對煉鐵技術發展方向的幾點認識摘要煉鐵工藝已經形成高爐系統和非高爐系統兩大系列。高爐系統的技術發展方向是：①擴大資源的利用范圍與水平；②進一步改進工藝，節能降耗；③余能余熱的回收利用與環保。非高爐系統重點談談粉礦熔融還原走向商業化需要改進的方向與方法設想。關鍵詞高爐資源工藝節能環保熔融還原煉鐵技術經過數百年的研究開發，現已形成高爐煉鐵系統和非高爐(熔融還原、直接還原)系統兩爍列。以下對它們的技術發展方向談點初淺的認識埔批評指正。l高爐煉鐵系統高爐煉鐵系統經過不斷地研究改進，成績斐然。現今，為了進一步提高效益，技術發展方向有以下三個方面：1．1擴大資源經濟合理利用的范圍與水平在鐵礦石中，褐鐵礦的經濟合理利用已取得很大進展，又出現了經濟合理利用菱鐵礦的開發研究。含鐵塵泥中對瓦斯泥和高爐干法除塵灰的利用也出現新的苗頭，只要有害雜質不超標，如鋅負荷利用后的綜合負荷在200g／t以下，完全可以直接回收利用；在高風溫、富氧條件下，還可與煤粉混合向高爐噴吹。在煤炭中，有很多新技術既保證焦炭質量又擴大了煉焦配煤中弱粘結性煤種和非煉焦煤種的比例，回收廢焦油等，做型煤粘結劑，合理利用也有新的進展。近幾年，我國在資源利用方面有很大進展，但與世界先進水平相比，總體上還有差距。煉鐵系統使用的資源是不可再生的，必須合理利用與回收再利用，所以對資源利用的研究，將是一個長期需要研究開發的課題。1．2改進工藝技術，進一步節能降耗其一是降低煉鐵的燃料比。現在高爐降低燃料比還有多大潛力目前一般高爐的直接還原率為35％一40％，，比最低燃料比相適應的直接還原率高3％一10％左右，但最低燃料比的合適直接還原率不是定值，它隨單位生鐵的全部熱量消耗與供熱方式變化而變化。一般每公斤生鐵全部熱量消耗每減少836kJ／kg，最低燃料比合適的直接還原率平均應高6％左右，每提高100℃風溫應高1．5％左右。本鋼1958年12月～1959年3月，分析結果是每公斤生鐵全部熱消耗為12540kJ時，合適的直接還原率25％左右；而熱量消耗降為10450kJ／kg時，合適直接還原率可升高到近35％。首鋼1953年燃料比為1029kg／t，到2005年6～7月降到499．5kg／t，就是改進原料與操作，降低熱量消耗與風溫由597℃提高到1069℃的結果。挖掘現有潛力，也是降低直接還原率與減少單位生鐵全部熱量消耗、改進供熱方式同時并舉，在某種意義上說，后者仍是主要方面。其二是增加噴煤比例，降低成本。因資源擴展與價格差別，噴煤可降低成本。人們對噴煤量的極限有很多提法：①風口前理論燃燒溫度界限；②空氣過剩系數界限；③風口前未燃碳量界限。筆者認為這些提法在一定時間內有過指導作用，但隨著技術的進步，只能作參考，不能再用這些數據限制噴煤量。隨著噴煤量不斷增加，只要保持鐵水溫度正常，T理可以降低，空氣過剩系數也可以降低；風口前未燃碳影響因素很多，無法真實從爐缸循環區測定。風口前理論燃燒溫度一個高爐一個值，不同條件不同值，用別人的經驗公式值限制自己的噴煤量是不可取的。真正噴煤量的界限是爐內煤粉的氣化率與利用率。煤粉是不可能在風口前循環區完全氣化的，必然在高溫區參加直接還原與滲碳。