高炉炼铁工艺概述
高炉炼铁定义
高炉炼铁是将铁矿石、焦炭、熔剂等原料在高炉内通过还原反应，将铁氧化物中的氧夺取出来，从而得到生铁的过程。这是现代钢铁联合企业中最重要也是最主要的炼铁方法，其产量占世界生铁总产量的95%以上。
高炉炼铁特点
- 规模大、效率高、适合大规模连续生产
- 燃料消耗相对较低，经济效益显著
- 工艺成熟，技术可靠
- 可实现资源综合利用
- 自动化程度高，劳动生产率高
高炉炼铁发展历程
古代时期
公元前1500年左右，中国开始使用竖炉炼铁
近代发展
18世纪英国发明高炉鼓风技术，大幅提升产能
现代技术
计算机控制、自动化操作、大型化、高效化
高炉炼铁基本反应
间接还原反应
3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂
Fe₃O₄ + CO → 3FeO + CO₂
FeO + CO → Fe + CO₂
直接还原反应
FeO + C → Fe + CO
CO₂ + C → 2CO
H₂O + C → H₂ + CO
高炉炼铁原料组成
铁矿石
天然矿
品位较高，有害杂质少，但储量有限
人造富矿
烧结矿、球团矿，是主要原料
| 矿种 | TFe(%) | 特点 |
|---|---|---|
| 澳矿 | 62-65 | 品位高 |
| 巴西矿 | 65-68 | 品质优 |
| 国产矿 | 30-60 | 需选矿 |
燃料
冶金焦
高炉炼铁的主要燃料和还原剂
质量要求：
M40 ≥ 80%, M10 ≤ 8%
灰分 ≤ 12%, 硫分 ≤ 0.7%
喷吹燃料
煤粉、重油、天然气等辅助燃料
熔剂
石灰石(CaCO₃)
分解产生CaO，形成炉渣
白云石(CaMg(CO₃)₂)
补充MgO，改善炉渣流动性
萤石(CaF₂)
稀释炉渣，降低熔点(现较少使用)
炉渣碱度控制：
R = CaO/SiO₂ = 1.10-1.25
典型原料配比
原料结构(%)
冶炼技术经济指标
入炉焦比
300-350
kg/t
煤比
120-180
kg/t
利用系数
2.2-2.8
t/(m³·d)
燃料比
480-520
kg/t
高炉结构
高炉本体结构
炉喉
直径最大部位，起分配炉料作用
炉身
高炉最主要部位，进行大部分还原反应
炉腰
炉身与炉腹交界处，温度梯度较大
炉腹
形状收缩段，温度进一步升高
炉缸
盛装铁水和炉渣，燃烧带所在区域
死铁层
炉缸底部未活跃区域
风口带
送风装置安装区域
主要附属设备
鼓风系统
鼓风机、热风炉、冷风管道等
上料系统
料车卷扬、皮带运输、布料器等
煤气处理
重力除尘器、布袋除尘等
渣铁处理
出铁场、冲渣沟、铸铁机等
现代大型高炉技术参数
有效容积
4000-5800
m³
日产量
10000-15000
吨
一代炉役寿命
15-20
年
高炉炼铁工艺原理
炉内物料运动
炉料下降
炉料自上而下运动，经历预热、还原、熔化、滴落等过程
煤气上升
热煤气自下而上运动，提供热量和还原剂
逆流接触
炉料与煤气逆流接触，实现传热、传质和化学反应
炉内区域划分
块状带
炉料预热干燥区域，温度200-800℃
软熔带
炉料软化熔融区域，温度1000-1300℃
滴落带
炉料滴落区域，温度1300-1500℃
风口带
焦炭燃烧区域，温度1800-2000℃
渣铁储存带
铁水和炉渣聚集区域，温度1450-1550℃
主要化学反应
炉缸燃烧反应
C + O₂ → CO₂ + Q
CO₂ + C → 2CO - Q
2C + O₂ → 2CO + Q
间接还原反应
3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂
Fe₃O₄ + CO → 3FeO + CO₂
FeO + CO → Fe + CO₂
