影响炼铁工艺运行效益的相关技术指标分析

冯 飞 仲海洋

1.M钢铁企业高炉运行概况

2022年，受钢铁市场需求节奏放缓影响，钢材价格从下半年起环比下降，但铁矿石价格却居高不下，严重挤压钢铁生产企业利润空间。在这一背景下，M钢铁企业高炉炼铁以降本、提质、减碳、高效为目标，加强系统攻关，从2022年11月至2023年6月，该企业1780m3高炉利用系数连续8个月达3.0t/m3d以上。高炉利用系数的提高，不仅提升高炉铁水产量，还能通过扩大生铁产量规模、降低炼铁成本，从而促进企业效益的增长。

M钢铁企业1780 m3高炉，在容积保持不变的情况下，通过系统性攻关，高炉利用系数(t/m3.d)由2022年9月的2.655t/m3.d提升至2023年5月的3.288 t/m3.d。如高炉系数能够长期保持稳定，则该企业炼铁生产能力至少能提高20%，将极大提升高炉炼铁工序的综合竞争力。

2.强化高炉入炉原燃料的“精料”管理，确保高炉稳定顺行

钢铁企业高炉冶炼实践表明，改善原燃料质量和采取各种降低燃料比的措施，有助于提高高炉利用系数。因此，多数钢铁企业通常采取如下基本方法来提高高炉利用系数：一是通过提高入炉料品位、提高风温、富氧喷煤和提高高炉顶压等措施，改善高炉的冶炼条件，实现高炉利用系数的提高；二是在控制好高炉适宜冶炼强度的基础上，通过加强高炉操作，如优化高炉操作制度，改善煤气与炉料之间的接触条件，使煤气的热能和化学能得到充分利用，提高煤气利用率，从而实现降低焦比、提高高炉利用系数的目的。

2.1 提高烧结矿质量

高炉利用系数的提高，要求烧结矿和球团矿具有高品位、高强度、冶金性能好和易还原等特点。M钢铁企业一直将优化炉料结构、优化并稳定原燃料质量、减少入炉有害元素等方面作为攻关重点，系统考虑原燃料质量控制标准。如将提高烧结矿品位作为重点工作，该企业1780m3高炉从2022年9月份开炉至2023年6月份，烧结矿品位始终保持在56.6%以上。特别是2022年9月、10月份达到56.9%以上，创2022年新高，但该指标曾在2023年6月份降至56.58%。如果剔除6月份高炉休风因素影响，各月份烧结矿品位质量总体稳定（见图1），且烧结矿转鼓强度指标波动幅度小，各月均稳高于77.7%以上，高炉渣比稳定在310kg/t内，满足了高炉高效生产的要求 。

图1 2020年9月-2023年6月烧结矿质量指标变化情况 %

为了使高炉易于接受强化冶炼，需要改善炉料的透气性，M钢铁公司通过优化协调生产工艺操作等技术措施，强化成本管理，不断降低烧结矿返矿率，实现了提质降本增效的目标。返矿率的高低既取决于烧结矿本身的质量，也取决于高炉所产铁水品种对这部分炉料优劣的容忍度。如该公司从2022年9月烧结矿返矿率12.985%，降至2023年6月的10.305%，创本年度新低，较最高点降2.68个百分点（见图2）。

图2 2020年9月-2023年6月烧结矿返矿率 %

2.2 提高焦炭质量

在钢铁行业中，铁前系统的排放占了碳排放总量的70%和污染物排放总量的90%以上。提高焦炭质量，降低现有高炉的燃料比，是减碳降碳的一项重要措施。随着高炉喷煤量的增加，高炉料柱的矿焦比不断增大，焦炭作为高炉料柱骨架，更要突出渗透性(透气与透液)作用，这必然要求焦炭具有更高的质量特性，如焦炭的冷态指标要高，热态性能要好，灰分和硫含量要低，从而为高炉生产实现较高利用系数提供必要的保障条件。高炉生产实践表明，焦炭灰分每增加1%，焦比上升2%左右。M钢铁公司2022年9月份冶金焦灰分为12.757%，2023年6月份降至12.663%，较2022年9月份下降了0.094个百分点（见图3）。同时剔除2023年1月份（高炉休风影响）高达12.803%的特殊值外，冶金焦灰分基本控制在12.7%左右，且各月波动幅度较小。

