[科普中国]-高炉

高炉是用钢板作炉壳，壳内砌耐火砖内衬。高炉本体自上而下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹 、炉缸5部分。由于高炉炼铁技术经济指标良好，工艺简单，生产量大，劳动生产效率高，能耗低等优点，故这种方法生产的铁占世界铁总产量的绝大部分。

高炉生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂（石灰石），从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预热的空气。在高温下焦炭（有的高炉也喷吹煤粉、重油、天然气等辅助燃料）中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气，在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。炼出的铁水从铁口放出。铁矿石中未还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣，从渣口排出。产生的煤气从炉顶排出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。高炉冶炼的主要产品是生铁 ，还有副产高炉渣和高炉煤气。

起源中国高炉的出现和发展，是对人类物质生活的重要贡献。

大约四万年前，山顶洞人已经用赤铁矿作颜料和装饰品。

赤铁矿是最易还原的铁矿石，赤铁矿进入人类生活，预示着日后冶铁术的发明。 西安半坡遗址出土的六千年前的陶窑，说明当时我们的祖先已经熟练地掌握了火的使用。

商代硬陶的烧成温度已达1180℃。

这种高温为金属冶炼准备了良好的条件。而商代炼铜技术的进步，对高炉的出现更具有决定意义。一，高炉起派于炼铜炉 中国早期炼铜的原料是氧化矿，其中包括孔雀石。

已经发掘的殷商和春秋时期的冶铜遗址中，铜矿与赤铁矿放在一起，铜渣中的氧化铁含量很高，有的达到40帕左右。

这些遗物证实，在炼铜过程中，易还原的铁矿石曾经被带到炉内。战国时期的文献《山海经》，对铜矿与铁矿伴生曾有多次记载:白马山“其阴多铁，多赤铜”，丙山“多金、铜、铁”。

这种伴生现象，可能是炼铜炉最早使用含铜铁矿的原因。纯铜熔点是1083℃。铜中含铁成分愈高，熔点也愈高。炼铜炉在始初阶段温度较低，原料中的铁不可能大量还原出来。随着炼铜炉加高、扩大，炉料在炉内经过充分预热，炉温逐渐提高，如超过1300℃就有可能炼出生铁。1

冶炼设备历史目前所知最古老高炉是中国西汉时代（纪元前1世纪）熔炉。在纪元前5世纪中国文物中就发现铸铁出土可见该时代熔炼已经实用化。初期熔炉内壁是用粘土盖的，用来提炼含磷铁矿。西方最早的熔炉则是于瑞典1150年到1350年间出现。这两国的熔炉都是自行发展摸索出现，没有互相传达关系。

使用石炭的近代高炉出现于1709年。由于欧洲当时森林多用途砍伐导致木炭产量减少、被迫开发使用石炭的炼铁法导致新技术出现，大幅增加炼铁效率。

日本第一个现代高炉是釜石市大桥高炉。由大岛高任设计，安政4年（1857年）11月26日点火，12月1日第一批铁产出。这天也定为日本打铁业纪念日。1

简介横断面为圆形的炼铁竖炉。用钢板作炉壳，壳内砌耐火砖内衬。高炉本体自上而下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹 、炉缸5部分。由于高炉炼铁技 术经济指标良好，工艺 简单 ，生产量大，劳动生产效率高，能耗低等优点，故这种方法生产的铁占世界铁总产量的绝大部分。高炉生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂（石灰石），从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预热的空气。在高温下焦炭（有的高炉也喷吹煤粉、重油、天然气等辅助燃料）中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气，在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。炼出的铁水从铁口放出。铁矿石中未还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣，从渣口排出。产生的煤气从炉顶排出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。高炉冶炼的主要产品是生铁 ，还有副产高炉渣和高炉煤气。1

原料及基本原理高炉冶炼用的原料主要由铁矿石、燃料（焦炭）和熔剂（石灰石）三部分组成。

通常，冶炼1吨生铁需要1.5-2.0吨铁矿石，0.4-0.6吨焦炭，0.2-0.4吨熔剂，总计需要2-3吨原料。为了保证高炉生产的连续性，要求有足够数量的原料供应。

