日本高炉炼铁洞察与解剖研究：深度解析炉内物料行为

理解高炉炼铁与日本解剖研究

高炉（BF）炼铁因其成熟可靠性能、灵活原料适应性、高热能节约能力，仍是生产铁水（HM）最可行途径。高炉炼铁起始无确切年代记载。但重要工艺设计和再工程早在14世纪即在欧洲炼铁炉实施。此后高炉路线主导为优选铁生产工艺。

自诞生以来，高炉炼铁工艺为维持生存能力经历持久演化发展，成为高效工艺。迄今最重要发展包括：(i) 设施现代化，(ii) 提高炉产量，(iii) 降低焦比，(iv) 延长炉龄，(v) 材料灵活性和改进。为改善经济性、效率、环保而实施技术进步包括：(i) 各种工艺管理控制实践，(ii) 中心焦炭装料，(iii) 高炉顶压力操作，(iv) 富氧（O₂）操作，(v) 用辅助碳源（煤粉、天然气、油、塑料）替代昂贵焦炭等。高炉炼铁技术发展使其从大量消耗燃料的小型生产单元，发展到设计日产铁水10,000吨的大型高炉在多国普遍存在。即使规模产量剧增，炉内许多反应仍未完全明了。

现代高炉炉料与工艺发展

现代高炉主要以烧结矿、球团、烧结/选矿块矿或烧结/球团炉料为主操作。这些材料类型质量取决于个别厂运营理念，故其生产和还原特性对高炉工艺至关重要。

高炉工艺发展历程

高炉工艺发展逐步引入，最终成为标准操作实践。主要发展大致按时间顺序列为：(i) 有效利用准备炉料，(ii) 富氧喷吹，(iii) 高炉顶压力，(iv) 高风温，(v) 改进炉料分布控制。同时高炉物理尺寸逐步增大。

准备炉料利用

炉料制备最初仅为入炉铁矿石粒度分级。更严格粒度分级改善炉子透气性，允许鼓更多风，提高高炉产量。此外去除大矿块提高还原反应效率，降低焦比。

入炉前烧结铁矿石是炉料制备第二重要步骤，但烧结最初开发旨在将高炉烟尘、氧化铁皮、矿粉等含铁废料制成可用高炉原料。然而，1950年代中期自熔剂烧结成功后概念迅速改变，允许熔剂从高炉炉料中移除并通过烧结引入。这也降低焦比同时提高高炉产量。现状：烧结矿现为现代高炉厂确立炉料组分，仍在持续研究以进一步改善性能。

易得高品位铁矿石枯竭迫使供应商通过选矿升级产品，由精矿生产高品位铁矿石球团。此工艺广泛接受，致使入炉炉料具高铁低脉石含量，进一步提高产量降低焦比。球团另一改进声称：因粒度更严格，炉料透气性提高。但球团使用非普遍，多国高炉主要以烧结矿炉料操作，球团和/或选矿块矿仅占总装料小比例。甚至有观点认为：大型高炉稳定运行需高烧结比，因烧结矿具优越高温和分布性能，球团易滚动使分布控制困难。且因高炉用烧结矿，焦炉厂产生的焦粉在钢厂内部消耗。

富氧喷吹

高炉通常用三种喷吹剂：(i) 水蒸气，(ii) O₂，(iii) 辅助燃料。喷吹剂影响火焰温度，即风口燃烧区火焰温度。水蒸气和辅助燃料降低火焰温度，O₂升高。理论火焰温度可计算，对大量O₂和辅助燃料条件下维持平稳操作和提高产量极其重要。低火焰温度阻碍炉内反应导致炉况变冷。高火焰温度因熔融区扩大和炉料中碱、二氧化硅（SiO₂）蒸发损害透气性。为确保平稳操作，须通过调整喷吹剂量控制理论火焰温度。

分别看三喷吹剂：水蒸气与焦炭反应生成氢气（H₂），增加炉料还原程度，降低燃料比。辅助燃料为主要喷吹剂。辅助燃料类型取决于当地条件。辅助燃料喷吹提供额外H₂和一氧化碳（CO），增加炉料还原度，从而降低焦比。须确保风口辅助燃料完全燃烧，因不完全燃烧损害炉料透气性，对炉况产生不利影响。不足燃烧可通过风中提供足量余氧控制。

