高炉高效冶炼技术

书论述高炉高效冶炼技术对钢铁工业可持续发展的重要性、必要性和技术上的可行性。 

本书由钢铁工业还要发展、高炉高效冶炼的气体力学基础及其分析、高炉高效冶炼的冶金物化基础及其应用与分析、高炉高效冶炼的原燃料质量保障、大型高炉的高效化操作、高炉永久型炉衬和高炉长寿技术、展望七章组成，介绍了高炉高效冶炼的理论基础与实际操作。

本书可供高炉炼铁领域的生产、科研、设计、教学人员阅读参考。

张寿荣，中国工程院院士，国内外著名的钢铁专家。1949 年毕业干北洋大学，历任鞍钢炼铁厂高炉工长、生产科长、工程师、厂长助理；武钢生产科长、副总工程师、副经理、总工程师负责的《一米七轧机系统新技术开发与创新》项目，获得了1990年国家科技进步特等奖。全国五一劳动奖章获得者、光华科技奖获得者。90年代曾当选墨西哥工程院外籍院士，曾任国际继续工程教育协会副主席，1992～2002年间曾任湖北省科协副主席。主要著作有《武钢技术进步三十年》《武钢炼铁四十年》《武钢高炉长寿技术》《高炉失常与事故处理》。

王筱留，北京科技大学教授。主要著作有《钢铁冶金学（炼铁部分）》《高炉生产知识问答》《高炉喷吹煤粉知识问答》等。

毕学工，武汉科技大学材料与冶金学院教授。主要著作有《高炉过程数学模型及计算机控制》。

1 钢铁工业还要发展

1.1 随着人类社会发展钢铁还要增产

1.2 增产生铁的现实工艺路线

1.2.1 建新高炉

1.2.2 铁矿石直接还原

1.2.3 铁矿石熔融还原

1.3 高炉炼铁工艺的高效化

1.4 高炉结构重组是当务之急

参考文献

2 高炉高效冶炼的气体力学基础及其分析

2.1 颗粒填充床内气体运动的基本规律

2.1.1 颗粒填充床的特征

2.1.2 颗粒填充床特征影响因素的分析

2.1.3颗粒填充床中气体运动的定量描述

2.2 高炉固相区和软熔带内的气体力学

2.2.1 固相区内的气体力学

2.2.2 软熔带内的气体力学

2.3 高炉下部气液两相流气体力学特性的实验研究

2.3.1 灌液填料层内的气液两相流动现象

2.3.2 高炉下部的气液两相流动现象的特点

2.3.3 高炉下部液体滞留量的实验测定及关系式建立

2.4 高炉大量喷煤条件下初成渣性能的实验研究

2.4.1 高炉造渣过程

2.4.2 初渣研究的意义

2.4.3 初渣性能的试验研究及结果

2.4.4 武钢高炉增加球团矿配比的工业试验

2.5 基于高炉下部气体力学的产量模型研究

2.5.1 基于高炉气体力学的二维产量模型

2.5.2 基于高炉气体力学的多项式产量模型

参考文献

3 高炉高效冶炼的冶金物化基础及其应用与分析

3.1 高炉内铁矿石还原的热力学基本规律

3.1.1 铁矿石内铁氧化物还原的热力学规律

3.1.2 铁矿石中少量元素氧化物还原规律

3.1.3 高炉炉缸内的耦合反应

3.1.4 高炉内铁矿石还原能达到的煤气利用率 和

3.2 高炉内铁矿石还原的动力学基本规律

3.2.1 还原速率的数学模型

3.2.2 影响还原速率的因素

3.3 基于高炉冶炼过程热力学和动力学规律，提高高炉效率的途径

3.3.1 高炉主要操作指标间的关系

3.3.2高炉炼铁吨铁的碳消耗

3.4 富氢还原性气体还原铁矿石实验研究

3.4.1 富氢还原试验装置和试验方法

3.4.2 富氢还原试验方案

3.4.3 富氢还原试验结果

3.4.4 富氢还原试验结果分析

3.4.5 小结

3.4.6 生产高炉炉内H2的行为

3.5 高炉高效低碳冶炼的热消耗——热平衡分析

3.5.1 W厂高炉生产的热平衡

3.5.2 以热平衡热消耗分析冶炼碳消耗达到高效低碳生产

3.6 高炉高效低碳冶炼时理论燃烧温度的控制

3.6.1 理论燃烧温度计算

3.6.2 理论燃烧温度的控制

参考文献

4 高炉高效冶炼的原燃料质量保障

4.1 高效冶炼要求高炉精料

4.1.1 精料之“高”

