提高高炉强化水平减少碳排放
高新运
(原济南钢铁集团炼铁厂)
摘 要：本文通过“大小风机频繁倒换”的案例，通过安徽某高炉利用系数6.0t/m3d的事例，通过高炉“炉缸冻结”事故“绝迹”的事实，提出了“有多大的风就会有多大的炉膛”以及“高炉强化程度越高越安全”的观点；通过原燃料质量对高炉操作以及炉况稳定顺行重要性的认识，提出了进一步提高高炉风压水平，进一步提高高炉强化水平，进一步提高喷煤比的可能性；通过高炉对块状原燃料过度依赖的问题，提出了让高炉直接使铁矿粉并冶炼出优质铁水的解决方案，并指出，当高炉能够直接使用铁矿粉并冶炼出优质铁水的时候，就实现了高炉的实质性飞跃，就能够为钢铁企业创造巨大的经济效益，就能够非常有利于钢铁企业碳达峰和碳中和。
关键词：提高高炉强化水平；高炉越强化越安全；有多大的风就会有多大的炉膛
1 前言
宝武钢铁集团董事长陈德容说，“高炉是极高效率的反应器”！“要为‘保卫高炉’而战！为炼铁的荣誉而战”！“如果高炉能够实现碳减排碳中和，是完全能在未来钢铁生产中发挥巨大作用的”！这段话充分说明了他对高炉所持有坚强信念与信心！笔者对此深有同感！并且坚定地认为：不久的将来，利用经过“加高”改造的，直接使用铁矿粉就能够冶炼出优质铁水的“短流程高炉”将巍然屹立在钢铁企业之中！它将代表高炉的明天！将成为炼铁的主流设备，将能够为钢铁生产以及碳达峰和碳中和做出巨大贡献！同时认为：现有高炉如果能够进一步抓好原燃料质量，进一步提高强化水平，进一步提高喷煤量，仍然能够利用其巨大的产能优势、较低的成本优势、较高的效率优势和优良的与炼钢工序相配合的优势，为钢铁企业“高效、低碳、绿色和可持续发展”做出巨大贡献。
2 关于进一步提高高炉强化水平
2.1 起因
当年济钢第一座255m3改350m3高炉投产后，由于电力紧张，为其配备的1000m3/min电力鼓风机经常被迫停运，只能让其使用原为255m3高炉配备的700m3/min蒸汽鼓风机，为此，该高炉需要经常进行“大、小风机来回倒换”；按照“常理”，“大炉子”采用“小风机”应该是处于“慢风”状态，应该是“边沿发展”才对，但事实并非如此！当由“大风机”换上“小风机”后，其炉喉煤气曲线显示出“非常漂亮的双峰曲线”，一点也看不出任何边沿发展的迹象！并且炉况也能够稳定顺行一段时间；当由“小风机”换上“大风机”后，其炉喉煤气曲线则立即呈现出“馒头形”，即典型的“边沿非常发展”曲线，而且“炉子不吃风”，即“风加不上去”，风机的能力发挥不出来！只有采取“热洗炉”的方法先“洗洗炉”，然后才能够逐渐把风加上去。
2.2 高炉强化水平越高越安全观念的产生
通过上面2.1的叙述能够说明一个问题，就是“有多大的风就会有多大的炉膛”，“风小”炉膛自己会“自动变小”即“通过炉墙粘结而变小”！也就是说“风越小”炉子越容易“粘结”，其“粘结物越厚越不安全，越容易出现风口灌渣炉缸冻结等事故”，这就是上世纪七、八十年代高炉容易发生风口灌渣、炉缸冻结事故的真正原因！通过上面这段叙述还能够让大家知道，所谓的“大风”并不一定能够“吹透中心”；所谓的“小风”也不一定“边沿发展”，而且“小风”更容易边沿“粘结”直至“炉墙结厚”，正像2.1所能够证明的“风小炉膛就会变小”，这些都是高炉“强化程度不够”所致。
由于笔者亲历了济钢高炉发展进步的全过程；认为济钢高炉的发展进步能够代表全国中小高炉发展进步的总趋势，因为济钢是第一个将255m3高炉改为350m3高炉的厂家；济钢是最早提出高碱度烧结矿配酸性球团矿的厂家；济钢是第一个参与开发并率先使用高效振动筛（即棒条筛）的厂家；济钢在提高高炉风压水平提高强化水平方面也不落后，曾在整个九十年代各项生产技术指标都处于全国前三强的位置；除此之外，笔者发现随着原燃料质量的改善和提高，随着高炉操作水平的提高，随着高炉强化水平的提高，特别是自上世纪九十年代初起，高炉风口灌渣以及炉缸冻结事故渐渐地“绝迹了”！这一现象充分证明，在原燃料质量改善与提高、高炉操作水平的提高、技术装备的进步包括计算机控制上料和高效振动筛的使用，这些基础条件的保障下，通过不断地改造风机提高风压，从而大幅度提高了高炉的强化水平，实现了生产技术指标的不断突破，实现了经济效益的不断提升，这一切充分验证了一个道理：就是“炉子越强化越安全”！