因此，无论是生铁厂家还是钢厂采购原料的工作是尤其重要。

由于高炉生产是连续进行的，一代高炉（从开炉到大修停炉为一代）能连续生产几年到十几年。生产时，从炉顶（一般炉顶是由料种与料斗组成，现代化高炉是钟阀炉顶和无料钟炉顶）不断地装入铁矿石、焦炭、熔剂，从高炉下部的风口吹进热风（1000～1300℃），喷入油、煤或天然气等燃料。装入高炉中的铁矿石，主要是铁和氧的化合物。在高温下，焦炭中和喷吹物中的碳及碳燃烧生成的一氧化碳将铁矿石中的氧夺取出来，得到铁，这个过程叫做还原。铁矿石通过还原反应炼出生铁，铁水从出铁口放出。铁矿石中的脉石、焦炭及喷吹物中的灰分与加入炉内的石灰石等熔剂结合生成炉渣，从出铁口和出渣口分别排出。煤气从炉顶导出，经除尘后，作为工业用煤气。现代化高炉还可以利用炉顶的高压，用导出的部分煤气发电。1

上料、配料系统高炉上料是炼铁高炉系统中最重要的一环，及时、准确的配料、上料是保证高炉产量和产品质量的前提。根据现代化高炉的要求，上料控制系统需要实现自动上料及上料数据的报表打印，体现系统稳定性、先进性和经济实用性，因此从设计的初级阶段到完成应用阶段，需要一直采用先进的控制方案和硬件控制系统，才能最终完成了这一重要的系统。目前国内常用的配料方法有两种，即容积配料法和重量配料法。 容积配料法是利用物料的堆比重，通过给料设备对物料容积进行控制，达到配加料所要求的添加比例的一种方法。此法优点是设备简单，操作方便。其缺点是物料的堆比重受物料水分、成分、粒度等影响。所以，尽管闸门开口大小不变，若上述性质改变时，其给料量往往不同，造成配料误差。 重量配料法是按照物料重量进行配料的一种方法，该法是借助于电子皮带称和定量给料自动调节系统实现自动配料的。1

高炉内衬高炉炉壳内部砌有一层厚345～1150毫米的耐火砖，以减少炉壳散热量，砖中设置冷却设备防止炉壳变形。高炉各部分砖衬损坏机理不同，为了防止局部砖衬先损坏而缩短高炉寿命，必须根据损坏、冷却和高炉操作等因素，选用不同的耐火砖衬。炉缸、炉底传统使用高级和超高级粘土砖。这部分砖是逐渐熔损的，因收缩和砌砖质量不良，过去常引起重大烧穿事故，炉缸、炉底大多用碳素耐火材料，基本上解决了炉底烧穿问题。炉底使用碳砖有三种型式：全部为碳砖；炉底四周和上部为碳砖，下部为粘土砖或高铝砖；炉底四周和下部为碳砖，上部为粘土砖或高铝砖。后两种又称为综合炉底。设计炉底厚度有减薄趋势（由0.5d右减至0.3d左右或炉壳内径的1/4厚度，d为炉缸直径）。碳砖的缺点是易受空气、二氧化碳、水蒸气和碱金属侵蚀。炉腰特别是炉身下部砖衬，由于磨损、热应力、化学侵蚀等，容易损坏。采用冷却壁的高炉，投产两年左右，炉身下部砖衬往往全被侵蚀。炉身上部和炉喉砖衬要求具有抗磨性和热稳定性的材料，以粘土砖为宜。炉腹砖衬被侵蚀后靠“渣皮”维持生产。

近几年应用喷补技术修补砖衬已相当普遍。喷补高铝质耐火材料（含Al2O340～60%），寿命为砌衬的3/4。1

产品生铁是高炉产品（指高炉冶炼生铁），而高炉的产品不只是生铁，还有锰铁等，属于铁合金产品。锰铁高炉不参加炼铁高炉各种指标的计算。高炉炼铁过程中还产生副产品水渣、矿渣棉和高炉煤气等。

高炉炼铁的特点：规模大，不论是世界其它国家还是中国，高炉的容积在不断扩大，如我国宝钢高炉是4063立方米，日产生铁超过10000吨，炉渣4000多吨，日耗焦4000多吨。1

冶炼过程高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并使炉喉料面保持一定的高度。焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构。矿石料在下降过程中逐步被还原、熔化成铁和渣，聚集在炉缸中，定期从铁口、渣口放出。

鼓风机送出的冷空气在热风炉加热到800～1350℃以后，经风口连续而稳定地进入炉缸，热风使风口前的焦炭燃烧，产生2000℃以上的炽热还原性煤气。上升的高温煤气流加热铁矿石和熔剂，使成为液态；并使铁矿石完成一系列物理化学变化，煤气流则逐渐冷却。下降料柱与上升煤气流之间进行剧烈的传热、传质和传动量的过程。

