刘健

（河钢集团承德钒钛新材料有限公司）

众所周知近些年来钢铁冶金行业面临着环保要求严格、市场需求锐减、利润空间降低、行业竞争激烈等诸多方面的困难，这样的环境也显示这个行业正由增量经济向存量经济转变，在这样严峻形势的考验下，企业本身所具备的综合竞争力便显得尤为重要。在这个高速发展的新时代，我们很容易看到新兴巨头的崛起与落后巨头的谢幕，不过就是因为新技术的产生淘汰了落后的技术，在技术更新迭代快的领域，如电子产品领域，表现的特别突出。我相信这个道理也同样适用于钢铁行业，所以我们的企业想要生存、发展、壮大，就一定不能忽视在科技创新方面的投资与研发，不能忽视科创人才的重视和任用，不能放弃新技术的探索与尝试。

高炉炼铁在钢铁企业中占据着关键的中心地位，其产量直接关系到整个生产流程的产量，铁前成本占据钢材成本的60%~70%，所以高炉炼铁产量的高低和成本的控制在钢铁行业中至关重要。

一座生产中的高炉，它的炉况按透气性指数来区分，我把它分成三种状态，第一种状态透气性指数差，第二种状态透气性指数一般，第三种状态透气性指数好。那么我们通常追求的就是第三种状态，第三种状态的表现就是相对来说使用着更大的风量或者氧量，同时有着更高的料速。那么我们知道如图1所示，温度越高，铁氧化物的稳定性也就越差，就越容易被还原，同时更多的高温区域（1000℃以上），才能使C+CO₂=2CO激烈进行，并产生大量的CO作为还原剂，（如图2所示CO含量与温度对于铁氧换物还原反应的影响），当然也需要间接还原反应及混合反应区域产生大量的FeO，综上所述，拥有这些条件才能使料速加快、产量增加。同时我们知道料速的提高，炉内必须要有足够的热量来支撑这个高料速状态，如果热量不足的话，一段时间后伴随着气流的出现，炉温就会迅速转凉，但是这个足够的热量如果过度的集中在一个区域，通常是高温区域如软融带、滴落带，就会增加半熔融状态下矿物的数量，从而降低该区域的透气性，如果没有影响透气性的话，证明这些增加的热量扩散到了其它的区域（间接还原反应、混合还原反应区域）。

我们通过观察发现，富养量不变的情况下，风量增加、透气性指数变好时，炉身温度通常有所增加，我认为其增加程度与边缘气流发展状况有关，如果边缘气流发展的好，则增加的程度明显，如果此时中心气流发展的更好，则增加的程度不明显。当然同样与软融带是“W”形，还是倒“V”形也密切相关，其道理与边缘气流发展状态相同。

以软融带为倒“V”形为例，我们可以通过以下三张示意图来理解高炉三种状态下温度区域分布的差异。（图3）

如果将炉顶料面分成九个方向即中心、（边缘）东、南、西、北、东南、东北、西南、西北，那么图3中第一种透气性差的状态，气流仅仅在少数方向上发展的健康，在多数方向上发展的不健康，通过炉顶摄像就很容易观测到料面在这九个方向上死活差异的不同来。

气流分布的不好，料面也会出现倾斜的状况，当气流进一步恶化，往往就需要恢复炉况操作了，恢复炉况的高手一定明白一个道理，那就是流量为先。需要大家认识到并记住的就是，一定要把增加流量作为恢复炉况的第一要素来看待！不管我们是采用轻负荷也好，是加净焦也好，是放边也好还是降料面恢复也好，当你流量加起来之后，炉况的恢复自然就变得得心应手起来，那是因为大风量在料柱内流动，会自然的把热量分配到各个区域上，在物理化学反应的综合作用下，各区域温度就达到了合理范围，区域温度分布合理后气流分布就自然合理起来，那么这个炉况自然就渐渐的恢复过来了。（恢复炉况的具体方法非本篇内容要义，就不详述了。）当然区域温度的合理分布，也更有利于一氧化碳还原反应的合理进行，使煤气利用率保持在良好的范围。

前面提到过我们所追求的炉况状态就是图3中的第三种状态，为了达到第三种状态我们通常都会加强以下几种强化冶炼措施来实现。

第一提升原料质量，近些年来高炉冶炼指标的进步，离不开原料水平逐渐提高所带来的有益因素影响，尤其是焦炭质量，其中的M10、M40、CSR、CRI指标对高炉炉况的顺行至关重要，因为焦炭料柱骨架作用深刻影响着气流的合理分布，焦炭所提供的碳元素对高炉内发生的物理化学反应都起到至关重要的作用。不过大多数炼铁人都知道使用精料对高炉炉况变好作用重大，但实际使用上还要受到成本、决策等诸多其它因素的束约。

