炼铁高炉炉料结构对冶炼效率与碳排放的影响分析

引言

高炉炼铁作为传统钢铁生产的核心工艺，其能源消耗量和碳排放量均在行业中居于首位。随着“双碳”战略的深入推进，如何在保持产能稳定的前提下实现减排增效，成为钢铁企业亟需破解的课题。在这一背景下，炉料结构的优化被认为是改善高炉性能、提升资源利用效率的重要途径。合理的炉料组合不仅能提高反应活性和传热效率，还能改善气体流通性，减少热损失与碳排放。本文围绕不同炉料组合对高炉冶炼效率与碳排放的影响展开分析，结合典型含铬钒钛矿石冶炼的案例，探讨当前资源条件下的优化策略。

一、炉料结构对高炉反应性能的影响机制

高炉炉料主要由铁矿石（烧结矿、球团矿）、焦炭和部分熔剂组成，不同组分之间的物理与化学特性对冶炼性能具有显著影响。矿石粒度分布均匀、结构松散可提升料柱通透性，有利于煤气上升与热量传递，从而促进还原反应的顺利进行；而焦炭则在承担热源与还原剂角色的同时，维持炉料柱骨架结构，保障气固分布的均衡性。若炉料粒度过细，易形成料层板结，导致气流短路与能耗上升，进而影响铁产率与焦比控制。与此同时，料层中若存在大量细粉，也会加剧炉缸偏压现象，增加高炉煤气利用负荷，影响冶炼热平衡。

此外，不同矿石类型的还原性能差异亦显著影响反应效率。例如，球团矿还原速度快但抗压强度弱，易在高温下破碎；而烧结矿强度较高，适合保持料层结构稳定。当前企业多采用两者结合的方式，通过比重与层次布料控制，兼顾结构稳定与反应活性，提升炉膛反应速率。焦炭的反应性指数（CRI）与强度指数（CSR）也需匹配选择，确保其在提供足够热量的同时不易粉化，维持良好透气性。同时，部分企业还尝试引入低灰煤粉作为补充燃料，进一步优化热源结构。炉料结构的科学配置已成为影响高炉工艺经济性与碳排水平的关键要素。

二、含钒钛及铬矿物资源的冶炼适应性分析

在当前铁矿资源结构不断调整的背景下，钒钛磁铁矿成为我国钢铁工业的重要原料补充，其在高炉中的应用也日益增多。由于这类矿石中往往含有 TiO₂ 、V₂O₅ 等成分，在高温下易影响炉渣熔点与流动性，因此其投用比例与炉料结构的匹配尤为关键。炉料中若钛含量过高，会导致渣液粘度增加，出渣困难，进而干扰铁水分离与热能传导过程。对此，企业需在烧结配矿过程中引入调整剂以控制渣系稳定性，同时采用分层布料策略，将高钛矿置于反应带中下部区域，以缓解其对熔融行为的影响。

目前国内外利用钒钛磁铁矿资源的主要方法仍然是高炉－转炉流程。该流程对炉料结构的适应性较强，能够在不同粒级与成分条件下实现稳定还原和冶炼。然而，部分钒钛矿石中还伴生铬等元素，其中，红格含铬型钒钛磁铁精矿因其铬的质量分数达到了 0.8% ，与其它钒钛磁铁矿相比，红格矿的铬含量较高，为我国的铬资源提供了一种来源。由于铬在高炉中易形成高熔点化合物，增加炉渣粘性，对炉况稳定构成挑战，因此需在烧结矿碱度控制、炉渣调质等方面配套优化。通过适度调整高碱度烧结矿比例、提高熔剂反应速率，可有效化解含铬矿冶炼中出现的炉渣问题，提升矿源利用率。