下降炉料中的毛细水分当受热到100～200℃即蒸发，褐铁矿和某些脉石中的结晶水要到500～800℃才分解蒸发。主要的熔剂石灰石和白云石，以及其他碳酸盐和硫酸盐，也在炉中受热分解。石灰石中CaCO3和白云石中MgCO3的分解温度分别为900～1000℃和740～900℃。铁矿石在高炉中于 400℃或稍低温度下开始还原。部分氧化铁是在下部高温区先熔于炉渣，然后再从渣中还原出铁。

焦炭在高炉中不熔化，只是到风口前才燃烧气化，少部分焦炭在还原氧化物时气化成CO。而矿石在部分还原并升温到1000～1100℃时就开始软化；到1350～1400℃时完全熔化；超过1400℃就滴落。焦炭和矿石在下降过程中，一直保持交替分层的结构。由于高炉中的逆流热交换，形成了温度分布不同的几个区域，①区是矿石与焦炭分层的干区，称块状带，没有液体；②区为由软熔层和焦炭夹层组成的软熔带，矿石开始软化到完全熔化；③区是液态渣、铁的滴落带，带内只有焦炭仍是固体；④风口前有一个袋形的焦炭回旋区，在这里，焦炭强烈地回旋和燃烧，是炉内热量和气体还原剂的主要产生地。1

冷却系统早期的小高炉炉壁无冷却设备，19世纪60年代高炉砖衬开始用水冷却。冷却设备主要有冷却水箱和冷却壁两种。因高炉各部分热负荷而异。炉底四周和炉缸使用碳砖时采用光面冷却壁。炉底之下可用空气、水或油冷却。炉腹使用碳砖时可从外部向炉壳喷水冷却，使用其他砖衬时，用冷却水箱或镶砖冷却壁。炉腰和炉身下部多采用传统的铜冷却水箱，左右间距250～300毫米，上下间距1～1.5米。炉身上部可采用各种形式的冷却设备，一般用铸铁或钢板焊接的冷却水箱。近几年来炉腰和炉身有的用镶砖冷却壁汽化冷却。但炉身下部由于热负荷较高，多改用强制循环纯水冷却；炉喉一般不冷却。冷却介质过去使用工业水，现在改用软水和纯水。直流或露天循环供水系统也已被强制循环供水系统所代替，后者优点是热交换好、无沉淀、消耗水量少等。1

高炉停炉安全技术1、停炉前，高炉与煤气系统必须严密可靠地分隔开。采用打水法停炉时，应取下炉顶放散阀或放散管上的锥形帽。打水停炉降料面期间，应不断测量料面高度。避免休风，必须休风时，先停止打水，并点燃炉顶煤气。

2、打水停炉降料面时，禁止开大钟。大钟上不准有积水。至少每1h分析一次煤气中二氧化碳和氢的含量，氢含量不得超过6%。

3、应有炉顶专用水泵，炉顶温度应保持在400~500℃之间。炉顶打水应采用均匀雨滴状喷水，防止水流顺炉墙流下引起炉墙塌落。

4、大、中修的高炉，料面降至风口水平面时，即可休风停炉。大修高炉应在炉底（炉缸）水温差较大的位置上开残铁口眼，要放尽残铁。2

高炉结瘤事故的预防与处理一、高炉结瘤事故的预防高炉结瘤的原因是多种多样的，其基本成因是已熔化的物质再凝结，并粘附于炉墙上逐步长大，对其成因应提前采取预防措施，防止高炉结瘤事故的出现。

1）稳定原燃料质量

原燃料质量差、含粉量大，在低料线时极易导致粉末聚集，诱发上部结瘤；同时，粉末聚集层下到软熔带时易引发透气性变差，出现小崩料和小滑尺现象，控制不当易诱发炉凉等事故，影响高炉冶炼的正常进行。原燃料质量差，容易导致炉况失常，出现难行悬料，使得顶温升高，不能得到有效控制，极易导致上部结瘤。为此，在生产组织中，应根据原燃料质量确定高炉的冶炼方案，保证高炉稳定顺行，对小的炉况波动进行先期处理，防止出现大的炉况失常。

2）禁止长期低料线作业

长期低料线作业会破环高炉顺行，使装料制度受到严重破坏，同时可导致高炉热制度被打乱，使高炉温度场紊乱继而诱发炉墙结厚甚至结瘤。根据低料线作业的具体原因应采取不同的针对性措施，对上料能力不足的应选择适宜的批重，用提高料车满载率来提高上料能力，保证高炉满料线率。对由于设备故障造成的低料线，应采取相应的措施予以调剂，应注意在赶料线时可采取适当发展边缘的装料制度，根据料线的深度加足净焦或适当减轻负荷，确保高炉炉温充沛、炉况稳定顺行。

