冶金博覽會會議報告-21世紀(jì)鋼鐵工業(yè)煉鐵工藝技術(shù)進(jìn)步的趨向

21世紀(jì)鋼鐵工業(yè)煉鐵工藝技術(shù)進(jìn)步的趨向張壽榮2011年9月上海10/17/20231內(nèi)容：1．20世紀(jì)鋼鐵工業(yè)的簡明回顧2．關(guān)于鋼鐵冶金的工藝流程3．20世紀(jì)21世紀(jì)之交的鋼鐵工藝流程的探索4．簡單的概括10/17/202321．20世紀(jì)鋼鐵工業(yè)的簡明回顧10/17/20233圖120世紀(jì)以來（1900-2010）世界鋼產(chǎn)量與中國鋼產(chǎn)量的演變一次大戰(zhàn)二次大戰(zhàn)氧氣轉(zhuǎn)爐與連鑄技術(shù)出現(xiàn)一次石油危機(jī)二次石油危機(jī)薄板坯連鑄技術(shù)出現(xiàn)10/17/202341.1鋼鐵工業(yè)發(fā)展的拉動力，推動力和限制力實(shí)踐證明：鋼鐵是目前和今后相當(dāng)一段時間內(nèi)人類社會所使用的重要材料；鋼鐵是國家工業(yè)化的支撐。一個國家要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化必須要跨過鋼鐵工業(yè)的門檻；1900年以來鋼鐵工業(yè)經(jīng)歷了兩個高速增長期，這兩個增長期均與人類社會的工業(yè)化密切相關(guān)；人類社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對鋼鐵的需求的增長是鋼鐵工業(yè)的拉動力；技術(shù)進(jìn)步是鋼鐵工業(yè)發(fā)展的推動力，而地球資源、能源、環(huán)境的約束則是鋼鐵工業(yè)發(fā)展的限制力。10/17/20235限制力（資源、能源、環(huán)境）永遠(yuǎn)存在鋼鐵工業(yè)推動力（技術(shù)進(jìn)步）持續(xù)存在

發(fā)展拉動力（經(jīng)濟(jì)增長）時有時無

圖2鋼鐵工業(yè)發(fā)展的拉動力，推動力和限制力10/17/20236圖320世紀(jì)以來（1900～2010年）世界人均產(chǎn)鋼量的演變

10/17/20237圖320世紀(jì)以來（1900～20010年）世界人均產(chǎn)鋼量的演變

1.221世紀(jì)鋼鐵工業(yè)將繼續(xù)發(fā)展10/17/2023820世紀(jì)世界人口高速增長。由于工業(yè)化的拉動力，鋼產(chǎn)量增長的速度遠(yuǎn)大于人口增長的速度。世界鋼鐵工業(yè)第二個高速增長主要是由中國等發(fā)展中國家工業(yè)化拉動的。這個高速增長期預(yù)計將在2015年前后結(jié)束，并進(jìn)入穩(wěn)定期。如果目前的發(fā)展中國家或地區(qū)中有的進(jìn)入工業(yè)化階段，世界鋼鐵工業(yè)將出現(xiàn)新的增長期。目前全球已實(shí)現(xiàn)和正在進(jìn)行工業(yè)化國家的人口不足30億，其余30億以上的人口陸續(xù)進(jìn)入工業(yè)化階段將是不可阻擋的潮流，世界鋼鐵工業(yè)繼續(xù)發(fā)展是必然趨勢。10/17/202391950年2000年2006年第一次高速增長期第二次高速增長期第一種可能性第二種可能性年份世界鋼年產(chǎn)量億噸圖4世界鋼鐵產(chǎn)量發(fā)展趨向預(yù)期10/17/202310

