[拼音]：gaolu yelian gongyi

[外文]：blast furnace process

冶煉過程

高爐冶煉是把鐵礦石還原成生鐵的連續(xù)生產(chǎn)過程。鐵礦石、焦炭和熔劑等固體原料按規(guī)定配料比由爐頂裝料裝置分批送入高爐，并使?fàn)t喉料面保持一定的高度。焦炭和礦石在爐內(nèi)形成交替分層結(jié)構(gòu)。礦石料在下降過程中逐步被還原、熔化成鐵和渣，聚集在爐缸中，定期從鐵口、渣口放出。

鼓風(fēng)機(jī)送出的冷空氣在熱風(fēng)爐加熱到800～1350℃以后，經(jīng)風(fēng)口連續(xù)而穩(wěn)定地進(jìn)入爐缸，熱風(fēng)使風(fēng)口前的焦炭燃燒，產(chǎn)生2000℃以上的熾熱還原性煤氣。上升的高溫煤氣流加熱鐵礦石和熔劑，使成為液態(tài)；并使鐵礦石完成一系列物理化學(xué)變化，煤氣流則逐漸冷卻。下降料柱與上升煤氣流之間進(jìn)行劇烈的傳熱、傳質(zhì)和傳動(dòng)量的過程。

下降爐料中的毛細(xì)水分當(dāng)受熱到100～200℃即蒸發(fā)，褐鐵礦和某些脈石中的結(jié)晶水要到500～800℃才分解蒸發(fā)。主要的熔劑石灰石和白云石，以及其他碳酸鹽和硫酸鹽，也在爐中受熱分解。石灰石中CaCO₃和白云石中MgCO₃的分解溫度分別為900～1000℃和740～900℃。鐵礦石在高爐中于 400℃或稍低溫度下開始還原。部分氧化鐵是在下部高溫區(qū)先熔于爐渣，然后再從渣中還原出鐵。

焦炭在高爐中不熔化，只是到風(fēng)口前才燃燒氣化，少部分焦炭在還原氧化物時(shí)氣化成CO。而礦石在部分還原并升溫到1000～1100℃時(shí)就開始軟化；到1350～1400℃時(shí)完全熔化；超過1400℃就滴落。焦炭和礦石在下降過程中，一直保持交替分層的結(jié)構(gòu)。由于高爐中的逆流熱交換，形成了溫度分布不同的幾個(gè)區(qū)域。在圖1中，①區(qū)是礦石與焦炭分層的干區(qū)，稱塊狀帶，沒有液體；

（2）區(qū)為由軟熔層和焦炭夾層組成的軟熔帶，礦石開始軟化到完全熔化；

（3）區(qū)是液態(tài)渣、鐵的滴落帶，帶內(nèi)只有焦炭仍是固體；

（4）風(fēng)口前有一個(gè)袋形的焦炭回旋區(qū)，在這里，焦炭強(qiáng)烈地回旋和燃燒，是爐內(nèi)熱量和氣體還原劑的主要產(chǎn)生地。

液態(tài)渣鐵積聚于爐缸底部，由于比重不同，渣液浮于鐵液之上，定時(shí)從爐缸放出。鐵水出爐溫度一般為1400～1550℃，渣溫比鐵溫一般高30～70℃。

煤氣流沿高爐斷面合理均勻地分布上升，能改善煤氣與爐料之間的傳熱和傳質(zhì)過程，順利地完成加熱、還原鐵礦石和熔化渣、鐵等過程，達(dá)到高產(chǎn)、低耗、優(yōu)質(zhì)的要求。

高爐中鐵的還原

高爐中主要被還原的是鐵的氧化物:Fe₂O₃(赤鐵礦)，F(xiàn)e₃O₄（磁鐵礦）和Fe_1-yO（浮氏體，y從0.04到0.125）等。每得到1000公斤金屬鐵，通過還原被除去的氧量為：赤鐵礦429公斤，磁鐵礦382公斤，浮氏體（按FeO計(jì)算）286公斤。

主要還原劑

焦炭中的碳和鼓風(fēng)中的氧燃燒生成的CO氣體，以及鼓風(fēng)和燃料在爐內(nèi)反應(yīng)生成的H₂是高爐中的主要還原劑。約從400℃開始，氧化鐵逐步從高價(jià)鐵還原成低價(jià)鐵，一直到金屬鐵。

間接還原

氧化鐵由CO還原生成CO₂或由H₂還原生成H₂O的過程。還原順序?yàn)? Fe₂O₃─→Fe₃O₄─→FeO─→Fe（低于570℃時(shí)，F(xiàn)eO不穩(wěn)定，還原順序?yàn)椋篎e₂O₃─→Fe₃O₄─→Fe）。從圖2可看到各級(jí)氧化鐵與氣相的平衡關(guān)系。

氧化鐵還原的主要還原反應(yīng)為：3Fe₂O₃+CO─→2Fe₃O₄+CO₂ +8870千卡Fe₃O₄+CO─→3FeO+CO₂ -4990千卡FeO+CO─→Fe+CO₂ +3250千卡以及 3Fe₂O₃+H₂─→2Fe₃O₄+H₂O -1000千卡Fe₃O₄+H₂─→3FeO+H₂O -14860千卡FeO+H₂─→Fe+H₂O -6620千卡

H₂和CO同時(shí)作為還原劑存在時(shí)，受水煤氣反應(yīng)的制約：H₂+CO₂─→H₂O+CO -9870千卡

注：式內(nèi)反應(yīng)熱從工程習(xí)慣按公斤分子計(jì)。

直接還原

在高溫區(qū)（約 850℃開始）因有大量焦炭存在，生成的CO₂和H₂O立即與焦炭反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成CO和H₂：CO₂+C─→2CO -39600千卡H₂O+C─→H₂+CO -29730千卡所以從全過程看，可認(rèn)為是由碳素直接還原氧化鐵生成CO和鐵：FeO+C─→Fe+CO -36350千卡這種高溫還原叫做直接還原。因?yàn)橹苯舆€原比間接還原耗熱大得多，所以在高爐內(nèi)應(yīng)盡可能提高中溫區(qū)的間接還原率，以降低焦比和燃料比。