2.3 近年来高炉强化的案例及展望
关于高炉强化问题。笔者认为在原燃料质量、高炉操作水平、先进技术装备这些基础条件的保障下，通过提高风压就能够大幅度提高高炉强化水平（当然与之配套的煤气系统必须提高耐压等级，这些暂不在这里讲了），这应该是一条非常经济的“捷径”之路。几个月前看到安徽某800多立方米高炉利用系数实现了6.0t/m3·d的报道！认为该高炉为其它高炉提高强化水平树立了榜样！更令人振奋的是，该高炉的综合焦比只有485kg/t，明显低于强化水平比它低的同类型高炉！这一点完全能够证明该高炉减少二氧化碳排放的效果！如果将上述利用系数6.0t/m3·d高炉的喷煤比由149kg/t提高到200kg/t以上，它还将能够进一步提高利用系数，并且其减排效果也将更加显著。虽然该高炉富氧率高一点，但也应该是值得的！因为它的产量相当于两座相同类型利用系数为3.0t/m3·d高炉，仅在节约投资和减少运行成本方面就已经获得了很多收益了！在单位面积创造产值（即衡量每亩土地创造产值的指标）方面已经达到了很高的程度！因此，非常值得各炼铁厂家效仿！由于该高炉所使用的风压是408kPa，已经达到了3200m3高炉的风压水平，通过对比应该能够想到，假如3200m3高炉的风压水平能够进一步提高，其含有的强化潜力该有多大？
2.4 关于大型高炉提高强化水平的可行性
大家是否注意到，近期仍然能够从某些文章或报道上看到，某某4000m3米级以上高炉的某个或者某几个“风口”被上面下来的“大块”给压坏了！透过这一现象结合本文2.1、2.2的叙述，是否能够想到：能够压坏风口小套的“大块”其体积和重量是“多么的巨大”！按照风口小套的支撑力估算至少也要“上百吨”！如此之重的“大块”在炉内是需要占用很多“空间”的！而且其“大块”所占用的“体积空间”，在其炉内是属于“闲置”的和“不工作”的！是没有被充分利用的！如果按照上面“大、小风机倒换的案例”分析，不难理解，之所以能够在炉内生成如此之大的“大块”，就是因为“风小其炉容自己变小”的原因，是“炉子自我调整”所致的产物；如果上面所述的“大块”发生在小高炉上，则不可避免地会引起风口灌渣甚至炉缸冻结，好在大型高炉的炉缸具有足够大“热容量”和足够大的承受能力，否则其结果也应该与小高炉是一样的！由此联想认为，大型高炉“下大块”压坏风口的事情，所反映出来的问题就是“风小”其强化水平不够！如果按照上述的利用系数6.0t/m3·d的高炉风压水平推算，4000m3级以上的大型高炉的风压水平至少应该提高到1000 kPa，其利用系数至少应该达到5.0t/m3·d以上，到那时将不再会发生“下大块”压坏风口的事情，并且更能够充分印证“高炉强化程度越高越安全”，“有多大的风就会有多大的炉膛”的观点，更重要是，当大型高炉强化水平大幅度提高以后，其利用系数即产量也将会大幅度提高，因此，到那时，就能够关停许多“不达标”的中小型钢铁企业的小高炉，因此，大型高炉进一步提高强化水平，将非常有利于节能减排，将非常有利于钢铁企业碳达峰碳中目标的实现。
