世纪钢铁工业炼铁工艺技术进步的趋向

2023/9/11内容：1．20世纪钢铁工业的简明回顾2．关于钢铁冶金的工艺流程3．20世纪21世纪之交的钢铁工艺流程的探索4．简单的概括2023/9/121．20世纪钢铁工业的简明回顾2023/9/13图120世纪以来（1900-2010）世界钢产量与中国钢产量的演变一次大战二次大战氧气转炉与连铸技术出现一次石油危机二次石油危机薄板坯连铸技术出现2023/9/141.1钢铁工业发展的拉动力，推动力和限制力实践证明：钢铁是目前和今后相当一段时间内人类社会所使用的重要材料；钢铁是国家工业化的支撑。一个国家要实现工业化必须要跨过钢铁工业的门槛；1900年以来钢铁工业经历了两个高速增长期，这两个增长期均与人类社会的工业化密切相关；人类社会经济发展对钢铁的需求的增长是钢铁工业的拉动力；技术进步是钢铁工业发展的推动力，而地球资源、能源、环境的约束则是钢铁工业发展的限制力。2023/9/15限制力（资源、能源、环境）永远存在钢铁工业推动力（技术进步）持续存在

发展拉动力（经济增长）时有时无

图2钢铁工业发展的拉动力，推动力和限制力2023/9/16图320世纪以来（1900～2010年）世界人均产钢量的演变

2023/9/17图320世纪以来（1900～20010年）世界人均产钢量的演变

1.221世纪钢铁工业将继续发展2023/9/1820世纪世界人口高速增长。由于工业化的拉动力，钢产量增长的速度远大于人口增长的速度。世界钢铁工业第二个高速增长主要是由中国等发展中国家工业化拉动的。这个高速增长期预计将在2015年前后结束，并进入稳定期。如果目前的发展中国家或地区中有的进入工业化阶段，世界钢铁工业将出现新的增长期。目前全球已实现和正在进行工业化国家的人口不足30亿，其余30亿以上的人口陆续进入工业化阶段将是不可阻挡的潮流，世界钢铁工业继续发展是必然趋势。2023/9/191950年2000年2006年第一次高速增长期第二次高速增长期第一种可能性第二种可能性年份世界钢年产量亿吨图4世界钢铁产量发展趋向预期2023/9/110

按目前的发展方式，在世界实现工业化过程钢铁工业将以较快速度增加。预计在2030年以前将大大超过20亿吨/年，对地球资源和环境将是难以支撑和承受的负担。如果能开发出一种新的增长方式（新型工业化道路），则有可能出现第二种可能性，用较低人均钢产量支撑工业化进程。世界钢产量增加的趋势是必然的，但走新路的可能性是存在的。2023/9/1111.321世纪钢铁工业面临的挑战钢铁工业的发展史，从技术层面上讲就是钢铁冶金工艺流程的创新史。钢铁工业具有两重性：一方面是经济社会发展的支柱，另一方面钢铁工业具有“两高一资”的特性，是人类社会发展的负担。21世纪钢铁工业面临的挑战是如何在克服“两高一资”的前提下，使钢铁工业支撑人类社会经济发展，最根本的是依靠技术进步和创新。2023/9/1122．关于钢铁冶金的工艺流程2023/9/1132.1钢铁工艺的基础钢铁工艺的本质是从地球地壳的铁的化合物中提取铁元素并制成人类社会使用的铁基的合金材料。从理论观点讲，钢铁冶金属于Fe-C-O的高温物理化学。钢的生产路线的本质是Fe的氧化物脱氧并使Fe转化为Fe-C合金的过程。2023/9/114图5钢的生产路线2023/9/115

从图5可见，从铁矿石直接转化为钢的路是走不通的。从铁矿石直接转化为钢，目前实际上有两条路。一条是将铁矿石转化为直接还原铁，通过电炉熔炼为钢，另一条则是将矿石在高炉内炼成铁水，送转炉（或电炉）冶炼成钢。2010年全球钢产量中，70%以上的钢是从铁矿石中的铁生产出来的。30%的钢是利用回收废钢生产的。用铁矿石生产钢，资源、能源消耗比废钢生产路线高很多，排放量也大，是“两高一资”的源头。多年来科技工作者试图从炼铁工艺方面寻求出路。

2023/9/116有没有更好的工艺流程可以取代现有的流程？如何改进现有的工艺流程，减少资源消耗，降低污染排放，减轻对化石资源的依赖？以下就世纪之交的钢铁新工艺流程的探索予以讨论。2023/9/1173．20世纪21世纪之交的钢铁