氧气喷吹增加余氧量和火焰温度，抵消水蒸气和辅助燃料喷吹导致火焰温度下降。也有利于减少腹部气量，最小化高炉气体流向通道化、淹没和堆积程度。淹没导致炉况不规则。堆积为熔融炉渣因向上气流速度无法下降。最终炉渣重量须足以克服气流下降。风中氧比逐渐增加时，单位铁水产气量减少，导致气体向固体传热量在炉身下降，致炉身温度下降。且富氧提高产量加速炉料下降速率，减少传热时间。结果炉料未充分预热进入高温区，淬冷炉子导致滑料和挂料。

喷吹剂使用实践需对三限度仔细控制：(i) 气固传热极限，(ii) 理论火焰温度极限，(iii) 辅助燃料完全燃烧极限。在此限度内控制提供低燃料比和高产量。

高炉顶压力

高炉顶压力益处：降低炉内气流速度，允许更多气体还原时间降低燃料比。粉尘损失也减少，因较低气速不足输送较粗粉尘颗粒。或可鼓更多风提高产量同时维持炉内相同气速，防止通道化、淹没、堆积。主要缺点：为适应增大气压，从热风炉、风箱、炉壁、炉顶至煤气净化厂等高炉设备需坚固结构，显然昂贵。高炉顶肯定需特殊设计以均衡装料系统气压防止装料设备磨损。另一缺点：高压炉顶煤气能量损失，虽炉顶煤气回收透平可回收部分能量。

虽高炉顶压力应用有工程问题，但大型高炉运行需用其以：(i) 降低燃料比，(ii) 允许更高炉产量。

高风温

通过风口进入高炉空气由焦炭燃烧加热，故来风越热，风口区进一步加热消耗焦炭越少。风预热非新事物，百余年前高炉热风炉即存在。但仅相对近期才实现>1300℃温度。高温达成因热风炉设计修改：(i) 改变砖形状增加格子砖加热表面积，(ii) 用耐更高温优质耐火材料，(iii) 提供外燃烧室也增加加热表面积。

炉料分布控制改进

控制炉料分布对改善气体利用率降低燃料比重要。正确分布也需控制高炉融聚区形状，从而最大化产量并最小化炉壁气流，后者延长炉寿命。

随炉型增大，因堆积角、密度、形状差异，常规装料设备无法维持提供炉内稳定气体分布所需炉料分布。这些问题通过安装可动护甲控制物料离开料钟分布部分解决。无钟顶和云普顶装料系统开发，拥有能准确将炉料分布至炉料面任意位置的旋转溜槽，很大程度解决了此问题。

铁矿石烧结矿

许多高炉中烧结矿为炉料主要组分。烧结矿化学成分取决于炉料其他组成。通常烧结矿碱度从熔剂型（CaO/SiO₂约1.2）到超熔剂型（CaO/SiO₂约1.7-2.2）。熔剂型烧结矿一般用于炉料大部分为烧结矿时。超熔剂烧结矿用于其余炉料呈酸性时，平衡炉渣化学提供可接受炉渣成分。烧结工艺本性致使烧结矿极不均匀。

烧结矿结构

混入铁矿石的熔剂烧结时反应熔融攻击矿石颗粒。小矿石颗粒可完全团聚，但通常大颗粒仅表面受攻击。冷却时不同相在炉渣基质内沉淀，总体结果为远离平衡状态的混合相，其相取决于初始混合中组分偏析，如烧结前石灰颗粒存在处形成富石灰区。总体存在相取决于添加熔剂量。自熔剂烧结矿主要为赤铁矿和磁铁矿，含少量铁酸钙，由铁矿石与石灰反应生成。此处"铁酸盐"指反应区碱度和矿石颗粒不同可生成不同铁酸盐物种总量。碱度增加时铁酸盐比例增加。

烧结矿中铁酸盐通常受SiO₂和Al₂O₃（氧化铝）污染，产物称SFCA（硅铝酸铁钙）。SFCA通常符合通式"n₁(Fe₂O₃)·n₂(SiO₂)·n₃(Al₂O₃)·5CaO"，n₁+n₂+n₃和约12。钙含量相对恒定约15%。实践中烧结矿常见铁酸盐为7Fe₂O₃·2SiO₂·3Al₂O₃·5CaO和9Fe₂O₃·2SiO₂·0.5Al₂O₃·5CaO。

