杨天钧 张建良 刘征建 李克江
目前，中国钢铁行业产能严重过剩，环保和能源压力越来越大，资金链紧绷，上游资源缺乏保障。面对低增长、低价格、低效益和高压力的“新常态”，中国钢铁行业只有通过转型升级，才能找到未来的出路。作为钢铁行业重要的组成部分，炼铁行业肩负着整个行业在资源、能源和减少污染物排放方面的艰巨责任，正转向合理规划、科学发展的关键时期。认清高炉炼铁生产面临的形势与挑战，是实现转型升级的必要前提。
高炉炼铁生产形势解析
生铁产量接近饱和，出现产能过剩。近十几年来，中国炼铁工业高速发展，如图1（a）所示。中国生铁产量从2000年的1.30亿吨，增加到2014年的7.11亿吨，除2008年和2009年受全球金融危机影响，生铁产量略微降低外，每年都保持稳健的上升趋势。中国生铁产量占世界生铁产量的比例变化如图1（b）所示，从21世纪初的22.64%增加到2013年的60.85%，2014年所占比例略有降低（60.38%）。自2008年以后，中国生铁产量一直保持占据世界生铁产量的半壁江山。但是，从图1（b）可以看出，中国生铁产量年增长率自2005年后一直呈现下降趋势，2010年之后一直维持在10%以下，2014年的年增长率为0.37%，产量相比上一年只有略微增加。
2014年，我国生铁产量超过1000万吨的企业数量从2013年的16家增加到18家，但各个企业生铁产量的增速明显放缓，其中首钢、马钢、本钢、武钢、唐钢、日照6家单位均降低了生铁产量。年产生铁500万吨~1000万吨的企业，2012年有28家，2013年有27家，2014年减少到23家。
先进指标与落后指标并存。进入21世纪以来，高炉炼铁指标也得到了明显的改善，如图2所示。从图2（a）可以看出，我国高炉炼铁燃料比已经维持在一个稳定水平，近3年来受原燃料质量的影响，燃料比略微升高，焦比和煤比近3年基本稳定。随着高风温技术的广泛推广，风温从21世纪初的1005℃提高到2012年的最高水平1194.39℃。近两年来风温稍有降低，2014年风温为1134.69℃，如图2（b）所示。资源与能源的短缺已经逐渐成为限制中国炼铁工业发展的重要因素，如图2（c）所示，自2003年以来，高炉入炉品位一直呈现降低趋势，2014年降低到新世纪以来最低水平53.74%。高炉利用系数也在近年来呈现降低趋势，如图2（d）所示。随着我国炼铁技术水平的整体提高，劳动生产率得到了很大提高，如图2（d）所示，近两年也上升到一个稳定的新台阶，当前劳动生产率为5196.45吨/(人·年)。
2014年，我国炼铁企业生产技术指标有所改善。据统计，重点企业中有35家企业燃料比下降，有42家企业煤比有所下降，有39家企业焦比在下降，这一成绩是在入炉矿含铁品位和风温有所下降的条件下取得的。但是也要看到：国际先进水平的燃料比是低于500kg/t，2014年我国只有宝钢等两家企业的燃料比达到这一水平，我国整体水平与国外先进水平相比还存在较大差距。我国目前约有1480座高炉，大于1000m3的高炉约有630座，平均炉容约为770m3，产业集中度较低，炼铁企业之间生产指标差距较大。整体来讲，我国的炼铁企业依然是多层次、多结构，不同企业处于不同水平和发展阶段，导致先进指标与落后指标并存，如表1所示（见06版）。
现代与传统理念并存。面对复杂多变的市场环境，不同层次的炼铁企业也秉持着不同的观念，采用不同的措施应对各种现实的挑战，形成了现代与传统理念并存的状态。例如，少数企业过分追求指标好看，生产数据缺乏真实性和科学性。有的企业仍然习惯于沿用概念落后的“综合焦比”，其喷煤置换比随意性大；还有的企业将焦丁也作为喷吹物看待，置换比低于1.0。这类企业的“综合焦比”显得不高，但燃料比实际不低。
