面向21世紀(jì)中葉的全球碳中和目標(biāo)，低碳冶金、無(wú)碳冶金和氫冶金等新工藝不斷涌現(xiàn)，技術(shù)發(fā)展日新月異。在全球范圍內(nèi)利用可再生能源制備出“綠氫”，應(yīng)用于鋼鐵冶金工程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鋼鐵冶金的低碳化、脫碳化或無(wú)碳化，已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界一個(gè)熱點(diǎn)研究課題。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)鋼鐵制造流程以高爐-轉(zhuǎn)爐為主，長(zhǎng)流程粗鋼產(chǎn)量約占90%，噸鋼CO2排放達(dá)到1.8噸~2.3噸，減少鋼鐵冶金過(guò)程化石質(zhì)碳素消耗和CO2排放，必須在現(xiàn)有工藝流程上進(jìn)行重構(gòu)優(yōu)化和技術(shù)再創(chuàng)新，構(gòu)建單元工序裝置的新功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全流程功能優(yōu)化和效率優(yōu)化。

　　主要發(fā)展成就

　　技術(shù)裝備大型化

　　2000年以來(lái)，我國(guó)高爐煉鐵技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展。生鐵產(chǎn)量穩(wěn)居世界首位。高爐大型化、現(xiàn)代化、高效化技術(shù)裝備升級(jí)成就突出，淘汰落后裝備和產(chǎn)能、加大供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革成效顯著。20多年來(lái)，我國(guó)高爐數(shù)量由增到減，高爐平均容積不斷擴(kuò)大，單座高爐的生產(chǎn)效能穩(wěn)定提升、發(fā)展態(tài)勢(shì)值得期待。

　　20多年間，我國(guó)高爐技術(shù)裝備大型化、現(xiàn)代化發(fā)展迅猛、成就卓著。鞍鋼、武鋼、首鋼遷鋼、天鋼、唐鋼、邯鋼、梅鋼等一大批2500m3~3200m3級(jí)高爐相繼建成投產(chǎn);寶鋼、太鋼、馬鋼、鞍鋼鲅魚(yú)圈、首鋼遷鋼、本鋼、安鋼、包鋼等一批4000m3級(jí)大型高爐也相繼建成投產(chǎn)。值得指出的是，5000m3級(jí)高爐的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行，已經(jīng)成為21世紀(jì)以來(lái)我國(guó)煉鐵工業(yè)最具代表性的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展成就。2009年5月份首鋼京唐1號(hào)高爐建成投產(chǎn)，標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)完全掌握了5000m3以上巨型高爐設(shè)計(jì)、建造和生產(chǎn)運(yùn)行技術(shù)，我國(guó)已成為繼日本、前蘇聯(lián)和德國(guó)之后，世界上第四個(gè)擁有5000m3以上巨型高爐的國(guó)家。緊隨其后，沙鋼5800m3高爐、京唐2號(hào)5500m3高爐、寶鋼湛江2座5050m3高爐、山鋼日照2座5100m3高爐、京唐3號(hào)5500m3高爐相繼建成投產(chǎn)。這些超大型高爐是我國(guó)鋼鐵冶金工程科技的集成創(chuàng)新和綜合國(guó)力的集中體現(xiàn)，我國(guó)5000m3高爐數(shù)量?jī)H次于日本(11座)，已經(jīng)是世界排名第二的國(guó)家。實(shí)踐表明，我國(guó)在4000m3以上大型高爐的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行等方面，已經(jīng)完全掌握了核心關(guān)鍵技術(shù)，全面實(shí)現(xiàn)了自主設(shè)計(jì)和技術(shù)裝備國(guó)產(chǎn)化，并且在高爐煤氣干法除塵、頂燃式熱風(fēng)爐利用低熱值高爐煤氣實(shí)現(xiàn)高風(fēng)溫等技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)跑?chē)?guó)際。

　　面向未來(lái)，我國(guó)高爐煉鐵技術(shù)進(jìn)步和結(jié)構(gòu)優(yōu)化將進(jìn)一步圍繞高爐大型化、現(xiàn)代化、高效化、長(zhǎng)壽化、綠色化、低碳化開(kāi)展，堅(jiān)持低碳綠色、智能高效的高質(zhì)量發(fā)展理念，到21世紀(jì)中葉成為世界領(lǐng)先的鋼鐵大國(guó)和鋼鐵強(qiáng)國(guó)。

　　生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)提升

　　在我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量快速增長(zhǎng)的同時(shí)，通過(guò)工藝技術(shù)創(chuàng)新和裝備技術(shù)進(jìn)步，高爐主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不斷得到改善和提升。高爐燃料比、焦比和煤比分別從2000年的547kg/t、429kg/t、118kg/t演變到2020年的529kg/t、355kg/t、148kg/t，燃料比、焦比相應(yīng)下降了18kg/t、74kg/t，煤比提高了30kg/t;風(fēng)溫從2000年的1034℃提高到1115℃，提高了81℃;高爐利用系數(shù)、實(shí)物勞動(dòng)生產(chǎn)率等指標(biāo)不斷優(yōu)化，煉鐵工序能耗、污染物排放等指標(biāo)持續(xù)提升。21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)高爐技術(shù)裝備大型化進(jìn)程加快，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到2020年2000m3以上的大型高爐已經(jīng)達(dá)到90余座，其中5000m3以上巨型高爐8座，4000m3級(jí)特大型高爐18座，3000m3級(jí)高爐19座，2000m3級(jí)高爐48座。近期還將有一批搬遷新建和擴(kuò)容大修的大型高爐建成投產(chǎn)。

　　近10年來(lái)，我國(guó)高爐煉鐵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不斷得到優(yōu)化和改善，主要表現(xiàn)在：

