高炉优化操作与低碳生产教学文案

高炉优化操作与低碳
生产
高炉优化操作与低碳生产
朱仁良，王天球，王训富
(宝山钢铁股份有限公司炼铁厂，上海 200941)
摘要：宝钢炼铁以“最优化炼铁企业”为目标，在外部条件劣化的背景下，始终围绕高炉的稳定顺行为基本方针，通过加强高炉的原燃料管理，不断优化操作制度，实现了高炉合理的煤气流分布和较高的煤气利用率。

通过采用干法除尘装备、纯水密闭循环冷却工艺以及改善TRT、热风炉余热回收等节能设备的节能效果，高炉的燃料比和能耗不断下降，实现高炉的低碳生产。

关键词：高炉；操作；低碳；生产
当前钢铁工业正进入“高成本、低盈利”的微利时代，宝钢炼铁以业界最优为目标，通过自身不断技术创新和结构优化，逐步形成低能耗、低成本的炼铁技术。

近年来，在原燃料条件不断劣化的背景下，宝钢高炉操作始终以稳定顺行为基本方针，所有工序围绕着这个中心，以实现整个炼铁工序的优质、低耗、高产、长寿、环保的低碳生产。

宝钢高炉通过不断优化操作制度以降低高炉燃料比，高炉炼铁燃料比创历史最低水平，通过新技术新工艺降低高炉能源介质的消耗，从而实现了高炉的低碳生产。

1 宝钢高炉优化操作的思路
1.1 强化原燃料管理
1.1.1 严格遵循原燃料管理标准
“七分原料，三分操作”，说明大高炉对原燃料的依赖性很强，高炉各项操作制度的基础是建立在一定的原燃料条件上的。

近年来，宝钢原燃料质量和性能呈下降趋势，见表1，主要体现在：
①烧结比下降，使用高温冶金性能相对较差的酸性球团；
②球团矿的品种多；
③焦炭的灰分上升等。

这些都对高炉的稳定顺行带来负面影响。

为此，宝钢炼铁严格按照宝钢高炉原燃料管理的标准，对原燃料质量、筛网、装入变更和现场实物质量等进行管理，同时对以往用料的经验进行梳理，如对入炉碱金属含量的控制等，尽量减少原燃料对炉况的影响。

1.1.2 在原燃料条件劣化背景下的精料方针
精料方针是高炉稳定顺行的根本，也是提升高炉冶炼技术水平的基础。

虽然目前的原燃料状况劣化，但宝钢始终坚持精料方针，针对目前原燃料的特点，通过强化现场管理、
优化高炉操作和工序协调等减少对炉况的影响。

对于原燃料粉率增加的情况，高炉采取的主要措施为：减少入炉粉率，强化筛分和筛网管理，并且调整排料顺序，避免粉率高的矿石布在边缘，在高炉操作上进行气流调整，尤其是调整边缘气流，防止透气性下降和炉墙黏结，在透气性不良时，及时降低负荷，确保高炉的稳定顺行。

料场、烧结、炼焦和高炉等工序增加信息沟通、提高相互协调能力，如由于高炉用料结构的变化，导致高炉副原料用料增加，渣比和燃料比都会升高，为此，对烧结碱度进行调整，烧结碱度从原先的1.75逐步提高到目前的1.90，从而减少了高炉副原料的用量，缓解了渣比和燃料比的升高。

1.1.3 强调原燃料的稳定性管理
高炉的稳定顺行离不开用料的稳定，在当前情况下，原燃料的稳定性管理包括原燃料质量的稳定管理和高炉用料的稳定性管理，表2为宝钢原燃料稳定管理要求。

对可能影响高炉稳定顺行的重要原燃料指标，如料场混匀矿SiO2的波动值，烧结矿的TFe、FeO、碱度，焦炭的灰分、硫含量、CRI和CSR，喷吹煤粉的水分、含碳量等指标进行趋势管理和控制图分析，操作者可以通过宝钢过程控制系统(高炉BPC系统)及时了解原燃料质量稳定性，包括原燃料质量的趋势、波动值、极差和过程能力指数CPK等，对超出标准的及时进行反馈。