煤粉和未燃碳跑出爐外，不僅是損失、降低置換比，而且煤粉和未燃碳跑出量多，還會影響高爐順行。其界限值，應是煤粉在爐內的氣化率和利用率在98％以上，從瓦斯灰等爐內排出物中檢測出煤粉比例不要超過2％。提高置換比除了提高煤粉氣化率和利用率外，就是選擇好噴吹煤種，影響置換比最重要的兩個要素：一是灰分高低；二是煤粉揮發分中的氧化度，氧化度越高，置換比越低。所以選擇噴吹煤種時除常規的指標性能要求外，還要注意揮發分的氧化度。挖潛的具體方法：(1)堅持精料。精料是降低單位生鐵全部熱量消耗，充分利用爐內煤氣熱能與化學能的基礎。對精料的要求一是質量要好，二是成本要低，焦炭的質量非常重要。現在提高焦炭質量與擴大配煤比例，降低成本的實用技術也較多，如完善巖相配煤，防止結焦性好的煤過分粉碎和弱粘結性硬煤不粉碎的分煤種破碎技術；利用廢焦油渣來做粘結劑增加型煤比例，以及鍍碳鍍膜技術等。在此介紹寶鋼17年完善巖相配煤的經驗，他們取得了改善質量又增加中長焰煤配比6％，貧瘦煤配比11％，煤種由8個增加到20多個的成果。還特別強調降低焦炭灰分的作用，當焦炭灰分由12％降到11．3％后，不僅固定碳增加，還使反應性<26％，反應后強度>66％，見表l。由于寶鋼焦炭質量好，已連續4年多時間噴煤在200kg/t以上。燒結技術總的方向是發展低碳厚料層低溫燒結和低硅燒結。低碳低溫，必須厚料，原料必須經混合制粒好，有良好的透氣性和不大量漏風。低硅燒結是提高入爐品位帶來的要求，包括各種添加劑在內有很多實用技術。特別要提出的是“燒結機全封閉，多級磁力密封技術”，這可以說是一大創新，已在唐山地區、酒鋼、宣鋼等廠應用，都收到了節電、節風，大幅度降低漏風率的效果。可能還有一些不十分滿意的地方，但這個方向是對的，應大力推廣并再向200m2以上燒結機大型化發展，并不斷完善。(2)改進工藝操作。煉焦、燒結等都有改進自己操作和管理的地方，下面僅談高爐操作技術，好的標準是穩定順行，充分利用煤氣的熱能與化學能，實現高產、優質、低耗、長壽。各廠的技術操作規程中，都有高爐穩定順行的十多條標志性規定，筆者認為把它歸納起來就是三個方面、六個指標，即：①煤氣流方面：爐頂煤氣溫度的波幅與圓周個方向差值曲線；頂半徑測溫曲線(含爐頂攝像)爐喉半徑CO2曲線。②爐料下降方面：風壓與風量關系，壓差、透氣性指數曲線；料尺工作曲線。③常溫爐料變高溫渣鐵方面：爐缸的渣鐵溫度；爐墻溫度與熱流強度。這三方面六個指標中，每個方面有一個指標是基本穩定不變的，另一個指標可在新的條件下建立新的平衡，數據有所變化。如煤氣流方面，爐頂煤氣溫度曲線不論什么條件都基本不變，而爐頂半徑煤氣測溫曲線(爐頂攝像)或爐喉半徑煤氣CO2曲線的邊緣與中心的數值及差值可以根據不同條件變化，但不能因此影響爐頂煤氣溫度曲線出現較大變化；爐料下降方面，料尺工作，不論何時好的標準都是不變的，而壓量關系，壓差、透氣性指數，在不破壞料尺工作的條件下，可以有新的數據穩定平衡；常溫爐料變成高溫渣鐵方面，一座高爐的爐缸合適的鐵水溫度是穩定不變的，而爐墻溫度(熱流強度)是保持爐型完整的指標，只要不影響煤氣流的合理分布可以建立新的平衡數據。