高爐是鋼鐵制造流程中的關鍵生產工序，是鐵素物質流轉換的核心關鍵單元，是能源轉換和能量流網(wǎng)絡的核心單元。高爐煉鐵生產成本約占鋼鐵制造成本的70%~75%，能源消耗約占鋼鐵綜合能耗的70%。由此可見，高爐煉鐵在鋼鐵制造流程中的作用至關重要，其地位舉足輕重。面對當前日益嚴峻的形勢和挑戰(zhàn)，高爐煉鐵工藝要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須在高效低耗、節(jié)能減排、清潔環(huán)保、循環(huán)經(jīng)濟、低碳冶金、綠色發(fā)展等方面取得顯著突破，需要進一步提高風溫、降低燃料比，以增強高爐煉鐵技術的生命力和競爭力。
功能解析
高爐煉鐵工藝在大型化、高效化、長壽化、智能化、集約化等方面取得了重大技術進步，已經(jīng)發(fā)展成為目前鐵氧化物還原效率最高的鐵冶金工藝。高爐的主要功能也隨其技術發(fā)展在不斷地演進，高爐煉鐵功能解析如下：
還原器和滲碳器。高爐是以焦炭為燃料和還原劑，將鐵礦石還原成液態(tài)生鐵的工藝裝置，屬于典型的豎爐型反應器，在下降爐料與上升煤氣流的相向運動過程中，實現(xiàn)高爐冶金過程的“三傳一反”。而豎爐高溫還原過程賴以順利實現(xiàn)的前提，是焦炭料柱的存在和其不可取代性，這就決定了在高爐內還原過程進行的同時，總是伴隨有不同程度的滲碳過程。
熔化器和質量調控器。高爐最主要的功能就是為轉爐提供優(yōu)質的液態(tài)生鐵，這是轉爐煉鋼賴以存在的基礎，高爐從以鐵氧化物為鐵素源的固態(tài)礦物中還原而得到液態(tài)金屬鐵，因此，它具有熔化器的功能。而且，高爐連續(xù)還原出鐵水的方式?jīng)Q定了它是一個連續(xù)的鐵水供應器。與此同時，高爐煉鐵工藝過程，對鐵水的質量具有重要的調控功能，可以通過高爐操作穩(wěn)定控制鐵水的溫度、成分及其偏差，特別是控制鐵水中[S]、[Si]的含量保持在合理的范圍內。
能源轉化器。高爐生產過程中，伴隨著巨大的能源消耗和能量轉換過程，其特點是將焦炭、煤粉、天然氣、重油等化學能轉化為高爐產出物（鐵水、熔渣和高爐煤氣）的物理顯熱和化學能，因此高爐具有能源轉換器的功能。隨著高爐節(jié)能技術的進步，TRT和其他余熱、余能回收利用技術的實施，使得高爐作為能量轉換器的功能愈顯突出。高爐工序是目前鋼鐵制造流程中最大的能源轉換工藝單元，是能量流網(wǎng)絡構建的中樞。
消納固體廢棄物。高爐煉鐵工藝除了具有冶金功能之外，還具有消納大宗固體廢棄物的功能，包括利用焦化工藝和高爐噴吹處理廢塑料，燒結利用鋼鐵廠粉塵造塊，高爐噴吹除塵灰，利用焦爐熱解處理城市生活垃圾等。
流程集成與結構優(yōu)化
動態(tài)精準設計。新一代鋼鐵廠工程設計的理論必須建立在符合其動態(tài)運行過程物理本質的基礎上，特別是生產流程的動態(tài)有序、協(xié)同連續(xù)、準連續(xù)運行中的運行動力學理論基礎上。高爐動態(tài)精準設計應以先進的概念研究和頂層設計為指導，運用動態(tài)甘特圖（Gantt Chart），考慮高效協(xié)同的界面技術，實現(xiàn)動態(tài)有序、協(xié)同連續(xù)/準連續(xù)的物質流設計和高效轉換、及時回收利用、節(jié)能減排的能量流設計，在更高的層次上體現(xiàn)鋼鐵制造流程實現(xiàn)鋼鐵產品制造、高效能源轉換和消納廢棄物并實現(xiàn)資源化的三大功能。
