（转自：中国炼铁网）

王筱留 祁成林

（北京科技大学） 

摘   要：与炼铁同仁探讨当前国内大环境下炼铁所遇到的分歧和问题，纠正概念上的误导。本文由三部分系统阐述：1）精料技术，2）科学评价高炉生产效率，3）目前国内高炉生产一代炉龄偏短、事故频发的分析。精料曾经是高炉炼铁的重要手段和目标，但是由于低成本炼铁，对精料技术产生了怀疑，甚至由于部分企业、专家的鼓吹使得精料技术有了倒退，买矿的低成本并不代表炼铁的低成本。每个高炉都有自己的生产特点，科学计算的方法的分析、认识本高炉生产的现状，并且有理可依的正确提高生产效率。高炉长寿是一个系统复杂的工程，中部、下部都有相应的问题，本文着重介绍了高炉中部的挂渣系统影响因素，炉缸侧壁的保护方法。高炉炉缸的维护是建立在检测系统之上的，因此，检测数据是科学判断的基础。

关键词：炼铁；高炉；精料；生产效率；长寿；

新常态下高炉应遵循低碳，低能耗，低成本原则组织生产。如何实现？在这里谈我们的认识，与诸位交流。

1  全面认识精料

高炉炼铁原燃料的质量决定着高炉能否稳定顺行，煤气利用，乃至燃料比等。因此，精料始终是高炉炼铁的重要议题。虽然提倡精料已数十年，但中国高炉精料始终徘徊在较低水平，甚至回溯到上个世纪的50~60年水平，教训深刻，中国高炉炼铁生产技术指标自2011年以来连年下滑，还看不到明显改进。这是我们称之为带有倾向性的科学，不太符合高炉冶炼规律的问题。

精料工作做到位了，应该达到：

①渣量在280kg/t~300kg/t，至少在300kg/t以下；

②成分稳定，粒度均匀；

③具有良好的冶金性能：还原性，低温还原粉化性，高温膨胀性，软熔性能等。

④较好的炉料结构，充分发挥以针状铁酸钙为粘结相的高碱度烧结矿（SFCA）等优越性，配以性能良好的酸性料。

遗憾的是目前精料工作离这个水平有很大的距离，这是因为高炉的燃料比高，炉内压差大，压量关系失常，高炉常出失常等的原因。

精料工作首先要重视品位，因为渣量由焦炭、煤粉灰分，矿石品位，脉石组成数量等决定。我国由于煤资源条件限制，焦炭灰分高于世界水平2%，喷吹煤粉也高于焦炭。矿石品位差距更大，低的50%左右，高的58%左右（个别选到59%~60%），连年来全国平均品位在57%左右，比国外低2%~3%，所以渣量一般都在320kg/t~350kg/t，高的在400kg/t以上。

下面列出国外的部分资料，就看出我们与他们差距有多大。

1.1 烧结矿

烧结矿是中国高炉炼铁的主要含铁料，在炉料结构中占了70%~80%，2016年生产了8.68亿吨。近年来在烧结生产技术上取得相当大的进步，表现在铁酸钙固结理论已积极指导高碱度烧结矿生产，基于铁矿粉高温基础性能优化配矿技术得到广泛应用，厚料层低温烧结也得到推广，节能减排已取得进展。

基于上述烧结技术的进步，炼铁工作者经过长期研究和生产实践得出，以针状铁酸钙为粘结相的高碱度烧结矿（SFCA）是性能最好的（还原性好，强度高等），生产这种烧结矿的条件是：

烧结矿是高炉含Fe料的主料，它的冶金性能起着举足轻重的作用，目前公认是以针状铁酸钙为粘结相的高碱度烧结矿（SFCA）是最佳的烧结矿，它的生产特点概括为：

（1）创造生产条件和参数控制

含Fe料的预配料  降低烧结矿品位波动的重要措施

熔剂矿源稳定，质量保证达到要求。稳定烧结矿碱度，降低波动的重要措施（见教材附录），配碳，焦粉粒度控制和配碳量合适，配碳量可通过烧结矿生产热平衡计算，针状铁酸钙为粘结相高碱度烧结矿要求的生产工艺条件：

① SiO2  5.0-5.5%；

② Al2O3/SiO2  0.1-0.3；

③ 碱度  1.95±0.05  最低不要低于1.85，最高不要超过2.2

④ 温度  1250℃~1280℃；低值适用于磁精粉烧结，高值适用于赤富矿粉烧结；

⑤ 料层厚  800mm；

⑥ 气氛  强氧化性气氛；

⑦ 点火  温度1000±50℃，时间45~50秒，炉腔负压，零负压或微负压-3～-5Pa，点火能耗控制在0.08GJ/t以下；

⑧ 垂直烧结速度与机速匹配  到达机尾时断面存在1/5厚度红色；

但是，目前绝大多数厂家的烧结矿达不到上述要求，普遍存在着一些生产问题。片面追求低成本。在一些企业，烧结和高炉炼铁仍然是各自独立的单位烧结厂为自身的利益，追求低成本，但是要明确的给大家提醒：

低成本烧结矿≠低成本生铁，相反，盲目追求的低成本烧结矿造成高成本的生铁。因为采用低价劣质矿生产出的烧结矿性能极差，还原性差，粒度组成差，进入高炉影响高炉顺行和煤气流分布，结果造成高炉燃料比升高，产量降低，消耗增加，结果生铁成本升高。应该科学的来认识这个问题，烧结厂应该为高炉生产优质烧结矿，生产成本可能会高一点，但高炉生产指标改善完全可以回数。我们建议烧结配料要以生铁最低成本为基准进行可以采用好的配料软件进行。