1.2 优化煤气流分布
1.2.1 煤气流分布的控制原则
高炉煤气流的分布既是高炉各项操作制度的综合体现，也是制定各项操作制度的依据，合理的煤气流分布是高炉保持长期稳定顺行的前提。

宝钢多年的大型高炉操作实践探索出了合理煤气流分布的评判标准，主要包括[2]：
1)高炉保持长期的稳定顺行，高炉的适应性较强；
2)良好的透气性，风压稳定，风量风压匹配，下料均匀，炉缸活跃；
3)与高炉冶炼强度相匹配的稳定的煤气利用率；
4)形成稳定均匀的操作炉型。

影响煤气流分布的因素很多，包括原燃料、送风制度、炉热制度、装入制度等。

宝钢对高炉煤气流分布调节的主要原则是：下部调剂为主，上部调剂为辅，上下部调剂相匹配的煤气流控制手段。

1.2.2 注重合理送风比的送风制度
合理的送风比是大型高炉长期保持稳定顺行的根本，大型高炉的炉缸直径大，中心不
易吹透，为了确保一定的炉腹煤气量和回旋区大小，需要合理的送风比。

过低的送风比会导致炉缸不活跃，死料柱肥大，透气和透液性下降，炉前作业困难，见渣率降低，高炉透气性恶化等影响高炉稳定顺行的现象产生。

合理的送风比是下部调剂的基础，下部调剂的措施还包括风口面积、风温、湿分、喷吹量等。

下部调剂的目的是保持适宜的风速和鼓风动能，以达到合理的初始煤气流分布。

当出现中心气流长期受抑、炉前作业困难、炉芯炉底温度下降、高炉透气性下降等现象，应考虑对下部制度进行调整，如采取以风换氧、降低顶压等措施提高鼓风动能。

一旦因下部制度不合理导致炉况波动，尽量不要通过减少炉腹煤气量的措施以降低高炉压差，而是通过改善透气性和增加风量的措施，这往往需要更长的时间。

1.2.3 寻求合适料面形状的装入制度
高炉装入制度的作用是：根据送风制度，选择合理布料参数，使煤气流分布合理，提高煤气利用率。

形成一个有利于高炉稳定顺行的料面形状是高炉上部调剂的目标[3]，料面形状包括矿焦层的厚度、矿焦在边缘的落点位置以及矿焦所搭建的料面平台大小和中心漏斗深浅等。

而料面形状必须与下部的送风制度相匹配才能实现高炉长期的稳定顺行。

上部调剂的手段包括矿焦批重、档位、料线、溜槽倾角等手段。

大型高炉的炉喉直径大，边缘通过的煤气流比例增加，维持合理的边缘气流分布在大型高炉上部调剂中显得越来越重要，而边缘气流的强弱与原燃料在边缘落点位置相关，生产实践表明，过分发展或受抑的边缘对大高炉的稳定顺行都是不利的。

在高炉炉况发生变化时，要及时对上部制度进行调整。

如在高炉出现管道行程征兆时，需要及时调整料线和矿石的档位以开放中心、控制边缘。

当炉况发生变化时，如两股气流的强弱变化、边缘气流均匀性和规律性被破坏，出现偏料和崩滑料，中心和中间气流的相对强弱发生变化时需要对上部制度进行调整，一般在短时间内可以看到上部调剂的效果。

1.2.4 形成稳定的操作炉型
宝钢的生产实践表明，大型高炉的操作炉型对高炉的稳定顺行和长寿的影响非常大，操作炉型的形成也是一个长期的过程，均匀、稳定的操作炉型有利于高炉的稳定顺行。

影响操作炉型的因素很多，包括原燃料性状、边缘气流强弱、高炉冷却制度、造渣制度等。

通过炉体温度、冷却水温差、炉墙热负荷等可以看出操作炉型是否合理。

大型高炉容易出现操作炉型的波动，主要表现在炉墙渣皮脱落、热负荷的剧烈波动等。

宝钢对操作炉型的管理主要是通过在高度上和圆周方向上的热负荷分区管理，不同高度区域的热负荷管理标准不同，圆周上保持热负荷的均匀。

根据不同高炉的生产特点将热负荷控制在一个合理范围，太高可能会导致炉墙渣皮脱落、边缘管道行程，太低会导致炉墙结厚。

形成合理的操作炉型需要结合原燃料的条件，通过调整气流分布和冷却制度来形成有利于炉况稳定顺行的操作炉型，在高炉炉役的不同阶段，操作炉型的管理标准也需要不断变化以实现高炉长期的稳定顺行。

