1高炉方针的历史渊源
新中国成立初期，中国钢铁工业基础十分薄弱，高炉生产条件差，全国高炉冶炼强度在0.7~0.9t/(m3·d)左右。钢铁工业的产能跟不上国民经济发展的需要，强化高炉是迫切的任务。关于通过哪种手段达到强化的目的，60年来反复争论，没有结果。
1.1中等冶炼强度和不断降低焦比的方针
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[2]”。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[2]”。根据鞍钢当时的条件和水平，文中举例苏联1954年高炉工作者会议通过的标准中规定强度的上限值为1.1t/(m3·d)，指出能增产10%。这在1954~1955年还没有一座高炉达到过。鞍钢及全国贯彻了这一方针均取得了良好的结果。高炉顺行改善，焦比下降，生产稳步提高。
1.2高冶炼强度的方针
可是，为了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1.32t/(m3·d)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[3]，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。实际上，就是要求高冶炼强度，于是刮起了一股浮躁风气。
1.3“八字”方针
由此对冶炼强度产生了严重的分歧和争论，同时遭遇到三年自然灾害，由于全国经济的困难，到1961年利用系数下降到0.98t/(m3·d)，焦比上升到849kg/t。进入国民经济的“调整、巩固、充实、提高”的时期后，为了统一不同看法，于1964年在鞍钢召开的中国金属学会炼铁年会上，当时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：“高产、低耗、优质、长寿，另一个目标是提高劳动生产率[4]”。这就是著名的“八字”方针。虽然“八字”方针只是规定了高炉炼铁生产全面的总原则，由于“八字”方针的全面性，较只强调高产来说具有指导意义。
2关于高炉生产指标争论的焦点
新中国成立初期中国国民经济的许多指标均采用前苏联的指标，高炉炼铁指标也不例外。高炉的基本指标如有效容积、有效容积利用系数、冶炼强度等。当今俄罗斯早已不用冶炼强度这一指标，因为在前苏联20世纪50年代开始采用这一指标时就引起了争论，而且不能反映高炉炉内的过程。目前关于高炉生产效率的有效容积利用系数也与炉缸面积利用系数两者并列使用，并且在多次国际炼铁会议上论证、推广使用炉缸面积利用系数[5]。我国炼铁专家也指出使用面积利用系数较有效容积利用系数合理[6]。
关于冶炼强度的争论有两方面的原因。
2.1钢铁产能不足
关于冶炼强度的争论与当时的历史条件有关。过去中国一直处于钢铁产能不足的状况，钢铁产品利润丰厚，忽视降低燃料比、降低焦比，习惯于粗放型的生产。
（1）1959年全国大中型高炉经验交流会议上已故著名学者杨永宜教授实事求是地指出：“维持中等冶炼强度，大力降低焦比，这个方针在相当长的时间中对我国大中型高炉生产起过促进作用，节约了大量焦炭，同时也在一定程度上相应地提高了产量，这是应该肯定的[7]。”
（2）主张较高冶炼强度的观点。当提高冶炼强度虽然多消耗了燃料和能源介质所花费的制造成本，低于高炉增产能够获得的利润时，这是具有很大吸引力的办法。有专家提出了冶炼强度与焦比的“U”字形曲线，冶炼强度存在一个合理的区间；高于合理的区间，焦比将升高。但当时部分人认为焦比提高不多，可以接受，主张采用较高冶炼强度。在提出“八字”方针以后，对冶炼强度已逐步淡化，可是由于2004年颁布、执行的《中国钢铁工业生产统计指标体系》[8]强调了“综合冶炼强度”“综合焦比”等考核指标，高冶炼强度的风气又得到复苏。
（3）由于粗放型的生产，往往简单地认为“有风就有铁”，认为多鼓风可以“立竿见影”地增产。把增加风量，提高冶炼强度作为增产的唯一法宝。即使由高冶炼强度引起焦比大幅度上升，甚至降低产量也认为是合理的操作方式。
