摘要炼铁工艺已经形成高炉系统和非高炉系统两大系列。高炉系统的技术发展方向是：①扩大资源的利用范围与水平；②进一步改进工艺，节能降耗；③余能余热的回收利用与环保。非高炉系统重点谈谈粉矿熔融还原走向商业化需要改进的方向与方法设想。

关键词高炉资源工艺节能环保熔融还原

炼铁技术经过数百年的研究开发，现已形成高炉炼铁系统和非高炉(熔融还原、直接还原)系统两烁列。以下对它们的技术发展方向谈点初浅的认识埔批评指正。

l高炉炼铁系统

  高炉炼铁系统经过不断地研究改进，成绩斐然。现今，为了进一步提高效益，技术发展方向有以下三个方面：

1．1扩大资源经济合理利用的范围与水平

  在铁矿石中，褐铁矿的经济合理利用已取得很大进展，又出现了经济合理利用菱铁矿的开发研究。含铁尘泥中对瓦斯泥和高炉干法除尘灰的利用也出现新的苗头，只要有害杂质不超标，如锌负荷利用后的综合负荷在200 g／t以下，完全可以直接回收利用；在高风温、富氧条件下，还可与煤粉混合向高炉喷吹。在煤炭中，有很多新技术既保证焦炭质量又扩大了炼焦配煤中弱粘结性煤种和非炼焦煤种的比例，回收废焦油等，做型煤粘结剂，合理利用也有新的进展。近几年，我国在资源利用方面有很大进展，但与世界先进水平相比，总体上还有差距。炼铁系统使用的资源是不可再生的，必须合理利用与回收再利用，所以对资源利用的研究，将是一个长期需要研究开发的课题。

1．2改进工艺技术，进一步节能降耗

  其一是降低炼铁的燃料比。现在高炉降低燃料比还有多大潜力?目前一般高炉的直接还原率为35％一40％，，比最低燃料比相适应的直接还原率高3％一10％左右，但最低燃料比的合适直接还原率不是定值，它随单位生铁的全部热量消耗与供热方式变化而变化。一般每公斤生铁全部热量消耗每减少836 kJ／kg，最低燃料比合适的直接还原率平均应高6％左右，每提高100℃风温应高1．5％左右。本钢1958年12月～1959年3月，分析结果是每公斤生铁全部热消耗为12 540 kJ时，合适的直接还原率25％左右；而热量消耗降为10450kJ／kg时，合适直接还原率可升高到近35％。首钢1953年燃料比为1029 kg／t，到2005年6～7月降到499．5 kg／t，就是改进原料与操作，降低热量消耗与风温由597℃提高到1 069℃的结果。挖掘现有潜力，也是降低直接还原率与减少单位生铁全部热量消耗、改进供热方式同时并举，在某种意义上说，后者仍是主要方面。

    其二是增加喷煤比例，降低成本。因资源扩展与价格差别，喷煤可降低成本。人们对喷煤量的极限有很多提法：①风口前理论燃烧温度界限；②空气过剩系数界限；③风口前未燃碳量界限。笔者认为这些提法在一定时间内有过指导作用，但随着技术的进步，只能作参考，不能再用这些数据限制喷煤量。随着喷煤量不断增加，只要保持铁水温度正常，T_理可以降低，空气过剩系数也可以降低；风口前未燃碳影响因素很多，无法真实从炉缸循环区测定。风口前理论燃烧温度一个高炉一个值，不同条件不同值，用别人的经验公式值限制自己的喷煤量是不可取的。真正喷煤量的界限是炉内煤粉的气化率与利用率。

    煤粉是不可能在风口前循环区完全气化的，必然在高温区参加直接还原与渗碳。煤粉和未燃碳跑出炉外，不仅是损失、降低置换比，而且煤粉和未燃碳跑出量多，还会影响高炉顺行。其界限值，应是煤粉在炉内的气化率和利用率在98％以上，从瓦斯灰等炉内排出物中检测出煤粉比例不要超过2％。提高置换比除了提高煤粉气化率和利用率外，就是选择好喷吹煤种，影响置换比最重要的两个要素：一是灰分高低；二是煤粉挥发分中的氧化度，氧化度越高，置换比越低。所以选择喷吹煤种时除常规的指标性能要求外，还要注意挥发分的氧化度。挖潜的具体方法：