1.3 维护炉缸侧壁的炉前作业管理
由于原燃料质量变化以及高冶炼强度，给高炉炉缸长寿带来负面影响。

为了改善这一现状，对高炉出渣铁作业进行了不断改进。

出渣铁作业不仅是为了出尽炉缸渣铁，还肩负着炉缸侧壁的维护工作，形成了一套对炉缸侧壁进行维护的炉前作业管理制度。

由于铁口及其下方是高炉炉缸侧壁最薄弱的区域，宝钢调整和改进了炮泥的配方以改善其抗冲刷性能，通过提高铁口深度形成稳定、抗冲刷的泥包对炉缸起到一定保护作用。

图1为宝钢4号高炉平均铁口深度趋势图，从图中可以看出宝钢4号高炉铁口深度从2008年的3500mm左右提高到目前的4000mm左右。

为了消除提高铁口深度后对高炉出渣铁作业带来的影响，宝钢采取了一系列的改进措施，如钻杆尺寸的选择、强化炉缸贮渣铁量的管理、缩短主沟修理时间等，不仅满足了高炉强化冶炼、出尽渣铁、保持高炉稳定顺行的需要，还有效地控制了炉缸侧壁温度的上升。

1.4 高炉专家系统的研发和使用
宝钢大型高炉炼铁已经经历了27a，积累了丰富的生产经验，为了传承和固化这些经验，经过4a多的努力，由宝钢自主研发、以趋势管理和闭环控制为目标的大型高炉智能专家系统于2010年9月正式在宝钢高炉上投入使用，该系统分为炉温调整、气流控制、渣性能调整、出渣铁管理、炉体炉缸长寿、特殊炉况处理和热风炉控制共7个模块。

系统投入后，炉热控制动作量采纳率达到了98%以上，正确率达到100%，炉渣碱度闭环控制率达到100%，从而提高对炉况控制的精确性，消除了人为因素对高炉炉况的影响，达到降低燃料比，实现低碳生产的目标。

2 宝钢高炉低碳生产实践
2.1 稳定顺行的炉况是最大的节能降耗
高炉炼铁的能耗占整个钢铁流程能耗的60%～70%，高炉的低碳生产从某种意义上说是代表着钢铁企业的低碳生产[4-5]。

高炉炉况的稳定顺行是最大的节能降耗和低碳生产，高炉每次波动都会导致燃料和能源消耗增加，产量下降。

宝钢高炉始终坚持以稳定顺行为中心，各工序都要以高炉炉况为中心，即使在外围条件变差的条件下，通过优化高炉操作，强化现场管理，高炉炉况的波动减少，减风次数降低。

高炉每次休风都需要加入额外的燃料进行热量补偿，能耗大幅上升，降低休风率对高炉的稳定顺行和节能降耗有很大意义。

宝钢通过加强高炉的设备管理水平，及时消除隐患，确保高炉生产设备稳定，宝钢高炉的计划定修时间从原先的3个月1次延长到了4个月1次，每次定修时间也缩短到20～24h，有效地减少了休风次数，降低了高炉的休风率，图2是宝钢高炉休风率趋势图。

在高炉稳定顺行的基础上通过不断优化送风制度和装入制度形成合理的煤气流分布，使得高炉煤气的化学能、热能得到充分利用，煤气利用率一直稳定在较高水平。

根据宝钢生产经验，煤气利用率每提高1%就可以降低焦比5kg/t左右，图3为宝钢近年来的煤气利用率趋势，从图3中可以看出宝钢高炉煤气利用率基本稳定在51.5%左右，有效地降低了燃料消耗。