直到21世纪初还有部分炼铁工作者，特别是以小高炉为代表把高冶炼强度、高利用系数作为其生产效率高，而优于大中型高炉，影响了高炉的大型化。
2.2冶炼强度不能反映炉内过程
在新中国成立初期中国的计量技术也十分落后，许多高炉的原燃料计量使用机械秤依靠人工记录，水银压力计、弹簧压力计、毕托管流量计还很普遍。高炉每天燃烧的焦炭量相对比较准确。因此前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，而其他方法难于实现。虽然从1959年开始对冶炼强度的高低一直存在争论，也曾详细、全面地研究过冶炼强度与炉内现象的关系，从热平衡和物料平衡，以及矿石和煤气的停留时间、直接还原度等方面进行了分析。由于冶炼强度只是进入高炉的焦炭量，不能与高炉炉内反应的本质相关联。因为决定吨铁燃料消耗量的是吨铁需要的热量、直接还原度和风口燃烧碳元素量，而冶炼强度并没有与它们直接相关。因此最后的结论认为：提高冶炼强度的影响是多方面的，不能得出肯定的结论[9]。以后许多主张中等冶炼强度或合适冶炼强度的专家也不断地寻求理论依据[9,28]。可是始终没能从高炉过程的本质上说明合适的冶炼强度及其数值。而大多数的研究只限于统计“U”字形曲线而已；始终没能深入到探索高炉现象本质，没能寻求到合适的冶炼强度数值；同时养成了肤浅地理解高炉现象的习惯；我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，包括我们以前也是仅限于“U”字形曲线上下工夫[10~16]。
2.3冶炼强度带来的弊端
如果说在中国“大办钢铁”或者钢铁产能不足、利润丰厚时，适度提高燃料比是可以接受的，而粗放型的生产所招致的燃料比大幅度上升，甚至影响到产量都置于不顾，这是无论如何不能允许的。特别是当前产能过剩，在国家以节能减排为基本国策的形势下，以牺牲燃料比达到增产也是必须制止的。
由于高冶炼强度是一种对高炉认识、生产理念、操作方式的偏差，它不仅导致高燃料比，而且还必须充分认识冶炼强度多方面的负面影响[17]：
（1）采用高冶炼强度操作，导致燃料比高，我国平均燃料比长期比国外高50kg/t以上，甚至达100kg/t。
（2）认为增加鼓风就能实现高炉高产，忽视精料。为使炉况顺行，在高炉装料制度方面偏重于疏松料柱，忽视煤气的利用率。
（3）由于冶炼强度是一个几十年来讨论不清楚的难题，国人为解决这个无法说明的问题上耗费了大量人力、物力、精力，转移了科研、设计研究的方向。
（4）提高冶炼强度只需简单地提高风量，“人有多大胆、地有多高产”，致使高炉粗放型生产；炼铁技术“极易”掌握，炼铁的好坏几乎与掌握的技术无关等现象广为流传。
（5）由于“中等”或“合适”冶炼强度没有确定的取值标准，造成高炉三班操作不一致，引起炉况波动。
（6）在中国炼铁发展史上，小高炉的冶炼强度高，容积利用系数也高。因此普遍认为小高炉的生产效率高，在一定程度上阻碍了高炉的大型化。一直到21世纪初有些厂还在新建小高炉。
（7）在选择鼓风机的风量时，仅凭每吨燃料消耗的风量来选择鼓风机的风量，而无法考虑氧气的作用，因此在建设高炉时出现“大马拉小车”、资金积压等浪费现象。喷吹燃料以后，对冶炼强度指标的计算方法越来越混乱，派生出来了各种冶炼强度。
3落实高炉低碳炼铁的方针
自从1964年提出“八字”方针以来，对于炼铁生产的方针，炼铁界在原则上是认同的。为了进一步更加符合炼铁低耗的要求，在2004年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》[1]（以下简称《规范》）时，我们把“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”，使之更符合我国的节能、减排、重视环保的基本国策。
对于“十字”方针中的“高效”我们又作了进一步的解释。指出“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、高效利用设备。高效利用设备还包括高的利用系数、高的作业率、长期维持高效、稳定的运行时间等[18,19]。《规范》也与许多专家一样[20]，避开了冶炼强度，试图从规定高炉的设计年平均利用系数、燃料比和焦比来具体贯彻“十字”方针，但是所起的作用不大。为了进一步具体落实“十字”方针，必须改变强化的理念，于是提出了炉腹煤气量指数这一评价高炉生产效率的新方法。感谢许多高炉对炉腹煤气量指数χBG进行了系统的实践工作；另外，我们在理论上也做了一系列的工作。现在已经有充分的实践和论据说明炉腹煤气量指数χBG较冶炼强度优越。
