高炉炼铁技术详解：从工作原理到维护保养

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高炉炼铁技术详解：从工作原理到维护保养

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https://m.xianjichina.com/baike/detail_1162.html

高炉是钢铁工业中重要的炼铁设备，通过还原反应将铁矿石中的铁元素提炼出来。本文将详细介绍高炉的结构、工作原理、应用领域以及维护保养要点，帮助读者全面了解这一工业设备的核心技术。

高炉概述

高炉是一种用钢板作炉壳，壳内砌耐火砖内衬的大型工业设备。其本体自上而下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸5个部分。高炉炼铁具有技术经济指标良好、工艺简单、生产量大、劳动生产效率高、能耗低等优点，因此在世界铁总产量中占据绝大部分份额。

高炉生产时，从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂（石灰石），从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预热的空气。在高温下，焦炭（有的高炉也喷吹煤粉、重油、天然气等辅助燃料）中的碳与鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气，在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。炼出的铁水从铁口放出。铁矿石中未还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣，从渣口排出。产生的煤气从炉顶排出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。高炉冶炼的主要产品是生铁，还有副产高炉渣和高炉煤气。

工作原理

生产时，从炉顶（一般炉顶是由料种与料斗组成，现代化高炉是钟阀炉顶和无料钟炉顶）不断地装入铁矿石、焦炭、熔剂，从高炉下部的风口吹进热风（1000～1300℃），喷入油、煤或天然气等燃料。装入高炉中的铁矿石，主要是铁和氧的化合物。在高温下，焦炭中和喷吹物中的碳及碳燃烧生成的一氧化碳将铁矿石中的氧夺取出来，得到铁，这个过程叫做还原。铁矿石通过还原反应炼出生铁，铁水从出铁口放出。铁矿石中的脉石、焦炭及喷吹物中的灰分与加入炉内的石灰石等熔剂结合生成炉渣，从出铁口和出渣口分别排出。煤气从炉顶导出，经除尘后，作为工业用煤气。现代化高炉还可以利用炉顶的高压，用导出的部分煤气发电。

应用领域

高炉除用于炼铁还可生产锰铁、镜铁和硅铁；用作炼钢的脱氧剂或合金添加剂，或用于铸铁厂调配铁水成分。高炉炉渣以水渣或干渣形式用于制造水泥和其他建筑材料等（见高炉渣的利用）。高炉煤气是钢铁联合企业能源系统的重要组成部分。

选型指南

鼓风机是高炉炼铁的基本动力设备，其性能和质量决定高炉生产能力和生产效益。高炉要求鼓风机具有足够的风压和充裕的风量，并能长期连续稳定运转。鼓风机选型的正确与否、安装质量好坏将对风机安全可靠合理运行及经济效益都有较大的影响。风机选型中应注意以下问题：

风量、风压：鼓风机的风量和风压是风机选型中两个重要的基本参数。鼓风机的压力取决于高炉炉顶压力，大型高炉将逐步改为高压炉顶，其压力为0.1MPa-0.25MPa表压，也决定炉内阻力及管路损失。高炉风机的压力还要保证高炉情况恶化时也能安全操作。

由于气候条件的变化以及工艺操作本身的波动使得所需的风量和风压也需相应变动，因此使得鼓风机不能固定在一个工况点运行而是在一个运行工况区。在选择鼓风机时应尽量使鼓风机的运行工况包含在风机特性曲线的有效使用范围内。

风机的效率：在目前钢铁产品残酷的市场竞争中，所有钢铁企业都在寻求降低生产成本的措施。除采用高炉喷煤除低焦比提高冶炼系数增强生产能力外，提高高炉供风系统的效率也是重要措施之一。鼓风机的效率决定着鼓风机正常运行的经济性，因此应尽可能选择额定设计效率高、高效区较广的鼓风机，以使鼓风机全年有尽可能长时间的经济运行。

维护保养

高炉的维护保养是确保其长期稳定运行的关键。以下是一些主要的维护要点：

原燃料质量管控

随着高炉的大型化，对原燃料质量的要求也逐步提高，尤其是焦炭的质量。现阶段钢铁市场整体效益不好，加大消化劣质矿种的比例成为降低铁水成本的关键，如果说单纯实行“精料”方针比较难以实现，也不现实，但是一些基本的共识还必须坚持。就原料而言，品位低一些会导致高炉渣量的增加，最直接的反应是燃料比的增加和料柱透气性的变差，这些变化只要保持在一定的范围，高炉操作通过制度的调整可以缓解高炉压差的升高幅度，进而保证顺行，但是矿石的还原性、高温冶金性能不能降，如果还原性差、软熔温度低、区间宽，这不仅影响燃料比的高低，最主要是直接影响炉内气流和炉内热量的分布，严重会出现炉况失常，高炉表现为长时间的三低两高（低负荷、低炉温、低煤气利用率和硅高、硫高）。

