北美煉鐵發(fā)展綜述

1、. word.zl北美煉鐵開展綜述當前，世界經(jīng)濟衰退已嚴重影響到北美的煉鐵工業(yè)，其主要表現(xiàn)是鋼鐵廠的短期和長期關(guān)閉、合并與重組，且有不斷擴大的趨勢。縱觀鋼鐵工業(yè)開展史可以發(fā)現(xiàn)，高爐煉快的長期戰(zhàn)略應(yīng)當是提高高爐利用系數(shù)、降低復原劑比，在不斷提高高爐爐齡的同時，密切關(guān)注原材料供需動態(tài)。與此同時，傳統(tǒng)的高爐路線受到挑戰(zhàn)，電爐的作用越來越大。為此，本篇重點介紹了墨西哥、美國和加拿大高爐煉鐵的整體狀況，并簡單闡述了北美高爐煉鐵替代工藝的開展。1高爐煉鐵1.1 金融危機對鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)的影響2021年爆發(fā)的金融危機一直嚴重地影響著鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)。值得慶幸的是近期的金融體系重建正在產(chǎn)生積極的推動作用。過去20多

2、年，北美煉鐵工業(yè)發(fā)生了驚人的變化，G 襠全公楣1993-2021年停產(chǎn)高爐數(shù)目增加。1993年北美19家鋼鐵公司超過半數(shù)的公司有1-2座高爐。但到2021年，統(tǒng)計了7家鋼鐵公司，有3家鋼鐵公司只有1-2座高爐在生產(chǎn)。兩個大的鋼鐵公司即安賽樂米塔爾公司ArcelorMittal和美國鋼鐵公司USSteel生產(chǎn)的快水量占整個25座高爐鐵水生產(chǎn)總量的70%,見圖1。hid下14(10I2CW"|g<W-rHimju-1WOT圖12021年北美7家鋼鐵公司煉鐵情況在企業(yè)競爭更加劇烈時，兼并與重組隨市場供給與廣闊顧客需求的變化而變化。重組前，許多小鋼鐵公司為了留住自己的用戶都在各自降低操

3、作水平，以維持自己公司的全面生產(chǎn)，其結(jié)果必然是操作本錢升高、資金效率降低。然而，在此期間處于相對強勢的用戶具有壓低產(chǎn)品銷售價格的能力。事實上，生產(chǎn)商生產(chǎn)過多的產(chǎn)品，造成市場供大于求，必定導致產(chǎn)品價格的下降。為應(yīng)對金融危機，兼并與重組后的公司很快重新組織生產(chǎn)，減少運行高爐數(shù)目。由于市場需求降低而關(guān)閉了21家鋼鐵廠的7家，使2021年北美的鐵水總產(chǎn)量降至最低20世紀30年代經(jīng)濟大蕭條除外。之后的幾個月，因為市場需求增加，鋼廠便一個接一個地開場恢復生產(chǎn)，但生產(chǎn)水平仍低于經(jīng)濟危機前約20%。表1為北美2021年高爐尺寸、加料系統(tǒng)、生產(chǎn)率、鐵質(zhì)原料、噴吹料種類及高爐根本運行情況。表12021年北美高爐根

4、本運行情況公司工廠高爐爐缸直徑，m工作容積，m3加料控制設(shè)備2021年2021年爐料噴吹劑t鐵水/dt/m3wv球團礦燒結(jié)礦鐵礦熔劑型酸性阿爾戈馬鋼公司圣瑪麗廠710.662367PW65572.7010000G加拿大哈密爾頓廠27.301062PW23872.3544501C,G,O女將/人不塔爾36.5096315031.6405802CG48.531595PW39862.5524701C,G,O美國鋼鐵哈密爾頓廠E9.801833PW40281.909307CG公司楠蒂科克L.E.W.110.282418PW51492.1524206GAHMSA蒙克洛46.401034PW32373.1

5、1124587CG奉西哥瓦511.191914PW65263.093700CG安賽樂米塔爾a薩羅-卡德納斯19.001649PW42472.5822016C阿什蘭Amanda10.182039MA46622.392008CGAK鋼公司米德爾敦38.931462MA58453.97613011G伯恩斯C11.65246162042.4074233CG美國港D10.89243755632.3075232G克利夫C58.991546MA35282.309307G女賽小木塔爾蘭C68.991598PW26321.709505GO印第安納港廠IH49.981918MA44072.409406GIH58.