4.1.2 精料之“熟”

4.1.3 精料之“稳”
4.1.4 精料之“匀”

4.1.5 精料之“小”

4.1.6 精料之“净”

4.1.7 精料之“少”

4.1.8 精料之“好”

4.2 高炉合理炉料结构

4.3高炉精料与降低生铁成本

4.4 锌对高炉的危害与防治

4.4.1 锌在钢铁厂内的循环

4.4.2 锌在高炉内的循环

4.4.3 锌对高炉的危害

4.4.4 控制锌在高炉内循环富集的措施

4.4.5 高锌负荷危害实例分析

4.5 入炉原燃料质量变差时的应对措施

参考文献

5 高炉高效化操作

5.1 高效操作的高炉设计特点

5.1.1 高炉本体的高效化设计

5.1.2采用长期稳定提供高风温的热风炉系统

5.1.3 选择无钟炉顶系统

5.1.4 煤气净化处理采用旋风除尘系统与布袋干法除尘系统

5.1.5 制粉喷吹系统

5.2送风制度的调整（下部调整）

5.2.1 高炉风口参数的确定

5.2.2 鼓风参数的选择

5.2.3 喷吹煤粉

5.3 高炉装料制度

5.3.1 批重

5.3.2 料线

5.3.3 无钟炉顶的布料功能

5.3.4 无钟炉顶布料规律

5.4 高炉热制度

5.4.1热制度的选择

5.4.2影响热制度的主要因素

5.5 造渣制度

5.5.1高炉炉渣的主要来源

5.5.2炉渣的主要作用

5.5.3选择造渣制度原则

5.5.4炉渣熔化性对高炉冶炼的影响

5.5.5炉渣黏度对高炉冶炼的影响

5.5.6炉渣的稳定性

5.5.7渣系组分对炉渣性能的影响

5.5.8 炉渣的脱硫能力

5.5.9 合理渣系实例

5.6 维持合理的高炉操作炉型

5.6.1入炉原燃料条件的影响

5.6.2高炉冷却状况的影响

5.6.3高炉操作参数变化的影响

5.6.4 渣铁排放的影响

5.6.5高炉死焦柱行为的影响

5.6.6高炉强化程度的影响

5.7 炉前操作与管理

5.7.1炉前操作的任务

5.7.2 炉前主要设备

5.7.3 炉前操作平台

5.7.4 炉前操作参数

5.7.5 炉前出铁操作

5.7.6 铁口维护

5.7.7 铁口异常状况的处理

5.7.8 高炉渣的处理

参考文献

6 高炉长寿技术

6.1 长寿是高炉高效冶炼的物质基础之一

6.2 决定高炉寿命的因素

6.2.1 合理的高炉设计

6.2.2 优质的高炉结构和耐火材料

6.2.3 高炉备件的质量

6.2.4 高炉的原燃料管理

6.2.5 高炉的操作管理

6.3 高炉长寿技术是综合性技术

参考文献

7 展望

7.1 21世纪仍将是铁器时代

7.2 走向可持续发展是钢铁工业的大方向

长期以来，钢铁冶炼依赖从铁矿石中提取铁元素并冶炼成钢，将钢加工成钢制品。主流工艺是铁矿石（高炉炼铁）→铁水（液态炼钢）→钢水铸锭（钢锭轧制）→钢材。随着社会废钢积蓄量的增多，利用电炉以废钢为原料炼钢的比例会增多，但到目前为止高炉流程仍是主流工艺。高炉流程也必须向与地球资源环境友好的方向发展。
高炉流程走与地球资源环境友好之路需要在三个方面做出努力：一是提升工艺技术装备水平；二是改善原燃料、能源、环境供应质量；三是不断提高高炉技术操作水平。
前两方面的工作，上世纪以来在世界范围内已做了大量工作，高炉炼铁工艺技术已经达到空前的高度，大量新技术的采用，使一座大型高炉的年产量达到500万吨以上，吨铁燃料消耗降至500kg/t以下，一代炉龄寿命20年以上。鉴于高炉炼铁仍将是今后钢铁工业的主流工艺，如何从技术操作方面发挥潜力，进一步节能减排，实现高效冶炼，走向可持续发展是十分必要的。本书提出“高炉高效冶炼技术”这个题目，希望钢铁界的同仁对此予以关注，并通过实践，使我国高炉炼铁逐步走上可持续发展的道路。高效是手段，顺行是保障，低耗是目标。