（2）片面追求强度，忽视冶金性能

后果是造成吨烧结矿的能耗高，烧结矿中CaO·Fe2O3、2FeO•SiO2低，CaO、FeO、SiO2高，烧结矿粒度组成差，还原性差。

烧结矿是粉料在高温下矿石产生液相，冷却时冷凝析晶形成多孔厚壁的成品。现在相当部分企业为增加烧结矿强度减少粉末，点火温度，和配碳量偏高，造成烧结温度过高，台车下层严重过烧，结果表面温度高形成玻璃相，而正确的做法应该是：

① 点火温度控制在950℃~1000℃，点火时间45~50秒，点火负压为零负压过微负压，-3Pa~-5Pa，将点火能耗控制在0.08GJ/t以下

② 配碳通过热平衡计算得到，将燃料粒度控制在1.0mm~3.0mm，采用偏析布料，小颗粒焦粉分布在上层，约占全部燃料的2/3，大颗粒在下面，约占燃料的1/3，将固体燃料控制在40kg/t左右。

③ 配料前应将烧结矿的烧结特性：同化性，CaO·Fe2O3生成性，液相生成量及液相粘度等测定，然后取长补短，合理搭配。

（3）片面的用碳代替石灰石生产高碱度烧结矿

烧结矿生产的混合料中加CaO是改善造球性能，利用CaO+H2O—>Ca(OH)2成胶体，使矿粉易于成球，因而石灰加入量与烧结矿的造球性能有关。一般来说，石灰配入量在5%左右为好，不宜超过7%。烧结矿的碱度还是要用石灰石粉。在石灰石粒度合理的情况下，是不会影响固体燃料消耗。因为CaCO3在预热带就已分解，到燃烧带基本完毕。只有过大的才会影响燃料消耗，不仅如此，还会影响CaO矿化，而形成白点影响烧结矿强度，石灰石分解出CO2进入烟气，提高了烟气的氧化程度，有利于控制FeO的生成。

（4）片面追求成品率

烧结厂从自身业绩考虑，追求成品率，有的厂成品率达到90%~95%。但是到达高炉槽下筛分，有20%的成为返矿，又返回烧结厂，这是不正常的，科学的规律是，烧结的成品率控制在75%左右，不宜高于80%，而高炉的槽下筛分应在5%~10%，这样的返矿平衡对生产好的烧结矿非常重要，烧结混合料中的返矿比例应控制在30%~35%。

1.2  球团矿

球团是造块发展方向，因为球团矿生产能耗低（比烧结矿低50%），产生污染环境的有害物少（NOx少，不产生二噁英），在富矿使用完后，贫矿富选的精矿粉必须造块，首选就是球团矿（北欧，北美）。

目前大量生产的酸性氧化球团是作为炉料搭配的酸性料，其软熔性能差，；另外精矿粉成本高，使球团矿价格高于富块矿，甚至烧结矿，这样限制了球团矿在中国的生产和发展，再加上生产设备和方法上的缺陷，也限制球团矿质量的优化，尽管如此，现在还是建议有生产球团矿的厂家要结合自身条件研究镁质球团生产技术，主要是研究在已有生产方法和设备上适宜的镁质物料添加剂，合适的添加方法和加入量，镁质球团矿的生产工艺参数控制，即在合适的镁质添加剂加入后对干燥过程，预热及焙烧过程的影响，镁质球团矿的性能明显优于普通酸性氧化球团。

首钢京唐公司在研究的基础上现在生产出的镁质球团的各项指标均优于原来生产的普通酸性氧化球团，例如球团矿的还原性从投炉后的平均65.8%提高到75.5%，熔滴特性指数δ值，熔滴温度区间等改善了50%，还原膨胀率指标由原先的26.31%下降到18.98%。所有指标均达到优质球团矿的控制标准，完全满足5500m³高炉生产要求。

球团矿作为炉料结构中最佳酸性料，它具有如下优点：（1）品位高，中国63%以上，高的65%，国外高的68%。（2）能耗低，是烧结矿的50%。链篦机—回转窑29kgCe /t，带式焙烧机24kgCe/t。（3）冶金性能：粒度均匀FeO低等，（4）生产污染排放少，是烧结8%左右，基本不产生，和二噁英。

目前遇到的困难是，①精矿粉价格扭曲，高于使用价值，②国产烧结矿质量差，品位低，SiO2高，粒度粗，使膨润土添加量过多而造成品位下降，③焙烧设备与烧结矿粉品质不相适应。

由于上述困难，国产球团价格高质量差，高炉炼铁不用，因此球团矿生产2016年仅1.52亿吨，而2011年达到过2.04亿吨，2014年下降到1.2亿吨，这两年稍有回升，但与产能相差很大，因此要克服困难，发展球团矿生产。

1.3  焦炭

1.3.1焦炭的作用

焦炭是高炉炼铁不可或缺的燃料，其作用在于：冶炼过程的热源，还原剂，铁水渗碳的碳源和高炉料柱的骨架，特别是软熔带及其以下的滴落带。

1.3.2焦炭在高炉内的裂化

①热应力 焦炭是导热性差的物料，进入高炉被上升煤气加热，表面与中心产生温差200℃~250℃，在焦炭内部出现热应力，当热应力大于焦炭能承受的分子间结合力时，焦炭就沿着出炉时残余的微孔隙破裂，这种现象发生在炉身上部

