期刊论文---炼铁技术的发展.docx

炼铁技术的发展Masaaki NAITO(新日铁技术报告2006年7月94号)摘要：日本钢铁行业在炼铁领域引进新技术和技术创新有着悠久的历史。在过去的十年中引入的技术包括使用廉价低品位原料，采取措施延长高炉、炼焦炉使用寿命，推广节能，废物利用，解决环境问题。这份报告概述了炼铁技术领域生产条件和技术的发展趋势及取得的进展。1.简介在新日铁技术报告（Seitetsu Kenkyu）炼铁技术20年特别版的开头，我想概述出在过去的20年，日本和世界的炼铁技术发展。基于1985年的广场协议日元升值的影响下，日本钢铁生产企业的努力重点是采取措施使生产结构的合理化，例如关闭旧的设备和优先在高效率设备上生产；比如新日本钢铁公司关闭了在釜石的两座高炉，关闭了在酒井、八幡和广畑厂的高炉各一座。此后，在20世纪90年代，日本泡沫经济崩溃和日元贬值后，钢铁产品的需求下降，然后，环境问题，如全球变暖和工业及生活垃圾大量增涨成为重大问题。本世纪初后，世界各地开始钢铁和相关行业的重组和关闭老旧设备。改变世界钢铁工业结构的主要行动包括以下内容：（1）铁矿石供应商的重组（截止至2000年原超过12个的供应商改组为只有三个，即矿石供应总量占世界70%以上的力拓、淡水河谷和必和必拓。（2）通过兼并和收购成立大型钢铁生产商（2002年成立的阿塞洛，2003年成立的JFE钢铁，2004年成立的米塔尔），（3）钢铁生产商联盟（例如新日铁、阿塞洛、浦项和宝山钢铁之间对日本汽车制造商和家电制造商的海外工厂以及他们对当地钢铁材料的采购的协议）。最近，由于中国经济的快速增长，世界钢铁产量显著增加（参见图1），由于他们的短期供应，随之而来的原料价格上涨和品位下降变得日益严重。表1 世界粗钢产量上文概述了这一时期炼铁技术的变化，单个技术的发展详情在下文列出。2.炼铁技术的历史回顾2.1炼铁技术发展趋势图2 高炉操作技术发展图2显示了在过去的半个世纪高炉操作技术的主要变化。第二次世界大战后，可以说，通过积极引进来自西方国家的新技术，加以发展以及发挥沿海炼铁厂能够进口世界上任何来源的高品质原料的优势，日本的钢铁业成长为世界最先进的钢铁冶炼企业。20世纪60年代至70年代，日本的钢铁制造商在彼此的还原剂率（RAR）上竞争激烈；新日铁的君津4号高炉在1980年11月达到了创纪录的低RAR 406kg/t1，另一个记录是NKK公司（现JFE）福山3号高炉在1981年11月的396kg/t2。为了实现这些极限记录采取的措施包括增大炉膛尺寸，顶压，风温，配料密集大小控制，改善烧结矿质量，配料分布控制和喷吹重油或其他燃料。然而，风口喷吹重油，最早是1961年出现的。在1973至1979年间的石油危机后失去其成本优势，并且在1982年8月，日本所有的42个作业高炉停止喷吹重油。为了减少钢铁生产企业整体能源成本，在当时高炉操作的趋势是着眼于高还原剂率，提高高炉煤气发电。另一个趋势则是开发高炉操作技术，提高廉价原料使用率以减少生铁成本，同时发展粉煤喷吹技术。粉煤喷吹（PCI）1981年6月由新日铁公司大分1号高炉在日本国内首次推出使用3，迅速推广后，到1998年，日本所有作业高炉都有喷煤设备，平均喷煤比达到130kg/t。PCI技术的最高纪录在1998年实现，包括神户钢铁公司加古川1号高炉的254kg/t4和JFE福山3号高炉的266kg/t。图3 日本钢铁产业90年代周边环境正如图。3显示，这种情况在20世纪90年代围绕钢铁行业是个难题。更重要的是，日元的高估值和在泡沫经济崩溃后的经济动荡使形势变得更加困难。