高炉经济炉料结构的研究与展望

高炉经济炉料结构的研究与展望

崔光远

（宝钢湛江钢铁有限公司      广东     湛江   524072）

摘要：本文主要通过对不同钢铁厂经济炉料研究过程进行对比分析，发现有四种通用研究方法，一是基于实践经验的探究；二是利用实验手段确认答案；三是数学方法优化法；四是仿真技术优化法。在此基础上，我将所有研究方法进行了对比分析并给予评估，从而明确出未来的研究方向。

关键词：高炉；炉料结构；优化；方法

前言：近年来，钢铁行业发展了多项新的炼铁方法，如直接还原法、熔融还原法等，但高炉炼铁依然是国内外主导发展工艺，其生铁产量占世界生铁总产量的95%以上。目前高炉冶炼正遭遇两个主要挑战：一是由于原燃料供应有限，铁矿石等原材料的价格持续上涨，使得原材料在生铁制造成本中占比超过了85%。二是面对"减碳"政策的要求，低碳冶炼已经成为未来钢铁立足的关键，因此，探索高炉经济炉料生产最佳模式，降低生铁冶炼成本，确保高炉生产安全、环保、稳定、顺行，持续提升公司核心竞争力，是钢铁厂亟待应对并需处理的关键课题。

一、高炉经济炉料结构形式

统计显示，高炉原材料成本约占炼铁生产成本的85%，对钢铁厂最终产品的成本结构起着决定性作用。特别是在当前形势下，钢铁行业受国际金融危机的严重影响，企业效益受到极大限制，铁矿生产成本的降低已成为影响公司效益和竞争力的重要因素，因此，经济合理的炉料研究与实践已成为当前炼铁面临的重要问题，合理的炉料结构要求炉料具有良好的冶金性能，能够保证高炉长期稳定运行，达到良好的技术指标。

在高炉冶炼中，块矿不需要进行加工，而是直接分选入炉，其价格远低于烧结矿和球团矿。因此，国内大部分钢铁厂不再追求100%熟料装料结构，而是努力提高块矿比例，其中，宝钢块矿比重达到15%以上，有时甚至达到20%，且高炉仍取得优异的技术经济指标。

二、高炉炉料结构优化研究方法

（一）经验知识摸索法

此方法一般用于实际环境中的控制，可以根据不同的高炉材料配置来测试其运行情况，并在此过程中适当地做出调整，从而找出适合特定高炉的最优材料组合。例如，面对全球铁矿石供应日益紧缺的问题，宝钢开始研究如何调整其高炉使用的原料结构，逐渐减少球团矿的比例，增大烧结矿的使用，并且明确了合适的块矿混合方案。另外，宝钢也在扩大使用矿种的选择范围，包括许多品质较低的新铁矿石种类也已投入高炉生产之中。同样地，济钢对于他们1750立方米高炉的经济燃料冶炼经验做了总结，结果显示，当前高炉的主要经济燃料是以低品位的、较高的块矿占比及高的AL2O3含量为主导元素，为了应对这些不利影响，他们采取了修改布料规则、调整送风模式、提升富氧浓度等方式，最终实现了高炉经济性能持续改进，铁水成本逐年下降的效果。石家庄钢铁集团的高炉因受到多种因素的影响，其炉料结构已经由最初的高低两类碱度的烧结矿与极少的球团矿、澳大利亚矿物转变为如今占总量80%—85%的高碱度烧结矿，而剩余部分则是由15%—20%的酸性球团矿组成[1]。

（二）实验室试验探索法

为了弥补经验知识探索方法的缺陷，我们必须在进入高炉生产前先对炉料做金属性质检查，利用实验室内获得的数据作为指引高炉生产的指南。对于韶钢的高炉输入含有铁质的材料，我们要对其进行还原能力、低温还原粉化特性以及熔滴行为的研究，以解析各种不同的输入物料和混合炉料构成的金属属性，同时考虑炉料的价格因素，从而确定出目前资源状况下最合适的炉料组合方式。根据现有的水钢原料情况，他们将单独矿石的金属特性的测验为基础，探讨水钢烧结矿配合钒钛球团矿的最优方案；保持烧结矿比例固定的前提下，使用进口块矿调整钒钛球团矿的比例，探究炉料构造的还原力、低温还原粉化力和压力下的柔软度以及高温熔滴的行为变化模式。经过对包钢单个炉料和复合炉料的金属属性的测量，并对其他公司复合炉料的金属属性做了比较分析，结论显示，合理的选矿可以提升烧结矿和球团矿的铁质量，并且能够优化它们的金属属性；包钢的烧结矿具备优秀的还原能力和低温还原粉化特性，但是它的熔融滴落范围较大，通过进一步减少包钢精矿里的氟、钾、钠成分，适当地增大输入物料里普通矿或者澳洲块矿的比例，有助于改进它的金属属性。

