一种长流程铁钢冶炼方法与流程

本发明涉及冶金，更具体地说，涉及一种长流程铁钢冶炼方法，可以实现加入高炉内的含铁矿物制品、固体燃料和熔剂以及加入转炉的熔剂等所有预加工块状炉料在入炉前都无需经过高温过程处理，取消了现有高炉+转炉的铁矿物冶炼的钢铁生产流程中的烧结机、焙烧机、焦炉和高炉、转炉用熔剂生石灰煅烧窑。

背景技术：

1、由于以高炉炼铁+转炉炼钢为路径的钢铁生产流程（也就是通常所说的长流程）的技术经济指标好、工艺成熟、生产效率高、能耗相对较低，在当前从铁矿石开始冶炼的钢铁生产流程中一直占据绝对优势地位，尤其是在中国等发展中人口大国，迄今在建和拟建的长流程钢铁生产线为数还很多，可以说高炉+转炉仍将是未来数十年中铁矿石还原生产铁的主要设施。作为广泛持续采用并不断优化完善的优势流程，高炉炼铁+转炉炼钢路径从冶金反应工程学的角度看是明显具有理论基础的：高炉是一种理想的气相活塞流与固相颗粒活塞移动集合逆向互交的相对连续高速运动管状塔式反应器，具有铁氧化物还原能力和碳素氧化能力的高温炉气从高炉下部穿过下行中的含铁矿物液滴/颗粒和碳素颗粒上行对含铁矿物的熔化、还原、升温并促成炉料中碳素对含铁矿物的直接还原和产生气化反应后的间接还原，部分还原的含铁矿物在高炉下部高温中进一步通过气-固-液、固-液和液-液的熔融、熔分和铁浴等反应完成所含氧化铁充分还原及部分有害元素去除后成为转炉提纯炼钢原料的含碳铁水，在其整个过程中铁矿物还原反应有良好、可控的动量、质量和热量的传输环境，生产能力大且有着无与伦比的物理热利用率；转炉是一种理想的高动量连续搅拌釜式反应器，作为氧化剂的高速氧流冲击铁水熔池，强力搅拌产生的液滴破碎及气液混合效应，使得氧气对铁液中碳、硅、磷等元素进行剧烈氧化，生成的一氧化碳气跑的上升与扰动进一步促进了熔池的各种反应，在其整个过程中铁水中各种杂质元素氧化反应的热力学、动力学条件极佳，生产周期短、效率高，并相对容易实现铁水中物理热和化学热的回收。

2、现有技术条件下，高炉中含铁矿物中铁素的还原是以碳被氧化或二氧化碳被还原产生的一氧化碳（包括极少量喷吹煤热解和含水分被还原产生的氢气）的“间接还原”为主的，也就是铁矿物的还原反应、碳素的气化反应以及物料升温等基本都是通过逆向上升的气流与含铁矿物或碳素等炉料块粒之间的物质与能量交换实现的，显然除了必须有足够大的反应比表面积以及相关化学反应的反应性以外，为保证气流足够的传热和传质还要求所有炉料颗粒在炉内必须有良好和稳定的透气性，在含铁矿物出现熔/融化和熔/融化过程中也要求炉料颗粒同样具有良好的透气性以及良好、持续的透液性，这就必须要一个由反应物自身构成的支撑反应物料体系并兼具良好和稳定的透气、透液性的疏松物理骨架。因此，现有的各种高炉顶装炉料中除了一般不超过15%的高铁品位加工块矿以外，都通过高温加工过程进行制块，例如将含铁矿物粉粒/熔剂（为获得好的烧结矿性能需要有部分消化生石灰）再掺加焦炭粉末或煤粉在烧结机通过燃烧的高温产生液相并在冷却后破碎制成烧结矿、将含铁矿物细粉通过预制生球和在1050℃以上的高温炉窑/焙烧机内焙烧球团、将炼焦配合煤在炼焦炉内1000℃以上干馏结焦制成焦炭，并控制在具有合理的炉气流动压差和足够的气-固反应比表面积的较窄粒度范围，以保证含铁矿物制品自身在还原过程中的低温/中温机械强度、抑制粉化能力（例如制成高碱度烧结矿抑制矿物的低温粉化）、反应性和高温软熔/滴落特性，也使得性能稳定的焦炭在下行移动的过程中能够保持适当的反应能力和抑制劣化能力、并在移动至高炉底部承担上部炉料的支撑骨架功能时仍具有恰当的块度和机械强度。同样地，为在转炉冶炼过程中多利用铁水中的化学热熔化废钢，在获得直接熔化废钢获得钢液的同时也稀释杂质元素，以减少单位渣量或更低的钢液杂质含量，基于热平衡的角度需要预先使用焙烧窑炉将加入熔剂的石灰石/白云石矿物加工热分解出二氧化碳成为生石灰/轻烧白云石后再加入转炉，更甚者还在转炉内补充加入碳、硅的氧化反应发热材料或设置了入炉废钢的各种在线/离线辅助加热装置。