按目前的發(fā)展方式，在世界實(shí)現(xiàn)工業(yè)化過程鋼鐵工業(yè)將以較快速度增加。預(yù)計在2030年以前將大大超過20億噸/年，對地球資源和環(huán)境將是難以支撐和承受的負(fù)擔(dān)。如果能開發(fā)出一種新的增長方式（新型工業(yè)化道路），則有可能出現(xiàn)第二種可能性，用較低人均鋼產(chǎn)量支撐工業(yè)化進(jìn)程。世界鋼產(chǎn)量增加的趨勢是必然的，但走新路的可能性是存在的。10/17/2023111.321世紀(jì)鋼鐵工業(yè)面臨的挑戰(zhàn)鋼鐵工業(yè)的發(fā)展史，從技術(shù)層面上講就是鋼鐵冶金工藝流程的創(chuàng)新史。鋼鐵工業(yè)具有兩重性：一方面是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的支柱，另一方面鋼鐵工業(yè)具有“兩高一資”的特性，是人類社會發(fā)展的負(fù)擔(dān)。21世紀(jì)鋼鐵工業(yè)面臨的挑戰(zhàn)是如何在克服“兩高一資”的前提下，使鋼鐵工業(yè)支撐人類社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，最根本的是依靠技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新。10/17/2023122．關(guān)于鋼鐵冶金的工藝流程10/17/2023132.1鋼鐵工藝的基礎(chǔ)鋼鐵工藝的本質(zhì)是從地球地殼的鐵的化合物中提取鐵元素并制成人類社會使用的鐵基的合金材料。從理論觀點(diǎn)講，鋼鐵冶金屬于Fe-C-O的高溫物理化學(xué)。鋼的生產(chǎn)路線的本質(zhì)是Fe的氧化物脫氧并使Fe轉(zhuǎn)化為Fe-C合金的過程。10/17/202314圖5鋼的生產(chǎn)路線10/17/202315

從圖5可見，從鐵礦石直接轉(zhuǎn)化為鋼的路是走不通的。從鐵礦石直接轉(zhuǎn)化為鋼，目前實(shí)際上有兩條路。一條是將鐵礦石轉(zhuǎn)化為直接還原鐵，通過電爐熔煉為鋼，另一條則是將礦石在高爐內(nèi)煉成鐵水，送轉(zhuǎn)爐（或電爐）冶煉成鋼。2010年全球鋼產(chǎn)量中，70%以上的鋼是從鐵礦石中的鐵生產(chǎn)出來的。30%的鋼是利用回收廢鋼生產(chǎn)的。用鐵礦石生產(chǎn)鋼，資源、能源消耗比廢鋼生產(chǎn)路線高很多，排放量也大，是“兩高一資”的源頭。多年來科技工作者試圖從煉鐵工藝方面尋求出路。

10/17/202316有沒有更好的工藝流程可以取代現(xiàn)有的流程？如何改進(jìn)現(xiàn)有的工藝流程，減少資源消耗，降低污染排放，減輕對化石資源的依賴？以下就世紀(jì)之交的鋼鐵新工藝流程的探索予以討論。10/17/2023173．20世紀(jì)21世紀(jì)之交的鋼鐵

新工藝流程的探索10/17/202318圖6世界直接還原鐵產(chǎn)量（1970～2010包括DRI/HBI）圖63.1鐵礦石直接還原10/17/202319

2008年世界金融危機(jī)后和世界鋼產(chǎn)量一樣，直接還原鐵產(chǎn)量下降（2008年為6850萬噸）。2010年超過7000萬噸為歷史最高。這次增長的特點(diǎn)是具有天然氣資源的國家得到發(fā)展。如果有油氣資源，直接還原比高爐煉鐵能耗低，排放少。10/17/202320

