高新運(yùn)

（原濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)煉鐵廠）

摘  要  本文介紹了利用原有高爐煉鐵的基本理論，保留并利用原有高爐供風(fēng)系統(tǒng)、熱風(fēng)系統(tǒng)、煤粉噴吹系統(tǒng)、爐體冷卻系統(tǒng)、爐頂煤氣凈化處理和富氧系統(tǒng)，再通過加高爐體，增加礦粉烘干、礦粉輸送和礦粉噴吹系統(tǒng)以及爐缸吹氧系統(tǒng)，使礦粉能夠在爐內(nèi)的頂部進(jìn)行“旋轉(zhuǎn)噴吹”，并使“噴出”的礦粉能夠在“重力作用下”形成“自然下降”的又“懸浮”在爐內(nèi)高溫還原氣中的“螺旋形粉狀料柱”，其“螺旋形粉狀料柱”在“自然下降”過程中完成間接還原和直接還原，讓高爐在直接使用礦粉、煤粉、熔劑粉并適當(dāng)吹氧的條件下生產(chǎn)出鐵水。

關(guān)鍵詞  高爐煉鐵  短流程  噴吹礦粉  懸浮 螺旋形粉狀料柱  

1  前言

由于傳統(tǒng)高爐煉鐵系統(tǒng)具有技術(shù)成熟、工藝完善、生產(chǎn)成本相對(duì)較低、生產(chǎn)能力強(qiáng)、能夠滿足大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)內(nèi)部工序之間銜接需求等許多優(yōu)勢(shì)，并且這些優(yōu)勢(shì)短時(shí)間內(nèi)無法由“非高爐”工藝所取代，因此到目前為止，全世界90%以上的生鐵（主要指鐵水）仍然依靠傳統(tǒng)高爐煉鐵系統(tǒng)提供，由此看出，“非高爐煉鐵”取代傳統(tǒng)高爐煉鐵還需要相當(dāng)漫長的時(shí)間；然而傳統(tǒng)高爐煉鐵系統(tǒng)所必須具有的燒結(jié)、球團(tuán)、煉焦等工藝環(huán)節(jié)，其流程長、能耗高對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重；特別是環(huán)境污染問題，已經(jīng)受到人們的普遍關(guān)注，甚至已經(jīng)成為高爐煉鐵系統(tǒng)最大的生存障礙；面對(duì)環(huán)保的壓力，許多鋼鐵企業(yè)都在尋求和探索新的煉鐵方法，以解決企業(yè)生存和持續(xù)發(fā)展問題；據(jù)筆者了解，到目前，技術(shù)上比較成熟并且有一定生產(chǎn)規(guī)模的新型非高爐煉鐵技術(shù)（方法）：有印度JSW鋼廠、Essar鋼廠和南非米塔爾鋼廠的C-2000；有韓國POSCO鋼廠的FINEX；有中國寶鋼的C-3000；有中國寶鋼八一鋼廠的“歐冶爐”；還有近年山東從澳大利亞引進(jìn)并改造形成的“中國墨龍ML-HISmelt”；雖然這些新型煉鐵方法已經(jīng)小有規(guī)模并且技術(shù)上也在不斷地成熟和完善，但在生產(chǎn)成本、投資回報(bào)周期方面，仍然無法與傳統(tǒng)高爐煉鐵系統(tǒng)相比，致使其短時(shí)間內(nèi)無法迅速擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模；由此看出，對(duì)于鋼鐵企業(yè)來講，進(jìn)一步開發(fā)新型煉鐵技術(shù)（方法）還存在巨大的需求空間，為此，筆者提出一種“新型煉鐵”方法，即繼續(xù)利用傳統(tǒng)高爐煉鐵的理論體系、技術(shù)體系和裝備體系，只對(duì)高爐本體進(jìn)行適當(dāng)“加高”，并再配備相應(yīng)的礦粉烘干、礦粉輸送和礦粉噴吹系統(tǒng)，讓高爐直接使用“礦粉”并冶煉出鐵水；該方法省去了燒結(jié)、球團(tuán)、煉焦等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，不僅能夠節(jié)約能源、減少環(huán)境污染，甚至還能夠在生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)成本以及投資回報(bào)周期上明顯優(yōu)于上述其它“非高爐”煉鐵，因此，如果該方法能夠通過工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證并獲得成功，將成為一種新型的“短流程高爐煉鐵”方法（或稱技術(shù)）。