3、但是，上述的含铁矿物、化石煤和石灰石为满足高炉/转炉使用，都要求通过高温过程加工制备的块粒制品在其各自的生命周期中存在着以下相关问题：1）各种炉料经过高温处理后都需要冷却/降温至接近室温以进行后续进一步加工及物流过程，所必须经历的高温烧结/焙烧或焦化以及煅烧等工序都是相对高污染、高耗能和高碳排放的过程，尽管都采用了污染减排/余能回收技术对烟气/制品进行了一定程度的净化和部分余热回收等，但这些措施的效能都有一定的限度，措施本身都是需要一些代价的；2）在中间品为满足入炉粒度要求的破碎和筛分中会产生较大量高炉无法使用的降级或需要重新返回进行再加工的筛下物（如烧结返矿、生石灰筛粉等）；3）制成品的储存、倒运、入炉加料过程中也有一定的剥离、撒落、扬尘等，特别是转炉用生石灰/轻烧白云石煅烧后强度变差还易于水化，影响清洁生产和工业卫生，也造成一定的物料损失；4）高炉用制成品在炉内下行中也会存在因机械力、热应力、晶格及相变体积应力和化学反应等作用等出现碎裂、剥离和粉化而影响炉料的透气性，制品本身的特性也会出现劣化；5）为满足高温加工生产过程自身要求、制成品本身常温技术特性要求和调整高炉冶炼过程制成品的机械强度、膨胀/相变特性、反应性或软熔/滴落特性等采用的各种添加物，有可能会使得高炉额外产生过多的渣量；6）为保证含铁矿物中间品/制成品的强度和低氧化亚铁含量，无法在含铁矿物中配加可作为还原剂的富碳物质去进行其在高炉炉内进行自还原或直接还原，增加了高价值焦炭和/或喷吹煤的消耗；7）为保证加工过程和产品技术特性，对所使用的原辅料有较严格的选择性，也对可用原辅材料的加工有较严格的要求，使得有些原理上高炉可用的廉价易得资源却不适宜高温制备（如大量褐煤/无烟煤/生物质无法炼焦，高品位粗矿粉不经细磨不能制球等），造成了资源的紧张和额外的成本增加；8）烧结/焙烧的高温过程使部分含铁矿物中大量二价铁被氧化成三价铁，增加了后续还原的负荷；9）所有经历高温过程后的物料的蓄热在后续的进一步加工、输送、储存和上料过程中都基本散耗殆尽，也会损失部分可以或能够在后续使用中加以利用的物质（例如可以用于氧化铁水中元素的二氧化碳等）；10）当废钢充裕或基于技术经济因素希望多用废钢时，系统不具有支撑仅仅加入转炉更多地使用废钢的足够热能；11）各类制品的高温加工装备及其过程污染控制/余能回收设施的投资都相当可观（不论是焦炉系统装置还是烧结机、球团焙烧炉/窑/机系统装置以及生石灰煅烧窑系统装置都投资量巨大）。

4、除了现有技术的流程方法不能大量使用废钢之外，上述入炉物料高温加工过程存在的诸多问题是显而易见的，长期以来铁钢冶金工作者也进行了不断地努力、付出了大量的辛劳一直在尝试改善和优化，对于高炉使用物料尝试了也在继续尝试中的，如替代焦炭的型焦、铁焦以及结合剂压块，再如加大原生高品位块矿入炉比例、使用部分常温低温固结球团矿等，但迄今都未能取得能够进行较大比例替代等较好的效果，更谈不上完全、彻底地取消预加工高温工艺过程；同样对于转炉使用的熔剂也尝试了并仍在继续尝试中的当废钢不足或基于技术经济因素希望用石灰石/白云石直接冷却熔池平衡热量的场合阶段性和/或部分地使用了石灰石/白云石直接造渣，虽然达到熔池热平衡下直接使用熔剂原生矿物的预期效果，但此时整个业内无一不是像添加生石灰一样为尽早化渣都将石灰石/白云石在转炉吹炼前期和前中期分批次间隔地一次性称量，而后无控制地集中加入炉内，随之产生了加入矿物对熔池的激冷效应和陡然大量分解二氧化碳的突出等问题,出现了冶炼过程波动、终点参数偏离和煤气中混入大量二氧化碳等不少弊大于利的负面影响，造成即使是在铁水热量富余和不需要大废钢比冶炼的情况下，没能难广泛实施和大范围推广，更没有作为稳定的工艺取消或减少炼钢生石灰的石灰煅烧窑的任何先例，也淡不上很好地去利用矿物分解的二氧化碳。

技术实现思路

1、本发明的一种长流程铁钢冶炼方法，使得高炉炼铁和转炉炼钢所有预加工块状炉料无需经过高温过程处理，全部取消入炉物料高温加工工序和相应系统装备，减少了资源消耗及能耗，也相应降低了污染及二氧化碳排放，还可以增加流程总的废钢使用量，并在转炉全量直接利用熔剂原矿物炉内分解的二氧化碳。

2、本发明所采用的技术方案为：1）对于高炉，（1）采用内部封装有含铁矿物的自还原钢壳制块和/或常温/低温固结的冷固球团/压块替代烧结矿或焙烧球团，（2）利用加工后的小块度废钢，（3）采用内部封装有富碳物质的钢壳制块并配比富碳物质的裸露块粒/压块替代焦炭和全部/部分喷吹煤粉，（4）采用石灰石和/或白云石块粒直接入炉或细粉配入含铁矿物制品中，（5）使用煤气作为燃料和/或采用富氧助燃/补热结合还原剂配加方式等调整含铁矿物中间接还原与直接还原得比例关系；2）对于转炉，（1）采用石灰石和/或白云石块粒作为熔剂直接入炉，（2）在吹炼开始后全过程以较小的加入量速率计量连续加入，使炉内熔液完全包裹熔剂颗粒以获得尽可能大的接触比表面积，促使所分解的二氧化碳充分氧化熔池中元素并释放出一氧化碳，（3）根据持续分析的烟气中二氧化碳含量实时调整熔剂加入速率，既使得熔剂可以尽快加完、尽早化渣，也使其块粒能完全被炉内溶液包裹使所分解的二氧化碳能够最大化地置换氧枪顶吹氧气及转换为相应一氧化碳，并同时提高煤气的热值和产出量；3）高炉与转炉的系统协同，（1）对于在废钢富余情况下或技术经济性好条件下多使用废钢，（a）将全部低锌小块度废钢加入高炉、（b）将部分轻薄较大块度废钢进一步剪切分割后加入高炉、（c）使加入高炉的废钢在辅助提高高炉表现（提高利用系数、降低燃料比和改善透气性）后成为高蓄能炼钢原料铁水、（d）稀释铁水中的有害元素以降低转炉相关负荷、（e）将加入废钢转化的铁水中由富碳物质在高炉内溶入的相应碳素在炼钢过程转化为相对清洁和易用的转炉煤气，（2）提供充足的热能以支撑转炉在任何情况下可以将石灰石/白云石稳定作为全量熔剂使用，（3）在转炉煤气过剩时作为高炉的燃气/还原剂或燃烧温度/携热气体。