（三）数学方法优化法

由于实验室试验探索方法适应性差、需要考察的因素少等缺点，炼铁生产引入数学方法结合高炉炼铁原理等专业知识，开展高炉炉料优化研究。采用线性规划原理，在高炉生铁生产过程计算的基础上，根据不同含铁炉料的软熔特性、铁与铁之间的高温反应性等专家知识，建立了最佳高炉配料的数学模型。该模型以吨铁成本为目标函数，根据优化理论设定了十多个限制条件，并根据高炉炉料结构和冶金方面的专家知识对限制条件进行了调整。该炉料优化数学模型的主要特点是：高炉炉料不仅要求价格相对低廉，而且冶金性能优良；基于专业知识的复合炉料，即采用基于专业知识的优化方法。

（四）采用仿真技术的优化法

通过模拟方法，可以更直观地显示不同炉料结构下高炉的运行状况，这对评估优化结果起到关键作用。基于软球模型的软球模型，基于牛顿第二定律，利用DEM技术研究高炉炉料的行为，准确地给出了模型预测的针对特定高炉的流场和温度场分布。详细研究了焦炭不均匀情况下炉内固体炉料的速度和应力分布以及炉壁和炉底的应力，5000m

3高炉圆周方向喷嘴涡流区的消耗结果表明，炉口料层结构、炉料运动速度和应力、炉壁和炉底应力分布不对称，会造成死焦堆积增多，表面呈窄滑坡。

三、高炉炉料结构研究评价及展望

（一）炉料结构研究方法评价

现有的几种用于高炉炉料结构优化的方法包括：通过经验知识的探寻、实验性的测试寻找、运用数学模型来优化以及利用模拟技术进行调整。然而，每一种方法都各有其局限性和不足之处。例如，依靠经验知识的方式可能过于依赖直觉而缺乏科学依据；大量的实验测试可能会导致繁琐的工作负担。所以，我们需要不断改善并完善这四种方法以适应未来的需求[2]。

（二）炉料结构研究展望

在全面评估当前的研究状况后，我个人认为高炉炉料结构研究的未来发展趋势如下：

（1）结合实践知识探究与实验测试探索的方法是有效的互补手段。这种方式能有效地运用到实际操作中去，通过借鉴高炉生产的实例知识来规划实验室的研究计划，然后把实验的结果反过来应用于高炉生产上，这样就能更好地调整炉料配置以达到更优的效果。

（2）持续完善的数学优化法将在高炉冶炼分析中发挥更大的作用。它会添加诸如透气性等可能影响高炉运行的因素，结合最新的炉料性能研究成果，以及更优秀的数学优化技术来实现高炉炉料结构的优化。

（3）伴随着计算模拟科技的高效进步，通过使用模拟方法对高炉内各种炉料构造的状态转变进行模拟分析，以此为基础引导出最佳的炉料构造设计方案。如引入化学反应动力学与热力学的模型，以增强DEM-CFD结合模式的效果，使得它能够更真实地反映出高炉内各类炉料构造的多相流动及物理化学变迁状况，这种方式有望被视为将来高炉炉料构造优化研究的主要方向[3]。

结论：高炉炉料结构优化是每个钢厂和炼铁工人不可避免的问题，因此有必要不断改进和完善现有的经验知识调查方法、实验室试验方法、数学方法优化方法和模拟技术。优化方法及发明一些新的炉料结构优化研究方法，使高炉炉料结构优化更加科学、准确。

参考文献：

[1]李铄,周恒,李彬等.H2含量对高球比炉料还原行为的影响[J/OL].中国冶金:1-9[2023-09-11].

[2]韩风光,张建良,刘征建.高炉炉料结构对软熔过程煤气成分的影响[J/OL].钢铁研究学报:1-9[2023-09-11].

[3]林文康,饶家庭,李志霖.高炉冶炼钒钛矿炉料结构模型分析及生产实践[J].四川冶金,2022,44(04):12-16.