②摩擦 下降过程中不同运动速度的料块之间，焦炭与炉墙之间，最为严重的是风口燃烧带地区被鼓风动能带动高速旋转运动的焦炭与死料柱边缘相对不动的焦炭之间的强烈摩擦。

③碳溶解损失反应：焦炭中的碳在850℃以上遇到煤气中的CO2发生C+CO2=2CO反应，这是劣化作用中最强的，发生在高炉块状带软熔带上边缘之间地区，也就是高炉内850℃~1200℃之间的地区。溶损反应将焦炭表层变成疏松蜂窝状。

④渣铁溶蚀：软熔带产生的液态铁珠和渣流经过滴落带时，含碳很少的铁珠滴落在焦炭表面与焦炭中的碳发生渗碳反应3Fe+C=Fe3C，初渣滴落在焦炭表面发生（FeO）+C=[Fe]+CO   (MnO)+C=[Mn] +CO等直接还原反应，这些和还原反应将焦炭表面侵成麻子，焦炭表层强度变差;

⑤K2O，Na2O等有害化合物侵蚀：首先它们是溶损反应的催化剂，催化溶损反应的进程，第二它们是与焦炭灰分中的SiO2，Al2O3反应形成钾霞石，白描石等，体积膨胀30%，破坏焦炭结构。第三是K与C形成KC8等嵌入式物质，体积也膨胀10%左右，也破坏焦炭结构。

1.3.3  焦炭质量的评估

目前国内外对高炉炼铁用焦炭的评估采用常温性能：工业分析的灰分A；挥发分V；硫；水分；固定碳；高温性能CRI和CSR：国标对各级高炉的要求是：

对于焦炭评估还要说明

（1）由于我国焦煤的特点，灰分高且难洗，生产不出低于11%~12%的焦炭，焦炭常温的M40（M25）和M10尚属正常，但高温性能较差，因此完全用国产煤炼出的焦炭适用于2000m³及其以下中小高炉，不宜建大于3200m³的高炉。

（2）目前两种生产焦炭方式生产的焦炭质量差距大，而且捣固焦的质量评价尚未有专门的标准，用顶装焦的标准来评价捣固焦得出的结果不能完全反映捣固焦的质量。因此购买捣固焦应了解生产厂的配煤，捣固压强，捣固煤饼的堆积密度，以及炼焦工艺参数，时间等来综合判断捣固焦的质量。

（3）捣固焦

特别要关注的是目前广泛使用的捣固焦及其质量评估。捣固焦生产技术是节省日益紧张的焦煤和焦肥煤技术，科学地应用这种技术，可以节省20%~25%的焦煤和焦肥煤，也就是顶装焦配煤中要用70%~75%的焦煤和肥煤，捣固焦配煤可以降到50%左右的焦煤和肥煤。在合理的配煤后用一定压强的捣锥捣固混合煤料使他的堆积密度增加到0.9t/m³~1.0t/m³（顶装焦混合煤料的堆积密度为0.75 t/m³左右），然后用优化的热制度炼焦可以获得良好的冶金焦，国外已可用于3000-4000m³的高炉。但由于国内在配煤、捣固、炼焦等方面不规范，造成现在生产的捣固焦质量差别很大，一般仅能用于2000m³以下中小高炉。当前需要将捣固焦生产规范提高其质量，同时还要执行检测器性能的科学方法和相应指标。

目前捣固焦的问题是配煤中焦煤和肥煤的配比较少（有的甚至配煤中完全不配焦煤和肥煤），捣固压强过大，煤块的堆放密度过大1.15t/m³~1.25t/m³，炼焦制度不规范，温度分布不合理，焦粉两端生焦过多，生产出的捣固焦的粒度偏小，平均比顶装焦小10mm，使捣固焦的堆积密度升高达到0.55t/m³~0.60t/m³有的更高。同一炉焦炭的反应差别很大，影响捣固焦使用价值，一般认为其价值有顶装焦的80%~85%。

（4）建议将焦炭按粒度分级使用，采用中心加焦装料，将大颗粒、强度好的焦炭装到高炉中心以获得透气性、透液性好的炉缸焦柱（死料柱），来达到活跃炉缸，而且<25mm的焦丁与小粒度的烧结矿混装入炉。

1.4  喷吹用煤

喷吹煤粉是降低焦比的重要措施，它是以粉状从风口喷入高炉，代替焦炭的热源，还原剂和渗碳的作用，但不能代替焦炭的骨架作用，对煤粉的评估要从这三个角度来判别，重要的是配煤提高煤粉在高炉内的利用率，另一个是购煤的性价比。

前者我们建立了评估模型，首先要建立煤粉数据库，将所用煤粉的原始资料存入库内，它们是：

应当指出，有效热值是煤粉在风口前燃烧形成CO和H2放出的热量，不是煤的低发热量Q低，因为煤粉在风口前燃烧，其中C和碳氢化合物中的碳燃烧成CO，而H2则以分子状态进入煤气，例如煤种的CH4在风口前的燃烧反应是CH4+1/2O2→CO+2H2,氢是不发热的，所有放出的热值比锅炉的燃烧低得多。

这种权重分配是可以根据企业生产实践，自行分配或对上述权重进行调整修改。

喷吹成本—包括制粉和喷入高炉费用作用对比，简化为制粉成本比，因为喷吹成品的差别主要在制粉，喷吹费用对所有煤基本上是相同的。

需要说明一个问题，就是煤粉预热问题，现在部分厂家在介绍喷吹煤粉预热技术，用热风炉烟道废气或余热回收低压蒸汽预热煤粉到150℃~250℃，然后喷入高炉来提高煤粉在风口前燃烧率，从而提高喷煤比，应该说这种想法是好的，但其效果并不会很大，因为高炉喷吹煤粉的特点是，高温高压下在短暂的时间内，0.01s~0.04s，很小的空间，煤粉出口至燃烧带，和高速加热103℃/s~106℃/s进行的，而不是像在锅炉内，在常温常压下进行燃烧，煤粉在喷吹前预热和煤粉出口后的加热差1~3个数量级，因此对燃烧速度的影响是很有限的。但是预热对流动性和弥散性差的煤粉有一定的好处，可以在一定程度上改善流动性，有利于煤粉输送，但效果是要根据煤粉进行测定才能知道，这一煤粉预热技术是否推广应用，要从经济上投入和产生平衡上确定。