烧结矿还原

烧结矿中铁酸盐类型和数量对还原性能起重要作用。铁酸盐还原性非恒定，随种类变化。铁酸盐比例随烧结碱度上升而增加。但还原性不随同趋势。碱度1.0-1.5范围，还原性因CaO·2Fe₂O₃和CaO·FeO·Fe₂O₃型铁酸盐增加而上升。碱度1.4-1.5范围，因烧结矿中赤铁矿比例下降、CaO·2Fe₂O₃消失、相对难还原2CaO·Fe₂O₃出现，还原性下降。碱度>1.5再显上升趋势，因CaO·Fe₂O₃和CaO·FeO·Fe₂O₃出现。

铁酸盐还原行为复杂：须分解方能还原铁氧化物。还原过程中，先还原高价铁氧化物和富铁氧化物铁酸盐，直至仅剩二钙铁酸盐和氧化亚铁。气体按可逆反应2CaO·Fe₂O₃ + 3H₂ = 2CaO + 2Fe + 3H₂O攻击二钙铁酸盐。游离CaO即刻按可逆反应2CaO + 3FeO = 2CaO·Fe₂O₃ + Fe与氧化亚铁反应。反应按前式继续循环。但显微照片显示氧化亚铁不在气体边界，故两反应间须发生扩散过程。研究表明氧化物表面二钙铁酸盐先还原。游离铁在氧化物相分离，钙扩散入与氧化亚铁反应，铁再分离或扩散入Fe₃O₄。

铁矿石球团

铁矿石球团生产过程中，铁矿石经破碎除去解离脉石选矿。通常酸性球团生产中加入石英改善球团性能。生产球团大部分酸性型，即无有意大量添加熔剂。酸性球团生产中，湿球团在氧化气氛约1300℃焙烧。这促进颗粒结合：(i) 赤铁矿颗粒烧结，(ii) 磁铁矿氧化后烧结，(iii) 炉渣结合。后者因球团化工艺用膨润土确保湿球团足够强度，少量脉石与膨润土熔融引起。炉渣相本质由石灰、二氧化硅、三氧化二铁及少量碱、镁石、氧化铝等组成。

可参考CaO-SiO₂-Fe₂O₃相图指示炉渣相化学成分。须注意：平衡图谨慎用，因大多数过程反应罕在平衡，但此类图为有用工具。焙烧时石英颗粒与赤铁矿间极少反应，故酸性球团由赤铁矿、石英、炉渣相组成，若焙烧不足，球团配料中磁铁矿来源的磁铁矿也可能存在。

酸性球团用于部分钢厂高炉炉料。用量取决于采用操作实践。若高炉完全以酸性球团为铁单元来源，炉渣形成所需熔剂（石灰石、白云石）作为炉料一部分装入高炉。

熔剂球团

目前首选熔剂球团。熔剂球团将熔剂掺入球团，避免单独装入炉熔剂。熔剂球团可用石灰或白云石作熔剂生产。随熔剂添加球团碱度增加，微观结构发生变化。考虑石灰熔剂球团，石灰添加影响炉渣成分量、赤铁矿量。石灰添加创造赤铁矿与石灰反应生成铁酸钙CaO·Fe₂O₃或2CaO·Fe₂O₃可能性，取决于石灰浓度。熔剂球团焙烧温度低于酸性球团以避免过多炉渣形成。

熔剂球团中预期见赤铁矿颗粒被石灰化学反应生成的铁酸钙包围。某些情况下原始赤铁矿颗粒完全转化为铁酸钙，明确取决于原始赤铁矿颗粒尺寸。石灰对炉渣相影响双重：一是炉渣总量总体增加，二是碱度变化。确切成分自然取决于反应相数量，但可能性可从CaO-Fe₂O₃-SiO₂相图推测。熔剂球团一问题：还原性能相对较差。石灰熔剂球团此缺陷导致用白云石代替石灰生产熔剂球团。

