第二節(jié) 冶金工業(yè)的節(jié)能監(jiān)測(cè)

冶金工業(yè)是指對(duì)金屬礦物的勘探、開采、精選、冶煉以及軋制成材，也是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。根據(jù)產(chǎn)品的不同，可將冶金工業(yè)分為黑色冶金工業(yè)(包括鋼鐵工業(yè)、鉻、錳及各種鐵合金)和有色冶金工業(yè)(稀有金屬工業(yè))兩大類。冶金工業(yè)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(chǎn)各種金屬材料及制品。同時(shí)也是重要的基礎(chǔ)工業(yè)部門，是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與國防建設(shè)的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)也是衡量一個(gè)國家工業(yè)化的標(biāo)志。

一、冶金工業(yè)的主要工藝與流程

(一)鋼鐵行業(yè)主要工藝流程

鋼鐵冶金是根據(jù)物理化學(xué)、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、傳輸學(xué)和反應(yīng)工程學(xué)以及金屬學(xué)等基本原理，從礦石中提取金屬，經(jīng)精煉，再采用各種加工方法(塑性加工、機(jī)械加工等)制成具有一定性能的鋼鐵材料的過程。

現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)主要有4種工藝流程：①高爐——轉(zhuǎn)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(zhuǎn)爐工藝。在這4種工藝中，高爐——轉(zhuǎn)爐工藝和廢鋼——電爐工

藝是傳統(tǒng)工藝流程，是現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)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(fā)研究工業(yè)化試驗(yàn)階段，屬于新一代的鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)。

1.煉鐵工序

鐵礦石迸入高爐內(nèi)冶煉得到鐵水，高爐鐵水經(jīng)處理后送人轉(zhuǎn)爐吹煉，再經(jīng)二次精煉獲得合格鋼水，鋼水經(jīng)過連鑄(模鑄)成坯或錠，再經(jīng)軋制工序最后成為合格鋼材。其過程主要包括采礦、燒結(jié)、球團(tuán)、焦化、高爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼、軋鋼等工序，由于這種工藝流程生產(chǎn)單元多，規(guī)模龐大，生產(chǎn)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(duì)巖礦實(shí)行初步分離的過程，即根據(jù)自然礦產(chǎn)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(yùn)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(duì)貧礦實(shí)行富集，對(duì)含有脈石或有害成分的礦石進(jìn)行選別的過程。將礦石粉碎、磨細(xì)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(zhì)，富集出高品位的精礦粉。

(2)燒結(jié)(球團(tuán))工藝。高爐冶煉時(shí)，要求爐料要有一定的粒度和強(qiáng)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(huì)使高爐的冶煉無法正常進(jìn)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(jié)法和球團(tuán)法，所得到的礦塊分別為燒結(jié)礦或球團(tuán)礦。

燒結(jié)礦的生產(chǎn)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(jié)機(jī)上點(diǎn)火燒結(jié)。在燃料燃燒產(chǎn)生高溫和一系列物理化學(xué)變化作用下，部分混合料顆粒表面發(fā)生軟化熔融，產(chǎn)生一定數(shù)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(jié)成塊，這一過程叫做燒結(jié)，所得到的塊礦叫做燒結(jié)礦，如圖4-2所示。經(jīng)燒結(jié)而成的有足夠強(qiáng)度和粒度的燒結(jié)礦可作為煉鐵的熟料。利用燒結(jié)熟料煉鐵對(duì)于提高高爐利用系數(shù)、降低焦比、提高高爐透氣性、保證高爐運(yùn)行均有一定意義。燒結(jié)礦生產(chǎn)有鼓風(fēng)燒結(jié)和抽風(fēng)燒結(jié)兩種方法，目前大量采用的是帶式抽風(fēng)燒結(jié)法。

球團(tuán)礦的生產(chǎn)過程足將細(xì)磨精礦或其他細(xì)磨粉狀物料、添加劑等按一定比例經(jīng)過配料、混勻、潤濕后，通過造球機(jī)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(fā)生一系列的物理化學(xué)變化，形成具有一定強(qiáng)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(nèi)除了作燃料外，還起還原性和骨架的作用。

裝爐煤經(jīng)過高溫干餾轉(zhuǎn)化為焦炭、焦?fàn)t煤氣和化學(xué)產(chǎn)品的工藝過程，即煤炭焦化。將經(jīng)過破碎清洗的兩種結(jié)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(jié)劑用搗固機(jī)搗制成煤餅的形狀，配好的煤料，裝入煉焦?fàn)t的碳化室，在隔絕空氣的條件下由兩側(cè)燃燒室供熱，隨溫度升高經(jīng)干燥、預(yù)熱、熱分離、軟化、結(jié)焦成具有一定強(qiáng)度的焦炭。由煉焦?fàn)t爐頂排出的揮發(fā)物經(jīng)過冷凝、冷卻、洗滌、蒸餾等加工處理之后，得到焦?fàn)t煤氣、苯類、油等物質(zhì)。現(xiàn)代焦?fàn)t生產(chǎn)工藝流程如圖4-3所示。

在焦化過程中，有兩項(xiàng)重要的節(jié)能技術(shù)：干熄焦和余熱發(fā)電。

煉焦生產(chǎn)除了主產(chǎn)品焦炭供煉鐵使用外，還有焦?fàn)t煤氣和其他多種化工產(chǎn)品，這些產(chǎn)品和國防、冶金、輕工、化工、交通運(yùn)輸?shù)炔块T都有密切聯(lián)系，是其不可缺少的原材料。

(4)高爐煉鐵。高爐煉鐵實(shí)際上是對(duì)鐵礦石中的鐵氧化物進(jìn)行還原的過程，基本反應(yīng)原

理為

3CO+Fez03→2Fe+3CO2 (4-5)

高爐使用的含鐵爐料主要是燒結(jié)礦、球團(tuán)礦以及天然礦;燃料為焦炭、煤粉、天然氣等。高爐的主產(chǎn)品是生鐵，作為下游煉鋼工序的主要原料;副產(chǎn)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(nèi)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(zhì)和石灰石等熔劑結(jié)合生成爐渣，從渣口排出。產(chǎn)生的煤氣從爐頂排出，經(jīng)除塵后，作為熱風(fēng)爐、加熱爐、焦?fàn)t、鍋爐等的燃料。高爐冶煉的主要產(chǎn)品是生鐵，還有副產(chǎn)高爐渣和高爐煤氣。

高爐冶煉的特點(diǎn)主要是：①在爐料與煤氣流逆向運(yùn)動(dòng)過程中完成各種錯(cuò)綜復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和物理變化，爐內(nèi)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(yīng)過程的狀況，只能憑借儀器儀表間接觀察爐內(nèi)狀況;③高爐是連續(xù)的、大規(guī)模的高溫生產(chǎn)過程，機(jī)械化和自動(dòng)化水平較高。

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