影響還原速度的因素

氣體還原鐵礦石的速度受到許多因素的影響：礦石的性質(zhì)（例如粒度，氣孔度，氣孔表面積），是難還原的磁鐵礦還是易還原的褐鐵礦，煤氣的成分和流速以及還原溫度等。氣－固還原過程包括以下基本環(huán)節(jié)：

（1）還原氣體通過礦粒表面的氣膜向礦石表面擴(kuò)散；

（2）還原氣體通過已還原金屬層向礦石內(nèi)部擴(kuò)散；

（3）金屬鐵－浮氏體兩相界面上的化學(xué)反應(yīng)；

（4）還原氣體產(chǎn)物通過已還原金屬層向外擴(kuò)散；

（5）還原氣體通過附面氣膜向外擴(kuò)散。

還原模式有兩種：當(dāng)?shù)V石結(jié)構(gòu)致密，還原金屬層是自外表逐步向礦粒中心擴(kuò)展，中心未反應(yīng)的核心部分逐步縮小，可稱為“未反應(yīng)核”還原模式；如果礦石多孔疏松，內(nèi)擴(kuò)散十分容易，且粒徑不大，則還原過程將同時(shí)在整個(gè)礦石內(nèi)部環(huán)繞每一個(gè)氧化鐵微晶進(jìn)行氧化鐵的氣固還原反應(yīng)，這是另一種模式。

整個(gè)反應(yīng)速度決定于化學(xué)反應(yīng)速度和擴(kuò)散速度。如果化學(xué)反應(yīng)慢，稱為反應(yīng)處于“化學(xué)控制”；如果擴(kuò)散慢，則稱反應(yīng)處于“擴(kuò)散控制”。溫度提高，化學(xué)反應(yīng)速度加快，氣體的擴(kuò)散速度也會(huì)增加，但增加的幅度較小。一般說，溫度低，礦石粒度小或氣孔度大，氣流速度高，還原趨向于化學(xué)控制范圍；相反，溫度高，礦石粒度大或者氣孔度小，則趨向于擴(kuò)散控制范圍。如果能出現(xiàn)擴(kuò)散與化學(xué)反應(yīng)的速度彼此較接近的情況，稱還原處于“混合控制”。還有一種情況，礦石的軟熔溫度低，當(dāng)溫度升高到使礦石軟熔后，礦石的氣孔度減小，還原速度反而可能減慢。因?yàn)镠₂的擴(kuò)散速度比CO高，H₂的還原速度也高于CO。當(dāng)煤氣中存在CO₂或H₂O分子時(shí)，CO和H₂的有效濃度降低，將減慢CO和H₂的還原速度。從鐵礦石的還原條件來看，應(yīng)在礦石不軟化的條件下，盡量保持高一些的還原溫度，以加快還原速度。對(duì)礦石則要求氣孔度大，使還原過程不受擴(kuò)散的限制；致密的鐵礦石應(yīng)適當(dāng)減小粒度，這樣不僅能使內(nèi)擴(kuò)散距離縮短，而且會(huì)使氣－固相接觸總面積增大，有利于還原過程（見冶金過程動(dòng)力學(xué)）。

高爐中其他元素的還原

進(jìn)入高爐的礦石的脈石和焦炭灰分還含有其他一些氧化物(SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO等)、硫化物(FeS₂)和磷酸鹽[Ca₃(PO₄)₂]。一些共生鐵礦還含有錳、鈦、鉻、釩、銅、鈷、鎳、鈮、砷、鉀、鈉等的含氧化合物和少量硫化物。各種氧化物因化學(xué)穩(wěn)定性不同，有的在高爐內(nèi)全部還原，有的部分還原，有的完全不能還原，不還原的氧化物就進(jìn)入爐渣。

硅的還原

硅比鐵難還原，要到高溫區(qū)才能被碳還原出來，熔于鐵水：(SiO₂)+2[C]→[Si]+2CO -151696千卡耗熱比鐵的直接還原大得多。式中圓括弧表示爐渣中的氧化物；方括弧表示鐵水中的有關(guān)元素。

大部分生鐵中的硅是焦炭灰分或渣中的SiO₂，通過風(fēng)口附近高溫區(qū)（1700℃以上）時(shí)，先被還原生成氣態(tài)SiO，SiO在上升過程中再被還原成硅并熔于鐵水。冶煉高硅生鐵時(shí)，有一部分 SiO隨煤氣逸出爐外。含硅愈高，揮發(fā)愈多；SiO冷卻后又被氧化成極細(xì)的SiO₂粉末，除增加能耗外，還會(huì)惡化爐料透氣性和堵塞煤氣管道。為了煉得含硅較高的生鐵或合金，宜配用堿度較低的爐渣，以利于酸性SiO₂的還原。由于反應(yīng)熱耗大，必須維持較高的爐溫，生鐵含硅愈多，燃料消耗（焦比）和成本也愈大。

錳的還原

錳礦中的化合物MnO₂、Mn₃O₄、Mn₂O₃、MnCO₃等都很容易被CO還原成MnO，但MnO只能從爐渣中被碳直接還原并熔于鐵水：(MnO)+[C]→[Mn]+CO -68640千卡其單位耗熱低于硅，但高于鐵的直接還原。MnO是弱堿性，冶煉含錳高的鐵，宜采用堿性較高的爐渣，以提高渣中MnO活度，加快還原。由于需維持較高的爐溫，反應(yīng)熱耗又多，生產(chǎn)高錳生鐵的燃料消耗和成本也比較高。