第二提高风温，热风炉约消耗高炉产生煤气量的40%，它约供给高炉正常生产耗热的四分之一，热风仍是供给高炉生产所耗热中最廉价的热量。虽然每提高100℃的风温，可降低焦比4%~7%，但是风温也不是无上限供给的，一般高炉所使用的风温在1100℃~1300℃之间，其风温上限受限于热风炉的材料、工艺水平、煤气质量等因素，同时风温的使用还要考虑到高炉的热平衡，保证炉温处于合理区间。风温使用的高低通常与炉况的好坏成正比关系，如果不考虑炉况而一味的提高风温，就会造成透气性变差，甚至悬料的风险。因为当炉况不能匹配此时的风温时，风量没有增加，料速没有加快，只是提高风温就直接增加了软融带、滴落带的温度，从而增加了半熔融状态下矿物的数量，从而降低了透气性。那为什么炉况好的时候可以使用风温呢？因为首先高料速使单位体积的炉料在高炉内同一区域停留的时间变短，尤其在高温区域如软熔带、滴落带、渣铁带，其温度自然就不容易过高，另外大流量有利于热量的快速运输与传递，所以好炉况时使用高风温才不会造成透气性变差的情况。所以风温要配合炉况状态来使用才最为合理。

第三增加喷煤，喷煤的作用与焦炭有些相似，不同于焦炭的就是其不能作为料柱骨架来使用，所以煤比的高低也受限于焦炭质量，当焦炭质量好，能提供良好的料柱骨架作用时，才能够实现低焦比、高煤比的好指标。还有一点就是其加入高炉的位置不同，焦炭是由炉顶布料器加入，煤粉则是由风口喷入，所以改变煤比比改变焦比对高炉炉温的影响更为迅捷，由于它直接作用于风口燃烧带区域，不考虑炉况，一味的增加煤比，也会使风口带区域温度过高，造成透气性变差的影响。喷煤的使用同样要考虑到高炉的热平衡的变化，保证炉温处于合理区间。另外就是当炉温过低、透气性差时，也不能直接通过喷煤手段来增加炉温，因为煤粉喷入高炉首先其分解、造焦的过程要吸收热量，当热量不足时更容易使煤粉不能充分燃烧，就进一步降低了风口燃烧带的温度，同时降低该区域的透气性，不利于炉况恢复。

第四增加富氧，富氧有利于强化风口回旋区域的氧化反应，提高煤粉的燃烧率，提高风口燃烧带区域焦炭的理论燃烧温度，能够有效的降低焦比，提高产量。但是随着富养率的提高，我们会发现明显的“上冷下热”现象（如图4所示），而且对产量提高的影响也变得越来越小。为什么会出现这种“上冷下热”现象呢？风口带区域的理论燃烧温度提高了所以“下热”很好理解，“上冷”则是由于提高富养率会使高炉内N₂的含量降低，气流中CO的含量升高，如图2所示当CO含量过高以后其极易与铁氧化物发生还原反应，在高炉上部区域存在着大量的Fe₃O₄，当满足与其发生还原反应的条件之后，Fe₃O₄+CO=3FeO+CO₂大量发生，进一步降低了该区域的温度，当温度低到一定程度（如570℃）以下时，温度条件又限制了该还原反应的进行，在CO含量与温度的双重作用下，使得高炉从整体来看产生了这种“上冷下热”的现象。为什么增加富氧对产量的影响越来越小呢？就是因为当富氧率达到一定程度时，其虽然对直接还原反应区域的强化效果明显，但是由于“上冷”区域的影响，弱化了间接还原反应和混合还原反应的强度，两者利害相抵自然对产量提高的影响变的越来越小（如图4所示）。同时上部区域温度长期过低，使高炉炉况一直处于危险的边缘地带，一旦有其它不利因素参与进来，极易造成高炉大凉，甚至炉缸冻结的风险，这便是高富氧率所带来的固有难题。