作为对策，下面的合理化和降低成本技术被极力开发并应用到商业生产活动中：（1）开发炼铁每个过程的控制系统和操作自动化。（2）大量喷煤系统（改善粉煤的燃料性能，配料分配控制，高炉下部澄清现象（包括微粒物质的行为），烧结矿和焦炭质量控制例如：烧结法降低SO2含量和高炉评价技术等）。（3）使用塑料作为高炉和炼焦炉替代能源。（4）使用廉价的原料（大量使用豆石和稍粘煤等）。（5）节省人力（烧结机操作优化和炼焦干式淬火（干熄焦）设备，连续卸船机，自动化焦炉操作和减少高炉大修时间等）。（6）延长设备的使用寿命（高炉、焦炉）。（7）环境保护（粉尘治理采用旋转还原炉（HRF），烧结废气循环等）（8）过程创新（铁源生产的代替技术，冶炼还原过程（DIOS），新一代炼焦炉（SCOPE21）等）。（9）高炉内部现象可视化（视觉评估的发展和高炉利用数值分析系统（Venus），改善高炉整体模型的预测精度等）本世纪初，随着上述技术的商业应用不断扩大，炼铁领域的研究和发展主要集中在高炉生产率的提高，这是为了应对经济快速增长和中国对钢铁产品日益增长的需求。图4显示了日本的作业高炉数量和他们的平均炉容；2000年开始日本高炉体积再次扩大是为了避免高炉的大修影响最新的产量增长需求。例如：名古屋的3号高炉是从3424m3扩大至4300m3，君津3号高炉是从4063m3扩大至4822m3，室兰3号高炉是从2296m3扩大至2902m3，君津4号高炉是从5151m3扩大至5555m3，大分2号高炉是从5245m3扩大至5775m3（目前世界最大高炉）。图4 日本高炉数量和平均炉容图5 日本每家公司的平均RAR和产量转型图5显示了日本高炉的产量和RAR以往的变化。在此背景下，新日铁致力于提高每座高炉的产量，降低还原剂消耗率。日本炼铁劳动生产率在近十年增长2倍约为1600t/人/年（见图6）。这主要是由于规模的扩大，关闭老旧小型高炉，引进节省人力的设备，高炉设备自动化和合理化，改善高炉操作。图6 生铁产量和综合钢铁生产劳动力的人均粗钢产量最近，该公司正在开发提高高炉和其他炼铁设备生产率的技术，以面对日益恶化的原料质量，保护全球环境和能源资源。上述技发展的典型案例的概述将在下文介绍。2.2 节约使用原料的技术 高炉原料和燃料占生铁总成本高达70%左右。在90年代初，原料核燃料价格上涨明显，增加对低质量和廉价原料利用的方法被作为技术发展的重要课题进行研究。2.2.1 使用廉价铁矿石烧结的技术发展考虑运输成本，铁矿石的主要供应来源已从巴西转向澳大利亚（见表1和2），澳大利亚铁矿石中廉价的针铁矿的百分比逐年增加(见图7)。虽然罗布河矿一直是澳大利亚针铁矿的主要来源，但是于1992年开始进口杨迪矿，2002年开始进口马尔拉曼巴矿。针铁矿矿石中含有大量的结晶水：罗布河矿中煤矸石含量高，煤矸石含有大量的氧化铝和结晶水，马尔拉曼巴矿有很高比例的结晶水，基于这些原因，这些矿石品种烧结性能较差，导致烧结矿强度低。新日铁采用降低氧化铝不利影响的方法增大罗布河矿的利用率，并建立了一个通过选择性造粒密封氧化铝的过程6。表1 日本进口铁矿石来源比例变化表2 澳大利亚典型铁矿石储量等级和价值图7 针铁矿矿石高比例的变化采取措施提高转鼓强度（TI）和冷烧结矿的粉碎强度(SI)，已被用于增加针铁矿矿石混合比例，这些措施包括：(1)采取措施增加烧结机的生产率，例如强化筛料机（ISF7，空气分级8等）和支持烧结9。(2)通过减少辅料生产低SO2含量的烧结矿。(3)通过密集造粒对伪颗粒进行结构改造。得益于这些新技术的发展，在2004年，澳大利亚矿石中针铁矿比例上升至约60%。鉴于2007年开始的对高磷布洛克曼矿和马尔拉曼巴矿的混合矿装运，新日铁重点发展烧结造粒技术。