其他元素的還原

以3CaO?P₂O₅或3FeO?P₂O₅形態(tài)進(jìn)入高爐的磷，以及以氧化物或硫化物形態(tài)存在的銅、鎳、鈷、砷、鉛等全部被還原。釩、鈮、鉻等的氧化物一般可被還原75～80％。二氧化鈦在高爐內(nèi)只有少量被還原。

鉀、鈉、鋅等金屬的沸點(diǎn)低，其化合物在高爐下部高溫區(qū)被還原成金屬后立即揮發(fā)，一部分隨煤氣逸出爐外，一部分又被氧化后沉積在上部爐料表面，隨爐料再下降到高溫區(qū)。再還原，再揮發(fā)，再沉積，循環(huán)積累，造成以下嚴(yán)重危害：破壞礦石和焦炭的強(qiáng)度和爐料的透氣性；沉積在爐襯中破壞耐火材料，引起結(jié)瘤。因此，對(duì)高爐原料中這些元素的含量要有一定的限制，必要時(shí)，可以定期降低爐渣堿度，使K₂O和Na₂O更多地進(jìn)入爐渣，排出爐外，減輕危害。包頭鐵礦石含K₂O、Na₂O和CaF₂較多，影響爐況順行，現(xiàn)已找到解決途徑。

釩、銅、鎳、鈷、鈮等是寶貴的合金元素，它們?cè)阼F礦石中如達(dá)到一定含量，應(yīng)考慮回收利用。中國攀枝花的釩鈦磁鐵礦和包頭的含鈮鐵礦石，在煉鐵過程中得到含釩和含鈮的生鐵，在進(jìn)一步處理和回收釩、鈮上，取得良好的成果。

鐵水中的碳

因?yàn)樵诟郀t內(nèi)還會(huì)出現(xiàn)還原和滲碳到Fe₃C的反應(yīng)：3Fe+2CO→Fe₃C+CO₂FeO(MnO，SiO₂)+C→Fe(Mn，Si)+CO3Fe+C→Fe₃C所以高爐生鐵含碳高，其含量主要決定于鐵水的成分。凡能生成碳化物并溶于鐵水的元素如錳、釩、鉻、鈮等能使鐵水含碳增加；凡能促使鐵水中碳化物分解的元素如硅、磷、硫等會(huì)阻礙鐵水滲碳。普通生鐵含碳4％左右。鐵水溶解某些碳化物達(dá)到飽和后，剩余的碳化物便留在爐渣中，例如煉高硅生鐵時(shí)的SiC，在爐料含TiO₂較多時(shí)形成的TiC等。碳化物熔化溫度一般都很高(SiC＞2700℃，TiC3290℃)，以固相混雜在爐渣中，使?fàn)t渣流動(dòng)性變壞，造成冶煉上的困難。

高爐爐渣及渣鐵反應(yīng)

一般高爐爐渣主要由SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO組成，另含少量 FeO、MnO、CaS。冶煉復(fù)合礦時(shí)，還可能含有CaF₂、TiO₂、BaO、R_xO_y(R代表稀土元素)等。用釩鈦磁鐵礦煉鐵時(shí)，爐渣流動(dòng)性差，冶煉困難，中國在實(shí)踐中發(fā)展一項(xiàng)新工藝可在含TiO₂為25～30％的爐渣下進(jìn)行冶煉。

高爐冶煉對(duì)爐渣的要求

（1）一般在爐缸的溫度1350～1550℃下，爐渣能很好地熔化，并具有良好的流動(dòng)性和具有渣－鐵、渣－氣間的界面性能，能很好地與鐵水、氣體分開，并能順利地從爐內(nèi)放出。

（2）爐渣性能既要有利于去除生鐵中的有害雜質(zhì)（如硫等），也要能根據(jù)需要控制某些反應(yīng)的程度（SiO₂的還原）和促使有益元素如錳、釩鈮等更好地還原入生鐵。

（3）高爐中從開始軟化到生成自由流動(dòng)的爐渣的區(qū)間(軟熔帶)要小，減小氣流通過的阻力，以有利于高爐爐料的順行和強(qiáng)化冶煉。

（4）爐渣性能穩(wěn)定，不因爐溫和爐渣成分的小量波動(dòng)而引起爐渣物理性能的劇烈變化。

（5）渣量要小，以減少熔劑和燃料的消耗，改善料柱下部的透氣性，先進(jìn)高爐每噸生鐵的渣量已降到300公斤以下。

（6）要有利于保護(hù)爐襯。

爐渣堿度

是表征和決定爐渣物理化學(xué)性能的最重要的特性指數(shù)。堿度用等堿性氧化物與酸性氧化物的重量百分比的比值來表示。為簡便起見通常均用，當(dāng)Al₂O₃和MgO的含量高、波動(dòng)大時(shí)，采用后兩種表示方法。

渣中(CaO+MgO)＜(SiO₂+Al₂O₃)的渣叫酸性渣。這種渣粘度大，凝固慢，通稱長渣。(CaO+MgO)＞(SiO₂+Al₂O₃)的渣叫堿性渣。高堿渣凝固溫度高，冷凝快，熔融時(shí)流動(dòng)性好；但溫度偏低時(shí)，析出固相，就變得粘稠。這種渣也叫短渣。 (CaO+MgO):(SiO₂+Al₂O₃)≈1.0的爐渣，凝固溫度較低，流動(dòng)性也較好。在高爐中，為了保證爐況順行和某些反應(yīng)的順利進(jìn)行，爐渣在爐缸溫度范圍內(nèi)的粘度最好不大于5泊，最高不宜超過25泊。同時(shí)，粘度也不宜過低，過低時(shí)容易侵蝕爐襯，縮短高爐壽命。

渣鐵反應(yīng)

在高爐下部，渣鐵間進(jìn)行一系列反應(yīng)。部分親氧力較鐵強(qiáng)的金屬如錳、釩、鈮、硅等的氧化物和在上部來不及還原的FeO將從爐渣中還原出來。這些反應(yīng)決定了鐵水的成分和有關(guān)元素的回收率。