3.1用炉腹煤气量指数衡量强化程度的理论依据
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。于是我们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，并继续系统地、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[21~23]。
在循环区燃烧产生的高炉煤气是冶炼生铁所需化学能和热能的载体。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能反映炉内煤气的流速；吨铁炉腹煤气量能反映炉内还原过程还原剂和热能、化学能的需要量。在提高炉腹煤气量指数方面：必须改善料柱的透气性，提高原燃料的质量，改善高炉的煤气分布；在降低燃料比方面：必须充分利用高炉煤气的热能和化学能，提高煤气利用率ηCO，降低吨铁炉腹煤气量；提高炉内煤气效率也是强化高炉冶炼的重要手段。
（1）对提高高炉强化的途径进行了全面的分析，包括气体动力学、风口循环区、死料堆、炉内热量和温度的影响及制约因素。例如气体动力学因素中，分析了具体高炉中的液泛、流态化、管道因素、透气阻力系数对高炉操作的影响；说明高炉最大炉腹煤气量指数χBG及最高透气阻力系数，可以用以指导高炉的操作。
（2）运用评价高炉生产效率的新方法分析了强化模式与燃料比的关系。用还原动力学的观点阐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、炉腹煤气效率对高炉降低燃料比和强化的重要性。分别介绍了在降低燃料比的措施中，布料、喷煤、高风温、脱湿、低硅冶炼和控制热损失的作用。叙述了喷煤对炉内透气性的影响，以及低硅冶炼对高炉寿命的影响。
（3）在介绍经典的物料平衡和热平衡的应用时，以煤气利用率理论为基础介绍了制作最低燃料比、碳素消耗图表的方法，利用这些图表更能有效地指导高炉操作。还介绍了将炉腹煤气量等操作因素制作成高炉炼铁的最佳化经济操作模型的方法。
（4）我们最近为了修编《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与吨铁风口耗氧量和炉顶煤气利用率有密切关系。同时运用Rist操作线图和高炉上部及下部热平衡进行了理论分析。更进一步能够给出炉腹煤气量指数χBG与操作参数的定量关系。
3.2炉腹煤气量指数与Rist线图和区域热平衡
为了将炉腹煤气量指数χBG列在《规范》的主要设计指标中，最近我们收集了20几座高炉半年以上的日操作指标中有关鼓风的参数，用Rist线图进行了进行了分析[24]，并编制了关于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的关系的专题报告[25]。
如前所述，几十年来对冶炼强度与焦比或燃料比的“U”字形曲线没有得到炼铁理论的解释。虽然，炉腹煤气量指数χBG与燃料比的关系也有“U”字形关系，可是炉腹煤气量指数χBG的这个关系能够与高炉过程的本质相联系。下面简要地进行说明。
目前大多数高炉日平均炉腹煤气量指数χBG都控制在60m/min左右[25]。当高炉炉内料柱要通过过量的炉腹煤气量时，在操作方面我们往往采取各种疏松料柱的方法，发展边缘或中心过吹来减少料柱阻力，以达到高炉顺行的目的。这时，在块状带煤气与炉料的接触条件变差，未充分进行间接还原，必然使燃料比上升[24~27]。
现举几座2000m3级高炉生产日报进行了回归分析，研究炉腹煤气量指数与利用系数、燃料比、吨铁风口耗氧量vO2的关系，见图1(a)和(b)。