2.2.2 烧结过程使用半软粘结煤技术发展 关于还原剂，除了喷吹入高炉的煤粉，新日铁增加了半软粘煤的使用，在焦炭生产中比焦煤更经济实惠。提高焦炭强度是增加这种煤混合比例的重要技术，因此，除了介绍干法息焦（CDQ）10过程,该公司开发了煤水分控制（CMC）11方法和干洗烧结预压系统(DAPS)。由于这些新技术，对进入焦炉的煤调湿费用，从90年代初的8%到1999年的不足5%，在焦炭强度不变的情况下，半软粘煤的混合比例超过50%（见图8）。图8 半软焦煤比例变化 为响应高炉产量需求的增加，半软粘煤混合比例在过去的几年中已控制在略低于50%，增加焦炭强度(DI)就成为优先问题。为了增加焦炭强度和半软粘煤混合比例，新日铁一方面继续研究配煤技术，例如焦化压力控制方法和高温条件下利用原位核磁共振成像进行煤炭利用评估方法13。2.3 高生产率和低焦比条件下使用PCI的高炉操作技术2.3.1 高炉操作高-PCR检测技术发展 高炉粉煤喷吹技术（PCI）不仅有效降低成本，还减少了炼焦炉的操作负荷，从而延长期使用寿命，因此也就减少了炉子的建造数量。1981年PCI首次应用在新日铁大分1号高炉，而后用于日本其他钢铁公司的高炉（见图9）。在PCI技术早期阶段，粉煤燃烧技术的研究成为主要问题，但随着喷吹量的增加，渗透性的恶化和高炉下部热损失的增加变得可以实现。图9 日本高炉数量和生产率及粉煤利用率变化 由于以下一些问题，人们研究提高粉煤利用率的措施，例如：(a)中央气流的减少造成更高的焦比，高的PCR和周边流量的增加。（b）炉顶其体温度增加导致热对流减少，炉内透气性下降。（c）焦缝厚度降低和凝结区抗渗透性增加导致低焦比。（d）由于粉煤燃烧恶化，装置失活导致表面未然的碳和细焦粉积累。（e）高FeO含量的熔渣滴落，炉内温度降低，导致矿石层的高温条件和还原性能降低。（f）由于使用低SiO2含量的烧结矿，炉渣流动性降低导致滴落高Al203的渣。 为了解决这些问题，下面这些技术设用于商业炉操作：（i）控制在高焦比操作下的最佳运行负荷（技术控制中心和周边气流，例如神户钢铁公司开发的焦炭中心充电法14和新日铁公司开发的炉喉安装厚隔板法15）。(ii) 控制煤粉燃烧性能（研究过高的含氧率、燃烧性能、喷吹部位优化、喷吹枪地形状之间的关系）。（iii）在高焦比操作条件下，矿石层高温降低性能的改善（研究改善高温降低特性的研究，例如控制热流量，降低焦炭和矿石层的厚度，增加小块状焦炭的使用量，减少渣量）16。（iv）抑制细焦粉和煤粉在炉体下部的累积（澄清焦炭解体的机制和他的抑制措施，研究高炉喷吹的条件包括包裹机构优化，研究粉末和颗粒在滚道内部和周围的行为，爆炸速度）。图10 显示还原剂率（RAR）和PCR之间的关系，表3显示高PCR条件下高炉操作数据。图10 RAR和PCR之间的关系表3 世界上高PCR条件下高炉操作数据 1994年新日铁在君津4号高炉测试喷吹200kg/t的粉煤，1998年，在室兰2高炉使用高Al2O3含量烧结矿后，实现了2.14t/m3/d的生产率。另一方面，神户钢铁公司加古川1号高炉，JFE的福山3号高炉，宝钢1号高炉和浦项钢铁浦项制铁3号高炉都在运行超过200kg/t的高PCR技术。宝钢和浦项制铁的高炉中已经达到了0.6的过量氧率和6.0的焦比，已被认为超出实际的限制（见图10）。虽然生产率和RAR不尽相同，但上述高炉旨在炉内较低部分抑制退化成细粉末，改善烧结层的高温性能，实现高PCR操作。上述所有高炉均采用高强度的焦炭（转鼓指数计算，直接投资）和低SiO2含量，在高温下还原性能优越的低Al2O3烧结矿。 