有害元素的控制

有害元素的控制是炼铁操作者长期以来坚持的原则，但是关于部分元素对炉缸寿命的影响应该重新进行认识，主要是碱金属和Zn。过去认为碱金属和zn富集是炉身上部结厚结瘤的罪魁祸首，但近年来一些专家提出这两者也是破坏炉缸耐材结构，缩短炉缸寿命的因素。

炉缸工作状态的监护

目前新建的大中型高炉在炉缸状态监护方面做得较好，一方面是在炉缸圆周和炉底安装热电偶，对耐材的不同部位进行温度监测；另一方面是通过对冷却水温差进行测量，计算冷板的热流强度。这两方面的监测，目的是衡量炉缸热负荷是否稳定、可控。但在实际的监测过程中，要结合着来分析，如果碳砖本身的导热系数较高，内外层热电偶温度升高，温差较小，但水温差计算热流强度可能较高；相反如果碳砖导热系数较低，热电偶温度升高，虽然温差较大，但水温差计算的热流强度可能较低。因此，在实际生产中应该结合着判断炉缸的热状态，但是，一旦出现突高，无论是热电偶，还是水温差都应该引起高度重视。

高炉操作的优化

高炉操作包括高炉内部操作和炉外操作，对高炉的寿命影响较大，尤其是针对外界变化的调剂，一方面是影响上部冷板的破损程度，另一方面是影响炉缸砖衬的侵蚀程度。80、90年代原燃料的质量不好，高炉顺行度差，因此高炉内部操作上有意发展边缘气流，炉况顺行度明显改善，但是炉腹、炉腰冷板损坏严重，甚至炉皮开裂，影响高炉寿命。21世纪随着高炉的大型化，炉料、焦炭质量明显改善，高炉的顺行关过了，高炉内部操作上也逐步形成“发展中心、兼顾边缘”的原则，在炉况顺行度提高的同时，冷板使用寿命也明显延长，加上炉腹、炉腰铜冷板的使用，炉腹、炉腰的长寿基本解决。高炉内部操作上另一个重要的任务是保持合理的炉缸热量，即保证合理的渣铁温度，研究表明，液态渣铁在炉缸内必须达到一定的温度，才能满足正常穿透死焦层的需要，具体的温度控制还要根据铁种和渣相来定，当温度较低时，渣铁流动性差，不能及时穿透死焦层进入炉缸，一方面是不能及时排净渣铁，导致炉缸负担增加；另一方面是影响死焦层的更替，进而影响炉缸活跃度，一旦采取改善措施，必然会导致铁水对炉缸侧壁的冲刷加剧和热应力的增加，进而影响砖衬的强度和寿命。

护炉操作

护炉操作是在炉缸发生局部严重侵蚀，热流强度严重超标时采取的应急补救措施，是在安全生产的前提下，延长高炉运行的有效手段。主要措施有：控制冶强、加钛矿护炉、提高冷却强度、调整风口参数或堵风口、炉缸打浆、风口喂线以及铁口炮泥加Ti粉等。护炉操作严格上讲应该分两个阶段和两个种类，两个阶段即消除期和缓解期，两个种类即炉底护炉和炉缸壁护炉。

应急预案制定

应急预案制定是针对护炉操作而进行的补充，是护炉失效后确保人员安全的关键。应急预案的制定包括事故发生后高炉操作制度和人员撤离方案的制定，其制定原则是一方面必须保证高炉工作者的人身安全；另一方面尽量将损失降至最低。长钢8高炉上代炉龄在应急预案方面较为完善，后续高炉可以借鉴。

注意事项

停炉前，高炉与煤气系统必须严密可靠地分隔开。采用打水法停炉时，应取下炉顶放散阀或放散管上的锥形帽。打水停炉降料面期间，应不断测量料面高度。避免休风，必须休风时，先停止打水，并点燃炉顶煤气。
打水停炉降料面时，禁止开大钟。大钟上不准有积水。至少每1h分析一次煤气中二氧化碳和氢的含量，氢含量不得超过6%。
应有炉顶专用水泵，炉顶温度应保持在400~500℃之间。炉顶打水应采用均匀雨滴状喷水，防止水流顺炉墙流下引起炉墙塌落。
大、中修的高炉，料面降至风口水平面时，即可休风停炉。大修高炉应在炉底（炉缸）水温差较大的位置上开残铁口眼，要放尽残铁。