另外，生产指标的调整，需要优先考虑其经济效益。例如，现在仍有少数厂家片面追求高喷煤比，希望在企业对标时具备优势；有的缺乏科学分析，认为煤比焦炭便宜，多喷煤替代焦炭总是合算的。实际上，高炉合理的经济喷煤量，需要考虑高炉原燃料结构和质量、高炉操作条件、原燃料市场价格等因素。具体而言，要充分考虑煤焦价格、原料价格、喷煤量、煤焦置换比和操作水平等，最后应该落实在总燃料消耗和铁水成本的降低。
当前，高炉操作更要遵循科学的理论指导。例如，长期以来，炼铁生产者常常以生铁含Si量来判断炉温和炉缸热状态；但在冶炼低硅生铁时，更要科学地由风口燃烧带热平衡出发来指导高炉操作，注意考察理论燃烧温度，以及焦炭进入燃烧带时的温度。
高炉炼铁行业面临六大挑战
挑战一：配合国家淘汰落后产能。2010年，国务院印发《关于进一步加强淘汰落后产能工作的通知》（国发〔2010〕7号），工业和信息化部已经分3批公布了符合《钢铁行业规范条件（2012年修订）》的共305家钢铁企业名单，合计炼铁产能已达9.3442亿吨。在此范围外，大约还有200家有冶炼产能的企业没有进入名单，有的专家估计，我国粗钢产能在12.5亿吨左右。
根据世界发达国家和产钢大国的发展规律，人均产钢600千克便开始进入峰值平台，5年左右之后开始大幅下降至人均500千克，进入严重过剩阶段。按照这个规律估算，我国人均产钢2013年就已达到600千克，进入峰值平台期已经两年，如果峰值平台期5年左右，那么2018年可能开始大幅下降。如果按人均500千克保守计算，钢产量可能下降到6.5亿吨~7亿吨，即8亿多吨的产量要缩减掉1亿吨~1.5亿吨。与此同时，生铁产量当然要进行相应的缩减。
2010年~2014年，我国淘汰炼铁产能1.2亿吨，在一定程度上缓解了产能过剩的矛盾，促进了产业结构调整和节能减排，为各地发展腾出了土地、能源、资源、市场空间和环境容量。
挑战二：适应低质量和多品种原燃料。高炉炼铁以精料为基础，有些专家认为，精料水平对高炉指标的影响率在70%左右，并认为在高冶炼强度、高喷煤比条件下，焦炭质量对高炉指标的影响率占35%。目前，有些高炉因炉料中有害杂质含量高，炉料容易粉化、强度下降。炉料粉末增多，易在炉身上部结瘤，煤气流紊乱，生产稳定顺行受到影响，结果指标恶化，成本增加。此外，有害杂质对耐火材料的破坏作用，使炭砖和炉墻耐火材料性能劣化，高炉炉底炉缸侵蚀严重，安全生产受到威胁，高炉提前大修，严重影响经济效益。
与此同时，我国铁矿资源严重不足，必须依靠进口。随着全球铁矿石用量不断增长，澳大利亚、巴西等原产国早期的富矿开采殆尽，新开发矿山的品位相对较低，矿商通过调整贫富矿的混合比例、降低铁品位来扩大产量，降低成本，导致其矿石的品质波动较大，杂质含量高，时有不合格现象产生。此外，不同产地、不同矿种的品质特性不一，部分矿种本身的品质稳定性较差，再加上地域、气候以及矿石在储存、装卸、运输过程中各种不可抗力的影响，导致其化学成分、水分、粒度等性质差异较大。铁矿粉化学成分的劣化导致烧结适宜温度区间减小，从而增加配矿的难度，同时减弱其在烧结温度方面的抗波动性，增加烧结过程控制的难度。
焦炭作为高炉冶炼的还原剂、骨架、热量来源和渗碳来源，起着不可替代的重要作用，2014年我国焦炭产量为4.7691亿吨。为了满足高炉顺行和生铁质量的需要，炼焦过程中要求多配优质炼焦煤（主要为肥煤和焦煤）来保证焦炭质量。然而，中国的优质炼焦煤资源日益减少，难以持续满足中国炼铁行业对焦炭的需求。因此，增加弱黏性煤配比，扩大炼焦煤资源是我国目前炼焦工业迫切需要解决的关键技术之一。