新日铁还旨在通过提高大型高炉的PCR来提高生产率或焦比。在过去的几年，公司一直致力于提高煤粉喷吹量，具有高热值的低挥发粉煤，改善PC喷吹及燃烧特性，修订在高炉风口喷吹高强度焦粉的条件。2.3.2 在低还原剂率的高炉操作技术 关于减少RAR的Rists模型和其类似模型的理论研究，以及所涉及的方面例如：（1）提高原料效率（提高烧结矿还原能力，控制配料分配等）。（2）降低方铁矿还原的平衡温度(W点)(使用高还原性焦炭技术17)。（3）加大风口前的热输入（增加鼓风温度，降低古风湿度等）。（4）降低铁水热损失（降低铁水硅含量，降低铁水和炉渣温度）。(5)通过炉壳减少热损失。 图11及表4显示了以往低RAR的运行记录。低RAR运行的典型记录是使用不同的辅助还原剂或其他方法得到的。1981年，JFE的福山3号高炉（内容积3233m3）18在42.1kg/t的焦油喷吹率和354kg/t的焦比时达到396kg/t。1981年新日铁的室兰2号高炉（内容积2296m3）在全焦炭操作中达到440kg/t。1994年新日铁大分2号高炉（内容积5245m3）在98kg/t的PCR和357kg/t的CR技术下达到455kg/t。2002年浦项钢铁公司浦项制铁3号高炉（内容积3795m3）在222.3kg/t的PCR和271kg/tCR技术下达到493kg/t（后两者都运用PCI技术17）。图11 高炉在低RAR下的操作结果表4 高炉低RAR操作数据 这些记录是由以上提到的一个或多个技术实现的，例如：低RAR运行的新日铁大分2号高炉，增大小尺寸块状焦炭使用量，矿层厚度减小（高温还原性能得到改善），鼓风含水量降低，提高烧结矿的还原性这些技术都被应用到19。提高烧结矿高温性能，控制热储备区的温度（控制还原平衡温度），生产和使用预还原矿，这些炼铁技术的研究和开发实验已经开始进行。 关于热预备区的温度控制，新日铁已经领先于其他钢铁生产商，开始发展生产和使用高活性焦炭的技术。在室兰2号高炉，使用中国神华集团供应的煤制成的高活性焦炭进行试生产，并确认其影响20。最近，该公司正在开发使用含碳纤维复合材料的铁矿石降低热储备区温度的技术21。 对于生产和使用预还原矿，新日铁提出分为两个阶段的还原系统理论，这是一种日本高炉在使用预还原矿后可以提高高炉生产率并降低高炉RAR的技术，例如，原料产地天然气经济适用的海外某地，使用低温烧结铁矿石的能力。它被认为可以减少全球CO2排放量。2.3.3 高炉仿真模型发展22-24 高炉模拟的数学模型作为一个集成的系统已经发展成为一个可以清楚炉膛内部现象、分析过程的工具。高炉是非常复杂的、移动层型的逆流反应炉，是固体、液体、气体、电力相互反应的地方。铁矿石从炉顶在室温下加入经过一系列复杂过程，他通过加热软化凝聚、还原，最后融化为熔融金属滴落下来。预计将从一个虚拟高炉内部形成一个模型，电脑将发挥离线模拟器作用。在20世纪80年代，日本钢铁制造商研制出切合实际的高炉二维模型，随着计算机技术提高，他们开发出三维稳态和非稳态模型。此外，作为先进的高PCR操作技术，由气体、固体、液体和电源组成的四相模型，而后渣和液态金属作为两个不同的液相和其他三项组成五相模型被开发，用以分析高炉下部焦粉和未燃煤粉的行为。随着四、五相模型的发展，高炉数学模型的基本框架已大致确定（见图12）。图12 高炉数学模型的发展情况 20世纪80年代初，在这个技术领域，新日铁彬山爱等人研究在二维模型模型基础上改善子模型分析精度的措施，高炉稳态总模型的发展25。