2  科学和正确的提高高炉生产效率

在这方面，需要转变观念，要从传统的评估高炉生产效率的指标——高炉冶炼强度高低，高炉有效容积利用系数的高低，转变到新常态下的高炉与冶炼条件相适应的炉腹煤气量、炉腹煤气量指数和炉缸面积利用系数。

2.1、有效容积利用系数ηV和炉缸面积利用系数ηA

高炉是由六段，炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸、死铁层形成的竖炉，不论高炉大小，都有这六段。但从相似原理来说，大小高炉并不是一样的，它们的Hu⁄D，d⁄D，d1⁄D都不相等，造成大小高炉生产指标（业绩指标）中一些指标无可比性，另一些指标则有可比性。其中高炉有效容积利用系数是无可比性的，小高炉的ηV可以达到4.0t/（m³·d），而大高炉则不能，最多也就2.5~2.6 t/（m³·d）。但是炉缸面积利用系数则相对具有可比性，大小高炉基本相同。高的80 t/（m²·d），低的60 t/（m²·d）.

从表中可以看到小高炉ηV达到4.0t/（m³·d）与大高炉ηV达到2.5 t/（m³·d）的ηA是基本相同的，因此建议今后企业内不同容积高炉，企业之间不同容积高炉对标时采用炉缸面积利用系数来评估生产业绩。

2.2  提高高炉生产效率的途径

长期以来，中国炼铁是靠不断提高冶炼强度来达到高产，高效率。冶炼强度I、容积利用系数ηV好燃料比K存在着的关系为：ηV=I/K

通常人们认为高炉的高产高效率就是将ηV提高，从上述关系可以看到存在四个途径使ηV提高：①I提高，K降低；②I提高，K不变；③I不变，K降低；④I提高，K也随之提高，但前者提高幅度大于后者的提高，ηV仍有稍有提高。中国60余年来就是走的第4条道路，在供不应求的情况下，的确给企业带来了效益，但也造成了中国的炼铁燃料比高于世界平均水平约50kg/t~100kg/t。

随着冶炼条件变化；原燃料质量变化，价格攀升，环保要求严格，费用投资增加等生铁成本上升，而市场波动大，产能过剩需求减少，销售价格降低，产量与效益的关系变成另外一种状况。这时，仍然遵循传统的提高冶炼强度增加产量的途径将使企业亏损。在新常态下，必须转变观念，要走维持与冶炼条件相适应的炉腹煤气量大力降低能耗，即转向第三条道路。

现在有些企业提出：目前尚有不少，炼铁厂仍然走着高冶强高有效容积利用系数的途径是否可行的问题，我们认为要具体分析，这要从市场供求，企业内对铁水量的要求等方面来讨论。从国家总体来说，是不提倡再走这条路，因为它的后果是燃料比升高，能耗增加，CO2排放量和粉尘等污染物排放量增加，但从个别企业来说，它原来的规划铁水供求不平衡，即炼钢能力大于炼铁能力，在炼铁设计时，就采用了大马拉小车的思路，即风机，设备能力大，而为追求高利用系数将高炉建的偏小，在市场看好，价格上升时，就要求高炉炼铁加大产量，但高炉容积已固定，那就只能不顾燃料比升高，提高冶炼强度，提高有效容积利用系数来满足炼钢要求的铁水量。这就是去年虽然产能淘汰了3000多吨，但总产量却提高的原因。应该说这是暂时现象，未来将能耗，CO2排放等环保来评估企业时，这种现象将会消失。

2.2.1 如何确定与冶炼条件相适应的炉腹煤气量问题

这要在寻求高炉稳定顺行去解决。通过研究得到的不同容积高炉的K值示于图5，而炉腹煤气量指数与燃料比和有效容积利用系数的关系示于图6。

例1  

某4000m³级高炉

P热风=0.396MPa，P顶=0.22MPa，从图5上查出其K值在2.6~3.0，以最大的3.0值计算：

由炉腹煤气量算出风量：V风max=6400~6500m³/min；

由风量算出冶炼强度：1.05~1.09t/(m³·d)；

在这种参数下生产获得燃料比486~490kg/t，利用系数2.20~2.24t//(m³·d)。

例2  某2000m³级高炉，炉缸直径9.6m，从图6上查出燃料比低，利用系数高时X炉腹在58～64范围内，

2.3.  最低燃料比

过去将最低燃料比称理论焦比，前辈的专家教授推出不同的计算方法，本人认为目前最简单而普遍采用的是20世纪40年代创立的C-rd法，从高炉冶炼的基本规律出发，决定最低碳消耗的是间接还原耗碳（Ci）和热消耗碳（C热），在这两者平衡相等时，就是除渗碳，少量元素还原耗碳以外（即铁还原与风口前燃烧）的最低碳消耗，从图解上就是