事实证明：高炉提高强化水平的趋势是不可阻挡的！因为它是从实践中“干”出来的！现在已知的强化水平最高的、并且最早的应该是烟台铁厂的13m3高炉，其最高利用系数曾达到过7.2 t/m3·d，一般情况下都在6.0 t/m3·d以上，大概是它开创了高炉提高强化的先河；后来就是120m3高炉和350 m3高炉利用系数相继突破了4.0t/m3·d；近几年1080m3高炉利用系数也成功突破4.0t/m3·d；另外还有1750m3和3200m3高炉利用系数超过3.0t/m3·d的报道；加上前面所说的安徽某高炉利用系数超过6.0t/m3·d的报道；不难看出，高炉提高强化水平的趋势是从“小高炉”逐渐向“大高炉”推广的，也是势不可挡的！撰写上面这些的目的就是为了引起炼铁界对此事的高度重视，以便于尽早开展大型高炉大幅度提高利用系数提高强化水平的研究！以便于跟上时代的步伐，以便于为大型钢铁企业创造更多的经济效益，以便于在提高产量降低成本的同时大幅度减少二氧化碳排放！以便于大型钢铁企业尽早实现碳达峰碳中和目标。
2.5 高炉提高强化水平应该从设计开始
2000年初，济钢350m3高炉迎来新一轮大修改造，此时高炉利用系数已经达到了3.0t/m3·d，为此，笔者建议设计部门将大修改造高炉的利用系数按照3.5t/m3·d设计，然而设计部门不敢采纳，只按照2.8t/m3·d进行了设计，并说他们选择2.8t/m3·d已经是当时最高的了！由此看出高炉提高强化水平不是设计出来的，而是通过不断地改造而“干”出来的。
回顾上面这段历史的目的是为了说明一个问题，就是如果“设计思想不先进”，则往往会限制生产技术的发展，正如高炉利用系数，如果按照2.8t/m3·d设计，则其前面的烧结系统、球团系统、炼焦系统的产量，也都要按照这个利用系数进行配套设计；这样设计的结果就是：当高炉利用系数超过设计值（即2.8t/m3·d）以后，其原燃料的生产能力就不够了！然而为了保证高炉用料，就不得不让烧结机、球团竖炉加足马力“开快车”“强制进行增产”，其“强制增产”的结果必然是降低质量；其炼焦炉也不得不通过减少结焦时间的方法来增产，其最终结果也是导致焦炭质量变差；由于原燃料质量的变差，高炉必然会炉况不稳，甚至炉况失常，最终受影响的不仅是高炉还有整个企业的经济效益；在这方面是有很多厂家付出了惨痛代价的！叙述本段的目的就是为了引起有关新建钢铁项目厂家的高度重视，要及早地为高炉强化留出充足的原燃料增产空间（即烧结系统、球团系统、炼焦系统的产能至少要比高炉设计利用系数再高出30%），以便于将来高炉能够进一步提高强化水平和增产。
2.6 关于原燃料质量对高炉强化与炉况稳定顺行的重要作用
2002年济钢着手新建1750m3“大高炉”，为此率先对烧结机、球团竖炉以及炼焦炉进行了增产改造；国内第一套“干熄焦”系统也已投产；就在“大高炉”还未建成投产之前，其原燃料系统率先完成改造之后的这段时间，6座350m3“小高炉”率先受用了原燃料系统的改造后的成果；自2002年下半年至2003年9月末，6座“小高炉”的炉况稳定程度和顺行程度几乎达到了无法用语言来表达程度！连续十个月以上不发生“悬料”！连续半年不烧坏一个风口小套！炉温（指生铁含硅）和炉渣碱度的稳定程度几乎是炉炉相同，其稳定程度达到了化验人员不愿意给炉炉作分析的程度，其代表炉温的生铁含硅每天只给做一次！炉渣成分甚至一个月才给做一次！这期间对高炉操作者的感觉已经不是炼铁界所说的“七分原料三分操作”了，而应该是“九分原料一分操作”，因为当时的高炉风机能力全部发挥（即风全用）、风温全用，其炉温稳定到几乎不用调整负荷！几乎到了“无操作内容可操作”的程度！然而这一切都随着2003年10月1750m3“大高炉”投产而被彻底打破！
2003年10月1750m3“大高炉”投产后仅仅几天，不仅1750m3“大高炉”自身炉况不好，6座350m3“小高炉”也相继出现不同程度的炉况失常！最为明显的就是风口小套大量损坏，最严重时某座高炉甚至一天内就烧坏好几个！350m3“小高炉”所发生的如此翻天覆地的变化，其根本原因就在于原燃料质量变差！由此不难看出，原燃料质量对于高炉来讲是多么的重要！由于此事对笔者触动很大，因此，其印象特别深刻，随即便产生了一个想法，就是如何能够让高炉彻底摆脱对原燃料质量特别是“块状”原燃料的依赖，让高炉能够直接使用未经过焙烧处理的铁矿粉就能够冶炼出优质铁水！