分享：高炉炼铁如何降低并稳定控制铁水硅含量？——首钢长钢公司的实践探索

高炉冶炼是一个非常复杂的高温物理、化学变化过程，铁水含Si量可以反映高炉能量的利用情况和冶炼过程的稳定性^[1]。因此，在冶炼过程中，控制铁水含Si量是高炉冶炼中一项重要的操作制度，即炉缸热制度，它是高炉炉缸具有的温度水平，能够反映高炉炉缸热量的收支平衡状态^[2]。表示热制度的指标有2个：一个是铁水温度，正常生产时为1450~1510 ℃，俗称“物理热”；另一个是铁水含Si量，以冶炼生铁为主的高炉，正常生产时铁水中Si的质量分数控制在0.25%~0.70%，俗称“化学热”。正常炉况时，铁水物理热与含Si量存在对应关系，即化学热越高，物理热越高，炉温也越高；当炉况出现异常时，物理热与含Si量没有明显的相关性。由于Si均为直接还原，炉缸热量越充足，越有利于Si的还原，铁水含Si量也就越高，因此铁水含Si量在一定条件下可以表示炉缸热量^[3]。在生产实践中，通常以铁水含Si量作为热制度的常用指标，简称炉温。 

1.   铁水含Si量对生产工序的意义

在炼铁工序中，降低铁水含Si量具有多重效益：一方面能够有效降低焦比、提高产量，从而降低吨铁生产成本；另一方面，保持铁水含Si量稳定，有利于高炉长期稳定顺行，且铁水含Si量和稳定水平是评价高炉生铁质量和高炉冶炼技术水平的重要指标之一，具有重大意义^[4−6]。 

在炼钢工序中，保持适宜、稳定的铁水含Si量不仅可以显著缩短转炉吹炼时间、提高生产效率，更有利于控制吹炼终点温度，同时还能有效降低炼钢过程中的渣量，进而减少活性石灰的用量，延长转炉炉衬的使用寿命^[7]。 

2.   生产现状

首钢长治钢铁有限公司（以下简称长钢公司）现有2座高炉在线运行，高炉采取西门子控制系统，未使用铁水含Si量预报模型，对炉温的主要判断方法如下：（1）直接观察法，看铁、看渣、看风口；（2）送样化验，利用X荧光分析仪对生铁中的Si、S、Mn、P和Ti等成分进行化验分析；（3）直接测量，利用测温装置直接测量铁水温度、炉渣温度。结合仪表参数，先连续观察，然后综合判断，最后给出调剂措施，以控制铁水含Si量。 

实际生产过程中，受理论燃烧温度、热量消耗、炉内热交换、日常生产中设备和操作管理等因素的影响，炉温存在波动。2020—2021年，高炉铁水含Si质量分数要求控制在0.30%~0.60%，含Si量稳定率为70%~80%。2022年，钢铁行业形势严峻，成本压力增大，各企业都在减少消耗，降低生铁成本。长钢公司炼铁厂8号高炉于2022年4月进行大修，大修后需要逐步优化高炉技术经济指标，进一步提高生产效率和经济效益。2022年6月起，要求炼铁厂2座高炉铁水含Si质量分数控制在0.25%~0.55%，含Si量稳定率需达到80%以上。 

3.   实施措施

3.1   提升操作理论认知

高炉冶炼过程极其复杂，具有大时滞、大惯性、非稳定性的特点，大幅增加了含Si量的预测难度^[8]。操作人员不仅要对当前炉温的发展趋势做出正确预测，还要提前采取有效的调控措施，即具备良好的预判和调剂能力。为提高这2种能力，应从影响炉温的因素和性状入手，整理相应的调控措施及调剂建议，在具体操作过程中将炉温的发展趋势和规律分开，做好“点、线、面”的统筹工作。其中，“点”是指取样时的炉温状态，即取样时的含Si量和物理热水平；“线”是指从接班至交班过程中炉温的变化趋势，即含Si量和物理热的趋势水平；“面”是指本班前24 h的炉温发展情况，即含Si量和物理热的状态水平。依据上述分析，先综合判断，再做出调剂^[9]，以提高预判和调剂的及时性和准确性，减小炉温的波动。 

3.2   提高实践素养

在高炉生产过程中，调控炉温的措施很多，每种措施的作用时间不同，产生的效果也不尽相同。因此，对高炉主要操作参数的作用时效、各项调剂手段的效果显现时间及其集中发挥作用的周期，必须建立准确的认识和清晰的判断。例如，通过喷吹煤粉改变喷吹量需经过3~4 h的滞后周期才能发挥作用；采取调节风温（湿度）、加减风量的措施后，一般1.5~2 h即可发挥作用；装料制度调整的见效时间主要取决于调整后入炉料到达软熔带所需的时间，而负荷改变、空焦或净焦添加等措施的效果显现通常需要一个完整的冶炼周期。 

