孙本科

摘 要：在中国钢铁行业面临产能过剩与环保约束双重压力的背景下，低硅冶炼与高煤比喷吹成为高炉炼铁降本增效的关键技术路径。本文基于硅还原热力学与动力学理论，系统分析了低硅冶炼的实现机理，并结合济钢、莱钢、富伦等钢铁企业的生产实践，阐述了高炉操作制度优化、原燃料管理、造渣制度调整等方面的技术措施。研究表明，通过精料技术、高风温、高富氧、高顶压与高煤比的协同应用，可将铁水[Si]稳定控制在0.25%-0.35%区间，煤比提升至165-175kg/t以上，综合焦比降低40-50kg/t，实现显著的经济效益与社会效益。

关键词：高炉；低硅冶炼；高煤比；协同技术；降本增效

1  引言

中国钢铁行业经过数十年的快速发展，已建立起全球最完整的生产体系，年产量连续多年位居世界首位。然而，产能过剩与环境污染的双重压力日益凸显，国内外市场竞争日趋激烈。“双碳”目标的提出，更对钢铁这一高能耗、高排放行业提出了严峻挑战。降低生产成本、减少碳排放，已成为企业生存与发展的必由之路。

高炉炼铁作为钢铁生产流程中的能耗与排放大户，其技术革新对整个行业的绿色转型具有举足轻重的作用。低硅冶炼通过降低铁水中的硅含量，不仅能为转炉炼钢提供优质原料、减少造渣剂消耗，更能显著降低高炉燃料比、提升产量。与此同时，高煤比喷吹技术利用价格相对低廉的煤粉替代部分焦炭，是降低炼铁成本的有效手段。然而，如何在保持炉缸活跃、铁水温度充足的前提下，实现低硅冶炼与高煤比喷吹的协同运行，是摆在炼铁工作者面前的重要课题。

本文将从理论分析与生产实践两个维度，系统探讨低硅冶炼与高煤比协同技术的实现路径，以期为国内钢铁企业的技术升级提供参考。

2 低硅冶炼与高煤比协同的理论基础

2.1 硅还原的热力学与动力学机理

高炉中铁水中硅的来源主要是焦炭灰分和矿石中的SiO₂。硅的还原是一个逐级进行的过程：首先，焦炭灰分或炉渣中的SiO₂与碳反应生成气态SiO；随后，SiO随煤气流上升，被下落的铁滴吸收并与铁水中的碳发生还原反应，最终生成[Si]。其反应方程式如下：

SiO₂(s) + C(s) = SiO(g) + CO(g) （1）

SiO(g) + [C] = [Si] + CO(g) （2）

SiO₂(s) + 2C(s) = [Si] + 2CO(g) （3）

从热力学角度分析，硅的还原反应是强吸热过程。因此，降低反应区域的温度、提高CO分压、降低SiO₂的活度，均有利于抑制硅的还原。从动力学角度，缩短SiO气体与铁滴的接触时间、减少反应界面面积，同样可降低铁水硅含量。

值得注意的是，在风口回旋区，高温条件下还原进入铁水的硅，在铁滴穿越渣层时会部分重新氧化。这一过程可用下式表示：

[Si] + 2FeO = SiO₂ + 2[Fe] （4）

该反应为放热反应，可提高铁水物理热，这正是“低硅高温铁水”得以实现的理论依据。基于上述机理，实现低硅冶炼的三个主要途径是：降低硅源输入、缩短滴落带高度、提高炉渣氧化性。

2.2 高煤比条件下硅行为的变化特征

高煤比喷吹对炉内硅的还原行为产生两方面影响。一方面，煤粉中的碳氢化合物燃烧产生大量H₂，H₂的导热性优于CO，可改善炉料加热条件；另一方面，大量喷煤会导致理论燃烧温度下降，风口前局部温度降低。根据硅还原的吸热特性，这一变化有利于抑制SiO的生成。

然而，高煤比操作也会带来新的挑战。煤粉灰分中含有相当数量的SiO₂，且煤灰与碳的接触比焦炭更为紧密，反应活性更高，这在一定程度上增加了硅的还原风险。研究表明，焦炭灰分中SiO₂的活度是炉渣中SiO₂活度的10-20倍。因此，高煤比条件下实施低硅冶炼，对煤粉质量的选择和操作制度的配合提出了更高要求。

