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大型高爐煉鐵技術(shù)綜述
摘要：大型高爐是世界高爐煉鐵發(fā)展的趨勢，是煉鐵先進技術(shù)的集中代表，大高爐具有能耗低，環(huán)保，勞動生產(chǎn)率高的優(yōu)點。為了給中國大高爐企業(yè)提供參考，選取了世界范圍內(nèi)部分大型高爐的技術(shù)指標(biāo)進行了分析和對比，從原燃料，操作參數(shù)，技術(shù)特點等方面進行了分析。
關(guān)鍵詞：煉鐵 大型高爐 技術(shù)特點
1、前言
大型高爐是當(dāng)今煉鐵技術(shù)發(fā)展的趨勢，大型高爐具有生產(chǎn)效率高，燃料消耗低，環(huán)保長壽的優(yōu)點。20世紀60年代初期，世界上最大的高爐容積為2000m3，70年代左右，人們將2000m3以上的高爐稱為大型高爐，將4000m3以上高爐稱為巨型高爐。隨著高爐煉鐵技術(shù)的不斷發(fā)展，高爐的容積也在不斷擴大，2013年6月韓國浦項鋼鐵公司光陽廠1#高爐點火投產(chǎn)，容積達到了6000 m3，成為目前世界范圍內(nèi)容積最大的高爐。根據(jù)GB50427-2008《高爐煉鐵工藝設(shè)計規(guī)范》內(nèi)的規(guī)定：容積在4000-4999 m3的高爐定義為4000 m3級高爐;容積在5000-5999 m3的高爐定義為5000m3級高爐。本文分析了世界范圍內(nèi)部分容積大于4000m3高爐的技術(shù)特點，為國內(nèi)各煉鐵廠技術(shù)人員提供參考和借鑒。
2、世界范圍內(nèi)大型高爐的分布
2.1 4000m³級別大型高爐分布
根據(jù)筆者統(tǒng)計，截至2016年底，世界范圍內(nèi)共有57座4000m3級的高爐在運行，其中中國17座，日本14座，韓國7座，印度4座，德國、美國、俄羅斯、烏克蘭、荷蘭、法國、和巴西分別為2座，意大利、英國、各有1座。
我國高爐大型化是從1985年9月中國寶鋼集團(簡稱寶鋼)投產(chǎn)開始，進入21世紀以后有大批大型高爐建成。據(jù)統(tǒng)計，截至2016年底，我國在役的有效爐容為4000m3級別的高爐累計17座。
2.2 世界5000m³級別大型高爐分布
世界范圍內(nèi)共有28座容積在5000m3以上的高爐，其中日本13座，中國5座，韓國7座，德國、俄羅斯和烏克蘭各1座。
20世紀70年代，以日本為代表的國家相繼建立了一批5000m3以上的大型高爐，引領(lǐng)了世界高爐煉鐵大型化的發(fā)展趨勢[1]。2004年9月29日，住友金屬鹿島廠投產(chǎn)的5370m³新1號高爐，是日本25年來唯一新建的大型高爐。新日鐵大分廠2號高爐于2004年5月大修擴容到5775m³，日產(chǎn)量達到13500噸，成為當(dāng)時世界最大的煉鐵高爐，新日鐵大分廠1號高爐經(jīng)過大修，也擴容到5775m³，這些老舊高爐經(jīng)過不斷的大修改造，依然具有很高的生產(chǎn)效率。
韓國浦項制鐵光陽鋼廠于2013年6月投產(chǎn)的1號高爐容積6000m³，是截止目前世界上最大的高爐。我國雖然從1996年起鋼鐵產(chǎn)量就已經(jīng)超過日本，躍居世界第一位，2008年粗鋼產(chǎn)量超過5億噸，相當(dāng)于日本的4倍。但在2009年前，我國僅有10座4000m³級以上的大型高爐，其中最大的是寶鋼于2009年2月投產(chǎn)的1號高爐(第三代)，有效容積4966m³。