更具体的说，使用下面这些新开发的模型做子模型，使运行这个预测模型的功能和精度得到加强：松崎等人配料分布控制模型26，烧结还原模型，烧结还原和分解模型，烧结高温性能评价模型和内藤等人开发的软熔带形状确定模型27。而后，归功于20世纪90年代末，个人电脑能力的迅速增强，现在可以在个人电脑上利用N-BRIGHT模型分析高炉过程，将分析结果显示成图像（见图13）。煤粉燃烧模型，非稳态高炉下部模型和炉内液态金属流动模型被开发用以分析其他炉内的现象，以及最近正利用离散元模型开发的2D、3D配料分布模型（见图14）。图13 在个人电脑上图形显示示例图14 高炉的仿真模型分析 随着计算机处理能力的进步，普遍用网络作为高炉的监测仪器，它使处理大量数据变为可能。目前，N-BRIGHT用于君津3号和4号高炉的在线分析，除了上述的仿真模型，新日铁开发了一套称为Venus的运行评价可视化系统，根据来自传感器的信息，了解高炉内部的现象；这个系统是为高炉日常操作控制准备的。2.4 延长高炉和焦炉使用寿命的技术发展2.4.1 延长高炉寿命的措施 各种技术被开发用以延长高炉使用寿命，减少大修的巨额花费和减少大修期间的产量下降。因此，在高炉一代寿命中每立方米生铁产量增至11100t。延长一代高炉寿命必须条件是：（1）在建造时合理的高炉设计。（2）运行期间严格的操作控制。（3）在一代高炉运行后期采取修补措施。图15 显示日本大型高炉寿命变化和损毁原因，大多数情况下，不包括预定的损毁，高炉由于炉膛和底部的原因被损毁。图15高炉损毁原因和国内高炉炉龄长短变化 从1986起到下一期的10年间损毁原因的比较，显示高炉损毁的数量在于炉腹损伤减少的程度和炉壁磨损加剧程度28。 在炉喉、炉身、炉底决定了高炉运行的寿命，炉壁形式，炉身上部带有可拆卸的内面部分采用水冷式板块，炉腰和从炉底到炉腹的冷却板能力得到增强，强化这部分的耐火材料以提高耐用性。第四代冷却壁和铜冷却壁被使用，使炉体热负荷高的部分等到加强。 20世纪90年代开始，炉壁的耐蚀性成为高炉运行寿命的重要因素。因此碳砖的导热系数得到提高，他们的孔隙做得更小防止铁水渗透，引入制冷设备降低冷却水温度，铜冷却壁开始被用于炉底壁。所有这些措施都大大地促进了延长高炉运行寿命。2.4.2 延长焦炉工作寿命 日本许多焦炉建于经济快速增长的20世纪70年代。现在，日本所有焦炉的平均炉龄是33年，有些事超过40年（见图16）。假设一座焦炉的用用寿命是40年，图17显示了该条件下日本焦炭产能前景。图表显示，对急需紧缺的焦炭采取一些必要措施将很快进行。考虑到老龄化的焦炭炉和建设新炉的巨大成本，开发各种技术，延长焦炉使用寿命，争取使其寿命达到50年。图16 日本焦炉炉龄图17 现有焦炉生产能力 在这个方面，新日铁弄清了碳化室墙的碳沉淀原理，采取措施防止沉淀，研发诊断碳化室墙和维护他们的设备。2.5 资源循环利用和节能技术 为构建循环型社会，实现钢铁厂零排放，日本钢铁行业积极推动：（1）节约能源防止全球变暖的加剧。（2）废物回收（回收钢铁，接近100%地利用钢铁冶炼过程产生的粉尘、渣和废钢，回收外面的废物例如：废塑料、废旧轮胎和家电等）。（3）发展环境友好型的产品和工艺（钢铁产品具有使用寿命长、高功能性和无有害物质的特点，环保设备如废物处理的熔化炉、气化炉等）。2.5.1 炼铁过程资源回收利用 在从2004年4月开始的财政年度，新日铁公司的钢铁厂产生了1760万吨的副产品（不包括废钢），它们是渣(约占70%)、粉尘和污泥。高炉渣主要用作生产水泥的原料、路基材料、混凝土中骨料，其总回收率为100%。 为了回收粉尘和内部污泥，并把它们作为炼锌原料向外出售，新日铁公司于2000年在君津和广畑厂个键一座转底炉(RHF)29，这在世界高炉制造商中尚属首次。