2.3 低硅与高煤比的耦合机制

从系统工程角度看，低硅冶炼与高煤比喷吹存在内在的耦合关系。提高煤比意味着降低焦比，而焦炭灰分是硅的主要来源之一，因此降低焦比本身有利于减少硅的还原。同时，高煤比往往伴随着高富氧、高风温等强化手段，这些措施通过改变炉内温度场和CO分压，为低硅冶炼创造了有利条件。

研究表明，富氧率每提高1%，铁水w(Si)可降低约0.02-0.03个百分点。其机理在于：富氧提高了煤气中CO分压，抑制了反应（3）的进行；同时，富氧使理论燃烧温度升高，增强了炉缸热状态，但因滴落带高度降低，硅还原反应时间缩短，综合效果仍有利于降硅。

3 低硅冶炼与高煤比协同的关键技术

3.1 精料技术：协同运行的基础

精料是高炉炼铁的基石，也是实现低硅与高煤比协同的前提条件。根据济钢、莱钢的生产经验，高熟料比（>95%）与优质焦炭是成功的关键因素。

（1）焦炭质量控制

焦炭在高炉中不仅提供热量和还原剂，更承担着料柱骨架的核心功能。高煤比条件下，焦炭层减薄，其骨架作用更为突出。莱钢3200m³高炉的实践表明，焦炭M25需大于88%、M10小于7%、CSR大于65%、CRI小于25%，方可满足高强度冶炼需求。济钢350m³高炉通过优化配煤技术，将焦炭灰分控制在12.5%以下，灰分中SiO₂含量降低5-8个百分点，为低硅冶炼创造了原料条件。

（2）烧结矿优化

烧结矿作为高炉的主要含铁原料，其质量直接影响炉内成渣过程和透气性。低硅烧结技术的应用，从源头降低了硅的输入。莱钢进行的低硅烧结试验表明：将烧结矿w(SiO₂)由5.2%降至4.5%，配合适宜的MgO/Al₂O₃比（0.60-0.70）在保证烧结矿强度的前提下，可使高炉入炉硅负荷降低8%-10%。

（3）煤粉选择与制备

高煤比条件下，煤粉质量直接关系到喷吹效果和炉况稳定。富伦炼铁厂的生产实践显示，喷吹煤粉的灰分应控制在11%以下，挥发分在18%-25%之间，-200目细度>75%，水分<1.5%。混合喷吹烟煤与无烟煤的比例通常为3:7至4:6，可兼顾燃烧性能与安全性。

3.2 操作制度优化：协同的实现手段

（1）高风温与高富氧

提高风温是降低焦比、提高煤比的有效手段。风温每提高100℃，可降低焦比15-20kg/t。莱钢3200m³高炉通过热风炉系统改造，将风温稳定在1200℃以上，为高煤比操作提供了充足的热量补偿。

富氧不仅能提高产量，更是抑制硅还原的有效手段。济钢1750m³高炉的实践数据显示：富氧率由2.5%提升至4.0%，铁水w(Si)由0.45%降至0.32%，同时允许煤比提高10-15kg/t。富氧与高煤比的配合，实现了“以氧代焦、以煤代焦”的双重效益。

（2）高压操作

提高炉顶压力可延长煤气在炉内的停留时间，改善间接还原，同时提高CO分压抑制硅还原。富伦1250m³高炉将顶压由160kPa提高至185kPa后，煤气利用率提升2-3个百分点，铁水w(Si)降低0.06%，燃料比下降8kg/t。

（3）大矿批与合理气流分布

扩大矿批可稳定料层结构，减少塌料和管道气流，改善煤气利用率。济钢1750m³高炉将矿批由48t逐步扩大至56t，煤气利用率由45.5%提升至47.8%，综合焦比降低12kg/t。同时，通过调整装料制度（如增加中心焦量、调整矿石平台宽度），形成“中心畅通、边缘适当抑制”的气流分布模式，可有效降低滴落带高度，减少硅还原反应时间。

3.3 造渣制度优化：兼顾脱硫与降硅

低硅冶炼的核心难题在于：如何在降低铁水硅含量的同时，保证脱硫能力和铁水物理热。造渣制度的优化是破解这一矛盾的关键。

提高炉渣碱度（二元碱度R=CaO/SiO₂由1.10提升至1.20-1.25），可促进铁水中[Si]在渣铁界面的再氧化，这是实现“低硅高温”的理论基础。然而，碱度过高会增大炉渣黏度，影响脱硫动力学条件。因此，需在碱度、镁铝比、流动性之间寻求平衡。

