【技术文摘】大型高炉炼铁技术综述

郑朋超¹  范筱玥²  陈艳波¹ 李宏伟¹  吴惠滨¹

（1.首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山；2.北京科技大学，北京海淀）

摘要：大型高炉是世界高炉炼铁发展的趋势，是炼铁先进技术的集中代表，大高炉具有能耗低，环保，劳动生产率高的优点。为了给中国大高炉企业提供参考，选取了世界范围内部分大型高炉的技术指标进行了分析和对比，从原燃料，操作参数，技术特点等方面进行了分析。

关键词：炼铁  大型高炉  技术特点

1.   前言

大型高炉是当今炼铁技术发展的趋势，大型高炉具有生产效率高，燃料消耗低，环保长寿的优点。20世纪60年代初期，世界上最大的高炉容积为2000m³，70年代左右，人们将2000m³以上的高炉称为大型高炉，将4000m³以上高炉称为巨型高炉。随着高炉炼铁技术的不断发展，高炉的容积也在不断扩大，2013年6月韩国浦项钢铁公司光阳厂1#高炉点火投产，容积达到了6000 m³，成为目前世界范围内容积最大的高炉。根据GB50427-2008《高炉炼铁工艺设计规范》内的规定：容积在4000-4999 m³的高炉定义为4000 m³级高炉；容积在5000-5999 m³的高炉定义为5000m³级高炉。本文分析了世界范围内部分容积大于4000m³高炉的技术特点，为国内各炼铁厂技术人员提供参考和借鉴。

2.  世界范围内大型高炉的分布

2.1  4000m³级别大型高炉分布

根据笔者统计，截至2016年底，世界范围内共有57座4000m³级的高炉在运行，其中中国17座，日本14座，韩国7座，印度4座，德国、美国、俄罗斯、乌克兰、荷兰、法国、和巴西分别为2座，意大利、英国、各有1座。具体分布见下图。

我国高炉大型化是从1985年9月中国宝钢集团（简称宝钢）投产开始，进入21世纪以后有大批大型高炉建成。据统计，截至2016年底，我国在役的有效炉容为4000m³级别的高炉累计17座。

2.2  世界5000m³级别大型高炉分布

世界范围内共有28座容积在5000m³以上的高炉，其中日本13座，中国5座，韩国7座，德国、俄罗斯和乌克兰各1座。

20世纪70年代，以日本为代表的国家相继建立了一批5000m³以上的大型高炉，引领了世界高炉炼铁大型化的发展趋势^[1]。2004年9月29日，住友金属鹿岛厂投产的5370m³新1号高炉，是日本25年来唯一新建的大型高炉。新日铁大分厂2号高炉于2004年5月大修扩容到5775m³，日产量达到13500吨，成为当时世界最大的炼铁高炉，新日铁大分厂1号高炉经过大修，也扩容到5775m³，这些老旧高炉经过不断的大修改造，依然具有很高的生产效率。

韩国浦项制铁光阳钢厂于2013年6月投产的1号高炉容积6000m³，是截止目前世界上最大的高炉。我国虽然从1996年起钢铁产量就已经超过日本，跃居世界第一位，2008年粗钢产量超过5亿吨，相当于日本的4倍。但在2009年前，我国仅有10座4000m³级以上的大型高炉，其中最大的是宝钢于2009年2月投产的1号高炉（第三代），有效容积4966m³。由于我国存在大量高污染、高能耗的小型高炉，2009年初制定钢铁产业振兴规划时，将高炉淘汰标准从300m³提高到1000m³，直接压缩落后钢铁产能1.8亿吨以上。因此自2009年，我国大型炼铁高炉进入建设高潮，粗钢产量从2005年的3.55亿吨上升到2014年的8.23亿吨^[2]。2009年5月21日，位于唐山曹妃甸工业区的首钢京唐公司新建成的1号高炉(5500m³)点火成功，标志着中国特大型高炉的发展进入了新阶段。同年10月21日，沙钢5860m³高炉投产，成为当时世界上最大的高炉。