由于我國存在大量高污染、高能耗的小型高爐，2009年初制定鋼鐵產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃時，將高爐淘汰標(biāo)準(zhǔn)從300m³提高到1000m³，直接壓縮落后鋼鐵產(chǎn)能1.8億噸以上。因此自2009年，我國大型煉鐵高爐進入建設(shè)高潮，粗鋼產(chǎn)量從2005年的3.55億噸上升到2014年的8.23億噸[2]。2009年5月21日，位于唐山曹妃甸工業(yè)區(qū)的首鋼京唐公司新建成的1號高爐(5500m³)點火成功，標(biāo)志著中國特大型高爐的發(fā)展進入了新階段。同年10月21日，沙鋼5860m³高爐投產(chǎn)，成為當(dāng)時世界上最大的高爐。
3、大型高爐技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)
大型高爐采用強化冷卻的薄壁內(nèi)襯技術(shù)，注重高爐設(shè)計爐型與操作爐型的趨同，改變了傳統(tǒng)的厚壁內(nèi)襯高爐爐型設(shè)計理念，不再依靠侵蝕內(nèi)襯而形成合理的高爐操作爐型，爐型設(shè)計以高爐穩(wěn)定順行、提高料柱透氣性、改善煤氣分布、抑制邊緣煤氣流發(fā)展為要素。在高爐有效高度變化不大的情況下，降低爐腹角有利于爐腹煤氣的順暢排升，而且有利于在爐腹區(qū)域形成穩(wěn)定的保護性渣皮，保護爐腹區(qū)的冷卻器、延長爐腹區(qū)域的壽命。
高爐利用系數(shù)作為大型高爐規(guī)模效應(yīng)的重要指標(biāo)一直受到大家的關(guān)注，但是大型高爐的利用系數(shù)與小型高爐的利用系數(shù)之間存在一定的差別。對比大高爐和小高爐的爐型參數(shù)發(fā)現(xiàn)高爐容積和爐缸面積之間無對稱的比例關(guān)系，小高爐的單位爐容所對應(yīng)的爐缸面積比例明顯大于大高爐。根據(jù)該比例關(guān)系和高爐日產(chǎn)鐵水量進行換算得到：500m3高爐的利用系數(shù)4.0t/(m3·d)，相當(dāng)于4000m3高爐的利用系數(shù)2.1t/(m3·d)左右。因此，大高爐進行強化冶煉所對應(yīng)的利用系數(shù)一般控制在2.2~2.4t/(m3·d)即可。
新日鐵大高爐在運行中并不僅追求高煤比，而是根據(jù)本廠情況確定了噴煤量，但新建噴煤裝置通常都選取了較高的設(shè)計煤比。大型高爐順行中爐料結(jié)構(gòu)的配比非常重要，新日鐵目前的配料方針是在燒結(jié)礦比例為70~80%的條件下，適當(dāng)增加了塊礦的使用比例。
韓國浦項高爐使用大噴煤的技術(shù)，煤比在160-180kg/tHM。同新日鐵一樣，韓國浦項在高爐爐料結(jié)構(gòu)上適當(dāng)?shù)脑黾恿藟K礦的使用比例，降低了生產(chǎn)成本。
沙鋼5800m³高爐2009年10月20日點火開爐，2010年5月達到設(shè)計指標(biāo)，到2010年12月高爐利用系數(shù)最高達2.27t/(m3·d)，燃料比最低達492kg/tHM，煤比最高達165kg/tHM。
首鋼京唐公司1號高爐于2009年5月21日開爐點火，通過采取精料、探索合理的裝料制度、送風(fēng)制度、出渣鐵制度、提高爐頂壓力和富氧高風(fēng)溫等措施，各項生產(chǎn)指標(biāo)不斷得到改善，投產(chǎn)2個月后，高爐利用系數(shù)達到2.0t/(m3·d)以上。2009年12月首鋼京唐1#高爐利用系數(shù)達到2.308 t/(m3·d)，達到設(shè)計水平。2010年3月1#高爐利用系數(shù)達到2.37 t/(m3·d)，焦比(含焦丁)達到306kg/t，煤比達到175 kg/t，燃料比達到481kg/t，各項指標(biāo)達到投產(chǎn)以來最好水平。
