摘  要  通過介紹現(xiàn)有的幾種主要的煉鐵工藝的具體情況，分析每種煉鐵工藝的優(yōu)缺點，分析煉鐵工藝的改進(jìn)和發(fā)展方向，希望能夠進(jìn)一步改善煉鐵工藝。為煉鐵工藝的進(jìn)一步發(fā)展提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞  主要煉鐵工藝  優(yōu)點  缺點

1  前言

了解煉鐵工藝，需要先從鋼鐵冶金說起。所謂的鋼鐵冶金，是指從含鐵的礦石原料中提取出鐵水的過程，一般是通過高溫加熱的方式完成的。提煉出來的鐵水也就是生鐵。這個加工處理的過程又可以分為煉鐵和煉鋼兩種。伴隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在煉鐵和煉鋼的技術(shù)不僅僅包括提煉的過程，還包括了其上游的一些工序。

煉鐵和煉鋼的工藝還是有明顯區(qū)別的，煉鐵是把鐵礦石中的鐵純化的過程，得到的鐵水就是生鐵，當(dāng)然生鐵也不是純粹的鐵，世界上是不存在純粹的鐵的，生鐵只是鐵含量較高。煉鐵的本質(zhì)是一個還原的過程。煉鋼則完全不同，煉鋼是以生鐵活廢鋼為原料，經(jīng)過熔煉得到合格的鋼液，并利用模具澆鑄成需要的形狀的過程。煉鋼本質(zhì)上是一個氧化的過程。

可以看出，煉鐵的成品生鐵是煉鋼的原料，而煉鋼的成品因為強(qiáng)度高韌性好，可以加工成多種多樣的鋼材制品，有更廣泛的應(yīng)用。但是煉鋼的前提是煉鐵。這就充分明確了煉鋼和煉鐵的關(guān)系和區(qū)別。

本文主要講解煉鐵的方式和優(yōu)缺點，從煉鋼和煉鐵的關(guān)系可以看出煉鐵技術(shù)的改善也可以從根源上為煉鋼技術(shù)提供保障，從而為鋼鐵的使用提供更好的支撐。這也是研究煉鐵工藝的動力所在。

2  鋼鐵冶金的重要性

鋼鐵是重工業(yè)的基礎(chǔ)，是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱，是社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可缺少的重要資源。上文從煉鋼和煉鐵的關(guān)系闡述了鋼鐵之間的聯(lián)系，概述了鋼鐵對經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展的作用，下面從幾個具體的方面來展現(xiàn)鋼鐵在日常生活和社會發(fā)展中的重要作用：

2.1  交通

交通隊一個國家和一個城市發(fā)展的重要性不言而喻，而現(xiàn)今社會，遠(yuǎn)行的主要方式就是鐵路和航空。鐵路的發(fā)展很明顯離不開鋼鐵，鐵軌、火車都是鋼鐵鑄造而成；航空設(shè)備中，飛機(jī)的發(fā)動機(jī)、起落架、主梁等關(guān)鍵部分都是鋼鐵鑄造而成。除了遠(yuǎn)行之外，現(xiàn)在城市里人們出行的主要方式是開車，汽車的主要原諒也是鋼鐵。由此看來，沒有鋼鐵就沒有各種交通工具，鋼鐵對交通的重要性可想而知。

2.2  建筑

除了出行，另一個人們生活必不可少的因素就是住宅。我們經(jīng)常可以見到各種廠房、高樓、造型奇特的商場、劇院、音樂廳、博物館甚至大學(xué)的圖書館等，很多都是利用了鋼結(jié)構(gòu)做出漂亮而結(jié)實的造型。鋼結(jié)構(gòu)建筑更堅固耐用，有利于抗震，易于維護(hù)，有利于環(huán)境保護(hù)，可以實現(xiàn)各種造型，使建筑更加美觀。事實上，建筑用鋼通常在鋼的使用中占據(jù)首位。