2  利用已有高爐進(jìn)行“短流程”煉鐵實(shí)驗(yàn)的可行性

2.1  工藝和裝備的可行性

近年乃至以后幾年中國鋼鐵將仍然處于產(chǎn)能過剩階段，有些高爐甚至?xí)媾R著沒有達(dá)到壽命周期就被強(qiáng)制拆除，如果是這樣就不如將其先用于“短流程”高爐煉鐵實(shí)驗(yàn)，這樣不僅能夠?yàn)閲夜?jié)約大量的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，還能夠有效減少因購置實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)裝置而帶來的重復(fù)生產(chǎn)、重復(fù)建設(shè)所造成的環(huán)境污染問題。利用這些高爐進(jìn)行“短流程”高爐煉鐵實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以保留原有高爐的供風(fēng)系統(tǒng)、熱風(fēng)系統(tǒng)、煤粉噴吹系統(tǒng)、爐體冷卻系統(tǒng)、爐頂煤氣凈化處理和富氧系統(tǒng)，以及爐前出鐵系統(tǒng)，只將“爐體”（或稱爐膛）進(jìn)行適當(dāng)加高，再增加一套礦粉烘干、輸送和噴吹系統(tǒng)，使“礦粉”能夠在爐內(nèi)的頂部進(jìn)行“旋轉(zhuǎn)噴吹”，并使“噴出”的礦粉能夠在“重力作用下”形成“自然下降”的又“懸浮”在爐內(nèi)高溫還原氣中的“螺旋形粉狀料柱”，并使“螺旋形粉狀料柱”在“自然下降”過程中完成間接還原和直接還原并冶煉出鐵水。由于該實(shí)驗(yàn)的“高爐”爐內(nèi)沒有“實(shí)芯料柱”，因此“爐內(nèi)空間”相對(duì)較大，特別是“爐缸空間”明顯較大，因此完全能夠在出鐵口與風(fēng)口之間再布置一層吹氧口，以便于保證爐缸內(nèi)渣鐵溫度充足。礦粉烘干設(shè)備目前已經(jīng)是成熟技術(shù)，只要選型合適，購入即可使用。礦粉輸送系統(tǒng)，可以采用氣力輸送，但必須使用氮?dú)?，且氣力輸送也?huì)存在氮?dú)庀牧看蠛凸艿滥p問題；如果保留和利用原有高爐上料系統(tǒng)的皮帶或者料車，將礦粉先輸送到原有高度，再通過增設(shè)垂直提升機(jī)進(jìn)一步將礦粉提升到爐體加高后的高度，再通過料罐及均壓系統(tǒng)將其送入爐內(nèi)，在爐頂再利用氮?dú)膺M(jìn)行噴吹，以便于形成“螺旋形粉狀料柱”（見高爐噴吹礦粉工藝流程圖，即圖1圖2），這樣能夠大幅度節(jié)約氮?dú)猓⑶疫€能夠減少因管道磨損所而帶來的不利影響。

圖1是氣力輸送礦粉情況下的工藝流程示意圖，圖2是利用原有上料皮帶再加垂直提升機(jī)的工藝流程示意圖；圖中：1、爐缸，2、爐腹，3、爐腰，4、爐身，5、爐喉，6、出鐵口中心線，7、風(fēng)口中心線，8、新增吹氧口中心線，9、螺旋形粉狀料柱，10、旋轉(zhuǎn)噴管，11、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，12、旋轉(zhuǎn)接頭A，13、上料管接口，14、中心喉管，15～18、礦粉噴嘴，19、旋轉(zhuǎn)噴管的旋轉(zhuǎn)方向， 20、短箭頭所指為礦粉噴出方向，23、中心喉管套管，24、噴吹氮?dú)饨涌冢?5、原有高爐上料皮帶或者料車系統(tǒng)，26、新增垂直提升機(jī)，27、垂直提升機(jī)出口管，28、料罐，29、礦粉輸送管道。