含铁和碳的粉尘和污泥被做成颗粒或煤球，在RHF炉中通过加热除去锌，剩下的金属铁作为原料加入高炉或电弧炉。日本的高炉经营者也在积极的利用他们的炼铁设备回收外面的塑料。JFE和神户制铁向高炉中喷吹塑料，与此同时，新日铁开发出利用焦化炉废将旧塑料分解为化工原料的方法30。2000年，在名古屋和君津厂该回收设备开始运营，2002年在八幡和室兰厂投入运营，2004年在大分厂投入运营，总处理能力已增至每年超过20万吨（见图18）。图18 日本回收废塑料的炼铁厂和回收处理量图19 包括资源回收的炼铁系统 除了上述的以外，新日铁研发并商业化运营一个能处理各种废物的直接熔炼系统（可燃，不可燃，笨重，可循环再造废物，污泥，焚烧残渣和挖掘废物），总计超过20条日本经营单位的参考意见，利用这个系统处理破碎机粉尘31 ，并且正在研发一座多功能熔炼炉综合处理废钢和粉尘32。在炼铁领域，该公司已开发和正在开发的过程技术如图19所示。2.5.2 节能技术的挑战 图20显示自1990年以来日本的能源消耗趋势。1990年后，在每年1亿吨粗钢产量前提下，业界致力减少能源消耗11.5%（包括通过回收塑料减少的1.5%等）。2004年1月22日，在自然资源和能源咨询委员会的经济、贸易和工业部长咨询小组会议上，新日铁总裁和日本钢铁联盟主席三村昭雄先生发表了题为“2030年能源展望”的报告，阐述工业节能技术（见图21）。根据路线图中提出的要求，新日铁炼铁组织正在积极推动节能技术更广泛的商业应用，以提高废塑料和粉尘的回收量（整个钢铁行业的目标是每年100万吨，新日铁承担30万吨），降低高炉的RAR。图20 1990年以来日本钢铁业能源消耗趋势和2010年目标图21努力实现节能（能源战略路线图） 1999年至2004年，在日本政府的主持下，由北海道大学教授十井光先生领导了一个涉及钢铁业和大学的被称为“旨在减少一半能源消耗和减少环境负荷的创新高炉冶炼反应研究”的联合研究项目。在该项目框架内，新日铁是该小组的审查组成成员并设计具有优秀的还原熔融特性的高强矿石结块。因此，通过对煤矸石优化组合和凝聚孔隙结构的研究，该公司（1）研究出凝聚能力迅速降低，低温滴落和充分利用的矿石结构。（2）实验生产了非喷吹品种，含碳矿石结块（3）表明，使用该矿石结块可以降低高炉热储备区的温度大约200（从1000到820）（见图22）21，而且这种矿石结块商业使用后有望减少CO2排放。作为日本钢铁业的一个重要战略课题，该矿石结块需要进一步研究利用。 另一方面，作为研究开发的结果，另一个国家级项目，在名古屋建造的50t/d新一代炼焦炉（SCOPE21见图2333）到2004年已有10年。利用该工厂实验证实了以下技术的可行性：（a）生产率是传统焦炉的2.4倍。（b）非和软焦煤混合比例增加。（c）减少环境负荷（NOX排放减少30%（低于10ppm）。（d）能源消耗降低21%。根据研究结果，公司已经决定在大分厂建设一座SCOPE21商业炉。该工厂启用时预计将带来显著的节能效果。 2.6 下一代炼铁技术的发展 图24展示了基于可以想像的包括那些至今没有商业化应用的技术，提出的未来的高炉大纲34。图24 下一代低RAR高炉操作愿景 在这样一个未来的高炉过程，焦炭继续发挥热传导和减少气体产生的作用，同时它也将发挥作为气体和液体渗透的介质（要求较高的强度）的作用以及通过控制热储备区温度提高炉内反应效率（需要较高的活度）。铁矿资源、高强度、高孔隙度、高还原性烧结矿、含碳矿石结矿、预还原铁矿石35和废钢将有效地提高高炉生产率和降低高炉RAR。其他对目标有效的下一