6、08134926021.9662743CGIH68.08132321621.7445402GIH713.724163PW100132.489074C維爾迪爾伯恩廠C9.231798PW52592.995302C,G雀點廠L13.493762PW71191.9405118C,G沃倫廠18.531530PW34182.288507G,O美國鋼鐵公司費爾菲爾德89.982326PW52672.33159010C,G加里廠48.801496MA33012.2733159C,G68.531507MA34062.36018110C,G88.53129928902.16216148C,G,T1411.963

7、241MA68712.1770221C,G格a尼特城廠A8.30143527982.048808GB8.301402MA34342.548907G大湖分公司B8.61164537972.392404C,GD8.53150834322.389605C,G蒙瓦利廠18.781598MA34462.26524011C,COG37.69138130962.26524011C,COG注：MA-可調(diào)爐喉保護板；PW-無料鐘爐頂；噴吹劑中，C-煤、G-天然氣、O-油、T-焦油；COG-焦爐煤氣。1.2 高爐構(gòu)造北美高爐的構(gòu)造互不一樣。幾乎80%的高爐于1975年以前建造，40%為1950年前建成。缺乏20%

8、為獨立式設(shè)計，80%為過梁設(shè)計。冷卻系統(tǒng)設(shè)計也各不一樣，55%的爐腹為板式冷卻，35%為立式冷卻壁冷卻，10%為外部冷卻或者為噴霧或者為水套冷卻。80%的爐身為銅板冷卻，只有20%為立式冷卻。盡管多年來進展過升級改造，但冷卻板之間的間隔仍不鞏固，水系統(tǒng)受到限制，即水的質(zhì)量和水的有效冷卻質(zhì)量均受到限制。1.3 天然氣消耗與聯(lián)合噴吹近年來，最重要的研究成果是對天然氣噴吹的重新認識。由于天然氣的價格相對低廉、使用性能優(yōu)良、噴吹設(shè)備簡單、替換比例靈活焦炭：天然氣約為131以及可改善爐子透氣性能等，使高爐具有十分優(yōu)秀的操作性能。所以，幾十年來，天然氣被廣泛用于風口噴吹。最流行的方法是將天然氣作為油的添加

9、劑，有時作為噴煤缺乏的代用品，最后是與煤粉一并噴吹。高爐使用天然氣已到達很高的比例，多數(shù)噴吹天然氣已超過90%。2004-2021年間,因天然氣價格大幅度上漲造成使用量略有減少。但因為絕大多數(shù)高爐沒有經(jīng)濟能力噴吹其他燃料，加之焦炭短缺，所以，北美高爐無一停吹天然氣。兩項重大事件改變了上述情況，第一,2021年金融危機減少了天然氣用量，引發(fā)大然氣價格降低。第二，美國東部發(fā)現(xiàn)了一座巨大的天然氣田，使天然氣產(chǎn)量大幅度增加，引起天然氣價格進一步降低。因為高爐煉鐵廠長期推動增大噴煤操作，當噴煤增大到足夠高導致高爐透氣性降低，使運行受阻時，人們想起了天然氣中的H2有利于改善高爐透氣性而開場了天然氣與煤粉的

