炼铁生产是高资源消耗、高能源消耗的产业，又是高二氧化碳排放、高污染的行业。炼铁生产必须自我约束才能做到低碳炼铁。

对高炉炼铁来说，高炉低碳炼铁生产方针涉及的方面很多。主要有从资源、能源和循环经济的角度研究降低炼铁的消耗；从经济性、现实性角度考虑提高炉身效率、提高喷煤效果、降低燃料比，这是首选的低碳炼铁办法。作为实现高炉低碳炼铁方针的方法，应该具有以下特点：

    （1）现实性。适应各种高炉生产条件，符合低成本生产要求，与企业的自身利益休威相关，引导管理者自觉遵守和自我约束。

    （2）约定性。总结各个时期高炉炼铁生产技术方针，且有一定的实践基础。

    （3）科学性。应该符合资源的高效利用，有充分的高炉炼铁理论依据及生产实践，引导操作者自觉执行。

    （4）指导性。符合当前国民经济发展的需要，符合低碳、节能、环保的要求。

解放初期，中国钢铁工业基础十分薄弱，钢铁资源十分透乏，钢铁工业的产能跟不上国民经济发展的需要，强化高炉是追切的任务。经过多年发展，现今中国已经一跃成为半壁江山的产钢大国。随着形势的变化，在评价方法方面也应随之改变。

1.2.1中等冶炼强度和不断降低焦比的方针

在20世纪50年代上半期引进了原苏联的冶炼强度作为衡量强化的尺度，当时全国高炉冶炼强度为0.7~0.9t/(m³·d)。为了强化鞍钢高炉，蔡博在1955年总结改善鞍钢生产条件，包括原燃料的条件下，提出“在维持中等强度的前提之下，不断降低焦比”。这就是著名的“中等冶炼强度”方针。蔡博同时提出：“降低焦比是强化高炉生产的主要途径，但这不等于说强度就可以忽视，这只是说，应在保持焦比不升高的条件下提高强度，今年上半年鞍钢高炉的冶炼强度为1.008t/(m³·d)，虽比1954年高，但仍然是不足的，采取措施使强度达到1.05~1.07t/(m³·d)，应是鞍钢今后的任务”。

1.2.2大风高温高冶炼强度的方针

由于实现降低焦比需要做许多工作，不符合1958年开始的“大办钢铁”的要求，不能满足“立竿见影”的需要，于是受到了批判。1958年，重点企业的利用系数由1956年的1.32升高到1.49t/(m³·d)，焦比为713kg/t。1959年5月在本钢召开全国高炉会议的总结报告，并于1960年正式提出“以原料为基础，以风为纲，提高冶炼强度与降低焦比同时并举”，简称为“精料、大风、高温”的高炉强化方针。并且归结为“有风就有铁”。

1.2.3“八字”方针和“十字”方针

由于受到全国经济困难的影响，1964年，在鞍钢召开的中国金属学会炼铁年会上，冶金部副部长刘彬在总结强化时，原则性地提出了全面的高炉生产操作方针——“在精料的基础上，高产、低耗、优质、长寿的生产技术方针”。这就是著名的“八字”方针。

为了进一步符合炼铁低耗的要求，由国家建设部领导编制的国家标准GB50427—2008《高炉炼铁工艺设计规范》（以下简称《规范》），把“八字”方针中的“高产”改为更为全面的“高效”，并增添了“环保”。因此，《规范》提出了以精料为基础，全面贯彻高效、优质、低耗、长寿、环保的炼铁技术方针，简称“十字”。其更符合中国的节能、减排、重视环保的基本国策，“十字”方针符合低碳炼铁的要求。

    “高效”不应简单地等同于“高产”，而应该理解为：高效地利用资源、高效地利用能源、高效地利用设备。高效地利用设备包括高的利用系数、高的作业率、长期维持高效、稳定的运行时间等。

