李嚴
相較于其他類型的冶煉工藝，高爐煉鐵在可操作性、產量、勞動生產效率以及綜合能耗方面具有較顯著的優勢。因而，高爐煉鐵在鋼鐵冶煉領域中占據重要地位。隨著人們對環保、鋼鐵質量、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化。本文介紹了高爐煉鐵的主要工藝結構，指出了當前高爐煉鐵的生產困境，分析了高爐煉鐵工藝優化的重點，提出未來高爐煉鐵將持續朝著節能減排與智慧智能的方向發展。
一、高爐煉鐵工藝概述
經過長期的發展，現代高爐煉鐵在技術與工藝方面已經十分成熟，勞動生產率、綜合成本等方面也較為可觀。但是，隨著國內外對環保問題的重視程度不斷提高以及我國政府對“碳達峰”與“碳中和”目標的允諾，鋼鐵冶煉產業受到了更多的關注。
(一)高爐煉鐵的基本原理
高爐煉鐵的主要產出物為生鐵，副產物包括高爐渣、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充分預熱的空氣。焦炭、煤粉等燃料及重油、天然氣等中間產物，在高溫環境下與氧反應生成氫氣與一氧化碳，這些生成物在高爐內上升的過程中，與鐵的化合物發生反應，經過還原反應得到生鐵。高爐煉鐵的技術工藝示意圖如圖1所示。
(二)高爐煉鐵的工藝結構
高爐煉鐵的完整工藝結構主要包括上料系統、爐體系統、熱風系統、渣處理系統、出鐵場系統、爐頂系統、噴吹系統、輔助系統等組成。其中，上料系統由礦槽、焦槽、篩分設備、稱量設備、輸送膠帶機、斜橋或上料主皮帶結構等組成，其功能主要為根據生產需求將各種原料輸運到高爐內；爐體系統主要由高爐內襯、爐體冷卻單元、爐體檢測設施、爐體控制設施、高爐爐殼、支撐框架結構等組成，爐體系統是高爐煉鐵工藝產出鐵水的主要單元；爐頂系統主要用于根據工藝設定向高爐內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；熱風系統主要用于加熱風至 1200℃，并經特殊管道將熱風引入高爐，其主要組成部分包括熱風爐、空煤氣換熱器、助燃風機、熱風輸送管道等；噴吹系統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，其組成單元主要有煤粉制備設施、煤粉干燥設施、煤粉噴吹設施等；渣處理系統主要用于處理及回收高爐煉鐵產生的殘渣，其主要組成單元包括爐渣粒化設施、渣脫水設施、渣運輸設施等。
二、傳統高爐煉鐵工藝的發展困境
現代高爐煉鐵工藝的誕生，極大地提高了鋼鐵的冶煉效率、冶煉產量以及成品質量。據統計，2021年我國生鐵總產量高達 8.68 億噸，占世界生鐵總產量的六成以上。近幾年，我國高爐煉鐵產出的生鐵在全球生鐵總產出中也占有極高的比重。雖然我國的高爐煉鐵總產能一直保持在較高的水平，但是相比其他發達國家，在綜合成本、經濟效益、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業供給的結構化轉型，針對高爐煉鐵產業的工藝與技術優化，需要擺脫以下幾個方面的發展困境：其一，傳統的高爐煉鐵工藝過程控制不夠直觀，生鐵在高爐內冶煉時的狀態既無法直觀的觀測，也沒有專業檢測系統進行監測，高爐冶煉工藝的操作與成品質量控制對操作人員的經驗與技術積累依賴程度高，高爐內生產環境波動較大，總體的生產穩定性與 可靠性不足；其二，隨著對環保問題重視程度的提高，各國紛紛加大了對焦炭產量與使用的限制，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成本；其三，高爐冶煉的產出物生鐵是鋼鐵工業最重要的原料之一，但是，現階段生鐵冶煉消耗的能源與產生的廢氣、廢水等污染因子占據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，更是造成了嚴重的環境問題；其四，當前高爐煉鐵的綜合成本偏高，自動化水平較低，產能的持續提高與企業經濟效益的實現具有較大的現實困難；其五，高爐煉鐵工藝涉及原料熱處理、鐵元素還原、熔化、造渣、脫硫等多個環節，整個工藝流程的控制十分繁瑣。
三、現代高爐煉鐵工藝的優化要點
(一)科學利用熱壓含碳球團
