收藏词条 编辑词条 高炉冶炼工艺
创建时间：2008-08-02
冶炼过程
高炉中铁的还原
高炉中其他元素的还原
铁水中的碳
高炉炉渣及渣铁反应
炉料和煤气的运动
高炉中的能量利用
能量的来源和消耗
高炉操作线图
高炉炼铁车间的二次能源利用
高炉冶炼的强化及节焦措施
高炉强化
高炉喷吹燃料
高炉操作
开炉；停炉大修；高炉休风；封炉；炉况顺行
炉况失常和故障
炉前操作━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
冶炼过程
高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并使炉喉料面保持一定的高度。焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构。矿石料在下降过程中逐步被还原、熔化成铁和渣，聚集在炉缸中，定期从铁口、渣口放出。
鼓风机送出的冷空气在热风炉加热到 800～1350
以后，经风口连续而稳定地进入炉缸，热风使风口前的焦炭燃烧，产生2000
以上的炽热还原性煤气。上升的高温煤气流加热铁矿石和熔剂，使成为液态；并使铁矿石完成一系列物理化学变化，煤气流则逐渐冷却。下降料柱与上升煤气流之间进行剧烈的传热、传质和传动量的过程。
下降炉料中的毛细水分当受热到100～200
即蒸发，褐铁矿和某些脉石中的结晶水要到500～800
才分解蒸发。主要的熔剂石灰石和白云石，以及其他碳酸盐和硫酸盐，也在炉中受热分解。石灰石中[kg2]
CaCO
[kg2]
和白云石中MgCO
的分解温度分别为900～1000
和740～900
。铁矿石在高炉中于 400
或稍低温度下开始还原。部分氧化铁是在下部高温区先熔于炉渣，然后再从渣中还原出铁。
焦炭在高炉中不熔化,只是到风口前才燃烧气化,少部分焦炭在还原氧化物时气化成CO。而矿石在部分还原并升温到1000～1100
时就开始软化；到1350～1400
时完全熔化；超过1400
就滴落。焦炭和矿石在下降过程中，一直保持交替分层的结构。由于高炉中的逆流热交换,形成了温度分布不同的几个区域。在图1[高炉内冶炼过程示意]
中，①区是矿石与焦炭分层的干区，称块状带，没有液体；②区为由软熔层和焦炭夹层组成的软熔带，矿石开始软化到完全熔化；③区是液态渣、铁的滴落带，带内只有焦炭仍是固体；④风口前有一个袋形的焦炭回旋区，在这里，焦炭强烈地回旋和燃烧，是炉内热量和气体还原剂的主要产生地。
液态渣铁积聚于炉缸底部,由于比重不同,渣液浮于铁液之上,定时从炉缸放出
铁水出炉温度一般为1400～1550
，渣温比铁温一般高30～70
。
煤气流沿高炉断面合理均匀地分布上升，能改善煤气与炉料之间的传热和传质过程，顺利地完成加热、还原铁矿石和熔化渣、铁等过程，达到高产、低耗、优质的要求。
高炉中铁的还原
高炉中主要被还原的是铁的氧化物:Fe
O
(赤铁矿),Fe
O
（磁铁矿）和Fe
O（浮氏体，
从0.04到0.125）等。每得到1000公斤金属铁，通过还原被除去的氧量为：赤铁矿429公斤,磁铁矿382公斤,浮氏体（按FeO计算）286公斤。
主要还原剂
焦炭中的碳和鼓风中的氧燃烧生成的CO气体，以及鼓风和燃料在炉内反应生成的H
是高炉中的主要还原剂。约从400
开始,氧化铁逐步从高价铁还原成低价铁，一直到金属铁。
间接还原
氧化铁由[kg2]
CO[kg2]
还原生成[kg2]
CO
[kg2]
或由[kg2]
H
[kg2]
还原生成H
O的过程。还原顺序为:[kg2]
Fe
O
─→Fe
O
─→FeO─→Fe（低于570
时，FeO不稳定,还原顺序为：Fe
O
─→Fe
O
─→Fe）。从图2[Fe-O-C体系气相平衡组成]
可看到各级氧化铁与气相的平衡关系。
氧化铁还原的主要还原反应为：
3Fe
O
+CO─→2Fe
O
+CO
+8870千卡
Fe
O
+CO─→3FeO+CO
-4990千卡
FeO+CO─→Fe+CO
+3250千卡以及 3Fe
O
+H
─→2Fe
O
+H
O -1000千卡
Fe
O
+H
─→3FeO+H
O -14860千卡
FeO+H
─→Fe+H
O -6620千卡
H
和CO同时作为还原剂存在时，受水煤气反应的制约：
H
+CO
─→H
O+CO -9870千卡注：式内反应热从工程习惯按公斤分子计。
直接还原
在高温区（约 850
开始）因有大量焦炭存在,生成的CO
和H
O立即与焦炭反应,转化成CO和H
：
CO
+C─→2CO -39600千卡
H
O+C─→H
+CO -29730千卡所以从全过程看，可认为是由碳素直接还原氧化铁生成CO和铁：
FeO+C─→Fe+CO -36350千卡这种高温还原叫做直接还原。因为直接还原比间接还原耗热大得多，所以在高炉内应尽可能提高中温区的间接还原率，以降低焦比和燃料比。
影响还原速度的因素
气体还原铁矿石的速度受到许多因素的影响：矿石的性质（例如粒度，气孔度，气孔表面积）,是难还原的磁铁矿还是易还原的褐铁矿,煤气的成分和流速以及还原温度等。气－固还原过程包括以下基本环节：①还原气体通过矿粒表面的气膜向矿石表面扩散；②还原气体通过已还原金属层向矿石内部扩散；③金属铁－浮氏体两相界面上的化学反应；④还原气体产物通过已还原金属层向外扩散；⑤还原气体通过附面气膜向外扩散。
还原模式有两种：当矿石结构致密，还原金属层是自外表逐步向矿粒中心扩展，中心未反应的核心部分逐步缩小，可称为“未反应核”还原模式；如果矿石多孔疏松，内扩散十分容易，且粒径不大，则还原过程将同时在整个矿石内部环绕每一个氧化铁微晶进行氧化铁的气固还原反应，这是另一种模式。
整个反应速度决定于化学反应速度和扩散速度。如果化学反应慢，称为反应处于“化学控制”；如果扩散慢，则称反应处于“扩散控制”。温度提高，化学反应速度加快，气体的扩散速度也会增加，但增加的幅度较小。一般说，温度低，矿石粒度小或气孔度大，气流速度高，还原趋向于化学控制范围；相反，温度高，矿石粒度大或者气孔度小，则趋向于扩散控制范围。如果能出现扩散与化学反应的速度彼此较接近的情况，称还原处于“混合控制”。还有一种情况，矿石的软熔温度低，当温度升高到使矿石软熔后，矿石的气孔度减小，还原速度反而可能减慢。因为H
的扩散速度比CO高，H
的还原速度也高于CO
当煤气中存在CO
或H
O分子时,CO和H
的有效浓度降低，将减慢CO和H
的还原速度。从铁矿石的还原条件来看,应在矿石不软化的条件下,尽量保持高一些的还原温度，以加快还原速度。对矿石则要求气孔度大，使还原过程不受扩散的限制；致密的铁矿石应适当减小粒度，这样不仅能使内扩散距离缩短，而且会使气－固相接触总面积增大，有利于还原过程（见冶金过程动力学）。
高炉中其他元素的还原
进入高炉的矿石的脉石和焦炭灰分还含有其他一些氧化物(SiO
Al
O
CaO
MgO等)
[kg2]
硫化物(FeS
)和磷酸盐[Ca
(PO
)
]。一些共生铁矿还含有锰、钛、铬、钒、铜、钴、镍、铌、砷、钾、钠等的含氧化合物和少量硫化物。各种氧化物因化学稳定性不同，有的在高炉内全部还原，有的部分还原，有的完全不能还原，不还原的氧化物就进入炉渣。
硅的还原
硅比铁难还原，要到高温区才能被碳还原出来，熔于铁水：
(SiO
)+2[C]→[Si]+2CO -151696千卡耗热比铁的直接还原大得多。式中圆括弧表示炉渣中的氧化物；方括弧表示铁水中的有关元素。
大部分生铁中的硅是焦炭灰分或渣中的SiO
，通过风口附近高温区（1700
