| 单词 | 高炉炼铁工艺理论 |
| 释义 | 【高炉炼铁工艺理论】 拼译：theory of ironmaking 人类利用铁器已有几千年的历史，但直至14世纪，铁一直是靠作坊式的土法熔炼炉生产的。16世纪欧洲出现资本主义萌芽，开始出现用耐火材料砌筑的近代高炉。冶金技术的进步推动了冶金理论的发展。在这种背景下，1556年德国阿格里科拉撰写的《论金属物》奠定了冶金学的基础。 进入18世纪后，随着资本主义经济的发展，生铁需求猛增，木炭腾贵成为钢铁生产的瓶颈。1709年英国达比开发了用煤炼焦、以焦炭作为高炉燃料的新技术。在此基础上，1828年英国尼尔逊又开发了热风炼铁法，由此使炼铁焦比降低，生产效率成倍提高。生产的发展需要理论上的指导，所以在19世纪末炼铁从理论有了长足的发展。最早研究高炉物理和化学现象的是19世纪末的德国查理士·琴兹。他在对高炉进行了广泛研究的基础上，试图对高炉作业进行物料和热平衡的定量计算，为此他进行了实验室工作以确定物料的热容和生成热，并首次测定了铁矿石的还原性。此外，他把高炉分为几个区域并确定了每个区域发生的主要变化。与当今的认识相比，琴兹的理论还不够完善，但他是最早试图把炼铁技艺变为科学的人之一。对高炉冶炼理论贡献最大的早期学者当属罗斯安·贝尔。他于1872年出版的《炼铁的化学现象》被公认是高炉炼铁的第1部教科书。贝尔最先论述了高炉渣各组分的功能，他注意到炉渣熔化温度的重要性，并注意到炉渣组成在一定范围内可以获得良好的流动性和脱硫能力。他对炼铁的最大贡献在于他首次确定了Fe-O-C系统中的平衡，认识到对氧化铁还原而言，CO必须过剩，并证明了入炉碳有一部分在炉身被CO2所消耗。他认为只有消除这种消耗才能使高炉焦比降低，故将其称为“碳的溶解损失”。在炼铁理论方面，19世纪末另一位知名学者是法国格留涅尔。他通过比较许多高炉的操作，发展了贝尔提出的计算高炉热平衡的方法，指出高炉“完美作业”的标志是CO最大限度的转化为CO2而不消耗固体碳，这种看法虽有片面性但至今仍不失积极意义。19世纪末叶对高炉技术作出卓越贡献的另一位学者是俄国的巴甫洛夫。他在1894年就提高风温的节焦效果，定量地阐述了当时另一著名学者奥盖尔曼“炉内燃料热能利用愈完善，加热鼓风所能节省的燃料愈少”的观点，这种观点后来被称为巴甫洛夫原则，对高风温、富氧鼓风技术的发展有积极意义。此外，他针对贝尔及格留涅尔在高炉内应100%发展间接还原这种认识上的局限性，提出了适宜直接还原度的概念，并于1924年出版了《炼铁学》，这本巨著对前苏联及各国炼铁发展起到了推动作用。首次把热力学第二定律应用于高炉过程的是美国约翰逊。他认为高炉燃料比取决于两个方程式，即热力学第一和第二定律。应用这一原理可阐明风温对高炉作业的影响。这样，在理解高炉操作方面实现了一次重大突破。他首次提出“炉缸热”的概念，指出在此温度界限之上高炉需要的热量最少，这一概念的提出可使高炉工作者确信自己操作的合理性，甚至可以作出预言。最早注意到高炉内气体和固体流动现象的是美国矿业局领导下的一个研究机构。这一机构的福纳斯和约瑟夫等人通过大量高炉取样及冷模型实验，探求改善气－固相接触的方法，搞清了原料粒度是决定炉身原料和煤气分布的限制性因素。对铁矿石与焦炭的透气特性，不同粒度的阻损特性及粒度与还原性的关系等作出过精辟的论述，而这些正是以后炼铁界重视“整粒”的理论基础。高炉内气流穿越料层时的压降是高炉操作的重要操作参数。萨布里·厄根于1952年推导出的炉身压损公式揭示了各种因素对压力损失影响的内在规律，因此一直被高炉工作者广泛应用。当时厄根基于流体力学的研究结果，指出如采用适当粒度的原料和高压操作，可使高炉增产4倍，30年后的实践证明了厄根预言的正确性。20世纪50年代炼铁业的主要突破是高炉大量使用自熔性烧结矿。