湛江鋼鐵1號高爐于2013年5月17日開始打樁建設(shè)[3]，2015年9月25日順利投產(chǎn)。自高爐開始提產(chǎn)，日產(chǎn)量從2015年11月的8500t/d逐漸提高到2016年3月的12000t/d，通過增加風(fēng)量并開始富氧等技術(shù)手段，使得高爐從低利用系數(shù)轉(zhuǎn)入高利用系數(shù)生產(chǎn)，并且產(chǎn)量大幅增加(增加40%)。風(fēng)量、富氧率大幅提高后，氣流分布、溫度場分布、軟融帶形狀、爐缸熱狀態(tài)等都會發(fā)生很大的變化，因此操作上必須作相應(yīng)的調(diào)整。1號高爐擴大風(fēng)口面積，增加風(fēng)量并穩(wěn)定風(fēng)速，增加礦石批重保持合理的料速，同時減小了起始布料角度10°，并擴大布料檔位角差10°。通過操作調(diào)整，這一階段利用系數(shù)從2.0 t/(m3·d)逐步提高到2016年3月的2.3t/(m3·d)，富氧率4.2%，噴煤比170kg/tHM以上，同時保持了較高的煤氣利用率和較低的燃料比。
4、大型高爐的技術(shù)特征及展望
4.1 精料是大型高爐正常生產(chǎn)的基礎(chǔ)條件
這些擁有特大型高爐的企業(yè)深知精料的重要性，都為特大型高爐配備了較高的原燃料條件。特大型高爐入爐礦石品位較高，比同期重點企業(yè)平均高2%左右。當(dāng)前國內(nèi)高爐包括特大型高爐在內(nèi)，燒結(jié)礦配比都在70%左右。這是由于燒結(jié)礦堿度和燒結(jié)高爐配套決定的。所有的特大型高爐都使用高堿度燒結(jié)礦，燒結(jié)品位較高。與特大型高爐配套的都是大型燒結(jié)機，生產(chǎn)工藝先進，這對保證燒結(jié)礦的冶金性能和強度是必要的?？偟膩砜矗哔|(zhì)量的原燃料基本能適應(yīng)大型高爐的需要，保證大型高爐的順行穩(wěn)定，從而達到較好的指標(biāo)。
特大型高爐所使用焦炭質(zhì)量均較高，焦炭灰分有一定優(yōu)勢，2016年4000m3級別高爐灰分較中小型高爐低0.23%，大型高爐所用焦炭灰分在12%左右。2016年大型高爐所用焦炭灰分最高的是本鋼12.32%，其次是馬鋼和沙鋼，均為12.28%?；曳肿畹偷氖菍氫摵驼拷郀t，11.6%左右。從煤粉質(zhì)量看，各大型高爐的煤粉質(zhì)量普遍優(yōu)良，2016年煤粉平均灰分9.57%，比焦炭灰分低2~3%，這大約可使煤焦置換比等于或接近于1，做到噴煤與燃料比同步下降，有利于降低渣量。其中煤粉灰分最高的是本鋼高爐，達到11.06%;灰分最低的是安鋼高爐，達到8.53%。
4.2 富氧大噴煤技術(shù)的廣泛應(yīng)用
富氧大噴煤技術(shù)和低成本冶煉技術(shù)成為廣大高爐操作者的追求目標(biāo)。國內(nèi)4000m3級以上高爐2016年平均煤比達到156kg/t，其中最高的是京唐高爐，煤比到達193kg/t;最低的是包鋼高爐，煤比僅為121kg/t。平均富氧率達到3.57%，富氧率最高的是沙鋼高爐，達到6.37%，其次是武鋼高爐達到6.12%;最低的是梅鋼和鲅魚圈，均為2.0%左右。伴隨高爐富氧大噴煤技術(shù)的持續(xù)提高，高爐的煤氣流分布會發(fā)生一定程度的變化。“充沛穩(wěn)定的中心氣流和適度控制的邊緣氣流”是大高爐進行強化冶煉和大噴煤操作時煤氣流分布的典型特征。對于大高爐而言，煤氣流調(diào)整必須遵循“以下部合適的送風(fēng)制度為基礎(chǔ)，上部爐頂布料制度和中部冷卻制度相匹配”的模式，才能實現(xiàn)高爐煤氣的合理分布和穩(wěn)定。此外，由于大型高爐煤氣流的分布特點決定了大高爐的煤氣利用程度較小高爐明顯躍升一新臺階。