三、炉料结构对碳排放水平的调控作用

高炉碳排放主要来自焦炭在高温条件下的燃烧与还原反应，所形成的一氧化碳在与矿石反应后进一步转化为二氧化碳，构成主要排放源。焦炭使用量越高，单位铁产碳排放越大，因此降低焦比是实现“低碳炼铁”的核心路径之一。通过提高炉料中球团矿与高还原度烧结矿的比例，可减少反应所需焦炭量，在确保产出质量的同时有效削减碳排强度。近年来部分钢企已开始探索焦炭替代方案，例如使用富氢燃料（如天然气、煤气）进行辅助喷吹，实现氢还原与碳还原协同推进，从根源上减少 CO₂ 生成量。

同时，炉料结构对气体通透性与热损耗水平的调节也会间接影响碳排放效率。若料柱结构紧实、粒级匹配合理，煤气可充分穿透料层，减少反应过程中的局部氧化与二次热损失，从而在单位热值消耗下提高还原转化率。高炉炼铁过程作为钢铁行业中最耗能的工艺环节，合理的优化控制对钢铁企业的“节能减排”和降低成本具有重要的意义。在数字化炼铁系统中，借助智能化布料与实时监控技术，可对不同批次炉料结构进行动态调整，实现按需分布、实时反应，有效平衡反应速率与能源效率，为碳排管理提供了技术支撑。

四、绿色冶炼目标下的炉料结构优化路径

为实现钢铁行业的绿色转型，各大企业不断尝试在原料结构中引入绿色理念推动冶炼流程由传统粗放型向高效低碳型转变。在原料选择上，越来越多钢厂倾向于选择低碳足迹矿石，如干法球团、天然富矿等，以减少上游开采和运输过程中的碳排放总量。在配料过程中，则通过智能分析平台对矿石成分、焦炭反应性及炉况数据进行集成分析，自动生成最优炉料结构模型，从而在源头实现碳强度控制。部分先进钢企已成功构建“智慧配矿 Π₊ 绿色布料”系统，实现每批炉料配比的精细化调控，并通过与能源系统联动进一步优化燃料使用比例，提升资源利用效率。同时，还可通过物料平衡与能流跟踪系统，对不同炉料结构下的碳排放波动趋势进行实时监控与调整，避免局部环节能耗突增。

在推进绿色冶炼的过程中，原料的可再利用率成为一个关键指标。高炉冶炼所产生的副产物如高钛渣、高炉渣、含铁尘泥等若能被有效回收并重新用于烧结配料、水泥制备或资源型建材，不仅可减少原材料依赖，还能大幅降低整体碳足迹。这种“源头控制 + 尾端循环”的全链条减排模式，正在逐步成为行业发展主流。例如，有钢企尝试在高炉渣中提取可用钛资源，并将剩余部分用于替代天然砂石材料，用于道路与地基工程，取得了良好的经济与生态效益。

结论

炉料结构作为高炉冶炼系统的关键变量，其设计合理与否直接关系到冶炼效率和碳排放水平。通过科学匹配矿石类型、粒度分布与焦炭性能，不仅可以提升反应活性和气体通透性，还能有效降低焦比与能耗。钒钛磁铁矿及含铬资源的利用虽带来工艺挑战，但也拓展了矿源多样性，在优化烧结与布料结构的前提下具有良好的应用前景。在“双碳”目标推动下，高炉炼铁的绿色升级迫切需要以炉料结构优化为抓手，结合智能化配料、多源数据驱动与资源循环利用等手段，实现高效、清洁、可持续的炼铁新格局。

参考文献

[1]汤卫东.高炉冶炼攀枝花红格含铬钒钛磁铁矿技术基础研究[D].东北大学,2022.

[2]许畅.基于数据与机理的高炉配料与操作的多目标优化[D].上海交通大学,2019.

[3]谢金江,罗志国,李海峰,等.某高炉并罐无料钟改善布料偏析设备改造[J].炼铁,2025,44(01):59-64.

[4]陈林根,夏少军,谢志辉,等.钢铁冶金过程动态数学模型的研究进展[J].热科学与技术,2014,13(02):95-125.