日常生产中，某些操作参数变化可能会影响热状态。当影响程度较小时，可通过增减喷吹量、风温、风量等措施进行微调，必要时可调整负荷；当发生严重炉凉事故时，必须及时向炉内补充空焦（配加造渣所需熔剂的焦炭）或净焦（不配加熔剂的焦炭）。正常炉况生产时，炉温的调控可参考“喷吹量→风温→风量→变动负荷→添加空焦或净焦”的顺序。当出现异常炉况时，需采取多种手段同时进行调控，调控中不得激化煤气量与透气性之间的矛盾。例如，当高炉出现严重炉凉时，不仅要增加喷煤量、提高风温，以补充热量，还要适当减风、降低负荷，以缓解单位风量与透气性的矛盾，确保高炉保持顺行状态。在生产过程中，操作人员应具备专业能力，能够准确识别各类炉况的表征信号，运用辩证思维分析判断主要矛盾，从而针对性采取最有效的调控措施。 

3.3   执行标准化操作

高炉作业是一个连续生产的过程，实际生产中分为常白班和分班作业。为了确保操作的连续性和稳定性，需要统一标准。常白班作业侧重于管理，应建立系统化的工作机制，除了制订每日作业目标计划及月度工作目标计划外，还应根据季节变化及时调整作业标准，并依据实际生产条件实施科学决策，确保所有操作有据可依，实现生产过程的平稳过渡。分班作业要求每班次必须制定明确的操作方针，并严格按照既定方针实施过程管控；当参数超出控制范围时，应及时分析排查原因，开展多因素关联分析，识别1~2种主导因素进行重点调控，并持续跟踪改善效果。标准制定后要严格贯彻执行，以便发生意外时能及时采取控制措施。 

3.4   稳定入炉原燃料质量

理论与研究表明：焦炭灰分越高，铁水含Si量越高；含铁原料的粉化率过高，会影响煤气流分布和炉料透气性等，不利于实施高炉低Si冶炼工艺；而提高烧结矿比例，会使高炉软熔带位置降低、厚度减薄，为低Si冶炼创造有利条件^[10]。每个企业使用的原燃料与自身的生产规模、资金与效益状况、冶炼品种、战略路线等有关，专业技术人员应基于企业实际条件开展工艺研究，针对具体问题实施专项攻关。 

3.4.1   改善自产烧结和焦炭质量

稳定入炉原燃料的化学成分和物理成分是实现低Si冶炼的前提条件。目前，高炉采取的炉料结构为烧结矿+球团矿+生矿，其中烧结矿为炼铁厂采取小球抽风烧结工艺自产，球团矿和生矿为外购。为了提高烧结矿质量，应强化烧结工序的生产管理，逐步减小入炉烧结矿的波动，提高烧结矿的碱度稳定率、品位稳定率，保证烧结矿具有良好的还原性、强度、抗低温还原粉化率、荷重还原软化性能及熔滴性能等冶金性能。2022年5月至2023年10月，烧结矿的具体成分见表1。由表1可知，烧结矿中各成分含量略有波动，但整体在受控范围内，碱度稳定。 

表  1  烧结矿成分统计

项目	质量分数/%								转鼓指数/%	碱度
	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	Fe	FeO	S	Zn
均值	6.03	10.72	2.15	2.38	54.96	7.52	0.021	0.0351	76.69	1.78
最大值	6.54	11.80	2.64	2.68	56.38	8.86	0.055	0.2050	77.10	1.94
最小值	5.59	9.45	1.77	2.13	53.96	6.68	0.011	0.0080	75.60	1.66

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高炉采取的燃料结构为焦炭+喷吹煤粉，其中焦炭为炼铁厂自产，喷吹煤粉为烟煤+长焰煤。为了改善焦炭质量，采取干熄焦工艺以稳定焦炭水分和灰分，提高焦炭的冷态强度。采用此工艺后，焦炭的耐磨强度（M10）、抗碎强度（M40）和热强度提高，热反应性降低，冶金性能得到改善。2022年6月至2023年10月，焦炭的具体成分见表2。表2中，焦炭水分是干熄焦和湿熄焦的混合水分。在干熄焦装置年修期间，长钢公司改用湿熄焦工艺，其水分质量分数均值为5.2%，显著高于干熄焦0.25%的含水水平。 

表  2  焦炭成分统计及性能指标 %

项目	质量分数					性能指标				粒度＜25 mm
	灰分	挥发分	水分	S		抗碎 强度	耐磨 强度	反应后 强度(CSR)	反应性(CRI)
均值	13.47	0.91	1.80	0.89		88.46	4.80	65.67	22.81	4.22
最大值	13.99	1.45	9.40	0.99		91.80	6.50	68.20	29.80	7.60
最小值	13.00	0.73	0.20	0.81		81.70	3.00	54.90	20.10	2.0