三不變三可變，可變指標的變化不能影響三不變指標；三可變指標之間也有相關性，如新的爐頂半徑煤氣溫度曲線(爐頂攝像)爐喉或CO2，曲線，可以找到新的壓量關系，壓差與透氣性指數及爐墻溫度和熱流強度。但要注意，找到的新的平衡，防止短期穩定，出現反復。上述三個方面中的爐料下降與常溫爐料變高溫渣鐵兩個方面，是保證高爐煤氣流合理分布的條件與結果，核心是合理煤氣流。高爐操作就是搞好各種操作制度，在高強化冶煉條件下實現煤氣流的合理分布。與煤氣流相配合的是高爐橫截面與縱向空隙度(S)的合理分布，它由物種、物種之間搭配和爐料下降運動綜合決定的。每個物種，根據它的粒度組成、強度等指標，如礦石、焦炭有自己的空隙度；物種之間的配比，根據批重大小，半徑方面各點各物料的搭配比例，在一定高度半徑方向各點就有新的空隙度；爐料下降，半徑方向各點又會出現新的空隙度，由此決定煤氣流是否合理。高爐半徑方向各點空隙度完全相等是不可能的，也不是合理煤氣分布所需要的。煤氣流上升過程中，空隙度大的地方煤氣走得多、快，空隙度很小的地方，煤氣走的很少甚至不被利用。我們要使煤氣流合理分布，就希望按我們的要求，半徑方向各點空隙度值按大小相對均勻化，空隙度點利用面積最大化，消減不被利用的死點。為此：①選擇好送風制度，使煤氣流原始分布合理。應正確認識風速、動能的作用。提高風速動能在一定范圍內有延伸回旋區的作用，但回旋區深度是由高爐大小決定的，合理的深度與爐缸半徑有一定比例。隨爐內煤氣擴散條件改善，提高風速動能可以改善煤氣向中心和四周的擴散，中心雖不參加回旋運動，但由于擴散條件改善走向中心的煤氣增多，中心溫度提高，促進滲碳與還原，可改善爐料運動。所以只要不出現動能過大表現，應該維持較高的風速動能。②選擇好裝料制度。根據礦石、焦炭的粒度組成與冷熱強度等質量指標及在爐喉的實際落點，選擇合理的料批大小，調整半徑方向各點的物種配比，達到合理的孔隙度初始分布，并與下部送風制度相配合。經常爭論較多的料批大小與裝料物種角度圈數，從孔隙度觀點來看，粉末多的，冷熱強度差的，由于自身孔隙度小，料批就要小一點，各點厚度不能太厚；半徑方向孔隙度各點差別可以稍大一些。利用焦炭孔隙度大的優勢，保持形狀基本合理的分布。反之，爐料質量越好，料批可大，半徑各點孔隙度相對均勻，使煤氣分布更合理。③造渣制度。主要看渣量大小與初渣終渣成分，渣量小時，成渣區的渣焦比改善，孔隙度增大。初渣FeO較高，一般性能變化不大，終渣成分當Al2O3較高時，可以用較高的爐缸熱度來適應。④熱制度。關鍵是穩定爐缸鐵水溫度，也就是穩定原始煤氣量等。檢驗煤氣流是否合理的標準就是爐頂煤氣溫度與爐頂煤氣測溫曲線，它反映煤氣在爐內分布的結果。爐頂煤氣溫度水平、每次加料前后波幅，四個方向差值正常，就是穩定的煤氣流。爐頂半徑方向煤氣測溫曲線表示半徑煤氣分布與利用情況，它與爐喉半徑CO2曲線有相似之處，但又有本質不同。爐頂煤氣測溫曲線(爐頂攝像)是反映煤氣上升傳熱結果，是連續不斷的數值反映；而爐喉半徑CO2曲線是煤氣上升傳質結果，是間斷的，由利用率百分比推斷煤氣量。相比之下，爐頂煤氣測溫傳熱曲線反映煤氣量的分布，更準確一些。一般要求傳熱曲線中心溫度比邊緣溫度高200℃以上，中心孔隙度較大，煤氣流速快，這種分布對提高爐料下降重力促進邊緣均勻分布，加重邊緣，改善煤氣的利用，提高噴煤的氣化率與利用率，提高置換比都有好處。