進入21世紀以來，我國鋼鐵工業(yè)發(fā)展迅猛，自主集成創(chuàng)新能力不斷提升，在鋼鐵產量逐年增長的情況下，工藝技術裝備大型化、現代化、高效化發(fā)展成就舉世矚目。我國鋼鐵工業(yè)經歷了高速發(fā)展、產能過剩、結構調整、供給側結構性改革等幾個重要的歷史階段。遵循低碳綠色和生態(tài)文明可持續(xù)的發(fā)展理念，高爐煉鐵產業(yè)結構調整和流程優(yōu)化取得了顯著成就。在流程結構優(yōu)化的前提下，高爐向大型化、現代化、高效化發(fā)展，結構調整成效顯著，以5000m3級高爐的設計、建造、運行為代表，我國高爐煉鐵技術已躍進到國際先進行列。
面向21世紀中葉的全球碳中和目標，低碳冶金、無碳冶金和氫冶金等新工藝不斷涌現，技術發(fā)展日新月異。在全球范圍內利用可再生能源制備出“綠氫”，應用于鋼鐵冶金工程，進而實現鋼鐵冶金的低碳化、脫碳化或無碳化，已經成為學術界一個熱點研究課題。長期以來，我國鋼鐵制造流程以高爐－轉爐為主，長流程粗鋼產量約占90%，噸鋼CO2排放達到1.8噸~2.3噸，減少鋼鐵冶金過程化石質碳素消耗和CO2排放，必須在現有工藝流程上進行重構優(yōu)化和技術再創(chuàng)新，構建單元工序裝置的新功能，進而實現全流程功能優(yōu)化和效率優(yōu)化。
2000年以來，我國高爐煉鐵技術實現跨越發(fā)展。生鐵產量穩(wěn)居世界首位。高爐大型化、現代化、高效化技術裝備升級成就突出，淘汰落后裝備和產能、加大供給側結構性改革成效顯著。20多年來，我國高爐數量由增到減，高爐平均容積不斷擴大，單座高爐的生產效能穩(wěn)定提升、發(fā)展態(tài)勢值得期待。
20多年間，我國高爐技術裝備大型化、現代化發(fā)展迅猛、成就卓著。鞍鋼、武鋼、首鋼遷鋼、天鋼、唐鋼、邯鋼、梅鋼等一大批2500m3~3200m3級高爐相繼建成投產；寶鋼、太鋼、馬鋼、鞍鋼鲅魚圈、首鋼遷鋼、本鋼、安鋼、包鋼等一批4000m3級大型高爐也相繼建成投產。值得指出的是，5000m3級高爐的設計、建造和運行，已經成為21世紀以來我國煉鐵工業(yè)最具代表性的技術進步和發(fā)展成就。2009年5月份首鋼京唐1號高爐建成投產，標志著我國已經完全掌握了5000m3以上巨型高爐設計、建造和生產運行技術，我國已成為繼日本、前蘇聯和德國之后，世界上第四個擁有5000m3以上巨型高爐的國家。緊隨其后，沙鋼5800m3高爐、京唐2號5500m3高爐、寶鋼湛江2座5050m3高爐、山鋼日照2座5100m3高爐、京唐3號5500m3高爐相繼建成投產。這些超大型高爐是我國鋼鐵冶金工程科技的集成創(chuàng)新和綜合國力的集中體現，我國5000m3高爐數量僅次于日本（11座），已經是世界排名第二的國家。實踐表明，我國在4000m3以上大型高爐的設計、建造和運行等方面，已經完全掌握了核心關鍵技術，全面實現了自主設計和技術裝備國產化，并且在高爐煤氣干法除塵、頂燃式熱風爐利用低熱值高爐煤氣實現高風溫等技術領域領跑國際。
面向未來，我國高爐煉鐵技術進步和結構優(yōu)化將進一步圍繞高爐大型化、現代化、高效化、長壽化、綠色化、低碳化開展，堅持低碳綠色、智能高效的高質量發(fā)展理念，到21世紀中葉成為世界領先的鋼鐵大國和鋼鐵強國。
