劉健

（河鋼集團(tuán)承德釩鈦新材料有限公司）

眾所周知近些年來鋼鐵冶金行業(yè)面臨著環(huán)保要求嚴(yán)格、市場需求銳減、利潤空間降低、行業(yè)競爭激烈等諸多方面的困難，這樣的環(huán)境也顯示這個行業(yè)正由增量經(jīng)濟(jì)向存量經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變，在這樣嚴(yán)峻形勢的考驗下，企業(yè)本身所具備的綜合競爭力便顯得尤為重要。在這個高速發(fā)展的新時代，我們很容易看到新興巨頭的崛起與落后巨頭的謝幕，不過就是因為新技術(shù)的產(chǎn)生淘汰了落后的技術(shù)，在技術(shù)更新迭代快的領(lǐng)域，如電子產(chǎn)品領(lǐng)域，表現(xiàn)的特別突出。我相信這個道理也同樣適用于鋼鐵行業(yè)，所以我們的企業(yè)想要生存、發(fā)展、壯大，就一定不能忽視在科技創(chuàng)新方面的投資與研發(fā)，不能忽視科創(chuàng)人才的重視和任用，不能放棄新技術(shù)的探索與嘗試。

高爐煉鐵在鋼鐵企業(yè)中占據(jù)著關(guān)鍵的中心地位，其產(chǎn)量直接關(guān)系到整個生產(chǎn)流程的產(chǎn)量，鐵前成本占據(jù)鋼材成本的60%~70%，所以高爐煉鐵產(chǎn)量的高低和成本的控制在鋼鐵行業(yè)中至關(guān)重要。

一座生產(chǎn)中的高爐，它的爐況按透氣性指數(shù)來區(qū)分，我把它分成三種狀態(tài)，第一種狀態(tài)透氣性指數(shù)差，第二種狀態(tài)透氣性指數(shù)一般，第三種狀態(tài)透氣性指數(shù)好。那么我們通常追求的就是第三種狀態(tài)，第三種狀態(tài)的表現(xiàn)就是相對來說使用著更大的風(fēng)量或者氧量，同時有著更高的料速。那么我們知道如圖1所示，溫度越高，鐵氧化物的穩(wěn)定性也就越差，就越容易被還原，同時更多的高溫區(qū)域（1000℃以上），才能使C+CO₂=2CO激烈進(jìn)行，并產(chǎn)生大量的CO作為還原劑，（如圖2所示CO含量與溫度對于鐵氧換物還原反應(yīng)的影響），當(dāng)然也需要間接還原反應(yīng)及混合反應(yīng)區(qū)域產(chǎn)生大量的FeO，綜上所述，擁有這些條件才能使料速加快、產(chǎn)量增加。同時我們知道料速的提高，爐內(nèi)必須要有足夠的熱量來支撐這個高料速狀態(tài)，如果熱量不足的話，一段時間后伴隨著氣流的出現(xiàn)，爐溫就會迅速轉(zhuǎn)涼，但是這個足夠的熱量如果過度的集中在一個區(qū)域，通常是高溫區(qū)域如軟融帶、滴落帶，就會增加半熔融狀態(tài)下礦物的數(shù)量，從而降低該區(qū)域的透氣性，如果沒有影響透氣性的話，證明這些增加的熱量擴(kuò)散到了其它的區(qū)域（間接還原反應(yīng)、混合還原反應(yīng)區(qū)域）。

我們通過觀察發(fā)現(xiàn)，富養(yǎng)量不變的情況下，風(fēng)量增加、透氣性指數(shù)變好時，爐身溫度通常有所增加，我認(rèn)為其增加程度與邊緣氣流發(fā)展?fàn)顩r有關(guān)，如果邊緣氣流發(fā)展的好，則增加的程度明顯，如果此時中心氣流發(fā)展的更好，則增加的程度不明顯。當(dāng)然同樣與軟融帶是“W”形，還是倒“V”形也密切相關(guān)，其道理與邊緣氣流發(fā)展?fàn)顟B(tài)相同。

以軟融帶為倒“V”形為例，我們可以通過以下三張示意圖來理解高爐三種狀態(tài)下溫度區(qū)域分布的差異。（圖3）

如果將爐頂料面分成九個方向即中心、（邊緣）東、南、西、北、東南、東北、西南、西北，那么圖3中第一種透氣性差的狀態(tài)，氣流僅僅在少數(shù)方向上發(fā)展的健康，在多數(shù)方向上發(fā)展的不健康，通過爐頂攝像就很容易觀測到料面在這九個方向上死活差異的不同來。