各種氧化物從渣中還原的反應(yīng)式為：(Me_xO_y)+y[C]─→x[Me]+yCo

由于鐵水中的碳飽和，爐缸中CO分壓基本固定，因而上述各元素的還原情況主要決定于鐵水中有關(guān)元素和渣中有關(guān)氧化物的活度以及爐缸溫度。一般規(guī)律是：爐缸溫度愈高，各元素還原入鐵水的量愈多；爐渣堿度愈大，能形成堿性氧化物的金屬如錳、釩、鈮等還原入鐵水的量就愈多，而形成酸性氧化物的元素（如硅）的還原就愈困難。

脫硫

是渣鐵間最重要的反應(yīng)，將決定生鐵的質(zhì)量。CaO的脫硫反應(yīng)式為：[FeS]+(CaO)+[C]─→(CaS)+[Fe]+CO-35620千卡如上所述，由于鐵液中碳飽和，爐缸中CO分壓基本固定，所以脫硫反應(yīng)的程度主要決定于渣中CaO、CaS的活度和鐵液中硫的活度以及反應(yīng)的溫度和動(dòng)力學(xué)條件。從熱力學(xué)角度看，CaO比MgO、MnO有更高的脫硫能力。渣中CaO的活度在堿度（CaO/SiO₂比值）高過1.0左右后，提高很快，因而爐渣脫硫能力顯著提高。由于MgO、MnO本身也能在一定范圍中與硫起反應(yīng)，又能改善爐渣的流動(dòng)性，所以它們的存在對(duì)脫硫有利。高爐爐渣的堿度首先根據(jù)脫硫需要確定，一般在0.9～1.3。過高的堿度會(huì)使?fàn)t渣的熔化溫度過高，爐渣流動(dòng)性變壞，反而不利于脫硫。

當(dāng)渣鐵間脫硫反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，硫分配系數(shù)L_s=(S)/[S]，決定于反應(yīng)平衡常數(shù)的大小，式中(S)為爐渣中硫的含量，[S]為鐵水中硫的含量。在高爐中由于受出鐵出渣時(shí)間和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件的限制，L_s達(dá)不到平衡值。一般高爐渣平衡時(shí)的L_s可達(dá)200以上，而實(shí)際生產(chǎn)中的僅為30～80。因此，提高爐缸溫度、降低爐渣粘度等改善脫硫的動(dòng)力學(xué)條件的措施，都有利于爐內(nèi)脫硫。

優(yōu)質(zhì)鋼的含硫量一般為0.01％ 左右，特殊的要求＜0.003％。高爐鐵水的含硫量常在0.02～0.05％，這不能滿足煉鋼要求。如果進(jìn)一步提高高爐脫硫能力，又不經(jīng)濟(jì)。因此現(xiàn)在多采用鐵水爐外脫硫。

爐料和煤氣的運(yùn)動(dòng)

高爐內(nèi)爐料不斷均勻下降和煤氣流穩(wěn)定上升并盡可能與鐵礦石多接觸是正常冶煉的基本前題。

爐料能夠下降是因?yàn)椋?/p>

（1）風(fēng)口前的焦炭不斷燃燒氣化，經(jīng)渣口、鐵口定期放出渣和鐵，使?fàn)t缸中有了自由空間。

（2）促使料柱下降的重力能克服爐墻的摩擦阻力、煤氣流動(dòng)的阻力和浮力以及爐缸爐腹中心以焦炭為骨架的相對(duì)運(yùn)動(dòng)較慢的死料柱的阻力，其中最主要的是煤氣流的阻力。愛根 (Ergun)公式能較全面、近似地反映出多種因素對(duì)煤氣阻力的影響。煤氣流的壓力梯度表示為：

式中Δp為壓力降(公斤力/米²)，h為料層高度(米)，ε為爐料空隙度（無因次）， d_p為爐料直徑(米)，∮為形狀系數(shù)，無因次(∮＜1)，g為重力加速度(米/秒²)，μ_g為氣體粘度系數(shù) (公斤力?秒／米²)，γ_g為煤氣重度（公斤力／米³），v_g為空爐時(shí)煤氣流速（米／秒）。

由上式看出：

（1）爐料空隙度(ε)影響透氣性最大。篩凈爐料粉末，爐料粒度均勻，對(duì)高爐順行和強(qiáng)化冶煉至為重要。

（2）爐料粒度愈小，雖對(duì)還原速度有利，但增加煤氣流的阻力。

（3）壓力梯度的增加與氣流速度(v_g)平方相關(guān)。高爐采用高壓操作可以減小v_g，這是強(qiáng)化高爐冶煉和促進(jìn)順行的有效手段。

為了充分利用煤氣流的熱焓和化學(xué)勢(shì)以獲得最佳生產(chǎn)指標(biāo)，還要求煤氣流在高爐橫斷面合理分布，以求與礦石充分接觸。在理論上，如果斷面上各點(diǎn)爐料粒度和空隙度大致相等，將得到最佳的煤氣流分布。但一些屬于結(jié)構(gòu)和設(shè)備的原因，造成斷面上煤氣分布不均。例如爐墻表面平滑，透氣性比他處好。又如傳統(tǒng)的雙鐘布料方法，使?fàn)t喉處料面堆成一個(gè)帶尖峰的圓圈，一批礦石料沿半徑分布厚薄不勻，并且有粒度偏析，必然導(dǎo)致煤氣分布不勻。為此，通過改變裝料制度（批重大小、裝料順序、料線高低等）來調(diào)節(jié)煤氣分布。新型無鐘爐頂?shù)男D(zhuǎn)溜槽和可調(diào)爐喉等，為達(dá)到最佳的煤氣分布創(chuàng)造了有利的條件。

