李宏伟  郑朋超  陈艳波

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司）

摘  要  灰铁比是衡量高炉对原料和能量利用程度好坏的主要指标之一。在确保炉况长期顺稳的情况下，最大限度的降低灰铁比不仅能够降低燃耗水平和减轻环境污染，还能降低企业回收处理除尘灰的费用。本文在对比2017年中国国内4000m3以上高炉灰铁比现状的基础上，全面分析京唐1号高炉除尘灰成分及来源，重点从入炉原料质量、煤比、煤气分布、炉况稳定性等方面进行全面分析研究，进而找到影响灰铁比的成因，为今后将高炉灰铁比控制在更加合理的范围内提供了依据。 

关键词  高炉 灰铁比 原燃 煤比 煤气分布 炉况

进入21世纪，由于各国工业快速发展而导致的环境污染问题日益严重，各国为了保护环境投入大量的资金，建立环保机构，并采取一系列有效的治理措施[1]。钢铁企业主要的能源和资源消耗集中在从原料处理到生产生铁的过程中，其消耗约占钢铁生产总流程的70%；排放物数量也很大，粉尘、SO2、NOx和CO2等污染物约占50%以上[2]。高炉煤气是高炉冶炼过程中产生的主要副产品之一，而炉顶产生的煤气中夹杂着许多细小的炉料和经过高温区域反应后产生的微小颗粒物，经过除尘系统除去的颗粒物也称之为除尘灰。冶炼每吨生铁所产生的除尘灰量称之为灰铁比，它是衡量高炉对原料和能量利用程度好坏的主要指标之一。灰铁比越低的高炉，一定程度上说明其煤气利用程度越好，对原料的利用率越高，企业不仅缓解对除尘灰回收再处理，也降低了吨铁成本。

首钢公司京唐1号高炉（有效容积5500m3）自2009年5月21日投产以来，历经炼铁工作者多年探索、实践、优化，冶炼技术日趋成熟，各项经济指标均已超过设计水平，主要经济指标如表1所示。

京唐1号高炉的煤气除尘系统分为两级，一级除尘为旋风式除尘器（如图1所示），二级除尘为全干法除尘器，其中全干法除尘器为国内首次在5000m3级大型高炉上应用，经二次除尘后煤气中含尘量低于5mg/m3。此外，灰铁比的高低与除尘器的形式也有关系，旋风除尘器除尘效率较好，比重力除尘器效率高30%左右。本文所论述灰铁比为一次灰铁比（旋风除尘灰）与二次灰铁比（干法除尘灰铁比）之和。

1  国内4000m3以上高炉灰铁比现状

4000m3以上大型高炉是当今高炉炼铁先进技术的集中体现，与小的高炉相比，大型高炉的单位炉容投资少、高效、低耗、环保[3]。2010年以来，中国4000m3以上大型高炉的冶炼技术和操作管理水平取得较大进步，生产指标明显改善。2016年全球粗钢产量16.285亿t，同比增长0.1%[4]。2016年中国粗钢产量8.08亿t，占世界粗钢总产量的49.6%，2016年中国22座有效容积大于4000m3级以上高炉平均利用系数为2.06t/(m3·d)，燃料比512.44kg/t，焦比348.91kg/t，煤比155.98kg/t[5]。

2017年全国22座大于4000m3高炉平均灰铁比14.48kg/t，其中，灰铁比最高的是宝钢湛江两座5050m3高炉，达到23.86kg/t；最低的是马钢两座4000m3高炉，仅为7.92kg/t，宝钢股份4座高炉平均为16.17kg/t。2017年中国4000m3以上高炉瓦斯灰灰铁比情况如图2所示。（数据来源：中国冶金报社《2017年全国高炉炼铁主要操作指标排排看》和2017年中钢协公布大型高炉指标）

2017年京唐1号高炉旋风灰铁比为16.32kg/t，灰铁比为21.6kg/t，自投产以来灰铁比呈现升高趋势，且高于同类型平均水平。灰铁比的持续升高，除尘灰量必然大幅增加，生产过程中一方面往往因运输能力不足而造成除尘灰卸不空，造成除尘器内灰量处于高料位影响除尘器的除尘效果；另一方面灰铁比升高一定程度上说明高炉对炉料利用率降低，导致燃料消耗的升高的同时往往需要更多的资金投入对除尘灰进行再处理。

因此，从高炉生产的实际出发，对灰铁比的影响因素：原料质量、煤气分布、操作制度等进行系统分析、总结、研究就显得极为重要，使之在确保高炉长期稳定、高产基础上将灰铁比控制在更加合理的范围内。 