雖然大型高爐采取的富氧大噴煤技術(shù)作為降本增效和節(jié)能環(huán)保效果已經(jīng)得到大家的公認和推廣，但是實施富氧大噴煤技術(shù)是需要一定的條件為前提的。優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的焦炭和低渣比是大型高爐成功實施富氧大噴煤技術(shù)的前提和基礎(chǔ)。在大型高爐富氧大噴煤過程中焦炭的“骨架”作用尤為突出，焦炭的強度和焦炭灰份含量作為焦炭優(yōu)質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)內(nèi)容必須得到保證。大型高爐在實施富氧大噴煤技術(shù)過程中仍存在一定數(shù)量的未燃煤粉作用，因此控制高爐低渣比不僅能夠有效改善料柱的透氣性，而且也確保爐缸焦炭柱的透液性和爐缸整體活性。
4.3 大型現(xiàn)代化的原燃料生產(chǎn)設(shè)備為高爐大型化提供了有力支撐
大型高爐為淘汰落后裝備、改善環(huán)境條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低能源消耗和提高市場競爭力，發(fā)揮了積極的作用。大型高爐的設(shè)計，在精料、高風(fēng)溫、大噴煤、高效長壽、環(huán)保節(jié)能、提高裝備本地化率、降低投資和縮短建設(shè)工期等方面，都有較多的體現(xiàn)[4]。大型高爐的建設(shè)需要以大型設(shè)備的設(shè)計和制造技術(shù)為支撐、以穩(wěn)定的大宗原燃料供應(yīng)為前提，以及匹配的原燃料(燒結(jié)礦、球團礦和焦炭)加工技術(shù)與裝備等硬件條件，同時需要對大型高爐冶煉規(guī)律的認識、操作技術(shù)的完善和高水平的管理等軟件條件，高爐大型化是一個國家綜合工業(yè)水平的具體體現(xiàn)[5]。高爐大型化也并非僅指高爐冶煉工序，還應(yīng)包括料場原料準(zhǔn)備、燒結(jié)、球團和焦化等鐵前工序的系統(tǒng)配合。高爐大型化歷程是對冶煉規(guī)律和冶煉實績不斷積累和總結(jié)的過程，只有通過技術(shù)創(chuàng)新才能實現(xiàn)高爐長期順穩(wěn)生產(chǎn)。長遠來看，高爐競爭力不僅表現(xiàn)在當(dāng)前的煉鐵成本控制能力，還要著眼于未來節(jié)能減排和環(huán)境保護，大型高爐更具優(yōu)勢和競爭力。
大型高爐建成投產(chǎn)實現(xiàn)了裝備的升級換代，但是軟實力的提升需要較長時間的探索。國內(nèi)第1座大型高爐(爐容為4036m3)從投產(chǎn)到穩(wěn)定運行經(jīng)歷了艱苦的探索，但是也獲得了相對完備的大型高爐操作技術(shù)，創(chuàng)造出了很多先進的高爐冶煉技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，并且表現(xiàn)出了強勁的競爭力。首鋼京唐公司于2009年投產(chǎn)了國內(nèi)第1座爐容為5500m3的高爐。高爐大型化不僅是高爐爐容的擴大，還包括鐵前全部工序配套的硬件裝備和應(yīng)用技術(shù)。首鋼京唐公司擁有的焙燒面積為504m2的球團帶式焙燒機和550m2燒結(jié)機和炭化室高度為7.63m的焦?fàn)t等大型裝備，以滿足大型高爐對入爐原燃料在數(shù)量、質(zhì)量和穩(wěn)定性等方面需求，使高爐獲得良好的運行指標(biāo)。