热消耗碳与冶炼所需要的热量多少有关，先进高炉的热消耗在8.5～9.0GJ/t，后进的可达12GJ/t，有的甚至更高，在图7上，热消耗低的C热线下移与Ci线交点也下移，碳消耗降低，燃料比低。热消耗高的C热线上移与Ci线交点上移，碳消耗增加，燃料比高。间接还原耗碳与高炉中上部间接还原发展程度有关，用炉顶煤气利用率 表示间接还原发展程度，ηCO低，间接还原发展差，Ci线顺时针移动，Ci升高，ηCO高的间接还原发展好。

高炉生产顺利是非常重要的，炉子一旦不顺行，就会造成生产的技术经济指标恶化，失去经济效益，根据流体力学基本规律，高炉生产顺行的必要条件是：

根据流体力学规律高炉顺行的条件是△P/H〈r料就是高炉任何部位的炉料的堆积密度r料要大于该部位单位高度上的压差，如果△P/H接近r料，高炉就要难行，如果△P/H〉r料，高炉要悬料，如果难行或悬料初期上升煤气流冲过某部位就形成管道，如果某部位下部炉料不断下降出现空间，上部r料不断增加，就出现崩料和塌料。

一定冶炼条件下的炉料堆积密度相对稳定，矿石×矿批堆积密度+焦炭×矿石堆积密度。吨铁矿石消耗量由矿石含Fe量决定。波动在1.6t/t~1.7t/t。焦炭消耗量由燃料比决定。在现在的冶炼条件下，燃料比在550kg/t，其中焦炭在350kg/t~400kg/t，焦丁35kg/t左右，喷煤120kg/t~170 kg/t。矿石的堆积密度随含铁量和粒度组成而波动。富块矿2.5±0.5，烧结矿2.0±0.3，球团矿2.5±0.5t/m³。焦炭主要决定于粒度组成，大块焦0.45t/m³~0.5 t/m³，小块焦0.6t/m³~0.7 t/m³。这样吨铁入炉料的堆积密度在4t/m³左右。将它乘以批料出铁量就可以得到每批料的堆积密度。

它既是上升煤气对下降炉料的浮力，也是上升煤气运动过程中的阻力损失，按照散料层中流体运动的规律推导出来的高炉内的规律是：

通过研究，我们认为按流体力学规律，应用煤气透气性阻力系数和炉腹煤气量指数来确定炉腹煤气量较为科学。

至于空隙度，在三个区域不完全相同：

块状带：由焦炭层的εC和矿石层的εO加和组成，即矿石占的百分比×εO＋焦炭占的百分比×εC；

软熔带：完全由焦炭的εC决定，因为软熔带内矿石软熔，孔隙逐步堵塞而不透气，在软熔带内透气性的比例为软熔层：矿石层：焦炭层＝1:4:52

滴落带：由焦炭孔隙度和渣铁滞留量决定，即εC-ht。

正常生产高炉三个带的孔隙度示于图

块状带决定于炉料的粒度组成，粒度越均匀空隙度越大，而粒度组成中70%大粒与30%小粒的组成是空隙度最小。影响空隙度的还有烧结矿的低温还原粉化，富块矿的爆裂，它们都会产生粉末，填入烧结矿、块矿的空隙而降低料柱空隙度。

软熔带是料层中阻力最大的部位，因为矿石在这里软熔。由固体转变为液体，转变过程中矿石层的空隙度由正常转变为零，软熔层透气性与焦炭层透气性之比为软熔带是料层中阻力最大的部位，因为矿石在这里软熔。由固体转变为液体，转变过程中矿石层的空隙度由正常转变为零，软熔层透气性与焦炭层透气性之比为1：52，所以软熔带的煤气主要通过焦炭层（俗称焦窗），△P/H还与软熔带层数n，软熔层厚度h和软熔带宽度β有关。

从以上分析可以知道，无论是炉料空隙度，还是煤气流速都与原燃料质量有关，所以必须重视原燃料生产和管理。高炉生产正常情况下，高炉顺行稳定。突然任何参数不变，炉子出现异常，首先要考虑炉料发生了变化，特别空隙度变小，造成ΔP/H上升。这时要对炉料进行检验。我们经常告诫工长们，每天上班，在接班前应到料仓去巡视一番，观察今天本班要吃的料的状况，筛子的筛分效果如何，做到心中有数。

我国目前普遍现象是炉内压差偏高，压量关系紧张，其原因就是冶炼强度过高，煤气流速过大，炉料空隙度过小，表现为焦炭平均粒度小，堆积密度大（过去低时0.45，一般0.5，现在低时0.55，一般在0.6），烧结矿10~5mm的过多，国外先进的10~0mm的9%~11%，平均10%,而我国10~5mm好的15~20%，差的40%以上，0~5mm的好的3%，差的5%以上。有的企业领导甚至要求烧结矿不用过筛，全部入炉以降低成本，这种做法是适得其反，这就是“不科学”炼铁。

流体力学的规律是流体总是沿着阻力最小的通道流动，而高炉内炉料（实质是散料）分布是不均匀的，其空隙度也是不均匀的分布，在空隙度变小后，在某处被煤气窜过就形成管道，煤气流将小颗粒粉末带走，管道越来越大，有可能形成恶性管道。操作者采取措施堵管道，将所有通道都堵死，就发生悬料，因此处理时要堵与疏同时并举，即堵管道疏通其周边，使煤气流有通道。