3、本发明技术方案的可行性原理和可能过程机理解释为：

4、1）对于高炉：

5、（1）内部封装有含铁矿物的自还原钢壳制块（相当于一个充实铁直接还原物料的匣钵）用于相应替代烧结矿和或/焙烧球团，在处于高炉炉内的还原性或惰性气氛下的钢壳明显失去强度和密封性的1250℃以下的温度范围内，由于钢壳的保护和约束使其在入炉及其后的下行过程中不会因为碰撞、摩擦、挤压等机械力造成剥离和碎裂，不会与炉气中有害物质反应出现强度损失，也不会在升温时出现晶格转变、自还原碳素直接还原含铁矿物和还原产生一氧化碳间接还原含铁矿物等过程出现相变碎裂和粉化对物料集合或“料柱”透气性造成的负面影响，直至在上部炉料很高的静压力下完成内部含铁矿物的自还原，并形成一定强度和尺度的高比例铁金属化的固结块体。

6、（2）同样，内部封装富碳物质的钢壳制块（相当于一个填满炼焦煤的微型炭化室）用于替代焦炭（特别是替代起支撑骨架作用焦炭），也因其外钢壳的保护和约束，在入炉及其后的下行过程中不会因为碰撞、摩擦、挤压等机械力造成剥离和碎裂，也不会像焦炭一样在下行时与炉气中的（a）气化剂气体（二氧化碳/水蒸汽）发生反应、（b）有害物质进行反应产生强度特性“劣化”而出现粉化对物料集合或“料柱”透气性造成的负面影响，直至在上部炉料很高的静压力下完成内部富碳物质的干馏和炭化并形成具有一定密度、强度的高温炭化块体。

7、（3）由于替代烧结矿和替代焦炭的钢壳制块不会产生粉化，以块粒的形式加入石灰石/白云石熔剂也不会在低温下分解而粉化，特别是再加入一定比例更谈不上会产生粉化的废钢块，就可以在一定的组合条件下存在允许相对加入更大比例的加工块矿空间，尤其是在尽可能将低温易粉化的矿物封装在钢壳块体内，或有的大量磁铁矿粉用于冷固球团/压块的情况下；当然地，当高品位块矿不足或品位不够若多加会降低入炉铁矿物总品位时，也可以一定程度地放宽对于冷固球团的矿种类、中温强度、还原膨胀和/或低温粉化等性能的要求。

8、（4）当替代烧结矿的自还原钢壳制块下行进入软熔带，高温使得已经完成直接还原的铁块外层钢壳软化/熔化破裂，暴露出铁块并开始软化/融化/熔化；替代焦炭的钢壳制块下行软熔带和已经炭化的炭块外层钢壳渗碳软化/熔化破裂，暴露出炭化体并开始参与碳气化反应、对铁矿物的直接还原和铁液滴的渗碳；少量石灰石/白云石块粒在进入软熔带前分解，进一步下行后形成外层包裹有较高熔点硅酸钙的块粒，并逐渐熔融渣化。较多的新初暴露的块体有较好的荷重软化性能，其汇合积搭有可能对软熔带的透气/液性有所改善。

9、（5）增加废钢加入比例是增加加工块矿使用比例的有效途径，还有助于提高高炉生产效率、单位渣量和降低铁水杂质含量；当废钢量不够充足时，适当配合含铁矿物自还原钢壳制块，也可以在消化筛下无法直接入炉的矿物细颗粒和利用生物质或消纳富碳物质副产品/回收物的同时，加大加工块矿的使用比例。

10、（6）由于废钢很难加工得较小，也由于钢壳制块尺寸小时钢壳的成本相对高、加工效率相对还低，在可能的情况下希望采用较大比例的大块度炉料，但会使得这部分炉料下行进入软熔带时的块度尺寸仍然比较大，相应地要求使滴落带有更高的温度，以促进制块的进一步还原、融化/熔化、渗碳和滴落流动，通过降低软熔带层的厚度来减小气流阻力。富氧助燃将有助于提高理论燃烧温度。

11、（7）与上条款同样理由希望采用较大比例的大尺寸钢壳制块炉料，但较大比例的大尺寸炉料可能会造成块状带和软熔带上部物料间隙过大，过大的孔隙度不仅不能充分利用炉气中的反应物质和热量，而且还可能出现局部的炉气气流短路。相应的双赢改善措施可为：（a）取消风口喷吹煤粉，全部的固体燃料由炉顶加入；（b）适当放宽块矿和/或冷固结球团/压块的粒度范围，尤其是下限值；（c）富碳物质裸露压块、冷固球团/压块等制品在充分保证其常温强度的前提下，适当放宽入炉后的其它特性严格程度；（d）结合富氧助燃和间接还原减少，适当提高下部炉气温度，相应减小炉气流量和流速。当然，还可以视情况选择将部分物料由分层加料改为分层结合分环/混合加料。

12、（8）当自还原钢壳制块的比例和/或废钢比例较大时，高炉炼铁技术原理的重要特征由现有技术下的炉内含铁矿物中铁氧化物低温起始间接还原为主改变为部分裸露矿物低温起始间接还原+部分中温起始封闭直接还原+敞开高温直接还原+熔融还原+铁浴还原的组合还原。炉料间接还原相对消耗还原气体（一氧化碳和/或氢气）减少，需要控制避免过多碳素气化反应造成的吸热、生成还原气体以及碳素损失，使用一定比例的替代焦炭的内部封装富碳物质的钢壳制块在这方面应该是有益的，并可以结合还原剂配加方式（矿物自还原钢壳块体配入还原剂的量）和钢壳块体与裸露块体配比等调整含铁矿物中的间接还原与直接还原比例关系。

13、（9）内部封装富碳物质的钢壳制块是以替代具有透气、透液性的炉内物料支撑骨架功能部分的焦炭为主，兼有直接还原、渗碳碳素和燃料的作用；含铁矿物中加工块矿、冷固球团/压块所需的间接还原气体主要由从炉顶加入的富碳物质裸露块粒/压块热解气体和热解后炭化体与炉气中二氧化碳发生碳气化反应（c+co2=2co）获得，也可以部分从回用煤气中获得；