氣流分布的不好，料面也會出現(xiàn)傾斜的狀況，當(dāng)氣流進(jìn)一步惡化，往往就需要恢復(fù)爐況操作了，恢復(fù)爐況的高手一定明白一個道理，那就是流量為先。需要大家認(rèn)識到并記住的就是，一定要把增加流量作為恢復(fù)爐況的第一要素來看待！不管我們是采用輕負(fù)荷也好，是加凈焦也好，是放邊也好還是降料面恢復(fù)也好，當(dāng)你流量加起來之后，爐況的恢復(fù)自然就變得得心應(yīng)手起來，那是因為大風(fēng)量在料柱內(nèi)流動，會自然的把熱量分配到各個區(qū)域上，在物理化學(xué)反應(yīng)的綜合作用下，各區(qū)域溫度就達(dá)到了合理范圍，區(qū)域溫度分布合理后氣流分布就自然合理起來，那么這個爐況自然就漸漸的恢復(fù)過來了。（恢復(fù)爐況的具體方法非本篇內(nèi)容要義，就不詳述了。）當(dāng)然區(qū)域溫度的合理分布，也更有利于一氧化碳還原反應(yīng)的合理進(jìn)行，使煤氣利用率保持在良好的范圍。

前面提到過我們所追求的爐況狀態(tài)就是圖3中的第三種狀態(tài)，為了達(dá)到第三種狀態(tài)我們通常都會加強(qiáng)以下幾種強(qiáng)化冶煉措施來實現(xiàn)。

第一提升原料質(zhì)量，近些年來高爐冶煉指標(biāo)的進(jìn)步，離不開原料水平逐漸提高所帶來的有益因素影響，尤其是焦炭質(zhì)量，其中的M10、M40、CSR、CRI指標(biāo)對高爐爐況的順行至關(guān)重要，因為焦炭料柱骨架作用深刻影響著氣流的合理分布，焦炭所提供的碳元素對高爐內(nèi)發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)都起到至關(guān)重要的作用。不過大多數(shù)煉鐵人都知道使用精料對高爐爐況變好作用重大，但實際使用上還要受到成本、決策等諸多其它因素的束約。

第二提高風(fēng)溫，熱風(fēng)爐約消耗高爐產(chǎn)生煤氣量的40%，它約供給高爐正常生產(chǎn)耗熱的四分之一，熱風(fēng)仍是供給高爐生產(chǎn)所耗熱中最廉價的熱量。雖然每提高100℃的風(fēng)溫，可降低焦比4%~7%，但是風(fēng)溫也不是無上限供給的，一般高爐所使用的風(fēng)溫在1100℃~1300℃之間，其風(fēng)溫上限受限于熱風(fēng)爐的材料、工藝水平、煤氣質(zhì)量等因素，同時風(fēng)溫的使用還要考慮到高爐的熱平衡，保證爐溫處于合理區(qū)間。風(fēng)溫使用的高低通常與爐況的好壞成正比關(guān)系，如果不考慮爐況而一味的提高風(fēng)溫，就會造成透氣性變差，甚至懸料的風(fēng)險。因為當(dāng)爐況不能匹配此時的風(fēng)溫時，風(fēng)量沒有增加，料速沒有加快，只是提高風(fēng)溫就直接增加了軟融帶、滴落帶的溫度，從而增加了半熔融狀態(tài)下礦物的數(shù)量，從而降低了透氣性。那為什么爐況好的時候可以使用風(fēng)溫呢？因為首先高料速使單位體積的爐料在高爐內(nèi)同一區(qū)域停留的時間變短，尤其在高溫區(qū)域如軟熔帶、滴落帶、渣鐵帶，其溫度自然就不容易過高，另外大流量有利于熱量的快速運輸與傳遞，所以好爐況時使用高風(fēng)溫才不會造成透氣性變差的情況。所以風(fēng)溫要配合爐況狀態(tài)來使用才最為合理。

第三增加噴煤，噴煤的作用與焦炭有些相似，不同于焦炭的就是其不能作為料柱骨架來使用，所以煤比的高低也受限于焦炭質(zhì)量，當(dāng)焦炭質(zhì)量好，能提供良好的料柱骨架作用時，才能夠?qū)崿F(xiàn)低焦比、高煤比的好指標(biāo)。還有一點就是其加入高爐的位置不同，焦炭是由爐頂布料器加入，煤粉則是由風(fēng)口噴入，所以改變煤比比改變焦比對高爐爐溫的影響更為迅捷，由于它直接作用于風(fēng)口燃燒帶區(qū)域，不考慮爐況，一味的增加煤比，也會使風(fēng)口帶區(qū)域溫度過高，造成透氣性變差的影響。噴煤的使用同樣要考慮到高爐的熱平衡的變化，保證爐溫處于合理區(qū)間。另外就是當(dāng)爐溫過低、透氣性差時，也不能直接通過噴煤手段來增加爐溫，因為煤粉噴入高爐首先其分解、造焦的過程要吸收熱量，當(dāng)熱量不足時更容易使煤粉不能充分燃燒，就進(jìn)一步降低了風(fēng)口燃燒帶的溫度，同時降低該區(qū)域的透氣性，不利于爐況恢復(fù)。