2.4  如何确定燃料比和最低燃料比

中国钢铁生产的能源结构中煤占了主要部分70%，它用在高炉炼铁上就是燃料消耗（焦炭＋煤粉）占了高炉炼铁所需的能源的70～80%，所以低碳炼铁的重点是降低燃料比，根据国际钢铁协会2006年公布的数据，高炉平均燃料比为543kg/t，德国486kg/t,中国台湾488 kg/t，欧盟15国494 kg/t，南美洲496 kg/t，日本498 kg/t，韩国503 kg/t，北美510 kg/t，中国大陆555 kg/t，从总体上看中国平均燃料比高于国际平均水平，应该说中国燃料比实际比统计的要高，因为在统计中一些企业报的是综合燃料比，即将煤比乘了置换比，而且还有把焦丁认为是废物利用，不计入燃料比，造成中国的实际燃料比低于统计值，实际中国燃料比（焦比＋煤比＋焦丁比）要高出国际水平50～80kg/t，个别的高出100kg/t，因此要实现低碳炼铁，必须降低燃料比。

为正确评估生产的实际燃料比，这里要再重复真实燃料比的计算方法和奋斗目标的确定方法。

高炉炼铁技术进步的重要动力就是降低吨铁的碳素消耗，在炼铁工艺原理和技术的发展过程中，研究最低碳比是个重要内容，它的依据就是冶炼过程的热力学。从高炉冶炼过程来说，碳素消耗于：生铁渗碳、直接还原耗碳、提供冶炼所需热量耗碳。

2.5 冶炼吨铁的碳消耗

 在高炉冶炼的条件下，吨铁的碳消耗有四个方向：生铁渗碳Ce，少量元素还原(Si,Mn,P,Ti,V等)和脱硫耗碳CdSi,Mn,P,S…;铁的直接还原耗碳CdFe和风口燃烧带内燃烧碳C风。这个燃烧既形成间接还原的还原剂，同时放热，满足冶炼所需要的热能。

生铁渗碳Ce  其量与生铁成分和铁水温度的因素有关，可根据经验式计算，也可通过化验测定。    

生产实践表明，目前生铁含碳在炼钢生铁中波动在4.5%~5.1%即45kg/t~51kg/t。

少量元素还原和脱S  其量与生铁中Si，Mn，P，V，Ti等元素含量及吨铁硫负荷有关，可通过化学反应式计算：

式中[Si],[Mn],[P],[S],[Ti]—铁水中元素含量，%;

CO,H2—炉顶煤气中CO,H2含量，%;

t铁水—出铁的铁水温度，℃;

P顶CO—炉顶煤气中CO分压，KPa.

吨铁风量V风可以通过物料平衡计算，也可通过仪表风量计算

V仪（1-α）/（ρ/60×24）

α—漏风率,%;ρ—日产量，t/d

风中含氧量  不富氧（1-ψ）0.21+0.5ψ=0.21+0.29ψ

富氧 [(1-ψ)0.21+0.5ψ](1-A)+A·O2

ψ—大气湿度，%；A—富氧率；O2—工业氧中氧含量；

根据以上4项碳的消耗就可以计算出吨铁消耗碳量，然后除以燃料中的含碳量就可以得到燃料比。

吨铁消耗碳量=Ce+Cd Si,Mn,P,S…+CdFe+C风

燃料比=吨铁消耗碳量/燃料中含碳量

可用两种方法来计算实际消耗的碳量，里斯特操作线法和C-rd法

3  扭转高炉一代炉龄短，且频繁出现事故现象

高炉长寿是一个系统工程，它由设计、筑炉、检测、操作等多方面因素综合形成的结果。有关这方面的解释，我们已在过去几次会议介绍过，因篇幅限制，不再重复，现在高炉建成投产以后如何来维护，克服存在问题而避免事故，延长高炉寿命。

调研表明生产中决定寿命的是两个部位：高炉中部的炉身下部，炉腰炉腹部位和高炉下部炉缸侧壁部位。前者表现为渣皮频繁脱落，铜冷却壁大量过早烧坏而被迫停炉。后者表现为侧壁温度身高异常，残余厚度300mm左右，严重时出现漏铁，甚至烧穿而被迫停炉。

3.1  高炉中部问题

生产中这部位要维持稳定的渣皮来保护。因此对影响渣皮的因素要做全面了解，并采取有效的措施来保护，经过我们的研究，影响渣皮的因素较多，分析如下：

（1）炉气温度对渣皮的影响

炉气温度温度升高导致炉气与冷却壁热面热量交换增大，冷却壁本体温度升高，不利于炉渣在冷却壁表面的凝结；

铜冷却壁本体测温热电偶的温度能一定程度上反应冷却壁热面状况及挂渣情况，但其测量值低于冷却壁本体最高温度，因此不能以之作为判断冷却壁是否安全工作的标准。

炉气温度温度升高导致炉气与冷却壁热面热量交换增大，渣皮厚度逐渐减薄；煤气温度频繁波动导致渣皮厚度频繁变化，易引起渣皮整体脱落。

（2）冷却制度对渣皮的影响

铜冷却壁对冷却水流速的变化比较敏感：在水流速值较小时（<1.5m/s），增大水流速能显著降低冷却壁本体温度，保护冷却壁;而水流速较大时(>1.5m/s)，水速的增大对冷却壁的降温效果很微弱。