在我國鋼鐵產量快速增長的同時，通過工藝技術創(chuàng)新和裝備技術進步，高爐主要技術經濟指標不斷得到改善和提升。高爐燃料比、焦比和煤比分別從2000年的547kg/t、429kg/t、118kg/t演變到2020年的529kg/t、355kg/t、148kg/t，燃料比、焦比相應下降了18kg/t、74kg/t，煤比提高了30kg/t；風溫從2000年的1034℃提高到1115℃，提高了81℃；高爐利用系數、實物勞動生產率等指標不斷優(yōu)化，煉鐵工序能耗、污染物排放等指標持續(xù)提升。21世紀以來，我國高爐技術裝備大型化進程加快，據不完全統(tǒng)計，到2020年2000m3以上的大型高爐已經達到90余座，其中5000m3以上巨型高爐8座，4000m3級特大型高爐18座，3000m3級高爐19座，2000m3級高爐48座。近期還將有一批搬遷新建和擴容大修的大型高爐建成投產。
近10年來，我國高爐煉鐵技術經濟指標不斷得到優(yōu)化和改善，主要表現在：
高爐平均利用系數穩(wěn)定在2.5 t/(m3·d）以上，一批1000m3~2500m3高爐，利用系數達到3.5 t/(m3·d）甚至更高，居國際領先水平；
高爐燃料消耗呈現下降趨勢，入爐焦比穩(wěn)中有降，高爐煤比變化不大；
高爐熱風溫度徘徊在1100℃~1150℃之間，近幾年還有所波動、反復，未能持續(xù)穩(wěn)定提升，與國際先進水平差距較大（國際先進水平為1250℃，相差約100℃）；
高爐煉鐵工序能耗變化平穩(wěn)，2020年降低到385.2 kgce/t，但仍有一定下降空間；
勞動生產率提高幅度較大，達到8500噸/（人·年）以上，體現了高爐大型化、高效化的經濟效應。
眾所周知，高爐裝備大型化和技術現代化，對于推動我國高爐煉鐵產業(yè)創(chuàng)新和整體技術裝備的提升，具有重大的現實意義和深遠的戰(zhàn)略意義，對于協(xié)調解決我國鋼鐵產業(yè)多層次、不均衡、不充分的發(fā)展問題和矛盾，發(fā)揮了無可替代的重要作用。毫無疑義，5000m3級超大型高爐的自主設計建造和生產運行，已成為我國鋼鐵工業(yè)邁向國際一流最具代表意義的產業(yè)創(chuàng)新和技術進步。
值得關注的是，近年來我國一批1000m3~2000m3級高爐異軍突起，技術進步成就突出。高爐利用系數有的高達3.5t/(m3·d）以上，甚至達到4.5t/(m3·d）以上。某民營鋼廠的1080m3高爐日產量達到了4000 t/d，燃料比、焦比、煤比分別為526kg/t、361kg/t、150kg/t，風量為3000 Nm3/min，富氧率達到4.86%，風溫為1140℃，爐頂壓力達到215 kPa，煤氣利用率達到50%，綜合入爐礦品位達到57.75%。
該級別高爐生產效率和消耗指標達到甚至超過了2000m3以上的大型高爐，無論是容積利用系數還是爐缸截面積利用系數，都要高于2000m3級大型高爐的平均先進水平。筆者通過實地調研和研究分析，發(fā)現我國一大批1000m3~2000m3高爐具有如下的技術特征：
注重精料技術。不再片面追求購買低價鐵礦粉獲取暫時的經濟收益，而是以高爐穩(wěn)定順行和高效低耗為核心，在全流程層次降低生鐵成本；高爐燃料比普遍為510kg/t~520kg/t，有的高爐燃料比甚至低于500kg/t，可與先進的大型高爐相媲美；
采用富氧鼓風強化高爐冶煉，提高生產效率。有的高爐富氧率達到5%甚至更高，爐腹煤氣量降低，高爐煤氣還原勢增加，高爐透氣性改善，促進高爐順行，實現了穩(wěn)產高效（理論上富氧率提高1%，增產達4.76%）；
具有足夠的鼓風速度和鼓風動能，不少高爐的風速達到260m/s以上，有助于活躍爐缸工作，提高中心氣流穿透性，從而改善爐缸透氣性和透液性；
增加風口數量。比同級別的傳統(tǒng)高爐增加約2個風口，爐缸活躍性和工作均勻性增加，促使爐缸死焦柱始終保持動態(tài)變化之中，更新周期縮短、更新速率加快，有助于爐缸活躍，爐缸透氣性和透液性改善，爐缸工作進程加快；