以前高炉多用天然铁矿石，后开发出将选矿得来的精矿粉与少量焦粉、石灰石粉混合，经点火和抽风使之烧结而得多孔的人造富矿的方法。开始时烧结矿的碱度不高，后逐渐发展到生产含有熔剂的自熔性烧结矿。这样，高炉不加熔剂即可满足造渣和脱硫要求。除了自熔性烧结矿，目前又开发出了诸如高碱度烧结矿配加酸性球田矿等更为合理的配矿方案。此外，50年代以后，各国风温水平逐步提高，目前一些国家已从40年代的900℃以下提高到1200～1300℃，高风温的应用除自身有明显的节焦效果，同时也确保了从风口向高炉内大量喷吹各种辅助燃料。60年代高炉生产的主要成就是综合送风技术的发展。综合送风指将各种燃料(煤粉、重油、天然气等)同热风一起从风口喷入高炉，此热风可以是普通空气，也可是添加(或去除)了水蒸气以及工业氧的空气。采用综合送风后维持风口前理论温度大致呈某一水平是很重要的。高风温有明显节焦效果，富氧鼓风有明显增产效果，但二者单独使用均可导致炉缸过热；喷吹燃料，由碳氢化合物分解等吸热则可有效吸收此过热，故高风温、富氧鼓风和喷吹燃料结合，可确保炼铁主要指标的明显改善。截至20世纪60年代，指导高炉操作的重要原理已被发现和阐明。此后技术的发展则主要体现在炉容大型化和操作自动化。由此作为高炉自动控制理论依据的研究愈来愈深入，Rist操作线图和“鞭模型”的问世是其集中体现。从60年代初开始，法国里斯特研究高炉过程控制，于1964～1966年陆续发表了他提出的用物料平衡和热平衡图解来分析高炉内部过程的文章，后经完善形成了高炉操作线图。Rist线图以新的思路，在高炉众多复杂的反应中抓住Fe-O-C体系这一本质变化，把基础的定比化学、化学反应平衡、热化学物料平衡和高炉生产主要指标用最简单的方式联系起来，用它可以分析操作特征和进一步改善操作的方向和限度，故Rist图问世后受到炼铁界的重视并得到广泛推广，对高炉技术发展有重大影响。60年代日本鞭岩成功地将化学反应工程学的研究方法应用于冶金，创立了冶金反应工程学。著名的“鞭模型”——高炉过程动力学数学模型是其奠基性成果。它第一次使被视为“黑箱”的高炉过程得以用数学方法进行定量地描述。继鞭岩之后，人们开始尝试用冶金反应工程学方法来研究和描述高炉过程，并和计算机应用密切结合起来。推动了自动控制技术的进步。70年代能源危机迫使日本不得不进一步探索降低燃料比的方向，这就要求更深入地了解高炉内的反应过程和机理。为此日本对多座高炉进行了解剖调查。调查结果对炉内状态有许多新发现，由此又推动了关于高炉冶炼的技术基础理论研究。这部分研究成果集中反映在1979年出版的《高炉内现象及其解析》一书中。进入80年代以后，由于二次世界大战后投产的焦炉已老朽化，加之焦煤逐年紧张，使日本和西欧均把精力用在富氧鼓风并大量喷煤上。我国是喷煤较早的国家，为进一步强化钢铁生产以满足社会需求，目前对这项技术也倾注很大精力。理论研究表明，进一步提高喷煤率的途径是强化风口前煤粉的燃烧。富氧鼓风有助于强化供氧故对提高喷煤率有利，因之逐步提高富氧率直至全氧喷煤的研究正在进行之中。在喷煤的同时从风口喷入含铁物料，既可回收铁份强化生产又因其分解吸热可抵消富氧率引起的炉缸过热，故是进一步提高鼓风富氧率进而大幅度强化生产的有力途径。这项技术的主要难点是喷入风口的大量铁矿粉，必须在极短时间内完成熔融、还原，否则滞留于炉料之中会使炉况恶化。目前看来，富氧送风大量喷煤(亦称“氧煤炼铁”)可能成为今后包括中国在内的许多国家的主攻课题。由于时间尚短，在这方面目前还没有系统的理论性著作问世。【参考文献】：1 鞭岩，森山昭．冶金反应工程学，19722 皮西J G，达文波特W G．高炉炼铁理论与实践，19793 日本钢铁基础共同研究会．高炉内现象及其解析，1979(东北大学王文忠教授撰；车传仁审) |
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