流程網(wǎng)絡。流程網(wǎng)絡的構建是現(xiàn)代高爐設計的一個重要內容。必須擯棄傳統(tǒng)高爐設計粗放、孤立、靜止的模式和慣例，構建基于動態(tài)精準運行的流程網(wǎng)絡，實現(xiàn)高爐煉鐵的功能優(yōu)化、結構優(yōu)化和效率優(yōu)化；實現(xiàn)鋼鐵廠流程結構優(yōu)化條件下的高爐大型化，構建鋼鐵廠物質流、能量流、信息流流程網(wǎng)絡系統(tǒng)優(yōu)化的動態(tài)精準運行體系。現(xiàn)代高爐設計要著力建構基于串聯(lián)—并聯(lián)結合、簡便—順暢—高效的物質流網(wǎng)絡，基于輸入—輸出、高效轉換、耗散最小的動態(tài)能量流網(wǎng)絡以及簡捷—高效、協(xié)同—調控的信息流網(wǎng)絡。
界面技術的優(yōu)化。在高爐煉鐵工程設計中，由于上、下游工序/裝置的界面技術合理化，容易實現(xiàn)生產過程的組織協(xié)調；容易實現(xiàn)生產過程、調度過程的信息化；并使裝置、設備的生產速率高，生產效率更高，單位產能的投資也最省。典型的界面技術包括以“一罐到底”鐵水直接運輸為代表的煉鐵—煉鋼界面技術，以集約高效、連續(xù)緊湊的無中間料倉原燃料直接輸運為代表的燒結—高爐、焦化—高爐界面技術。
關鍵共性技術
流程集成創(chuàng)新。應根據(jù)鋼鐵廠整體流程結構的合理性、高效性、經(jīng)濟性綜合考慮確定鋼鐵廠產能，進而再據(jù)此確定高爐的產能、數(shù)量和容積。考慮到物質流、能量流和信息流網(wǎng)絡結構的優(yōu)化，一個鋼鐵廠配置2座~3座高爐是適宜的選擇，鋼鐵廠流程結構優(yōu)化條件下的高爐大型化是未來高爐的發(fā)展方向。
優(yōu)化總圖設計。高爐總平面圖不僅體現(xiàn)的是平面工藝布置，還體現(xiàn)了空間關系和時間關系，其實質是物質流和能量流的運行路徑和軌跡。物質和能量在幾何空間內的運動，必須實現(xiàn)路徑最短、阻損最低、效率最高、耗散最小的“層流式運動”。鋼鐵制造流程的合理性，表現(xiàn)在高效率、低成本，使鐵素物質流、能量流、信息流協(xié)同高效動態(tài)運行，必須擯棄傳統(tǒng)的靜態(tài)設計理念，實現(xiàn)結構、效率、功能協(xié)同優(yōu)化的高爐大型化。
高爐精料技術。精料是現(xiàn)代高爐實現(xiàn)高效、低耗、優(yōu)質、長壽的基礎，也是實現(xiàn)高爐生產減量化和耗散最小化的重要措施。一是采用合理爐料結構。高爐爐料結構的優(yōu)化要遵循資源最優(yōu)化、技術最優(yōu)化、經(jīng)濟最優(yōu)化的原則，注重改善爐料綜合冶金性能，開發(fā)研究低品質礦高效利用技術，實現(xiàn)資源減量化、利用最佳化和環(huán)境友好化。二是改善爐料冶金性能。現(xiàn)代大型高爐精料技術的主要技術內涵是：提高入爐礦品位，入爐礦綜合品位達到58%以上，熟料率為80%~85%，采用經(jīng)濟合理爐料結構，降低原料成本；提高焦炭質量，大型高爐焦炭要提高機械強度、熱強度和平均粒度，M40≥89%，M10≤6.0%，CSR≥68%，CRI≤25%，平均粒度≥45mm；提高爐料成分和理化性能的穩(wěn)定性，減少成分和性能的波動，保證高爐生產穩(wěn)定順行；開展低品質礦的高效化利用研究，實現(xiàn)資源利用的減量化和最優(yōu)化。三是采用分級入爐技術。這可以提高煤氣利用率，實現(xiàn)鐵素資源的最大化利用；可以實現(xiàn)爐料分布的精準控制，提高高爐透氣性和煤氣利用率，促進高爐順行，降低燃料消耗。四是應用爐料分布與控制技術。現(xiàn)代大型高爐生產效率高，爐料裝入量大，裝料設備不僅要滿足高爐裝料能力，還要滿足高爐操作對爐料分布精準控制的要求，實現(xiàn)爐料分級入爐和中心加焦。
