第二節 冶金工業的節能監測

冶金工業是指對金屬礦物的勘探、開采、精選、冶煉以及軋制成材，也是國民經濟發展的基礎。根據產品的不同，可將冶金工業分為黑色冶金工業(包括鋼鐵工業、鉻、錳及各種鐵合金)和有色冶金工業(稀有金屬工業)兩大類。冶金工業是以礦石為基本原料，使用一定量的輔助原材料，消耗大量的能源，生產各種金屬材料及制品。同時也是重要的基礎工業部門，是發展國民經濟建設與國防建設的物質基礎，同時也是衡量一個國家工業化的標志。

一、冶金工業的主要工藝與流程

(一)鋼鐵行業主要工藝流程

鋼鐵冶金是根據物理化學、熱力學、動力學、傳輸學和反應工程學以及金屬學等基本原理，從礦石中提取金屬，經精煉，再采用各種加工方法(塑性加工、機械加工等)制成具有一定性能的鋼鐵材料的過程。

現代鋼鐵生產主要有4種工藝流程：①高爐——轉爐工藝;②廢鋼——電爐工藝;③直接還原——電爐工藝;④熔融還原——轉爐工藝。在這4種工藝中，高爐——轉爐工藝和廢鋼——電爐工

藝是傳統工藝流程，是現代鋼鐵生產的主流工藝，如圖4-1所示。直接還原——電爐工藝和熔融還原——電爐工藝為革新工藝，大部分仍處于開發研究工業化試驗階段，屬于新一代的鋼鐵生產技術。

1.煉鐵工序

鐵礦石迸入高爐內冶煉得到鐵水，高爐鐵水經處理后送人轉爐吹煉，再經二次精煉獲得合格鋼水，鋼水經過連鑄(模鑄)成坯或錠，再經軋制工序最后成為合格鋼材。其過程主要包括采礦、燒結、球團、焦化、高爐煉鐵、轉爐煉鋼、軋鋼等工序，由于這種工藝流程生產單元多，規模龐大，生產周期長，因此稱為長工藝流程，目前全球約70%的鋼來自于長流程工藝。

(1)采礦、選礦。采礦是對巖礦實行初步分離的過程，即根據自然礦產資源在地殼里的埋藏狀況，分別選擇露天或地下開采方式，通過鑿巖、爆破、裝運和破碎等工序，將所需礦物采出。雖然自然界中含鐵的礦物比較多，但目前能夠用作煉鐵原料的只有20余種，其中主要是磁鐵礦石、赤鐵礦石、褐鐵礦石和菱鐵礦石。

選礦是對貧礦實行富集，對含有脈石或有害成分的礦石進行選別的過程。將礦石粉碎、磨細后，再通過重力選礦、磁力選礦、浮游選礦或電力選礦等多種工藝，除去脈石以及其他雜質，富集出高品位的精礦粉。

(2)燒結(球團)工藝。高爐冶煉時，要求爐料要有一定的粒度和強度，保證高爐的透氣性。如果礦粉人爐，則高爐的透氣性變差，會使高爐的冶煉無法正常進行。為了解決此問題，一般將礦粉造塊，礦粉造塊目前有兩種方法：燒結法和球團法，所得到的礦塊分別為燒結礦或球團礦。

燒結礦的生產過程是將鐵礦粉、粉(無煙煤)和石灰按一定配比混勻，放在燒結機上點火燒結。在燃料燃燒產生高溫和一系列物理化學變化作用下，部分混合料顆粒表面發生軟化熔融，產生一定數量的液相，并潤濕其他未融化的礦石顆粒。冷卻后，液相將礦粉顆粒黏結成塊，這一過程叫做燒結，所得到的塊礦叫做燒結礦，如圖4-2所示。經燒結而成的有足夠強度和粒度的燒結礦可作為煉鐵的熟料。利用燒結熟料煉鐵對于提高高爐利用系數、降低焦比、提高高爐透氣性、保證高爐運行均有一定意義。燒結礦生產有鼓風燒結和抽風燒結兩種方法，目前大量采用的是帶式抽風燒結法。

球團礦的生產過程足將細磨精礦或其他細磨粉狀物料、添加劑等按一定比例經過配料、混勻、潤濕后，通過造球機制成一定尺寸的小球，然后采用干燥焙燒或其他方法使其發生一系列的物理化學變化，形成具有一定強度和冶金性能的球形含鐵原料。

(3)焦化工藝。焦炭是高爐冶煉的主要燃料，也可用于鑄造、有色金屬冶煉、制造水煤氣。焦炭在高爐內除了作燃料外，還起還原性和骨架的作用。

裝爐煤經過高溫干餾轉化為焦炭、焦爐煤氣和化學產品的工藝過程，即煤炭焦化。將經過破碎清洗的兩種結焦性不同的煤料按照一定燃燒值要求配比混勻，再將配比好的煤加入黏結劑用搗固機搗制成煤餅的形狀，配好的煤料，裝入煉焦爐的碳化室，在隔絕空氣的條件下由兩側燃燒室供熱，隨溫度升高經干燥、預熱、熱分離、軟化、結焦成具有一定強度的焦炭。由煉焦爐爐頂排出的揮發物經過冷凝、冷卻、洗滌、蒸餾等加工處理之后，得到焦爐煤氣、苯類、油等物質。現代焦爐生產工藝流程如圖4-3所示。

在焦化過程中，有兩項重要的節能技術：干熄焦和余熱發電。

煉焦生產除了主產品焦炭供煉鐵使用外，還有焦爐煤氣和其他多種化工產品，這些產品和國防、冶金、輕工、化工、交通運輸等部門都有密切聯系，是其不可缺少的原材料。

(4)高爐煉鐵。高爐煉鐵實際上是對鐵礦石中的鐵氧化物進行還原的過程，基本反應原

理為

3CO+Fez03→2Fe+3CO2 (4-5)

高爐使用的含鐵爐料主要是燒結礦、球團礦以及天然礦;燃料為焦炭、煤粉、天然氣等。高爐的主產品是生鐵，作為下游煉鋼工序的主要原料;副產品主要是高爐爐頂煤氣和高爐渣。高爐煉鐵工藝流程如圖4-4所示。

吹煤粉、重油、天然氣等輔助燃料)中的碳同鼓入空氣中的氧燃燒生成的一氧化碳和氫氣，在爐內上升過程中除去鐵礦石中的氧，從而還原得到鐵。煉出的鐵水從鐵口放出，鐵礦石中未還原的雜質和石灰石等熔劑結合生成爐渣，從渣口排出。產生的煤氣從爐頂排出，經除塵后，作為熱風爐、加熱爐、焦爐、鍋爐等的燃料。高爐冶煉的主要產品是生鐵，還有副產高爐渣和高爐煤氣。

高爐冶煉的特點主要是：①在爐料與煤氣流逆向運動過程中完成各種錯綜復雜的化學反應和物理變化，爐內主要是還原性氣氛;②高爐是密閉的容器，除裝料、出鐵、出渣及煤氣外，操作人員無法直接觀察到反應過程的狀況，只能憑借儀器儀表間接觀察爐內狀況;③高爐是連續的、大規模的高溫生產過程，機械化和自動化水平較高。

高爐煉鐵生產的主要耗能設備有高爐本體、原料供料系統、爐頂裝料系統、送風系統、煤氣除塵系統、噴煤系統和渣鐵處理系統，使用的能源有焦炭、煤氣、電力、蒸汽和水。