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3.4.2   强化筛粉效果

对于外购球团矿和生矿，应加强进厂后的一次筛粉和槽下的二次筛粉控制；对于烧结矿和焦炭，应加强槽下二次筛粉控制。通过提高筛粉效率，有效减少了入炉粉末，改善了高炉上部的透气性。2022年6月至2023年10月，入炉料粉末的控制情况见图1。 

图  1  入炉料粉末含量控制情况

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由图1可知，烧结矿＜5 mm的粉末以及焦炭＜25 mm的粉末均控制在3.5%以内，低于5%的标准要求。 

3.4.3   寻求合理的煤比和经济燃料比

2005年，长钢公司率先实现200 kg/t的煤比指标，其技术水平在国内钢铁行业处于领先地位。自2014年钢铁业进入“寒冬”以来，长钢公司迫于生存压力逐渐转变经营模式，形成以铁成本为中心的核算模式，采购经济炉料，导致高炉原燃料质量明显下降。在适应经济炉料的冶炼过程中，长钢公司逐步摸索形成合理煤比、经济燃料的管控模式，以降低生产成本。维持适宜的煤比水平并降低燃料比，不仅能够有效降低生铁成本，而且可以通过减少SiO₂的入炉量，显著降低Si源供给，煤比逐步降至120 kg/t。长钢公司的配煤结构以烟煤混合长焰煤为主，并阶段性开展以下配煤试验：焦化本体除尘灰、焦化焦粉、高炉重力除尘灰等。2022年6月至2023年10月，喷吹煤粉的具体成分见表3。 

表  3  喷吹煤粉成分统计

项目	煤比/(kg/t)	质量分数*/%
		水分	灰分	挥发分	硫分	固定碳
均值	126	0.71	10.36	13.02	0.41	77.41
最大值	136	1.40	14.20	18.71	0.54	80.65
最小值	113	0.30	8.80	9.44	0.30	72.34
注：*为工厂实际生产中采用荧光分析方法测得。

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3.5   采取合理的炉内基本操作制度

3.5.1   装料制度

装料制度的核心是布料，通过调整布料矩阵实现稳定、合理的煤气流分布，达到炉况顺行的目的。高炉通过持续优化布料模式，形成平台加漏斗的料面分布，具体表现为以下3方面效益：（1）调整边缘与中心的煤气流比例，形成更合理的煤气流形态；（2）通过疏导中心气流的布料制度，改善炉缸工作状况；（3）提高煤气利用率，降低燃料消耗，减少SiO₂入炉量，有效控制Si源。近年来，长钢公司探索出C5+O3布料矩阵模式，即焦炭5个环位配加矿石3个环位，结合布料圈数进行微调，形成较合理的煤气流分布，中心气流集中有力，边缘气流若隐若现。 

3.5.2   送风制度

优化送风制度，匹配各项送风参数，如风量、风温、喷煤量、顶压、富氧，控制适宜的理论燃烧温度，使焦炭负荷与喷煤量、风温达到一个基本平衡状态。同时，选择合适的风速和鼓风动能，保证适宜的风口回旋区深度，以获得合理的初始煤气流分布和活跃的炉缸工作状况。近年来，长钢公司逐步提高小直径风口的使用比例，适当缩小送风风口面积，并使用长450 mm、斜5°的风口小套，保持全风作业。通过以上调整，风速和鼓风动能得到提高，风口前形成一定的回旋区深度，使煤气流分布在径向与圆周方向，中心气流穿透性增强，初始气流更为稳定。目前，高炉标准风速为230 m/s，入炉风温平均为1190 ℃，喷煤比为120~125 kg/t，富氧率为2.3%，理论燃烧温度控制在2250 ℃。 

3.5.3   物理热

控制稳定的炉缸热状态，有利于炉况稳顺，降低铁水含Si量。但是，仅降低含Si量会造成铁水热量下降、炉缸温度降低，不利于炉况顺行和生铁脱硫，还可能引起炉况失常。因此要提高炉缸温度水平，保持均匀的温度场，使铁水物理热稳定在一定水平，以形成良好的炉缸工作状态，既要降低含Si量又要保证生铁质量。近年来，长钢公司高炉的物理热始终保持在≥1480 ℃，在实施过程中总结出以下原则：（1）低Si不低热原则，即开展低Si铁冶炼必须保证充足的铁水物理热，在降Si的同时保证稳定的含Si量；（2）低Si不降质原则，即在低Si铁冶炼过程中必须保证生铁质量，不能影响下道工序。 

