高炉炼铁工艺的优化与发展趋势研究论文

 

　　关键词：钢铁,高炉炼铁工艺,优化,发展趋势

 

　　炼铁过程实质上是将铁从其自然形态——矿石等含铁化合物中还原出来的过程。炼铁方法主要有高炉法、直接还原法、熔融还原法等，其原理是矿石在特定的气氛中（还原物质CO、H2、C；适宜温度等）通过物化反应获取还原后的生铁。生铁除了少部分用于铸造外，绝大部分是作为炼钢原料。高炉炼铁是现代炼铁的主要方法，也是钢铁生产中的重要环节。这种方法是由古代竖炉炼铁改进而成的。尽管世界各国研究发展了很多新的炼铁法，但由于高炉炼铁技术经济指标良好，工艺简单，生产量大,劳动生产率高,能耗低，这种方法生产的铁仍占世界铁总产量的95％以上。高炉炼铁工艺并不复杂，拥有很高的生产效率优势和产量优势，所以在现代钢铁生产领域中已经实现了推广发展和应用。对于高炉炼铁工艺流程来说，其主要生产流程为，把焦炭、烧结矿等原料进行粉碎处理后，运用皮带运输机等运输工具将其直接运输到高炉料仓中，然后经过筛分和计量后再将其传输到加热炉中。接着在高炉的下风口进行热风传输，最后放入高炉中进行多种原料进行反应，在燃烧过程中会产生大量一氧化碳和氢气，直到高炉中的温度达到一定程度后，高炉中的气体和矿石充分发生还原反应过，铁矿石中的铁更好的进行还原和提炼。后续经过必要的熔化和渗碳流程，从而形成工业领域所需的铁水。在高炉炼铁过程中产生的煤气在重力除尘器作用下，净化后的煤气经由管道供给烧结或轧钢使用。达到环保和重复利用的目的。

 

 

　　我国高炉炼铁工艺中的环境污染问题主要表现在能源消耗大、污染物排放多等方面。高炉炼铁技术在提供大量生铁的同时，也带来了显著的环境影响。主要包括以下方面：①能源消耗大。高炉炼铁是一个能源密集型的过程，需要消耗大量的能源，包括焦炭、电力等。这种高能耗的特性导致了对自然资源的大量需求和消耗。②污染物排放多。在高炉炼铁的过程中，会产生大量的废气、废水和固体废物。这些排放物中含有硫、氮化合物、粉尘、重金属等污染物，对大气、水体和土壤造成污染。③资源紧张。随着炼铁工艺的不断应用，铁矿石等资源的需求日益增加，导致资源紧张，这不仅影响生产的质量和效益，也对环境造成了不良影响。④二氧化碳排放。高炉炼铁过程中会释放大量的二氧化碳，这是全球气候变化的一个重要因素。尽管废钢炼铁技术可以在一定程度上减少CO2排放，但整体上高炉炼铁仍然是CO2排放的重要来源。

 

 

　　高炉炼铁工艺中的燃烧质量问题可能会影响整个冶炼过程的效率和成本以及最终产品的质量。相关影响因素包括：①燃烧不充分。如果燃料在高炉中燃烧不充分，会导致能量利用效率降低，增加焦炭消耗，同时也会影响还原气氛，从而影响铁的还原效率和质量。②燃料配比不当。高炉炼铁需要精确的燃料配比，包括焦炭、铁矿石和助熔剂等。配比不当可能会导致炉温不稳定，影响铁水的质量和产量。③原料质量问题，原料中的含水量、杂质含量等都会影响燃烧质量。特别是雨雪天气下对原料影响更大。原料含水量过高会吸收热量，降低炉温，而杂质含量过高则可能导致炉内反应异常，影响铁的还原。④风量控制不当。风量是控制高炉内燃烧和还原过程的关键因素。风量过大或过小都会影响燃烧效果，进而影响炼铁的效率和质量。

 

 

　　高炉炼铁工艺中，矿块的粉碎问题是一个技术挑战。大量块状铁矿石进入高炉时由于受到物料和气流的冲击以及铁矿石在还原过程中发生晶形变化，从而导致块矿破裂甚至粉碎。大量粉碎的块矿直接影响高炉内部气流分布和炉料的顺行，从而影响高炉冶炼的产量和质量。如果矿块中含有过多的细粉，这可能会导致高炉内部的透气性变差，影响气流的均匀性和炉料的下降速度，进而影响炼铁的效率。其次，矿块含粉率过高可能导致其还原性不佳，继而导致铁的产出率降低，增加能源消耗和生产成本。