以上）时，先被还原生成气态SiO，SiO在上升过程中再被还原成硅并熔于铁水。冶炼高硅生铁时，有一部分 SiO随煤气逸出炉外。含硅愈高，挥发愈多；SiO冷却后又被氧化成极细的SiO
粉末,除增加能耗外，还会恶化炉料透气性和堵塞煤气管道。为了炼得含硅较高的生铁或合金,宜配用碱度较低的炉渣,以利于酸性SiO
的还原。由于反应热耗大，必须维持较高的炉温，生铁含硅愈多，燃料消耗（焦比）和成本也愈大。
锰的还原
锰矿中的化合物MnO
、Mn
O
、Mn
O
、MnCO
等都很容易被[kg2]
CO[kg2]
还原成MnO，但MnO只能从炉渣中被碳直接还原并熔于铁水：
(MnO)+[C]→[Mn]+CO -68640千卡其单位耗热低于硅,但高于铁的直接还原。MnO是弱碱性，冶炼含锰高的铁，宜采用碱性较高的炉渣，以提高渣中MnO活度，加快还原。由于需维持较高的炉温,反应热耗又多，生产高锰生铁的燃料消耗和成本也比较高。
其他元素的还原
以3CaO
P
O
或[kg2]
3FeO
P
O
[kg2]
形态进入高炉的磷，以及以氧化物或硫化物形态存在的铜、镍、钴、砷、铅等全部被还原。钒、铌、铬等的氧化物一般可被还原75～80％。二氧化钛在高炉内只有少量被还原。
钾、钠、锌等金属的沸点低，其化合物在高炉下部高温区被还原成金属后立即挥发，一部分随煤气逸出炉外，一部分又被氧化后沉积在上部炉料表面，随炉料再下降到高温区。再还原，再挥发，再沉积,循环积累,造成以下严重危害：破坏矿石和焦炭的强度和炉料的透气性；沉积在炉衬中破坏耐火材料，引起结瘤。因此，对高炉原料中这些元素的含量要有一定的限制,必要时,可以定期降低炉渣碱度,使K
O和Na
O更多地进入炉渣，排出炉外,减轻危害。包头铁矿石含K
O、Na
O和CaF
较多，影响炉况顺行，现已找到解决途径。
钒、铜、镍、钴、铌等是宝贵的合金元素，它们在铁矿石中如达到一定含量，应考虑回收利用。中国攀枝花的钒钛磁铁矿和包头的含铌铁矿石，在炼铁过程中得到含钒和含铌的生铁,在进一步处理和回收钒、铌上,取得良好的成果。
铁水中的碳
因为在高炉内还会出现还原和渗碳到Fe
C的反应：
3Fe+2CO→Fe
C+CO
FeO(MnO,SiO
)+C→Fe(Mn,Si)+CO
3Fe+C→Fe
C所以高炉生铁含碳高，其含量主要决定于铁水的成分。凡能生成碳化物并溶于铁水的元素如锰、钒、铬、铌等能使铁水含碳增加；凡能促使铁水中碳化物分解的元素如硅、磷、硫等会阻碍铁水渗碳
普通生铁含碳4％左右。铁水溶解某些碳化物达到饱和后，剩余的碳化物便留在炉渣中，例如炼高硅生铁时的SiC,在炉料含TiO
较多时形成的TiC等
碳化物熔化温度一般都很高(SiC＞2700
，TiC3290
)，以固相混杂在炉渣中，使炉渣流动性变坏，造成冶炼上的困难。
高炉炉渣及渣铁反应
一般高炉炉渣主要由SiO
、Al
O
、CaO、MgO组成,另含少量 FeO、MnO、CaS。冶炼复合矿时,还可能含有CaF
[kg2]
TiO
、BaO、R
O
(R代表稀土元素)等。用钒钛磁铁矿炼铁时，炉渣流动性差,冶炼困难，中国在实践中发展一项新工艺可在含TiO
为25～30％的炉渣下进行冶炼。
高炉冶炼对炉渣的要求
①一般在炉缸的温度1350～1550
下，炉渣能很好地熔化，并具有良好的流动性和具有渣－铁、渣－气间的界面性能，能很好地与铁水、气体分开，并能顺利地从炉内放出。②炉渣性能既要有利于去除生铁中的有害杂质（如硫等），也要能根据需要控制某些反应的程度（SiO
的还原）和促使有益元素如锰、钒铌等更好地还原入生铁。③高炉中从开始软化到生成自由流动的炉渣的区间(软熔带)要小，减小气流通过的阻力，以有利于高炉炉料的顺行和强化冶炼。④炉渣性能稳定，不因炉温和炉渣成分的小量波动而引起炉渣物理性能的剧烈变化。⑤渣量要小，以减少熔剂和燃料的消耗，改善料柱下部的透气性，先进高炉每吨生铁的渣量已降到300公斤以下。⑥要有利于保护炉衬。
炉渣碱度
是表征和决定炉渣物理化学性能的最重要的特性指数
碱度用[187-01]
等碱性氧化物与酸性氧化物的重量百分比的比值来表示。为简便起见通常均用[187-02]
,当Al
O
和MgO的含量高、波动大时，采用后两种表示方法。
渣中(CaO+MgO)＜(SiO
+Al
O
)的渣叫酸性渣
这种渣粘度大,凝固慢,通称长渣
(CaO+MgO)＞(SiO
+Al
O
)的渣叫碱性渣。高碱渣凝固温度高，冷凝快，熔融时流动性好；但温度偏低时，析出固相，就变得粘稠。这种渣也叫短渣
[kg2]
(CaO+MgO):(SiO
+Al
O
)≈1.0的炉渣,凝固温度较低，流动性也较好。在高炉中，为了保证炉况顺行和某些反应的顺利进行，炉渣在炉缸温度范围内的粘度最好不大于5泊，最高不宜超过25泊。同时,粘度也不宜过低，过低时容易侵蚀炉衬，缩短高炉寿命。
渣铁反应
在高炉下部，渣铁间进行一系列反应。部分亲氧力较铁强的金属如锰、钒、铌、硅等的氧化物和在上部来不及还原的[kg2]
FeO[kg2]
将从炉渣中还原出来。这些反应决定了铁水的成分和有关元素的回收率。
各种氧化物从渣中还原的反应式为：
(Me
O
)+
[C]─→
[Me]+
Co
由于铁水中的碳饱和，炉缸中CO分压基本固定，因而上述各元素的还原情况主要决定于铁水中有关元素和渣中有关氧化物的活度以及炉缸温度。一般规律是：炉缸温度愈高，各元素还原入铁水的量愈多；炉渣碱度愈大，能形成碱性氧化物的金属如锰、钒、铌等还原入铁水的量就愈多，而形成酸性氧化物的元素（如硅）的还原就愈困难。
脱硫
是渣铁间最重要的反应，将决定生铁的质量。CaO的脱硫反应式为：
[FeS]+(CaO)+[C]─→
(CaS)+[Fe]+CO -35620千卡如上所述，由于铁液中碳饱和，炉缸中CO分压基本固定，所以脱硫反应的程度主要决定于渣中CaO、CaS的活度和铁液中硫的活度以及反应的温度和动力学条件。从热力学角度看，CaO比MgO、MnO有更高的脱硫能力。渣中CaO的活度在碱度（CaO/SiO
比值）高过1.0左右后,提高很快，因而炉渣脱硫能力显著提高。由于MgO、MnO本身也能在一定范围中与硫起反应,又能改善炉渣的流动性,所以它们的存在对脱硫有利。高炉炉渣的碱度首先根据脱硫需要确定，一般在0.9～1.3。过高的碱度会使炉渣的熔化温度过高，炉渣流动性变坏，反而不利于脱硫。
当渣铁间脱硫反应达到平衡时,硫分配系数
=(S)/[S]，决定于反应平衡常数的大小，式中(S)为炉渣中硫的含量,[S]为铁水中硫的含量。在高炉中由于受出铁出渣时间和反应动力学条件的限制，
达不到平衡值。一般高炉渣平衡时的
可达200以上,而实际生产中的仅为30～80。因此，提高炉缸温度、降低炉渣粘度等改善脱硫的动力学条件的措施，都有利于炉内脱硫。
优质钢的含硫量一般为 0.01％ 左右，特殊的要求＜0.003％。高炉铁水的含硫量常在0.02～0.05％,这不能满足炼钢要求。如果进一步提高高炉脱硫能力，又不经济。因此现在多采用铁水炉外脱硫。
炉料和煤气的运动
高炉内炉料不断均匀下降和煤气流稳定上升并尽可能与铁矿石多接触是正常冶炼的基本前题。
炉料能够下降是因为：①风口前的焦炭不断燃烧气化,经渣口、铁口定期放出渣和铁,使炉缸中有了自由空间。②促使料柱下降的重力能克服炉墙的摩擦阻力、煤气流动的阻力和浮力以及炉缸炉腹中心以焦炭为骨架的相对运动较慢的死料柱的阻力，其中最主要的是煤气流的阻力。爱根 (Ergun)公式能较全面、近似地反映出多种因素对煤气阻力的影响。煤气流的压力梯度表示为：
[188-01]
式中
[kg2]
为压力降(公斤力/米
),
为料层高度(米)，
为炉料空隙度（无因次）,[kg2]
为炉料直径(米)，
为形状系数,无因次(
＜1)，