3  大型高炉技术经济指标

大型高炉采用强化冷却的薄壁内衬技术，注重高炉设计炉型与操作炉型的趋同，改变了传统的厚壁内衬高炉炉型设计理念，不再依靠侵蚀内衬而形成合理的高炉操作炉型，炉型设计以高炉稳定顺行、提高料柱透气性、改善煤气分布、抑制边缘煤气流发展为要素。在高炉有效高度变化不大的情况下，降低炉腹角有利于炉腹煤气的顺畅排升，而且有利于在炉腹区域形成稳定的保护性渣皮，保护炉腹区的冷却器、延长炉腹区域的寿命。

 高炉利用系数作为大型高炉规模效应的重要指标一直受到大家的关注，但是大型高炉的利用系数与小型高炉的利用系数之间存在一定的差别。对比大高炉和小高炉的炉型参数发现高炉容积和炉缸面积之间无对称的比例关系，小高炉的单位炉容所对应的炉缸面积比例明显大于大高炉。根据该比例关系和高炉日产铁水量进行换算得到：500m³高炉的利用系数4.0t/(m³·d)，相当于4000m³高炉的利用系数2.1t/(m³·d)左右。因此，大高炉进行强化冶炼所对应的利用系数一般控制在2.2~2.4t/(m³·d)即可。

新日铁大高炉在运行中并不仅追求高煤比，而是根据本厂情况确定了喷煤量，但新建喷煤装置通常都选取了较高的设计煤比。大型高炉顺行中炉料结构的配比非常重要，新日铁目前的配料方针是在烧结矿比例为70~80%的条件下，适当增加了块矿的使用比例。

韩国浦项高炉使用大喷煤的技术，煤比在160-180kg/tHM。同新日铁一样，韩国浦项在高炉炉料结构上适当的增加了块矿的使用比例，降低了生产成本。

沙钢5800m³高炉2009年10月20日点火开炉，2010年5月达到设计指标，到2010年12月高炉利用系数最高达2.27t/(m³·d)，燃料比最低达492kg/tHM，煤比最高达165kg/tHM。

首钢京唐公司1号高炉于2009年5月21日开炉点火，通过采取精料、探索合理的装料制度、送风制度、出渣铁制度、提高炉顶压力和富氧高风温等措施，各项生产指标不断得到改善，投产2个月后，高炉利用系数达到2.0t/(m³·d)以上。2009年12月首钢京唐1#高炉利用系数达到2.308 t/(m³·d)，达到设计水平。2010年3月1#高炉利用系数达到2.37t/(m³·d)，焦比(含焦丁)达到306kg/t，煤比达到175 kg/t，燃料比达到481kg/t，各项指标达到投产以来最好水平。

湛江钢铁1号高炉于2013年5月17日开始打桩建设^[3]，2015年9月25日顺利投产。自高炉开始提产，日产量从2015年11月的8500t/d逐渐提高到2016年3月的12000t/d，通过增加风量并开始富氧等技术手段，使得高炉从低利用系数转入高利用系数生产，并且产量大幅增加（增加40%）。风量、富氧率大幅提高后，气流分布、温度场分布、软融带形状、炉缸热状态等都会发生很大的变化，因此操作上必须作相应的调整。1号高炉扩大风口面积，增加风量并稳定风速，增加矿石批重保持合理的料速，同时减小了起始布料角度10°，并扩大布料档位角差10°。通过操作调整，这一阶段利用系数从2.0 t/(m³·d)逐步提高到2016年3月的2.3t/(m³·d)，富氧率4.2%，喷煤比170kg/tHM以上，同时保持了较高的煤气利用率和较低的燃料比。

4 大型高炉的技术特征及展望

4.1  精料是大型高炉正常生产的基础条件

这些拥有特大型高炉的企业深知精料的重要性，都为特大型高炉配备了较高的原燃料条件。特大型高炉入炉矿石品位较高，比同期重点企业平均高2%左右。当前国内高炉包括特大型高炉在内，烧结矿配比都在70%左右。这是由于烧结矿碱度和烧结高炉配套决定的。所有的特大型高炉都使用高碱度烧结矿，烧结品位较高。与特大型高炉配套的都是大型烧结机，生产工艺先进，这对保证烧结矿的冶金性能和强度是必要的。总的来看，高质量的原燃料基本能适应大型高炉的需要，保证大型高炉的顺行稳定，从而达到较好的指标。