2  京唐1号高炉除尘灰成分及来源分析研究

2.1  除尘灰成分

旋风除尘灰本身是高炉冶炼过程中伴随煤气产生的一种附属物，除尘灰成分主要含有大量的铁、碳粉、二氧化硅和氧化钙，还含有钾、钠、锌、铅等有害元素。针对旋风除尘灰成分分析（如表2所示），可知京唐1号高炉旋风除尘灰主要成分铁、碳含量分别在48%、16%左右。

经过旋风除尘后，煤气经过干法除尘器产生的除尘灰为二次除尘灰，炉尘粒度降低，而且其成分也发生较大变化，根据成分化验分析表3可知，其铁、碳含量分别在32%、24%左右。

2.2  除尘灰成分来源分析

此外，为了全面进一步研究高炉冶炼过程中产生的旋风除尘灰的来源，通过对旋风除尘灰的微观结构组成进行分析（如表3所示），旋风灰主要由焦炭颗粒（焦炭颗粒和焦变残炭总占比38.6%）、含铁颗粒（烧结矿颗粒、球团矿颗粒、原矿颗粒和铁颗粒总占比47.3%）和煤粉颗粒（原煤颗粒和热变原煤占比3.16%）组成。

3  影响灰铁比的因素分析与研究

3.1  原燃料

3.1.1  焦炭

焦炭的质量变化直接影响到灰铁比，而且从旋风除尘灰微观结构分析焦炭是其主要来源之一。在高炉冶炼过程中，焦炭产生的粉末除了自身带入外，大部分由焦炭在炉内不断下降的过程中与二氧化碳发生碳素熔损反应，使焦炭内部孔壁厚度变薄，原有的结构遭到破坏，最终造成其强度降低而产生粉末[6]。京唐公司高炉所用焦炭为100%全干熄焦炭，焦炭长期保持稳定的配比和炭化时间，质量稳定（如表4所示），故不是影响灰铁比变化的原因。

3.1.2  入炉矿料

除尘灰的另一主要来源于金属矿料，京唐高炉炉料结构由烧结矿（65%）、球团矿（29%）和澳矿（6%）三种矿料构成，而且炉料结构、成分基本稳定。通过对大量数据分析，粒度是影响灰铁比的因素之一，入炉矿料筛下物量（用筛下返矿率表示）越多（如图3所示），灰铁比相对就越高。

3.2  煤比

喷入高炉内的煤粉主要参与风口前的燃烧、铁水渗碳、下部的FeO直接还原、上部碳的气化等反应，未被利用的煤粉被煤气带出高炉。随着焦炭负荷不断加重、煤比升高后，一方面焦炭在高炉内的停留时间延长后必然导致粉化加剧,另一方面煤比持续升高后（大于160kg/t），未燃煤粉量增加而导致旋风除尘中未燃煤粉和粉焦含量增加，从而导致灰铁比升高（如图4、5所示）。

提高风口前煤粉燃烧率,改善未燃煤粉的消耗利用率,都会有效地降低炉尘中未燃煤粉的逸出量 [7]。例如，2017年2月4日通过调装料减一圈中心焦炭后，煤气利用率由48.21%升高至49.5%后，煤比降低约10kg/t，总灰铁由比27.77 kg/t（与2017年1月份相比）下降24.55kg/t。

3.3  煤气利用水平

3.3.1  煤气利用率

煤气利用率是衡量在高炉炼铁过程中气固相还原反应中一氧化碳转化为二氧化碳程度的指标。在炉况长期稳定的基础上，通过优化基本制度来控制合理的煤气流分布，以最终获得较高的煤气利用率是当今大型高炉冶炼的主要目标之一。煤气利用率越高说明在冶炼过程中煤气中CO与炉料反应的更充分，能量利用的越好。通过对焦比在295kg/t和305kg/t 条件下，对煤气利用率和灰铁比进行分析（如图6、图7所示）可知，随着煤气利用率升高，灰铁比呈现下降趋势，且当煤气利用率达到49%以后下降趋势趋缓。

3.3.2  炉顶温度

鼓风从风口吹入高炉后与煤粉、焦炭和矿料发生一系列氧化还原反应，最终形成高炉煤气从炉顶逸出，而炉顶煤气温度一定程度代表冶炼过程中对热量利用水平的高低。生产过程中，炉顶温度水平越低，燃料比水平相对就越低，一定程度上也反映了煤气分布和煤气利用水平更加合理。由图8、图9可知，一次灰铁比、灰铁比与高炉顶温具有明显正比对应关系。