为重力加速度(米/秒
)，
为气体粘度系数 (公斤力·秒／米
)，
为煤气重度（公斤力／米
），[188-02]
为空炉时煤气流速（米／秒）。
由上式看出：
① 炉料空隙度([kg2]
[kg2]
)影响透气性最大。筛净炉料粉末,炉料粒度均匀,对高炉顺行和强化冶炼至为重要。②炉料粒度愈小，虽对还原速度有利，但增加煤气流的阻力。③压力梯度的增加与气流速度(
)平方相关。高炉采用高压操作可以减小
，这是强化高炉冶炼和促进顺行的有效手段。
为了充分利用煤气流的热焓和化学势以获得最佳生产指标，还要求煤气流在高炉横断面合理分布，以求与矿石充分接触。在理论上，如果断面上各点炉料粒度和空隙度大致相等，将得到最佳的煤气流分布。但一些属于结构和设备的原因，造成断面上煤气分布不均。例如炉墙表面平滑，透气性比他处好。又如传统的双钟布料方法，使炉喉处料面堆成一个带尖峰的圆圈，一批矿石料沿半径分布厚薄不匀，并且有粒度偏析，必然导致煤气分布不匀。为此，通过改变装料制度（批重大小、装料顺序、料线高低等）来调节煤气分布。新型无钟炉顶的旋转溜槽和可调炉喉等，为达到最佳的煤气分布创造了有利的条件。
在煤气流与炉料柱热交换的过程中，煤气流是载热体。同一水平面上煤气通过多的地区必然温度高，矿石软熔早。如炉顶装料时边缘透气差的矿石少于其他地区，或者风口风速过低，煤气流不易达到炉缸中心，则沿高炉炉墙附近通过的煤气较多，靠炉墙的矿石将比炉中心矿石提前软熔。结果软熔带将不是如图1 [高炉内冶炼过程示意]
中的倒V字形,而是正V字形。在这种情况下,不仅炉腹砖衬和冷却器容易烧坏，而且炉缸中心容易堆积炉料,导致不顺行和产生出高硫生铁。如形成图1[高炉内冶炼过程示意]
中的倒 V形软熔带，则中心锥型焦炭滴落带透气性好，高温煤气通过较多，滴下的渣和铁得到充分还原和加热，使炉缸内渣、铁反应充分进行，温度均匀，热量充足，获得良好的冶炼效果。煤气流是经过软熔带的焦炭夹层进入块状带的，所以软熔带起着煤气流分布器的作用。中心顶点过高的倒 V形软熔带虽然有利于高炉强化，但会减少间接还原所依赖的块状带空间。通过调整炉喉矿石分布和风口送风制度，可适当控制倒V形软熔带的高度，以降低炼铁能耗,充分进行间接还原。
高炉中的能量利用
能量的来源和消耗
节约能耗（降低焦比）和提高高炉利用系数（增加产量）是高炉冶炼中两项最重要的措施。
现代高炉每炼一吨炼钢生铁的总能耗约为4.2～4.8×10
千卡（未扣除高炉剩余煤气可以回收的热值）
能量主要由加入高炉的燃料（焦炭和其他燃料）和鼓风带入的物理热来提供。高炉能量的来源与消耗如表：[高炉能量来源和消耗]
为了查明高炉中热量的收支和利用情况，找出进一步降低燃料消耗的途径，常根据能量守恒定律，在物料平衡计算的基础上，进行高炉热平衡计算，分别计算出冶炼单位生铁时收支平衡的各项热能。常见的热平衡方法有两种：①全炉热平衡。分析和计算高炉生产全过程中各种热量的收支情况（见表[高炉能量来源和消耗]
）。此法使用较早，而且便于和一般外部能耗概念相比较。②区域热平衡。它是以高炉中某一部分作考查对象，计算和分析这一区域中热量的收支情况。高炉的上部和下部反应的情况不同，上部温度较低，主要进行炉料的预热和预还原，热量消耗较少，一般都有大量的热能和化学能被煤气带走，造成损失。高炉下部进行一系列直接还原反应和渣铁的熔化，需要消耗大量的热，而且必须确保必要的炉温，高炉才能正常生产。从高炉冶炼过程看,以在高炉下部温度高于900
的区域进行热平衡计算为宜。
高炉操作线图
是研究高炉冶炼过程，包括物料平衡和热平衡的一个较好的方法（图3 [高炉操作线图]
）。
高炉操作线图是1967年法国里斯特(A.Rist)提出的。决定高炉操作的主要反应全部涉及氧交换，如矿石还原、碳的氧化等。里斯特根据氧的来源──铁的氧化物、脉石中其他氧化物和鼓风，以及根据氧的去处──氧可与碳生成CO或转化为CO
,以O/Fe原子比为纵坐标,O/C原子比为横坐标，得出一条表示Fe-O-C体系中氧交换的、而且斜率表示C/Fe比（正比于燃料比，实际生产中用焦比来计算）的一条直线，通称操作线图。图[高炉操作线图]
上反映矿石氧化度、生铁成分、鼓风量、高炉内铁还原度、炉顶煤气成分等变化与燃料比的关系。它用于分析高炉内能量利用情况，探求高炉冶炼最佳条件；对进一步提高高炉冶炼效果和降低能耗，具有十分重要的理论和实际意义。
操作线图以 1摩尔铁为物料平衡基础。图[高炉操作线图]
中横坐标是O/C原子比,纵坐标是O/Fe原子比。左半部O/C比小于1,表示高炉下部C氧化成CO的直接还原区的变化；右半部O/C比大于1但小于2，代表CO变为CO
的间接还原区的变化。纵坐标 1.5代表赤铁矿，1.33代表磁铁矿,1.0代表浮氏体，1.37为示例矿石的O/Fe；
代表间接还原失去的氧,
代表直接还原失去的氧;
代表硅、锰、磷还原失去的氧,
代表鼓风带入的氧
+
+
+
为冶炼出1摩尔铁燃料中碳素得到的总氧量,
+
+
为总的C原子消耗量(其大小等于ABE线的斜率),加上生铁中熔解的碳量即可求出焦比。固体碳一部分氧化成CO，一部分氧化成CO
。炉顶煤气成分由A点位置确定。原料中如有石灰石等分解放出CO
,操作线应适当向上延伸。ABE线叫高炉操作线。
操作线把冶炼[kg2]
1[kg2]
摩尔生铁所需风量（与
长度成正比）、生铁成分(由
大小确定)、FeO的直接还原率（B点纵坐标）、矿石中铁的氧化程度([kg2]
A[kg2]
点纵坐标)、炉顶煤气成分〔A[kg2]
点所示[kg2]
CO
/(CO+CO
)比值〕和焦比（AE线的斜率）联系一起，并定量地显示出来。
图[高炉操作线图]
中W点相当于FeO还原成Fe的平衡CO
/CO比值
FeO还原生成的煤气中CO
不能高于此值,所以 A
WE
代表在该种原料和风温条件下的最低焦比状态，由此线的斜率可以算出理论最低焦比。
根据操作线图的关系，节约炼铁能耗的主要途径是：①改善煤气能量在高炉内的利用率，即增加铁的间接还原,提高CO
/(CO+CO
)比值。炉身煤气利用效率用TS/TW表示，极限为1.0。其他条件相同，煤气利用改善后，A点右移,B点下降，
变小。②减少渣量可以减少炉渣带走的热量，采用大容积高炉以减少每吨生铁所负担的高炉的热损失。图[高炉操作线图]
中
可以小一些,E点上移。③改善含铁原料的还原性，使直接还原率减少,B点下移。④降低炼钢生铁的含硅量，减小
；同时减少热耗，可以减小
。⑤高炉不加石灰石，减少热耗以减小
。
高炉炼铁车间的二次能源利用
首先是高炉煤气，每吨生铁的煤气热值达(1.5～1.8)×10
千卡,可用作低热值燃料。高压炉顶的煤气余压，可用于煤气透平发电。热风炉烟道废气和液态炉渣的余热也都可以利用。
高炉冶炼的强化及节焦措施
高炉强化
即提高高炉利用系数，增加产量，尽力降低燃料比。具体措施有：
使用精料
使用精料是高炉高产、优质、低耗的基础。提高入炉的矿石品位，将有效地减少熔剂用量和降低渣量，既能降低高炉冶炼能耗，又可改善料柱透气性。入炉矿石品位每提高1％，约可降低焦比1.5～2.0％,提高产量2.5～3.0％。
使用熟料
使用熔剂性烧结矿或球团矿，可大幅度提高矿石还原性能和软化温度，减少低温还原粉化率和熔剂用量，从而提高高炉中CO的利用率，节约能耗。此外还有利于改善造渣过程，促进高炉热制度的稳定和炉况顺行。根据中国一些炼铁厂的经验，每提高 1％熟料比，约可节约燃料2～3公斤／吨生铁。
改善烧结矿强度及高温冶金性能
筛除粒度小于 5毫米的矿粉，控制入炉矿石粒度和按粒度分级入炉，可以有力地改善炉料透气性和煤气分布均匀性，有利于强化冶炼。稳定原料成分可稳定高炉冶炼，改善生铁质量。改善烧结矿（球团矿）的还原性，提高软化温度，改进熔滴性能，对节约能耗、提高产量都很有效。