炉气温度越高，增大水速对冷却壁的降温效果越明显。

冷却水温度的降低能显著降低铜冷却壁本体温度，冷却水温度每降低1℃，壁体温度也将降低约1℃。

在水流速值已经较大时，应采取降低冷却水进水温度的方式来调节冷却壁本体温度，而非盲目追求高水速。

由于渣皮导热率很小（约1.2~2.0W/(m·K)），因此冷却水流速及冷却水温度的变化对渣皮厚度的影响很小；

调整冷却制度的意义在于调整冷却壁本体温度，保护冷却壁不被烧坏，而非调整渣皮厚度。

（3）炉渣性质对渣皮的影响

炉渣在冷却壁热面凝固的临界温度定义为“挂渣温度”；

挂渣温度越高，冷却壁本体温度越低；较高的挂渣温度能提高冷却壁对炉气温度的适应能力：

挂渣温度1050℃：临界温度1370℃；

挂渣温度1100℃：临界温度1395℃；

挂渣温度1150℃：临界温度1430℃；

挂渣温度越高，渣皮厚度越大，但渣皮厚度随炉温波动而显著变化；

挂渣温度越低，渣皮厚度越小，但渣皮厚度随炉温波动的变化较小；

挂渣温度不宜过高，也不宜过低，应保证适宜的挂渣温度以保证厚度合适且稳定的渣皮。

炉渣导热率越高，渣皮的厚度越大；

对于不同的炉料结构，所能形成的渣皮厚度不同，炉料结构调整时，应多关注冷却壁渣皮厚度的变化及冷却壁本体温度的变化

（4）镶砖材质对渣皮的影响

炉气温度较低时，镶砖导热率的变化对冷却壁本体温度影响较小；

炉气温度较高时，镶砖导热率的变化对冷却壁本体温度的影响较大，且炉温越高，影响越明显。

镶砖导热率变化对筋肋位置渣皮厚度的影响较小，但对燕尾槽位置渣皮厚度有较大影响；

燕尾槽内镶砖被炉渣取代后，筋肋和燕尾槽位置渣皮厚度均明显减小；

铜冷却壁热面炉衬可不采用优质耐火材料，但燕尾槽内应采用导热率较高，且寿命较长的镶砖。

（5）渣皮厚度变化对其稳定性的影响

冷却壁本体应力值随着渣皮厚度的增大呈现先下降，后上升的趋势，在计算条件下，渣皮厚度约20mm时冷却壁本体应力值最小；

在各渣皮厚度条件下，冷却壁本体应力均随着炉气温度的升高而升高；

冷却壁渣皮厚度并非越大越好，而应控制在合理的范围内以降低冷却壁本体应力，延长冷却壁使用寿命。

铜材与炉渣的结合能力很弱，因此冷却壁主要依靠炉渣与镶砖的结合实现挂渣；

渣-砖界面应力值随着渣皮厚度的增大呈现先下降，后上升的趋势，在计算条件下，渣皮厚度约28mm时渣-砖界面应力值最小；

为保证炉渣与镶砖稳定结合，应保持渣皮厚度在合适的范围内且维持稳定。

（6）水速变化对渣皮稳定性的影响

冷却水流速增大后，冷却壁热面温度降低，但渣层的温度梯度增大，导致渣层应力值有所上升，但上升幅度很小；

在渣皮厚度较小时，水流速的增大对渣-砖界面应力的影响较大；渣皮厚度较大时，水速的变化基本不影响壁体及渣-砖界面应力的大小。

渣-砖界面应力的频繁波动易导致渣皮脱落，因此应尽量保持水流速的稳定（尤其在渣皮厚度较小时）。

（7）炉型结构对渣皮的影响

“等效炉腹角”：风口顶端和炉腹-炉腰折点连线与水平线之间夹角；

在经过软熔带整流前，随着等效炉腹角的增大，煤气流速逐渐增大，对冷却壁冲刷加强，影响渣皮稳定性及冷却壁寿命。

采用薄壁炉衬后，无法依靠操作形成合理操作炉型，原始设计炉型即为操作炉型，目前国内许多高炉存在炉腹角过大的问题，可依靠加长风口进行调整，即调整“等效炉腹角”。

软熔带位置越高，冷却壁热面煤气流速越大，对冷却壁的冲刷作用越强，影响渣皮稳定性及冷却壁寿命。

不同的软熔带形状及位置均会影响冷却壁热面煤气流速，对冷却壁稳定挂渣产生影响。

通过调研搞清楚影响因素，我们提出渣皮的合理操作措施的建议如下：

①.上部调剂：利用合理的装料制度控制边缘煤气流，打开中心，减少边缘煤气流对渣皮的冲刷，并提高煤气利用率。

②.选择合理的炉料结构，调整软熔带位置，保证合理的煤气流分布；

③.选用合理的造渣制度，控制炉渣的流动性及挂渣温度；

④.下部调剂：适当缩小风口面积和风口长度，并适当采用斜风口，使鼓风动能增加，吹透中心，抑制边缘煤气流；

⑤.喷煤和富氧合理结合：富氧后风口回旋区体积减小，边缘发展；增加喷煤量可使炉缸煤气量增大，回旋区体积增大，利于中心发展。因此，可在条件允许的情况下提高富氧，并配合以合理的喷煤量。

⑥.高风温操作：高风温带入热量替代了部分焦炭燃烧热量，CO减少，炉缸温度较高而炉身、炉腰、炉腹温度下降，利于渣皮稳定存在。

⑦.冷却水速的增大和冷却水温的降低对铜冷却壁本体降温效果明显，但对渣皮厚度的调整作用不大。水速和水温的波动易引起炉渣和壁体镶砖结合位置应力的波动，因此应尽量保证水速及水温的稳定。

3.2  高炉下部炉缸侧壁问题

生产实践和对高炉长寿问题调研，炼铁工作者得出共识，建立稳定的炉缸保护层以隔离铁水和炭块工作面的直接接触，避免炭球被铁水快速溶损，并在一代炉龄期间精心维护和维护时最关键的。我们将在今年昆明炼铁年会上来讨论这个问题，这里简单说明，供参考。