氧化镁加入氧化铁导致两者固态反应、熔点升高。故白云石熔剂球团生成镁铁酸盐MgO·Fe₂O₃或(Mg·Fe)O·Fe₂O₃。石英不能在白云石熔剂球团完全吸收，因镁石与二氧化硅焙烧温度不熔融，仅固态反应发生。

酸性球团还原机理可用气体还原、反应动力学、直接还原解释。气体还原中，氧从氧化铁移除，酸性球团遵循还原路径：赤铁矿→磁铁矿→氧化亚铁（>560℃）→金属铁。这些相变用CO作还原剂的可逆气体反应表示：3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂，Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂，Fe₃O₄ + 4CO = 3Fe + 4CO₂，FeO + CO = Fe + CO₂。

赤铁矿还原机理被广泛研究，注意到赤铁矿还原非离散步骤进行（即非先磁铁矿、再氧化亚铁等），而是产生自顶向底化学结构，前提是气体还原电位足够高，即结构为赤铁矿颗粒，外层磁铁矿，再外层氧化亚铁，最外层金属铁。氧化亚铁非化学计量，即缺铁离子。这些空位为氧化铁还原行为重要缺陷，使铁通过氧化铁晶格扩散成为可能。从氧化亚铁移除氧在氧化物表面填补铁离子空位。

表面还原启动空位和电子缺陷从氧化物内部向反应界面内扩散。氧化亚铁还原时金属离子内流与磁铁矿层反应，还原磁铁矿。反应发生循环逐渐还原磁铁矿。

氧化铁还原动力学被广泛研究，但对控速步骤存在冲突观点。氧化铁气体还原过程需多步骤：(i) 反应气体从本体气相通过边界层扩散，(ii) 气体通过产物层扩散至反应界面，(iii) 气体吸附于反应界面，(iv) 界面化学反应，(v) 产物气体从反应界面解吸，(vi) 气体反应产物扩散离反应界面至颗粒表面，(vii) 产物气体通过边界层扩散入本体气相。

虽对控速步骤存大分歧，但氧化铁还原速率普遍符合McKewan推导方程：K₁ = Kw/do = ro[1 - (1- R)¹ᐟ³]/t，其中K₁为赤铁矿/磁铁矿界面推进速率mm/min，Kw为速率常数g/mm²/min，do为纯氧化铁球密度g/mm³，ro为氧化铁球半径mm，R为赤铁矿转化为磁铁矿分数转化率，t为反应时间min。声称因还原速率符合此方程，控速步骤为化学反应。

Hills用质量传输原理表明：仅由质量传递和扩散控制的反应可具有常用识别化学控制反应特定特征，特别是[1 - (1 - R)¹ᐟ³]与时间线性。Hills假设反应由两过程控制：(i) 产物层气体扩散，(ii) 颗粒外部边界层传输。Hills速率方程形式可表为：3[1 - (1 - R)²ᐟ³] - 2R(1- Bm) = C₂·t，其中R为分数还原，t为还原时间秒，Bm = DE/Kg·ro，Bm为质量传递模数，即产物层内扩散阻力与颗粒外质量传递阻力比，DE为产物层扩散系数mm²/s，Kg为反应球表面质量传递系数mm/s，ro为球半径mm。C₂为还原反应常数，取决于氧化铁球性质和环境条件。

≥800℃还原时，温度升高导致气体还原反应速率上升，前提颗粒不熔融。孔隙率增加也提高还原速率。

碳（C）直接还原氧化铁机理在高炉极重要，发现直接还原仅在>900℃显著发生。直接还原反应实际可分方程：FeₓOᵧ + C = FeₓOᵧ₋₁ + CO。气体还原：CO + FeₓOᵧ = FeₓOᵧ₋₁ + CO₂。式中x=1,2,3；y=1,3,4。溶解损失（布多瓦）反应CO₂ + C = 2CO为气体反应提供CO。因直接还原实际通过间接还原反应发生，表明高炉工艺中固体氧化物直接还原对反应进程无重要性。

液态氧化铁与碳反应情况截然不同：液态氧化物与固体碳接触面积远大于固态氧化物与固体碳。反应物和产物物种在液态扩散远快于固态。这些效应导致液态氧化物/固体碳系统反应速率远高于固态氧化物/固体碳系统。反应温度越高还原程度越大。发现FeO富炉渣还原控速步骤随还原程度变化。还原铁成核和碳/液界面化学反应似构成控速步骤直至达高还原度。更高还原水平最慢步骤为氧通过炉渣边界层扩散。