提高焦炭质量
降低焦炭灰分，每降低1％,可降低焦比1.5～2.0％，提高产量2.5～3.0％。降低焦炭含硫量有利于降低炉渣碱度，减少熔剂用量，降低焦比，提高生铁质量。提高焦炭强度和减少入炉焦粉量，可改善料柱透气性，对大型高炉更为重要。
改进高炉送风
适当较大的风量，即冶炼强度较高，可以增产。特别当冶炼强度过低时，增大煤气流速，可改善气流在炉料中的分布和扩散过程，从而改进气、固相之间的还原和传热，减少高炉热损失，焦比也随之降低；但是当煤气流速超过一定限度，不能与料柱透气性相适应时，将破坏煤气的正常分布和高炉顺行。目前高炉冶炼强度一般在0.9～1.1吨／（米
·日)之间，必须根据实际情况选用最合宜的冶炼强度(见高炉炼铁)，达到既增产又节焦。提高风温可增加鼓风带入高炉内高温区的热量，降低燃料消耗，减少煤气带走的热量。高炉喷吹燃料时，为了提供补偿热，更需提高风温。
富氧鼓风
即提高鼓风中含氧量，能提高冶炼强度和炉缸燃烧温度，增加煤气中CO的浓度，减少每吨铁的煤气量并降低炉顶煤气温度，有利于提高产量和降低焦比。特别在高炉大量喷吹燃料时，为使喷吹燃料更好燃烧，提高置换比(每单位喷入燃料可置换焦炭量的比值)，更需用富氧鼓风。其缺点是减少单位生铁的鼓风量的同时，也减少了鼓风带入的热量，所以富氧超过一定程度时，会引起焦比升高。此外，目前制氧成本较高，必须全面考虑各项因素来确定鼓风中适宜的含氧量。
控制风中水分
采用蒸汽鼓风，以适当增加并稳定风中水分，有利于高炉顺行，但不利于能量利用。高炉喷吹燃料后采用脱湿送风，除去风中大部分水分，并保持稳定。这样有利于稳定炉况和利用炉缸热能，可以扩大燃料喷吹量，更有效地降低焦比。
高压操作
借助安装在煤气管道中的高压阀组，提高炉内煤气的压力，缩小煤气体积，降低煤气流速，减少煤气对料柱的阻力,能促进高炉顺行,有利于进一步提高冶炼强度，同时还能增加煤气在高炉中的停留时间和减少炉尘损失。70年代大多采用0.7～3大气压操作，通常炉顶压力每升高0.1公斤力／厘米
，约可增产2～3％，降低焦比0.5％左右。
高炉喷吹燃料
从风口直接把辅助燃料吹入炉缸，代替部分风口前燃烧的焦炭,以降低焦比,强化冶炼。高炉可以喷吹的燃料分液体（重油、轻油、原油、焦油及沥青等）、固体(无烟煤、烟煤、焦粉等)和气体（天然气、焦炉煤气以及炉身喷吹用还原性气体等）三类。中国主要喷吹煤粉。高炉喷吹燃料产生以下后果：
① 焦比大幅度降低 中国首都钢铁公司 1号高炉1966年通过富氧和提高风温，油、煤喷吹量达入炉燃料量的45％，焦比月平均366公斤／吨铁,目前中国多数高炉每吨铁喷煤 60～120公斤。焦比降低的主要原因是燃料中的碳代替了风口前燃烧焦炭的碳量；燃料中含有H
（如重油含H
达10～12％），促进高炉内的还原。
② 要求热补偿 喷入高炉的燃料在风口前是冷的。在燃烧前汽化分解时要消耗部分热量，使炉缸温度降低（冷化作用），必须提高风温来补偿。此外，喷吹燃料可促进富氧鼓风。苏联喷吹天然气的高炉鼓风含氧可富化到30％以上。
③ 促进高炉顺行可用来调节炉况 高炉喷吹燃料后炉缸中心气流增强，温度提高，风口平面上沿半径温度梯度减小，炉缸工作更均匀。但如喷吹量超过一定限度，中心过吹，则会破坏顺行。遇此情况应采取上部调节，加重中心负荷；下部调节，扩大风口直径，缩短风口长度；以及富氧鼓风等措施。利用改变喷吹量可调节炉况：当炉况向凉时，加大喷吹量；炉况向热时，减少喷吹量。但炉况已凉或已热后则不宜采用。高炉刚开始喷吹燃料，由于“冷化作用”,炉温不高；几小时后,预还原的炉料进入炉缸，炉温又逐渐升高。这段凉热变化期称为“热滞后”时间，可作调节炉况的依据。
④ 较高压差操作 由于喷吹燃料产生的煤气量比被替代的焦炭产生的多，使煤气的浮力增加，加之喷吹燃料后焦比降低，料批中焦炭比例减少，都使料柱阻力增大，压差升高（在高炉顺行前提下，压差略高，仍可维持正常生产）。为了扩大喷吹量，防止压差过高，可提高矿石品位，改善炉料粒度组成，提高炉顶压力，采用富氧鼓风等措施。
⑤ 改善生铁质量 如喷入燃料含硫量低于焦炭，则生铁质量一般有所改善。另外，喷吹燃料后炉缸工作均匀，炉渣脱硫能力升高，也可改善生铁质量。喷吹煤粉时应注意选用低硫煤。中国高炉大部喷吹煤粉，有成熟的经验。喷吹量大，可利用多煤种。工艺上有高压和常压两种流程，前者是在喷吹罐内充以高压气体。喷吹煤粉时必须考虑防爆安全措施。
高 炉 操 作
开炉
新建成或停炉新修好的高炉，从点火转入正常生产的过程叫开炉。开炉前炉衬要烘干，一切机电设备要认真检查或试车。配料采用比正常生产高一些的焦比；送风后，按炉温情况逐步过渡到正常焦比。开炉时要注意安全操作，尤其注意不要因煤气操作失误（或漏气），引起中毒或爆炸。
停炉大修
高炉生产若干年后，炉衬和炉型严重损坏，继续生产不经济或不安全，需要停炉进行包括更换炉缸炉底砖衬的大修（只包括更换炉身砖衬的修理叫中修，一般常规检修叫小修）。通常把开炉到停炉的时间称为高炉寿命，长的可达十年以上。
高炉休风
高炉由于更换风口、渣口或进行其他小型修理而暂时停风叫休风。休风几分钟到几小时的叫短期休风，时间更长的休风叫长期休风。为了安全，长期休风时须把炉喉料面煤气点火，并处理煤气系统。
封炉 由于生产任务变化,需停止生产一个时期,炉内换成矿石较少以焦炭为主的炉料，进行停风停产，叫做封炉。停风后，卸下所有风口，渣口用耐火泥和砖密封，尽量防止冷却过程中高炉吸入空气。
炉况顺行
高炉操作的首要任务是保持“炉况顺行”。主要是操作时，控制装料、送风、造渣、热量四大制度的稳定，使炉料下降均匀，炉温正常，造渣情况好，获得较高的生铁合格率。
炉况失常和故障
难行、悬料和崩料
炉料下降不顺畅，叫“难行”。难行发展到完全不动，叫“悬料”。主要是由于原料强度太差、粉末太多，或基本操作制度选择不当所致。高炉内结瘤时容易悬料。炉料突然崩落，叫“崩料”。高炉出现难行和悬料，一般可减少风量或风温；有条件时，风中加入些水蒸气以减少上升煤气流的浮力，促使炉料恢复下降。如均不见效，应把入炉风量减到允许的最低值，进行“坐料”处理。
炉凉、炉缸冻结和炉热
由于配料计算或装料称量错误，使炉内热收入低于支出，炉况失常，或者冷却设备漏水,增加额外热消耗，使渣铁温度下降,叫“炉凉”。炉凉发展到严重程度，渣、铁凝结在炉缸内，叫“炉缸冻结”，属于高炉操作严重事故。而由于配料错误等原因，超过炉内热量需要，叫“炉热”。以上都要采取措施及时调整和处理。
结瘤
由于炉料强度不好，粉末太多，操作中煤气流不稳定，炉温剧烈波动，致使熔融物重新凝结在炉墙上，形成炉瘤；此外炉料中含较多的碱金属钾、钠、锌等容易挥发沉积的元素时，也能粘结成炉瘤。结瘤是高炉生产的大敌，轻则导致高炉不顺行，重则使生产完全瘫痪。高炉下部结瘤，可用发展边缘气流同时减轻负荷，或加萤石作洗炉剂进行洗炉；上部结瘤严重时，只能休风，降低料面，进行炸除。
炉前操作
出铁
高炉出铁是一项比较繁重的工作。一般高炉有一个铁口，每昼夜出铁 6～12次。大于2000米
的大高炉有 2～5个铁口，轮流开口出铁。每次出铁30～60分钟。
出铁前的准备工作：①准备铁、渣罐（炉前冲水渣可不用渣罐）；②烘干铁口；③清理并烘干铁沟和撇渣器；④备好堵口泥和泥炮等。出铁时，用电钻将铁口打通，使铁水沿铁沟流入铁罐，送去炼钢或铸块，出铁完了，用泥炮将堵口泥打进铁口，予以封闭。
出渣
出铁后1～1.5小时，可开始放渣。一般高炉都有两个出渣口，位置比出铁口略高。出渣到渣口有火焰喷出时，将渣口堵住。如二次放渣后期还没有火焰喷出,为减少炉内渣量,一直放到下次出铁时再堵渣口。近代巨型高炉(＞4000米