14、（10）富碳物质在炉内块状带热解会产生大量的碳氢化合物热解气，由于这一区段块矿、冷固球团/压块温度较低，会有较大比例的富氢还原气体不能有效地用于含铁矿物的间接还原，再加上在使用较大比例内部封装有含铁矿物及其还原剂的自还原钢壳制块或废钢，高炉下部碳气化反应产生的一氧化碳和/或氢气用于间接还原的消耗量减少，在碳气化反应无法抑制的情况下也会产生大量的还原气体剩余。此时，这部分高热值炉气可以考虑：（a）收集处理后用于弥补取消焦炉后的煤气缺口，供其它工序使用；（b）煤气过剩时可在炉内作为燃料，通过与喷枪吹入富氧气体反应就地转化为热能；（c）收集后从高温区加压吹入炉内，作为燃料、还原剂和/或风口区域温度及炉腹煤气量进行调控的气体进行回用。诚然，对于在现有技术下的钢材制品生产长流程中取消焦炉后，高炉理应成为整个流程中主要的煤气发生炉；也由于大量替代焦炭所采用富碳物质在高炉内的热解和富氧助燃，使得高炉煤气的h/c和热值提高较大，用途变得相对广泛而成为外供的化工原料；在大量高炉煤气作为高氢气体外供且铁钢轧流程内部煤气过剩时，可以使用部分相对低氢的转炉煤气作为高炉气体燃料，并可使用水蒸汽/热水雾作为风口回旋区温度控制和炉腹煤气调节气体，以取消喷煤和降低固体燃料消耗，并不会让多余的水汽影响煤气品质。

15、（11）为提高热效率和提高煤气品质，采用工业氧气或高氧含量低氮富氧气体助燃是合理的（所谓低氮富氧气体仅仅为因工业氧气的量不足补充混入少量空气等的情形）。在燃烧炉内碳素仅采用工业氧气助燃时，风口气流回旋区域的温度会过高，难以保持合理的风口回旋区长度/体积，作为载热气体的炉腹煤气质量也较少（在使用空气助燃时，占比78%的氮气有很强的蓄热能力和冷却效应，还必须通过热风炉加热至尽可能的高温），亦将造成炉内温度场极端不均匀。为改善这一状况，可以：（a）煤气富裕时采用回用煤气或利用转炉煤气作为控温携热物质来抑制局部区域高温及增加载热气体量；（b）在对外界大量提供煤气的场合，可以相应增加顶装固体燃料数量，视资源情况采用热水喷雾或富余蒸汽与氧混合喷吹燃烧炉内碳素，在抑制烧嘴区域高温的情况下增加煤气产量。

16、（12）对于同时具有煤气发生炉功能的外供大量煤气的多功能高炉，取消喷吹煤粉而代之完全采用炉顶加入固体燃料可以获得更多和热值更高的煤气（含有加大比例的富碳物质热解气的低氮煤气），还可以在富碳物质中增加高挥发物料（如褐煤）的比例，相对于喷煤，加大顶装固体燃料的数量也是几乎不受任何限制，相对的成本/费用也较喷吹煤更低。在燃烧炉内碳素采用工业氧气或较高含氧量的富氧气体助燃条件下，可以根据煤气用户要求采用喷吹水蒸汽/喷水雾或回收二氧化碳作为控温携热物质抑制烧嘴周边区域过高温度并后续成为碳素的气化剂。在资源均满足而情况下，对于选择采用喷吹水蒸汽/喷水雾还是回收二氧化碳抑制烧嘴周边区域过高温度并后续成为碳素气化剂，应首先取决于煤气用户的要求。采用水蒸汽/喷水雾抑制高温并后续成为碳素气化剂时，碳素气化反应为c+h2o=co+h2（亦称水煤气反应），煤气中相对含氢比例较高，并有较高的h / c比值，可能用于化工等更广泛的用途；采用二氧化碳抑制高温并后续成为碳素气化剂时，碳素气化反应为c+co2=2co（亦称boudouard反应），反应物仅为一氧化碳，煤气中相对总含氢相对较低；水雾相对冷却效应最强，水/水蒸汽以及氢气的还原产物对煤气品质没有任何影响。此时，完全可以停用或取消既有的热风炉。

17、13）在采用工业氧气或较高含氧量的富氧气体助燃条件下，对于煤气过剩的场合可以大量地回用煤气作为燃料和还原剂，以减少固体燃料的使用量（但基于保证透气、透液性和支撑骨架作用，内部封装富碳物质的钢壳制块的用量减少是有限的，应该以减少煤粉喷吹为优先）。此时煤气还可以兼顾用于烧嘴周边区域过度高温的抑制，视情节单座高炉可以利用既有热风炉其中的一部分/多座高炉共享开启一组热风炉进行煤气的预热。

18、14）替代焦炭和喷煤煤粉的各种富碳物质的加热、脱水、热解和干馏相对需要更多的热量，替代生石灰的石灰石/白云石加热和分解相对需要更多的热量，当替代烧结矿的自还原钢壳制块的比例较大时也相对需要更多的热量以促成其内部含铁矿物的封闭碳热自还原，在能量和物料平衡时考虑相应增加燃料及其助燃气体进行补偿；考虑既有风口供热能力以及改善炉内的温度场分布，在通常高炉炉缸风口的上方增加相应热量补偿系统进行补热。

19、15）在热高负荷条件下，只使用高炉既有风口集中供热会造成炉气因温度过高出现体积流量大而在炉料透气不畅的滴落带和软熔带产生过大的压头损失。为避免这一问题的产生，可以通过在既有风口上方的块状带高温区段合适位置（炉腹上段/炉腰和/或炉身最下段区域）增设的多层喷枪喷射氧气等，利用炉气中的可燃气体进行炉内物料的多层梯级供热维持一段合适且稳定的较高温度（例如1100℃左右温度区段，远高于煤气起始燃烧温度(燃烧点)），保证含铁矿物直接还原和废钢加热所需的热能，并在更上方利用裸露的固体燃料的碳素气化维持所需煤气的热值和量值，并不过多熔化钢壳制块的钢壳。