第四增加富氧，富氧有利于強(qiáng)化風(fēng)口回旋區(qū)域的氧化反應(yīng)，提高煤粉的燃燒率，提高風(fēng)口燃燒帶區(qū)域焦炭的理論燃燒溫度，能夠有效的降低焦比，提高產(chǎn)量。但是隨著富養(yǎng)率的提高，我們會發(fā)現(xiàn)明顯的“上冷下熱”現(xiàn)象（如圖4所示），而且對產(chǎn)量提高的影響也變得越來越小。為什么會出現(xiàn)這種“上冷下熱”現(xiàn)象呢？風(fēng)口帶區(qū)域的理論燃燒溫度提高了所以“下熱”很好理解，“上冷”則是由于提高富養(yǎng)率會使高爐內(nèi)N₂的含量降低，氣流中CO的含量升高，如圖2所示當(dāng)CO含量過高以后其極易與鐵氧化物發(fā)生還原反應(yīng)，在高爐上部區(qū)域存在著大量的Fe₃O₄，當(dāng)滿足與其發(fā)生還原反應(yīng)的條件之后，F(xiàn)e₃O₄+CO=3FeO+CO₂大量發(fā)生，進(jìn)一步降低了該區(qū)域的溫度，當(dāng)溫度低到一定程度（如570℃）以下時，溫度條件又限制了該還原反應(yīng)的進(jìn)行，在CO含量與溫度的雙重作用下，使得高爐從整體來看產(chǎn)生了這種“上冷下熱”的現(xiàn)象。為什么增加富氧對產(chǎn)量的影響越來越小呢？就是因為當(dāng)富氧率達(dá)到一定程度時，其雖然對直接還原反應(yīng)區(qū)域的強(qiáng)化效果明顯，但是由于“上冷”區(qū)域的影響，弱化了間接還原反應(yīng)和混合還原反應(yīng)的強(qiáng)度，兩者利害相抵自然對產(chǎn)量提高的影響變的越來越?。ㄈ鐖D4所示）。同時上部區(qū)域溫度長期過低，使高爐爐況一直處于危險的邊緣地帶，一旦有其它不利因素參與進(jìn)來，極易造成高爐大涼，甚至爐缸凍結(jié)的風(fēng)險，這便是高富氧率所帶來的固有難題。

下面我向大家揭秘一下高爐為何向矮胖型發(fā)展，如圖5所示中型高爐向大型高爐的發(fā)展過程中，高爐的有效容積增大了，體內(nèi)的空間增大，當(dāng)料柱的密度相同的情況下，氣流運動的距離越長，氣流所受到的阻力越大，那么氣流就越不好發(fā)展，爐況也就越差。如果高爐爐型向細(xì)高化發(fā)展，（如圖五中的陰影部分代表氣流運動增長距離的部分）那么料柱內(nèi)所有氣流受到的阻力都會增強(qiáng)，這是我們所無法接受的。向矮胖型發(fā)展則有一些氣流的運動距離變化不大，但是也有一部分的氣流運動距離增長了，就是圖5中矮胖型高爐的中心陰影部分。我們觀察到一個有趣的現(xiàn)象，超過1000m³的高爐，有效容積大小往往和利用系數(shù)大小成反比的關(guān)系，那是因為隨著高爐有效容積的增大，其中心陰影部分的體積占比也越來越大，中心陰影部分占比越大，中心氣流越不好發(fā)展，即便是采取中心加焦的方法，在燃料比不變的情況下，中心得到加強(qiáng)，邊緣就會相對減弱。我們沒有將高爐的有效容積繼續(xù)擴(kuò)大到7000m³以上，其中很大一部分的擔(dān)心就是有效空間利用系數(shù)變得過低，使得其經(jīng)濟(jì)性得不到保障，所以這是我們不能忽視的大型高爐矮胖化發(fā)展所存在的先天性缺陷。