2.3  國防

鋼鐵在國防中的使用更是顯而易見，槍、炮、坦克、飛機(jī)等無不需要鋼鐵作為原料來制造，甚至衛(wèi)星和運(yùn)載火箭也是以鋼鐵作為原料的。海軍的軍艦和潛水艇也離不開鋼鐵，所以鋼鐵是國防用具的最基本的原料。

2.4  能源

能源的重要性也是不言而喻的，常見的能源種類有石油、煤炭、電能等。在石油開采中需要鉆臺、井架、石油平臺等，都是需要用大量的鋼來建成的，就連輸送石油的輸油管道也是鋼結(jié)構(gòu)的。對于煤炭資源而言，在采集過程中要實現(xiàn)機(jī)械化也需要用鋼。電能設(shè)備中，常見的發(fā)電設(shè)備也是用鋼材制成的。

從上述幾個方面可以看出鋼鐵在國家建設(shè)和人們的日常生活中發(fā)揮著非常重要的作用，為社會發(fā)展做出了不可替代的貢獻(xiàn)。因此，進(jìn)一步提高鋼鐵冶煉技術(shù)，對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展至關(guān)重要。而鋼鐵冶金的基礎(chǔ)在煉鐵，要改善提高煉鐵技術(shù)，首先要充分了解現(xiàn)有的煉鐵工藝。

2  我國現(xiàn)有的主要煉鐵工藝

我國現(xiàn)有的煉鐵工藝主要有以下幾種：高爐煉鐵工藝、直接還原煉鐵、熔融還原煉鐵。后兩種又被統(tǒng)稱為非高爐煉鐵工藝。下面我們來詳細(xì)了解這幾種煉鐵工藝：

2.1  高爐煉鐵工藝

高爐煉鐵是目前占據(jù)絕對主導(dǎo)地位的煉鐵工藝，我國已經(jīng)掌握了此項工藝的精髓，高爐煉鐵因為發(fā)展時間長、技術(shù)比較成熟、產(chǎn)量大燈優(yōu)勢，在世界煉鐵工藝中也一樣居于主體地位，全世界有九成以上的鐵都是高爐煉鐵的方式煉出來的。

（1）原料

高爐煉鐵的原料主要有燒結(jié)礦、球團(tuán)礦、塊礦和焦炭。我們文章所說的煉鐵工藝包括其上游的一些程序，指的就是包括這些原料的制作過程。其中最主要的是焦炭的生產(chǎn)。

焦炭在高爐煉鐵中充當(dāng)發(fā)發(fā)熱劑、還原劑和料柱骨架。越大的高爐對焦炭的要求就越嚴(yán)格。但是焦炭是主焦煤煉制而成的，煉制的過程比較復(fù)雜，需要的設(shè)備投資極高，而且煉制焦炭的過程中污染非常嚴(yán)重，另外，煉焦煤的資源有限，越用就會越少，這就要求人們用新的方式來煉鐵。而對于高爐煉鐵來說，目前并沒有別的原料來代替焦炭。因此，后來出現(xiàn)了 高爐噴吹煤粉工藝，它相比于焦炭來說，能減少污染，節(jié)約能源，生產(chǎn)噴煤的車間投資相對焦化廠來說也小很多，算來此項工藝代替焦炭會產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)利益。

（2）主要煉制過程

將煉鐵原料放進(jìn)高爐，利用高溫實現(xiàn)鐵和氧元素的化學(xué)分離，分離后的金屬與脈石的熔融態(tài)機(jī)械分離，在高爐底部變成純度和溫度都合格的鐵水。高爐煉鐵是在原料在高爐中的下降和煤氣在高爐中的上升這一過程中經(jīng)過一系列物理化學(xué)反應(yīng)得到最終的狀態(tài)，在煉鐵過程中，要保持原料在爐內(nèi)均勻下降和煤氣正常上升，這是煉鐵的關(guān)鍵。