關于傳熱曲線與傳質曲線的關系，可以說傳熱曲線合理是保證高爐順行的基礎。在傳熱曲線合理的基礎上改善傳質，但改善傳質曲線不能破壞傳熱曲線的基本形狀。1．3余熱余能回收利用與環保方面這兩方面進展也很快，尚待開展的有爐渣顯熱的長期合理利用與減排CO2等等，如何做到經濟合理，還有很多需要研究的課題。2熔融還原非高爐煉鐵系統有直接還原與熔融還原。下面只談對熔融還原的認識。20世紀下半葉以來，隨著資源與環保形勢的要求，世界各國都在強化熔融還原的研究。現在研究較多的有10多種方法，真正投入生產的只有(Core某，并且是用塊礦冶煉；粉礦冶煉有一定試驗成果的有Himelt、Romelt和Dio等方法。雖然取得很多成果，如Himelt的二次燃燒，涌泉傳熱、氧化脫P等等，但也有一些不足。2．1資源損失較大，渣中FeO高，還影響爐渣的再利用這三種方法中Himelt渣中FeO+Fe2O3在5％左右，RomeltFeO在2．0％～2．5％，Dio的FeO在2％～5％，都比高爐渣和Core某渣FeO高4．5％～1．5％。不僅浪費資源，還影響爐渣的加工利用合理循環經濟的需要。2．2能耗較高Himelt的能耗在700kg／t左右，Romelt、Dio的能耗都在1000kg／t左右，排放的高溫煤氣都比高爐、Core某多，損失熱量，尤其是Himelt，用N2氣做載體噴吹礦粉和煤粉，排出量最大見表2。2．3爐體壽命較短我國鐵礦石一般是貧礦與共生礦較多，常是粉碎精選后再冶煉，應以開發粉礦熔融還原為主，它可直接回收利用各種含鐵塵泥冶煉。但要使粉礦熔融還原，真正走向商業化生產，必須解決資源浪費，盡可能的減少綜合能源消耗，同時也要解決壽命與維修費基本合理，并且要具備較大生產規模和較大勞動生產率。對解決上述粉礦與熔融還原存在的不足，提出以下方法：(1)建立精還原條件。高爐渣和Core某爐渣FeO低是兩者在風口下有塊狀的過剩的還原劑固定床，還原爐渣中的FeO。而現在上述三種方法，在一個熔融還原爐內，又要求氧化傳熱，又沒有過剩還原劑的固定床，很難做到精還原。以Himelt為例，若將前置爐內裝入煤塊，用熔融爐內排放的高溫氣體，加熱還原劑到1500℃左右，排出的渣鐵直接排入前置爐，使前置爐變成精煉爐，就可大幅度降低FeO。由于FeO降低，爐渣脫S效率大幅度提高，改善生鐵質量，爐渣不再從渣口外排，不僅解決了爐渣FeO高的問題，還解決渣中帶鐵5％以上的安全與鐵的回收問題，從前置爐排出可以很好地解決渣、鐵分離，渣可以直接沖水渣利用。我們做過一個小試驗證實有這種可能性，見表3、表4。鐵中含碳近飽和狀態，對Himelt鐵水無Si，C較低，用于煉鋼也有好處；精煉吸熱，計算還原FeO吸熱，不考慮增加Fe3C放熱等反應，1500℃渣鐵，僅降低17℃左右，可以不連續加熱。(2)改進傳熱方式，減少熱損失。不用N2氣做噴吹載體，甚至可用高溫空氣，噴吹礦粉、煤粉，快速加熱到1600℃左右還原。減少碳素發熱消耗和二次燃燒率，減少高溫氣體排放量。含FeO較高的爐渣可在精煉爐還原回收生鐵。噴槍插入深度或改變噴吹風壓力，保持