高爐的富氫冶煉技術(shù)，不僅能夠降低焦比，更重要的是能夠減少碳排放，為我國實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)貢獻(xiàn)力量，但是我們知道氫氣還原氧化鐵是吸熱反應(yīng)，所以說人們進(jìn)行高爐富氫冶煉的時候，通常還要采取手段對高爐進(jìn)行熱補(bǔ)償，但是即便我們有技術(shù)在風(fēng)口帶區(qū)域提供足夠的熱量，在我們加大富氫量的同時，氫氣的利用率也會降低，與高富氧的情況類似，料柱氣流中隨著H₂含量的增加，增加了H₂與鐵氧化物還原反應(yīng)的數(shù)量（如圖2所示），使區(qū)域溫度進(jìn)一步降低，（在810℃以上H₂的還原劑效果好于CO）低溫又限制還原反應(yīng)的強(qiáng)度，兩者綜合作用便產(chǎn)生的“上冷”現(xiàn)象，（下部的熱補(bǔ)償還不能太高，不然會造成“下熱”的現(xiàn)象）同時使用高富氫、高富氧、熱補(bǔ)償?shù)却胧┯秩菀自黾訜掕F成本，這些問題便成了高爐富氫冶煉所帶來的先天性難題。所以當(dāng)使用大型高爐進(jìn)行富氫冶煉再配上全富氧時，三大難題相疊加，情況如何不用我說大家也可想而知。

每一個企業(yè)把提產(chǎn)降耗作為目標(biāo)都是合理的追求，然而并不是你有能力吃好料而不吃，有好爐況使用風(fēng)溫、富氧、噴煤而不使，有先進(jìn)的高爐富氫技術(shù)而不用，而是受到了種種條件的制約而不能使用。當(dāng)然人為操作水平的差異還是存在的，但是隨著時間的推移，先進(jìn)成熟技術(shù)的推廣，市場及企業(yè)的優(yōu)勝劣汰，在人為操作水平方面的差距會變得越來越小。

綜上所述，那么大型高爐的提產(chǎn)降耗及富氫冶煉的關(guān)鍵核心是什么？就是技術(shù)的進(jìn)步！進(jìn)一步來說就是通過技術(shù)來打破束縛高爐強(qiáng)化冶煉措施的受限范圍，高爐強(qiáng)化冶煉措施的受限范圍越小，我們強(qiáng)化冶煉的程度也就越高，我們的產(chǎn)量也就越高，消耗也就越低。

以上我列舉了一些限制高爐強(qiáng)化冶煉措施的因素，我們發(fā)現(xiàn)這些因素有一些共同點，其中提高風(fēng)溫和增加煤比容易出現(xiàn)“下熱”情況，降低下部透氣性；高富氧和高富氫都容易受到“上冷”的影響。那么通過什么方法突破這個限制呢？高爐的大型化、矮胖化能否繼續(xù)有活力的發(fā)展下去？富氫冶煉技術(shù)能否健康的發(fā)展下去呢？

我認(rèn)為這些難題是可以解決的，我給出的解決方案是直接在高爐上部加熱，如圖6所示，首先由于高爐的煤氣有富余，我們可以繼續(xù)增加熱風(fēng)爐的蓄熱能力，其中一部分通過上層風(fēng)口為高爐的上部直接提供熱量，這樣既避開了“下熱”的狀況，又解決了“上冷”的問題；其次大型高爐矮胖化發(fā)展的先天性缺陷就是中心陰影部分，其不利于氣流發(fā)展，那么這種膈式雙層風(fēng)口型高爐的束心壁將下層風(fēng)口原本的邊緣氣流向中心約束，從而起到強(qiáng)化中心的作用，而邊緣氣流的發(fā)展則有上層風(fēng)口來進(jìn)行補(bǔ)充；再次使用廉價的風(fēng)溫對上部加熱，即能解決富氫冶煉需要進(jìn)行熱補(bǔ)償?shù)膯栴}，（上層風(fēng)口氣流的運動距離短，易發(fā)展）又能解決高富氫的“上冷”問題。那么此時我們是不是覺得大多數(shù)的問題都迎刃而解了呢？當(dāng)然新的爐型雖然針對解決舊的難題，但也會帶來新的問題，如上下兩層風(fēng)口的氣流干涉問題，不過問題是一個一個解決的，只要我們解決了主要矛盾，即便有次要矛盾的存在，技術(shù)也是在進(jìn)步的。

如圖7所示，將熱風(fēng)爐改造成兩個熱風(fēng)出口，即便使用一臺風(fēng)機(jī)也可以為這種爐型的高爐送風(fēng)。

目前雖然一些企業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營出現(xiàn)了困難，但是鋼鐵冶金這個行業(yè)是不會消失的，現(xiàn)在的困難時期恰恰需要企業(yè)抓住轉(zhuǎn)型升級的機(jī)會，而科技創(chuàng)新則是轉(zhuǎn)型升級成功最有力的保障。