2.2  非高爐煉鐵

（1）直接還原煉鐵

直接還原煉鐵又分為煤基直接還原和氣基直接還原兩種。其中煤基直接還原又被稱為轉(zhuǎn)底爐工藝，也被稱為第三代煉鐵技術(shù)。但是研究人員認(rèn)為這種方式不是最好的煉鐵工藝流程，還不能夠代替高爐煉鐵的工藝，但可以處理含鋅的的鋼鐵，所以在目前國內(nèi)有少量投產(chǎn)。

（2）熔融還原煉鐵工藝

概括來說，熔融還原煉鐵就是非高爐冶煉液態(tài)鐵的工藝流程。開發(fā)此項技術(shù)的最終目的就是代替高爐煉鐵，解除焦炭煉鐵帶來的巨大負(fù)擔(dān)。

1989年11月投產(chǎn)的COREX工藝是第一個投入實際生產(chǎn)的熔融煉鐵工藝，煉制流程如圖1 。

除此之外還有同樣備受關(guān)注的FINEX法，它是在上述方法基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的熔融還原煉鐵工藝，但設(shè)備的生產(chǎn)成本、運(yùn)行的穩(wěn)定性等問題還有待驗證，因此目前并未投入生產(chǎn)。

3  各項煉鐵工藝的優(yōu)缺點分析

3.1  高爐煉鐵

優(yōu)點：高爐煉鐵的優(yōu)點可以概括為技術(shù)成熟、產(chǎn)量大、效率高。高爐煉鐵至今為止仍然是煉鐵工藝的龍頭，如今煉鐵高爐已經(jīng)實現(xiàn)大型化，并且不斷延長使用壽命。一座高爐最高可以達(dá)到年產(chǎn)鐵400萬噸，這是個很龐大的數(shù)字。因此，應(yīng)該說現(xiàn)代煉鐵工藝是建立在高爐煉鐵的基礎(chǔ)上的，而且在短時間內(nèi)，這種情況不會被改變。而且在高爐煉鐵領(lǐng)域，我國已經(jīng)掌握比較先進(jìn)和成熟的技術(shù)，高爐的生產(chǎn)成本已經(jīng)相對較低。

缺點：相對于產(chǎn)量高的優(yōu)勢，高爐煉鐵的缺點也一樣明顯。

一是高爐煉鐵離不開焦炭思源，但是焦炭資源越來越少，而是價格越來越高，煉鐵的成本也會越來越高，而且很可能有一天會面對焦炭資源的枯竭，到時候?qū)掕F工業(yè)的發(fā)展也是個很大的威脅。從全世界的范圍來看，焦炭的儲存量確實很少，但是我國目前不必對這個問題過分的緊張，因為我國年產(chǎn)煤量并不算小，焦炭是煤炭經(jīng)過加工得到的產(chǎn)品，用一部分煤炭的加工品來為煉鐵服務(wù)是非常正常的消耗，因此煉鐵并不是不應(yīng)該使用焦炭，相反，恰當(dāng)?shù)氖褂媒固渴欠浅：侠淼摹５遣⒉皇钦f可以肆無忌憚，煤的儲存量是一定的，屬于不可再生資源，我們對焦炭的使用也應(yīng)該更加珍惜。因此對待焦炭煉鐵不應(yīng)該完全持反對的態(tài)度，而是應(yīng)該更加高效的利用焦炭，提高焦炭的使用效率，做到少浪費(fèi)，多出產(chǎn)。

二是高爐煉鐵對環(huán)境的損害非常大。我們一直都知道鋼鐵冶煉是重工業(yè)的基礎(chǔ)，是污染很重的產(chǎn)業(yè)。而高爐煉鐵一直是煉鐵行業(yè)的最主要方法，之前所說的煉鐵污染大說的就是高爐煉鐵。各種煉鐵的污染物排放給環(huán)境造成了很大的負(fù)擔(dān)。

