摘要：高炉是炼铁的主要生产设备，现代高炉炼铁工艺流程较为复杂和繁琐，对原料配比、原料质量、温度控制、污染物排放指标等都有些非常严格的要求。为了在安全生产的基础上实现环境保护、绿色生产和碳排放、碳中和的具体要求，需要对高炉炼铁的各个工艺环节和生产设备进行检查和深入研究，结合多年的炼铁生产经验，找出需要并且可以优化的环节。然后通过计划对策的实施来实现技术创新和技术进步，达到高炉炼铁生产高质量、高效率、低排放、低能耗的目的，本文侧重分析完成的高炉炼铁布料和出渣设备优化改造实践及效果。

　　关键词：高炉炼铁；均压放料；焦丁溜槽；高炉渣底滤法渣处理

　　我国的炼铁技术由来已久，并且长期居于世界领先地位，与自古至今持续连贯的技术进步息息相关。高炉，作为炼铁的重要设备，因为形状采用竖炉结构而得名。铁的冶炼是在高炉高温条件下，通过还原反应，使铁氧化物中的氧与铁相分离，从而得到单质金属铁的一种化学反应。自高炉炼铁技术问世以来，经过上千年的革新发展，形成了从原料制作、配比、入炉，再到高炉冶炼操作、工艺指标控制和出铁、出渣、除尘等一整套的工艺流程。即使在实现机电一体化和高度自动化的今天，高炉炼铁不但依然脱离不开以上几大步骤，而且对成套设备和工艺流程的要求仍在日益提高。

　　1现代高炉炼铁的基本流程和主要设备单元

　　根据高炉内部工作空间剖面、炉缸直径、有效容积等参数的不同可分为多个炉型，但其主要工艺结构和部件是大同小异的。主要由高炉本体、上料系统、炉顶系统、热风系统、喷吹系统、煤气处理系统和渣处理系统构成。

　　1.1高炉本体

　　高炉本体内衬部分由耐高温炉砖堆砌而成，外面裹设钢板作为炉壳。根据其部位可分为炉缸、炉腹、炉腰、炉身、炉喉五个部分。而根据其功能则可分为炉体检测设施、控制设施和炉体冷却设施。

　　1.2上料系统

　　高炉炼铁时是一个连续生产的过程，需要根据炉内料位情况及时向炉内加料，因而现代高炉也都配置了专门的上料系统。上料系统主要由称量设备、焦槽、皮带输送机等组成，作用是向高炉内输送炼铁所需的焦炭、烧结矿石等生产原料。

　　1.3炉顶系统

　　主要由炉料溜槽、控制阀箱等部件组成，其作用是保证上料系统提供的生产原料能够按比例、均匀地散布在高炉内。

　　1.4热风系统

　　主要由热风炉、热风管、助燃风机等部件组成。其作用是向高炉内提供1000℃~1300℃的热风，从而达到预热煤气、助燃空气和改善炉内气体循环的作用，提高高炉炼铁的热效率。

　　1.5喷吹系统

　　主要是通过气流将煤粉颗粒输送至高炉内部，实现以煤代焦，从而降低生产能耗和炼铁的原料成本。

　　1.6高炉煤气处理系统

　　包括除尘器、TRT、炉顶压发电设备等。主要用于对高炉煤气的净化处理和回收利用。

　　1.7渣处理系统

　　渣处理系统是对高炉炼铁残渣进行收集、水淬、脱水、输送和处理等。

　　2高炉炼铁布料操作优化

　　生铁是高炉炼铁的目标产品，副产品有高炉煤气、高炉渣及炉尘等。

　　2.1高炉炼铁生产的原料

　　炼铁原料主要有烧结球矿、焦炭及当作熔剂的石灰石，还会加入一些生锈废弃的铁件等，需根据高炉运行情况和炉内料位情况，按比例依次送入炉中。

　　2.1.1烧结球矿

　　将开采来的铁矿石经过洗选、粉碎，在球磨机中磨成铁粉，再经加热烧结形成的块状或球团状矿石。烧结的目的：一是满足高炉冶炼过程对原料的流体力学要求，提高铁矿的综合利用率；二是去除铁矿物中S、K、Na、Zn等杂质及有害元素，优化高炉冶炼的经济技术指标。

　　2.1.2焦炭

　　烟煤在隔绝空气的条件下，加热到950-1050℃,经过干燥、热解、熔融、黏结、固化、收缩等阶段最终制成焦炭。焦炭是高炉炼铁的主要热源、铁中的碳源、还原剂和支撑柱料。炼铁用焦炭的技术指标包括热强度、固定碳、灰分、硫分、挥发分、粒度、水分、反应性等。以一级冶金焦炭质量要求为例，一般要求含硫量＜0.6%、灰分＜12％、含磷量＜0.02%~0.03%、60mm粒级焦炭＞80％、发热量7300cal/kg、挥发分＜1.9%、反应后强度（CSR）≥55％。