圖3是爐內(nèi)頂部“旋轉(zhuǎn)噴管”的布置及基本工作原理示意圖；通過圖3可以看出，其“旋轉(zhuǎn)噴管”呈“四臂”不等的“十”字形，在每個(gè)臂的靠近末端的一側(cè)逆“旋轉(zhuǎn)噴管”的旋轉(zhuǎn)方向，設(shè)置有“礦粉噴嘴”，并且每個(gè)“礦粉噴嘴”到達(dá)“旋轉(zhuǎn)噴管”中心的半徑各不相同，因此能夠使每個(gè)噴嘴噴出半徑不等的但形狀相類似的“螺旋形粉狀料柱”，依此實(shí)現(xiàn)礦粉在爐喉截面上的分布均勻，以促進(jìn)礦粉與還原氣更好地接觸，以便于獲得較好的煤氣利用率。

2.2  基本理論和基本原理上的可行性

從高爐煉鐵的基本理論和基本原理方面分析，鐵礦石的還原即間接還原和直接還原，其中間接還原和直接還原的發(fā)生程度和反應(yīng)程度則取決于還原溫度、還原劑濃度（還原氣氛）和還原時(shí)間以及還原空間，還有脈石的溶解和造渣。從高爐爐內(nèi)冶煉環(huán)境方面分析，首先，由于高爐風(fēng)口仍然輸送熱風(fēng)并能夠伴隨一定的富氧，然后再從高爐風(fēng)口向爐內(nèi)噴吹煤粉，使煤粉在風(fēng)口前充分燃燒，如果風(fēng)口前燃燒溫度不夠，還可以在直吹管單獨(dú)插入氧槍以便于增加富氧量提高燃燒溫度，如果溫度還不夠還可以在高爐風(fēng)口和出鐵口之間再增加一層吹氧口，通過上述措施的實(shí)施，筆者認(rèn)為應(yīng)該是能夠?qū)L(fēng)口前理論燃燒溫度提高到2300℃以上的，是能夠滿足爐內(nèi)溫度要求的。第二，在高爐風(fēng)口大量噴吹煤粉并大量富氧所形成的高溫環(huán)境下，以及過剩碳、氧的存在則會(huì)產(chǎn)生大量的還原劑——一氧化碳；由于其還原劑（即一氧化碳）的產(chǎn)生量是能夠通過噴吹煤粉和富氧的量計(jì)算出來的，只要在還原劑的計(jì)算產(chǎn)生量上再加一定的過剩系數(shù)，或稱煤氣利用率，就能夠計(jì)算出在爐頂應(yīng)該噴吹的礦粉量，由此可知，只要計(jì)算準(zhǔn)確和煤粉燃燒充分，其爐內(nèi)的還原氣氛是能夠得到保證的；如果爐內(nèi)的碳素平衡不過來，還可以通過在礦粉中混入部分煤粉的方法使之達(dá)到平衡。第三，由于能夠在風(fēng)口噴吹的煤粉中混入一部分氧化鈣粉作為熔劑，還能夠在爐頂噴吹的礦粉中混入一部分石灰石粉（即碳酸鈣粉）作為熔劑，估計(jì)這樣就能夠滿足礦石中脈石造渣的需要（當(dāng)然其熔劑也有利用率問題，這個(gè)利用率則需要通過實(shí)驗(yàn)才能夠得到）。第四，由于該高爐內(nèi)沒有“實(shí)芯料柱”，其“螺旋形粉狀料柱”中的“礦粉”與“礦粉”之間是存在相對(duì)較大“空隙”的，因此礦粉與還原劑——一氧化碳接觸機(jī)會(huì)會(huì)更多，其還原效率有可能會(huì)比傳統(tǒng)高爐要好；從高爐爐內(nèi)縱向分布看，其“螺旋形粉狀料柱”與傳統(tǒng)高爐的“實(shí)芯料柱”應(yīng)該是一致的，是能夠從上到下通過溫度區(qū)間分出間接還原區(qū)和直接還原區(qū)的；因此，該高爐內(nèi)的“螺旋形粉狀料柱”在還原空間上應(yīng)該是能夠滿足的。第五，就是還原時(shí)間和高爐高度的問題，這方面需要通過設(shè)定礦粉粒級(jí)，通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)或者仿真模擬得出還原速度，再通過還原速度結(jié)合重力下降速度，加上爐內(nèi)煤氣流上升的浮力，推算出該“高爐”實(shí)際所需要的高度，這樣就能夠通過加高爐體高度的方法來滿足礦粉在爐內(nèi)還原時(shí)間上的要求；當(dāng)然，影響“礦粉”還原時(shí)間和還原速度的因素除溫度和還原劑濃度以外，就應(yīng)該是礦粉粒度了，如果單純從還原時(shí)間和還原速度上來講，其礦粉粒度應(yīng)該是“越細(xì)越好”，但從“該高爐工藝”上來講，“礦粉過細(xì)”則容易被吹到煤氣除塵系統(tǒng)中去，甚至?xí)虼硕鵁o法正常生產(chǎn)，從這方面來講礦粉粒度就不能太細(xì)；考慮到礦粉既要能夠從爐內(nèi)上部依靠重力自然下降，又能夠有較短的還原時(shí)間和較快的還原速度，就必須先預(yù)設(shè)一個(gè)比較適合的礦粉粒級(jí)，假設(shè)這個(gè)礦粉粒級(jí)為1mm，這樣就可以以1mm粒級(jí)的礦粉的還原時(shí)間為依據(jù)，測(cè)算在爐內(nèi)自然下降的時(shí)間，再通過這個(gè)時(shí)間推算出該高爐所需要的高度。當(dāng)上面的基本條件得到滿足后，筆者認(rèn)為利用“高爐”并直接使用“礦粉”冶煉出鐵水的實(shí)驗(yàn)條件就基本上具備了。