由图1(a)可知，随着炉腹煤气量指数上升，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与燃料比的回归曲线，见图中“U”字形点划线，把四座高炉的数据统一回归得到的回归曲线如图1（a）实线所示。它在炉腹煤气量指数为56m/min时，缓缓上升，而随着炉腹煤气量指数的升高燃料比上升的速度加快，炉腹煤气量指数增加到64m/min以后迅速上升。
图1(b)综合了四座高炉的炉腹煤气量指数与吨铁风口耗氧量vO2和炉顶煤气的利用率ηCO的关系。Q2和N2高炉的炉腹煤气量指数较低，分别为59.35m/min和62.82m/min，它们的吨铁风口耗氧量vO2分别为266.4m3/t和281.1m3/t，而两者的平均煤气利用率分别达到了49.24%和50.15%变化不大。即使Q2高炉在最高的炉腹煤气量指数为65.30m/min时，煤气利用率ηCO仍达到了49.0%左右。随着炉腹煤气量指数的提高，T2-2高炉的吨铁风口耗氧量vO2迅速上升，而炉顶煤气利用率ηCO的下降速度加快。T2-2高炉的平均炉腹煤气量指数为69.95m/min时，吨铁风口耗氧量vO2上升至346.2m3/t，煤气利用率下降至42.54%。
以上规律可以通过热平衡、物料平衡的Rist线图从理论上解释，见图2。在增加炉腹煤气量指数同时，风口耗氧量也随之增加，这时引起燃料比上升的原因是：炉内煤气流速过高，含铁原料与煤气的接触条件变差，导致煤气利用率ηCO下降，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消耗增加，必然需要增加燃烧带的供热量。炉腹煤气中产生的是CO，其产生的热量不及完全燃烧成CO2热量的1/3。
Rist线的特征是：Rist线从A至E是一条直线，P、B点都应该在AE直线上；从风口耗氧量的E点开始为起始，得到风口燃烧的热量和炉腹煤气作为原动力，推动高炉下部的直接还原及其消耗的热量，由下部热平衡确定P点以及铁的直接还原量确定B点；由风口燃烧带逸出的炉腹煤气发生的CO量和直接还原产生的CO量作为上部间接还原的原动力，由其产生的CO2量来确定A点。实际上，就是按照从风口开始的能量流、物质流来考虑高炉过程中它们的变化。根据Rist线的特征，我们对上述各高炉的数据进行了校算，结果如下：
（1）高炉风口鼓风参数对高炉过程起着关键性的作用，因此在高炉精细化操作中要经常用物料平衡和热平衡校正鼓风、氧气流量计，计算炉腹煤气量、风口耗氧量和燃烧碳元素量，掌握高炉热量消耗和还原过程的状况以及强化的合理性。
（2）校算以后T组高炉的炉腹煤气量指数下降了6.0m/min，风口燃烧碳元素量，下降了近0.2molC/molFe；可是与N、Q组高炉相比，炉腹煤气量指数仍相差5.7m/min，风口燃烧碳元素量仍有0.3molC/molFe的差距：虽然个别的燃烧提供的热量由5.9GJ/t下降到5.5GJ/t，但普遍的燃烧提供的热量由5.4GJ/t下降至5.2GJ/t；仍然较N、Q组高炉相差0.9GJ/t，相差20%；煤气利用率差约7%。
（3）T组高炉调整后Rist线的斜率降低约0.2，理应大幅度降低了燃料比；可是按调整后Rist线的斜率计算燃料比要较日报约高50kg/t，是否采用了综合冶炼强度中的综合焦比作为燃料比不得而知；T组高炉与N、Q组高炉Rist线的斜率约大0.5，燃料比相差近80kg/t。吨铁风口耗氧量上升，则风口燃烧碳元素增加，高炉下部的热供量增加，AE线的斜率增加，燃料比上升。其中大部分高炉的报表是准确的，而T组高炉燃料比上升的量较生产日报的量约高50kg/t，目前有一些高炉用综合焦比[20]作为燃料比，使得统计失去了科学性和严肃性。
由此，在增加炉腹煤气量指数同时，计算高炉的吨铁炉腹煤气量和吨铁风口耗氧量的变化可以作为合理高炉强化的标志。我们曾经提出过新的评价高炉生产效率的方法[30~32]，这里采用Rist线图的分析中的高温区热量收入Qin和燃烧带出口炉腹煤气TBG制作成诺模图，见图3，用以评价高炉强化与热能消耗和炉内的热状态。