在炉缸保护层形成的机理上有共识内容也有分歧观点。共识之处是保护层是通过冷却炭块工作面温度下降，通过铁水与炭块工作面的热交换，将靠近工作面的铁水温度下降。随着铁水温度的下降，铁水析出石墨和高熔点的化合物（例如钛矿护炉的TiC，TiN，Ti(C，N)）形成黏稠的保护层隔离了主流铁水与炭块的直接接触而保护炉缸侧壁。

分歧之处是一部分专家认为保护层是凝固在炭块表面的固态保护层，认为生产中保护层没有凝结在炭块工作面，而只是黏稠状的液态保护层，凝固层是高炉停炉后温度下降才凝固的。

不论哪种观点在炉缸形成稳定保护层是炉缸长寿的关键，因此对影响保护层生成与稳定存在的因素要有足够的了解。

通过我们的研究，影响因素主要有：炉缸侧壁的冷却，高炉的冶炼强度，生铁成分，炉缸状态，出铁操作等。

（1）炉缸侧壁的冷却

保护层的形成和稳定存在的决定性因素之一是炭块工作表面能否达到形成保护层的温度，中冶赛迪王刚等的两个图说明了冷却的状态和影响因素，希望大家很好的理解。

气隙的热阻很大，影响传热，从而也影响碳砖表面温度。气隙的大小与碳砖表面温度和保护层厚度成反比。消除气隙是降低碳砖表面温度和稳定保护层厚度的重要手段。

冷却时降低碳砖表面温度的重要手段，前面已说明冷却的重要意义，研究冷却对碳砖热面温度的结果如图：

王刚等对保护层厚度与碳砖残厚和气隙厚度的情况研究后提出评估高炉状态的意见，可供参考。

综合炭砖残厚、保护层厚度、气隙厚度情况，分为非常好、好、一般、不好、差、很差、极差7级。

（2）冶炼强度

过高的冶炼强度是影响高炉长寿的负面因素，单位时间内强大的铁水环流使炭砖工作表面温度升高，不利于形成保护层，而且已形成的，在铁水环流的冲刷下变薄，甚至消失，给环流铁水磨损碳砖创造机会，碳砖被逐步渗蚀，剥落而减薄，最终形成象脚型（或称蒜头型）侵蚀，生产中侧壁温度急剧升高，就是这样造成的。我们长期提倡维持与冶炼条件相适应的炉腹煤气量生产以求形成稳定的保护层。我们也提出在炉缸侧壁出现警界状态时，应降低冶强，危险时应降低冶强20%，一直维持到停炉大修。

（3）生铁成分

生铁成分的影响主要是[C]和[Si]，在加钛矿护炉时还有[Ti]。

高炉炼铁生产的铁水，其含碳是无法控制的，过去认为高炉铁水是饱和含碳的，但实际上高炉铁水中含碳并没有达到100%的饱和度，高的达到了94%，低的只有90%。这样欠饱和度达到6%~10%，欠饱和度的铁水在炉缸内与碳砖接触就要渗蚀炭块。欠饱和度越大的铁水就会将保护层内的石墨碳溶解而破坏保护层，欠饱和度低的铁水对保护层的形成和稳定存在是有利的，我国宝钢3号高炉第一代铁水饱和度在93%以上，它长寿达19年。

铁水中的[Si]与碳的关系是，[Si]越高，[C]以石墨状态存在于铁水中就越多，铸造生铁就是实例。因此，[Si]高易于析出石墨碳形成保护层。过低的[Si]和稍高的[S]是对保护层的形成和稳定存在是不利的，某些高炉生产低[Si]生铁0.2%以下而生铁中[S]达到0.05%以上，炉缸侧壁受到严重侵蚀是不可取的。根据研究，我们提出，在加钛护炉时，要将[Si]提高到0.5%，才使护炉有明显效果。

[Ti]的影响表现在加钛后在炉缸内形成高熔点的TiC，TiN和Ti(C,N)化合物，比较少的质点悬浮于铁水中，与[Si]，[C]等形成的钛球团促使保护层的形成和稳定存在，但要起作用需要铁水中的[Ti]在0.1%以上。在警戒状态时还要提高到0.2%~0.25%，要充分发挥护炉作用。加钛护炉还要将[Si]  提高达到[Ti]+[Si]=0.6%~0.7%。

（4）炉缸状态

正常生产时要求有活跃的炉缸状态：t理=2200±50℃，焦炭进入燃烧带时的温度tc=75%t理，具有储备热＞630 kJ/kg生铁。与此同时中 死料柱要有良好的透气性和透液性，使高温煤气能穿透中心而加热焦炭，铁水，炉渣达到tL=0.75t理，t铁水=tc-2000±50℃，t渣=t-150±50℃，同时出铁时铁水能穿过死料柱而减少环流，减少高速环流对保护层的冲击。

（5）出铁

搞好除铁和维护好出铁口是维持稳定保护层的重要内容，这要求我们转变传统理念，减少出铁次数（大型高炉6~8t/min，中小高炉4~5t/min）维持合适的出铁口深度（出铁口前形成的泥炮厚度，大高炉不超过1000mm，以800mm尾号，中小高炉不超过800mm，以600mm为好）选择好炮泥，炮泥质量应保证开口顺利，堵口有效，而且至少要保证20min出铁稳定，此外要避免风口，冷却壁漏水。

总之要使保护层形成和稳定存在，必须要有完善的冷却系统，要维持与冶炼条件相适应的冶炼强度，增加铁滴滴落时间，提高铁水碳饱和度，要保持炉缸活跃，特别是保证死料柱有良好的透气性和透液性减少铁水环流，炉前精心操作。加钛护炉是要保证[Ti]+[Si]=0.6%~0.7%。

来源：2017年北部湾冶金高峰论坛