    不管“八字”方针，还是“十字”方针，原则上是符合高炉低碳炼铁的方向的，而进一步具体落实低碳炼铁生产方针的方法则更为重要。

在解放初期，中国的计量技术十分落后，许多高炉的计量方法也十分落后，而高炉每天燃烧的焦炭量相对比较准确。因此，在20世纪50年代原苏联推行的高炉每天每立方米消耗的焦炭量，即冶炼强度比较容易接受。随着计测技术的飞速发展，准确计量压力、流量的技术已经普及，增加了多种选择的可能性。

由于高炉过程非常复杂，炼铁界常说，除了气、固、液、粉体四相以及相变外，其间存在复杂的传热传质过程，冶炼强度仅仅抓住了昼夜装入高炉的焦炭量。焦炭既作为还原剂，也作为发热剂。作为还原剂，其利用状况受直接还原或间接还原以及溶损反应的影响，而产生的煤气在炉内的停留时间对其利用率影响很大；焦炭燃烧产生热量，用作发热剂，而前面的3种反应也对焦炭中碳素的发热量有重大影响。因此，冶炼强度不能反映炉内复杂的变化过程。

著名学者杨永宜教授在1959年就详细、全面地研究了冶炼强度与炉内现象的关系。得出的结论为：“提高冶炼强度的影响是多方面的和准辩证的”。之后的许多研究者也不断地寻求理论依据，可是由于冶炼强度没有与高炉过程发生辩证的关系，始终没能从高炉过程的本质上说明合适的冶炼强度及其合适值。而大多数研究只限于统计“U”字形曲线而已，同时养成了肤浅理解高炉现象的习惯。中国一直认为强化冶炼是中国高炉生产的特色，可是在强化理论方面却没有像样的建树，包括以前也是仅限于“U”字形曲线上下功夫。

因此，从冶炼强度引入中国开始就对它的合适值发生了争论。在国民经济正常发展的初期，炼铁界的专家都支持降低燃料比，维持1.0~1.1t/(m³·d)的中等冶炼强度；“大办钢铁”时期中等冶炼强度便受到了批判：“调整、巩固、充实、提高”时期，炼铁生产也进入了平稳发展的状态。在前一段时期，社会上又形成了一股浮躁的风气，特别是中小型高炉自以为冶炼强度高就是生产效率高。在20世纪末，国外早已建设了一批高效的大型高炉，而中国却在宣扬小型高炉的效率高。在世界撤起地球气候变暖的讨论时，中国却不顾生产条件，单纯强调高冶炼强度，致使中国高炉的燃料比普遍比国外高约50kg/t等一系列弊端。显然，这是使用冶炼强度作为评价方法或工具出了问题。

由于高炉炼铁是非常复杂的系统，要提升某个参数作为指标必须从多角度、多方面讨论指标的合理性。于是又从还原动力学的角度来检验这些参数的合理性，提出了一组参数，即炉腹煤气量指数χBG、吨铁炉腹煤气量VBG及炉缸面积利用系数ηA，并继续系统、全面地论证新的强化理念，从而建立评价高炉生产效率的新方法。

炉腹煤气是由高压、高温的热风在风口前燃料燃烧所产生的高温炽热、高压、带有强烈还原性和鼓风动能的高能煤气。它是冶炼生铁所需化学能和热能的载体，是炉内能量流的源头，是推动炉内所有传热、传质过程的源泉。为了更好地利用资源和能源，降低燃料比，必须抓住高效利用炉内煤气这个纲。

炉腹煤气量有两个方面：炉腹煤气量指数χBG，它能反映炉内煤气的流速；吨铁炉腹煤气量VBG，它能反映炉内还原过程还原剂和热能、化学能的需要量。在充分利用能量方面，最根本的是降低燃料比，充分利用高炉煤气的热能和化学能，必须提高煤气利用率，降低吨铁炉腹煤气量VBG；提高炉内煤气效率也是强化高炉冶炼的重要手段。两者存在矛盾和统一的辩证关系。