第1章“钢铁工业还要发展”，从世界经济发展的宏观角度论述钢铁工业发展前景，指出高炉炼铁在今后相当长时期仍将占据优势地位，论述高炉高效冶炼的重要性。后面各章围绕高炉高效冶炼的技术关键进行阐述。从工艺技术观点分析，制约高炉炼铁工艺效率提升有两个限制性环节。个限制性环节在下降的固、液相炉料与上升煤气流逆向运动区。第2章“高炉高效冶炼的气体力学基础及其分析”，介绍了全世界范围内在这一领域取得的研究成果，武钢和武汉科技大学在高炉下部气液两相流气体力学特性和初成渣行为模拟两方面开展的实验室研究，以及应用这些研究结果的一些认知。制约高炉炼铁工艺效率提升的另一个限制性环节是整个高炉冶炼过程中的热量收入与热量支出的动态平衡。第3章“高炉高效冶炼的冶金物化基础及其应用与分析”，论述高炉内铁矿石还原的热力学和动力学的基本规律，介绍武钢富氢还原试验研究结果，结合高炉热平衡计算实例讨论提高高炉内能量利用水平，降低燃料比的技术措施。精料既是高炉高效冶炼技术的基础，也是实现高炉高效冶炼的重要保证。在高炉原燃料质量劣化、炼铁成本居高不下的情况下，更不应忽视精料对高炉高效生产的重要性。第4章“高炉高效冶炼的原燃料质量保障”，结合近年国内现状和武钢高炉生产实践讨论了高炉精料问题。高炉操作技术涉及面广，各厂情况千差万别，只能通过实践、探索、改进，使高炉冶炼效率不断提高。第5章“高炉高效化操作”，介绍武钢大高炉近年采用的操作制度，并就高效冶炼的某些关键问题展开讨论。第6章“高炉长寿技术”，指出高炉长寿是高炉高效冶炼的重要物质基础之一，阐述了高炉长寿的目标和实现高炉长寿的措施。第7章“展望”，指出21世纪仍将是铁器时代，节约资源和能源，减轻地球的环境负荷，是钢铁企业必须履行的基本责任，高炉高效冶炼技术有助于钢铁工业的可持续发展。

从工艺技术观点分析，制约高炉炼铁工艺效率提升的主要问题是两个限制性环节。个限制性环节在下降的固、液相炉料与上升煤气流逆向运动区。另一个限制性环节是整个高炉冶炼过程中的热量收入与热量支出的动态平衡。高炉提高产量则高炉冶炼的炉料总量必须增加。如何使增加了的炉料下降与上升煤气流在逆向运动中保持稳定顺行，并完成生铁冶炼的物理化学反应，是高炉产量能否提高，能耗能否降低的决定性因素。由于高炉炼铁工艺涉及因素众多，情况千差万别，只能通过实践、探索、改进，使高炉冶炼效率不断提高。
高炉高效生产更应追求大幅度降低燃料比。国外先进高炉燃料比已降至460～470kg/t，与此相比我国高炉的燃料比一般高出30～50kg/t，少数高炉甚至高出100 kg/t。精料既是高炉高效冶炼技术的基础，也是实现高炉高效冶炼的重要保证。在高炉原燃料质量劣化、炼铁成本居高不下的情况下，更不应忽视精料对高炉高效生产的重要性。
作者认为，高炉高效冶炼（包括特大型高炉在内的所有规模的高炉）仍有发挥潜力的空间，关键在于必须处理好前述的两个问题点。高炉高效冶炼必须逐步使冶炼单位生铁的炉腹煤气量减少。这涉及原燃料准备、工艺技术和装备技术所有方面的技术创新和研究开发，并应注意基本原理与实际工艺操作的结合。钢铁工业的特点之一是“两高一资”，即资源能源的高消耗和产出的高排放及对化石资源的高度依赖。钢铁工业走向绿色化是十分困难的，道路是漫长的。我国钢铁产能过剩，多层次技术并存，尤其困难。为此，钢铁工业的可持续发展必须在钢铁产量持续增长的同时，使高炉座数大幅度减少。推行高炉高效冶炼是减少高炉座数的一项重要对策。