),由于渣量少，不设渣口；炉渣随铁水从铁口放出。
在一个炼铁厂里，几座高炉出渣、出铁的时间要错开，以减少铁、渣罐的数目。还要提高渣罐及机车的运行率，以保证炼钢厂、铸铁机能均衡地工作。
高炉中铁的还原
高炉中其他元素的还原
铁水中的碳
高炉炉渣及渣铁反应
炉料和煤气的运动
高炉中的能量利用
能量的来源和消耗
高炉操作线图
高炉炼铁车间的二次能源利用
高炉冶炼的强化及节焦措施
高炉强化
高炉喷吹燃料
高炉操作
开炉；停炉大修；高炉休风；封炉；炉况顺行
炉况失常和故障
炉前操作━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
冶炼过程
高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并使炉喉料面保持一定的高度。焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构。矿石料在下降过程中逐步被还原、熔化成铁和渣，聚集在炉缸中，定期从铁口、渣口放出。
鼓风机送出的冷空气在热风炉加热到 800～1350
以后，经风口连续而稳定地进入炉缸，热风使风口前的焦炭燃烧，产生2000以上的炽热还原性煤气。上升的高温煤气流加热铁矿石和熔剂，使成为液态；并使铁矿石完成一系列物理化学变化，煤气流则逐渐冷却。下降料柱与上升煤气流之间进行剧烈的传热、传质和传动量的过程。 下降炉料中的毛细水分当受热到100～200
即蒸发，褐铁矿和某些脉石中的结晶水要到500～800才分解蒸发。主要的熔剂石灰石和白云石，以及其他碳酸盐和硫酸盐，也在炉中受热分解。石灰石中[kg2]CaCO[kg2]和白云石中MgCO的分解温度分别为900～1000和740～900。铁矿石在高炉中于 400或稍低温度下开始还原。部分氧化铁是在下部高温区先熔于炉渣，然后再从渣中还原出铁。 焦炭在高炉中不熔化,只是到风口前才燃烧气化,少部分焦炭在还原氧化物时气化成CO。而矿石在部分还原并升温到1000～1100
时就开始软化；到1350～1400时完全熔化；超过1400就滴落。焦炭和矿石在下降过程中，一直保持交替分层的结构。由于高炉中的逆流热交换,形成了温度分布不同的几个区域。在图1[高炉内冶炼过程示意]中，①区是矿石与焦炭分层的干区，称块状带，没有液体；②区为由软熔层和焦炭夹层组成的软熔带，矿石开始软化到完全熔化；③区是液态渣、铁的滴落带，带内只有焦炭仍是固体；④风口前有一个袋形的焦炭回旋区，在这里，焦炭强烈地回旋和燃烧，是炉内热量和气体还原剂的主要产生地。 液态渣铁积聚于炉缸底部,由于比重不同,渣液浮于铁液之上,定时从炉缸放出
铁水出炉温度一般为1400～1550，渣温比铁温一般高30～70。 煤气流沿高炉断面合理均匀地分布上升，能改善煤气与炉料之间的传热和传质过程，顺利地完成加热、还原铁矿石和熔化渣、铁等过程，达到高产、低耗、优质的要求。
高炉中铁的还原
高炉中主要被还原的是铁的氧化物:Fe
O(赤铁矿),FeO（磁铁矿）和FeO（浮氏体，从0.04到0.125）等。每得到1000公斤金属铁，通过还原被除去的氧量为：赤铁矿429公斤,磁铁矿382公斤,浮氏体（按FeO计算）286公斤。 主要还原剂
焦炭中的碳和鼓风中的氧燃烧生成的CO气体，以及鼓风和燃料在炉内反应生成的H
是高炉中的主要还原剂。约从400开始,氧化铁逐步从高价铁还原成低价铁，一直到金属铁。 间接还原
氧化铁由[kg2]
CO[kg2]还原生成[kg2]CO[kg2]或由[kg2]H[kg2]还原生成HO的过程。还原顺序为:[kg2]FeO─→FeO─→FeO─→Fe（低于570时，FeO不稳定,还原顺序为：FeO─→FeO─→Fe）。从图2[Fe-O-C体系气相平衡组成]可看到各级氧化铁与气相的平衡关系。 氧化铁还原的主要还原反应为：
3Fe
O+CO─→2FeO+CO +8870千卡 Fe
O+CO─→3FeO+CO -4990千卡 FeO+CO─→Fe+CO
+3250千卡以及 3FeO+H─→2FeO+HO -1000千卡 Fe
O+H─→3FeO+HO -14860千卡 FeO+H
─→Fe+HO -6620千卡 H
和CO同时作为还原剂存在时，受水煤气反应的制约： H
+CO─→HO+CO -9870千卡注：式内反应热从工程习惯按公斤分子计。 直接还原
在高温区（约 850
开始）因有大量焦炭存在,生成的CO和HO立即与焦炭反应,转化成CO和H： CO
+C─→2CO -39600千卡 H
O+C─→H+CO -29730千卡所以从全过程看，可认为是由碳素直接还原氧化铁生成CO和铁： FeO+C─→Fe+CO -36350千卡这种高温还原叫做直接还原。因为直接还原比间接还原耗热大得多，所以在高炉内应尽可能提高中温区的间接还原率，以降低焦比和燃料比。
影响还原速度的因素
气体还原铁矿石的速度受到许多因素的影响：矿石的性质（例如粒度，气孔度，气孔表面积）,是难还原的磁铁矿还是易还原的褐铁矿,煤气的成分和流速以及还原温度等。气－固还原过程包括以下基本环节：①还原气体通过矿粒表面的气膜向矿石表面扩散；②还原气体通过已还原金属层向矿石内部扩散；③金属铁－浮氏体两相界面上的化学反应；④还原气体产物通过已还原金属层向外扩散；⑤还原气体通过附面气膜向外扩散。
还原模式有两种：当矿石结构致密，还原金属层是自外表逐步向矿粒中心扩展，中心未反应的核心部分逐步缩小，可称为“未反应核”还原模式；如果矿石多孔疏松，内扩散十分容易，且粒径不大，则还原过程将同时在整个矿石内部环绕每一个氧化铁微晶进行氧化铁的气固还原反应，这是另一种模式。
整个反应速度决定于化学反应速度和扩散速度。如果化学反应慢，称为反应处于“化学控制”；如果扩散慢，则称反应处于“扩散控制”。温度提高，化学反应速度加快，气体的扩散速度也会增加，但增加的幅度较小。一般说，温度低，矿石粒度小或气孔度大，气流速度高，还原趋向于化学控制范围；相反，温度高，矿石粒度大或者气孔度小，则趋向于扩散控制范围。如果能出现扩散与化学反应的速度彼此较接近的情况，称还原处于“混合控制”。还有一种情况，矿石的软熔温度低，当温度升高到使矿石软熔后，矿石的气孔度减小，还原速度反而可能减慢。因为H
的扩散速度比CO高，H的还原速度也高于CO当煤气中存在CO或HO分子时,CO和H的有效浓度降低，将减慢CO和H的还原速度。从铁矿石的还原条件来看,应在矿石不软化的条件下,尽量保持高一些的还原温度，以加快还原速度。对矿石则要求气孔度大，使还原过程不受扩散的限制；致密的铁矿石应适当减小粒度，这样不仅能使内扩散距离缩短，而且会使气－固相接触总面积增大，有利于还原过程（见冶金过程动力学）。 高炉中其他元素的还原
进入高炉的矿石的脉石和焦炭灰分还含有其他一些氧化物(SiO
AlOCaOMgO等)[kg2]硫化物(FeS)和磷酸盐[Ca(PO)]。一些共生铁矿还含有锰、钛、铬、钒、铜、钴、镍、铌、砷、钾、钠等的含氧化合物和少量硫化物。各种氧化物因化学稳定性不同，有的在高炉内全部还原，有的部分还原，有的完全不能还原，不还原的氧化物就进入炉渣。 硅的还原
硅比铁难还原，要到高温区才能被碳还原出来，熔于铁水：
(SiO
)+2[C]→[Si]+2CO -151696千卡耗热比铁的直接还原大得多。式中圆括弧表示炉渣中的氧化物；方括弧表示铁水中的有关元素。 大部分生铁中的硅是焦炭灰分或渣中的SiO