20、（16）在实施利用炉气中的可燃气体进行炉内物料的梯级供热时，还应注意依据炉顶炉气温度及料面温度场的状况进行梯级加热点供热和布料的实时调整，以避免炉气温度高而影响热能的利用率，也杜绝因局部温度过高造成的炉况异常。

21、（17）对于高炉炉顶加入废钢，只要经过加工和分选后的块度尺寸适合顺利入炉，理论上其占比是可以很高的，在废钢资源量极为充裕和稳定时，甚至还可以过渡成为单一功能的熔化废钢竖炉。

22、2）对于转炉

23、（1）在转炉吹炼终点钢液成分、温度和终渣氧化铁含量确定的情况下，转炉炼钢是一个只有热损耗、没有热补偿的热过程，维持这一过程的初始能量基础是高炉铁水本身所携带的物理热（主要体现在入炉铁水的温度）和化学热（主要体现在铁水中碳、磷和硅元素的含量），也就是从整个流程的层面看都来源于高炉的广义燃料；过程的终点能量状态是在过程中将铁水初始状态依据终点要求以各种能量支出的形式实现过程目标后钢液的物理热，铁水中的磷与目标磷的相对关系并关联铁水中硅的含量在一定程度上通过物料平衡对过程热支出有所影响。转炉吹炼过程的热能支出主要取决于由铁水中的碳含量决定的吹炼过程时间和炉气总量，也就是说环境（时间相关）、炉气（烟气总量相关）带走的总热量基本上也是一个定值。在现有技术条件下，通常高炉铁水温度和成分相对于常规转炉冶炼终点钢液温度和成分目标，从热平衡的角度看热能是有一定富余量的，需要加入冷却物质进行平衡。仅就转炉炼钢而言任何对冶炼过程或产品可以做出贡献的物料均可作为冷却剂，一般为废钢（增加产出）、含铁矿物（向熔池提供氧和增加产出）、石灰石/白云石（向熔池供氧和分解后成为溶剂替代生石灰/轻烧白云石）或前述冷却物料的主要+补充组合。各种冷却剂从转炉熔池物理热富余量的能量平衡和能量利用率方面看都可以达到基本相同的效果，单单就入炉铁水富余热量在转炉炼钢过程中进行平衡，可以也只得根据技术经济性在不同的原料价格情况下进行选择。以定铁水量装入模式为例，相对于废钢，高品位块矿和石灰石对转炉熔池的冷却效应分别约是3倍和2.6倍，重量为1单位的废钢、块矿和石灰石平衡相同热能时所增加的冶炼过程可利用物质分别约为0.95单位铁、0.20单位铁+0.10单位氧和0.24单位生石灰+0.05单位氧+0.09单位的一氧化碳，在一定熔池富余热量和热平衡的前提下，只要加入方式恰当不出现喷溅等，冷却剂在吹炼过程浸没在熔池内吸热熔化或反应，其热量利用率接近100%，可利用的固/液态物质基本上也会成为钢液或被冶炼过程充分利用，只有石灰石分解的气态二氧化碳能否大比例置换氧气以及相应产生的一氧化碳能否最终成为回收煤气还必须认真加以研究和对待。

24、（2）但如果在高炉炼铁+转炉炼钢的整个流程层面考虑总体的技术经济性并结合节能环保、资源利用和简约集约等的综合因素，基于流程高炉炼铁+转炉炼钢的协同以及物料平衡和热平衡，对同样数量和相同价格的可选做冷却剂的资源就会得到显然更加合理和更大收益的选择性明确结论。从流程角度看，作为转炉加入量受限的可选冷却剂废钢若作为高炉炉料可以在增加铁水产量的情况下经过一次性加热将高炉固体燃料的化学热转化为废钢熔化和渗碳后相应的铁水物理热+化学热并最终成为钢液物理热，中间没有大的物理热+化学热损失（废钢熔化对应的铁水仅作为保温输送下总铁水量的少量增量），也可以大大增加流程系统的废钢总使用量；而作为转炉可选冷却剂部分的石灰石/白云石若因熔池总热量不足不被选择为冷却剂，则需要加入相应的生石灰/轻烧白云石，其物料准备流程中通过煅烧窑在1150℃将石灰石/白云石加热并分解出二氧化碳，再经冷却后输送至转炉，其间二氧化碳和成品生石灰/轻烧白云石的物理热全部散耗，二氧化碳也排放进入环境。显然，选择石灰石/白云石作为转炉富余热量的主要冷却物料，再补充少量块矿或废钢作为热平衡的最终调整物料的方式是相对合理的，尤其是能够实现充分利用石灰石/白云石分解后的二氧化碳替代氧气氧化熔池元素并生成一氧化碳，在增加煤气产量的基础上也能够提高煤气的一氧化碳含量的条件下进一步扩大了相对优势！也当然只有如此，才有可能取消石灰石/轻烧白云石煅烧工序及相关系统设施。

25、（3）直接使用矿物石灰石/白云石替代煅烧产品时矿物块粒渣化的机理和过程优势巨大。成品生石灰/轻烧白云石在煅烧时内部的盐酸盐和结晶水均已经过深度分解，构成物质主要成分是熔点均高达2300℃以上的氧化钙/（氧化钙+氧化镁），加入转炉后需要经过较长时间地与二氧化硅酸性物质和氧化铁等低熔点物质在块粒表面逐渐进行渣化反应，使得表层高熔点物质熔点不断降低直至出现液相后逐层地不断进入熔融炉渣，整个渣化的过程不仅很长，而且还与二氧化硅、氧化铁等的活度以及熔池温度紧密相关。所以，通常使用成品生石灰/轻烧白云石造渣时往往都尽可能早地加入熔剂，给熔剂尽早充分渣化（特别是当大块度熔剂多时）参与冶金反应留出尽可能多的时间余地。而当矿物加入炉内瞬间，由于炉内和熔体的温度大大高于其中碳酸盐极速分解的910℃（也包括所含少量的结晶水的急剧蒸发的400℃），能够直接接触炉气或渣铁液的矿物块粒会迅速吸热产生分解二氧化碳并出现表面爆裂而逐层剥离和局部解体在很短的数秒级的时间内使矿物块粒完全碎化进入液相。因此，在直接使用矿物石灰石/白云石造进行渣时，根本无需因担心化渣的过程长而过分早地大量加入熔剂，而且分解后的新鲜氧化钙活性度更好，完全能够连续不断地小量加入，并能够即时地充分化好渣，这一巨大的差异特性也是矿物作为冷却剂得以实施并取得良好效果的重要支撑。