随后通过十多年的认识、研究认为：通过把高炉炉体加高，并在炉内的顶部旋转布撒铁矿粉，并使铁矿粉在悬浮状态下、在自然下降过程中，与向上流动的高温还原气充分接触并产生还原反应，使铁矿粉在下降过程中完成还原，最终生成铁水落入炉缸下部的方法应该是可行的；该方法经过了业内有关专家的认可，并申报了发明专利，其专利名称为《一种短流程高炉炼铁工艺》，专利号201911373075.3，感兴趣的朋友可以查阅；另外，还撰写了一篇章名为《关于将现有高炉改造成为“短流程高炉”实现产能就地置换就地优化升级的研究》的文章，感兴趣的朋友可以来电话索取。
3 关于高炉进一步提高喷煤量的问题
笔者通过长时间跟踪、观察、研究发现：多年以来高炉的喷煤比都在130～160kg/t之间，虽然有很多厂家（包括济钢）都进行过煤比突破200kg/t的攻关，并且都取得了一定的成果，但似乎谁也不肯将正常喷吹量提升到200kg/t以上？究竟是什么原因呢？通过与有关炉长甚至厂长聊天发现，其中最根本的原因应该是“恐煤症”，就是认为当喷煤量“过大”以后一旦遇上炉凉就不好应对处理，其关键原因还是怕出现炉凉；只要是上级领导不“逼迫”，一般情况下谁也不愿意“冒这个险”；以笔者之见，怕炉凉的原因还是对炉凉的原因没有真正认识清楚，只要认识清楚了就不怕炉凉了！由于造成炉凉的主要原因就是“炉墙粘结物脱落”；然而“炉墙粘结物”是“能够得到预测和控制的”，即随时通过理论出铁量与实际出铁量的对比，以及随时通过调整边沿布料圈数和角度的方法来稳定“水温差”，利用“集中加焦”配合“集中投球”及时清洗的方法，再加上最为重要的一项就是“提高高炉强化水平”，因为高炉强化水平越高，炉墙就越不容易粘结，因为炉内所有的空间都被“大风”而充分利用起来了，没有闲置空间用于粘结！因此，笔者认为，当上述方法全部掌握了会用了，高炉持续实现200kg/t“大喷煤”的安全就能够得到保障了。如果按照高炉工作原理分析，就高炉内部来讲，高炉正常生产情况下其“软融带”下面一直到“死铁层”几乎全部都是“焦炭”，不管你是否喷煤，也不管喷多少煤都是如此不变的；再加上结合前面的分析就不难理解，只要是炉墙（主要是炉身下部、炉腰和炉腹，特别是炉腹部位的炉墙）不存在过多的粘结物，就不会发生粘结物脱落问题，就不会发生“突发性”炉凉问题；只要是对上述问题做到了预知预判，其保证大量喷煤情况下的高炉安全是有可能的。
在实施200kg/t“大喷煤”的时候，在高炉操作方面，需要特别注意的是：在遇到非计划休风或者拉风坐料的情况时，需要在恢复风量、风压达到一定水平，并认定“已经稳定”后，就必须立即恢复喷煤量，并且最好一次性恢复到原有水平，不要担心炉子不接受，因为笔者曾试验过一次性恢复到170kg/t喷煤比的喷煤量，并且炉子一点不良反应也没有！从炉内的工作原理上分析，炉子刚刚恢复时，其炉内是处于“全焦冶炼状态”的，其“全焦冶炼状态”时其风口前理论燃烧温度是容易过高的，这时候是最容易“返热”的，其“返热”对于炉况稳定是非常不利的，这时候给它一次性恢复大量的喷吹煤粉，就相当于以往的“撤风温”，是有利于炉况稳定的。
4 结语
通过“大小风机频繁倒换”的案例，以及安徽某高炉利用系数实现6.0t/m3·d案例，以及高炉发展进步特别是“炉缸冻结”事故“绝迹”的事实，揭示出“有多大的风就会有多大的炉膛”以及“高炉强化程度越高越安全”的观点。
通过原燃料质量对于高炉重要性的叙述，能够知道，在“具有一定经济性”的前提下，真正做到了拥有较好的且稳定的原燃料质量，高炉就不容易“粘结”就不容易“下粘结物”、就不容易发生炉凉、就不容易炉况失常，就能够保证高炉长期稳定顺行。
通过4000m3以上大型高炉容易“下大块压坏风口”的事实，通过安徽800多立方米高炉所使用的风压相当于3200m3高炉风压（即408kPa）的真实情况，展望了大型高炉进一步提高强化水平的前景，展望了高炉喷煤比提高并保持到200kg/t以上水平的可能性。