要进行科学、细致、深入的研究。笔者认为，从节约能源的角度思考，目前焦炉煤气还是用于完全燃烧，让其放出全部热量更经济。

（4）喷吹煤粉——适应冶炼

笔者认为，高炉喷吹煤粉的核心是科学地分析高炉喷煤的冶炼条件，维持与冶炼条件相适应的喷煤量，达到置换比高、燃料比低的目的。高炉冶炼当前实现低碳的目标是燃料比(包括焦丁)低于 500kg/t，其中焦比(含焦丁)≤250kg/t，喷煤比≥250kg/t。世界炼铁界曾短期实现过这个目标，但都没有长期坚持下来。其原因就是达到这个目标的冶炼条件，不能长期维持。喷吹过多的煤粉会使置换比明显下降，总的燃料比上升。个人认为，今后要想进一步提高喷煤量，同时使燃料比不上升，需要坚持精料，特别要重视焦炭质量，科学利用煤资源进行配煤，实现喷吹混合煤等。目前，限制喷煤量的决定性因素是煤粉在风口前的燃烧率，任何加快煤粉燃烧速率的因素都应重视和采取必要的技术措施来实现。例如，将煤粉磨细到-200 目占 80%以上(-200目增加 10%，燃烧率提高 3%)，风温提高到 1200℃~1250℃，富氧 5%以上(富氧 1%，燃料率提高2.5%~2.8%)等。

（5）高炉操作——提高利用

在原燃料一定的条件下，高炉操作的优劣决定着煤气分布和炉子的顺行状况，也决定着煤气化学能和热能的利用以及高炉冶炼指标的优化。从高炉炼铁工艺原理分析，高炉煤气化学能与热能利用差是燃料比高的原因之一。

如何提高煤气利用率，是高炉操作者关注的一个问题。其指导原则是公认的，即在精料基础上通过上下部调剂(有时还采用“中部调剂”)实现良好的二次煤气分布(燃烧带的初始分布、软熔带的二次分布和块状带的二次分布)，达到高炉稳定顺行、煤气充分利用的目的。

煤气初始分布的关键是控制好燃烧带大小，通过风速、鼓风动能、小套伸入炉内长度和倾角等达到合适的燃烧带环圈面积与炉缸面积比：大高炉 0.5，中高炉 0.55，小高炉 0.6~0.65。

煤气二次分布是要保证倒 V 型软熔带和软熔层内有足够而稳定的焦窗，因此要选用大料批，使焦层厚度保持在 500mm~650mm。同时，调负荷时要调矿石批重而保持焦批不变，以维持稳定的焦窗。

煤气三次分布是由装料制度控制的，公认的原则是通过矩阵搭建与冶炼条件相适应的平台：如大高炉焦炭平台宽度 1700mm~1400mm，矿石平台宽度 1700mm 左右，中高炉相应宽度在1000mm 和 1400mm 等。目前，中心不加焦和中心加焦这两种装料制度应用都比较广泛，也都有较好的效果。如宝钢高炉采用平台+浅漏斗中心加焦，燃料比实现 485kg/t~495kg/t、喷煤180kg/t~200kg/t、炉顶煤气ηco=0.5~0.52。德国蒂森的4400m3~5500m3 高炉采用中心加焦，燃料比为 498kg/t、喷煤 150kg/t 左右、ηco=0.49~0.50。钢铁企业采用何种装料制度应根据自身冶炼条件选择适合的方式。

总之，提高操作水平、保持炉况顺利和提高煤气利用率是降低燃料比的重要方向。通过上下部调剂实现良好的三次煤气分布，将煤气的ηco 提高到 0.5~0.52，是炼铁工作者努力的目标。