孙本科

摘  要：原燃料质量是决定高炉稳定顺行与技术经济指标的核心基础条件。本文基于中型高炉对原燃料质量的要求，系统分析了烧结矿、球团矿、块矿等含铁原料以及焦炭、喷吹煤粉等燃料的物理性能与冶金性能对高炉冶炼过程的影响机理。结合济南钢铁1#1750m³高炉、唐钢新区高球比冶炼高炉、武钢8号高炉等企业的生产实践数据，定量阐述了烧结矿转鼓强度、低温还原粉化指数（RDI）、焦炭反应后强度（CSR）及反应性指数（CRI）等关键指标对炉况顺行、燃料比及产量的影响规律，并分析了碱金属与锌等有害元素对高炉冶炼的多重危害。研究表明，中大型高炉应建立以焦炭CSR≥68%、CRI≤27%、烧结矿转鼓强度≥78%为核心的原燃料质量控制体系，并实施槽下筛分精细化管理与“攻、守、退”动态操作方针，方可实现高炉长周期稳定顺行与低碳低耗冶炼。

关键词：中型高炉；原燃料质量；烧结矿；焦炭；冶炼机理；案例实践

1  引言

“七分原料三分操作”是炼铁界长期奉行的基本理念，其核心在于强调原燃料质量在高炉冶炼中的决定性作用。炼铁学基本理论和高炉生产实践均证明，优化高炉炼铁原燃料的质量和冶金性能既是高炉高效化、大型化、长寿化、节能减排的前提条件，也是降低污染物排放、实现绿色制造的基本条件。精料技术对高炉生产指标的影响率在70%，工长操作水平的影响占10%，企业现代化管理水平占10%，设备作业水平占5%，外界因素占5%。在高冶炼强度、高喷煤比条件下，焦炭质量变化对高炉指标的影响率在35%左右。

随着高炉大型化进程的加速——国内已形成以1000-3000 m³级高炉为主体的装备格局——高炉对原燃料质量的要求随炉容增加而严苛。随炉容增加高炉炉内料柱更高、软熔带更厚、煤气流分布更复杂，原燃料的任何微小波动都可能被放大为炉况的重大扰动。在此背景下，单纯依赖操作调整已难以弥补原燃料质量劣化带来的不利影响。操作、设备、原料与质检数据的准确性已形成同等重要的“四位一体”管控格局。

炼铁精料技术的核心内涵可概括为八个方面：高、熟、稳、均、小、净、少、好。“高”即入炉矿含铁品位高、原燃料转鼓强度高、烧结矿碱度高；“熟”即熟料入炉比例高，一般大于80%；“稳”即原燃料质量和供应数量要稳定，要求炉料含铁品位波动±<0.5%，碱度波动±<0.08倍，FeO含量波动±≤1.0%；“均”即入炉原燃料粒度要均匀；“小”即入炉原燃料粒度要偏小；“净”即原燃料要干净，粒度小于5mm占总量比例的5%以下；“少”即有害杂质要少；“好”即铁矿石的冶金性能要好。

2　含铁原料质量对高炉冶炼的影响机理

2.1　烧结矿质量

烧结矿通常占高炉含铁炉料的65%-80%，其质量直接影响高炉上部的透气性、中部的还原效率以及下部的软熔带特征。

2.1.1　物理性能——转鼓强度与粒度

烧结矿的转鼓指数是衡量其冷态强度的核心指标。对于1000-3000 m³级高炉，入炉铁烧结矿技术标准要求转鼓指数≥75.0%，5-10mm粒级≤30.0%，-5mm粒级≤6.5%。对于中大型高炉，一般要求烧结矿转鼓强度≥78%。转鼓强度不足的烧结矿在多次转运过程中会产生大量粉末，这些粉末入炉后填充于大颗粒物料的空隙之中，阻塞煤气流上升通道，导致边缘气流发展或局部管道行程。

从粒度角度看，小粒度烧结矿入炉不仅直接降低料柱透气性，更严重的是造成布料偏析——粉末在料罐碰撞点沉积，中心部位小粒度物料占比畸高，而大颗粒物料向边缘滚落，导致炉喉径向粒度分布严重不均。这种偏析效应在大型高炉中尤为突出。

2.1.2　冶金性能——低温还原粉化性与还原性

烧结矿的低温还原粉化性（RDI）是影响高炉上部块状带透气性的关键指标。对于1000-2000 m³级高炉，要求RDI（+3.15mm）≥64.0%，RDI（-0.5mm）≤9.0%。当炉料中Fe₂O₃与上升煤气中的CO接触后，晶体结构产生内应力导致破裂粉化。RDI+3.15指标越低（即粉化越严重），炉料空隙度越低，料柱透气性越差，炉身结瘤风险随之增加。