26、（4）铁水炼钢是个利用制备的氧气对铁水中非铁元素的氧化过程，能够实现充分利用作为熔剂也兼作为冷却剂的石灰石/白云石受热所分解的二氧化碳替代相应量的氧气氧化熔池元素和转变为一氧化碳成为回收煤气是获得高活性熔剂和同时直接利用二氧化碳替代或置换氧气并富化转炉煤气的双重收益。要实现良好的效果，需要注重以下几个方面的问题：

27、a）矿物量的较低速率连续加入是重点。石灰石/白云石加入炉内瞬间，能够直接接触渣铁液的矿物块粒会迅速吸热产生分解二氧化碳并出现表面爆裂而在瞬间内完全爆裂碎化进入液相，而集中扎堆接触不到渣铁液的块粒也会受热分解，但分解的二氧化碳会随其它气体（一氧化碳或二氧化碳）逸出炉口，不仅不会氧化熔池中的元素，还会降低煤气热值。相对于以每次数秒钟时间内从汇总料斗向炉内加入石灰石/白云石这类强烈反应吸热和剧烈反应产气矿物的批次方式，连续不断地加料方式在瞬时内加入炉内的矿物时在数量相对小得多（低加入量速率加料），杜绝了大量块粒落入造成的炉温突降和炉气突出等现象，能够相对地使冶炼过程中熔池内熔体的温度变化、粘度变化、瞬时气体发生量、泡沫渣起伏和炉内各种冶金反应等都更加稳定和平顺。因此，进行连续加料且加料量可实时无级可调是实现炼钢过程稳定的重点遵循。

28、b）矿物分解的二氧化碳最大化参与熔池元素优化是目标。石灰石和白云石作为熔剂替代其经炉窑煅烧的产品生石灰和轻烧白云石直接加入转炉时，会瞬间吸收炉内热量并分解出所需的氧化钙/氧化镁和释放出二氧化碳，而二氧化碳在炼钢温度下是一种较强的氧化剂，可以自发地置换或取代部分吹入的氧气去氧化熔池中包括铁在内的几乎所有元素（硫等以及比铁与氧结合力弱的金属元素不做讨论），并产生等体积的一氧化碳成为煤气，使分解出的二氧化碳最大程度地氧化渣铁液中的各种元素或最大可能地被渣铁液中的元素还原是目标。要做到加入的矿物能够稳定地分解并最大比例地置换氧气去氧化熔池熔体中的元素和相应还原成煤气（一氧化碳），还必须在微观层面力求使得矿物块粒单体在被充分包裹在炉内泡沫渣铁液和/或熔池铁液内部分解出二氧化碳，并在其逸出前充分氧化周边包围的渣铁液体内金属元素和碳素并转换成相应的元素液态氧化物进入熔渣中和释放出一氧化碳进入转炉煤气。

29、c）根据转炉烟气中二氧化碳含量对熔剂矿物加入速率进行实时调整是手段。通过定量和动态调整使矿物加入量位于对应在不同冶炼阶段烟气中二氧化碳处于最低含量水平的最大加入量之下的一定范围内，形成一定的缓冲空间在冶炼环境和条件出现一定变化时，不会对氧气的置换和煤气的发生造成波动，并使在生产熔剂需要量很大的钢种时进一步提高加入量将矿物全量加入成为可能。此外，结合冶炼过程阶段性出现熔池反应类型、状态和熔池反应产生炉气总量的趋势，根据阶段性的烟气总量来调整和限定矿物的加入量，在不发生喷溅、不溢渣的前提下，确保在各种可能加入的矿物总量情况下加入矿物最大可能地在熔池渣铁液中稳定和持续分解二氧化碳，也能近乎全部地被熔池渣铁液中元素充分还原成一氧化碳和置换相应的氧气也是至关重要的。

30、d）对冶炼过程和终点的负面影响最小是保证。炼钢就是一个将所有主辅物料聚集在熔池中并提供基于物料氧平衡总氧量以达到冶炼终点目标的氧化过程，所谓物料氧平衡总氧量包括一定氧利用率条件下的气态和固态供氧的总和，如果出现平衡供氧量中氧利用率的偏差，冶炼终点的结果相对于目标值也会相应偏差。当使用石灰石/白云石替代煅烧成品熔剂时，由于碳酸盐分解的二氧化碳在炼钢温度下的强氧化性，相当于同时对熔池进行了固态供氧，而这种固态供氧因其分解二氧化碳与熔体中待氧化元素的接触、混合和反应传质等的状态不同，二氧化碳参与氧化反应的比率（二氧化碳中氧的利用率）也就有波动，相应地对冶炼终点目标的命中也就有偏差，所以为保证终点目标需要实时掌握分解二氧化碳中氧的利用率，依据动态氧平衡适时对最后进行供氧的氧枪剩余供氧量的调整来实现。尽管采用了连续加料和动态调控确保分解二氧化碳具有高的氧气置换率等措施，但要尽可能地减少矿物替代对冶炼过程和吹炼终点的负面影响，仍有必要通过实时计算修正氧枪剩余供氧量，尽可能减小终点目标的命中误差。