新工艺流程的探索2023/9/118图6世界直接还原铁产量（1970～2010包括DRI/HBI）图63.1铁矿石直接还原2023/9/119

2008年世界金融危机后和世界钢产量一样，直接还原铁产量下降（2008年为6850万吨）。2010年超过7000万吨为历史最高。这次增长的特点是具有天然气资源的国家得到发展。如果有油气资源，直接还原比高炉炼铁能耗低，排放少。2023/9/120

铁矿石直接还原工艺可分为气基与煤基两大类。世界钢协对2008年世界6850万吨直接还原铁进行统计：气基产量占5090万吨，为74.3%（其中：Midrex3980万吨，Hyl990万吨，其他110万吨），煤基产量1760万吨，占25.7%。从2010年情况看，气基似乎增长更快。2023/9/121表12010年世界各国直接还原铁产量（万吨）国家产量国家产量国家产量印度2342特立尼达和多巴哥308阿联酋118伊朗935埃及286南非112墨西哥537马来西亚239加拿大60沙特479卡塔尔216德国45俄罗斯479印度尼西亚136秘鲁10委内瑞拉379利比亚1272023/9/1223.1.1气基铁矿石直接还原工艺气基铁矿石直接还原工艺中，最早的，应用最广的仍是Midrex。气基铁矿石直接还原工艺中，份额次于Midrex的是Hyl。Hyl是墨西哥Hylsa开发的，经过HylⅠ，HylⅡ，HylⅢ，Hyl-ZR（ZeroReformer）。2006年，Hylsa的母公司Techit宣布和Danieli公司合作，将Hyl-ZR工艺改为“Energiron”

，并在阿联酋建设“Energiron”

工艺的铁矿石直接还原工厂。该厂设计年产直接还原铁160万吨，是近年来建成并投产的规模最大，现代化水平最高的气基还原铁工厂。其流程见图7

。2023/9/123

图7Hyl-ZeroReformer(ZR)直接还原流程

PartialOxidationandReformingReactions2H2+O2>2H2O

2CH4+O2>2CO+4H2CH4+H2O>CO+3H2O

CO+H2O>CO2+H2ReductionandCarburizationReactionsFe2O3+3H2>2Fe+3H2OFe2O3+3CO>2Fe+3CO23Fe+CH4>Fe3C+2H22023/9/124

今年6月，参加欧洲炼铁炼焦大会期间，部分同志参观过阿布扎比的“Energiron”

工厂。Midrex流程中产量最大的厂在墨西哥Megsmod，年产176万吨。气基流还有FINMET，采用流态化床，在委内瑞拉建有生产厂，生产HBI。2023/9/1253.1.2煤基铁矿石直接还原工艺

3.1.2.1回转窑流程与气基直接还原工艺比，煤基直接还原工艺单体产能低，单位能耗高，DRI品位低。煤基直接还原使用回转窑者多，使用非结焦性煤，煤的灰份熔点必须低于铁矿石的还原温度100℃以上，否则就会结圈。煤基直接还原铁产量高的是印度，以回转窑为主。回转窑流程中以SL/RN流程最多。

2023/9/126图8SL/RN流程

2023/9/1273.1.2.2转底炉转底炉出现在美国，用于处理钢铁厂的含铁废弃物，并使用铁矿粉和煤粉，日本新日铁和神户使用转底炉，。用含铁废弃物生产金属化球团并回收废弃物中的锌。转底炉在国内国外均有发展。2023/9/128

图9转底炉流程

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神户制钢以转底炉工艺为基础，开发出称之为“ITmk3”的直接还原铁工艺，生产出一种称为Ironnuggets（铁块中Fe97%、C2%，比重4.4g/cm3）的产品，用于电炉炼钢。2023/9/130图10ITmk3工艺流程2023/9/131图11ITmk3的产品Ironnuggets2023/9/132

ITmk3第一座商业化MisabiNuggetproject是神户制钢与美国动力钢公司的合资厂，产生产能力50万吨。靠近MisabiIronRange,2007年6月开始建设，2010年元月投产。根据报道ITmk3的CO2排放低于高炉流程。2023/9/133表2ITmk3与高炉工艺CO2排放的比较2023/9/1343.1.3铁矿石直接还原的发展趋向由于资源条件的限制，直接还原铁的产量在世界铁产量中所占的比例不高。但在一定条件下，直接还原流程在经济上是有利的。进入21世纪直接还原铁的发展加快。直接还原铁主要供电炉使用，由于所含杂质少，有利于冶炼高级钢种，但电耗比用废钢要高。2023/9/1353.2铁矿石熔融还原开发铁矿在熔融还原工艺的主要目标是摆脱高炉流程对炼焦煤（焦炭）的依赖。寻求生产液态铁水的工艺流程。到目前为止，已实现工业化的只有COREX和FINEX