鐵礦石直接還原工藝可分為氣基與煤基兩大類。世界鋼協(xié)對2008年世界6850萬噸直接還原鐵進(jìn)行統(tǒng)計：氣基產(chǎn)量占5090萬噸，為74.3%（其中：Midrex3980萬噸，Hyl990萬噸，其他110萬噸），煤基產(chǎn)量1760萬噸，占25.7%。從2010年情況看，氣基似乎增長更快。10/17/202321表12010年世界各國直接還原鐵產(chǎn)量（萬噸）國家產(chǎn)量國家產(chǎn)量國家產(chǎn)量印度2342特立尼達(dá)和多巴哥308阿聯(lián)酋118伊朗935埃及286南非112墨西哥537馬來西亞239加拿大60沙特479卡塔爾216德國45俄羅斯479印度尼西亞136秘魯10委內(nèi)瑞拉379利比亞12710/17/2023223.1.1氣基鐵礦石直接還原工藝氣基鐵礦石直接還原工藝中，最早的，應(yīng)用最廣的仍是Midrex。氣基鐵礦石直接還原工藝中，份額次于Midrex的是Hyl。Hyl是墨西哥Hylsa開發(fā)的，經(jīng)過HylⅠ，HylⅡ，HylⅢ，Hyl-ZR（ZeroReformer）。2006年，Hylsa的母公司Techit宣布和Danieli公司合作，將Hyl-ZR工藝改為“Energiron”，并在阿聯(lián)酋建設(shè)“Energiron”工藝的鐵礦石直接還原工廠。該廠設(shè)計年產(chǎn)直接還原鐵160萬噸，是近年來建成并投產(chǎn)的規(guī)模最大，現(xiàn)代化水平最高的氣基還原鐵工廠。其流程見圖7。10/17/202323

圖7Hyl-ZeroReformer(ZR)直接還原流程

PartialOxidationandReformingReactions2H2+O2>2H2O

2CH4+O2>2CO+4H2CH4+H2O>CO+3H2OCO+H2O>CO2+H2ReductionandCarburizationReactionsFe2O3+3H2>2Fe+3H2OFe2O3+3CO>2Fe+3CO23Fe+CH4>Fe3C+2H210/17/202324今年6月，參加歐洲煉鐵煉焦大會期間，部分同志參觀過阿布扎比的“Energiron”工廠。Midrex流程中產(chǎn)量最大的廠在墨西哥Megsmod，年產(chǎn)176萬噸。氣基流還有FINMET，采用流態(tài)化床，在委內(nèi)瑞拉建有生產(chǎn)廠，生產(chǎn)HBI。10/17/2023253.1.2煤基鐵礦石直接還原工藝3.1.2.1回轉(zhuǎn)窯流程與氣基直接還原工藝比，煤基直接還原工藝單體產(chǎn)能低，單位能耗高，DRI品位低。煤基直接還原使用回轉(zhuǎn)窯者多，使用非結(jié)焦性煤，煤的灰份熔點(diǎn)必須低于鐵礦石的還原溫度100℃以上，否則就會結(jié)圈。煤基直接還原鐵產(chǎn)量高的是印度，以回轉(zhuǎn)窯為主?；剞D(zhuǎn)窯流程中以SL/RN流程最多。

10/17/202326圖8SL/RN流程

10/17/2023273.1.2.2轉(zhuǎn)底爐轉(zhuǎn)底爐出現(xiàn)在美國，用于處理鋼鐵廠的含鐵廢棄物，并使用鐵礦粉和煤粉，日本新日鐵和神戶使用轉(zhuǎn)底爐，。用含鐵廢棄物生產(chǎn)金屬化球團(tuán)并回收廢棄物中的鋅。轉(zhuǎn)底爐在國內(nèi)國外均有發(fā)展。10/17/202328圖9轉(zhuǎn)底爐流程

10/17/202329

神戶制鋼以轉(zhuǎn)底爐工藝為基礎(chǔ)，開發(fā)出稱之為“ITmk3”的直接還原鐵工藝，生產(chǎn)出一種稱為Ironnuggets（鐵塊中Fe97%、C2%，比重4.4g/cm3）的產(chǎn)品，用于電爐煉鋼。10/17/202330圖10ITmk3工藝流程10/17/202331圖11ITmk3的產(chǎn)品Ironnuggets10/17/202332