31、（5）放宽了对原料的种类和块度要求。由于矿物直接加入，很多因矿物构成使得在煅烧窑内容易破裂分化的矿种可以得到利用，还可以大大放宽可以使用的块粒粒度上限和下限值；上限值放宽是因为前述的碳酸盐和结晶水的急速分解产生的剥离和解体吧，不会出现接近吹炼终点时仍无法彻底渣化，更大的块粒也容易浸没在渣铁液体内分解和充分氧化其中的各种元素；下限值放宽是由于矿物密度和强度大于煅烧产品的密度和强度，不会在入炉前的物流和加料过程中撞击破裂和因摩擦剥离而变小，也不容易被转炉烟气引风机抽吸进入烟道而损失。在采用本发明的连续加入并对加入量（加入速率）进行调控的情况下，可以将常规生石灰和轻烧白云石的允许入炉粒度范围从25-70mm放宽调整为8-100mm，提高了开采矿物的可直接利用比例。

32、3）流程中高炉与转炉的协同增益

33、（1）取消生石灰煅烧窑的协同。鉴于选择石灰石/白云石作为转炉富余热量的主要冷却物料，再补充少量块矿或废钢作为热平衡的最终调整物料方式的相对合理性，尤其是能够实现充分利用石灰石/白云石分解后的二氧化碳替代氧气氧化熔池元素并生成一氧化碳，在增加煤气产量的基础上也能够提高煤气的一氧化碳含量的条件下取消石灰石/轻烧白云石煅烧工序及相关系统设施，在相同转炉钢液产量的前提下，需要有相对较高的铁水比。将被置换出后相对富余的废钢在高炉中加入，通过提高高炉利用系数增加铁水产量的补偿，实现平衡资源保证钢液总产量的生产目标。

34、（2）大量使用废钢的协同。铁水用于转炉炼钢，一定量铁水的物理热和化学热总量相对是确定的，在热平衡的前提下，对于熔池过剩热量加入废钢进行平衡（在吹炼过程浸入熔池内吸热熔化），其热量利用率接近100%。而当加入过多废钢熔池内热量不足需要从外部对熔池进行加热补偿时，用于加热的热量利用率就会变得很低，具体为：1）当采用顶枪供氧二次燃烧进行补热时，氧气燃烧一氧化碳对熔池面和/或包裹产物气泡的熔渣传热，但免不了大量热量加热了强力升腾的炉气并被炉气带走，也消耗和加热了相应氧气、还造成回收煤气热值下降，总的二次燃烧产生热量的利用率很低；2）当采用含碳物质进行补热时，氧燃烧碳/一氧化碳对熔池面和/或包裹产物气泡的熔渣传热，增加了炉气总量（相应带走了增加部分的热量），免不了大量热量加热了强力升腾的炉气并被炉气带走、也消耗和加热了碳物质和相应氧气，虽然可能会增加回收煤气热值和总量，但用于熔化废钢的热量占比仍很低；3）当采用含硅物质进行补热时，所增加氧化反应的生成物二氧化硅是有状态热焓值的（需要消耗热量），也消耗和加热了相应氧气，更值得关注的是对相应生成的二氧化硅需要再补充加入约其重量比2.8~3.2倍的氧化钙折合的生石灰来补偿总的炉渣碱度的降低，这会消耗掉大量获得的补偿热量，即使是在高磷低硅铁水需要增加渣量时对脱磷有益，但对熔化废钢的热率利用率仍是很低的；4）当采用直接燃烧熔池中的铁元素进行补热时，所增加氧化反应的生成物氧化亚铁等是有状态热焓值的（需要消耗热量），也消耗和加热了相应氧气，虽然对熔化废钢补热的热利用较率高，但会相应带来冶炼铁素收得率低（铁损高）、脱磷率下降、渣量增加、钢液含氧量增加和炉衬耐火材料消耗增加等一系列问题，必定是得不偿失的。特别地，同样为了在转炉大量使用废钢，很多生产厂在炉外对入炉前的废钢进行预热，采用加热装置的方式方法纷乱繁杂，大多是结合转炉吹炼周期在铁水包、废钢斗或专用加热料槽内对废钢进行高强度烧嘴燃烧气体的顶部或侧面加热，此种形式其烧嘴燃烧后的高温气流路径无法优化，大量热量无端因自然上浮散失，热能利用率一般不足30%，从加热停止到倒入铁水或加入转炉或转倒入废钢斗的等待/转倒过程中也会有热量损失，还无法避免产生相应的环境污染和工业卫生问题。总之，相对于转炉炉内加热熔化废钢平均不足50%的热能利用率，（转炉炉气进入烟罩时的温度约1500℃，而高炉炉气从炉顶排出时约为150℃），即使是考虑到废钢加入高炉出铁后直至铁水加入转炉期间的热能损失，以及转炉烟气余能回收后的节能因素，将部分废钢在对于物料的热能利用率超过90%的高炉作为炉料通过熔化/渗碳生产铁水，可同样获得熔化废钢成为最终钢液和稀释铁液中杂质元素的效果，其合理性是不言而喻的，也是明显具有相对益处的。从整个铁钢流程层面的显热利用率的角度分析，当转炉中铁水物理热不足以平衡大量加入废钢的吸热需要额外进行热量补偿时，废钢炉外加热后再加入转炉与切分后加入高炉相比较，一定是弊大于利。

35、（3）转炉煤气替代高炉燃料的协同。在使用石灰石/白云石作为熔剂时，转炉煤气会得到热值提高和产量增加的富化，能够在转炉煤气富余时可以作为气体燃料输送至外供高h/c比煤气的高炉使用，实现降低高炉固体燃料并确保转炉煤气不放散损失。

36、相比于现有技术，本发明的有益效果为：

37、1）本发明的一种长流程铁钢冶炼方法，高炉采用冷固结球团/压块和/或内部封装有含铁矿物的自还原钢壳制块替代烧结矿或焙烧球团，采用内部封装有富碳物质的钢壳制块并配加富碳物质裸露制块替代焦炭，可大比例加入小块度废钢；高炉/转炉采用石灰石和/或白云石块粒直接入炉，使得所有预加工块状炉料无需经过高温过程处理，取消了焦化、烧结、球团焙烧、石灰煅烧窑等入炉物料制块准备的高能耗、高污染、高碳排和低资源利用率工序。