，通过风口附近高温区（1700以上）时，先被还原生成气态SiO，SiO在上升过程中再被还原成硅并熔于铁水。冶炼高硅生铁时，有一部分 SiO随煤气逸出炉外。含硅愈高，挥发愈多；SiO冷却后又被氧化成极细的SiO粉末,除增加能耗外，还会恶化炉料透气性和堵塞煤气管道。为了炼得含硅较高的生铁或合金,宜配用碱度较低的炉渣,以利于酸性SiO的还原。由于反应热耗大，必须维持较高的炉温，生铁含硅愈多，燃料消耗（焦比）和成本也愈大。 锰的还原
锰矿中的化合物MnO
、MnO、MnO、MnCO等都很容易被[kg2]CO[kg2]还原成MnO，但MnO只能从炉渣中被碳直接还原并熔于铁水： (MnO)+[C]→[Mn]+CO -68640千卡其单位耗热低于硅,但高于铁的直接还原。MnO是弱碱性，冶炼含锰高的铁，宜采用碱性较高的炉渣，以提高渣中MnO活度，加快还原。由于需维持较高的炉温,反应热耗又多，生产高锰生铁的燃料消耗和成本也比较高。
其他元素的还原
以3CaO
PO或[kg2]3FeOPO[kg2]形态进入高炉的磷，以及以氧化物或硫化物形态存在的铜、镍、钴、砷、铅等全部被还原。钒、铌、铬等的氧化物一般可被还原75～80％。二氧化钛在高炉内只有少量被还原。 钾、钠、锌等金属的沸点低，其化合物在高炉下部高温区被还原成金属后立即挥发，一部分随煤气逸出炉外，一部分又被氧化后沉积在上部炉料表面，随炉料再下降到高温区。再还原，再挥发，再沉积,循环积累,造成以下严重危害：破坏矿石和焦炭的强度和炉料的透气性；沉积在炉衬中破坏耐火材料，引起结瘤。因此，对高炉原料中这些元素的含量要有一定的限制,必要时,可以定期降低炉渣碱度,使K
O和NaO更多地进入炉渣，排出炉外,减轻危害。包头铁矿石含KO、NaO和CaF较多，影响炉况顺行，现已找到解决途径。 钒、铜、镍、钴、铌等是宝贵的合金元素，它们在铁矿石中如达到一定含量，应考虑回收利用。中国攀枝花的钒钛磁铁矿和包头的含铌铁矿石，在炼铁过程中得到含钒和含铌的生铁,在进一步处理和回收钒、铌上,取得良好的成果。
铁水中的碳
因为在高炉内还会出现还原和渗碳到Fe
C的反应： 3Fe+2CO→Fe
C+CO FeO(MnO,SiO
)+C→Fe(Mn,Si)+CO 3Fe+C→Fe
C所以高炉生铁含碳高，其含量主要决定于铁水的成分。凡能生成碳化物并溶于铁水的元素如锰、钒、铬、铌等能使铁水含碳增加；凡能促使铁水中碳化物分解的元素如硅、磷、硫等会阻碍铁水渗碳普通生铁含碳4％左右。铁水溶解某些碳化物达到饱和后，剩余的碳化物便留在炉渣中，例如炼高硅生铁时的SiC,在炉料含TiO较多时形成的TiC等碳化物熔化温度一般都很高(SiC＞2700，TiC3290)，以固相混杂在炉渣中，使炉渣流动性变坏，造成冶炼上的困难。 高炉炉渣及渣铁反应
一般高炉炉渣主要由SiO
、AlO、CaO、MgO组成,另含少量 FeO、MnO、CaS。冶炼复合矿时,还可能含有CaF[kg2]TiO、BaO、RO(R代表稀土元素)等。用钒钛磁铁矿炼铁时，炉渣流动性差,冶炼困难，中国在实践中发展一项新工艺可在含TiO为25～30％的炉渣下进行冶炼。 高炉冶炼对炉渣的要求
①一般在炉缸的温度1350～1550
下，炉渣能很好地熔化，并具有良好的流动性和具有渣－铁、渣－气间的界面性能，能很好地与铁水、气体分开，并能顺利地从炉内放出。②炉渣性能既要有利于去除生铁中的有害杂质（如硫等），也要能根据需要控制某些反应的程度（SiO的还原）和促使有益元素如锰、钒铌等更好地还原入生铁。③高炉中从开始软化到生成自由流动的炉渣的区间(软熔带)要小，减小气流通过的阻力，以有利于高炉炉料的顺行和强化冶炼。④炉渣性能稳定，不因炉温和炉渣成分的小量波动而引起炉渣物理性能的剧烈变化。⑤渣量要小，以减少熔剂和燃料的消耗，改善料柱下部的透气性，先进高炉每吨生铁的渣量已降到300公斤以下。⑥要有利于保护炉衬。 炉渣碱度
是表征和决定炉渣物理化学性能的最重要的特性指数
碱度用[187-01]等碱性氧化物与酸性氧化物的重量百分比的比值来表示。为简便起见通常均用[187-02],当AlO和MgO的含量高、波动大时，采用后两种表示方法。 渣中(CaO+MgO)＜(SiO
+AlO)的渣叫酸性渣这种渣粘度大,凝固慢,通称长渣(CaO+MgO)＞(SiO+AlO)的渣叫碱性渣。高碱渣凝固温度高，冷凝快，熔融时流动性好；但温度偏低时，析出固相，就变得粘稠。这种渣也叫短渣[kg2](CaO+MgO):(SiO+AlO)≈1.0的炉渣,凝固温度较低，流动性也较好。在高炉中，为了保证炉况顺行和某些反应的顺利进行，炉渣在炉缸温度范围内的粘度最好不大于5泊，最高不宜超过25泊。同时,粘度也不宜过低，过低时容易侵蚀炉衬，缩短高炉寿命。 渣铁反应
在高炉下部，渣铁间进行一系列反应。部分亲氧力较铁强的金属如锰、钒、铌、硅等的氧化物和在上部来不及还原的[kg2]
FeO[kg2]将从炉渣中还原出来。这些反应决定了铁水的成分和有关元素的回收率。 各种氧化物从渣中还原的反应式为：
(Me
O)+[C]─→[Me]+Co 由于铁水中的碳饱和，炉缸中CO分压基本固定，因而上述各元素的还原情况主要决定于铁水中有关元素和渣中有关氧化物的活度以及炉缸温度。一般规律是：炉缸温度愈高，各元素还原入铁水的量愈多；炉渣碱度愈大，能形成碱性氧化物的金属如锰、钒、铌等还原入铁水的量就愈多，而形成酸性氧化物的元素（如硅）的还原就愈困难。
脱硫
是渣铁间最重要的反应，将决定生铁的质量。CaO的脱硫反应式为：
[FeS]+(CaO)+[C]─→
(CaS)+[Fe]+CO -35620千卡如上所述，由于铁液中碳饱和，炉缸中CO分压基本固定，所以脱硫反应的程度主要决定于渣中CaO、CaS的活度和铁液中硫的活度以及反应的温度和动力学条件。从热力学角度看，CaO比MgO、MnO有更高的脱硫能力。渣中CaO的活度在碱度（CaO/SiO
比值）高过1.0左右后,提高很快，因而炉渣脱硫能力显著提高。由于MgO、MnO本身也能在一定范围中与硫起反应,又能改善炉渣的流动性,所以它们的存在对脱硫有利。高炉炉渣的碱度首先根据脱硫需要确定，一般在0.9～1.3。过高的碱度会使炉渣的熔化温度过高，炉渣流动性变坏，反而不利于脱硫。 当渣铁间脱硫反应达到平衡时,硫分配系数
=(S)/[S]，决定于反应平衡常数的大小，式中(S)为炉渣中硫的含量,[S]为铁水中硫的含量。在高炉中由于受出铁出渣时间和反应动力学条件的限制，达不到平衡值。一般高炉渣平衡时的可达200以上,而实际生产中的仅为30～80。因此，提高炉缸温度、降低炉渣粘度等改善脱硫的动力学条件的措施，都有利于炉内脱硫。 优质钢的含硫量一般为 0.01％ 左右，特殊的要求＜0.003％。高炉铁水的含硫量常在0.02～0.05％,这不能满足炼钢要求。如果进一步提高高炉脱硫能力，又不经济。因此现在多采用铁水炉外脱硫。
炉料和煤气的运动
高炉内炉料不断均匀下降和煤气流稳定上升并尽可能与铁矿石多接触是正常冶炼的基本前题。
炉料能够下降是因为：①风口前的焦炭不断燃烧气化,经渣口、铁口定期放出渣和铁,使炉缸中有了自由空间。②促使料柱下降的重力能克服炉墙的摩擦阻力、煤气流动的阻力和浮力以及炉缸炉腹中心以焦炭为骨架的相对运动较慢的死料柱的阻力，其中最主要的是煤气流的阻力。爱根 (Ergun)公式能较全面、近似地反映出多种因素对煤气阻力的影响。煤气流的压力梯度表示为：
[188-01]
式中[kg2]为压力降(公斤力/米),为料层高度(米)，为炉料空隙度（无因次）,[kg2]为炉料直径(米)，为形状系数,无因次(＜1)，为重力加速度(米/秒)，为气体粘度系数 (公斤力·秒／米)，为煤气重度（公斤力／米），[188-02]为空炉时煤气流速（米／秒）。 由上式看出：