直接还原反应
FeO + C → Fe + CO
Fe₃O₄ + 4C → 3Fe + 4CO
其他金属氧化物的还原
造渣反应
CaCO₃ → CaO + CO₂
CaO + SiO₂ → CaSiO₃
2CaO + SiO₂ → 2CaO·SiO₂
高炉操作控制
送风制度
风量控制
根据炉况调整风量，维持合理的冶炼强度
适宜风速：15-25 m/s
风温控制
提高风温可降低焦比，节约能源
现代高炉风温：1200-1350 ℃
富氧鼓风
提高氧气浓度，增强冶炼强度
富氧率：2-5%
装料制度
料线控制
控制炉料装入高度，影响煤气分布
批重控制
调节每批料重量，优化炉料分布
布料角度
通过布料器调整炉料落点，控制边缘和中心气流
炉温控制
理论燃烧温度
2000-2300°C
影响炉缸工作状态
铁水温度
1480-1520°C
保证铁水流动性
炉渣温度
1450-1500°C
确保炉渣良好流动性
关键操作参数
透气性指数
12000-18000
mmH₂O/(m³/min)
压差
120-180
kPa
顶压
180-250
kPa
煤气利用率
45-50
%
常见故障及处理
高炉悬料
表现：料尺不动，风压上升，风量下降
处理：减风降压、发展边缘气流、适当休风
管道行程
表现：风压骤降，风量突增，炉顶温度升高
处理：临时减风、改变装料制度、调整风口布局
炉缸冻结
表现：铁口不出铁，风口涌渣，温度骤降
处理：大量加焦、提高风温、局部送风
炉墙结厚
表现：炉身温度下降，煤气分布失常
处理：发展边缘气流、降低炉渣碱度、适当洗炉
高炉产品及质量控制
生铁质量标准
| 成分 | 炼钢铁 | 铸造铁 | 意义 |
|---|---|---|---|
| [C] | 3.8-4.3% | 3.3-4.0% | 主要元素 |
| [Si] | 0.4-0.8% | 1.25-3.6% | 脱氧元素 |
| [Mn] | 0.2-0.8% | 0.4-1.2% | 强化元素 |
| [P] | ≤0.04% | ≤0.06% | 有害元素 |
| [S] | ≤0.03% | ≤0.05% | 有害元素 |
炉渣质量指标
化学成分
(CaO)
35-45%
(SiO₂)
30-40%
(Al₂O₃)
12-18%
(MgO)
5-12%
物理性能
碱度R
1.10-1.25
粘度
0.5-2.0
Pa·s
脱硫能力
炉渣脱硫率通常要求达到40-50%
Ls = (S)/[S] = 25-40
质量控制措施
原料质量管理
- 严格控制入炉原料成分稳定性
- 加强原料水分管理和粒度筛分
- 优化烧结矿和球团矿质量
操作制度优化
- 建立稳定的送风制度
- 优化装料制度，改善煤气分布
- 精确控制炉温，避免波动
检测手段完善
- 在线监测铁水成分和温度
- 定期化验炉渣成分
- 建立炉况预警机制
节能环保技术
能源高效利用
高炉煤气回收利用
高炉煤气经净化后用于发电、加热等，利用率可达95%以上
TRT余压发电
利用高炉煤气余压发电，吨铁可发电40-50kWh
热风炉节能技术
高效蓄热体、余热回收系统，热效率可达80%以上
燃料替代技术
提高煤粉喷吹量，降低焦炭消耗，减少碳排放
环境保护措施
废气处理
采用高效除尘技术，粉尘排放浓度可控制在10mg/m³以下
废水处理
水循环利用系统，水重复利用率可达95%以上
废渣利用
高炉渣用于生产水泥、建材等，利用率接近100%
噪声控制
采用低噪声设备、隔音措施，厂界噪声达标
节能减排指标
吨铁能耗指标
环保排放指标
未来发展趋势
氢能炼铁
利用氢能作为还原剂，实现低碳甚至零碳排放
智能优化
人工智能、大数据分析实现全流程智能优化控制
循环经济
实现资源高效循环利用，构建钢铁工业生态圈