近年來，生鐵冶煉產量不斷增加，同時，隨著礦產資源開采時間的累計，優質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，導致高爐煉鐵企業的生產成本越來越高。熱壓含碳球團在還原性、冶金性能、冷態抗壓強度、高溫還原反應強度、滲碳性等方面均具有較好的表現，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直接關系著產出物鐵水的品位與產量，還會在相當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以原料的品質與焦炭質量管理為重，一方面要選擇反應性與熱強度好，且水分、揮發性、硫分、灰分、粒度均勻性等指標均較好的焦炭，以降低高爐冶煉過程中爐內環境的波動；另一方面應優先選擇強度、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礦為冶煉原料。此外，隨著金屬化球團礦冶煉技術的不斷成熟，選擇這一類原料時應注意選擇強度、反應性、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境。富氧率的提高有助于減少高爐冶煉對風量的需求，從而降低原料進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的 CO濃度，進而起到刺激間接還原反應效率的作用。此外，提高富氧率還有助于對高爐封風口區域理論燃燒溫度的控制，提高高溫區熱交換的效率。因此，保持較高頂壓與富氧率可以有效減少燃料消耗。
(四)合理控制入爐風溫
長期的高爐冶煉實踐發現，適當提高入爐熱風的溫度，能夠起到優化冶煉效率與減少冶煉燃料消耗的效果。為了提高入爐熱風溫度，一方面應選擇蓄熱能力、風溫穩定能力、燃燒效率較高的熱風爐；另一方面要強化熱風爐助燃氣體的預熱處理，從而保證在不增加原料消耗量的前提下，升高熱風溫度。據統計，在一定范圍內，高爐冶煉的入爐風溫度升高 100℃，可有效降低焦比，還有助于提高鐵水產量。
(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成本。以廢塑料為主要組分的顆粒物，在高爐風口前端燃燒，可以將風口處的燃料溫度調節到合適水平，進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量更大，因此，使用廢塑料進行噴吹時，在回旋區內停留的時間更長，從而能更好地實現氣化與燃燒。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，進入高溫區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境下與高爐爐襯進行化學反應，導致高爐磚襯硬度降低，甚至會導致磚襯熔融并黏結粉料。如果冶煉過程的持續高爐內出現爐墻結瘤問題，可采用科學的技術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，爐料進入高溫區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生沉積，一部分會被焦炭吸收并附著在爐料中，在進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礦，為了預防堿金屬富集，應加強對爐料的脫堿工藝控制，提高高爐爐內堿負荷的監測與清除，優化焦炭的熱性能同時，還可在一定范圍內降低爐渣的堿度。
四、未來高爐煉鐵工藝的發展趨勢
(一)朝著綠色、節能、低碳的方向發展
近年來，世界范圍內的環境問題越來越突出，碳排放控制也得到了越來越多人的重視，冶煉工業作為高碳排放產業，應實行重點優化與管理。現階段，日本與歐洲的一些老牌工業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“碳達峰”與“碳中和”目標的明確，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展
一方面，在數字孿生的基礎上通過科學的數字化設計將大數據、數學模型、過程仿真等進行充分整合，實現高爐煉鐵的可視化管理，同時應用監測設備與智能算法改善高爐操作與冶煉過程，并以互聯網云為工具，建設高爐煉鐵云管理平臺，以高效化、協同化、智能化以及綠色化為目標，致力于高爐煉鐵的智能化轉型。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管理平臺，強化設計、生產、運維管理等方面的智能化、數字化以及一體化。同時，科學地引入AR與VR技術，實現高爐生產的動態監測、遠程人員培訓、智能化運維診斷分析等功能，實現高爐煉鐵的精細化管理。
五、結束語
綜上所述，高爐煉鐵工藝在現代鋼鐵工業中扮演著重要角色，加強高爐煉鐵工藝的過程控制，通過節能減排與智能化的升級對高爐煉鐵工藝及整個鋼鐵工業的發展都大有裨益。目前，我國已致力于高爐煉鐵工藝的數字化轉型升級。未來，隨著更多信息技術與新材料的開發與應用，高爐冶金將在智能化、綠色化、一體化等方向發展，生產效率、綜合能耗、綜合競爭力等將得到進一步優化和提升。