① 炉料空隙度([kg2]
[kg2])影响透气性最大。筛净炉料粉末,炉料粒度均匀,对高炉顺行和强化冶炼至为重要。②炉料粒度愈小，虽对还原速度有利，但增加煤气流的阻力。③压力梯度的增加与气流速度()平方相关。高炉采用高压操作可以减小，这是强化高炉冶炼和促进顺行的有效手段。 为了充分利用煤气流的热焓和化学势以获得最佳生产指标，还要求煤气流在高炉横断面合理分布，以求与矿石充分接触。在理论上，如果断面上各点炉料粒度和空隙度大致相等，将得到最佳的煤气流分布。但一些属于结构和设备的原因，造成断面上煤气分布不均。例如炉墙表面平滑，透气性比他处好。又如传统的双钟布料方法，使炉喉处料面堆成一个带尖峰的圆圈，一批矿石料沿半径分布厚薄不匀，并且有粒度偏析，必然导致煤气分布不匀。为此，通过改变装料制度（批重大小、装料顺序、料线高低等）来调节煤气分布。新型无钟炉顶的旋转溜槽和可调炉喉等，为达到最佳的煤气分布创造了有利的条件。
在煤气流与炉料柱热交换的过程中，煤气流是载热体。同一水平面上煤气通过多的地区必然温度高，矿石软熔早。如炉顶装料时边缘透气差的矿石少于其他地区，或者风口风速过低，煤气流不易达到炉缸中心，则沿高炉炉墙附近通过的煤气较多，靠炉墙的矿石将比炉中心矿石提前软熔。结果软熔带将不是如图1 [高炉内冶炼过程示意]
中的倒V字形,而是正V字形。在这种情况下,不仅炉腹砖衬和冷却器容易烧坏，而且炉缸中心容易堆积炉料,导致不顺行和产生出高硫生铁。如形成图1[高炉内冶炼过程示意]中的倒 V形软熔带，则中心锥型焦炭滴落带透气性好，高温煤气通过较多，滴下的渣和铁得到充分还原和加热，使炉缸内渣、铁反应充分进行，温度均匀，热量充足，获得良好的冶炼效果。煤气流是经过软熔带的焦炭夹层进入块状带的，所以软熔带起着煤气流分布器的作用。中心顶点过高的倒 V形软熔带虽然有利于高炉强化，但会减少间接还原所依赖的块状带空间。通过调整炉喉矿石分布和风口送风制度，可适当控制倒V形软熔带的高度，以降低炼铁能耗,充分进行间接还原。 高炉中的能量利用
能量的来源和消耗
节约能耗（降低焦比）和提高高炉利用系数（增加产量）是高炉冶炼中两项最重要的措施。
现代高炉每炼一吨炼钢生铁的总能耗约为4.2～4.8×10
千卡（未扣除高炉剩余煤气可以回收的热值）能量主要由加入高炉的燃料（焦炭和其他燃料）和鼓风带入的物理热来提供。高炉能量的来源与消耗如表：[高炉能量来源和消耗] 为了查明高炉中热量的收支和利用情况，找出进一步降低燃料消耗的途径，常根据能量守恒定律，在物料平衡计算的基础上，进行高炉热平衡计算，分别计算出冶炼单位生铁时收支平衡的各项热能。常见的热平衡方法有两种：①全炉热平衡。分析和计算高炉生产全过程中各种热量的收支情况（见表[高炉能量来源和消耗]
）。此法使用较早，而且便于和一般外部能耗概念相比较。②区域热平衡。它是以高炉中某一部分作考查对象，计算和分析这一区域中热量的收支情况。高炉的上部和下部反应的情况不同，上部温度较低，主要进行炉料的预热和预还原，热量消耗较少，一般都有大量的热能和化学能被煤气带走，造成损失。高炉下部进行一系列直接还原反应和渣铁的熔化，需要消耗大量的热，而且必须确保必要的炉温，高炉才能正常生产。从高炉冶炼过程看,以在高炉下部温度高于900的区域进行热平衡计算为宜。 高炉操作线图
是研究高炉冶炼过程，包括物料平衡和热平衡的一个较好的方法（图3 [高炉操作线图]
）。 高炉操作线图是1967年法国里斯特(A.Rist)提出的。决定高炉操作的主要反应全部涉及氧交换，如矿石还原、碳的氧化等。里斯特根据氧的来源──铁的氧化物、脉石中其他氧化物和鼓风，以及根据氧的去处──氧可与碳生成CO或转化为CO
,以O/Fe原子比为纵坐标,O/C原子比为横坐标，得出一条表示Fe-O-C体系中氧交换的、而且斜率表示C/Fe比（正比于燃料比，实际生产中用焦比来计算）的一条直线，通称操作线图。图[高炉操作线图]上反映矿石氧化度、生铁成分、鼓风量、高炉内铁还原度、炉顶煤气成分等变化与燃料比的关系。它用于分析高炉内能量利用情况，探求高炉冶炼最佳条件；对进一步提高高炉冶炼效果和降低能耗，具有十分重要的理论和实际意义。 操作线图以 1摩尔铁为物料平衡基础。图[高炉操作线图]
中横坐标是O/C原子比,纵坐标是O/Fe原子比。左半部O/C比小于1,表示高炉下部C氧化成CO的直接还原区的变化；右半部O/C比大于1但小于2，代表CO变为CO的间接还原区的变化。纵坐标 1.5代表赤铁矿，1.33代表磁铁矿,1.0代表浮氏体，1.37为示例矿石的O/Fe；代表间接还原失去的氧,代表直接还原失去的氧;代表硅、锰、磷还原失去的氧,代表鼓风带入的氧+++为冶炼出1摩尔铁燃料中碳素得到的总氧量,++为总的C原子消耗量(其大小等于ABE线的斜率),加上生铁中熔解的碳量即可求出焦比。固体碳一部分氧化成CO，一部分氧化成CO。炉顶煤气成分由A点位置确定。原料中如有石灰石等分解放出CO,操作线应适当向上延伸。ABE线叫高炉操作线。 操作线把冶炼[kg2]
1[kg2]摩尔生铁所需风量（与长度成正比）、生铁成分(由大小确定)、FeO的直接还原率（B点纵坐标）、矿石中铁的氧化程度([kg2]A[kg2]点纵坐标)、炉顶煤气成分〔A[kg2]点所示[kg2]CO/(CO+CO)比值〕和焦比（AE线的斜率）联系一起，并定量地显示出来。 图[高炉操作线图]
中W点相当于FeO还原成Fe的平衡CO/CO比值FeO还原生成的煤气中CO不能高于此值,所以 AWE代表在该种原料和风温条件下的最低焦比状态，由此线的斜率可以算出理论最低焦比。 根据操作线图的关系，节约炼铁能耗的主要途径是：①改善煤气能量在高炉内的利用率，即增加铁的间接还原,提高CO
/(CO+CO)比值。炉身煤气利用效率用TS/TW表示，极限为1.0。其他条件相同，煤气利用改善后，A点右移,B点下降，变小。②减少渣量可以减少炉渣带走的热量，采用大容积高炉以减少每吨生铁所负担的高炉的热损失。图[高炉操作线图]中可以小一些,E点上移。③改善含铁原料的还原性，使直接还原率减少,B点下移。④降低炼钢生铁的含硅量，减小；同时减少热耗，可以减小。⑤高炉不加石灰石，减少热耗以减小。 高炉炼铁车间的二次能源利用
首先是高炉煤气，每吨生铁的煤气热值达(1.5～1.8)×10
千卡,可用作低热值燃料。高压炉顶的煤气余压，可用于煤气透平发电。热风炉烟道废气和液态炉渣的余热也都可以利用。 高炉冶炼的强化及节焦措施
高炉强化
即提高高炉利用系数，增加产量，尽力降低燃料比。具体措施有：
使用精料
使用精料是高炉高产、优质、低耗的基础。提高入炉的矿石品位，将有效地减少熔剂用量和降低渣量，既能降低高炉冶炼能耗，又可改善料柱透气性。入炉矿石品位每提高1％，约可降低焦比1.5～2.0％,提高产量2.5～3.0％。
使用熟料
使用熔剂性烧结矿或球团矿，可大幅度提高矿石还原性能和软化温度，减少低温还原粉化率和熔剂用量，从而提高高炉中CO的利用率，节约能耗。此外还有利于改善造渣过程，促进高炉热制度的稳定和炉况顺行。根据中国一些炼铁厂的经验，每提高 1％熟料比，约可节约燃料2～3公斤／吨生铁。
改善烧结矿强度及高温冶金性能
筛除粒度小于 5毫米的矿粉，控制入炉矿石粒度和按粒度分级入炉，可以有力地改善炉料透气性和煤气分布均匀性，有利于强化冶炼。稳定原料成分可稳定高炉冶炼，改善生铁质量。改善烧结矿（球团矿）的还原性，提高软化温度，改进熔滴性能，对节约能耗、提高产量都很有效。
提高焦炭质量
降低焦炭灰分，每降低1％,可降低焦比1.5～2.0％，提高产量2.5～3.0％。降低焦炭含硫量有利于降低炉渣碱度，减少熔剂用量，降低焦比，提高生铁质量。提高焦炭强度和减少入炉焦粉量，可改善料柱透气性，对大型高炉更为重要。