ITmk3第一座商業(yè)化MisabiNuggetproject是神戶制鋼與美國動力鋼公司的合資廠，產(chǎn)生產(chǎn)能力50萬噸。靠近MisabiIronRange,2007年6月開始建設(shè)，2010年元月投產(chǎn)。根據(jù)報道ITmk3的CO2排放低于高爐流程。10/17/202333表2ITmk3與高爐工藝CO2排放的比較10/17/2023343.1.3鐵礦石直接還原的發(fā)展趨向由于資源條件的限制，直接還原鐵的產(chǎn)量在世界鐵產(chǎn)量中所占的比例不高。但在一定條件下，直接還原流程在經(jīng)濟(jì)上是有利的。進(jìn)入21世紀(jì)直接還原鐵的發(fā)展加快。直接還原鐵主要供電爐使用，由于所含雜質(zhì)少，有利于冶煉高級鋼種，但電耗比用廢鋼要高。10/17/2023353.2鐵礦石熔融還原開發(fā)鐵礦在熔融還原工藝的主要目標(biāo)是擺脫高爐流程對煉焦煤（焦炭）的依賴。尋求生產(chǎn)液態(tài)鐵水的工藝流程。到目前為止，已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的只有COREX和FINEX兩種流程。10/17/202336表3世界COREX裝置現(xiàn)狀

工廠裝置型式數(shù)量公稱生產(chǎn)能力萬噸/年使用原料投產(chǎn)日期產(chǎn)出煤氣利用現(xiàn)狀韓國浦項(xiàng)公司C-2000160塊礦，球團(tuán)1992年發(fā)電，鋼廠已改造為FINEX印度JLNDAL西南鋼廠C-2000280×2塊礦，球團(tuán)1997年2001年發(fā)電，鋼廠，球團(tuán)廠在生產(chǎn)中南非，Mittalsteel(原Saldanha)C-2000165塊礦，球團(tuán)1999年DR/Midrex工廠，鋼廠在生產(chǎn)中中國，寶鋼C-30002150×2塊礦，球團(tuán)2007年投產(chǎn)一座發(fā)電，鋼廠一座尚在建設(shè)中印度，Essar鋼廠2-2000280×2球團(tuán)礦系由韓國韓寶公司遷來鋼廠已建成后遷來，未投產(chǎn)10/17/202337圖13COREX流程10/17/202338

估計今后不會再有新的COREX裝置出現(xiàn)。今年6月在歐洲煉鐵煉焦大會上AllSiemensVAI的ChristianB?hm對COREX流程結(jié)論性意見是：

Byfulfillingtheregulations,utilizationoflow-cost/highavailablerawmaterials,overallfuelsavingsevenfortheblastfurnaceandtheimpressiveecologicaladvantages,thesenewprocessesonceagainapprovethemselvesasalternatestotheblastfurnaceand/orareasonableexpansion/substitutionofexistingproductionroute。10/17/2023393.2.2FINEX流程