炉腹煤气量指数χBG是在风口前燃烧带所产生煤气的流速，是燃烧带产生煤气在标准状态下的空塔流速，属于能量流的强度和高炉过程的动态范晴。它是决定炉内一次煤气分布的重要物质因素。它是高炉过程的重要参数，利用系数等衡量高炉能力、生产效率的参数要由动力学因素决定。要说明生产中的许多现象，如高炉顺行、炉况、布料、入炉风量、炉内气流分布对燃料比、煤气利用率的影响等问题也有赖于动态的研究。

从气体动力学的观点来看，提高炉腹煤气量指数χBG，必须改善料柱的通过能力、改善透气性，提高原燃料的质量，改善高炉的煤气分布。曾经全面分析了包括气体动力学、风口循环区、死料堆、炉内热量和温度对高炉强化的影响及制约因素。例如气体动力学因素中，分析了具体高炉中煤气的流速与液泛、流态化、管道因素、全炉及分段透气阻力系数的关系及其对高炉操作的影响；说明了高炉存在最大炉腹煤气量指数χBGmax及最高透气阻力系数Kmax是有限度的，并可以用以指导高炉的操作。

当通过过量的炉腹煤气量时，往往采取各种疏松料柱的方法，以发展边缘或中心过吹来减少料柱阻力，从而达到高炉顺行的目的。殊不知，过多的炉腹煤气量及下部过多的热量使炉内高温区扩大，块状带体积缩小，铁矿石的间接还原条件变差，炉身效率下降，煤气利用率ηCO下降。也曾运用评价高炉生产效率的新方法对强化模式与燃料比进行了分析。用还原动力学的观点闸明炉料和煤气在炉内的停留时间与燃料比的关系，强调了煤气利用率ηCO、吨铁炉腹煤气量VBG对高炉降低燃料比和强化的重要性。这方面比较容易理解，可是这些讨论还没有直接与燃料比挂上钩。

为了证明炉腹煤气量指数符合高炉炼铁的基本理论，在风口区域产生携带高能炉腹煤气，支撑了高炉下部区域直接还原所需热量：进入高炉上部区域煤气，又提供了间接还原所需的CO还原剂：剩余的煤气由炉顶逸出。如果在高炉上部不能有效利用煤气的化学能，间接还原未能充分发展，表现为煤气的利用率下降：则大量FeO进入下部区域进行消耗大量热能的直接还原，增加风口碳素的燃烧量，从而提高高炉的燃料比，存在着辩证关系。

进一步研究了炉腹煤气量指数χBG与吨铁炉腹煤气量VBG和风口耗氧量VO₂的相关关系，从而明确与高炉物料平衡和热平衡的关系。用Rist线图（图1）很好说明煤气量指数χBG能够表征高炉强化及其限度。

由图1可知，UE线段为风口耗氧量VO₂，A点的位置决定炉顶煤气的利用率ηCO，P点由高炉高温区的热平衡确定。在高炉直接还原消耗的热量较间接还原多消耗热量为422.36kJ/mol。这些热量如果用风口燃烧碳素的不完全燃烧的发热（125.45kJ/mol）来补偿，则风口前要多燃烧约3.4mol的碳素。高炉下部高温区消耗大量热量，并使高温区域扩大，块状带缩小，间接还原的条件恶化。当炉身效率下降、炉顶煤气利用率ηCO下降时，Rist操作线图中A点向操作线图的左侧移动，离W点的距离增加。风口处燃烧的碳素增加，冶炼单位生铁的热消耗量增加。由于随着高炉炉腹煤气量指数和吨铁消耗氧量的提高，P点下降，同时导致炉内煤气利用率ηCO下降，煤气CO中的热量没有得到利用，直接还原度提高，高炉下部消耗的热量增加，必然需要增加燃烧带的供热量。