国外先进高炉的炉腹煤气量指数均比较低，而高温区热量收入在4.0GJ/t以下，宝钢生产一直控制炉腹煤气量的水平，高温区热量收入在4.2GJ/t。我国2000m3级高炉经过校算后，高温区的热量收入分为两组：接近先进水平的一组为4.3GJ/t左右，而另一些高炉高达5.2GJ/t，甚至5.5GJ/t，虽然中国也有先进的限额标准和准入标准[29]，可是缺乏具体的落实措施，与国内外先进高炉相比差24%~43%，相当可观。剩余的热量除了提高燃料比以外，由煤气带出炉外，提高成本，增加污染。随着炉腹煤气量指数的提高，并没有得到提高利用系数的报偿，反而导致燃料比的上升，以及热量的过剩。而过剩热量对高炉冶炼是没有必要的，对高炉设备和内衬也只起到负面的影响。
我国高炉的热量消耗如此之大。导致高热量消耗的原因要从原料进入钢铁厂开始，直到渣铁、煤气及炉尘等副产品出炼铁系统的各个环节支寻找。高热量消耗必然导致软熔带的变异，高温区的变化，必须对高炉过程进行一系列的研究，寻求解决办法。最近我国有些单位对高炉开始进行比较深入的研究，如对实物大小模型中的无料钟炉顶布料、高炉停炉进行解剖调查、炉内探测和大型高炉炉底解剖调查等。这是一件大好事，是一个良好的开端，为发展我国高炉精细化操作、降低燃料比、延长高炉寿命作了扎实的工作，必将对提升我国炼铁技术作出贡献。
4把炉腹煤气量指数用于高炉操作实践
因此，虽然大家都认识到控制炉腹煤气量指数χBG的重要性，可是提高利用系数的想法仍然诱惑着许多管理者、操作者，所以尚存在强化程度过高的倾向，这是造成吨铁风口耗氧量vO2上升、风口燃烧碳元素提高、炉顶煤气利用率下降和燃料比有上升的重要因素。
（1）炉腹煤气量指数χBG虽然表征炉内煤气的流速一个参数，属于高炉过程的动态范畴。可是其中的吨铁炉腹煤气量和吨铁风口耗氧量vO2与高炉物料平衡和热平衡密切相关。
（2）精料是提高料柱透气性的基础，很清楚提高炉腹煤气量指数χBG的途径必须精料；为要提高产量必须提高炉腹煤气效率ηBG，提高煤气的利用率ηco；在评价高炉装料制度方面不能偏重疏松料柱的作用，而要注重提高煤气利用率ηCO。
（3）炉腹煤气量指数χBG是以充分利用煤气的热能和化学能的条件下，维持合适的高炉透气阻力系数K，保持炉况稳定、顺行。由于K值存在上限值，因而，炉腹煤气量指数χBG也存在上限值。
（4）建议使用评价高炉生产效率的新方法及高温区热量收入Qin和燃烧带出口炉腹煤气TBG制作成诺模图，见图3，可以方便地评价高炉强化与热能消耗和炉内的热状态。合理利用高温热能，降低燃料比能减少吨铁消耗的风量，也就减少了产生的炉腹煤气量，从而提高产量。生产表明，正常操作时炉腹煤气量不宜超过60m/min。
（5）通过Rist操作线图和高炉下部热量消耗阐释了吨铁风口耗氧量vO2的重要性；当提高炉腹煤气量指数时，如果高炉吨铁风口耗氧量vO2随之提高，则提高风口碳元素燃烧量，必然使燃料比上升。此时提高炉腹煤气量指数不一定能提高产量，因此吨铁风口耗氧量vO2是能否继续采用提高炉腹煤气量指数χBG来强化冶炼的试金石。
5结语
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。
在提高炉腹煤气量时，应充分考虑对燃料比、对产量、对成本的影响。实践表明，炉腹煤气量指数过高，不但利用系数不能提高，反而有下降的趋势；还引起高温热效率降低、燃料比上升、能源介质增加；多投入、少产出，反而提高了成本。经过几十年的积累和研究，在新时期应该逐渐统一认识到低碳炼铁的生产技术方针上来。落实低碳炼铁是一项系统工程，要从政策、方针、指标等评价体系开始进行整顿，并落实到整个炼铁流程的各个工序，直到高炉操作和基层生产记录进行全面考量，要制订具体落实整改的路线图。
本文提出了以“十字”方针为原则，使用评价高炉生产的新方法、新指标的建议。根据前段时期，原燃料质量较好适于高炉强化的条件下，各项新指标的适宜范围已经归纳在新修订的《高炉炼铁工程设计规范》中[30]。在精料的基础上，规定燃料比的条件下，提出了炉腹煤气量指数的范围。在这个范围中设计宜选用较高的值以保证高炉主要设备能满足高炉强化的要求，生产操作宜选用较低的值，以达到规定的低燃料比来达到高产。
我国高炉低碳炼铁还有许多工作要做，只有在这方面赶上世界先进水平才能实现炼铁强国之梦。
注：引自《炼铁梦想家》，作者 项钟庸、王筱留、刘云彩