国外炼铁生产及技术进展

2015-11-26 11:27:00
沙永志
炼铁生产作为钢铁生产流程中的重要组成部分，是能量消耗和生产成本的主要载体，同时是污染物排放的主要工序。

未来的炼铁发展状况将决定整个钢铁工业的组成、结构及产品市场竞争力。

我国作为世界第一炼铁大国，今后的炼铁可持续发展取决于正确的工艺路线、先进的生产理念，以及持续的改进提高。

本文试图通过对国外连铁生产及技术进展的调研，为国内炼铁同仁提供一些有益的信息和参考。

国外炼铁各工艺生产状况
世界炼铁生产工艺分为高炉工艺、直接还原工艺，熔融还原工艺。

在过去的10年里，各工艺生产均取得一定进展。

高炉工艺。

在过去的10余年里，在我国生铁产量高速增长的带动下，世界生铁的总量持续增加，2014年全球高炉炼铁的产量为11.795 亿吨，见图1。

国外生铁总产量基本维持不变，2014年为4.679亿吨，占39.67%；我国为7.116亿吨，占60.33%。

新建高炉的大型化仍是发展趋势。

韩国浦项建成世界最大的6000m3高炉。

但行业普遍认识到，在原燃料质量下降和频繁波动的情况下，大型高炉的适应能力存在不足。

直接还原工艺。

据美国Midrex公司统计，世界直接还原铁的生产自上世纪70年代以来，总体保持增长趋势，2013年产量为7522万吨。

生产的工艺分为气基和煤基，其中气基占78.8%，煤基占21.2%。

2014年，全球直接还原铁产量为6051.9万吨（国际钢协统计，占87%），其中最大生产国是印度，产量为1806.7万吨。

直接还原工艺的一个新进展是在印度JSPL的煤气化直接还原装置（MXCOL）建成投产。

该装置设计能力是180万吨/年，其工艺采取的是鲁奇的煤气化炉和Midrex的竖炉相结合，将煤用高压蒸汽和氧气进行气化，生产原料气供气基竖炉使用。

据报道，2014年第3季度，该装置已生产出金属化率稳定在93%的直接还原铁产品。

熔融还原工艺。

2013年，全球熔融还原（Corex + Finex）装置共生产铁水730万吨。

2014年1月，韩国浦项又投产了一座200万吨的Finex装置。

HIsarna工艺开发取得进展，所建的半工业试验装置（8吨/小时）自2010年起开展了4次试验，每次2个月。

据报道，其结果超过期望值，煤耗已低于750kg/t。

2016年计划再开展一次试验。

综合评价，在过去的10余年里，高炉、直接还原、熔融还原各工艺的产量均在增加，而高炉的产量规模和所占的比例（含我国）均远远超过了后两者。

这也预示着高炉炼铁工艺的绝对优势将长期保持。

主要国家和地区的炼铁发展状况
西欧
生产状况。

欧盟15国的生铁产量已从2008年前的年产9000多万吨下降到近几年的不足8000万吨，见图2（2013年7690万吨）。

高炉运行数量由1990年的92座降低到目前的45座，但单炉产量则由104万吨/年提高到目前的171万吨/年。

炉料结构。

受环保因素的影响，在过去的20余年里，高炉的炉料结构正在发生变化，见图3，表现为高比例的烧结矿在减少，球团矿的比例在增加。

其中瑞典和芬兰的钢铁企业取消了烧结机，炉料结构为90%球团+10%循环废料压块。

但烧结矿对多数厂来说仍是主要的炼铁原料。

该地区共有29台烧结机，平均烧结面积为288m2，最大的为589m2，最高烧结利用系数是59.5t/(m2·d)。

欧洲保留烧结的原因之一是在满足冶金性能和环保要求的前提下，烧结能够处理循环料和废料。

烧结烟气治理。

欧洲重视对烧结烟气的处理，以满足严格的环保要求。

各烧结机均配置了高效的电除尘和布袋除尘。

一些烧结机采用了活性炭/褐煤吸收法处理废气。

此外，欧洲重视减少工艺本身的污染物产生量，开发了LEEP、EPOSINT、EOS等烟气循环烧结工艺，并在一些烧结厂得到成功应用。

经处理的烟气中二口恶英的含量将低于0.4ng/m3(SPT)。

焦炭质量。

欧洲重视焦炭质量的作用和价值，明确了焦炭的质量要求，如CSR>65%，CRI<23%，灰分<9.0%。

但客观现实是，该要求越来越难以满足，表现为焦炭质量波动大，如CSR为56%~70%，CRI为20.5%~38%，焦炭灰分为
9.5%~12%。

高炉燃料比。

欧洲的高炉能量利用率很高，焦比已降低到330kg/t的先进水平。

但近年来，由于高炉原料质量的下降，烧结矿中SiO2升高，高炉渣量上升，加之煤比的增加，导致平均燃料比有所上升，2013年达到504.7kg/t。

2014年~2015年，由于经济的原因，几乎所有高炉都喷煤（不再喷油和气）。

欧洲的高炉碳排放自认为已实现最低值(1570kg/tHM)。

综合布料控制优化高炉操作。

西门子奥钢联的金属工艺公司开发了基于闭环装料控制的专家系统，并成功应用于Linz A高炉。

2013/14年度取得的运行指标为：高炉燃料比低于455kg/t (折算为焦炭)，铁水Si的标准偏差小于0.12%，利用系数大于2.8t/(m3·d)，全部炉料中的9%为0~10mm，碱负荷在4.0kg/t~4.5kg/t条件下的高炉稳定运行。