    (1)坚持精料。精料是降低单位生铁全部热量消耗，充分利用炉内煤气热能与化学能的基础。对精料的要求一是质量要好，二是成本要低，焦炭的质量非常重要。现在提高焦炭质量与扩大配煤比例，降低成本的实用技术也较多，如完善岩相配煤，防止结焦性好的煤过分粉碎和弱粘结性硬煤不粉碎的分煤种破碎技术；利用废焦油渣来做粘结剂增加型煤比例，以及镀碳镀膜技术等。在此介绍宝钢17年完善岩相配煤的经验，他们取得了改善质量又增加中长焰煤配比6％，贫瘦煤配比11％，煤种由8个增加到20多个的成果。还特别强调降低焦炭灰分的作用，当焦炭灰分由12％降到11．3％后，不仅固定碳增加，还使反应性<26％，反应后强度>66％，见表l。由于宝钢焦炭质量好，已连续4年多时间喷煤在200kg/t以上。

  烧结技术总的方向是发展低碳厚料层低温烧结和低硅烧结。低碳低温，必须厚料，原料必须经混合制粒好，有良好的透气性和不大量漏风。低硅烧结是提高入炉品位带来的要求，包括各种添加剂在内有很多实用技术。特别要提出的是“烧结机全封闭，多级磁力密封技术”，这可以说是一大创新，已在唐山地区、酒钢、宣钢等厂应用，都收到了节电、节风，大幅度降低漏风率的效果。可能还有一些不十分满意的地方，但这个方向是对的，应大力推广并再向200 m²以上烧结机大型化发展，并不断完善。

    (2)改进工艺操作。炼焦、烧结等都有改进自己操作和管理的地方，下面仅谈高炉操作技术，好的标准是稳定顺行，充分利用煤气的热能与化学能，实现高产、优质、低耗、长寿。各厂的技术操作规程中，都有高炉稳定顺行的十多条标志性规定，笔者认为把它归纳起来就是三个方面、六个指标，即：

    ①煤气流方面：炉顶煤气温度的波幅与圆周个方向差值曲线；顶半径测温曲线(含炉顶摄像)炉喉半径CO₂曲线。

②炉料下降方面：风压与风量关系，压差、透气性指数曲线；料尺工作曲线。

③常温炉料变高温渣铁方面：炉缸的渣铁温度；炉墙温度与热流强度。

    这三方面六个指标中，每个方面有一个指标是基本稳定不变的，另一个指标可在新的条件下建立新的平衡，数据有所变化。如煤气流方面，炉顶煤气温度曲线不论什么条件都基本不变，而炉顶半径煤气测温曲线(炉顶摄像)或炉喉半径煤气CO₂曲线的边缘与中心的数值及差值可以根据不同条件变化，但不能因此影响炉顶煤气温度曲线出现较大变化；炉料下降方面，料尺工作，不论何时好的标准都是不变的，而压量关系，压差、透气性指数，在不破坏料尺工作的条件下，可以有新的数据稳定平衡；常温炉料变成高温渣铁方面，一座高炉的炉缸合适的铁水温度是稳定不变的，而炉墙温度(热流强度)是保持炉型完整的指标，只要不影响煤气流的合理分布可以建立新的平衡数据。三不变三可变，可变指标的变化不能影响三不变指标；三可变指标之间也有相关性，如新的炉顶半径煤气温度曲线(炉顶摄像)炉喉或CO₂，曲线，可以找到新的压量关系，压差与透气性指数及炉墙温度和热流强度。但要注意，找到的新的平衡，防止短期稳定，出现反复。