在煤氣流與爐料柱熱交換的過程中，煤氣流是載熱體。同一水平面上煤氣通過多的地區(qū)必然溫度高，礦石軟熔早。如爐頂裝料時(shí)邊緣透氣差的礦石少于其他地區(qū)，或者風(fēng)口風(fēng)速過低，煤氣流不易達(dá)到爐缸中心，則沿高爐爐墻附近通過的煤氣較多，靠爐墻的礦石將比爐中心礦石提前軟熔。結(jié)果軟熔帶將不是如圖1中的倒V字形，而是正V字形。在這種情況下，不僅爐腹磚襯和冷卻器容易燒壞，而且爐缸中心容易堆積爐料，導(dǎo)致不順行和產(chǎn)生出高硫生鐵。如形成圖1中的倒 V形軟熔帶，則中心錐型焦炭滴落帶透氣性好，高溫煤氣通過較多，滴下的渣和鐵得到充分還原和加熱，使?fàn)t缸內(nèi)渣、鐵反應(yīng)充分進(jìn)行，溫度均勻，熱量充足，獲得良好的冶煉效果。煤氣流是經(jīng)過軟熔帶的焦炭夾層進(jìn)入塊狀帶的，所以軟熔帶起著煤氣流分布器的作用。中心頂點(diǎn)過高的倒 V形軟熔帶雖然有利于高爐強(qiáng)化，但會(huì)減少間接還原所依賴的塊狀帶空間。通過調(diào)整爐喉礦石分布和風(fēng)口送風(fēng)制度，可適當(dāng)控制倒V形軟熔帶的高度，以降低煉鐵能耗，充分進(jìn)行間接還原。

高爐中的能量利用

能量的來源和消耗

節(jié)約能耗（降低焦比）和提高高爐利用系數(shù)（增加產(chǎn)量）是高爐冶煉中兩項(xiàng)最重要的措施。

現(xiàn)代高爐每煉一噸煉鋼生鐵的總能耗約為4.2～4.8×10⁶千卡（未扣除高爐剩余煤氣可以回收的熱值）。能量主要由加入高爐的燃料（焦炭和其他燃料）和鼓風(fēng)帶入的物理熱來提供。高爐能量的來源與消耗如表：

為了查明高爐中熱量的收支和利用情況，找出進(jìn)一步降低燃料消耗的途徑，常根據(jù)能量守恒定律，在物料平衡計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行高爐熱平衡計(jì)算，分別計(jì)算出冶煉單位生鐵時(shí)收支平衡的各項(xiàng)熱能。常見的熱平衡方法有兩種：

（1）全爐熱平衡。分析和計(jì)算高爐生產(chǎn)全過程中各種熱量的收支情況（見表）。此法使用較早，而且便于和一般外部能耗概念相比較。

（2）區(qū)域熱平衡。它是以高爐中某一部分作考查對(duì)象，計(jì)算和分析這一區(qū)域中熱量的收支情況。高爐的上部和下部反應(yīng)的情況不同，上部溫度較低，主要進(jìn)行爐料的預(yù)熱和預(yù)還原，熱量消耗較少，一般都有大量的熱能和化學(xué)能被煤氣帶走，造成損失。高爐下部進(jìn)行一系列直接還原反應(yīng)和渣鐵的熔化，需要消耗大量的熱，而且必須確保必要的爐溫，高爐才能正常生產(chǎn)。從高爐冶煉過程看，以在高爐下部溫度高于900℃的區(qū)域進(jìn)行熱平衡計(jì)算為宜。

高爐操作線圖

是研究高爐冶煉過程，包括物料平衡和熱平衡的一個(gè)較好的方法（圖3）。

高爐操作線圖是1967年法國里斯特(A.Rist)提出的。決定高爐操作的主要反應(yīng)全部涉及氧交換，如礦石還原、碳的氧化等。里斯特根據(jù)氧的來源──鐵的氧化物、脈石中其他氧化物和鼓風(fēng)，以及根據(jù)氧的去處──氧可與碳生成CO或轉(zhuǎn)化為CO₂，以O(shè)/Fe原子比為縱坐標(biāo)，O/C原子比為橫坐標(biāo)，得出一條表示Fe-O-C體系中氧交換的、而且斜率表示C/Fe比（正比于燃料比，實(shí)際生產(chǎn)中用焦比來計(jì)算）的一條直線，通稱操作線圖。圖上反映礦石氧化度、生鐵成分、鼓風(fēng)量、高爐內(nèi)鐵還原度、爐頂煤氣成分等變化與燃料比的關(guān)系。它用于分析高爐內(nèi)能量利用情況，探求高爐冶煉最佳條件；對(duì)進(jìn)一步提高高爐冶煉效果和降低能耗，具有十分重要的理論和實(shí)際意義。

操作線圖以1摩爾鐵為物料平衡基礎(chǔ)。圖中橫坐標(biāo)是O/C原子比，縱坐標(biāo)是O/Fe原子比。左半部O/C比小于1，表示高爐下部C氧化成CO的直接還原區(qū)的變化；右半部O/C比大于1但小于2，代表CO變?yōu)镃O₂的間接還原區(qū)的變化?？v坐標(biāo) 1.5代表赤鐵礦，1.33代表磁鐵礦，1.0代表浮氏體，1.37為示例礦石的O/Fe；Y_i代表間接還原失去的氧，Y_d代表直接還原失去的氧;Y_n代表硅、錳、磷還原失去的氧，Y_b代表鼓風(fēng)帶入的氧。Y_i+Y_d+Y_b+Y_n為冶煉出1摩爾鐵燃料中碳素得到的總氧量，Y_d+Y_n+Y_b為總的C原子消耗量(其大小等于ABE線的斜率)，加上生鐵中熔解的碳量即可求出焦比。固體碳一部分氧化成CO，一部分氧化成CO₂。爐頂煤氣成分由A點(diǎn)位置確定。原料中如有石灰石等分解放出CO₂，操作線應(yīng)適當(dāng)向上延伸。ABE線叫高爐操作線。