（1）MgO/Al₂O₃的影响。 研究表明，当MgO/Al₂O₃为1.06-1.22时，烧结矿中骸晶状赤铁矿含量较低，低温还原粉化性能较好。MgO/Al₂O₃过高时，磁铁矿发展和多孔结构增加反而恶化粉化性能。

（2）FeO的影响。 随着FeO由8.3%升高至9.8%，烧结矿低温还原粉化性能得到有效改善，但FeO继续升高时还原性指标开始下降。1000-3000 m³级高炉入炉铁烧结矿要求FeO含量为7.0%-11.0%。因此，在满足粉化指标的前提下，应控制FeO在10%以内。

（3）碱度R的影响。 入炉铁烧结矿碱度R₂要求为1.80-2.25。烧结矿碱度由1.83%提高至1.96%时，RDI+3.15指标显著提升。当R₂低于1.85时，每降低0.1个碱度单位，将影响燃料比和产量各3.0%-3.5%。高碱度烧结矿的碱度一般在1.8-2.2倍，炉料的转鼓强度高、还原性好。

（4）TiO₂的影响。 TiO₂含量降低有利于RDI+3.15的提升。TiO₂主要存在于玻璃相中，降低了玻璃相的断裂韧性，使粉化加剧。

烧结矿的还原性则直接影响煤气利用率和燃料比。还原性低的烧结矿在上部块状带气体还原量减少，迫使更多氧化物依赖下部直接还原完成脱氧，导致吨铁燃料比上升。入炉铁烧结矿还原度（RI）要求≥65.0%。

2.1.3　高温性能——软熔性与熔滴性

烧结矿的软化开始温度一般要求≥1100℃，软化终了温度在1300-1350℃，软化温度区间控制在100~120℃较为适宜。软化开始温度低意味着软熔带增厚，料柱压差升高。熔滴性能则更为关键——熔滴带的阻力损失约占高炉总阻力损失的60%，是高炉下部顺行的限制性环节。这也是高炉操作理念从长期以“上部操作为主”转向以“下部操作为主”的根本原因。

2.2　球团矿质量

随着绿色低碳冶炼的推进，高比例球团矿冶炼已成为重要技术方向。对于1000-3000 m³级高炉，入炉酸性球团矿技术标准要求：TFe≥61.0%，FeO为2.0%-2.5%，SiO₂为2.5%-6.5%，抗压强度≥2150N/个球，转鼓指数TI（+6.3mm）≥88.0%，还原膨胀指数RSI≥65.0%，还原度RI≥65.0%。碱性球团矿要求抗压强度≥1200N/个球。

中型高炉对球团矿的关注重点包括粒度、冷态抗压强度、膨胀特性及软熔温度。球团矿粒度波动范围相对较小，但粒度范围过大时对透气性产生不利影响。抗压强度好的球团矿可达2800N，差的则低于2000N。酸性球团矿对CaO较为敏感，当R₂>0.25时膨胀趋势显著增强，尤其在炉内存在碱金属时会发生过度膨胀而产生粉末。

2.3　块矿质量

块矿属于“生矿”，冶金性能通常逊于烧结矿和球团矿。其主要问题包括：（1）软化温度较低、软熔带较宽，透气性差；（2）热爆裂性能差，中温区爆裂后产生大量粉末。研究表明，澳矿块矿热爆裂性随爆裂温度升高显著恶化，爆裂温度从400℃升高至800℃时，热爆裂指数和烧损分别增至20.29%和5.61%；（3）SiO₂/Al₂O₃较低，影响造渣和炉渣流动性。因此，在大幅提高块矿配比时须审慎评估其冶金性能。

3　燃料质量对高炉冶炼的影响机理

3.1　焦炭质量

焦炭在高炉中承担料柱骨架、发热剂、还原剂和渗碳剂四大功能，其质量对大型高炉的稳定顺行具有决定性影响。除常规的固定碳、灰分、挥发分、硫分等指标外，焦炭的冷态强度（M40、M10）和热态性能（CRI、CSR）是关键评价指标。

3.1.1　冷态强度——M40与M10

焦炭的机械强度要求：抗碎强度（M40）≥80%（一级焦）、≥75%（二级焦），耐磨强度（M10）≤8%（一级焦）、≤10%（二级焦）。大型高炉（≥1000m³）应选用一级焦，M40≥85%、CSR≥65%。中国大型高炉所用焦炭M40在88%~91%，M10在5.0%~6.5%。高炉炼铁要求焦炭M40≥83%。