3  利用高爐實(shí)現(xiàn)“短流程”煉鐵的有益效果及需要解決和進(jìn)一步研究的課題

3.1  有益效果

首先，該工藝不需要使用燒結(jié)礦、球團(tuán)礦和焦炭，因此，非常有利于鋼鐵企業(yè)的節(jié)能環(huán)保；第二，能夠繼續(xù)使用已有高爐的大部分裝備，因此，能夠最大限度地節(jié)約實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)；第三，可以繼續(xù)沿用已有的高爐煉鐵的基礎(chǔ)理論，因此，不存在理論上的障礙；第四，不需要像“非高爐煉鐵”或者“直接還原煉鐵”那樣，需要專門建設(shè)還原氣“制氣爐”，也不需要額外提供高品質(zhì)還原氣（天然氣），因此，相對(duì)于其它“非高爐煉鐵”或者“直接還原煉鐵”本方案是具有優(yōu)勢(shì)的；第五，由于該“高爐”內(nèi)部沒有“實(shí)芯料柱”，因此，其開爐、停爐將變得非常簡單、方便，非常有利于掌握和配合企業(yè)內(nèi)部的生產(chǎn)節(jié)奏，非常有利于降低企業(yè)內(nèi)部的工序成本；第六，由于該爐內(nèi)的風(fēng)壓、風(fēng)量、風(fēng)溫、頂壓、頂溫及螺旋布料的密度等參數(shù)均能夠比較容易地采集到，并能夠在實(shí)驗(yàn)過程中逐步積累和進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，因此，該高爐煉鐵系統(tǒng)將有望很快能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)控制甚至人工智能控制以至于無人堅(jiān)守；第七，如果該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌颢@得成功并得到推廣，將能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，同時(shí)還能夠帶出一大批專業(yè)技術(shù)人才和研究型人才，能夠產(chǎn)生幾十篇論文、幾十項(xiàng)研究成果和幾十項(xiàng)專利，還將會(huì)產(chǎn)生數(shù)十項(xiàng)更深層次的研究課題，非常有利于煉鐵技術(shù)的深入研究和發(fā)展。