图3 2020年9月-2023年6月冶金焦质量指标变化情况 %

高炉生产实践表明，焦炭含硫量每增加0.1%，焦比上升1.2%～2.0%。2022年9月份该公司冶金焦硫分为0.913%，2023年5月份降至0.911%，下降了0.02个百分点。同时，除2023年1月份因高炉休风影响外，冶金焦硫分基本控制在0.9%左右，且各月波动幅度较小。总体看，该公司焦炭质量的提升，为高炉生产实现较高利用系数提供了必要的保障条件。

考核焦炭粒度指标有冷态指标和热态指标。其中冷态指标涉及抗碎强度M40指标、抗碎强度M25指标、抗磨强度M10指标；热态指标涉及CSR指标和CRI指标。焦炭抗碎强度M40每降1%，高炉利用系数降低3%～4%，焦比(冶炼1吨生铁所消耗的焦炭的重量)增加1.3%～5%；抗磨强度M10每降低0.1%，高炉生产能力提高0.3%～1.3%，焦比降低0.2%～0.6%。该公司焦炭抗碎强度M40指标值从2022年9月份87.569%持续升至2023年6月份的88.355%，提升0.786个百分点；抗磨强度M10指标值从2022年9月份6.477%降至2023年6月份的5.939%，降低了0.538个百分点 (见图4) 。

图4 2020年9月-2023年6月冶金焦冷态指标变化情况 %

3.以经济炼铁为目标，开展精料技术攻关

入炉铁矿品位高低直接影响高炉产量，高炉炼铁精料技术水平对炼铁指标的影响在70%，而精料技术的核心是要提高入炉矿石品位。入炉铁矿品位每提高l%，铁水产量一般提高2.5%～3%，燃料比降低1.0%～1.5%，吨铁渣量减少30㎏，允许多喷吹煤粉15㎏/t。自2023年1月份开始，M钢铁公司1780m3高炉入炉铁矿品位保持较高水平，其中连续4个月保持在58%以上，最高为4月份的58.437%， 比2022年12月份提高了0.917个百分点（见图5）。同时，入炉铁矿品位基本呈逐月提高的态势，波动性明显低于烧结矿品位，表明该企业将提高入炉铁矿品位作为贯彻精料技术的核心经济指标。伴随着入炉矿品位指标的逐步提升，企业的燃料比指标呈现逐月下行态势，促进了企业节能减排、绿色生产的高效发展。高炉燃料比指标由2022年9月份的544.9㎏/t降至2023年3月份的历史最好水平503㎏/t，下降了41.95㎏/t，刷新了该企业1780m3高炉燃料比、煤气平均利用率两项指标的历史纪录。其中，燃料比指标连续3个月均稳定在503㎏/t左右水平，进入行业同类型高炉先进行列。

图5 2020年9月-2023年6月入炉铁矿品位与燃料比变化

4.以技术创新为抓手，开展降本增效攻关

高炉通过富氧鼓风手段实现高产和增加喷煤量。喷吹烟煤，喷煤比过高或过低都对高炉生产和生铁成分带来不利影响，而经济喷煤比可使喷入高炉内的煤粉充分燃烧、高炉顺行、降低生铁成本。经济喷吹煤比的确定是指在一定的生产条件下，考虑产量、原燃料质量、炉料结构、煤和焦炭的市场价格等因素，喷吹煤比最高且稳定、焦比和燃料比最低的操作煤比。可见，经济喷煤比的大小取决于喷煤量水平、煤焦置换比和能量消耗利用程度，最终由总燃料消耗、工序成本来确定。

在高炉冶炼过程中，富氧对提高煤粉在高炉风口前的燃烧率，提高置换比起到了关键作用。寻求大富氧和经济煤比的搭配，即可改善高炉冶炼的效果，又能够实现低碳、低能耗、低成本的目标。大富氧的作用：一是对理论燃烧温度的影响。富氧是弥补喷煤后，风口理论燃烧温度降低的有效措施。提升富氧率1%可补偿理论燃烧温度40到50摄氏度。从风口理论燃烧温度维持不变的角度计算，根据日本制铁、宝钢等企业经验，富氧率每提高1%，高炉可提高煤比22公斤/吨。二是对煤粉燃烧率的影响。富氧使鼓风中的氧浓度增加，加快了氧向煤表面的传递速度，从而促进了煤粉燃烧，提高了煤粉燃烧率。三是改善高炉透气性的作用，富氧1%可使吨铁的煤气量减少4%。因此，随着富氧率的提高，炉腹煤气量的减少，从而降低了高炉压差，改善了料柱透气性，从而促进了炉况顺行，有利于高炉接受高煤比。