FINEX實(shí)際上是在POSCO1992年投產(chǎn)的COREXC-2000的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。10/17/202340圖14高爐、COREX到FINEX流程的演變10/17/202341圖15FINEX工藝主要技術(shù)改進(jìn)10/17/202342圖16FINEX擴(kuò)大規(guī)模過程10/17/202343表41.5-mtpyFINEX操作實(shí)績10/17/2023443.2.3熔融還原發(fā)展趨向熔融還原流程的目標(biāo)之一是不用焦炭生產(chǎn)鐵水，代替高爐煉鐵。不用焦炭生產(chǎn)出鐵水目前在技術(shù)上可以做到或部分做到，但在工業(yè)化上還不可能完全取代高爐。當(dāng)前，已商業(yè)化的COREX和FINEX，在環(huán)境排放方面均優(yōu)于高爐煉鐵。COREX只能在特定條件下采用，HIsmelt目前尚未達(dá)到商業(yè)化的條件，F(xiàn)INEX具備了取代1800m3及以下高爐的條件，兩者均未達(dá)到完全取代高爐煉鐵的程度。開發(fā)熔融還原工藝的目標(biāo)是不用焦炭，COREX和FINEX都未完全做到。熔融還原工藝開發(fā)之初CO2排放還未被提到議事日程上。所有已開發(fā)的熔融還原流程的CO2排放都比高爐煉鐵高。熔融還原工藝今后研究方向如何走，有待進(jìn)一步研究。10/17/2023453.3煉焦工藝技術(shù)進(jìn)步3.3.1現(xiàn)有煉焦工藝的改進(jìn)型煤煉焦工藝（FormedCokeProcess）配煤調(diào)濕技術(shù)（CoalMoistureControl）粉煤干燥預(yù)成塊技術(shù)DAPS（Dry-CleanedandAgglomeratedPrecompactionSystem）干熄焦技術(shù)（CokeDryQuenching）巨型單室焦?fàn)t（JumboSingleChamberSystem）無回收焦?fàn)t（NonRecoveryCokeOven）焦?fàn)t大型化,炭化室高度增高到7m以上。10/17/2023463.3.2Scope21煉焦新工藝的開發(fā)

該工藝是日本政府部門與鋼鐵企業(yè)聯(lián)合開發(fā)的。全稱為“SuperCokeOvenProductivityandEnvironmentalEnhancementtowardthe21thcentury”。10/17/202347Increasingtheratioofpoor-cokingcoalfrom20%to50%.2.Higherproductivityforreducingtheconstructioncosts.3.ReducingNOxby30%andnosmoke/nodustoperation.4.Energysavingby20%forreducingCO2圖17Scope21的目標(biāo)10/17/202348‘94‘95‘96‘97‘98‘99‘00‘01‘02‘03PilotplanttestBenchscaletestBasicresearchTestoperation圖18Scope21開發(fā)進(jìn)程10/17/202349圖19Scopr21工藝流程

g10/17/202350

依據(jù)SCOPE21的開發(fā)成果，新日鐵2006年4月在大分廠建設(shè)5號焦?fàn)t，2008年5月投產(chǎn)。5焦?fàn)t碳化室64孔，每孔爐高6.7米×寬0.45米×長16.6米，有效容積43.7立方米。設(shè)計年產(chǎn)焦炭100萬噸。10/17/202351表5大分5焦?fàn)t運(yùn)行情況與SCOPE21開發(fā)目標(biāo)的對比10/17/202352

大分5號焦?fàn)t是根據(jù)SCOPE21的原理設(shè)計的。在運(yùn)行后，做了許多改進(jìn)。新日鐵認(rèn)為還要改進(jìn)，以求完善。5號焦?fàn)t投資370億日元，比常規(guī)焦?fàn)t高，目前沒有建第二座的打算。10/17/2023533.4降低CO2排放的ULCOS方案

2004年在歐盟支持下，48家鋼鐵企業(yè)組成的共同體啟動了ULCOSprogram。ULCOS代表的是UltraLowCO2steelmaking(超低CO2煉鋼)，此項(xiàng)目第一期工作已結(jié)束，第二期中在瑞典的LKAB的試驗(yàn)高爐上進(jìn)行的TGRBF(TopGasRecycledBlastFurnace)項(xiàng)目已完成。TGRBF的實(shí)驗(yàn)流程見圖20，圖21.10/17/202354圖20TGRBF流程的三種模式10/17/202355圖21LKAB的ULCOS實(shí)驗(yàn)高爐10/17/202356圖22試驗(yàn)高爐試驗(yàn)進(jìn)程

10/17/202357圖23試驗(yàn)結(jié)果1

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圖24試驗(yàn)結(jié)果2

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