碱对还原影响

碱在高炉内通过高温区蒸发、在较冷区域沉积于炉料和焦炭上循环。沉积碱随炉料焦炭下降最终再蒸发。此循环效应性质致使高炉内可积累相当高碱水平，影响炉料还原。发现碱添加增加酸性和碱性球团还原速率。注意到存在最佳碱添加水平，超之还原速率因大量炉渣形成而下降。此外，白云石熔剂球团在还原气含碱蒸汽时还原速率下降。碱种类重要：同浓度钠阳离子下氢氧化钠（NaOH）比氯化钠（NaCl）更促进还原反应。

碱添加氧化铁增加还原速率因膨胀增加暴露于还原气体表面积。此外碱引起非表面相关化学还原，即氧化亚铁表面持续暴露于还原气而非被金属铁层屏蔽。非表面化学还原因碱阳离子掺入氧化亚铁晶格导致氧化亚铁活度不均匀，改变铁成核行为，致使非表面化学还原。球团膨胀通常视为碱含量过高症状。

高炉内炉料行为

高炉工艺寿命中积累大量~1000℃铁氧化物、球团、烧结矿还原特性知识。超此温度，对炉内发生反应或其对高炉炉料性质影响知之甚少。即使有大量≤1000℃炉料行为信息，因高炉运行中内部检查极难，不易应用。获取运行高炉样本主要"工具"为气体探针、温度探针、炉料探针等，有效覆盖仅高炉极小体积。

但可公正陈述：材料还原行为与高炉工艺关联已合理建立。例：低温还原中显示物理尺寸大幅分解材料实践中导致炉透气性下降；高还原性炉料降低燃料比；还原中大幅膨胀球团导致炉透气性损失。

解剖研究

多台运行高炉淬水、系统解剖研究其内容物，实现对高炉内材料行为重大突破。高炉内炉料分布取决于装料顺序、装料重量、炉料组分、炉况，致使每炉运行方式不同。图1显示九冈高炉4号内部结构。矿石和焦炭层保持至软化熔融区或融聚区。解剖过程中融聚区开始由机械手段清除物料物理阻力增加确定。融聚区为材料开始软化最终熔融处。发现融聚区非在炉单一区域，而是分布成合理几何形状，为高炉运行中发生反应主要洞见之一。

发现融聚区结构随炉况变化。例：图1也显示三不同炉结构。广畑高炉1号显示软化层呈"甜甜圈"形呈倒"V"结构排列，九冈高炉4号呈"W"形融聚区。东田高炉5号显示因淬火前炉况不规则导致扭曲倒"V"形。

图1 日本高炉解剖研究

还原程度

广畑高炉1号和九冈高炉4号各炉料层还原程度研究揭示有趣特征。一有趣特征：炉料到达融聚区前极少还原，进入融聚区内还原迅速进行。淬火可能导致冷却期炉料再氧化是主要问题。实验室测试确定淬火可能发生再氧化程度。一研究在实验室相同高炉淬火冷却条件下，用一系列不同初始还原度测量烧结矿再氧化。另一研究用另一技术：不同还原度炉料从400℃、800℃、1000℃三温度以200℃/小时冷却速率在氮气（N₂）气氛冷却。研究发现：虽还原温度和还原度不同，最终再氧化度恒定约20%-25%，即再氧化随初始还原度成比例增加。300℃以下无再氧化。实验结果：还原度需修正，如从10%-30%修正为15%-40%。修正水平与俄罗斯N₂淬火炉解剖研究还原度一致。

温度分布

炉内温度等温线由多法组合估算。一法：充入大量石墨支架封装"Tempil"颗粒于吹炉前。此法允许估算200-1800℃范围温度，但问题无法控制石墨支架在高炉内分布。其他方法：测量焦炭石墨化程度估算1200-1700℃温度；测量焦炭电阻率估算1100-1700℃；测量铁矿石熔融程度估算900-1400℃。