改进高炉送风
适当较大的风量，即冶炼强度较高，可以增产。特别当冶炼强度过低时，增大煤气流速，可改善气流在炉料中的分布和扩散过程，从而改进气、固相之间的还原和传热，减少高炉热损失，焦比也随之降低；但是当煤气流速超过一定限度，不能与料柱透气性相适应时，将破坏煤气的正常分布和高炉顺行。目前高炉冶炼强度一般在0.9～1.1吨／（米
·日)之间，必须根据实际情况选用最合宜的冶炼强度(见高炉炼铁)，达到既增产又节焦。提高风温可增加鼓风带入高炉内高温区的热量，降低燃料消耗，减少煤气带走的热量。高炉喷吹燃料时，为了提供补偿热，更需提高风温。 富氧鼓风
即提高鼓风中含氧量，能提高冶炼强度和炉缸燃烧温度，增加煤气中CO的浓度，减少每吨铁的煤气量并降低炉顶煤气温度，有利于提高产量和降低焦比。特别在高炉大量喷吹燃料时，为使喷吹燃料更好燃烧，提高置换比(每单位喷入燃料可置换焦炭量的比值)，更需用富氧鼓风。其缺点是减少单位生铁的鼓风量的同时，也减少了鼓风带入的热量，所以富氧超过一定程度时，会引起焦比升高。此外，目前制氧成本较高，必须全面考虑各项因素来确定鼓风中适宜的含氧量。
控制风中水分
采用蒸汽鼓风，以适当增加并稳定风中水分，有利于高炉顺行，但不利于能量利用。高炉喷吹燃料后采用脱湿送风，除去风中大部分水分，并保持稳定。这样有利于稳定炉况和利用炉缸热能，可以扩大燃料喷吹量，更有效地降低焦比。
高压操作
借助安装在煤气管道中的高压阀组，提高炉内煤气的压力，缩小煤气体积，降低煤气流速，减少煤气对料柱的阻力,能促进高炉顺行,有利于进一步提高冶炼强度，同时还能增加煤气在高炉中的停留时间和减少炉尘损失。70年代大多采用0.7～3大气压操作，通常炉顶压力每升高0.1公斤力／厘米
，约可增产2～3％，降低焦比0.5％左右。 高炉喷吹燃料
从风口直接把辅助燃料吹入炉缸，代替部分风口前燃烧的焦炭,以降低焦比,强化冶炼。高炉可以喷吹的燃料分液体（重油、轻油、原油、焦油及沥青等）、固体(无烟煤、烟煤、焦粉等)和气体（天然气、焦炉煤气以及炉身喷吹用还原性气体等）三类。中国主要喷吹煤粉。高炉喷吹燃料产生以下后果：
① 焦比大幅度降低 中国首都钢铁公司 1号高炉1966年通过富氧和提高风温，油、煤喷吹量达入炉燃料量的45％，焦比月平均366公斤／吨铁,目前中国多数高炉每吨铁喷煤 60～120公斤。焦比降低的主要原因是燃料中的碳代替了风口前燃烧焦炭的碳量；燃料中含有H
（如重油含H达10～12％），促进高炉内的还原。 ② 要求热补偿 喷入高炉的燃料在风口前是冷的。在燃烧前汽化分解时要消耗部分热量，使炉缸温度降低（冷化作用），必须提高风温来补偿。此外，喷吹燃料可促进富氧鼓风。苏联喷吹天然气的高炉鼓风含氧可富化到30％以上。
③ 促进高炉顺行可用来调节炉况 高炉喷吹燃料后炉缸中心气流增强，温度提高，风口平面上沿半径温度梯度减小，炉缸工作更均匀。但如喷吹量超过一定限度，中心过吹，则会破坏顺行。遇此情况应采取上部调节，加重中心负荷；下部调节，扩大风口直径，缩短风口长度；以及富氧鼓风等措施。利用改变喷吹量可调节炉况：当炉况向凉时，加大喷吹量；炉况向热时，减少喷吹量。但炉况已凉或已热后则不宜采用。高炉刚开始喷吹燃料，由于“冷化作用”,炉温不高；几小时后,预还原的炉料进入炉缸，炉温又逐渐升高。这段凉热变化期称为“热滞后”时间，可作调节炉况的依据。
④ 较高压差操作 由于喷吹燃料产生的煤气量比被替代的焦炭产生的多，使煤气的浮力增加，加之喷吹燃料后焦比降低，料批中焦炭比例减少，都使料柱阻力增大，压差升高（在高炉顺行前提下，压差略高，仍可维持正常生产）。为了扩大喷吹量，防止压差过高，可提高矿石品位，改善炉料粒度组成，提高炉顶压力，采用富氧鼓风等措施。
⑤ 改善生铁质量 如喷入燃料含硫量低于焦炭，则生铁质量一般有所改善。另外，喷吹燃料后炉缸工作均匀，炉渣脱硫能力升高，也可改善生铁质量。喷吹煤粉时应注意选用低硫煤。中国高炉大部喷吹煤粉，有成熟的经验。喷吹量大，可利用多煤种。工艺上有高压和常压两种流程，前者是在喷吹罐内充以高压气体。喷吹煤粉时必须考虑防爆安全措施。
高 炉 操 作
开炉
新建成或停炉新修好的高炉，从点火转入正常生产的过程叫开炉。开炉前炉衬要烘干，一切机电设备要认真检查或试车。配料采用比正常生产高一些的焦比；送风后，按炉温情况逐步过渡到正常焦比。开炉时要注意安全操作，尤其注意不要因煤气操作失误（或漏气），引起中毒或爆炸。
停炉大修
高炉生产若干年后，炉衬和炉型严重损坏，继续生产不经济或不安全，需要停炉进行包括更换炉缸炉底砖衬的大修（只包括更换炉身砖衬的修理叫中修，一般常规检修叫小修）。通常把开炉到停炉的时间称为高炉寿命，长的可达十年以上。
高炉休风
高炉由于更换风口、渣口或进行其他小型修理而暂时停风叫休风。休风几分钟到几小时的叫短期休风，时间更长的休风叫长期休风。为了安全，长期休风时须把炉喉料面煤气点火，并处理煤气系统。
封炉 由于生产任务变化,需停止生产一个时期,炉内换成矿石较少以焦炭为主的炉料，进行停风停产，叫做封炉。停风后，卸下所有风口，渣口用耐火泥和砖密封，尽量防止冷却过程中高炉吸入空气。
炉况顺行
高炉操作的首要任务是保持“炉况顺行”。主要是操作时，控制装料、送风、造渣、热量四大制度的稳定，使炉料下降均匀，炉温正常，造渣情况好，获得较高的生铁合格率。
炉况失常和故障
难行、悬料和崩料
炉料下降不顺畅，叫“难行”。难行发展到完全不动，叫“悬料”。主要是由于原料强度太差、粉末太多，或基本操作制度选择不当所致。高炉内结瘤时容易悬料。炉料突然崩落，叫“崩料”。高炉出现难行和悬料，一般可减少风量或风温；有条件时，风中加入些水蒸气以减少上升煤气流的浮力，促使炉料恢复下降。如均不见效，应把入炉风量减到允许的最低值，进行“坐料”处理。
炉凉、炉缸冻结和炉热
由于配料计算或装料称量错误，使炉内热收入低于支出，炉况失常，或者冷却设备漏水,增加额外热消耗，使渣铁温度下降,叫“炉凉”。炉凉发展到严重程度，渣、铁凝结在炉缸内，叫“炉缸冻结”，属于高炉操作严重事故。而由于配料错误等原因，超过炉内热量需要，叫“炉热”。以上都要采取措施及时调整和处理。
结瘤
由于炉料强度不好，粉末太多，操作中煤气流不稳定，炉温剧烈波动，致使熔融物重新凝结在炉墙上，形成炉瘤；此外炉料中含较多的碱金属钾、钠、锌等容易挥发沉积的元素时，也能粘结成炉瘤。结瘤是高炉生产的大敌，轻则导致高炉不顺行，重则使生产完全瘫痪。高炉下部结瘤，可用发展边缘气流同时减轻负荷，或加萤石作洗炉剂进行洗炉；上部结瘤严重时，只能休风，降低料面，进行炸除。
炉前操作
出铁
高炉出铁是一项比较繁重的工作。一般高炉有一个铁口，每昼夜出铁 6～12次。大于2000米
的大高炉有 2～5个铁口，轮流开口出铁。每次出铁30～60分钟。 出铁前的准备工作：①准备铁、渣罐（炉前冲水渣可不用渣罐）；②烘干铁口；③清理并烘干铁沟和撇渣器；④备好堵口泥和泥炮等。出铁时，用电钻将铁口打通，使铁水沿铁沟流入铁罐，送去炼钢或铸块，出铁完了，用泥炮将堵口泥打进铁口，予以封闭。
出渣
出铁后1～1.5小时，可开始放渣。一般高炉都有两个出渣口，位置比出铁口略高。出渣到渣口有火焰喷出时，将渣口堵住。如二次放渣后期还没有火焰喷出,为减少炉内渣量,一直放到下次出铁时再堵渣口。近代巨型高炉(＞4000米
),由于渣量少，不设渣口；炉渣随铁水从铁口放出。 在一个炼铁厂里，几座高炉出渣、出铁的时间要错开，以减少铁、渣罐的数目。还要提高渣罐及机车的运行率，以保证炼钢厂、铸铁机能均衡地工作。