M钢铁公司1780m3高炉以经济、低碳炼铁为目标，坚持技术创新，开展高炉大富氧经济煤比应用技术（见图6）。2022年9月开炉时富氧率仅为4.43%，2023年6月份提高至6.167%，提高了1.737个百分点，且该公司富氧率自2月份起基本保持逐月上升，稳定在5.93%的态势，与喷煤比的走势保持一致；该高炉的喷吹煤比2022年9月为133.494㎏/t，2023年6月提高至162.933㎏/t，提高了29.439㎏/t，而且是随着高炉富氧率的不断提升，高炉喷煤比也持续呈现稳中有升的态势。通过实施大富氧与经济煤比相匹配技术，M钢铁公司1780m3高炉确保稳定、顺行，优化炼铁用能的结构，从而实现了燃料消耗的最优化。

高风温是降低焦比和强化高炉冶炼的重要措施。高炉生产实践表明，风温在950℃～1350℃之间时，每提高 100℃可降低焦比8 kg～20kg，铁水产量增加2%～3%。M钢铁公司高炉除在2022年9月开炉初期，高炉风温处在低位，为1160.63℃（见图7），其他各月高炉风温稳定，均保持在1170℃～1185℃，上下波动幅度未超过15℃，且呈小幅上升态势；而高炉入炉焦比指标则表现刚好相反，2022年9月高炉入炉焦比达383.53㎏/t（为开炉以来最高值），从2022年10月开始，随着风温的不断提升，高炉入炉焦比指标一路下行，2023年5月当风温达到今年最高点1182.567℃时，高炉入炉焦比也同时达到今年最好水平的320.56㎏/t，比2022年9月最高焦比下降62.97㎏/t。说明高风温可以降低高炉的燃料消耗，对高炉节能降耗发挥重要作用。

图7 2020年9月-2023年6月高炉平均热风温度和焦比变化情况

4.高炉运行高效率与极致能效

高炉高效炼铁应包括高效率组织生产、高质量生产、低成本生产、清洁绿色低碳生产、前沿技术研发等，M钢铁公司通过提高烧结矿、焦炭等原燃料质量，提高高炉运行，从而为高炉炉况的顺行和冶炼强度的提高提供了必要条件。该公司烧结矿品位、烧结矿返矿率、冶金焦灰分、冶金焦硫分、入炉铁矿品位、高炉富氧率、燃料比、高炉工序能耗等关键性指标，均在2023年上半年达到年内最优，高炉喷煤比、高炉平均热风温度等指标保持较高水平，多种因素共同作用，从而使高炉利用系数于2023年5月份达到年内最优（见图8），同时该指标于2022年11月份起，连续8个月均保持在3.0 t/m3.d，呈逐月提高的态势，表明该公司高炉生产效率的提升是循序渐进的，亦表明其各类技术措施亦是循序渐进的。

图8 2020年9月-2023年6月高炉利用系数和工序能耗变化情况

由于M钢铁公司对高炉生产采取了综合性技术措施，该企业1780m3高炉从2022年9月至2023年6月，共有4个月高炉没有因休风影响生产。同时，该高炉的工序能耗指标大幅下降，从2022年9月的397.37（kgce/t），降至2023年6月384.069（kgce/t），下降了13.301（kgce/t），比2023年3月历史最好水平的377.612（kgce/t）降低19.759（kgce/t），降幅为4.97%。而且自2022年9月份起，高炉工序能耗呈逐月下降的态势，这对该企业高炉节能降耗有着非常积极的意义。

6.结语

M钢铁公司在严峻的市场形势下采用综合性技术措施，强化了高炉冶炼强度，优化了高炉炉况，大幅度提高了高炉利用系数、降低了入炉焦比，实现了高效、绿色、低碳、低成本生产。该公司成功的生产实践进一步表明：高炉生产要以精料为基础，一方面采用高风温、高顶压、高富氧等操作技术，另一方面强化高炉操作与管理，精打细算、苦练内功、细节降本，不仅可以实现高炉冶炼的稳定顺行，而且能够大幅提高高炉冶炼的关键性技术经济指标。这一经验值得其他钢铁企业借鉴。