三是高爐煉鐵的生產(chǎn)流程長。高爐煉鐵是典型的資金密集型和勞動力密集型的產(chǎn)業(yè)，煉鐵的程序相對較復(fù)雜，鏈條長，造成投資多，成本高。關(guān)于這個缺點，如果追本溯源，幾百年前的高爐也是短流程的，把原材料放進(jìn)高爐就可以煉鐵。但問題是，那時候的爐子很小，生產(chǎn)出來的鐵質(zhì)量低，產(chǎn)量也低，而且能耗極高。是在焦炭發(fā)明中后才有了現(xiàn)在的大型高爐煉鐵，現(xiàn)在的高爐煉鐵和以前的小鋼爐煉鐵相比，效率更高，產(chǎn)量更大，也表示煉鐵技術(shù)的進(jìn)步。所以現(xiàn)在的高爐煉鐵流程長并不表示技術(shù)水平低，反而是技術(shù)進(jìn)步的一種表現(xiàn)。但是較長的流程會造成能耗和排放量都比較高，因此以后的發(fā)展方向應(yīng)該放在如何降低能耗和降低排放量上面。

四是能源消耗率高。高爐煉鐵對能源的使用率低，而且能源的使用不合理，生產(chǎn)過程中有大量的熱能不能充分利用，這部分被浪費(fèi)的能量占據(jù)總能耗的70%以上。因此，高爐煉鐵對能源有大量的浪費(fèi)。而且高爐煉鐵是一個復(fù)雜的過程，需要反復(fù)加熱和冷卻，這些浪費(fèi)不能避免，目前還沒有一個很好的方式來利用這些浪費(fèi)的能量。

分析完高爐煉鐵的優(yōu)缺點，我們還應(yīng)該縱向來觀察一下高爐煉鐵在近十年的發(fā)展，這項技術(shù)也在不斷的進(jìn)步當(dāng)中：

首先，高爐的使用壽命越來越長。從高爐的設(shè)計、操作和維護(hù)上開發(fā)了新技術(shù)，使得高爐可以有更長的使用時間，已經(jīng)從以前的十年到18年，又從18年到20年以上，現(xiàn)在已經(jīng)將長壽目標(biāo)放在30年。這些顯著的進(jìn)步將極大降低煉鐵的生產(chǎn)成本。

其次，高爐的形狀有新的設(shè)計，這種形狀的改變可以降低煉鐵過程中對爐子的腐蝕，這樣可以避免爐子被過早的破壞，也是延長高爐壽命的方法之一。

第三，高爐以煤代焦技術(shù)的發(fā)展。即噴煤技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，可以節(jié)省煉鐵設(shè)備的資金投入，還能在一定程度上減少能源消耗。

3.2  直接還原煉鐵

優(yōu)點：不需要焦炭，不需要煉焦，污染小；流程短，人力物力消耗比較小，成本低。

缺點：對材料要求嚴(yán)格。氣基還原需要有大量的天然氣作為原料來供應(yīng)生產(chǎn)，煤基還原需要大量性能好的煤。

3.3  熔融還原煉鐵

優(yōu)點：熔融還原煉鐵以煤為生產(chǎn)原料，降低生產(chǎn)成本，解決了煉焦過程中污染重、成本高、資源有限的問題；生產(chǎn)效率比高爐煉鐵更高；設(shè)備更簡單，操作更加靈活方便，危險性降低，且更易于控制；最重要的事建設(shè)熔融還原煉鐵的設(shè)備比高爐的投資要低。

缺點：（1）研究技術(shù)有限，目前還沒有大規(guī)模投入生產(chǎn)，設(shè)備性能和生產(chǎn)效率不能保證；（2）繼承了一些高爐煉鐵的固有的缺點，例如不能直接使用粉煤等。（3）研究力量比較分散，多國多廠家各自研究，沒有一個最主流最優(yōu)越的方法來統(tǒng)領(lǐng)此項技術(shù)。

4  各項煉鐵工藝的比較

筆者對現(xiàn)有集中主要的煉鐵工藝進(jìn)行了比較，比較主要針對以下幾個經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：生產(chǎn)率、成本、設(shè)備利用率、投資。比較的前提是鐵礦石全部進(jìn)口，煤焦全部來自國內(nèi)市場，生產(chǎn)設(shè)備95%國產(chǎn)這樣的同等條件。得出下表：