3.4  燃料比

在高炉长期稳定的基础上最求相对较高的煤气利用水平，必然会带来相对较低的燃料比。通过对燃料比与灰铁比进行回归分析，可知两者具有一定对应关系（如图10所示），因此，追求相对较高的煤气利用率和较低的燃料比是降低灰铁比有效的措施之一。

3.5  炉喉边缘煤气温度

京唐1号高炉自2011年7月采取中心加焦的布料制度以来，始终坚持“中心开放式”的煤气分布和稳定的“倒V型”软熔带结构，注重中心和边缘两股煤气流的合理分布控制。因中心加焦区域CO2％较低，优化中心加焦炭量和提高其它区域CO2含量是改善的煤气利用水平的重要手段。

生产过程中，控制好边缘煤气对稳定炉况、稳定铜冷却壁渣皮、降低燃耗等方面就显得极为重要。多年生产实验证明，在炉况持续稳定的情况下十字测温边缘温度越高时，对应灰铁比就越高，两者之间对应关系明显（如图11所示）。因此，在中心加焦的布料模式下，控制相对较低的边缘煤气温度有利降低灰铁比。

3.6  炉况稳定性

炉况的长期稳定顺行是大型高炉冶炼的根本。炼铁工作者必须从原燃料、操作、设备维护等多方面入手，对高炉冶炼各系统进行更加精细、严格的管控，确保炉况的长期稳定，以实现长远的最大化经济效益。当出现原料质量波动、炉温过高或过低、炉渣碱度过高、布料不合适、操作炉内型不规整等情况时，若控制不好极易造成炉况波动，主要以塌料、管道行程、悬料等异常炉况形式出现。根据表5统计，入炉焦比在恒定时，统计日塌料次数与灰铁比有直接对应关系，即当日塌料次数越多时灰铁比对应就越高。因此，炉况的持续稳定与否也是影响灰铁比的关键因素之一。

4  结语

现代化大型高炉生产是一个复杂的系统工程，受到诸多因素影响。灰铁比主要受入炉原料质量、煤比、煤气分布、炉况稳定性等因素影响，在确保高炉炉况长期顺稳的情况下，最大限度的降低灰铁比不仅能够实现降低燃耗水平和减轻环境污染，还能降低企业回收处理除尘灰的费用，具有极为重要的意义。

（1）长期保持稳定的配比和炭化时间的全干熄焦炭经过严格过筛后，不会影响灰铁比变化，而入炉矿料粒度与灰铁比有一定的一致性。

（2）煤比和燃料比均与灰铁比存在明显正比关系。生产中可通过提高理论燃烧温度、降低燃耗等措施，可有效降低吨铁除尘灰量。

（3）在中心加焦的布料模式下，伴随煤气利用率的升高，灰铁比呈现下降趋势，且当煤气利用率达到49%以后下降趋势趋缓。此外，灰铁比与顶温具有明显正比对应关系。

（4）十字测温边缘温度越高，灰铁比对应也越高。

（5）炉况的稳定与否也是影响灰铁比的因素之一。

5  参考文献

[1] 周传典.高炉炼铁生产技术手册[M].北京：冶金工业出版社，2002（4）：730.

[2] 项钟庸，王筱留. 高炉设计——炼铁工艺设计与实践[M]. 北京：冶金工业出版社，2007（11）：96.

[3] 张寿荣，姜曦.中国大型高炉生产现状分析及展望[J]. 第十一届中国钢铁年会论文集//[C]，2017，52（2）:2.

[4]世界钢铁协会.2016—2015年全球月度粗钢产量[DB/QL].http://www.worldsteel.org/zh/statistics/crude-steel-productiong0.html.(World Steel Association.Global Monthly Crude Steel Output 2016-2015.

[DB/OL].http://worldsteel.org/zh/statistics/crude-steel-productiong0.html)

[5] 张寿荣，张卫东.中国钢铁企业固体废弃物资源化处理模式和发展方向[J].钢铁，2017，52（4）:1.

[6] 代兵，姜曦，王运国，等.本钢新１号高炉降低瓦斯灰碳含量攻关[J].中国冶金，2017，27（1）：75.

[7] 李荣壬，徐万仁，钱晖. 高炉大量喷煤时煤粉在炉内利用状况的研究[J].宝钢技术，2000.（2）：31.

[8] 张寿荣，姜曦.我国大型高炉生产现状分析及展望[J].钢铁，2017.2.