從高爐設計和爐型特征上分析，由于高爐徑向尺寸相對較小，圓周方向易于實現均勻化，直徑方向易于調控，上升煤氣和下降爐料之間的熱量、動量和質量傳輸耦合效應較好。配合無料鐘爐頂爐料分布控制技術，爐料三維偏聚受到抑制，爐料透氣性改善，有利于加快冶金進程，在獲得高效生產的同時，燃料消耗也能保持較低水平；
提高爐頂壓力，高爐壓差降低，有利于降低煤氣表觀流速，延長煤氣停留時間，促進間接還原進程，高爐透氣性得到改善，提高煤氣利用率。有不少這一級別的高爐頂壓達到200kPa以上，有的高爐頂壓達到或超過240kPa，甚至高于3000m3級以上的高爐。
在全球積極推進碳減排和碳中和的背景下，國內外為數眾多的鋼鐵企業(yè)開始研究探索低碳冶金、超低碳冶金、非碳冶金或氫冶金的前沿技術課題。以日本、瑞典、德國、韓國等工業(yè)發(fā)達國家為代表，相繼開展此項研發(fā)工作：有的是在原有高爐煉鐵工藝的技術上進行改進創(chuàng)新，力圖實現碳－氫耦合冶金（如日本COURSE50）；有的是創(chuàng)建全新工藝流程，以“綠氫”為能源研發(fā)新的冶金工藝，完全擺脫碳冶金的技術路線；有的是在已有技術的基礎上進行再創(chuàng)新，從傳統(tǒng)的煤基碳素還原轉變?yōu)闅饣鶜溥€原或碳－氫耦合還原。我國部分鋼鐵企業(yè)和研究機構也相繼開展了低碳冶金或氫冶金的試驗探索和工程研究工作，氫－氧高爐、全氧高爐、焦爐煤氣－合成氣豎爐直接還原，甚至是基于HIsmelt鐵浴法的熔融還原工藝裝置，都在開展工業(yè)化應用的前期試驗或者已經實現工業(yè)化初步應用。
據有關機構測算，我國鋼鐵工業(yè)碳排放量占碳排放總量的15%~18%，是制造業(yè)中碳排放量最高的行業(yè)。面對日益嚴峻的生態(tài)環(huán)境保護形勢，鋼鐵工業(yè)面臨著巨大的碳減排壓力，迫切需要開發(fā)能夠顯著降低CO2排放的突破性低碳冶金技術，以滿足碳達峰和碳中和的政策要求。與此同時，我國作為世界上最大的粗鋼生產國和消費國，2020年粗鋼產量已達到10.65億噸，占全球粗鋼產量的57%，碳排放量占全球鋼鐵碳排放總量60%以上，鋼鐵工業(yè)碳減排的重要性和急迫性刻不容緩。我國目前鋼鐵制造流程，仍是以高爐+轉爐的傳統(tǒng)“長流程”工藝結構占主導地位。2020年我國高爐生鐵產量達到8.88億噸，轉爐生產粗鋼比率約占90%；鋼鐵制造流程能源結構“高碳化”，煤和焦炭等碳素消耗占能源總量近90%。
全球范圍內，目前已有許多國家和鋼鐵企業(yè)對低碳冶金技術，特別是氫冶金技術進行了戰(zhàn)略布局，而且呈現出迅猛發(fā)展態(tài)勢。我國應積極探索和統(tǒng)籌規(guī)劃適合我國國情的低碳冶金和節(jié)能減排技術路線圖，對未來技術研發(fā)方向和發(fā)展目標進行系統(tǒng)科學的戰(zhàn)略謀劃，面對世界百年未有之大變局，承擔起鋼鐵大國的責任擔當。
面向未來，以高爐為核心的煉鐵系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化和動態(tài)有序、協(xié)同連續(xù)、精準高效運行，是我國高爐煉鐵技術的發(fā)展重點。必須加強現代大型高爐以穩(wěn)定順行為基礎的工程運行理念，建立系統(tǒng)性、全局性的工程思維模式，不片面追求所謂“極低成本”和個別技術指標的“領先”，擯棄不講客觀、不論條件的盲目攀比。
遵循鋼鐵冶金制造流程的基本規(guī)律，科學認識高爐冶煉過程的動態(tài)運行規(guī)律，不斷總結提升，加強知識管理，做好卓越煉鐵工程師的培養(yǎng)，造就基礎扎實、經驗豐富、視野開闊的領軍人才，形成具有企業(yè)特色的現代化大型高爐煉鐵生產、管理的工程思維和工程理念。到21世紀中葉，高爐低碳煉鐵的主要技術路徑應當包括：