挑战三：完成艰巨的节能减排任务。我国已将节能减排作为国民经济发展的基本国策，钢铁工业是节能减排潜力最大的行业之一。炼铁系统的能源消耗、CO2排放占整个钢铁冶金流程能源消耗和排放的比例分别为70%和80%，是钢铁企业节能减排的重点工序。随着低碳经济时代的到来，焦炭资源面临枯竭，环境压力急剧增加，以碳作为能量流和物质流主要载体的高炉炼铁工艺面临前所未有的挑战。
表2所示为中国重点钢铁企业炼铁系统工序能耗，可以看出，2014年与上年相比，各工序能耗均呈下降趋势，这是钢铁企业节能工作所取得的新成绩。部分先进的钢铁企业的部分指标已达到或接近国际先进水平。但是，各种不同层次企业之间节能工作发展很不平衡，企业之间的各工序能耗最高值与先进值差距较大，说明我国钢铁企业还有相当大的节能潜力。
挑战四：达到钢铁行业污染物排放新标准和约束指标。近年来，中国环保形势日益严峻，2015年已经开始执行新的环境保护法，且新的钢铁行业污染物排放标准对SOx和NOx的排放也提出了更加严格的要求。在钢铁冶炼过程的排放物中，约有48%的NOx及51%~62%的SOx来自铁矿烧结工艺，烧结厂已成为钢铁生产工程中SOx和NOx的最大生产源，烧结工序和自备电厂烟气NOx控制是钢铁企业NOx减排的重点。我国现有烧结机约1200台，烧结机总面积约11万平方米，90平方米以上烧结机473台，其总面积约8万平方米。但只有少数烧结机的脱硫装置能保持脱硫效率和同步运行率在80%以上，尚能稳定运行。根据国家新公布的《钢铁工业大气污染物排放标准》（8个专业）要求，约有一半企业没达到标准，还需加强环保意识，加大环保投入，这是关系企业生存和发展的大问题。下一步，应更多地依靠国家强制性的环保标准推进工作。
2014年钢协会员单位废水的化学需氧量（COD）、氨氮、挥发酚、氰化物、悬浮物和石油类的排放量分别下降9.67%、17.70%、1.91%、11.27%、21.50%和15.27%，废气的SO2、烟尘、工业粉尘排放量也分别下降16.63%、7.17%、8.69%，也有相当的进步。
挑战五：加快高炉大型化进程。高炉大型化具有占地小、单位投资低、生产率高、单位容积散热少、工序能耗低、污染物排放少、生产成本低等优点。高炉大型化将为高效、紧凑、长寿以及生产过程环境友好创造条件，降低高炉生产能耗，提高生产效率，并减少CO2和污染物排放。全球高炉均向大型化发展，日本高炉目前的平均容积为4157m3，西欧高炉目前平均容积为2063m3。目前，我国高炉平均炉容约770m3，较国外先进水平还有很大差距。2010年~2014年，我国新增的高炉主要为1000m3~1999m3高炉（新建了182座），其次为1000m3以下高炉（新建了161座），说明高炉大型化的进程任重道远。
挑战六：完善高效、安全长寿高炉技术。据不完全统计，目前，我国约有1400余座高炉，高炉安全运行、延长高炉寿命是对现代大型高炉的必然要求。新世纪以来，许多专家认为，高炉设计寿命应为20年~25年，一代炉役平均利用系数大于2.0t/(m3·d)，一代炉龄单位容积产铁量应达到15000t/m3~20000t/m3。我国炼铁工作者历来重视高炉安全长寿技术的研究，通过研究总结高炉破损机理和高炉反应机理，高炉长寿已经深入人心。虽然我国部分高炉寿命已跻身世界长寿高炉前列，但大部分高炉寿命较国外长寿高炉寿命仍有相当差距，国内外部分高炉的寿命统计如表3和表4所示。
此外，近年来国内外发生的多起炉缸炉底烧穿、风口小套大量烧坏、铜冷却壁部分损坏、炉缸炉底水温差异常升高等严重事故，为高炉生产带来了灾难性困难。因此，针对原燃料变化、高冶炼强度等新形势下高炉安全长寿技术的研究尚待继续深入。
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