操作線把冶煉1摩爾生鐵所需風(fēng)量（與Y_b長度成正比）、生鐵成分(由Y_n大小確定)、FeO的直接還原率（B點(diǎn)縱坐標(biāo)）、礦石中鐵的氧化程度(A點(diǎn)縱坐標(biāo))、爐頂煤氣成分〔A點(diǎn)所示CO₂/(CO+CO₂)比值〕和焦比（AE線的斜率）聯(lián)系一起，并定量地顯示出來。

圖中W點(diǎn)相當(dāng)于FeO還原成Fe的平衡CO₂/CO比值。FeO還原生成的煤氣中CO₂不能高于此值，所以 A°WE°代表在該種原料和風(fēng)溫條件下的最低焦比狀態(tài)，由此線的斜率可以算出理論最低焦比。

根據(jù)操作線圖的關(guān)系，節(jié)約煉鐵能耗的主要途徑是：

（1）改善煤氣能量在高爐內(nèi)的利用率，即增加鐵的間接還原，提高CO₂/(CO+CO₂)比值。爐身煤氣利用效率用TS/TW表示，極限為1.0。其他條件相同，煤氣利用改善后，A點(diǎn)右移，B點(diǎn)下降，Y_b變小。

（2）減少渣量可以減少爐渣帶走的熱量，采用大容積高爐以減少每噸生鐵所負(fù)擔(dān)的高爐的熱損失。圖中Y_b可以小一些，E點(diǎn)上移。

（3）改善含鐵原料的還原性，使直接還原率減少，B點(diǎn)下移。

（4）降低煉鋼生鐵的含硅量，減小Y_n；同時(shí)減少熱耗，可以減小Y_b。

（5）高爐不加石灰石，減少熱耗以減小Y_b。

高爐煉鐵車間的二次能源利用

首先是高爐煤氣，每噸生鐵的煤氣熱值達(dá)(1.5～1.8)×10⁶千卡，可用作低熱值燃料。高壓爐頂?shù)拿簹庥鄩海捎糜诿簹馔钙桨l(fā)電。熱風(fēng)爐煙道廢氣和液態(tài)爐渣的余熱也都可以利用。

高爐冶煉的強(qiáng)化及節(jié)焦措施

高爐強(qiáng)化

即提高高爐利用系數(shù)，增加產(chǎn)量，盡力降低燃料比。具體措施有：

使用精料

使用精料是高爐高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗的基礎(chǔ)。提高入爐的礦石品位，將有效地減少熔劑用量和降低渣量，既能降低高爐冶煉能耗，又可改善料柱透氣性。入爐礦石品位每提高1％，約可降低焦比1.5～2.0％，提高產(chǎn)量2.5～3.0％。

使用熟料

使用熔劑性燒結(jié)礦或球團(tuán)礦，可大幅度提高礦石還原性能和軟化溫度，減少低溫還原粉化率和熔劑用量，從而提高高爐中CO的利用率，節(jié)約能耗。此外還有利于改善造渣過程，促進(jìn)高爐熱制度的穩(wěn)定和爐況順行。根據(jù)中國一些煉鐵廠的經(jīng)驗(yàn)，每提高 1％熟料比，約可節(jié)約燃料2～3公斤／噸生鐵。

改善燒結(jié)礦強(qiáng)度及高溫冶金性能

篩除粒度小于5毫米的礦粉，控制入爐礦石粒度和按粒度分級(jí)入爐，可以有力地改善爐料透氣性和煤氣分布均勻性，有利于強(qiáng)化冶煉。穩(wěn)定原料成分可穩(wěn)定高爐冶煉，改善生鐵質(zhì)量。改善燒結(jié)礦（球團(tuán)礦）的還原性，提高軟化溫度，改進(jìn)熔滴性能，對(duì)節(jié)約能耗、提高產(chǎn)量都很有效。

提高焦炭質(zhì)量

降低焦炭灰分，每降低1％，可降低焦比1.5～2.0％，提高產(chǎn)量2.5～3.0％。降低焦炭含硫量有利于降低爐渣堿度，減少熔劑用量，降低焦比，提高生鐵質(zhì)量。提高焦炭強(qiáng)度和減少入爐焦粉量，可改善料柱透氣性，對(duì)大型高爐更為重要。

改進(jìn)高爐送風(fēng)

適當(dāng)較大的風(fēng)量，即冶煉強(qiáng)度較高，可以增產(chǎn)。特別當(dāng)冶煉強(qiáng)度過低時(shí)，增大煤氣流速，可改善氣流在爐料中的分布和擴(kuò)散過程，從而改進(jìn)氣、固相之間的還原和傳熱，減少高爐熱損失，焦比也隨之降低；但是當(dāng)煤氣流速超過一定限度，不能與料柱透氣性相適應(yīng)時(shí)，將破壞煤氣的正常分布和高爐順行。目前高爐冶煉強(qiáng)度一般在0.9～1.1噸／（米³?日)之間，必須根據(jù)實(shí)際情況選用最合宜的冶煉強(qiáng)度(見高爐煉鐵)，達(dá)到既增產(chǎn)又節(jié)焦。提高風(fēng)溫可增加鼓風(fēng)帶入高爐內(nèi)高溫區(qū)的熱量，降低燃料消耗，減少煤氣帶走的熱量。高爐噴吹燃料時(shí)，為了提供補(bǔ)償熱，更需提高風(fēng)溫。

富氧鼓風(fēng)

即提高鼓風(fēng)中含氧量，能提高冶煉強(qiáng)度和爐缸燃燒溫度，增加煤氣中CO的濃度，減少每噸鐵的煤氣量并降低爐頂煤氣溫度，有利于提高產(chǎn)量和降低焦比。特別在高爐大量噴吹燃料時(shí)，為使噴吹燃料更好燃燒，提高置換比(每單位噴入燃料可置換焦炭量的比值)，更需用富氧鼓風(fēng)。其缺點(diǎn)是減少單位生鐵的鼓風(fēng)量的同時(shí)，也減少了鼓風(fēng)帶入的熱量，所以富氧超過一定程度時(shí)，會(huì)引起焦比升高。此外，目前制氧成本較高，必須全面考慮各項(xiàng)因素來確定鼓風(fēng)中適宜的含氧量。