图4为宝钢高炉炼铁近年来的燃料比和工序能耗趋势，从图4中可以看出虽然外部条
件不断劣化，但通过不断优化操作，宝钢高炉的燃料比和工序能耗总体呈下降趋势。

2.2 强化冶炼措施
1)采用高风温、低湿分的操作。

高风温主要是通过廉价的煤气燃烧获得的，它增加高炉的下部热量，以及改善煤粉在风口前的燃烧状态，提高煤粉的置换率，有利于降低高炉的燃料比。

高风温具有明显的节能作用，宝钢高炉提高100℃风温可降低焦比8kg/t左右。

在提高风温方面，主要通过采用助燃空气和煤气的预热技术、富氧烧炉技术、开发热风炉用转炉煤气与高炉煤气混烧等措施，确保了高风温得以实现。

另外，在高炉冶炼时尽量采用低湿分操作，减少因鼓风中的H2O分解导致热量的消耗，根据宝钢的生产经验，每减少1g的湿分可以降低焦比约0.8kg/t，因此在夏季宝钢一直采用脱湿鼓风降低送风湿度以降低燃料消耗。

图5为宝钢4号高炉送风温度和湿度情况。

2)高顶压、高富氧率。

采用高顶压和高的富氧率等强化冶炼手段对高炉炉况的稳定和降低燃料比起到很重要的作用。

高顶压操作延长了煤气在炉内的停留时间，有利于矿石还原和减少除尘器瓦斯灰量，有利于炉况的稳定顺行和降低焦比。

增加富氧率有利于提高喷吹煤粉的燃烧率，减少未燃煤粉对高炉炉况不利影响，降低灰铁比和燃料比，图6为宝钢1号高炉富氧率和顶压的趋势图。

3)经济煤比。

宝钢始终采用高煤比操作以减少焦炭的消耗，但是随着煤比的进一步升高，煤粉的燃烧率和置换比下降反而会导致燃料比和能耗的升高，在原燃料价格攀升和质量劣化的背景下，寻求合理和经济的煤比，确保高炉稳定顺行，以实现燃料消耗的最小化和成本的最大化，对降低高炉炼铁的能耗和成本非常有意义，图7为宝钢高炉近年来煤比趋势图。

2.3 采用节能设备和节能工艺
宝钢采用了一系列的节能设备和工艺，如大型高炉的干法除尘、TRT余压发电、热风炉余热回收装置、富氧烧炉技术等，为提高高炉的能源利用效率提供了保障。

宝钢1号高炉采用国内自主集成生产制造的设备新建了干法除尘系统，首次将干法除尘系统应用到4000m3以上大高炉。

与传统高炉煤气湿法除尘技术相比，干式布袋除尘技术提高了煤气净化程度、煤气温度和热值，基本不用水、电，可显著降低炼铁生产过程中的新水消耗和动力消耗，干法除尘余压发电设备(TRT)较湿法的吨铁发电量高，提高了二次能源的利用效率，从根本上解决了二次水污染及污泥处理问题，减少环境污染，是钢铁工业发展循环经济、实现可持续发展的重要技术途径，已成为当今高炉炼铁技术的发展方向，为进一步加快宝钢节能减排、建设环境友好型企业起到积极作用。

2.4 降低高炉能耗介质消耗
高炉能源介质消耗包括水、电、煤气、氮气、氧气和鼓风等消耗。

节能设备和工艺的利用有效地降低了高炉能源消耗。

TRT余压技术是通过透平机将高炉炉顶煤气的压力能转变为机械能，再由机械能转为电能的装置，是炼铁余压利用一项很好的节能措施。

宝钢4座高炉均配置了TRT装置，近年来随着干法除尘的应用和采用高顶压操作后，TRT的发电量明显升高，所发电量可回收高炉炼铁电耗的55%左右，图8为宝钢4号高炉TRT发电量趋势。

宝钢1号高炉本体和炉缸冷却系统，采用的均是冷却壁的结构形式(除炉腹处风口的上部采用冷却板过渡)，在铁口、炉腹、炉腰和炉身下部采用了铜冷却壁，提高了关键部位的冷却效果，从而减少了冷却水用量。