在炉腹煤气中的CO，其产生的热量来不及完全燃烧成CO热量的1/3，大量化学能和热能从炉顶逸出。反过来又使得未被还原的炉料进入高温区，直接还原度提高，高炉下部消耗的热量增加，必然需要增加燃烧带的供热量，提高燃料比。最近为了修编《规范》收集了大量使用炉腹煤气量指数后高炉操作的效果，发现炉腹煤气量指数χBG与吨铁风口耗氧量VO₂和炉顶煤气利用率ηCO有密切关系。图2所示为T2-2、N2、C2和Q2四座2000m²级高炉的炉腹煤气量指数与利用系数、燃料比、吨铁风口耗氧量VO₂和煤气利用率ηCO的关系。

由图2（a）可知，随着炉腹煤气量指数χBG上升高炉容积利用系数几乎没有变化，或者略有下降；图中也给出了C2高炉炉腹煤气量指数χBG与燃料比FR的回归曲线，见图中“U”字形点划线，把4座高炉的数据统一回归得到的回归曲线如图2（a）中实线所示。由图2（a）可知，目前2000m³级高炉的强化程度普遍过高，每提高炉腹煤气量指数1m/min，燃料比上升3.0kg/t左右，而风口燃烧碳素的上升比燃料比的升高还要多。这就从理论上说明了控制炉腹煤气量指数的重要性。

如图2中3条曲线所示，在护腹煤气量指数χBG为56m/min时，燃料比FR和吨铁风口耗氧量VO₂，缓慢上升，炉顶煤气利用率基本不变；而随着炉腹煤气量指数χBG的升高，燃料比FK、吨铁风口耗氧量VO₂和风口燃烧碳素的上升速度加快；炉腹煤气量指数χBG增加到64m/min以后，燃料比FR和吨铁风口耗氧量VO₂迅速拾升，炉顶煤气的利用率迅速下降。由图2（b）可知，吨铁风口耗氧量VO₂的变化最为明显，可以作为识别能否提高炉腹煤气量指数的一个标志物。

如上所述，Rist操作线图中的P点由高温区热平衡确定。在对高炉下部热平衡进行分析时，热收入项Qin由风口碳素燃烧和热风带入热量组成：热支出项Qout由元素还原、脱硫、碳酸盐分解、炉渣和生铁的熔以及煤气离开高温区的熔和热损失组成。

热收入Qin可以由风口处燃烧产生的热量计算，即吨铁炉腹煤气量VBG、风口燃烧温度tf：和燃烧产物的热容量CtfBG的乘积决定。其中风口燃烧温度tf是在区域热平衡的基础上，以单位风量简化成的下列近似公式计算。

式中：tB为热风温度：VO₂为富氧量：WB为鼓风湿度；PC为喷煤量，在本文的计算中，喷煤量前面的系数都取较大的3.15。

由式（1）和式（2）可知，风温和富氧量对风口前燃烧温度的影响较显著。对不同的2000m³级高炉生产情况的评价如图3所示。图3的纵坐标为吨铁炉腹煤气量VBG，图3（a）的横坐标为坐标轴倒置的炉缸面积利用系数ηA，曲线为等炉腹煤气量指数的反比例函数曲线，即VBG×ηA/1440=χBG图3（b）的横坐标为风口前燃烧温度t，曲线为等热量收入线燃烧产物的热容量会随燃烧温度变化，它们也是一组反比例函数曲线。

由图3可知，随着炉腹煤气量指数的增加，高炉面积利用系数并没有明显上升，而是吨铁炉腹煤气量迅速上升；随着风温和富氧量的增加，风口前燃烧温度上升，吨铁炉腹煤气量下降，高炉下部热需要量略有降低，面积利用系数有所提高。