下面我向大家揭秘一下高炉为何向矮胖型发展，如图5所示中型高炉向大型高炉的发展过程中，高炉的有效容积增大了，体内的空间增大，当料柱的密度相同的情况下，气流运动的距离越长，气流所受到的阻力越大，那么气流就越不好发展，炉况也就越差。如果高炉炉型向细高化发展，（如图五中的阴影部分代表气流运动增长距离的部分）那么料柱内所有气流受到的阻力都会增强，这是我们所无法接受的。向矮胖型发展则有一些气流的运动距离变化不大，但是也有一部分的气流运动距离增长了，就是图5中矮胖型高炉的中心阴影部分。我们观察到一个有趣的现象，超过1000m³的高炉，有效容积大小往往和利用系数大小成反比的关系，那是因为随着高炉有效容积的增大，其中心阴影部分的体积占比也越来越大，中心阴影部分占比越大，中心气流越不好发展，即便是采取中心加焦的方法，在燃料比不变的情况下，中心得到加强，边缘就会相对减弱。我们没有将高炉的有效容积继续扩大到7000m³以上，其中很大一部分的担心就是有效空间利用系数变得过低，使得其经济性得不到保障，所以这是我们不能忽视的大型高炉矮胖化发展所存在的先天性缺陷。

高炉的富氢冶炼技术，不仅能够降低焦比，更重要的是能够减少碳排放，为我国实现“碳达峰、碳中和”的目标贡献力量，但是我们知道氢气还原氧化铁是吸热反应，所以说人们进行高炉富氢冶炼的时候，通常还要采取手段对高炉进行热补偿，但是即便我们有技术在风口带区域提供足够的热量，在我们加大富氢量的同时，氢气的利用率也会降低，与高富氧的情况类似，料柱气流中随着H₂含量的增加，增加了H₂与铁氧化物还原反应的数量（如图2所示），使区域温度进一步降低，（在810℃以上H₂的还原剂效果好于CO）低温又限制还原反应的强度，两者综合作用便产生的“上冷”现象，（下部的热补偿还不能太高，不然会造成“下热”的现象）同时使用高富氢、高富氧、热补偿等措施又容易增加炼铁成本，这些问题便成了高炉富氢冶炼所带来的先天性难题。所以当使用大型高炉进行富氢冶炼再配上全富氧时，三大难题相叠加，情况如何不用我说大家也可想而知。

每一个企业把提产降耗作为目标都是合理的追求，然而并不是你有能力吃好料而不吃，有好炉况使用风温、富氧、喷煤而不使，有先进的高炉富氢技术而不用，而是受到了种种条件的制约而不能使用。当然人为操作水平的差异还是存在的，但是随着时间的推移，先进成熟技术的推广，市场及企业的优胜劣汰，在人为操作水平方面的差距会变得越来越小。

综上所述，那么大型高炉的提产降耗及富氢冶炼的关键核心是什么？就是技术的进步！进一步来说就是通过技术来打破束缚高炉强化冶炼措施的受限范围，高炉强化冶炼措施的受限范围越小，我们强化冶炼的程度也就越高，我们的产量也就越高，消耗也就越低。

以上我列举了一些限制高炉强化冶炼措施的因素，我们发现这些因素有一些共同点，其中提高风温和增加煤比容易出现“下热”情况，降低下部透气性；高富氧和高富氢都容易受到“上冷”的影响。那么通过什么方法突破这个限制呢？高炉的大型化、矮胖化能否继续有活力的发展下去？富氢冶炼技术能否健康的发展下去呢？

我认为这些难题是可以解决的，我给出的解决方案是直接在高炉上部加热，如图6所示，首先由于高炉的煤气有富余，我们可以继续增加热风炉的蓄热能力，其中一部分通过上层风口为高炉的上部直接提供热量，这样既避开了“下热”的状况，又解决了“上冷”的问题；其次大型高炉矮胖化发展的先天性缺陷就是中心阴影部分，其不利于气流发展，那么这种膈式双层风口型高炉的束心壁将下层风口原本的边缘气流向中心约束，从而起到强化中心的作用，而边缘气流的发展则有上层风口来进行补充；再次使用廉价的风温对上部加热，即能解决富氢冶炼需要进行热补偿的问题，（上层风口气流的运动距离短，易发展）又能解决高富氢的“上冷”问题。那么此时我们是不是觉得大多数的问题都迎刃而解了呢？当然新的炉型虽然针对解决旧的难题，但也会带来新的问题，如上下两层风口的气流干涉问题，不过问题是一个一个解决的，只要我们解决了主要矛盾，即便有次要矛盾的存在，技术也是在进步的。

如图7所示，将热风炉改造成两个热风出口，即便使用一台风机也可以为这种炉型的高炉送风。

目前虽然一些企业生产、经营出现了困难，但是钢铁冶金这个行业是不会消失的，现在的困难时期恰恰需要企业抓住转型升级的机会，而科技创新则是转型升级成功最有力的保障。