38、2）本发明的一种长流程铁钢冶炼方法，通过在高炉采用不存在任何粉化、剥离和碎裂现象的内部封装有含铁矿物的自还原钢壳制块替代烧结矿、内部封装有富碳物质的钢壳制部分替代焦炭和/或较大比例地加入小块度废钢，使得物料集合的孔隙度增加，为大幅度提高直接加入加工块矿的比例提供了可能，也为放宽冷固球团/压块的技术要求提供了余地。

39、3）本发明的一种长流程铁钢冶炼方法，对高炉原、辅材料的适应性极广，只要品位/杂质达标的现有技术无法使用的相应、相关廉价易得物料（包括加工副产品/回收物，乃至“固/液废物”）都可用于入钢壳制块的装填；现有技术下所有品位/杂质达标但特性不良但被迫或勉强利用的物料也都可以效果较好地用于冷固结球团/压块；对转炉使用的熔剂矿物可以双向扩展可入炉的粒度尺寸范围，还可以使用煅烧窑炉无法使用的矿物。

40、4）本发明的一种长流程铁钢冶炼方法，将现有技术的高炉中含铁矿物的还原以低温起始间接还原为主的还原过程改变为不同矿物的低/中温起始间接还原+中温起始封闭直接还原+敞开高温直接还原+熔融还原+铁浴还原的组合还原过程，可以避免为实现低温还原刻意地通过烧结或高温焙烧消耗能源先将矿物中的部分二价铁氧化成三价铁后再在高炉内还原成金属铁的冗余做法，减少了额外富碳物质资源消耗及相应的污染和碳排放。

41、5）本发明的一种长流程铁钢冶炼方法，利用废钢作为重要构成要素实现入炉物料全量冷加工，增加了在所有熔化废钢方式中显热能利用率方面遥遥领先的高炉熔化废钢的优势；一方面将进一步促进高炉熔化废钢的普及，另一方面支持转炉全量直接使用矿物熔剂造渣，取得更好的节能减排和资源利用综合/叠加的系统效果。

42、6）本发明的一种长流程铁钢冶炼方法，通过转炉熔剂矿物较小速率连续加料使得矿物块粒在熔体中被完全包裹，增加了分解二氧化碳氧化熔池中元素的利用率，具备了更多地置换了氧气和相应多回收了一氧化碳的能力，减少了石灰石/白云石矿物以批次方式加入炉内时出现的熔池温度骤降和分解气体突出的问题，消除了炉况的异常波动，稳定了炼钢冶炼过程，降低了出现喷溅等造成的金属和温度损失；并通过实时分析矿物分解二氧化碳的状况，并及时优化调整矿物连续加入的瞬时加入量或加入速率，提高了矿物向熔池固态供氧的稳定性，为在高氧气置换率和相应多回收煤气的前提下尽早加完矿物熔剂和最大化替代煅烧成品通过了保证，也为直接高效利用和减排相应二氧化碳提供了可能，并相对于正在推广的将生石灰煅烧窑废气中将含量不足35%的二氧化碳回收提纯后在用于替代部分炼钢氧气的方式有较大的优势。

43、7）本发明的一种长流程铁钢冶炼方法，使得高炉同时兼具有较高品质煤气发生器/煤气化设施的功能，可以较大量地增加煤气输出，扩大了高炉煤气的适用范围，提升了高炉煤气的使用价值，特别适用于弥补取消焦炉后燃料气的缺口；同样地，也使得转炉能够更多地产生更高热值的煤气。

44、8）本发明的一种长流程铁钢冶炼方法，在增设助燃制氧系统实现氧气或高氧气体助燃的情况下，高炉煤气热值提高但总体积量增量不多，完全可以利用现有高炉及其煤气处理系统实施煤气除尘、脱硫等的净化。相应地，可以关停喷煤系统或专门用于含碳固液废物的消纳；在兼作为煤气发生炉的场合可以永久停用全部热风炉，在大量回用高炉煤气/输入转炉煤气的场合可以使用部分热风炉预热煤气。这些停用和少用，也可以在高炉系统内部实现一定程度的简化与集约。

45、9）本发明的一种长流程铁钢冶炼方法，用于替代焦炭/烧结矿制块的钢壳的附加作用还有：（1）保护能够使在配料时不再考虑保证烧结矿冷、热态条件下的理化性能而额外添加的各种加入物（尤其是对高炉操作不利的物料），也相对提高了入炉铁品位，有利于减少高炉渣量；（2）也无需考虑加入任何为保证加工、物流和还原过程制品强度的结合剂；（3）在完成全部功能后，残体直接转化为纯净金属铁成为产品服务过程最终产品的组成部分。

46、10）本发明的一种长流程铁钢冶炼方法，对于新建含铁矿物冶炼铁钢流程，可以大大降低投资。

47、11）本发明的一种长流程铁钢冶炼方法，作为主要的方法构成因素使用了少量薄钢板（厚度为0.06~0.4mm）作为物料制块的封装包裹钢壳，虽然其本身也属于高耗能、高污染和高价格产品，但也是一种可再生循环使用的物质，在置换了对等功能产品的所有不可循环再生物质消耗后，还通过赋予应用过程新的功能、应用和效率，相应获得了在资源利用、节能降耗、污染控制和成本降低等方面可取的一系列的综合净增益，应该是有经权衡之后的很大现实社会良性效应的；另一个层面看，在制造过程使用或消耗过程自身的产品中获得了净收益，对行业本身的发展或稳定也有很重要的意义，随着钢铁行业和相关行业产品生产技术的系统进步以及相关清洁生产、绿色制造方面的突破，钢壳自身的高能耗/污染的遗传因子会越来越弱化。

48、12）本发明的一种长流程铁钢冶炼方法，通过其应用使得比较现有高炉+转炉的铁钢生产技术从矿物到钢液（或铁素+可比潜热+可比显热）整个过程的矿物、广义燃料等资源的结构和来源有很大的拓展，也使得钢铁产品生命周期中能耗、污染和排放大户的铁素还原部分相关能耗与污染的技术和经济指标有了较大的进步。