　　2.1.3石灰石

　　石灰石的化学分子式是CaCO3，是高炉炼铁不可或缺的熔剂，其作用是降低焦炭灰分和脉石的熔点，降低炉渣的黏度以改善炉况，使炉渣具有一定的脱硫能力并保持良好的流动性。

　　2.2炉内布料

　　高炉炼铁的炉内布料讲求料面平整，平整的料面有利于气体在炉内的分布和流动。炉内布料需要精确控制的工艺参数是角度和圈数。原工艺没有充分考虑烧结矿和焦炭在透气性上的差异，均压调节阀采用自动模式下100%开度。当氮气管网压力产生波动时会造成料罐下料速度不同，使布料圈数产生误差，影响面料的平整度从而导致气流不稳，而且会浪费大量氮气。

　　2.3均压布料操作优化

　　高炉炼铁均压布料操作优化思路是，针对烧结矿和焦炭结构的差异在不同工况分别布料。

　　烧结矿布料前，把料罐压力设定值提高到高于顶压10kPa，导致二均调节阀自动调节，向料罐内补充压力。由于焦炭透气性好，在放料时，可以设定料罐压力与顶压一致，氮气调节阀设定为手动模式，开度固定在15%，让少量气在放料过程中进入料罐，目的是压住炉内煤气不进入料罐，从而降低高压氮气大量进入炉内，杜绝装料时炉顶平台煤气的泄漏。

　　根据生产数据分析，此方法每小时节约氮气1800m3，按目前氮气价格计算每天节约8208元。同时减少岗位操作人员因氮气管网的压力波动而频繁调整料流阀操作，消除了人为因素对炉况的影响综合效果良好。

　　2.4焦丁斜溜槽改造

　　前期的高炉斜溜槽是由槽下老式焦丁皮带改造而成，相对角度较小，焦丁从流槽下滑速度较慢，经常在溜槽下料口处造成积料堵塞，料位的快速上涨，使得焦丁直接被顶到焦丁筛，迫使生产线停止,甚至对皮带与振动筛造成损坏。为了防止焦丁在进入溜槽之前的短暂缓冲时间内从旁边排出，在流槽上端设置了一道活动门，门上安装有感应器，一旦流槽内料位上涨到被感应器捕捉的程度后，将发出联锁急停信号，防止事故发生。同时，接到堵料信号的操作人员，及时赶到现场处理。经过现场运用，效果非常显著。堵料停车次数大大减少，更未损坏过皮带与振动筛。

　　3出渣系统的优化

　　进入高炉中的原料不是能够全部冶炼成铁的。高炉渣就是在高炉炼铁过程中排出的工业固体废物，当高炉点火并持续加温到1400℃~1600℃时，炉料逐渐熔融，矿石中的脉石、焦炭中的灰分、助溶剂等其他不能进入生铁中的杂质，便会形成熔渣漂浮在铁水上面。这些高炉熔渣以硅酸盐和铝酸盐为主，主要成分为CaO、SiO2、Al2O3。矿石品位越低，渣的排量越大，每炼1吨铁，将要排出0.3~1吨高炉渣。进入循环经济时代后，高炉渣从千百年来的工业固体废物正名为炼铁副产品。如水淬高炉渣以玻璃体为主，磨成的超细粉具有潜在的水硬胶凝性能,在水泥熟料、石灰、石膏等激发剂的作用下,可作为优质水泥的重要原料。另外，高炉渣通过特殊处理，还可用于生产微晶玻璃、搪瓷、陶瓷、矿渣棉等保温材料和硅钙渣肥等土壤改良材料。

　　3.1出渣设备存在的问题及原因分析

　　高炉渣处理采用的是水淬粒化工艺。出渣系统采用的是机械分离方式。整条渣运线采用单线运输。高炉渣在转鼓的旋转作用下，大于滤网孔的颗粒物被提升到上方,然后从转鼓出渣口自落到胶带机的受料面上被输送运出。以前出渣系统的抗冲击能力较弱，设备故障率高，皮带粘渣严重，机头机尾频繁积渣。使得转鼓皮带常被压死,而在正常生产过程中又无法停机检修，若造成皮带撕裂，将会导致重大设备事故。究其问题原因主要有。

　　3.1.1吹扫流量衰减

　　在高炉冲渣皮带运输长廊安装了吹扫管，其主要作用是清理皮带经过刮料板后残留的积渣,一般安装在运渣皮带机头滚筒的下部。冲渣生产线共有7条皮带，并配有7套吹扫管，并且管路相连。整个吹扫线路全长1500余米，当有皮带在空载时，吹扫管仍处于工作状态，到6、7号皮带运行吹扫时，流量衰减严重，吹扫管压力明显不足，从而造成吹扫能力的下降。导致皮带黏渣严重，整个生产线频繁积渣，每天需清理掉落在地面的积渣，耗费大量人力物力。