实践经验表明，渣中w(MgO)控制在8%-10%、w(Al₂O₃)控制在14%-16%、镁铝比0.60-0.65较为适宜。莱钢的工业试验显示，按此标准控制炉渣成分，在铁水w(Si)=0.25%的条件下，脱硫效率仍可达85%以上，铁水w(S)稳定在0.020%-0.025%。

3.4 高煤比喷吹的技术要点

实现高煤比（>170kg/t）需把握以下技术要点：

（1）理论燃烧温度控制

煤粉在风口前燃烧需要吸收热量，大量喷煤会导致理论燃烧温度下降。研究表明，理论燃烧温度低于2100℃时，煤粉燃烧率显著降低，未燃煤粉增多，影响料柱透气性。通过富氧（提高氧过剩系数）、高风温（提高入炉热量）可补偿温度损失，维持适宜的理论燃烧温度（2100-2250℃）。

（2）煤粉燃烧动力学条件

煤粉在风口前的停留时间极短（约0.01-0.03秒），提高燃烧效率是高煤比的关键。富伦炼铁厂通过优化喷煤枪角度（与直吹管夹角15-20°）、提高煤粉细度（-200目>75%）、提高富氧率（>3.5%），将煤粉燃烧率提升至85%以上。

（3）透气性管理

煤比提高后，未燃煤粉量增加，可能恶化料柱透气性。通过提高顶压、改善矿石粒度组成（<5mm粉末控制在5%以下）、适度发展中心气流，可缓解透气性恶化趋势。

4 典型企业生产实践案例

4.1 济钢低硅冶炼与高煤比协同实践

济南钢铁集团作为山东省重要的钢铁生产基地，在低硅冶炼与高煤比技术领域积累了丰富经验。济钢1750m³高炉于2011-2012年开展了系统的降硅提煤技术攻关。

（1）原料优化措施

攻关前，该高炉铁水[Si]维持在0.40%-0.50%，煤比145kg/t，燃料比545kg/t。首先从精料入手：将烧结矿w(SiO₂)由6.0%降至5.0%，同时将MgO含量控制在2.2%-2.5%；焦炭灰分由12.8%降至12.0%，M25由89.5%提升至91.2%。原料条件的改善，为后续操作调整奠定了基础。

（2）操作制度调整

高炉操作实施“四提高、一扩大”策略：提高风温（由1150℃提至1210℃）、提高富氧率（由2.8%提至4.2%）、提高顶压（由160kPa提至185kPa）、提高煤比（由145kg/t逐步提至168kg/t）、扩大矿批（由48t陆续扩至58t）。

（3）实施效果

历经6个月的技术攻关，该高炉铁水[Si]由0.45%降至0.26%，硅偏差控制在0.25%±0.05%；煤比由145kg/t提升至168kg/t；焦比由378kg/t降至345kg/t；综合焦比由540kg/t降至505kg/t；利用系数由2.45t/(m³·d)提升至2.68t/(m³·d)。年经济效益测算显示：焦炭节约3.2万吨、煤粉用量增加但成本整体下降、铁水增产5.8万吨，综合年创效逾8000万元。

4.2 莱钢大型高炉低硅冶炼实践

莱钢3200m³大型高炉是国内较早实现低硅冶炼与高煤比协同的现代化高炉之一。

（1）炉缸活性管理

大型高炉对炉况波动更为敏感。莱钢建立了以“炉芯温度”为核心的炉缸活性监测体系，将炉芯温度控制在450-550℃区间。当炉芯温度下降时，及时提高炉温、增加中心焦量以恢复活性。这一管理措施的贯彻，使得在铁水[Si]降至0.23%时，炉缸工作依然均匀活跃。

（2）煤粉混喷技术

莱钢采用烟煤与无烟煤混合喷吹工艺（烟煤比例30%-40%），并配加5%-8%的兰炭粉，有效降低了喷吹成本。通过优化磨机参数，将煤粉细度控制在-200目筛余<8%，水分<1.2%，确保煤粉在风口前充分燃烧。

（3）渣系优化

针对低硅冶炼对脱硫能力的影响，莱钢将炉渣二元碱度由1.15提升至1.25，MgO含量控制在9.5%-10.5%，Al₂O₃含量14.5%-15.5%。在此渣系条件下，铁水物理热始终维持在1480-1500℃，脱硫效率稳定在88%以上。

（4）实施效果

经过两年的持续优化，莱钢3200m³高炉实现了铁水[Si]=0.22%-0.26%、煤比165-175kg/t、燃料比505-515kg/t的稳定运行，综合指标达到国内同类型高炉先进水平。