按热收入可以分为3组：位于图3（b）上部热收入为5.2GJ/t的A组炉腹煤气量指数高于64m/min吨铁炉腹煤气量约在1650m³/t以上，风口耗氧量约在320m³/t以上；结合前节所述，燃料比也最高。图3（b）下部热收入为4.9GJ/t的C组炉腹煤气量指数较低，为57m/min以下，吨铁炉腹煤气量小于14m³/t，风口耗氧量为260m³/t；燃料比最低，如Q1和Q2高炉。热收入在两者之间，位于中部的B组居中，炉腹煤气量在57~62m/min，不高于64m/mim，燃料比也居中。从产量来看，炉腹煤气量指数最高的A组产量最低，B组和C组产量较高，炉况稳定，炉腹煤气量指数也控制得比较稳定，波动幅度小，如N1、N2和G高炉。由此，并不是炉腹煤气量指数越高，产量越高，应该是控制适当的炉腹煤气量指数越高，产量越高，应该是控制适当的炉腹煤气量指数，在保证高炉稳定顺行的前提下，提高煤气利用率，降低燃料比。在热量支出中炉渣和生铁的熔Qs,i容易计算。冷却水和其他散热损失Q1可以参照相同高炉设定。如果原燃料来源稳定，脱硫、碳酸盐分解热也相对稳定。由脱硫、碳酸盐分解产生煤气从高温区逸出时带走的热量QC，生铁中硅、锰、磷等元素的还原热量可以根据铁水成分确定，及其反应产生的煤气量QSi,Mn,P也随之计算出来。剩余的只有氧化铁的直接还原，及其反应所产生的煤气量有关的始，称为“还原热量Qr”，则可以用热收入减去渣铁的给、脱硫、碳酸盐分解和硅、锰、磷等还原热量，以及炉腹煤气VBG离开高温区的焓。还原热量Qr可由式（3）确定。

式中：tout为高炉下部区域出口温度；为离开高炉下部区域炉腹煤气的热容量。在区域热平衡中，渣铁的烩为1.8~2.4GJ/t，以及冷却水和其他散热损失Q1约占整个热支出的5%~7%，变化比较小；还原热量Qr约占整个热支出的38%~45%，对燃料比有决定性的作用。给出炉腹煤气量指数χBG与高炉下部区域热平衡的定量关系。过高的炉腹煤气量指数χBG引起燃料比上升是由于炉腹煤气量过大，所携带的能量很大，高炉下部高温区的体积扩大。为了让多余的煤气通过，在布料上分两种情况：在倒V型软熔带的情况下，必须增加焦炭窗面积，增加软熔带高度，甚至采用中心过吹型中心加焦：在W型软熔带的情况下，就必须加强边缘气流。这两种情况都使适合间接还原温度的区域缩小，间接还原的动力学条件变差，导致含铁原料与煤气的接触条件变差，煤气利用率ηCO下降。

在高炉中存在各种对立统一的关系，操作者应该统筹兼顾，不能只顾索取，欲速而不达，浪费资源应该更多地考虑付出的代价。不但要考虑经济成本，更要考虑资源成本、环境成本、社会成本。

抓住炉腹煤气量指数就抓住了高炉过程的主要矛盾及其矛盾的主要方面，各种问题便可迎刃而解。

经过几年的积极努力提出了新的高炉生产效率的评价方法，已被广大生产操作者所接受，并取得相当效果。

本文提供的方法符合炼铁基本原理，并且使用方便，具有实用价值。如果用作经常评价高炉生产的方法，用以指导高炉操作的话，对其中所取数据进行积累，还能大幅度提高计算的精度。关于高炉合适强化的争论已经有60年了，在此60年中积累了许多经验和教训，也遭受了一些损失，应该进行总结，并且还应加强对高炉强化理论的研究。

本文提出以“十字”方针为原则，使用评价高炉生产的新方法、新指标，以具体落实高炉低碳炼铁方针。

强调应用评价高炉生产的新方法符合当前国民经济发展的需要，符合高效利用资源、低碳、环保的要求；有充分的高炉炼铁理论依据：符合低成本生产要求，与企业的自身利益休威相关，容易做到的自我约束的方法。相信新方法能够全面落实高炉炼铁生产的“十字”方针。当然，与中国已经执行的老方法相比，在使用评价高炉生产的新方法的同时还需实践，不断总结经验。