第二节 冶金工业的节能监测
冶金工业是指对金属矿物的勘探、开采、精选、冶炼以及轧制成材，也是国民经济发展的基础。根据产品的不同，可将冶金工业分为黑色冶金工业(包括钢铁工业、铬、锰及各种铁合金)和有色冶金工业(稀有金属工业)两大类。冶金工业是以矿石为基本原料，使用一定量的辅助原材料，消耗大量的能源，生产各种金属材料及制品。同时也是重要的基础工业部门，是发展国民经济建设与国防建设的物质基础，同时也是衡量一个国家工业化的标志。
一、冶金工业的主要工艺与流程
(一)钢铁行业主要工艺流程
钢铁冶金是根据物理化学、热力学、动力学、传输学和反应工程学以及金属学等基本原理，从矿石中提取金属，经精炼，再采用各种加工方法(塑性加工、机械加工等)制成具有一定性能的钢铁材料的过程。
现代钢铁生产主要有4种工艺流程：①高炉——转炉工艺;②废钢——电炉工艺;③直接还原——电炉工艺;④熔融还原——转炉工艺。在这4种工艺中，高炉——转炉工艺和废钢——电炉工
艺是传统工艺流程，是现代钢铁生产的主流工艺，如图4-1所示。直接还原——电炉工艺和熔融还原——电炉工艺为革新工艺，大部分仍处于开发研究工业化试验阶段，属于新一代的钢铁生产技术。
1.炼铁工序
铁矿石迸入高炉内冶炼得到铁水，高炉铁水经处理后送人转炉吹炼，再经二次精炼获得合格钢水，钢水经过连铸(模铸)成坯或锭，再经轧制工序最后成为合格钢材。其过程主要包括采矿、烧结、球团、焦化、高炉炼铁、转炉炼钢、轧钢等工序，由于这种工艺流程生产单元多，规模庞大，生产周期长，因此称为长工艺流程，目前全球约70%的钢来自于长流程工艺。
(1)采矿、选矿。采矿是对岩矿实行初步分离的过程，即根据自然矿产资源在地壳里的埋藏状况，分别选择露天或地下开采方式，通过凿岩、爆破、装运和破碎等工序，将所需矿物采出。虽然自然界中含铁的矿物比较多，但目前能够用作炼铁原料的只有20余种，其中主要是磁铁矿石、赤铁矿石、褐铁矿石和菱铁矿石。
选矿是对贫矿实行富集，对含有脉石或有害成分的矿石进行选别的过程。将矿石粉碎、磨细后，再通过重力选矿、磁力选矿、浮游选矿或电力选矿等多种工艺，除去脉石以及其他杂质，富集出高品位的精矿粉。
(2)烧结(球团)工艺。高炉冶炼时，要求炉料要有一定的粒度和强度，保证高炉的透气性。如果矿粉人炉，则高炉的透气性变差，会使高炉的冶炼无法正常进行。为了解决此问题，一般将矿粉造块，矿粉造块目前有两种方法：烧结法和球团法，所得到的矿块分别为烧结矿或球团矿。
烧结矿的生产过程是将铁矿粉、粉(无烟煤)和石灰按一定配比混匀，放在烧结机上点火烧结。在燃料燃烧产生高温和一系列物理化学变化作用下，部分混合料颗粒表面发生软化熔融，产生一定数量的液相，并润湿其他未融化的矿石颗粒。冷却后，液相将矿粉颗粒黏结成块，这一过程叫做烧结，所得到的块矿叫做烧结矿，如图4-2所示。经烧结而成的有足够强度和粒度的烧结矿可作为炼铁的熟料。利用烧结熟料炼铁对于提高高炉利用系数、降低焦比、提高高炉透气性、保证高炉运行均有一定意义。烧结矿生产有鼓风烧结和抽风烧结两种方法，目前大量采用的是带式抽风烧结法。
球团矿的生产过程足将细磨精矿或其他细磨粉状物料、添加剂等按一定比例经过配料、混匀、润湿后，通过造球机制成一定尺寸的小球，然后采用干燥焙烧或其他方法使其发生一系列的物理化学变化，形成具有一定强度和冶金性能的球形含铁原料。
(3)焦化工艺。焦炭是高炉冶炼的主要燃料，也可用于铸造、有色金属冶炼、制造水煤气。焦炭在高炉内除了作燃料外，还起还原性和骨架的作用。
装炉煤经过高温干馏转化为焦炭、焦炉煤气和化学产品的工艺过程，即煤炭焦化。将经过破碎清洗的两种结焦性不同的煤料按照一定燃烧值要求配比混匀，再将配比好的煤加入黏结剂用捣固机捣制成煤饼的形状，配好的煤料，装入炼焦炉的碳化室，在隔绝空气的条件下由两侧燃烧室供热，随温度升高经干燥、预热、热分离、软化、结焦成具有一定强度的焦炭。由炼焦炉炉顶排出的挥发物经过冷凝、冷却、洗涤、蒸馏等加工处理之后，得到焦炉煤气、苯类、油等物质。现代焦炉生产工艺流程如图4-3所示。
在焦化过程中，有两项重要的节能技术：干熄焦和余热发电。
炼焦生产除了主产品焦炭供炼铁使用外，还有焦炉煤气和其他多种化工产品，这些产品和国防、冶金、轻工、化工、交通运输等部门都有密切联系，是其不可缺少的原材料。
(4)高炉炼铁。高炉炼铁实际上是对铁矿石中的铁氧化物进行还原的过程，基本反应原
理为
3CO+Fez03→2Fe+3CO2 (4-5)
高炉使用的含铁炉料主要是烧结矿、球团矿以及天然矿;燃料为焦炭、煤粉、天然气等。高炉的主产品是生铁，作为下游炼钢工序的主要原料;副产品主要是高炉炉顶煤气和高炉渣。高炉炼铁工艺流程如图4-4所示。
吹煤粉、重油、天然气等辅助燃料)中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气，在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。炼出的铁水从铁口放出，铁矿石中未还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣，从渣口排出。产生的煤气从炉顶排出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。高炉冶炼的主要产品是生铁，还有副产高炉渣和高炉煤气。
高炉冶炼的特点主要是：①在炉料与煤气流逆向运动过程中完成各种错综复杂的化学反应和物理变化，炉内主要是还原性气氛;②高炉是密闭的容器，除装料、出铁、出渣及煤气外，操作人员无法直接观察到反应过程的状况，只能凭借仪器仪表间接观察炉内状况;③高炉是连续的、大规模的高温生产过程，机械化和自动化水平较高。
高炉炼铁生产的主要耗能设备有高炉本体、原料供料系统、炉顶装料系统、送风系统、煤气除尘系统、喷煤系统和渣铁处理系统，使用的能源有焦炭、煤气、电力、蒸汽和水。