M40反映焦炭的抗碎强度，M10反映耐磨强度。较高的M40和较低的M10有利于提高块状带透气性。研究表明，M10对高炉冶炼过程的影响是M40的3.6倍。因此，在追求M40提高的同时必须确保M10得到有效控制。

3.1.2　热态性能——CRI与CSR

焦炭的反应性指数（CRI）要求≤25%，反应后强度（CSR）要求≥60%。高炉（2000 m³以上容积，喷煤比在160kg/t以上）要求焦炭质量更好：M40≥85%，M10≤6.5%，灰分≤12.0%，硫分≤0.6%，CSR≥65%，CRI≤26%，同时要求焦炭中K₂O+Na₂O的含量＜3.0kg/t。

从900℃起，焦炭开始于CO₂反应，一直持续到1000℃，这个区域内焦炭发生的劣化是由机械磨损和温和的气化反应造成的。M10指标的优劣决定了这个区间内的磨损状况。在软熔带（1000-1300℃）焦炭反应速率增加，焦炭与CO₂气体反应较为激烈。CRI越高，焦炭在高温区的失重越大，耐磨强度下降越显著。CSR则反映焦炭反应后保持粒度的能力，与CRI呈反比关系。

CSR下降对高炉的影响机理包括：（1）软熔带焦窗变薄，透气性变差；（2）风口焦炭燃烧量下降，炉温向凉；（3）高喷煤比能力下降；（4）炉缸死焦堆孔隙度变差，透液性下降，加剧炉缸环流侵蚀。

据酒泉钢铁的经验总结，焦炭质量对高炉冶炼过程影响程度的排序依次为M10、M40、CRI、CSR。

3.2　喷吹煤粉质量

喷吹煤粉的质量指标包括灰分、挥发分、固定碳、水分、可磨指数及发热值。从产生热量的角度，灰分和挥发分含量越低，煤粉质量越好。需特别关注的是风口喷煤的均匀性。一旦局部风口断煤，该风口仅燃烧焦炭，火焰温度大幅上升；而断煤风口的煤量分配给其他风口，降低了其他风口的燃烧温度，造成软熔带的严重不对称。高炉煤比越高，这种不对称性越严重。因此，确保全风口均匀喷吹是大型高炉稳定运行的基本前提。

4　有害元素的影响

碱金属（钾、钠）和锌是危害高炉冶炼的主要有害元素。碱金属对焦炭溶损反应（C+CO₂→2CO）起催化作用，增加燃料消耗；同时造成焦炭和炉料强度下降，恶化料柱透气性。碱金属和锌还粘附于炉墙形成炉瘤，严重时可导致悬料和滑料。此外，碱金属侵蚀碳基耐火材料，降低炉衬使用寿命。

对于1000-3000 m³级高炉，入炉原料中有害元素控制标准为：K₂O+Na₂O≤4.00kg/t，Zn≤0.50kg/t。行业认可的高炉碱金属负荷可接受的控制标准为3.0kg/t，大型高炉碱金属负荷可接受的控制标准为2.2kg/t。国内大型钢铁企业入炉碱负荷正常生产时为1.5kg/t左右，控制标准为小于2.0kg/t。

济南钢铁炼铁厂的研究表明，碱金属和锌金属主要由烧结矿和球团矿带入，其中烧结矿带入的碱负荷、锌负荷占总量的1/2以上，球团矿和焦炭是高炉碱负荷、锌负荷的另一重要收入项，尤其球团矿的锌含量达到总量的40%以上。首钢大型高炉的研究也证实，由烧结矿、焦炭、球团矿带入高炉的碱金属和锌含量达到入炉量的80%以上。

方大特钢4号高炉因炉缸异常开裂被迫停炉，调查分析确认最主要原因是Zn对高炉内衬的严重侵蚀破坏，其次是碱金属Na的侵蚀。这一案例警示，必须严格控制入炉有害元素负荷。

5　典型案例分析

5.1　济南钢铁1#1750m³高炉——原燃料质量管理与炉况恢复

济南钢铁1#1750 m³高炉2010年2月炉况波动较大，主要表现为崩料频繁、日产量偏低、燃料比偏高。原因分析表明：（1）原燃料质量波动是主要原因，B高炉槽下焦炭筛分采用陶瓷筛板，筛分效果较差，入炉粉焦量较多；（2）装料制度不匹配，虽采用“中心加焦”模式，但频繁崩料导致调整失效。