其他。

欧洲为保证高炉的稳定顺行，对含有有害元素的钢铁厂各类粉尘和尘泥，如高氯高炉灰、高油轧钢铁鳞、高锌转炉尘、高碱金属烧结除尘灰等，全部或部分限制其通过烧结循环使用。

氧气高炉作为欧洲ULCOS项目的一部分，已开展了多次试验，取得了焦比200kg/t、煤比175kg/t、燃料比降低24%的试验结果。

欧洲制定了50万吨/年的工业试验计划，但因经济原因现项目已停止。

正在开展的有效节能技术是高炉煤气的顶压发电。

北美（美国，加拿大，墨西哥）
生产情况。

在过去的40年里，北美的生铁产量逐渐降低，见图4，2014年为4200万吨。

其主要竞争者是废钢电炉生产流程。

电炉钢占半数以上，铁钢比仅为0.4。

企业之间开展了大规模的整合，目前5家公司拥有44座高炉，其中29座在运行。

高炉的工作容积为900m3~4100m3。

利用系数为1.9t/（WM·d）~3.9 t/（WM·d），其中最高的是AK Steel Middletown 3号高炉（1493m3）。

该高炉的操作特点是高富氧（2013年鼓风含氧33%）、吃金属料(76kg废钢
+104kgHBI/t），大量喷天然气(115kgNG/t)。

炉料结构。

北美是以球团矿为高炉主要炉料的地区。

2014年，平均炉料组成为：92%球团，7%烧结矿，1%块矿。

在29座高炉中，17座使用100%球团，其中60%是碱性球团，40%是酸性球团。

北美保留烧结厂作为处理球团筛下物和其他小颗粒回收物料的战略举措。

如Gary钢厂烧结厂从各种循环废料中生产超高碱度烧结矿（R=2.6~2.7），含Fe为50%。

一些高炉使用冷固结压块作为循环废料的处理手段。

如2014年，ET厂使用34kg/t的由高炉尘和尘泥、轧钢铁鳞、焦粉等制成的冷压块。

高炉喷吹。

北美高炉煤和天然气混喷成为技术发展趋势。

因美国油页岩技术的应用，使天然气供应丰富，高炉喷吹天然气量逐年增加。

2014年，高炉的平均喷吹天然气量是59kg/t，喷煤58kg/t。

混喷的方式有双枪法（每个风口1支枪喷煤，1支枪喷天然气），以及单枪喷煤+风口开孔进天然气的方法。

多座高炉生产实践证实，高炉采用天然气和煤混喷，比单独喷吹天然气，能获得超过理论计算的更高置换比。

经分析，其原因为改进了炉内反应动力学过程，降低了炉缸热状态波动，提高了高炉运行稳定性和能量利用率。

此外，相对于喷煤时的较高理论燃烧温度，在喷吹天然气时，高炉在理论燃烧温度为1760℃（3200℉）下运行无问题。

远程监控、诊断及标准化系统（RMDS）和数据库。

该系统的开发者是ArcelorMittal公司，其目标是用网络对全部高炉应用RMDS（现1/4已联网，包括北美3座高炉）。

RMDS方案包括每周的视频/网络会议，参加者讨论分享安全和操作经验，RMDS数据可供给局部专家系统服务器。

一些高炉使用SACHEM专家指导系统（由ArccelorMittal和PW联合提供），所带来的益处是更稳定的高炉运行、更一致的铁水温度和硅含量、更低的燃料比。