　　(1)高爐平均利用系數(shù)穩(wěn)定在2.5 t/(m3·d)以上，一批1000m3~2500m3高爐，利用系數(shù)達(dá)到3.5 t/(m3·d)甚至更高，居國(guó)際領(lǐng)先水平;

　　(2)高爐燃料消耗呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，入爐焦比穩(wěn)中有降，高爐煤比變化不大;

　　(3)高爐熱風(fēng)溫度徘徊在1100℃~1150℃之間，近幾年還有所波動(dòng)、反復(fù)，未能持續(xù)穩(wěn)定提升，與國(guó)際先進(jìn)水平差距較大(國(guó)際先進(jìn)水平為1250℃，相差約100℃);

　　(4)高爐煉鐵工序能耗變化平穩(wěn)，2020年降低到385.2 kgce/t，但仍有一定下降空間;

　　(5)勞動(dòng)生產(chǎn)率提高幅度較大，達(dá)到8500噸/(人·年)以上，體現(xiàn)了高爐大型化、高效化的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

　　眾所周知，高爐裝備大型化和技術(shù)現(xiàn)代化，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)高爐煉鐵產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和整體技術(shù)裝備的提升，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義，對(duì)于協(xié)調(diào)解決我國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)多層次、不均衡、不充分的發(fā)展問(wèn)題和矛盾，發(fā)揮了無(wú)可替代的重要作用。毫無(wú)疑義，5000m3級(jí)超大型高爐的自主設(shè)計(jì)建造和生產(chǎn)運(yùn)行，已成為我國(guó)鋼鐵工業(yè)邁向國(guó)際一流最具代表意義的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步。

　　1000m3級(jí)高爐煉鐵主要技術(shù)特點(diǎn)

　　值得關(guān)注的是，近年來(lái)我國(guó)一批1000m3~2000m3級(jí)高爐異軍突起，技術(shù)進(jìn)步成就突出。高爐利用系數(shù)有的高達(dá)3.5t/(m3·d)以上，甚至達(dá)到4.5t/(m3·d)以上。某民營(yíng)鋼廠的1080m3高爐日產(chǎn)量達(dá)到了4000 t/d，燃料比、焦比、煤比分別為526kg/t、361kg/t、150kg/t，風(fēng)量為3000 Nm3/min，富氧率達(dá)到4.86%，風(fēng)溫為1140℃，爐頂壓力達(dá)到215 kPa，煤氣利用率達(dá)到50%，綜合入爐礦品位達(dá)到57.75%。

　　該級(jí)別高爐生產(chǎn)效率和消耗指標(biāo)達(dá)到甚至超過(guò)了2000m3以上的大型高爐，無(wú)論是容積利用系數(shù)還是爐缸截面積利用系數(shù)，都要高于2000m3級(jí)大型高爐的平均先進(jìn)水平。筆者通過(guò)實(shí)地調(diào)研和研究分析，發(fā)現(xiàn)我國(guó)一大批1000m3~2000m3高爐具有如下的技術(shù)特征：

　　(1)注重精料技術(shù)。不再片面追求購(gòu)買(mǎi)低價(jià)鐵礦粉獲取暫時(shí)的經(jīng)濟(jì)收益，而是以高爐穩(wěn)定順行和高效低耗為核心，在全流程層次降低生鐵成本;高爐燃料比普遍為510kg/t~520kg/t，有的高爐燃料比甚至低于500kg/t，可與先進(jìn)的大型高爐相媲美;

　　(2)采用富氧鼓風(fēng)強(qiáng)化高爐冶煉，提高生產(chǎn)效率。有的高爐富氧率達(dá)到5%甚至更高，爐腹煤氣量降低，高爐煤氣還原勢(shì)增加，高爐透氣性改善，促進(jìn)高爐順行，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)產(chǎn)高效(理論上富氧率提高1%，增產(chǎn)達(dá)4.76%);

　　(3)具有足夠的鼓風(fēng)速度和鼓風(fēng)動(dòng)能，不少高爐的風(fēng)速達(dá)到260m/s以上，有助于活躍爐缸工作，提高中心氣流穿透性，從而改善爐缸透氣性和透液性;

　　(4)增加風(fēng)口數(shù)量。比同級(jí)別的傳統(tǒng)高爐增加約2個(gè)風(fēng)口，爐缸活躍性和工作均勻性增加，促使?fàn)t缸死焦柱始終保持動(dòng)態(tài)變化之中，更新周期縮短、更新速率加快，有助于爐缸活躍，爐缸透氣性和透液性改善，爐缸工作進(jìn)程加快;

　　(5)從高爐設(shè)計(jì)和爐型特征上分析，由于高爐徑向尺寸相對(duì)較小，圓周方向易于實(shí)現(xiàn)均勻化，直徑方向易于調(diào)控，上升煤氣和下降爐料之間的熱量、動(dòng)量和質(zhì)量傳輸耦合效應(yīng)較好。配合無(wú)料鐘爐頂爐料分布控制技術(shù)，爐料三維偏聚受到抑制，爐料透氣性改善，有利于加快冶金進(jìn)程，在獲得高效生產(chǎn)的同時(shí)，燃料消耗也能保持較低水平;

　　(6)提高爐頂壓力，高爐壓差降低，有利于降低煤氣表觀流速，延長(zhǎng)煤氣停留時(shí)間，促進(jìn)間接還原進(jìn)程，高爐透氣性得到改善，提高煤氣利用率。有不少這一級(jí)別的高爐頂壓達(dá)到200kPa以上，有的高爐頂壓達(dá)到或超過(guò)240kPa，甚至高于3000m3級(jí)以上的高爐。

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