两种流程。2023/9/136表3世界COREX装置现状

工厂装置型式数量公称生产能力万吨/年使用原料投产日期产出煤气利用现状韩国浦项公司C-2000160块矿，球团1992年发电，钢厂已改造为FINEX印度JLNDAL西南钢厂C-2000280×2块矿，球团1997年2001年发电，钢厂，球团厂在生产中南非，Mittalsteel(原Saldanha)C-2000165块矿，球团1999年DR/Midrex工厂，钢厂在生产中中国，宝钢C-30002150×2块矿，球团2007年投产一座发电，钢厂一座尚在建设中印度，Essar钢厂2-2000280×2球团矿系由韩国韩宝公司迁来钢厂已建成后迁来，未投产2023/9/137图13COREX流程2023/9/138

估计今后不会再有新的COREX装置出现。今年6月在欧洲炼铁炼焦大会上AllSiemensVAI的ChristianBöhm对COREX流程结论性意见是：

Byfulfillingtheregulations,utilizationoflow-cost/highavailablerawmaterials,overallfuelsavingsevenfortheblastfurnaceandtheimpressiveecologicaladvantages,thesenewprocessesonceagainapprovethemselvesasalternatestotheblastfurnaceand/orareasonableexpansion/substitutionofexistingproductionroute。2023/9/1393.2.2FINEX流程

FINEX实际上是在POSCO1992年投产的COREXC-2000的基础上开发出来的。2023/9/140图14高炉、COREX到FINEX流程的演变2023/9/141图15FINEX工艺主要技术改进2023/9/142图16FINEX扩大规模过程2023/9/143表41.5-mtpyFINEX操作实绩2023/9/1443.2.3熔融还原发展趋向熔融还原流程的目标之一是不用焦炭生产铁水，代替高炉炼铁。不用焦炭生产出铁水目前在技术上可以做到或部分做到，但在工业化上还不可能完全取代高炉。当前，已商业化的COREX和FINEX，在环境排放方面均优于高炉炼铁。COREX只能在特定条件下采用，

HIsmelt目前尚未达到商业化的条件，FINEX具备了取代1800m3及以下高炉的条件，两者均未达到完全取代高炉炼铁的程度。开发熔融还原工艺的目标是不用焦炭，COREX和FINEX都未完全做到。熔融还原工艺开发之初CO2排放还未被提到议事日程上。所有已开发的熔融还原流程的CO2排放都比高炉炼铁高。熔融还原工艺今后研究方向如何走，有待进一步研究。2023/9/1453.3炼焦工艺技术进步

3.3.1现有炼焦工艺的改进型煤炼焦工艺（FormedCokeProcess）配煤调湿技术（CoalMoistureControl）粉煤干燥预成块技术DAPS（Dry-CleanedandAgglomeratedPrecompactionSystem）干熄焦技术（CokeDryQuenching）巨型单室焦炉（JumboSingleChamberSystem）无回收焦炉（NonRecoveryCokeOven）焦炉大型化,炭化室高度增高到7m以上。2023/9/1463.3.2Scope21炼焦新工艺的开发

该工艺是日本政府部门与钢铁企业联合开发的。全称为“SuperCokeOvenProductivityandEnvironmentalEnhancementtowardthe21thcentury”。Increasingtheratioofpoor-cokingcoalfrom20%to50%.2.Higherproductivityforreducingtheconstructioncosts.3.ReducingNOxby30%andnosmoke/nodustoperation.4.Energysavingby20%forreducingCO2图17Scope21的目标‘94‘95‘96‘97‘98‘99‘00‘01‘02‘03PilotplanttestBenchscaletestBasicresearchTestoperation图18Scope21开发进程2023/9/149图19Scopr21工艺流程

g2023/9/150

依据SCOPE21的开发成果，新日铁2006年4月在大分厂建设5号焦炉，2008年5月投产。5焦炉碳化室64孔，每孔炉高6.7米×宽0.45米×长16.6米，有效容积43.7立方米。设计年产焦炭100万吨。2023/9/151表5大分5焦炉运行情况与SCOPE21开发目标的对比2023/9/152

大分5号焦炉是根据SCOPE21的原理设计的。在运行后，做了许多改进。新日铁认为还要改进，以求完善。5号焦炉投资370亿日元，比常规焦炉高，目前没有建第二座的打算。2023/9/1533.4降低CO2排放的ULCOS方案

2004年在欧盟支持下，48家钢铁企业组成的共同体启动了ULCOSprogram。ULCOS代表的是UltraLowCO2steelmaking(超低CO2炼钢)，此项目第一期工作已结束，第二期中在瑞典的LKAB的试验高炉上进行的TGRBF(TopGasRecycledBlastFurnace)项目已完成。TGRBF的实验流程见图20，图21.2023/9/154图20TGRBF流程的三种模式2023/9/155图21LKAB的ULCOS实验高炉2023/9/156

图22试验高炉试验进程

2023/9/157图23试验结果1

2023/9/158

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