冷却水系统大量采用纯水密闭循环系统以减少新水补水量。

高效的冷却壁结构加上纯水密闭循环冷却系统有效地降低了1号高炉的水耗，目前宝钢1号高炉的水耗为0.2m3/t(铁)，可节约1/2的用水单耗。

2.5 二次能源和固废的回收利用
高炉除尘灰和煤气除尘灰中含有大量的碳和铁元素，可用于烧结、脱硅剂等，不仅节约了成本，还有效地减少了污染。

小块焦为高炉焦槽下筛网的筛下物，粒度一般小于25mm，除用于烧结燃料外，以矿焦混装形式入炉回收利用，是提高炼铁能源利用率的有效途径。

生产实践表明，一定比例的小块焦使用比例有利于高炉的稳定顺行。

因此，小块焦的回收利用对高炉冶炼和降低能耗具有显著的效果，图9为宝钢高炉小块焦使用趋势。

宝钢焦炭全部采用干法冷却，CDQ粉是焦炉干熄焦除尘粉，热值明显较煤粉高。

通过调整高炉制粉喷吹操作控制技术，在高炉喷吹原煤中加入CDQ粉，经制粉喷吹后进入高炉，最高时月均可达到4.96kg/t(铁)，可以明显降低吨铁燃料比，起到降本增效的目的。

2.6 工序协调一致，实现低碳生产
钢铁工艺属于长流程，从矿石到最后的产品需要涉及众多工序，高炉炼铁是钢铁流程中起到承上启下作用的重要工序，其上道工序有烧焦、炼焦、料场等，下道工序为炼钢，众多工序的协调一致，对实现整个流程的低碳生产非常重要。

高炉铁水的低硅低硫冶炼，不仅有利于高炉降低能耗，也有利于降低炼钢工序的能耗。

宝钢高炉在稳定顺行基础上降低生铁的含硅量，控制铁水硫含量，实现生产优质生铁的目标。

宝钢通过对大型高炉操作技术的不断优化实现了低硅低硫的冶炼技术，高炉燃料比控制逐步降低。

高炉也消化其他工序的废弃物，如利用配入炼钢OG泥和高炉除尘灰的烧结矿、喷吹炼焦的除尘灰、使用一定比例的小块焦炭等，对整个工序的低碳生产起到良好作用。

3 结论
通过不断优化高炉操作和一系列节能降耗的措施，宝钢高炉在生产实践中遵循3R制造原则：即减少原料(Reduce)、重新利用(Reuse)和物品回收(Recycle)原则，高炉炼铁的燃料比和工序能耗显著降低，创造高炉低碳冶炼的典型。

1)通过“精料方针”，强化高炉原燃料管理，努力降低原燃料劣化对高炉炉况的负面影响，同时各工序协调一致，以高炉的稳定顺行为中心，优化配料，高炉的稳定性得到提高。

2)以下部调剂为基础，通过形成合适料面形状的上部调剂，高炉气流分布更加趋于合理，形成稳定均匀的操作炉型，煤气利用率保持稳定较高的水平，高炉的燃料消耗进一步得到降低。

3)通过采用干法除尘设备、纯水密闭循环冷却制度等降低高炉能源介质消耗，提高TRT余压发电和热风炉余热回收等节能设备的效率，高炉的能耗水平不断下降。

4)宝钢大型高炉智能专家系统、宝钢过程管理系统(BPC系统)等信息管理技术的应用进一步提高了宝钢高炉操作水平。

参考文献：
[1] 林成城.宝钢原燃料劣化的技术对策[J].炼铁，2008，27(6)：3.
[2] 张龙来，林成城.大型高炉稳定控制技术探讨[J].宝钢技术，2011(2)：1.
[3] 杜鹤桂，郭可中.宝钢无料钟布料重要环节———平台的形成[J].炼铁，1995，14(3)：33.
[4] 朱仁良，李有庆，王训富.宝钢一号高炉低碳生产实践[C]//第12届全国大高炉年会论文集.莱阳：中国金属学会炼铁分会大高炉学术委员会，2011.
[5] 敖爱国，居勤章.宝钢高炉节能降耗生产实践[J].炼铁，2005，24(4)：21.。