比较等温线与软化熔融炉料层分布（图1和图2），发现以烧结矿炉料为主高炉融聚区存在于约1100-1500℃温度范围。

图2 九冈高炉4号和广畑高炉1号估算温度分布及广畑高炉1号软化熔融层结构

融聚区内炉料层结构

融聚区内单个炉料层结构类型取决于层在高炉内位置。广畑1号两层见图2。G-5层近融聚区顶点，G-19层近融聚区基部。G-5层有四个明显区域，其中两个为块状/颗粒部分（C和D）。G-19层仅含一个块状部分D。除层间明显形状差异，另一主要差异：G-5层"冰柱"被G-19层熔融前半熔部分A替代。

如前见融聚区大量还原发生，经表1、表2各部分还原数据证实。数值偏低，因淬火导致再氧化必然发生。C部分高还原水平归因于接触焦炭时稍低还原温度。

表1 广畑高炉1号软化熔融层炉料还原度
软化熔融层	部分*	还原度%
		烧结矿	块矿	球团
G-5	A	65.6	65	79.3
	C	72.8	68.2	81.2
	D	11.5	12.3	14.6
G-19	D	35.4	36.6	41.3

* B: 软化部分，C和D: 块状部分

表2 块状部分球团还原度
软化熔融层	取样位置(距边界*距离)(m)	样品球团平均还原值(%)
G3	2	12.7
	0.2-约0.3	23.1
G10	1	14.1
	0.2-约0.3	(55)**
G12	1.3	13.9
	0.9	14.3
	0.5	12.3

* 块状与软化部分边界间 ** 未再氧化还原球团值

广畑高炉1号软化熔融层厚度：上层400-500mm，近融聚区基部层70-100mm。厚度减薄因上方物料重量压力压实，也因炉径随下降增大材料自然变薄。软化部分铁矿颗粒相互接触结合。烧结颗粒层中变形极小，球团显示变形迹象。

球团冶金化过程可按三模式：(i) 金属铁均匀分布球团内，(ii) 形成金属外壳留氧化亚铁核，(iii) 球团内氧化亚铁反应生成炉渣向金属铁外壳移动留中心空腔。三模式原因非与软化熔融层内分布相关，可能因球团差异或软化熔融层内气流不均。

发现半熔部分由高度致密金属铁和少量炉渣组成。石灰石或橄榄石保持未熔融。冰柱伸入焦炭空隙，由金属外壳空心内部组成，少量炉渣液滴附着铁上。软化熔融层在炉内越高，冰柱长度越大，如G-1层产生数百毫米长冰柱，下层仅10-20mm。

九冈高炉4号软化熔融层结构基本同广畑1号，仅因炉料层较薄结构不那么明显、冰柱较小。

炉渣成分变化

软化熔融层炉渣相主要化学变化：炉渣从熔融部分下流时FeO含量减少。X射线微区分析检测A部分炉渣FeO大差异：2%-20%，取决于位置，但软化熔融层分离前炉渣FeO仅2%-3%。炉渣类型与正常烧结产品无显著差异，但矿粒中生成相当量铁橄榄石。炉渣下降导致成分渐变。CaO/SiO₂比逐渐增加归因石灰石熔剂和SiO₂还原致SiO₂含量下降。Al₂O₃上升因焦炭灰分掺入下降炉渣。

金属成分变化

考虑金属下降炉过程成分变化：软化熔融层半熔部分金属碳含量上部约0.2%，下部0.35%-0.57%。这些半熔层碳源归因CO渗碳作用，除接触焦炭金属外。九冈高炉4号层见类似趋势。冰柱碳含量上升归因金属直接接触焦炭颗粒。识别出两不同机制分离金属铁：第一机制通过冰柱，在1350-1400℃形成滴入焦炭床。冰柱中铁氧化物还原快速生成金属铁。第二过程发生于无冰柱形成层。此情况下金属铁被下方焦炭渗碳至碳水平使在当前温度熔融。此情况下熔融温度约1500℃。

炉内金属拾硅机理一直是大量讨论主题。比利时列日实验高炉装采样探针研究发现：硅水平从熔融区至炉腹逐渐上升，金属达风口水平时已达最终铁水硅75%。日本解剖研究却显示风口水平金属硅远超出铁水硅。两组研究差异解释：硅拾取可能发生于日本高炉淬火过程。确定淬火期间硅拾取概率实验发现：任何现存炉渣硅拾取均可能。分析日本解剖数据时须铭记此点。