    上述三个方面中的炉料下降与常温炉料变高温渣铁两个方面，是保证高炉煤气流合理分布的条件与结果，核心是合理煤气流。高炉操作就是搞好各种操作制度，在高强化冶炼条件下实现煤气流的合理分布。与煤气流相配合的是高炉横截面与纵向空隙度(S)的合理分布，它由物种、物种之间搭配和炉料下降运动综合决定的。每个物种，根据它的粒度组成、强度等指标，如矿石、焦炭有自己的空隙度；物种之间的配比，根据批重大小，半径方面各点各物料的搭配比例，在一定高度半径方向各点就有新的空隙度；炉料下降，半径方向各点又会出现新的空隙度，由此决定煤气流是否合理。高炉半径方向各点空隙度完全相等是不可能的，也不是合理煤气分布所需要的。煤气流上升过程中，空隙度大的地方煤气走得多、快，空隙度很小的地方，煤气走的很少甚至不被利用。我们要使煤气流合理分布，就希望按我们的要求，半径方向各点空隙度值按大小相对均匀化，空隙度点利用面积最大化，消减不被利用的死点。为此：

①选择好送风制度，使煤气流原始分布合理。应正确认识风速、动能的作用。提高风速动能在一定范围内有延伸回旋区的作用，但回旋区深度是由高炉大小决定的，合理的深度与炉缸半径有一定比例。随炉内煤气扩散条件改善，提高风速动能可以改善煤气向中心和四周的扩散，中心虽不参加回旋运动，但由于扩散条件改善走向中心的煤气增多，中心温度提高，促进渗碳与还原，可改善炉料运动。所以只要不出现动能过大表现，应该维持较高的风速动能。   

  ②选择好装料制度。根据矿石、焦炭的粒度组成与冷热强度等质量指标及在炉喉的实际落点，选择合理的料批大小，调整半径方向各点的物种配比，达到合理的孔隙度初始分布，并与下部送风制度相配合。经常争论较多的料批大小与装料物种角度圈数，从孔隙度观点来看，粉末多的，冷热强度差的，由于自身孔隙度小，料批就要小一点，各点厚度不能太厚；半径方向孔隙度各点差别可以稍大一些。利用焦炭孔隙度大的优势，保持形状基本合理的分布。反之，炉料质量越好，料批可大，半径各点孔隙度相对均匀，使煤气分布更合理。

  ③造渣制度。主要看渣量大小与初渣终渣成分，渣量小时，成渣区的渣焦比改善，孔隙度增大。初渣FeO较高，一般性能变化不大，终渣成分当Al₂O₃较高时，可以用较高的炉缸热度来适应。

  ④热制度。关键是稳定炉缸铁水温度，也就是稳定原始煤气量等。检验煤气流是否合理的标准就是炉顶煤气温度与炉顶煤气测温曲线，它反映煤气在炉内分布的结果。炉顶煤气温度水平、每次加料前后波幅，四个方向差值正常，就是稳定的煤气流。炉顶半径方向煤气测温曲线表示半径煤气分布与利用情况，它与炉喉半径CO₂曲线有相似之处，但又有本质不同。炉顶煤气测温曲线(炉顶摄像)是反映煤气上升传热结果，是连续不断的数值反映；而炉喉半径CO₂曲线是煤气上升传质结果，是间断的，由利用率百分比推断煤气量。相比之下，炉顶煤气测温传热曲线反映煤气量的分布，更准确一些。一般要求传热曲线中心温度比边缘温度高200℃以上，中心孔隙度较大，煤气流速快，这种分布对提高炉料下降重力促进边缘均匀分布，加重边缘，改善煤气的利用，提高喷煤的气化率与利用率，提高置换比都有好处。

    关于传热曲线与传质曲线的关系，可以说传热曲线合理是保证高炉顺行的基础。在传热曲线合理的基础上改善传质，但改善传质曲线不能破坏传热曲线的基本形状。

1．3余热余能回收利用与环保方面

    这两方面进展也很快，尚待开展的有炉渣显热的长期合理利用与减排CO2等等，如何做到经济合理，还有很多需要研究的课题。

2熔融还原

    非高炉炼铁系统有直接还原与熔融还原。下面只谈对熔融还原的认识。20世纪下半叶以来，随着资源与环保形势的要求，世界各国都在强化熔融还原的研究。现在研究较多的有10多种方法，真正投入生产的只有(Corex，并且是用块矿冶炼；粉矿冶炼有一定试验成果的有Hismelt、Romelt和Dios等方法。虽然取得很多成果，如Hismelt的二次燃烧，涌泉传热、氧化脱P等等，但也有一些不足。

