【技术文摘】高炉降低燃料比的系统路径与风险边界实证分析

来源：市场资讯

（来源：中国炼铁网）

孙本科 徐海波

（原济南钢铁炼铁厂）

摘 要：燃料比是高炉炼铁经济性的核心指标，其优化涉及原燃料、操作制度、设备状态与管理体系的多维协同。本文基于影响高炉燃料比的因果树状图，系统分析了降低燃料比的技术路径，结合宝钢1号高炉（2018年）、太钢5号高炉（2025年）、五矿营钢1号高炉（2013年）、沙钢5800m³及2680m³高炉（2017-2022年）、通钢公司二号及三号高炉（2025年）、昆钢新区1号高炉（2024年）等企业的实践案例，论证了提高煤气利用率、优化送风制度、改善原燃料质量等措施的有效性。同时，本文着重阐明一个关键观点：燃料比的降低存在风险边界，过度追求低焦比而超出原燃料条件与装备水平的承受能力，将引发炉况波动甚至恶性事故，得不偿失。合理的燃料比优化应坚持“以顺行为前提、以效益为导向”的原则，在安全边界内实现系统最优。

关键词：高炉；燃料比；因果分析；炉况稳定性；风险边界

1 引言

燃料比（焦比与煤比之和）是高炉炼铁成本控制的核心指标。据统计，燃料消耗占炼铁工序成本的70%以上，降低燃料比5kg/t铁，一座2000m³级高炉年均可节约成本数千万元。然而，燃料比的降低并非线性可积，而是涉及炉内物理化学反应、气固两相流动、传热传质等多重复杂过程的系统工程。

近年来，国内钢铁企业在降低燃料比方面开展了大量探索。2025年，通钢公司二号高炉燃料比降低20kg/t铁、三号高炉降低11.87kg/t铁；太钢5号高炉实现焦比降低15kg/t、燃料比降低5kg/t；五矿营钢1号高炉在低品质矿条件下实现煤比突破180kg/t、焦比降低74kg/t。这些成果表明，燃料比的优化具有显著潜力。

然而，实践中也存在因盲目追求低燃料比而导致炉况波动的教训。宝钢1号高炉在2017年面对原燃料条件劣化时，炉况稳定性显著下降，崩滑料频发、热负荷剧烈波动；沙钢5800m³高炉因长期未实施倒罐操作，导致炉腰东南部位冷却壁出现破损并迅速扩展。这些案例警示：过度追求低燃料比而忽视系统匹配，最终可能得不偿失。

本文基于因果树状图分析框架，结合具体企业高炉的实践数据，系统阐述燃料比优化的有效路径与风险边界。

2 高炉燃料比影响因素的因果树状图

基于高炉冶炼原理与生产实践，影响燃料比的因素可归纳为四大维度、15项主因、33项细分因素，形成如下因果层级结构：

2.1 原燃料质量维度

原燃料是高炉的物质基础，其质量波动是燃料比升高的首要根源。

焦炭质量：焦炭的冷态强度（M40/M10）和热态性能（CSR、CRI）直接影响料柱透气性。宝钢1号高炉的实践表明，当外购焦炭质量不稳定时，炉况波动显著加剧，煤气利用率降至49%以下。CSR每降低5个百分点，焦比上升约8-10kg/t。

含铁料性能：矿石品位降低1个百分点，渣比增加约30kg/t，燃料比上升约15kg/t。五矿营钢1号高炉在低品质矿条件下，通过系统优化实现了煤比190kg/t，但这一过程需要付出更多操作调整的代价。

有害元素负荷：碱金属（K、Na）和锌的循环富集会破坏焦炭强度、侵蚀炉衬，间接推高燃料比。昆钢新区1号高炉在2024年的实践中，通过提升高有害元素负荷下的操作技能，为稳定生产奠定了基础。

2.2 操作制度维度

操作制度是调控燃料比的最直接手段。

送风制度：风温每提高100℃，可降低焦比约20kg/t；富氧率每提高1%，可增加喷煤量约15-20kg/t。宝钢1号高炉2018年的调整中，将富氧率从3.0%以下逐步提升至4.0%-4.4%，同时将顶压从230-240kPa提高至245-255kPa，有效改善了煤气利用。

装料制度：矿焦平台的位置与宽度决定煤气流分布。煤气利用率每提高1个百分点，燃料比可降低约5kg/t。通钢公司三号高炉通过将矿石矩阵由原有结构转为5档平铺，煤气利用率提高0.77个百分点，助推燃料比降低11.87kg/t。