该专家系统还可用来培训新操作者。

其他。

球团产能已过剩。

目前北美正在努力降低球团成本，扩大球团应用客户，发挥球团产能。

基于北美丰富的天然气资源，直接还原铁产量在增加，有3个新的气基直接还原项目在建设。

日本
近年来，生铁产量维持在8000万吨的水平（2014年为8387万吨）。

在保持生产高效低耗的同时，日本企业加强了对污染排放控制技术的研发和应用。

LCC（Lime Coating Coke）技术。

LCC技术是在烧结过程中，先用生石灰包裹焦粉，然后进行制粒和烧结。

该技术的开发目的是减少烧结NOx排放。

其作用机理是：加热时，CaO和铁氧化物在焦炭表面形成CaO-Fe2O3熔体层，提高了燃烧温度，并起到减少NOx的催化剂作用。

该技术已于2013年4月在新日铁住金的Oita厂应用，实现了降低NOx排放28ppm、同时烧结产量增加的效果。

天然气喷吹（超级烧结矿）。

该技术由JFE开发，方法是在烧结点火后再进行表面喷吹天然气，以改善烧结床表面层的质量。

其效果是可提高烧结矿强度1%，提高还原度3%，降低焦粉3kg/t，降低高炉燃料比3kg/t。

该技术于2009年起在东日本铁厂Keihin地区应用。

最近，该技术改进为Super-SinterROXY，即在喷吹天然气的同时加入氧气。

RCA(Reactive Coke Agglomerate)（含碳球团）。

RCA(含碳球团)的生产及应用流程是：碳和铁氧化物混合，在造球盘上制粒。

经过养生后，冷固结球团装入高炉。

该球团在高炉中的作用机理是：由于碳和氧化物的密切接触，在较低温度下开始发生碳的气化反应，这样，通过降低热储备区的温度，提高高炉的反应效率。

该技术于2012年在Oita厂应用。

含碳20%的RCA降低了还原平衡温度，增加了煤气利用率，降低了碳消耗。

从RCA中每加1kgC/tHM，减少高炉碳耗
0.36kg/tHM。

铁焦技术。

铁焦的生产流程是：铁矿和煤混合（70%煤+30%铁矿），挤压，制成小压块。

压块在竖炉中连续炭化，形成铁焦。

铁焦具有高反应性，能在较低的温度范围内开始反应，从而降低热储备区温度，提高高炉反应效率。

为开发该技术，日本建设了30t/d的试验装置，生产2100t铁焦，并在JFE Chiba 5号高炉成功使用。

3D可视化系统。

新日铁利用高炉的500个冷却壁热电偶和20个炉身压力传感器的数据，做出三维可视评价和数值分析系统。

该系统于2007年在新日铁住金的Nagoya厂应用，后来在其他厂推广。

该系统能够对高炉炉身压力波动和料层结构的变化给出空间和时间序列的明确而清晰的显示，有助于指导高炉操作，实现稳定运行和降低燃料比。

COURSE 50的进展。

COURSE 50是日本围绕高炉炼铁减排CO2所开展的一项综合科研项目。

其技术之一是铁矿石的氢还原。

所采取的方法是使用焦炉煤气（COG）或焦炉煤气转化气（RCOG），从高炉风口喷吹或从高炉炉身喷吹。