3）及时处理边缘堆积

高炉采取强化冶炼措施后，装料制度与送风制度未及时进行再匹配时，容易导致边缘堆积。具体表现为铁前易憋压，对减风操作炉况好转敏感，上下渣温差大，经常出现小崩料和滑尺，下料不均，风口工作不均衡。为此，对边缘堆积应及时处理，采取增大风口直径的送风制度、适宜强度的高炉操作、发展边缘的装料制度、降低炉渣碱度的造渣制度、确定适宜炉温的热制度进行调剂，必要时采用洗炉剂洗炉或以全倒装强烈发展边缘的操作方法，用高温煤气冲刷结厚的炉墙。

4）控制适宜的冷却强度

高炉冷却制度不合理也会促发炉墙结瘤，为此，应根据高炉的实际运行情况，对各部位确定适宜的冷却强度，如对炉身部位冷却水在开炉初期应适当控制其冷却强度，防止在此部位形成瘤根，进而造成高炉结瘤 等恶性事故的出现。

5）稳定操作方针

高炉操作可变因素较多，高炉冶炼进程是在相对稳定的基础上运行的。为此，高炉操作者应一丝不苟地贯彻操作方针、统一各 班操作，减少人为操作波动，使炉内温度场保稳定均衡，防止人为造成炉况波动，导致高炉结瘤。

6）及时消除炉墙结厚

炉墙结厚如果处理不当或处理不及时，极易引发高炉结瘤。因此，对炉墙结厚征兆应及时采取果断措施进行处理，在高炉强化冶炼时不定期采取发展边缘的装料制度或采取降低冶炼强度的操作措施对炉况进行适当的预防性处理，防止出现恶性结瘤事故。

7）减少附加料大量入炉

附加料低熔点化合物大量入炉，在条件具备时便会引发高炉结瘤事故。为此，在生产组织时应控制好生产节奏，确定附加料最大配入量，调整好炉料结构，使生产组织在受控状态下有序运行，防止高炉结瘤事故的发生。

8）减少铁前各工序变料

铁前各工序的每一次变料都会给高炉带来不同程度的波动，在生产组织管理时，应尽量用长远的眼光组织各工序在一定时期内不变料，变料后应做好技术跟踪与服务工作，对变料后引起的炉况波动做提前判断、事先预防。高炉结瘤事故是炉况失常的综合体现，避免小 的炉况波动，就会有效地防止其产生的根基，也会赢得高炉操作的主动权，达到高炉操作的预期效果。2

二、高炉结瘤事故的处理1）综合判断，下化中洗上炸

在炉况失常时，应临时成立炉况处理领导小组，控制方案和措施由高炉操作者具体实施。 领导小组在对高炉炉况进行综合判断得出结论时，应在充分研讨的基础上，确定处理炉况方 案。在对炉瘤部位进行判断后，应采取下部化中部洗上部炸的措施，对中下部炉瘤应以集中 加串焦或加洗炉料进行洗炉，用高温煤气流冲刷的方式予以处理；同时，要调整好相应的送 风制度和装料制度，使其达到预期的效果。

2）制定措施，降料面露炉瘤

对上部炉瘤，应果断做出炸瘤决定，及早制定炸瘤措施，确定炉瘤位置，加长探尺降料面，将炉瘤彻底裸露，隔离其与炉料的依附，为实施炸瘤创造必要的条件。在降料面的过程中，应保证两个探尺工作正常，处理炉况不能频繁拉风，有富氧的高炉应充分利用富氧条件 处理炉况，防止在处理炉瘤的过程中导致炉瘤快速长大。

3）前期准备，确定炸瘤方案

对上部炉瘤进行爆破时，应做好前期准备工作，准备好炸瘤工具，如钢管、炮泥、废旧布袋等，然后从下至上进行炸瘤，注意每次炸瘤炮药用量，防止损坏炉顶设备等。炸瘤应选准突破口而后予以实施，并注意人身安全等，应将瘤根彻底清除。

4）炉况恢复，及时出净渣铁

炸瘤之前应加足空焦，炸瘤后也应补充相应的热量，根据炉瘤大小确定炸瘤后的操作，及时出净化瘤后的物质量，防止后续事故的再发生；待炉瘤化解完毕后，逐一稳定每一项操作参数，而后将炉况完全恢复。2