热制度与造渣制度：炉渣碱度（R₂）不当会影响脱硫能力和流动性。宝钢1号高炉将炉渣C/S控制在1.20-1.26、Al₂O₃≤15.5%、MgO≥6.0%，既保证了炉渣的良好流动性，又确保了脱硫性能。

2.3 设备状态维度

冷却壁破损漏水、溜槽磨损导致布料偏析、喷煤分配器堵塞造成煤粉分布不均等设备问题，均会干扰炉况稳定。沙钢5800m³高炉因对圆周方向偏析认识不足，长期未实施倒罐操作，2017年中修前炉腰东南部位冷却壁首先出现破损并迅速向两边扩展。

2.4 生产管理维度

休风率每升高1%，恢复期燃料消耗增加约3-5%。通钢公司建立了“班分析+日评价”两级炉况分析制度，每天排查、汇总、预警，保证问题不过夜、隐患不拖延。昆钢炼铁厂建立了焦炭质量日评价体系，根据质量变化及时调整操作。

上述因素之间存在复杂的交互作用。例如，焦炭质量下降会迫使操作者发展中心气流以维持透气性，但这会降低煤气利用率，反而推高燃料比——这正是单一因素分析容易忽略的系统性风险。

3 降低燃料比的系统路径与案例分析

基于因果树状图，降低燃料比可从“提升煤气利用率”“优化送风参数”“改善原燃料条件”“精细化过程管控”四条路径系统推进。

3.1 提升煤气利用率：太钢5号高炉（2025年）的“降压差”实践

煤气利用率是反映化学能利用效率的核心指标。2025年二季度以来，太钢炼铁厂5号高炉团队围绕“降低压差”这一核心目标，系统实施了多项精细化操作措施。

实施时间与背景：2025年二季度起，太钢5号高炉面临压差偏高的困扰，影响炉况顺行与燃料消耗。

具体措施：

· 仓位管理：实行分级监控——运转岗位每小时、值班室每两小时对原燃料仓位进行检查。仓位低于70%的料仓减少配用，低于50%的则停用，并督促调度部门快速恢复仓位，从源头保障原料供应的稳定性。

· 筛分管理：严格控制焦炭、烧结矿和球团矿的流量。

· 出铁管理：炉前根据产量灵活调整出铁组织，将亏方控制在50立方米以内。

· 技术操作：通过调整装料制度，合理发展边缘和中心两股气流，有效增加气流通道；通过减少中心无矿区、增加中间环带负荷、拓宽布料平台，系统提高煤气利用率。

· 热制度优化：开展“硅稳定率”劳动竞赛，有效降低铁水含硅量，提高硅控制精度，降低燃料消耗和炉热，进一步缩小煤气体积。

实施效果：通过系统优化，5号高炉焦比降低15kg/t铁，燃料比降低5kg/t铁，炉况运行得到全面优化，显著降低了生产成本，同时提升了高炉运行效率和环保水平。

3.2 送风制度优化与高煤比攻关：五矿营钢1号高炉（2013年）案例

五矿营钢1号高炉在低品质矿冶炼条件下开展了高煤比攻关，其经验表明：即使原燃料条件受限，通过系统优化仍可实现燃料比的显著降低。

实施时间与背景：2013年，五矿营钢1号高炉面临低品质铁矿冶炼的挑战：矿石冶金性能差、品位较低、脉石成分含量高，尤其是Al₂O₃含量较高。

具体措施：

· 改善入炉原料条件，优化炉料结构

· 合理匹配高炉操作制度和参数

· 强化生产管理，建立精细化管控体系

实施效果：3月煤比突破180kg/t，4月开始实现190kg/t；入炉焦比降低74kg/t。成功解决了高铝烧结矿冶炼、大渣量高煤比冶炼等关键技术，实现了低品位下相对较低的燃料消耗，多项技术经济指标实现创新。

案例启示：五矿营钢的实践表明，燃料比的优化空间不仅取决于装备水平，更取决于对原燃料特性的精准把握与操作制度的精细匹配。

3.3 装料制度精准调控：沙钢高炉偏料技术（2017-2022年）的突破

对于并罐无钟高炉，料罐布置导致的圆周方向矿焦比偏析是影响气流稳定性的重要因素。沙钢团队基于对5800m³高炉2017年中修前冷却壁破损原因的深入分析，开发了圆周方向质量分布数学模型，并在5800m³高炉1:15冷布料试验装置上进行了验证。