高爐長壽技術。高爐長壽的實質是在高爐一代爐役期間，保持合理的高爐操作內型。實現(xiàn)高爐長壽，需要在高爐整個生命周期內采取有效措施，維護合理的操作內型，形成基于自組織、自維護體系的“永久性”爐襯。一是優(yōu)化高爐內型。合理的高爐內型是實現(xiàn)高爐煉鐵多目標優(yōu)化的基礎和關鍵，現(xiàn)代高爐高徑比漸趨降低，呈矮胖化發(fā)展。二是采用長壽爐體結構。現(xiàn)代高爐顯著的技術特征是在爐腹至爐身中下部區(qū)域大量采用銅冷卻壁，依靠高效銅冷卻壁及合理配置的冷卻系統(tǒng)，在風口以上區(qū)域形成基于渣皮保護的“永久內襯”以延長高爐壽命。三是采用合理的爐缸爐底內襯結構。通過設計合理的死鐵層深度，采用合理的爐缸爐底內襯結構，選用抗鐵水滲透、熔蝕性能優(yōu)異的高導熱炭磚，配置合理的冷卻系統(tǒng)，抑制爐缸爐底“象腳狀”異常侵蝕，使高爐壽命達到15年~20年。
高風溫技術。高風溫是高爐降低焦比、提高噴煤量、提高產量的重要技術途徑。現(xiàn)代大型高爐在熱風爐結構形式呈現(xiàn)多樣化發(fā)展的同時，其主要技術特征體現(xiàn)為以下幾點：采用空煤氣低溫雙預熱或富化煤氣，使風溫達到1250℃甚至更高；采用預熱爐預熱助燃空氣，在全燒高爐煤氣的條件下實現(xiàn)1250℃~1300℃風溫；通過優(yōu)化燃燒過程及氣流運動研究，提高氣流分布的均勻性，采用高效格子磚，縮小拱頂溫度與風溫的差值；優(yōu)化熱風管道系統(tǒng)結構，采用無過熱—低應力設計體系，合理設置管道波紋補償器和拉桿，有效處理管道膨脹以降低管系應力，熱風管道采用組合磚結構，消除熱風管道的局部過熱和竄風；采取有效的爐殼晶間應力預防措施，延長熱風爐使用壽命；優(yōu)化熱風爐操作，合理設定熱風爐工作周期，提高熱風爐換熱效率；降低燃料消耗，減少NOx和CO2的排放，實現(xiàn)節(jié)能減排與低碳環(huán)保。
煤氣干法除塵與TRT技術。高爐煤氣干法除塵技術同傳統(tǒng)的高爐煤氣濕式除塵技術相比，提高了煤氣凈化程度、煤氣溫度和熱值，可以顯著降低煉鐵生產過程的新水消耗和動力消耗，還可以提高二次能源的利用效率、減少環(huán)境污染。高爐煤氣干法除塵—TRT技術是現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、實現(xiàn)綠色發(fā)展的重要技術途徑，已成為現(xiàn)代高爐煉鐵技術的發(fā)展方向。目前，我國自主開發(fā)的高爐煤氣干式布袋除塵技術在設計研究、技術創(chuàng)新、工程集成及生產應用等方面取得突破性進展，自主設計開發(fā)的大型高爐煤氣全干式脈沖噴吹布袋除塵技術，完全取消了備用的高爐煤氣濕式除塵系統(tǒng)；研究開發(fā)了高爐煤氣布袋除塵低壓脈沖噴吹清灰技術、煤氣溫度控制技術、煤氣含塵量在線監(jiān)測、除塵灰濃相氣力輸送、管道系統(tǒng)防腐等關鍵核心技術，使大型高爐煤氣全干式布袋除塵技術日臻完善。
富氧噴煤技術。富氧鼓風是現(xiàn)代高爐強化冶煉的有效技術措施之一，可以充分發(fā)揮高風溫、噴煤降焦的綜合作用，提高噴煤量和煤粉燃燒率，對提高煤粉燃燒率和噴煤量的作用十分明顯。以降低高爐燃料消耗為技術目標，以提高風溫、提高噴煤量為技術途徑，以精料技術和優(yōu)化操作為技術保障，高爐富氧噴煤大有可為。