4.3 富伦炼铁厂增煤降硅技术应用

富伦炼铁厂1250m³高炉在资源条件相对一般的背景下，走出了一条适合自身实际的低硅冶炼与高煤比协同之路。

（1）应对原燃料波动的对策

受市场因素影响，富伦高炉入炉焦炭质量时有波动。为此，该厂建立了“超前预判-动态调整”机制：当焦炭质量下滑时，适当降低煤比（由160kg/t降至150kg/t）、提高焦炭负荷、控制冶炼强度，待炉况稳定后再逐步恢复喷吹量。这种柔性操作模式有效降低了原燃料波动对炉况的冲击。

（2）出铁管理优化

低硅冶炼条件下，铁水流动性增强，对出铁管理提出更高要求。通过缩小出铁间隔（由20min缩至15min）、增加铁口维护频次、优化配罐模式（“4+4”模式），确保渣铁及时排净，避免了炉缸积存对透气性的影响。

（3）取得成效

2023年下半年，富伦1250m³高炉铁水[Si]由0.38%降至0.28%，煤比由148kg/t提升至162kg/t，燃料比由538kg/t降至518kg/t，年创效逾3000万元。

4.4 其他企业技术经济指标对比

综合国内典型企业的生产实绩，低硅冶炼与高煤比协同技术的应用效果如表1所示。

5 技术经济分析

5.1 经济效益测算

低硅冶炼与高煤比协同技术的经济效益主要来自三个方面：

（1）燃料成本节约

以济钢1750m³高炉为例，实施协同技术后，焦比由378kg/t降至345kg/t（降低33kg/t），煤比由145kg/t升至168kg/t（增加23kg/t）。按焦炭价格2500元/t、煤粉价格1200元/t计算，吨铁燃料成本变化为：-33×2.5 + 23×1.2 = -82.5 + 27.6 = -54.9元/t。年产量按150万t计，年节约燃料成本约8235万元。

（2）产量提升效益

利用系数由2.45t/(m³·d)提升至2.68t/(m³·d)，年增产约12万吨。按吨铁利润200元计，年增效2400万元。

（3）炼钢工序效益

低硅铁水用于转炉炼钢，可减少造渣剂消耗5-8kg/t、缩短吹炼时间、提高钢水收得率，吨钢综合效益约15-20元。按铁水全部用于炼钢计，年创效2250-3000万元。

三项合计，济钢1750m³高炉年综合效益约1.3亿元。莱钢3200m³高炉的效益分析显示，仅燃料成本一项，年节约就超过1亿元。

5.2 社会效益与碳减排贡献

低硅冶炼与高煤比协同对碳减排的贡献显著。按焦比降低33kg/t、煤比增加23kg/t计算，吨铁CO₂排放变化为：ΔCO₂ = (-33×0.85 + 23×0.67)×44/12 ≈ (-28.05 + 15.41)×3.667 = -46.4kg/t（以CO₂计）。年产量150万吨，年减排CO₂约7万吨。

若考虑低硅冶炼对炼钢工序的减排贡献（减少石灰烧成CO₂排放），综合减排效果更为可观。这与国家“双碳”战略高度契合，是企业承担社会责任的具体体现。

6 结论

（1）低硅冶炼与高煤比喷吹存在内在耦合机制：高煤比降低焦比从而减少硅源输入，而高富氧、高风温等配套措施形成的温度场与气氛条件有利于抑制硅还原，二者可协同实现“降硅增煤、减焦增效”的目标。

（2）精料是协同技术成功的前提。高熟料比（>95%）、优质焦炭（M25>88%、CSR>60%）、低硅烧结（w(SiO₂)<5.8%）以及高品质煤粉（灰分<11%、细度>75%）构成原料保障体系。

（3）操作优化是协同目标的实现手段。高风温（>1200℃）、高富氧（3.5%-4.5%）、高顶压（>180kPa）、大矿批的“三高一扩大”策略，为低硅高煤比运行提供技术支撑。

（4）造渣制度是平衡“低硅”与“高温”“脱硫”的关键。适宜的碱度（R=1.20-1.25）、镁铝比（0.60-0.70）及MgO含量（8%-10%），可在铁水w(Si)=0.25%条件下保证脱硫率和铁水物理热。

（5）济钢、莱钢、富伦等企业的生产实践表明，协同技术可使铁水w(Si)稳定在0.25%-0.30%、煤比提升至160-170kg/t、燃料比降至505-520kg/t，综合创效显著，且具有可观的碳减排效益，具有推广应用价值。

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