日本在LKAB的试验高炉上开展了试验，证实因氢还原反应速率快，氢还原量增加。

模拟计算和试验均表明，吨铁的碳耗能够降低3%。

在脱碳技术方面，日本正在开发化学和物理吸附方法来脱除高炉煤气中的CO2；开发了新的化学吸附剂，能够在较低温度释放CO2；可将CO2分离能耗从4GJ/t-CO2降低到2GJ/t-CO2。

该项目正在Kimitsu厂建设10m3试验高炉，该高炉带30tCO2/d的化学吸收装置（CAT30）。

开发的目标是：2030年实现首套工业化，2050年成为替代高炉设备的技术。

韩国
韩国炼铁工业集中在浦项钢铁厂和现代钢铁厂，2014年生铁产量为4689.8万吨。

韩国的炼铁技术动向：一是高炉的大型化。

从2009年的平均3325m3上升到2014年的平均4526m3（包括1座世界最大的6000m3高炉投产），高炉的最高日产达1.7万吨。

二是Finex工艺的开发应用，包括200万吨/年Finex装置的建成投产，以及Finex装置生产指标的改善。

浦项正致力于将Finex工艺作为替代高炉的工艺或联合系统进行推广应用。

南美地区
2014年，南美地区的生铁产量是3055.8万吨，其中以巴西为主，占70%以上。

南美炼铁生产面临的问题是铁矿粉粒度下降，烧结矿硅含量上升，造成烧结产量下降。

由此带来高炉渣量增加，操作难度加大，燃料比升高。

对应采取的解决方法是：烧结加强混合，改善烧结的透气性；改进焦炭的质量，提高高炉抗高渣量的能力；在生产中重视设备的可靠性对生产的贡献；强调操作人员观念转变的意义；制订了人才培养计划，目标是操作人员具有硕士和博士学位；加强设备维护和研发；计划成立南美炼铁研发中心。

其他地区。

印度的生铁产量继续保持增长，2014年达到5379.7万吨。

JSPL的某高炉在炉料硅和铝含量均增加、焦炭灰分上升到16.3%、渣量由298kg/t上升到350kg/t的不利条件下，通过改进炉料结构和富氧等多种措施，利用系数从2.53t/(m3·d)提高到2.97t/(m3·d)，高炉燃料比仅增加15kg/t(从511kg/t 增加到526kg/t)。

俄罗斯炼铁生产则相对保持稳定，2014年生铁产量为5148万吨。

高炉普遍喷吹天然气，喷吹量为60m3/t~120m3/t，置换比为0.7kg/m3~0.8kg/m3。

南非作为非洲的代表，2014年生铁产量仅为505万吨。

综上所述，全球的炼铁工业仍在发展中。

国外高炉工艺的总产量多年保持平稳，其比例仍占绝大部分。

直接还原工艺的产量保持增长，并在工艺路线上努力寻求突破。

熔融还原工艺中的Finex工艺取得新进展。

尽管先进国家的生铁产量在下降，围绕高炉工艺的技术改进工作在持续进行。

主要热点包括：适应原燃料质量变化的炉料结构研究，结合计算机数学模型和专家系统的高炉工艺控制技术开发与应用，炼铁污染物排放控制技术，以及以日本COURSE 50为代表的高炉减排CO2工艺技术等。

作为炼铁大国，上述技术动向均值得我国炼铁工作者关注和重视。