控制風(fēng)中水分

采用蒸汽鼓風(fēng)，以適當(dāng)增加并穩(wěn)定風(fēng)中水分，有利于高爐順行，但不利于能量利用。高爐噴吹燃料后采用脫濕送風(fēng)，除去風(fēng)中大部分水分，并保持穩(wěn)定。這樣有利于穩(wěn)定爐況和利用爐缸熱能，可以擴(kuò)大燃料噴吹量，更有效地降低焦比。

高壓操作

借助安裝在煤氣管道中的高壓閥組，提高爐內(nèi)煤氣的壓力，縮小煤氣體積，降低煤氣流速，減少煤氣對(duì)料柱的阻力，能促進(jìn)高爐順行，有利于進(jìn)一步提高冶煉強(qiáng)度，同時(shí)還能增加煤氣在高爐中的停留時(shí)間和減少爐塵損失。70年代大多采用0.7～3大氣壓操作，通常爐頂壓力每升高0.1公斤力／厘米²，約可增產(chǎn)2～3％，降低焦比0.5％左右。

高爐噴吹燃料

從風(fēng)口直接把輔助燃料吹入爐缸，代替部分風(fēng)口前燃燒的焦炭，以降低焦比，強(qiáng)化冶煉。高爐可以噴吹的燃料分液體（重油、輕油、原油、焦油及瀝青等）、固體(無煙煤、煙煤、焦粉等)和氣體（天然氣、焦?fàn)t煤氣以及爐身噴吹用還原性氣體等）三類。中國主要噴吹煤粉。高爐噴吹燃料產(chǎn)生以下后果：

（1）焦比大幅度降低 中國首都鋼鐵公司1號(hào)高爐1966年通過富氧和提高風(fēng)溫，油、煤噴吹量達(dá)入爐燃料量的45％，焦比月平均366公斤／噸鐵，目前中國多數(shù)高爐每噸鐵噴煤 60～120公斤。焦比降低的主要原因是燃料中的碳代替了風(fēng)口前燃燒焦炭的碳量；燃料中含有H₂（如重油含H₂達(dá)10～12％），促進(jìn)高爐內(nèi)的還原。

（2）要求熱補(bǔ)償 噴入高爐的燃料在風(fēng)口前是冷的。在燃燒前汽化分解時(shí)要消耗部分熱量，使?fàn)t缸溫度降低（冷化作用），必須提高風(fēng)溫來補(bǔ)償。此外，噴吹燃料可促進(jìn)富氧鼓風(fēng)。蘇聯(lián)噴吹天然氣的高爐鼓風(fēng)含氧可富化到30％以上。

（3）促進(jìn)高爐順行可用來調(diào)節(jié)爐況 高爐噴吹燃料后爐缸中心氣流增強(qiáng)，溫度提高，風(fēng)口平面上沿半徑溫度梯度減小，爐缸工作更均勻。但如噴吹量超過一定限度，中心過吹，則會(huì)破壞順行。遇此情況應(yīng)采取上部調(diào)節(jié)，加重中心負(fù)荷；下部調(diào)節(jié)，擴(kuò)大風(fēng)口直徑，縮短風(fēng)口長度；以及富氧鼓風(fēng)等措施。利用改變噴吹量可調(diào)節(jié)爐況：當(dāng)爐況向涼時(shí)，加大噴吹量；爐況向熱時(shí)，減少噴吹量。但爐況已涼或已熱后則不宜采用。高爐剛開始噴吹燃料，由于“冷化作用”，爐溫不高；幾小時(shí)后，預(yù)還原的爐料進(jìn)入爐缸，爐溫又逐漸升高。這段涼熱變化期稱為“熱滯后”時(shí)間，可作調(diào)節(jié)爐況的依據(jù)。

（4）較高壓差操作 由于噴吹燃料產(chǎn)生的煤氣量比被替代的焦炭產(chǎn)生的多，使煤氣的浮力增加，加之噴吹燃料后焦比降低，料批中焦炭比例減少，都使料柱阻力增大，壓差升高（在高爐順行前提下，壓差略高，仍可維持正常生產(chǎn)）。為了擴(kuò)大噴吹量，防止壓差過高，可提高礦石品位，改善爐料粒度組成，提高爐頂壓力，采用富氧鼓風(fēng)等措施。

（5）改善生鐵質(zhì)量 如噴入燃料含硫量低于焦炭，則生鐵質(zhì)量一般有所改善。另外，噴吹燃料后爐缸工作均勻，爐渣脫硫能力升高，也可改善生鐵質(zhì)量。噴吹煤粉時(shí)應(yīng)注意選用低硫煤。中國高爐大部噴吹煤粉，有成熟的經(jīng)驗(yàn)。噴吹量大，可利用多煤種。工藝上有高壓和常壓兩種流程，前者是在噴吹罐內(nèi)充以高壓氣體。噴吹煤粉時(shí)必須考慮防爆安全措施。

高爐操作

開爐

新建成或停爐新修好的高爐，從點(diǎn)火轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)的過程叫開爐。開爐前爐襯要烘干，一切機(jī)電設(shè)備要認(rèn)真檢查或試車。配料采用比正常生產(chǎn)高一些的焦比；送風(fēng)后，按爐溫情況逐步過渡到正常焦比。開爐時(shí)要注意安全操作，尤其注意不要因煤氣操作失誤（或漏氣），引起中毒或爆炸。