3.5.4   造渣制度

炉渣二元碱度（R）是指炉渣中CaO与SiO₂质量分数的比值。提高炉渣碱度既可降低SiO₂的活度，促进Si的氧化，还可提高炉渣的熔点，有利于降低滴落高度，保证炉缸良好的热制度；同时较高的炉渣碱度能保证炉渣的热焓值，有利于保持充足的物理热。但是，单纯提高炉渣的二元碱度易使炉渣流动性和高炉的可操作性变差，导致炉况不顺，增加炉渣中MgO的含量，提高炉渣三元碱度是实现低Si冶炼的最佳途径^[11]。这是因为MgO不仅能够降低铁水的含Si量，同时可以改善炉渣的流动性，解决低Si冶炼和提高炉渣碱度后炉渣流动性差的问题，且炉渣中MgO含量增加可降低SiO₂的气化速度，有效扩大渣相中的黄长石相区，既改善了炉渣的流动性，又提高了炉渣熔点及脱硫能力。近年来，长钢公司高炉的二元碱度一般控制在1.20~1.25，炉渣中MgO质量分数保持在7.5%~8.5%，既能保障高炉顺行，优化脱硫效率，又能维持炉渣的流动性能。 

3.5.5   炉外排渣铁制度

安全、及时、周期性地排放渣铁，有利于改善高炉顺行状况，优化炉缸活性状态，稳定高炉内的压量关系。降Si和稳Si冶炼需要平衡炉内压量关系，合理组织炉外渣铁排放，在稳定煤气流的情况下实现料批、炉温和碱度三重稳定。基于此，对炉外实施量化出铁管理，重视铁水流速、单炉铁量差、出铁间隔、铁口深度合格率、日出铁炉次等出铁标准，避免因炉外工作不到位出现憋压、减风的问题，进而影响炉内操作，导致发生含Si量波动的情况。 

3.6   设备管理

3.6.1   冷却设备

对冷却设备加强日常检测和检漏工作，同时控制适宜的来水温度范围，按要求控制各部位冷却设备的水温差分段，并加强水质管理，保证悬浮物浓度、钙硬度、总碱度合格；强化检漏工作，及时检查、及时发现、及时处理漏水的冷却设备。 

3.6.2   点检定修

加强设备点检与定期检修，确保检修质量，杜绝因设备原因引发的减、慢风情况，大幅提高生产效率。长钢公司对设备执行三级管理制度：第一级为生产人员，作为设备的第一责任人，必须每日对岗位设备进行全面点检；第二级为车间维修人员，负责对所有设备进行每日巡检；第三级为厂部组织，每周安排专业人员对高炉设备进行专项点检。该制度明确划分责任，确保落实到人。经过一系列的调整和严格管理，设备的休风率、慢风率大幅降低。以上措施保障了高炉的长期高效稳定生产，为降Si、稳Si创造了有利条件。 

4.   实施效果

通过实施优化措施，实现了高炉的长期稳定顺行，铁水含Si质量分数均值为0.46%，Si稳定率为85%。2022年6月至2023年10月，全厂高炉铁水含Si量及Si稳定率见图2，高炉部分技术经济指标见表4。 

图  2  高炉铁水含Si量及Si稳定率

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表  4  高炉部分技术经济指标

项目	利用系数/[t/(m3·d)]	燃料比/(kg/t)	煤比/(kg/t)	生铁合格率/%	一级品率/%
实施前均值	3.231	527	130	100	94.20
实施后均值	3.421	524	126	100	90.43
实施前后差值	0.190	−3	−4	0	−3.77

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由图2可知，在降Si和稳Si期间，铁水含Si质量分数为0.41%~0.55%，稳定率为75.84%~94.64%。由表4可知，高炉利用系数、燃料比指标得到明显改善。需要注意，在2022年12月，9号高炉出现炉况失常的情况，在处理恢复炉况的过程中，当月9号高炉铁水含Si质量分数平均为0.67%，含Si稳定率为58%，该异常情况致使全厂高炉的含Si量及Si稳定率的提升受到影响。 

5.   结束语

降低并稳定铁水含Si量的基础和前提是长期保持炉况稳定顺行，确保质量相对稳定，并具备较好的原燃料条件。采取技术手段，从操作制度的优化入手，结合相关理论研究，通过实施提高知识储备和操作素养、执行标准化操作、匹配合理的炉内基本操作制度、活跃炉缸工作状况、组织炉外渣铁排放等措施，达到降低并稳定铁水含Si量的目的。降Si和稳Si是一项综合冶炼技术，属于一个系统工程，需要各岗位和工序间相互协调配合，共同实施，同时全面推行精细化管理，构建系统化的生产组织模式，这样才能真正实现低Si冶炼和稳Si操作，从而改善高炉技术的经济指标，降低生铁成本，获取更高的经济效益。

来源--金属世界