 

 

　　燃料是高炉生产的重要原料，既要满足高炉稳定生产又要满足企业低成本高效益的需要。现代高品质的燃料不仅要求是全熟料、高品位、粒度均匀干净，而且要通过一定的手段使高炉的炉料更适合现代工业生产的要求，达到环保的目的。经过长时间艰苦的探求，反复试验优化和改善炉料结构，大幅提高烧结矿碱度，矿物组成发生了明显的变化，铁酸钙含量显著增加，由于铁酸钙还原性能好，强度高，大量的铁酸钙存在，可以防止β-2CaO·SiO2在冷却时产生粉化现象，随着碱度的提高，总黏结相升高，软化开始温度和软化终了温度降低，还原度增加，炉内所承受的压差逐渐提高，从而管道形成、风压冒尖等炉况现象得以减少和杜绝，保证了高炉适应其他外界变化，对入炉块状矿石全部实行预筛选分拣，确保进入炉里的矿石含粉率小于4%；对于进料进行二次筛分，在进入高炉料仓之前再进行一次预处理；继续加强槽下筛分管理，通过采用双层棒条自清理机烧筛代替原有的梳齿筛等设备改造，以及采用控制料流、及时清理筛面等措施降低入炉粉末，目前高炉入炉粉末基本控制在3%~4%左右。调整炉料结构，实现经济效益最大化,用价格较低的原料代替高价球团矿直至全部取消球团的炉料结构，大幅度提高块矿比例直至30%。

 

　　从操作工艺方面，逐步摸索中小矿批分装在高炉上的应用,有利于矿石均匀分布，对于稳定上部气流和改善软熔带透气性效果显著。并且分装还可以减少炉料分布中的界面效应，促进炉况的稳定顺行和焦比的降低。生矿配比已达到25%，而入炉综合焦比却下降到了490kg/t以下，中小矿批分装在节能降耗中起到了重要作用。通过对高炉热流检查和分析确保合适的冷却强度，使高炉炉墙上形成一层稳定的保护性渣皮，延长高炉稳定运行寿命,进一步节能降耗；空气热流本身也反映了该部位煤气气流的发展状况和炉墙黏结情况，从其变化中反映出炉况的发展趋势，这样就可以提前采取措施避免炉况的进一步恶化，对高炉操作起到预警作用。逐步推广使用了无水炮泥，彻底消除了潮铁口、浅铁口及抗侵蚀差的情况；利用高炉大修将炉前主沟由以前的捣打主沟改造成为储铁式浇注主沟，通过这一改造，不但降低成本50％之多，而且降低了炉前工的劳动强度，减少了炉前事故；同时铁水罐中的含渣量明显降低，也为炼钢生产创造了有利条件。

 

　　在优化技术的同时对设备进行了进一步改造。炉型设计上降低高炉高径比，扩大炉缸容积，满足富氧大喷吹要求；高炉本体选材上满足高强度冶炼。炉缸引进陶瓷杯砌体，风口以上全部采用高铝砖，冷却壁增高到炉身中部；设备选型上适合高强度冶炼。增加料斗容积，逐步采用无钟炉顶布料系统，计算机自动控制，传动全部采用为液压系统，增加了系统运行的稳定性和安全性，符合提高炉顶压力对炉顶耐压的要求。除尘系统将箱体内部由大布袋内滤加压反吹改造成为小布袋外滤氮气脉冲反吹，过滤负荷满足了工艺要求，高炉热风炉改造完成后，风温提高100多摄氏度。高炉喷煤是炼铁系统结构优化的中心环节，是国内外炼铁生产技术发展的大趋势，同时也是降低工序能耗，减少生产过程中环境污染的重要手段。该系统采用中速磨制备煤粉、一次收粉技术、并罐、直接喷吹技术、高效粗粉分离器，烟煤安全喷吹检测装置，长寿喷枪技术，新型流化器等新技术。高炉采用远红外炉顶成像技术，通过炉顶成像技术能够在生产过程中一定程度上实现了炉内操作的可视化，可以观察炉内煤气流分布及变化情况，根据情况及时调整高炉操作参数，为炉况长期稳定顺行提供了有力的帮助。

 

 

 