问题诊断：沙钢5800m³高炉对圆周方向偏析的认识不足，长期没有实施倒罐操作，在2017年中修之前高炉炉腰东南部位冷却壁首先出现破损，并迅速向两边扩展。分析发现，对于炉顶料罐东西布置的高炉，倒罐主要降低东、西方向上的矿焦比偏析，而溜槽换向主要降低南、北方向上的矿焦比偏析。倒罐时矿焦比经历波峰到波谷的变化，幅度比换向时更大50%。

创新方案：基于圆周方向矿焦比分布模型，沙钢制定了“倒罐+溜槽换向”的协同方案：倒罐的同时实施溜槽换向，大幅降低矿焦比变化幅度，避免倒罐时矿焦比变化过大造成的气流波动。

应用效果：沙钢3个2680m³高炉先后应用该技术，铁水质量改善，炉况稳定性提高，经济技术指标获得进步，炉顶设备故障率降低。该成果于2015年通过中国钢铁工业协会组织的科技成果鉴定，被认为达到世界先进水平。

3.4 装料制度革命性探索：通钢公司取消中心加焦（2025年）

通钢公司炼铁事业部在燃料比优化方面进行了更为大胆的探索——逐步取消中心加焦的全新装料制度。

实施时间与背景：2025年，通钢公司二号高炉率先尝试取消中心加焦。这一举措在行业中亦属前沿探索，面临较大的技术风险。

具体措施：

· 以炉内煤气流分布为突破口，将中心焦角度逐步外移

· 每一阶段都密切监控炉内煤气流变化，跟踪调剂

· 坚持“稳中求进、以稳为进”的推进思路

· 提前制定一整套应对方案：既严控碱度、料批等核心参数，又以炉温稳定为第一原则；既统一四班操作标准，又通过内部小指标竞赛调动岗位积极性

实施效果：7月份，二号高炉中心焦角度成功推移，煤气利用率提升1.5个百分点，全月燃料比较6月份降低20kg/t。9月份，三号高炉坚持焦炭矩阵稳定的前提下对矿石矩阵进行微调，由原有结构逐步转为5档平铺，大幅增加矿石与煤气接触面积，煤气利用率比8月份提高0.77个百分点，助推燃料比降低11.87kg/t。

配套保障：烧结工序将边部压辊更换为压料板，使边部料层压实程度显著增强，有效缓解气流过剩问题；原燃料监督保障组加大稽查力度，为高炉稳顺运行提供坚实的“粮草保障”。

3.5 系统性管控：昆钢新区1号高炉（2024年）的实践

昆钢新区1号高炉在2024年通过系统性管控实现了燃料比的有效降低。

实施时间与背景：2024年9月，通过60小时计划检修和一系列降本措施，昆钢炼铁厂主要技术经济指标显著提升。

具体措施：

· 强化内部生产组织，推行适应市场的算账生产经营

· 每日组织烧结操作业务会，精细化操作

· 重视高炉体检，指导优化生产

· 建立焦炭质量日评价体系，根据质量调整操作

· 提升高有害元素负荷下的操作技能

实施效果：1号、2号高炉顺行周期延长，各项指标明显改善，全面完成铁水成本、动态削减预算目标，其中铁成本动态削减完成76.16元/吨。1号高炉燃料比达到2022年3月份以来最佳，入炉焦比较去年同期降低7.58kg/t。

4 燃料比优化的风险边界：过度降低的代价

在肯定燃料比优化潜力的同时，必须清醒认识到：燃料比不能无限降低，其优化存在刚性的技术边界与风险边界。

4.1 技术边界的理论约束

从热力学角度，高炉炼铁存在最低燃料比的理论极限。普通高炉间接还原达到平衡时的煤气利用率为56.99%，此时可降低燃料比28.37kg/t。这意味着，即使理论上的极限优化，其降幅也是有限的。

从动力学角度，维持炉缸热状态需要最低限度的理论燃烧温度和热量供给。若焦比过低、煤比过高，会导致未燃煤粉量增加、料柱透气性恶化、炉缸堆积等一系列问题。

4.2 风险边界的实践表现

实践中，过度降低燃料比的风险主要表现在以下方面：

其一，炉况稳定性下降。 宝钢1号高炉在2017年面对原燃料条件劣化时，炉况稳定性显著下降，具体表现为：炉温突然下降超过20℃、连续出现崩滑料（4h内3次）、煤气利用率降至49%以下、热负荷波动剧烈或居高不下（>20000×10⁷J/h）、静压力波动大等。这些现象充分说明，当原燃料条件无法支撑低燃料比操作时，炉况失稳的风险急剧上升。