10、聯(lián)合噴吹并大獲成功。到2021年底，北美33座運行的高爐中有20座噴吹煤粉，13座高爐采用煤粉與天然氣聯(lián)合噴吹。1.4 高爐噴射水泥砂漿在20世紀80年代到90年代這10年困難時期，高爐煉鐵生產(chǎn)者最關(guān)心的是如何維持現(xiàn)行生產(chǎn)和盡力減少休風時間。其原因有二，一是減少經(jīng)濟損失，二是防止高爐休風更換爐襯期間因無鐵水供給導致用戶流失。延長高爐爐齡既包括工藝改善工藝穩(wěn)定性和提高原材料質(zhì)量，又包括設(shè)備的良好維護性能，如設(shè)備的遠距離維修技術(shù)或臨時維修性能。維修方法包括噴補爐襯、噴射水泥砂漿和冷卻設(shè)備如圓柱型冷卻器。目前，北美高爐已全面使用了噴射水泥砂漿技術(shù)，見圖2。0人回宓車文當隹誓生昌圖2北美高爐重噴襯數(shù)目

11、2000-2021年底，北美運行的33座高爐中有27座采用噴射水泥砂漿的技術(shù)，給高爐重新噴射了外表爐襯總共用耐火材料達20000余t。只有5座高爐采用傳統(tǒng)方法更換新襯。重新給高爐噴補襯技術(shù)的唯一缺點是大約兩年需要高爐停爐一次，可能給爐缸壽命帶來副作用，并削弱重新噴補襯的效果，也就是影響爐齡延長。但值得慶幸的是北美高爐爐缸設(shè)計方法和設(shè)計技術(shù)具有應(yīng)對上述不利影響因素的能力，最終實現(xiàn)了重新噴補高爐襯延長爐子使用壽命的目的。1.5 高爐爐缸設(shè)計爐缸壽命也是決定高爐壽命的關(guān)鍵因素。北美延長高爐爐齡的先進措施有：1.6 泛使用北美UCAR-美國碳化公司小型磚側(cè)墻設(shè)計；1.7 用北美優(yōu)質(zhì)煤制成的優(yōu)質(zhì)焦炭，使

12、爐缸具有保持其自身枯燥的能力；1.8 細選擇和使用鈦鐵礦和金紅石粉噴射。北美高爐爐缸設(shè)計與世界各地普遍使用所謂“大磚塊設(shè)計完全不同。在北美，使用UCAR熱壓磚，這是因為爐缸破壞的主要形式是磨損-化學浸蝕、熱應(yīng)力和腐蝕，而這一切又源自爐缸冶金過程中的高溫。而UCAR設(shè)計使用薄墻、小塊磚和膨脹公差可產(chǎn)生和維持一個能快速傳熱、并降低爐缸溫度的有效熱系統(tǒng)。研究證實，爐缸溫度降低一定溫度時，可凍結(jié)成一穩(wěn)定的渣殼，可防止熱應(yīng)力裂紋和化學浸蝕。這個概念已被全球冶金工作者廣泛承受。在這種概念指導下，設(shè)計成功的兩座高爐已分別于1993年在中國寶鋼和德國薩爾吉茨特正式投入生產(chǎn)，并承受著實際生產(chǎn)檢驗。據(jù)公開出版的資

13、料顯示，兩座高爐至今運行正常。實踐證明，爐缸采用薄墻設(shè)計確實具有很高的導熱性，有利于提高爐缸壽命。圖3示出北美主要鋼鐵公司的爐底壽命。圖3北美鋼鐵公司爐底壽命統(tǒng)計分析北美20座高爐爐缸薄墻設(shè)計壽命指出，爐缸壽命以爐底壽命計算平均已到達和超過15年，至今仍相當完好，無一爐子有更換爐底方案。最長爐缸壽命應(yīng)是AKSteel公司的Amanda爐，壽命已到達42.5年，累計生產(chǎn)鐵水達5200萬t。生產(chǎn)率到達25381t鐵水/m3WV,或等于633427t鐵水/m2H.A。比爐底壽命更重要的是爐缸側(cè)壁壽命。北美高爐爐缸側(cè)墻壽命和爐子耐材維修次數(shù)見圖4。AK阿什蘭爐缸側(cè)壁壽命期，總共生產(chǎn)了3750萬t鐵水，