在常規(guī)高爐使用固體碳素燃料（焦炭+煤粉）的條件下，降低碳素燃料消耗是減少CO2排放最直接、最有效的技術措施。因此，到2030年前后，我國高爐燃料比應普遍降低到520kg/t以下；一大批裝備精良的高爐燃料比應低于500kg/t；部分先進高爐應將燃料比降低到480kg/t以下；領先高爐燃料比應降低到470kg/t甚至更低。
進一步加強精料技術研究，探索并構建以球團礦為主的新型或新一代爐料結構，降低鐵前工序和煉鐵全流程的碳素消耗和污染物排放。
繼續(xù)推進高風溫、富氧噴煤等關鍵共性技術的再創(chuàng)新，進一步降低高爐碳素燃料消耗，減少CO2排放；積極采用富氫燃料噴吹、爐頂煤氣循環(huán)/噴吹、高富氧冶煉、H2-CO耦合還原、CO2脫除再利用（CCUS）等新興技術，在現有技術基礎上，通過高爐煉鐵關鍵技術突破，賦予高爐煉鐵新的生命力；
加強現代大型高爐操作規(guī)律的研究，建立動態(tài)有序、協(xié)同連續(xù)、精準高效的現代高爐運行理念，以高爐生產長期穩(wěn)定順行為基礎，不斷改善、優(yōu)化、提升大型高爐的操控水平，建立鐵前工序信息物理系統(tǒng)（CPS）和數字化協(xié)同管控；實現料場、燒結、球團、焦化、高爐等多工序智能化協(xié)同和集成控制，提高全流程生產效能、實現節(jié)能減排；構建料場、燒結、球團、焦化、高爐煉鐵系統(tǒng)一體化集成智能管控平臺著重解決不同工序的界面技術優(yōu)化問題，實現全流程的智能化動態(tài)管控。
進一步加強高爐運行過程的爐體維護，采取有效技術措施延長高爐壽命，為高爐高效長壽、安全穩(wěn)定運行奠定技術基礎，不斷穩(wěn)定并提高鐵前工序的設備服役穩(wěn)定性和壽命周期，將成為未來高爐煉鐵流程的本構優(yōu)勢。
發(fā)揮既有資源優(yōu)勢，開展低碳綠色煉鐵新技術的探索研究。依托國內、國外兩種資源，結合我國鐵礦粉加工制備工藝特點，開發(fā)新型爐料技術。開發(fā)應用低硅球團礦或低硅燒結礦，使高爐渣量降低到200kg/t~300kg/t，燃料比降低到470kg/t~500kg/t，進而可以實現CO2排放減少20%以上。
進入21世紀以來，我國鋼鐵工業(yè)通過搬遷結構調整、工藝技術升級、現代化裝備改造，在技術裝備大型化、現代化方面取得了長足進步、成就顯著，基于新一代可循環(huán)鋼鐵制造流程運行取得初步成效。在特大型高爐自主設計建造、大型煉鐵裝備技術自主研發(fā)、高爐建造和高爐穩(wěn)定運行等方面，經過近10年的探索，已經取得初步成功。
近年來，我國高爐煉鐵在發(fā)展球團技術、提高生產效率、提高富氧噴煤以及1000m3級高爐高效低耗冶煉方面取得長足進步，甚至引領國際發(fā)展。一些特大型高爐強化冶煉的工藝技術在1000m3級高爐上得到推廣應用，取得了令人矚目的運行實績。
在高爐強化冶煉條件下，我國高爐在銅冷卻壁應用與維護、高爐爐缸爐底長壽、智能化控制、進一步降低碳排放等方面還有許多需要持續(xù)攻關解決的難題。高爐生產穩(wěn)定順行、延長高爐和熱風爐使用壽命、提高全系統(tǒng)安全運行保障還需要持續(xù)改進和提升。
面向未來，我們應進一步樹立建立以高爐穩(wěn)定順行為核心的動態(tài)運行工程理念，繼續(xù)加強精料、高風溫、富氧噴煤、高爐長壽、提高頂壓和全流程智能化研究，積極采用新技術和氫冶金等先進工藝，依托國內既有資源優(yōu)勢，開發(fā)新型爐料結構，不斷優(yōu)化爐料結構，提質增效，大力開展綠色低碳煉鐵技術的探索和研究。