4.4 優(yōu)化設(shè)計，提高壽命是大型高爐發(fā)展的必然趨勢
在大高爐建設(shè)投資額要高于小高爐近7倍左右的條件下，實現(xiàn)大高爐的高效低成本目標(biāo)必須通過盡可能延長高爐使用壽命來實現(xiàn)。因此，實現(xiàn)大高爐的長壽化是又一項完整的系統(tǒng)工程。在沒有中修的前提下，高爐服役時間超過15年和單位爐容產(chǎn)鐵大于10000t/m3，才基本達到大高爐的長壽化目標(biāo)。實現(xiàn)大高爐長壽化必須是設(shè)計和制造、施工和維修、操作與維護等工作的綜合結(jié)果。在力求高爐日常操作的穩(wěn)定性和爐役后期的維護技術(shù)對高爐的長壽帶來積極作用的同時，在高爐設(shè)計中所采用的大高爐上部和下部的長壽技術(shù)，才是實現(xiàn)高爐長壽目標(biāo)的基礎(chǔ)和條件。延長高爐壽命是現(xiàn)代高爐技術(shù)的發(fā)展趨勢。首鋼京唐5500m³大高爐設(shè)計壽命為25年，一代爐齡產(chǎn)鐵量達到20000t/m3以上。首鋼京唐高爐設(shè)計中運用現(xiàn)代高爐長壽技術(shù)理論，采用國際先進的高爐高效長壽綜合技術(shù)，確定合理的高爐爐型，采用無過熱冷卻器和純水密閉循環(huán)冷卻技術(shù)，優(yōu)化爐體內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，設(shè)置完善的高爐自動化檢測與控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)高爐生產(chǎn)的穩(wěn)定順行、長壽高效。
爐腹角和高徑比是大型高爐設(shè)計中必須高度重視的主要參數(shù)，該參數(shù)選擇的是否合理直接影響高爐投產(chǎn)后爐況的穩(wěn)定和指標(biāo)的提升。大高爐的爐腹角和高徑比均比小高爐低，對于大型高爐而言，一般控制爐腹角在80.5~82.5°，高徑比在1.95~2.20。對同一級別的大高爐而言，選擇的爐腹角區(qū)間明顯比高徑比要分散，即大高爐企業(yè)在基本認同適度矮胖型的基礎(chǔ)上對爐腹角的選定存在著一定程度的意見分歧。以寶鋼大高爐的選擇結(jié)果為例，所選定的爐腹角和高徑比均在平均線區(qū)域內(nèi)，同時寶鋼高爐的爐腹角和高徑比也存在適度下降的趨勢，這主要與原燃料條件的劣化趨勢有關(guān)。對于爐前鐵口數(shù)量的設(shè)計，必須根據(jù)爐容大小和高爐強化冶煉能力來設(shè)計[6]。
5、小結(jié)
(1)高爐大型化是當(dāng)今煉鐵技術(shù)發(fā)展的趨勢，大型高爐具有生產(chǎn)效率高，燃料消耗低，環(huán)保長壽的優(yōu)點。
(2)目前世界范圍內(nèi)共有57座4000m3級的高爐在運行，28座容積在5000m3以上的高爐在運行。
(3) 大型高爐投產(chǎn)后均取得了良好的經(jīng)濟指標(biāo)，焦比達到300kg/t，煤比達到180kg/t，燃料比低于500kg/t。
(4)大型高爐的主要技術(shù)特征包括：精料，富氧大噴煤，長壽環(huán)保，原燃料設(shè)備大型化等特點。
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