2．1  资源损失较大，渣中FeO高，还影响炉渣的再利用

    这三种方法中Hismelt渣中FeO+Fe₂O₃在5％左右，Romelt FeO在2．0％～2．5％，Dios的FeO在2％～5％，都比高炉渣和Corex渣FeO高4．5％～1．5％。不仅浪费资源，还影响炉渣的加工利用合理循环经济的需要。

2．2能耗较高

    Hismelt的能耗在700 kg／t左右，Romelt、Dios的能耗都在1 000 kg／t左右，排放的高温煤气都比高炉、Corex多，损失热量，尤其是Hismelt，用N₂气做载体喷吹矿粉和煤粉，排出量最大见表2。

2．3炉体寿命较短

    据资料介绍，一般是半年到一年半，维修费用较大。

    我国铁矿石一般是贫矿与共生矿较多，常是粉碎精选后再冶炼，应以开发粉矿熔融还原为主，它可直接回收利用各种含铁尘泥冶炼。但要使粉矿熔融还原，真正走向商业化生产，必须解决资源浪费，尽可能的减少综合能源消耗，同时也要解决寿命与维修费基本合理，并且要具备较大生产规模和较大劳动生产率。

    对解决上述粉矿与熔融还原存在的不足，提出以下方法：

    (1)建立精还原条件。高炉渣和Corex炉渣FeO低是两者在风口下有块状的过剩的还原剂固定床，还原炉渣中的FeO。而现在上述三种方法，在一个熔融还原炉内，又要求氧化传热，又没有过剩还原剂的固定床，很难做到精还原。以Hismelt为例，若将前置炉内装入煤块，用熔融炉内排放的高温气体，加热还原剂到1 500℃左右，排出的渣铁直接排入前置炉，使前置炉变成精炼炉，就可大幅度降低FeO。由于FeO降低，炉渣脱S效率大幅度提高，改善生铁质量，炉渣不再从渣口外排，不仅解决了炉渣FeO高的问题，还解决渣中带铁5％以上的安全与铁的回收问题，从前置炉排出可以很好地解决渣、铁分离，渣可以直接冲水渣利用。我们做过一个小试验证实有这种可能性，见表3、表4。

铁中含碳近饱和状态，对Hismelt铁水无Si，C  较低，用于炼钢也有好处；精炼吸热，计算还原FeO 吸热，不考虑增加Fe₃C放热等反应，1 500℃渣铁，仅降低17℃左右，可以不连续加热。

(2)改进传热方式，减少热损失。不用N₂气做喷吹载体，甚至可用高温空气，喷吹矿粉、煤粉，快速加热到1600℃左右还原。减少碳素发热消耗和二次燃烧率，减少高温气体排放量。含FeO较高的炉渣可在精炼炉还原回收生铁。

（3）提高寿命。这要从两方面入手：1解决渣铁液面移动的连续喷吹冶炼，从而取消虹吸出铁道和渣口，改由铁口定期排放渣铁，进入前置精炼炉。关键是要监测到炉内渣铁液面位置。从资料中了解到，德国蒂森。施韦尔根2号高炉用炉缸渣铁液位电动势测量法可以测到渣铁液面；另据首钢刘文运高工介绍，我国云南引进Ausmelt的有色冶炼，通过喷枪反应的压力的变化，可以知道液位变化，这些都为研究者提供了线索。正常喷吹冶炼的关键是喷枪头与铁水面保持一定距离，出铁时铁水面逐渐下降，可用调整喷枪插入深度或改变喷吹风压力，保持正常冶炼。出完铁堵口后，随冶炼进行，铁水面不断上升，相应上提喷枪或减少喷吹风压力，如此往复进行自动调节，达到正常冶炼的目的。2炉衬寿命，从高炉寿命与炼钢炉龄的经验告诉人们，光靠提高耐火材料质量是费工费钱收效很小的方法，必须走材质与自身渣皮维护相结合，以自身维护为主的道路。

粉矿熔融还原现在的一些不足，是会随着时间推移，技术的进步，被世人解决，但上面所建议的熔融还原炉+精炼炉，渣铁液面移动的跟踪保持正常冶炼，及提高炉龄寿命的设想，在其他方法中尚未看到。当前国家大力提倡自主创新，我们应该早动手进行，虽然可能有很多困难，但只要很好组织起来，就有实现自主创新的可能。