特大型高炉所使用焦炭质量均较高，焦炭灰分有一定优势，2016年4000m³级别高炉灰分较中小型高炉低0.23%，大型高炉所用焦炭灰分在12%左右。2016年大型高炉所用焦炭灰分最高的是本钢12.32%，其次是马钢和沙钢，均为12.28%。灰分最低的是宝钢和湛江高炉，11.6%左右。从煤粉质量看，各大型高炉的煤粉质量普遍优良，2016年煤粉平均灰分9.57%，比焦炭灰分低2~3%，这大约可使煤焦置换比等于或接近于1，做到喷煤与燃料比同步下降，有利于降低渣量。其中煤粉灰分最高的是本钢高炉，达到11.06%；灰分最低的是安钢高炉，达到8.53%。

4.2富氧大喷煤技术的广泛应用

富氧大喷煤技术和低成本冶炼技术成为广大高炉操作者的追求目标。国内4000m³级以上高炉2016年平均煤比达到156kg/t，其中最高的是京唐高炉，煤比到达193kg/t；最低的是包钢高炉，煤比仅为121kg/t。平均富氧率达到3.57%，富氧率最高的是沙钢高炉，达到6.37%，其次是武钢高炉达到6.12%；最低的是梅钢和鲅鱼圈，均为2.0%左右。伴随高炉富氧大喷煤技术的持续提高，高炉的煤气流分布会发生一定程度的变化。“充沛稳定的中心气流和适度控制的边缘气流”是大高炉进行强化冶炼和大喷煤操作时煤气流分布的典型特征。对于大高炉而言，煤气流调整必须遵循“以下部合适的送风制度为基础，上部炉顶布料制度和中部冷却制度相匹配”的模式，才能实现高炉煤气的合理分布和稳定。此外，由于大型高炉煤气流的分布特点决定了大高炉的煤气利用程度较小高炉明显跃升一新台阶。

虽然大型高炉采取的富氧大喷煤技术作为降本增效和节能环保效果已经得到大家的公认和推广，但是实施富氧大喷煤技术是需要一定的条件为前提的。优质稳定的焦炭和低渣比是大型高炉成功实施富氧大喷煤技术的前提和基础。在大型高炉富氧大喷煤过程中焦炭的“骨架”作用尤为突出，焦炭的强度和焦炭灰份含量作为焦炭优质的关键指标内容必须得到保证。大型高炉在实施富氧大喷煤技术过程中仍存在一定数量的未燃煤粉作用，因此控制高炉低渣比不仅能够有效改善料柱的透气性，而且也确保炉缸焦炭柱的透液性和炉缸整体活性。

4.3大型现代化的原燃料生产设备为高炉大型化提供了有力支撑

大型高炉为淘汰落后装备、改善环境条件、提高产品质量、降低能源消耗和提高市场竞争力，发挥了积极的作用。大型高炉的设计，在精料、高风温、大喷煤、高效长寿、环保节能、提高装备本地化率、降低投资和缩短建设工期等方面，都有较多的体现^[4]。大型高炉的建设需要以大型设备的设计和制造技术为支撑、以稳定的大宗原燃料供应为前提，以及匹配的原燃料（烧结矿、球团矿和焦炭）加工技术与装备等硬件条件，同时需要对大型高炉冶炼规律的认识、操作技术的完善和高水平的管理等软件条件，高炉大型化是一个国家综合工业水平的具体体现^[5]。高炉大型化也并非仅指高炉冶炼工序，还应包括料场原料准备、烧结、球团和焦化等铁前工序的系统配合。高炉大型化历程是对冶炼规律和冶炼实绩不断积累和总结的过程，只有通过技术创新才能实现高炉长期顺稳生产。长远来看，高炉竞争力不仅表现在当前的炼铁成本控制能力，还要着眼于未来节能减排和环境保护，大型高炉更具优势和竞争力。