软化熔融区金属硫（S）水平远高于出铁铁水。颗粒区S水平极少增加，可能因软化熔融区材料吸收上升气体中S，而非颗粒区炉料缺乏S吸收能力。炉身<800℃气体中无实质量S可解释水平剖面。随温度和炉渣碱度升高，S在炉渣金属间分配相应增加。图3显示广畑高炉1号硫循环可窥见S高炉内循环。

图3 广畑高炉1号硫循环

尺寸分布

炉料组分下降物理尺寸变化由淬火炉数据确定，此部分研究主要问题：淬火操作中材料分解。烧结矿降解在400-600℃达最大，随滞留时间增加。还原度>30%时极少降解。小仓高炉2号冷却模式估算显示：炉料暴露于导致显著分解条件长时间。水淬操作对烧结矿降解影响计算表明：吹炉后烧结矿降解随时间增加，炉身中部区域发生显著降解。

应用于中心操作炉（中心操作指大部分气体沿炉中心轴上升），注意到广畑高炉1号中心区烧结矿降解（还原度高）主要由运行中还原过程引起。边缘区还原度低，此情况降解主要由吹炉时物料在~500℃长滞留时间引起。中心操作广畑高炉1号解剖结果说明此点。维持炉料尺寸另一因素：广畑1号中心区裂纹若生成因高温和快速还原即刻熔合。降解总体上对烧结矿关注最大。球团尺寸分布检查显示：球团几乎未粉化，保持原形状。

气流影响

为进一步证明融聚区形状由炉内气流决定，从广畑1号和九冈4号取芯样测定透气率。将透气率关联气流建立气流速度分布剖面。这些剖面可直接关联软化熔融层分布。高炉下部气流快7-9m/s，软化熔融层显著减慢至2-4m/s，表明软化熔融层透气性差。气体上升炉身速度因气温下降自然减小。

融聚区控制

表明融聚区形状因炉而异，需高度重视控制。融聚区控制高度依赖炉料分布。为最大产量（以燃料比为代价），采用强中心操作型；为最小化燃料比，遵循较弱中心操作。比较强中心操作广畑1号与中等中心操作九冈4号此点明显。联系产量与融聚区风口上高度（图4）可很好解释。融聚区在炉内位置越高，产量越大，但以燃料比增加为代价。

融聚区控制另一点：对耐火衬里影响。若炉壁温度过高，耐火磨损显著，预期高炉寿命缩短。故为维持耐火厚度，须控制融聚区使炉壁温度保持最低水平。

图4 软化熔融区示意剖面及高炉产量与熔融区高度关系

熔融过程

熔融过程中硫作用受Fe-S-O相图支配。固体金属铁和炉料中氧化亚铁与上升气体气态S反应生成共熔物，化学成分24% S、9% O₂、67% Fe，熔点915℃。形成后此液体下降升温，溶解固体金属铁和氧化亚铁致液体成分沿路径变化，至某点液体分裂为两共轭液相。温度进一步升高致第一部分液体溶解更多固体铁沿路径移动成分，第二部分溶解更多铁氧化物沿另一成分路径移动。由此形成两相：(i) 液态金属相，(ii) 液态炉渣相。系统中二氧化硅存在不显著改变此机理，确实移动互溶间隙。故初生液体分离为液态金属和液态炉渣相在较低温度发生。

形成后两液各行其道。液态金属溶解固体铁、碳、硫成最终金属相。炉渣下降溶解焦炭灰、炉料脉石、熔剂中氧化铝、二氧化硅、石灰形成最终炉渣相。研究也显示：CO/N₂气混合物中存在硫化氢，因形成液态Fe-S-O相降低铁矿石烧结矿和球团熔点。

碱也被认为与高炉初始熔融过程密切相关。关于碱分布研究显示：碱集中在软化熔融层。原因：装入炉内炉料焦炭固有碱化合物还原，>800-900℃碱以金属元素或氰化物蒸发，卷入软化熔融层浓缩。软化熔融层下降碱蒸发继续循环。