3.2  需要解決和進(jìn)一步研究的課題

當(dāng)本方案得到確認(rèn)后，可以先作為碩士生或者博士生的研究課題先期進(jìn)行理論研究，包括可以作為仿真模擬課題，先進(jìn)行仿真模擬，通過前期的理論研究及仿真模擬，將有利于少走彎路，有利于最大限度地降低實(shí)物實(shí)驗(yàn)費(fèi)用；可以事先通過建立爐喉噴吹系統(tǒng)實(shí)物模型，并且先在模型上開展噴吹礦粉實(shí)驗(yàn)，從而得出能夠使礦粉在爐喉截面均勻噴吹前提下的最合適的噴嘴規(guī)格、噴嘴結(jié)構(gòu)、噴嘴布局，以及最為合適的噴管旋轉(zhuǎn)速度和最佳氮?dú)庥昧康认嚓P(guān)參數(shù)，以便于將來大幅度減少實(shí)物實(shí)驗(yàn)時(shí)的挫折。

當(dāng)本方案確定實(shí)施后，可以通過實(shí)驗(yàn)逐步確定和完善直接利用“礦粉”冶煉出鐵水的“新型工藝路線”和“工藝體系”，還可以對(duì)已有的高爐煉鐵理論進(jìn)行進(jìn)一步補(bǔ)充和完善；可以通過實(shí)驗(yàn)得出一套全新的適合于該高爐的煉鐵生產(chǎn)評(píng)價(jià)體系，如高爐冶煉強(qiáng)度、高爐有效容積利用系數(shù)等；可以通過實(shí)驗(yàn)探索出在“粉狀冶煉條件下”最合適的高爐風(fēng)口前理論燃燒溫度，以及風(fēng)口前實(shí)際的理論燃燒溫度如何保持的方法；可以通過實(shí)驗(yàn)探索出“螺旋形粉狀料柱”的密度與新的高爐冶煉強(qiáng)度、高爐有效容積利用系數(shù)的關(guān)系；可以通過實(shí)驗(yàn)得出新的高爐鼓風(fēng)壓力與爐頂壓力與“螺旋形粉狀料柱”能夠“自然下料”之間的關(guān)系，以及如何保持其平衡的關(guān)系；可以通過實(shí)驗(yàn)探索出新的爐缸溫度如何維護(hù)和保持等關(guān)鍵參數(shù)和方法；可以通過實(shí)驗(yàn)探索出在高爐爐缸內(nèi)無焦炭條件下的鐵口維護(hù)方法；可以通過實(shí)驗(yàn)逐步探索出“粉狀料柱高爐”在“粉狀料柱條件下”所需要的比較經(jīng)濟(jì)的有效高度，以及實(shí)際所需的最為經(jīng)濟(jì)的高爐爐缸直徑與爐腰直徑、爐喉直徑三者之間的關(guān)系參數(shù)，從而得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案；可以通過實(shí)驗(yàn)探索出在“粉狀料柱條件下”的高爐煤氣利用率，以及煤氣利用率與爐內(nèi)“料柱”中“粉料”密度的關(guān)系參數(shù)，以及如何調(diào)整礦粉噴吹密度與煤粉噴吹量等的相關(guān)參數(shù)；可以通過實(shí)驗(yàn)逐步探索出最適合、最經(jīng)濟(jì)的礦粉粒級(jí)，以及礦粉品種，以及進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本的方法；可以通過實(shí)驗(yàn)逐步探索出“噴吹”條件下的熔劑利用率以及合理地造渣制度；可以通過實(shí)驗(yàn)逐漸解決礦粉輸送和噴吹的平衡和控制問題；以及如何解決礦粉輸送、噴吹與爐內(nèi)送風(fēng)、噴煤等協(xié)調(diào)問題；還有高爐休、復(fù)風(fēng)時(shí)高爐送風(fēng)與礦粉噴吹的先后問題、時(shí)間差問題；還有就是采用礦粉噴吹后爐墻上是否會(huì)發(fā)生粘結(jié)問題，這也是筆者最為擔(dān)心的問題。由此看出，利用高爐實(shí)現(xiàn)“短流程”煉鐵是一個(gè)相當(dāng)大的系統(tǒng)工程，不僅需要前期進(jìn)行理論研究，還需要解決在具體實(shí)驗(yàn)過程出現(xiàn)的許多想象不到的問題，還會(huì)產(chǎn)生許許多多新的研究課題，因此，筆者認(rèn)為將該文拿到該高峰論壇討論是非常必要的。