停爐大修

高爐生產(chǎn)若干年后，爐襯和爐型嚴(yán)重?fù)p壞，繼續(xù)生產(chǎn)不經(jīng)濟(jì)或不安全，需要停爐進(jìn)行包括更換爐缸爐底磚襯的大修（只包括更換爐身磚襯的修理叫中修，一般常規(guī)檢修叫小修）。通常把開爐到停爐的時(shí)間稱為高爐壽命，長的可達(dá)十年以上。

高爐休風(fēng)

高爐由于更換風(fēng)口、渣口或進(jìn)行其他小型修理而暫時(shí)停風(fēng)叫休風(fēng)。休風(fēng)幾分鐘到幾小時(shí)的叫短期休風(fēng)，時(shí)間更長的休風(fēng)叫長期休風(fēng)。為了安全，長期休風(fēng)時(shí)須把爐喉料面煤氣點(diǎn)火，并處理煤氣系統(tǒng)。

封爐

由于生產(chǎn)任務(wù)變化，需停止生產(chǎn)一個(gè)時(shí)期，爐內(nèi)換成礦石較少以焦炭為主的爐料，進(jìn)行停風(fēng)停產(chǎn)，叫做封爐。停風(fēng)后，卸下所有風(fēng)口，渣口用耐火泥和磚密封，盡量防止冷卻過程中高爐吸入空氣。

爐況順行

高爐操作的首要任務(wù)是保持”爐況順行”。主要是操作時(shí)，控制裝料、送風(fēng)、造渣、熱量四大制度的穩(wěn)定，使?fàn)t料下降均勻，爐溫正常，造渣情況好，獲得較高的生鐵合格率。

爐況失常和故障

難行、懸料和崩料

爐料下降不順暢，叫“難行”。難行發(fā)展到完全不動(dòng)，叫“懸料”。主要是由于原料強(qiáng)度太差、粉末太多，或基本操作制度選擇不當(dāng)所致。高爐內(nèi)結(jié)瘤時(shí)容易懸料。爐料突然崩落，叫“崩料”。高爐出現(xiàn)難行和懸料，一般可減少風(fēng)量或風(fēng)溫；有條件時(shí)，風(fēng)中加入些水蒸氣以減少上升煤氣流的浮力，促使?fàn)t料恢復(fù)下降。如均不見效，應(yīng)把入爐風(fēng)量減到允許的最低值，進(jìn)行“坐料”處理。

爐涼、爐缸凍結(jié)和爐熱

由于配料計(jì)算或裝料稱量錯(cuò)誤，使?fàn)t內(nèi)熱收入低于支出，爐況失常，或者冷卻設(shè)備漏水，增加額外熱消耗，使渣鐵溫度下降，叫“爐涼”。爐涼發(fā)展到嚴(yán)重程度，渣、鐵凝結(jié)在爐缸內(nèi)，叫“爐缸凍結(jié)”，屬于高爐操作嚴(yán)重事故。而由于配料錯(cuò)誤等原因，超過爐內(nèi)熱量需要，叫“爐熱”。以上都要采取措施及時(shí)調(diào)整和處理。

結(jié)瘤

由于爐料強(qiáng)度不好，粉末太多，操作中煤氣流不穩(wěn)定，爐溫劇烈波動(dòng)，致使熔融物重新凝結(jié)在爐墻上，形成爐瘤；此外爐料中含較多的堿金屬鉀、鈉、鋅等容易揮發(fā)沉積的元素時(shí)，也能粘結(jié)成爐瘤。結(jié)瘤是高爐生產(chǎn)的大敵，輕則導(dǎo)致高爐不順行，重則使生產(chǎn)完全癱瘓。高爐下部結(jié)瘤，可用發(fā)展邊緣氣流同時(shí)減輕負(fù)荷，或加螢石作洗爐劑進(jìn)行洗爐；上部結(jié)瘤嚴(yán)重時(shí)，只能休風(fēng)，降低料面，進(jìn)行炸除。

爐前操作

出鐵

高爐出鐵是一項(xiàng)比較繁重的工作。一般高爐有一個(gè)鐵口，每晝夜出鐵 6～12次。大于2000米³的大高爐有 2～5個(gè)鐵口，輪流開口出鐵。每次出鐵30～60分鐘。

出鐵前的準(zhǔn)備工作：

（1）準(zhǔn)備鐵、渣罐（爐前沖水渣可不用渣罐）；

（2）烘干鐵口；

（3）清理并烘干鐵溝和撇渣器；

（4）備好堵口泥和泥炮等。出鐵時(shí)，用電鉆將鐵口打通，使鐵水沿鐵溝流入鐵罐，送去煉鋼或鑄塊，出鐵完了，用泥炮將堵口泥打進(jìn)鐵口，予以封閉。

出渣

出鐵后1～1.5小時(shí)，可開始放渣。一般高爐都有兩個(gè)出渣口，位置比出鐵口略高。出渣到渣口有火焰噴出時(shí)，將渣口堵住。如二次放渣后期還沒有火焰噴出，為減少爐內(nèi)渣量，一直放到下次出鐵時(shí)再堵渣口。近代巨型高爐(＞4000米³)，由于渣量少，不設(shè)渣口；爐渣隨鐵水從鐵口放出。

在一個(gè)煉鐵廠里，幾座高爐出渣、出鐵的時(shí)間要錯(cuò)開，以減少鐵、渣罐的數(shù)目。還要提高渣罐及機(jī)車的運(yùn)行率，以保證煉鋼廠、鑄鐵機(jī)能均衡地工作。

參考書目

1. 東北工學(xué)院煉鐵教研室：《高爐煉鐵》，中冊(cè)，冶金工業(yè)出版社，北京，1978。
2. 北京鋼鐵學(xué)院煉鐵教研組譯:《高爐煉鐵技術(shù)講座》，冶金工業(yè)出版社，北京，1980。(Blast Furnace Ironmaking，Vol.1，2，3，McMaster University，Canada，1977.)
3. A. K. Biswas， Principles of Blast Furnace Ironmaking，Theory and Practice，Brisbane，1981.

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