大型高炉建成投产实现了装备的升级换代，但是软实力的提升需要较长时间的探索。国内第1座大型高炉（炉容为4036m³）从投产到稳定运行经历了艰苦的探索，但是也获得了相对完备的大型高炉操作技术，创造出了很多先进的高炉冶炼技术经济指标，并且表现出了强劲的竞争力。首钢京唐公司于2009年投产了国内第1座炉容为5500m³的高炉。高炉大型化不仅是高炉炉容的扩大，还包括铁前全部工序配套的硬件装备和应用技术。首钢京唐公司拥有的焙烧面积为504m²的球团带式焙烧机和550m²烧结机和炭化室高度为7.63m的焦炉等大型装备，以满足大型高炉对入炉原燃料在数量、质量和稳定性等方面需求，使高炉获得良好的运行指标。

4.4  优化设计，提高寿命是大型高炉发展的必然趋势

在大高炉建设投资额要高于小高炉近7倍左右的条件下，实现大高炉的高效低成本目标必须通过尽可能延长高炉使用寿命来实现。因此，实现大高炉的长寿化是又一项完整的系统工程。在没有中修的前提下，高炉服役时间超过15年和单位炉容产铁大于10000t/m³，才基本达到大高炉的长寿化目标。实现大高炉长寿化必须是设计和制造、施工和维修、操作与维护等工作的综合结果。在力求高炉日常操作的稳定性和炉役后期的维护技术对高炉的长寿带来积极作用的同时，在高炉设计中所采用的大高炉上部和下部的长寿技术，才是实现高炉长寿目标的基础和条件。延长高炉寿命是现代高炉技术的发展趋势。首钢京唐5500m³大高炉设计寿命为25年，一代炉龄产铁量达到20000t/m³以上。首钢京唐高炉设计中运用现代高炉长寿技术理论，采用国际先进的高炉高效长寿综合技术，确定合理的高炉炉型，采用无过热冷却器和纯水密闭循环冷却技术，优化炉体内衬结构，设置完善的高炉自动化检测与控制系统，以实现高炉生产的稳定顺行、长寿高效。

炉腹角和高径比是大型高炉设计中必须高度重视的主要参数，该参数选择的是否合理直接影响高炉投产后炉况的稳定和指标的提升。大高炉的炉腹角和高径比均比小高炉低，对于大型高炉而言，一般控制炉腹角在80.5~82.5°，高径比在1.95~2.20。对同一级别的大高炉而言，选择的炉腹角区间明显比高径比要分散，即大高炉企业在基本认同适度矮胖型的基础上对炉腹角的选定存在着一定程度的意见分歧。以宝钢大高炉的选择结果为例，所选定的炉腹角和高径比均在平均线区域内，同时宝钢高炉的炉腹角和高径比也存在适度下降的趋势，这主要与原燃料条件的劣化趋势有关。对于炉前铁口数量的设计，必须根据炉容大小和高炉强化冶炼能力来设计^[6]。

5.小结

（1）高炉大型化是当今炼铁技术发展的趋势，大型高炉具有生产效率高，燃料消耗低，环保长寿的优点。

（2）目前世界范围内共有57座4000m³级的高炉在运行，28座容积在5000m³以上的高炉在运行。

（3）大型高炉投产后均取得了良好的经济指标，焦比达到300kg/t，煤比达到180kg/t，燃料比低于500kg/t。

（4）大型高炉的主要技术特征包括：精料，富氧大喷煤，长寿环保，原燃料设备大型化等特点。

参考文献：

[1] 刘清梅．世界5000m³超大型高炉运行情况及首钢京唐公司炼铁工序发展建议[J]．首钢科技，2013，(6):1-6．

[2] 陈辉，张卫东，等．大型高炉技术进步与竞争力分析[C]//中国钢铁业2014增刊．2014：1-5．

[3] 梁利生．宝钢湛江钢铁1号高炉开炉及生产操作实践[J]．中国冶金，2016(9)：71-75．

[4] 张贺顺，任全烜，郭艳永，等．首钢京唐公司炼铁低成本冶炼实践[J]．中国冶金，2015(9)：27-31．

[5] 刘琦．国内特大型高炉生产技术点评[J]．冶金管理，2011(12)：45-51．

[6] 张福明，钱世崇，张建，等．首钢京唐5500m³高炉采用的新技术[J]，钢铁，2011，46(2)：12-17．