通过采取强化原燃料质量管理、优化装料制度、活跃炉缸及强化设备管理等措施，炉况逐步改善。2010年3月，燃料比降低至515kg/t以下，煤比突破160kg/t，日产量突破5100t/d。该案例的核心启示在于：中大型高炉的原燃料质量管理必须贯穿从槽下筛分到炉内布料的全流程，任何环节的疏漏都可能导致炉况的连锁恶化。

5.2　唐钢新区——高球比冶炼对焦炭质量的要求

唐钢新区3座高炉采用35%-40%高比例球团矿冶炼，对焦炭质量提出了更为严苛的要求。生产数据表明，焦炭平均粒度、CSR与焦比呈负相关关系，而焦炭灰分、CRI与焦比呈正相关关系。在唐钢新区目前原料条件下，焦炭灰分＜12.5%、平均粒度＞48mm、M10＜6.0%、CRI＜22.0%、CSR＞68.5%时，高炉顺行可得到保证，焦比可控制在310kg/t以内。唐钢2号高炉球团矿入炉比例由开炉时的20%逐步稳定在40%左右，实现了高产低耗。

这一案例表明，随着炉料结构的变化（如球团矿比例提高），对燃料质量的要求也需要相应调整和提升。

5.3　武钢8号高炉——原燃料质量稳定性的重要性

武钢8号高炉的炉况波动分析表明，原燃料质量的稳定是保证炉况顺行的根本，要重点监控焦炭、烧结矿、喷吹煤的成分变化，高炉操作要根据原燃料质量的变化早调、微调。武钢7号高炉（3200 m³）在2023年6月因原料大幅波动，造成炉况失常，给高炉生产造成了巨大损失。这一案例警示：即使是大修后取得了良好操作指标的高炉，原燃料的剧烈波动仍可能造成严重后果。

6　中大型高炉原燃料质量主要指标范围

综合国家标准、行业标准及生产实践，中大型高炉（≥2500 m³级）原燃料质量主要控制指标建议如下：

烧结矿： 转鼓指数≥78.0%，抗磨指数≤6.0%，-5mm粒级≤5.0%；RDI（+3.15mm）≥65.0%，还原度RI≥65.0%；FeO含量7.0%~10.0%，碱度R₂ 1.80~2.20，TFe≥57.0%。

球团矿： 抗压强度≥2500N/个球，转鼓指数TI（+6.3mm）≥88.0%，还原膨胀指数RSI≤20.0%，还原度RI≥65.0%。

焦炭： M40≥85.0%，M10≤6.5%；CSR≥65.0%（大型高炉建议≥68.0%），CRI≤26.0%（大型高炉建议≤25.0%）；灰分≤12.0%，硫分≤0.6%，水分＜5.0%。

有害元素： 碱金属（K₂O+Na₂O）负荷≤3.0kg/t（大型高炉建议≤2.2kg/t），锌负荷≤0.30kg/t。

7　结论与建议

（1）中大型高炉对原燃料质量的要求更为严苛。烧结矿转鼓强度应≥78%、RDI+3.15指标≥65%；焦炭CSR≥68%、CRI≤27%、M40≥85%、M10≤6.5%应作为基本控制标准。

（2）原燃料质量对高炉的影响具有“放大效应”——小粒度粉末入炉造成布料偏析和透气性恶化，有害元素富集导致炉墙结厚和炉衬侵蚀，焦炭热态性能不足引发软熔带透气性恶化。这些影响在大型高炉中尤为显著。

（3）槽下筛分管理是原燃料质量控制的“第一道防线”。应确保筛板完好、不结筛，实现粒度分级入炉，确保入炉粉末（＜5mm）控制在5%以下。济南钢铁1#1750 m³高炉的教训表明，筛分效果差异直接影响入炉粉焦量，进而决定炉况稳定程度。

（4）建立“攻、守、退”动态操作方针。在原燃料质量优良时主动强化冶炼（“攻”）；质量波动时稳定操作参数、控制冶炼强度（“守”）；质量恶化时及时退守、避免炉况失控（“退”）。

（5）严格控制有害元素入炉。碱金属负荷应控制在≤3.0kg/t、锌负荷≤0.30kg/t以内。方大特钢4号高炉的教训表明，忽视有害元素控制可能造成灾难性后果。

（6）建议中大型高炉建立原燃料质量预警与动态调剂机制，将原燃料质量管理从“被动应对”转向“主动预防”，实现高炉长周期稳定顺行与低碳低耗冶炼的双重目标。

参考文献

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