其二，装料制度调整不当引发气流波动。 沙钢的实践表明，倒罐操作若未配合溜槽换向，矿焦比的剧烈变化会引发气流波动，压量关系紧张，指标下降。通钢公司二号高炉在取消中心加焦的过程中，采取“稳中求进”策略，每一阶段密切监控煤气流变化，正是为了避免过度追求低耗而牺牲稳定性。

其三，设备寿命受损。 沙钢5800m³高炉因长期未实施倒罐操作，导致炉腰东南部位冷却壁首先出现破损并迅速扩展。这一教训说明：忽略均衡操作而片面追求某一指标，可能以设备寿命为代价。

其四，炉缸状态恶化。 宝钢1号高炉在炉况不稳阶段，炉缸侧壁温度不受控，铁口间温差大，风口变暗，出现生降现象。炉缸是决定高炉长寿的关键区域，一旦状态恶化，恢复极为困难。

4.3 合理边界的判定原则

基于上述分析，合理的燃料比优化应遵循以下原则：

以顺行为前提：炉况稳定顺行是不可逾越的红线。当降低燃料比的操作导致压差升高、悬料频发、气流分布恶化时，应果断调整，而非强行坚持。通钢公司秉持“稳顺最大、成本最优”的理念，正是这一原则的体现。

以原燃料条件为约束：焦炭质量、矿石品位等客观条件决定了燃料比优化的上限。宝钢1号高炉面对烧结比大幅下降、球团比提高、孰料率下降、外购焦炭质量不稳的局面时，炉况稳定性明显下降。这充分说明：在原燃料条件劣化时，强行维持低燃料比是不现实的。

以经济效益为导向：燃料比的降低应以吨铁综合成本最低为目标，而非单纯追求指标数值。当边际收益递减时，应适时收手。昆钢炼铁厂坚持“高炉的稳定顺行视为最大的降本途径”，这一认知值得借鉴。

5 结论

（1）高炉燃料比受原燃料质量、操作制度、设备状态、生产管理四大维度、30余项因素的交互影响。因果树状图分析表明，燃料比的优化需要系统性思维，任何单一维度的局部优化都可能被其他维度的制约所抵消。

（2）降低燃料比的有效路径包括：提升煤气利用率（太钢5号高炉2025年焦比降低15kg/t）、优化送风制度实现高煤比（五矿营钢1号高炉2013年焦比降低74kg/t）、精准调控装料制度（沙钢2017-2022年偏料技术突破）、革命性装料制度探索（通钢2025年取消中心加焦，燃料比降低20kg/t）、建立体系化管控机制（昆钢2024年焦比降低7.58kg/t）。这些案例验证了多路径协同优化的可行性。

（3）燃料比的降低存在刚性风险边界。宝钢1号高炉2017年原燃料劣化导致炉况失稳、沙钢5800m³高炉2017年因忽视偏料导致冷却壁破损等案例警示：过度追求低燃料比而超出原燃料条件与装备水平的承受能力，将引发气流波动、炉缸堆积、冷却壁破损等连锁问题，最终得不偿失。合理的燃料比优化应坚持“以顺行为前提、以效益为导向”的原则，在安全边界内实现系统最优。

参考文献

[1] 康庆国, 赵世禹. 五矿营钢1号高炉低品质矿高煤比攻关实践[J]. 金属世界, 2013(5): 41-44.

[2] 太钢炼铁厂多措并举降低高炉燃料消耗[EB/OL]. 铁合金在线, 2025-10-29.

[3] 赵华涛, 卢瑜, 韩旭, 等. 沙钢高炉偏料技术研究和应用[J]. 钢铁, 2022, 57(9): 49-56.

[4] 刘茂京. 通钢公司炼铁事业部9月份燃料比再破纪录[N]. 首钢日报, 2025-10-27.

[5] 昆钢炼铁厂降本增效成效明显[N]. 中国冶金报, 2024-11-14.

[6] 王波, 陈永明, 宋文刚, 等. 宝钢1号高炉稳定炉况生产实践[C]//中国炼铁网. 2026.

[7] 大型高炉炉料分布控制技术的开发和应用通过中钢协组织的评价（鉴定）[EB/OL]. 钢铁科技发展网, 2015-05-07.

[8] 刘茂京. 通钢公司鏖战高温再传捷报燃料比刷新历史纪录[N]. 首钢日报, 2025-08-13.