　　一是在完全燃烧后从燃烧气体中回收热量，通常约为300℃。二是浮渣的热回收。该工艺产生的温度很高，通常在1000℃左右每吨渣的显热相当于60kg标准煤的热值。通过回收高炉渣的显热，可以用于生产水泥等，节约了能源并减少了CO2排放量。燃烧气体产生的热量可减少正式铸造前能源浪费，最大限度地充分利用能源，实现可持续发展的目标。三是余热回收系统。炼铁厂的高炉冲渣水排出时温度为80℃~95℃,可以通过特殊设计的蒸发换热器和预热换热器，将高炉冲渣水的热量传递给换热介质，温度降至约50℃后再送回高炉冲渣，从而回收一定量的余热。

 

 

　　在金属冶炼过程中，通常会产生大量类似炉渣的固体残渣,随着高炉炼铁工艺的不断创新和发展，通过对金属冶炼过程中产生的固体废弃物的合理利用，不仅可提高资源的利用效率，而且可最大限度地减少废弃物的排放，对钢铁企业实现可持续发展的目标具有重要的现实意义。高炉炼铁中产生的固体废弃物主要包括炉渣、含铁尘泥、烧结脱硫产物等。固体废物主要分为含铁类固废产物、含碳类固废产物和其他类固废产物。对于这些不同类型的固废，需要采取不同的处理和资源化策略。例如，含铁类固废可以经过处理后回炉再利用，含碳类固废可以用作烧结燃料，而高炉渣则可以用于建筑工程。固体废物的资源化利用技术包括高温熔融技术、厌氧降解处理和热裂解技术。这些技术可以有效地处理固体废物，减少环境污染，并提高资源的二次利用效率。高温熔融技术特别适用于处理重金属和有毒有害固体废料，而厌氧降解处理则适用于含有微生物的固体废物，通过这些技术可以产生新的能源，如沼气。

 

 

　　在金属冶炼过程中，碳通常是最关键的燃料。但是在大量碳燃烧的情况下，会给环境带来非常严重的污染。因此，为了减少环境污染，实现节能环保的发展目标，必须注重新能源的开发利用。目前，许多发达国家在金属冶炼过程中使用天然气和塑料作为燃料，发展效果十分显著。天然气是一种清洁燃料，其主要成分是甲烷，燃烧时产生的二氧化碳和水蒸气较少，对环境污染较小。因此，天然气可以作为一种替代燃料用于高炉炼铁。废塑料在高炉中燃烧时可以释放出大量的热量，并且可以替代一部分传统的化石燃料，如煤炭。氢气还可以作为一种新的节能能源，应用于金属冶炼。但氢气的开发程度相对较低，不能满足金属冶炼的实际要求。

 

 

　　近年来，世界范围内的环境问题越来越突出，碳排放控制也得到了越来越多人的重视，冶炼工业作为高碳排放产业，应实行重点优化与管理。我国在高炉炼铁的碳排放控制方面也在不断加强，提出了源头减碳、过程减碳、末端减碳等高炉炼铁的碳排放控制策略。一方面，在数字孪生的基础上通过科学的数字化设计将大数据、数学模型、过程仿真等进行充分整合，实现高炉炼铁的可视化管理，同时应用监测设备与智能算法改善高炉操作与冶炼过程，并以互联网云为工具，建设高炉炼铁云管理平台，以高效化、协同化、智能化以及绿色化为目标，致力于高炉炼铁的智能化转型。另一方面，合理运用工具搭建基于高炉炼铁全生命周期的工业管理平台，强化设计、生产、运维管理等方面的智能化、数字化以及一体化。同时，科学地引入AR与VR技术，实现高炉生产的动态监测、远程人员培训、智能化运维诊断分析等功能，实现高炉炼铁的精细化管理。

 

 

　　优化高炉炼铁的工艺流程在促进经济发展的同时必须做到降低能源消耗并且减轻环境污染，使地球维持良好的生活环境走可持续发展的道路。高炉炼铁工艺的优化可以降低废气排放，节能能源消耗，保护自然生态环境。不仅能够带来较好的经济效益，还能够促进钢铁行业的长期发展。高炉炼铁工艺在现代工业中扮演着重要角色，加强高炉炼铁工艺的过程控制，通过节能减排与智能化的升级对高炉炼铁工艺及整个工业的发展都大有裨益。目前，我国已致力于高炉炼铁工艺的数字化转型升级。未来，随着更多信息技术与新材料的开发与应用，高炉冶金将在智能化、绿色化、一体化等方向发展，生产效率、综合能耗、综合竞争力等将得到进一步优化和提升。