　　3.1.2冷却塔积渣

　　原系统中水平衡自动控制系统运行平稳性差，冷却塔处的积渣将会造成喷淋管被堵死，从而水冲渣系统无法正常工作。长期积累造成冲渣泵回水泵运行负荷上升,管路及阀门受冲击力大易磨损，在工作温度得不到及时冷却的情况下，存在很大安全隐患。

　　3.1.3冷水池积渣量高

　　循环冷水池是水冲和水淬渣的取水来源，如果回水中含渣量过大，必然会占用了水的空间，会使冷水池储量变小，为清理积渣造成不良影响。

　　3.1.4转鼓设备磨损严重

　　转鼓设备包括分配器、缓冲箱、溜槽、筛网、提筛板等钢结构件，在长期高温运行中磨损严重。因设备维护成本高，检修维护和更换时间不勤，特别容易出现故障。

　　3.2环保底滤法渣处理工艺

　　在高炉渣处理方面，底滤法是一个相对环保和先进的渣处理工艺。底滤法属于自然分离工艺，它利用过滤层实现渣水分开。主要原理和方法是采用过滤池和其中的粒状滤料层进行渣水分离。使循环水中的,水渣等较大颗粒物被留在过滤层上方;水经过多孔介质的过滤层汇集到池底部的过滤主管，使水中悬浮物含量小于30mg/l，远远小于采用机械分离方式进行渣水分离工艺，并且还不用考虑系统中阀门、管道、水泵的磨损，能大大降低生产运营和设备维护成本。于是，我们果断进行了工艺更新。

　　3.3增加氮气吹扫管

　　为了解决吹扫段气流不足的问题，我们在冲渣皮带上增加氮气吹扫管,在7条皮带的吹扫段分别加装了一套电动截止阀。当出现空载时，皮带吹扫系统会自动关闭，减少了空气消耗，增加了空气流量，吹扫空气压力从0.35兆帕提高到0.5兆帕，吹扫能力迅速提高。经过对比发现，7根吹扫管每天消耗10080m3压缩空气，比改造前降低消耗40％。

　　3.4水渣处理的自动化控制

　　3.4.1水渣检测远传技术

　　检测技术主要通过检测仪器随时掌握高炉渣的物理状态,如温度、体积等。对其参数信息进行记录和分析,并将这些信息传输到控制中心。在这些数据的支持下,确定粒化处理工艺。

　　3.4.2自动喷水及流量控制

　　为了确保高炉水冲渣以及水淬用水的自动喷淋和流量控制,调节水管道上的电动调节阀开度、放散水蒸汽。喷水的流量就是重点控制的工艺参数,以最大进水流量将管路和喷头冲刷干净,当温度达到设定温度时则自动关闭进水阀。

　　3.4.3粉尘治理的自动化控制

　　粉尘是高炉渣处理场的主要污染源,会随着水蒸汽飘出。为了抑尘，设置喷淋系统。通过信号传输,可实现现场、远程和自动三种对喷淋降尘的控制方式。操作者通过PLC可实现对喷淋设备的手动起停、联锁保护,监视返回信号实现对水泵和各种阀门手动起停调节和顺序控制。

　　3.5出渣系统优化效果

　　通过以上优化改造，特别是采用了环保底滤法渣处理工艺后，高炉生产取得了长足技术进步。

　　3.5.1提高了渣水分离效率

　　经过底滤法的渣水分离，渣的含水量低，水的悬浮物少。提高了系统循环水的清洁度，可以选用效率更高的清水泵，降低了水泵电能消耗。

　　3.5.2提高了冲渣效率

　　采用粒化塔冲渣，提高了冲渣作业工作效率和安全性。

　　3.5.3减少了蒸汽外溢

　　实现了对自粒化塔至过滤池间水渣沟上水蒸汽的有组织收集和排放。同时,减少了吊渣作业时过滤池上方的蒸汽外溢。减少了蒸汽对设备的腐蚀，延长设备寿命。

　　3.5.4提高了自动化程度

　　水渣处理现场有很多可控和不可控变量。原料、水量、温度、时间等都是可以人为控制的。改变不可控因素,则是决定高炉水渣处理效果的关键。水渣处理系统的自动化控制，使设备运转过程的工作状态参数自动地按照预定的规律运行。工艺更为合理，过滤作业与抓渣作业切换自如，将劳动者从有毒有害、危险恶劣的环境中解放出来,提高作业安全性和质量与效率。

　　4结语

　　我国是生铁产能大国，也是耗能大户，但长期以来，炼铁生产尚属粗放。高炉生产所产生的酸性气体以及二氧化碳气体的排放，对大气环境造成了比较严重的污染问题。节能减排和碳中和的任务异常，实现高炉炼铁生产的高质、高效和低排、低耗任重道远，对于现代化高炉冶炼工艺流程的研究和局部设备的优化永无止境。作为新时代的高炉炼铁技术人员，应在认真学习传统工艺的基础上，不断地发现问题，解决问题。加强高炉炼铁工艺的过程控制，通过节能减排与智能化的升级对高炉炼铁工艺及至冶金工业的发展都会大有裨益。