高炉防急性中毒、窒息措施一、毒物危害分析高炉项目涉及有毒物主要为一氧化碳，一氧化碳主要存在于热风炉作业，炉前出铁作业。一氧化碳对人体的危害如下：一氧化碳经呼吸道吸入，属窒息性气体，主要引起人体急性中毒，一氧化碳进入人体，与血红蛋白结合，导致机体缺氧，患者出现头痛、头晕、恶心，甚至死亡。慢性危害不明显。危害级别Ⅱ级。

二、防毒措施安全检查1、生产装置应密封化、管道化，防止有毒物质泄漏、外逸；

2、生产过程机械化、程序化和自动控制使作业人员不接触或少接触有毒物质，防止误操作造成中毒事故；

3、受技术、经济条件限制，仍然存在有毒物质逸散且自然通风不能满足要求时，应设置必要的机械通风排毒；

4、对排出的有毒气体、液体、固体应经过相应的净化装置处理，以达到环境保护排放标准；

5、对有毒物质泄漏可能造成重大事故的设备和工作场所，必须设置可靠的事故处理装置和应急防护装置；

6、根据有毒物质的性质、有毒作业的特点和防护要求，在有毒作业环境中应配置事故柜、急救箱和个体防护装置；

7、针对缺氧危险工作环境以及发生缺氧窒息和中毒窒息的原因，应配备通风换气设备和抢救器具；

8、有缺氧、窒息危险的工作场所，应在醒目处设置警示标志。2

高炉防止粉尘危害措施（1）对高炉出铁时在铁口、砂口、渣沟、摆动溜槽、铁沟等处产生的烟尘采用低压长袋脉冲除尘器除尘；对槽上、槽下系统的含尘烟气，采用100m3三电场高压静电除尘器除尘，处理达标后由高烟囱排放。收集下来的粉尘经加湿后运灰车运走，防止二次扬尘。

（2）带式输送机头、尾部设有除尘器，转运站设有气箱式脉冲除尘器，以减少扬尘。

（3）热风炉、锅炉房烟气由高烟囱直接外排。

（4）高炉煤气除尘采用湿式——文（VS）煤气清洗系统，煤气经除尘后含尘浓度很低。

（5）车间内、料场还设有洒水抑尘、冲洗地面设施，减少岗位粉尘对人体的危害。

（6）对于粉尘作业的职工配备相应的个人防护用品，包括呼吸道防尘用品、身体防尘用品（防尘帽、防尘服等）。2

高炉装料系统安全技术措施（1）运人、储存与放料系统。大中型高炉的原料和燃料大多数采用胶带机运输，比火车运输易于自动化和治理粉尘。储矿槽未铺设隔栅或隔栅不全，周围没有栏杆，人行走时有掉入槽的危险；料槽形状不当，存有死角，需要人工清理；内衬磨损，进行维修时的劳动条件差；料闸门失灵常用人工捅料，如料突然崩落往往造成伤害。放料时的粉尘浓度很大，尤其是采用胶带机加振动筛筛分料时，作业环境更差。因此，储矿槽的结构应是永久性的、十分坚固的。各个槽的形状应该做到自动顺利下料，槽的倾角不应该小于50°，以消除人工捅料的现象。金属矿槽应安装振动器。钢筋混凝土结构，内壁应铺设耐磨衬板；存放热烧结矿的内衬板应是耐热的。矿槽上必须设置隔栅，周围设栏杆，并保持完好。料槽应设料位指示器，卸料口应选用开关灵活的阀门，最好采用液压闸门。对于放料系统应采用完全封闭的除尘设施。

（2）原料输送系统。大多数高炉采用料车斜桥上料法，料车必须设有两个相对方向的出入口，并设有防水防尘措施。一侧应设有符合要求的通往炉顶的人行梯。卸料口卸料方向必须与胶带机的运转方向一致，机上应设有防跑偏、打滑装置。胶带机在运转时容易伤人，所以必须在停机后，方可进行检修、加油和清扫工作。

（3）顶炉装料系统。通常采用钟式向高炉装料。钟式装料以大钟为中心，有大钟、料斗、大小钟开闭驱动设备、探尺、旋转布料等装置组成。采用高压操作必须设置均压排压装置。做好各装置之间的密封，特别是高压操作时，密封不良不仅使装置的部件受到煤气冲刷，缩短使用寿命，甚至会出现大钟掉到炉内的事故。料钟的开闭必须遵守安全程序。为此，有关设备之间必须连锁，以防止人为的失误。33

本词条内容贡献者为:

何星 - 副教授 - 上海交通大学