14、臨時維修7次，平均每兩次維修間的鐵水生產(chǎn)量為536萬t。AHMSA公司5號高爐爐缸側(cè)壁壽命期，總計生產(chǎn)鐵水3250萬t,但臨時維修僅有1次，是生產(chǎn)量最高，維修次數(shù)最少的。安米克利夫蘭5號高爐爐缸側(cè)壁壽命最短，總共生產(chǎn)鐵水僅960萬t,然而臨時維修卻高達6次。平均每次臨時維修僅產(chǎn)鐵160萬t。o.xw3tXH.Hi2s< MH > 20000 iSoon 11KKM)SOOD o辭 /*堤工丁WHY心則舄8明后I«得修CH_ *士一出頭饕本。川W軍* 北&TT 甌點tlca*K管名惜總出 一地黑普*圖4北美高爐爐缸側(cè)墻壽命和爐子耐材維修次數(shù)直到金融危機，有兩座高爐還

15、在正常生產(chǎn)爐齡末期。一是安賽樂米塔爾公司的伯恩斯港廠D高爐和AK鋼公司的米德爾敦3號高爐，已分別運行17.1年和30.2年，且爐缸側(cè)墻和缸底爐襯仍十分良好。米德爾敦3號高爐的利用系數(shù)是至今為止世界上最高的4.0t鐵水/m3-d，甚至在爐齡的末期，其利用系數(shù)還是如此之高。止匕外，在30余年的冶煉期間總共停爐維修爐腹爐身12次，觀察仍未發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷。北美高爐盡管容積大小、冷卻方式、出鐵口等各不一樣，但都使用UCAR薄墻概念設(shè)計和UCAR熱壓磚技術(shù)，所以，高爐壽命通常較長。成功應(yīng)用的事實說明，北美高爐爐缸獨特的技術(shù)將代表當今全球高爐的最新理念。通過一種尺寸的小磚策略代替多種尺寸大磚同樣能夠很好地效

16、勞于各種不同的高爐，即各種不同大小、形狀的高爐都可用同一尺寸的小磚砌筑襯設(shè)計替換過去那種競爭性技術(shù)的傳統(tǒng)設(shè)計。一種尺寸的小磚技術(shù)既適用于高爐部的局部爐襯更換，也適用部爐襯的整體重砌，同時還能與水泥砂漿噴射技術(shù)完美結(jié)合，執(zhí)行每兩年一次的停爐，以完成高爐部外表爐襯全部或局部噴補，或進展詳細檢查完成局部維修。1.6 “新高爐建立為改善北美高爐煉鐵的經(jīng)濟前景，2005年以后啟動了一批北美重點高爐重建方案。重建方案需資金2-4億美元，方案完成后應(yīng)擔負起北美高爐煉鐵任務(wù)。除此之外，還打算重新啟動安賽樂米塔爾多法斯科3號高爐爐缸直徑7.3m。紐柯鋼鐵公司在路易斯安那州密西西比河的綠色高爐方案已經(jīng)改變，決定建

17、立一座DRI工廠。維爾迪爾伯恩B高爐因金融危機推遲開工，現(xiàn)在決定重新啟動建立，但進度有所延緩。1.7 高爐煉鐵原材料1.7.1 原材料定位過去10年原材料價格的大幅度上漲和海洋運輸形式的變化，全球鋼鐵企業(yè)的競爭能力根據(jù)原材料的自供能力被分成“占有和“非占有兩組。占有組的鋼鐵廠具有完全或局部煉鐵原材料的自供能力。非占有組的鋼鐵廠高爐煉鐵原材料只有通過海運貿(mào)易購置原材料。顯然，海運貿(mào)易增加大量本錢使競爭力受到極大影響。北美主要的高爐煉鐵公司為占有組，高爐煉鐵用含鐵原料超過90%來自北美自己的鐵礦山和球團礦廠，95%以上的焦炭和噴吹粉煤來自北美的煉焦廠和粉煤加工廠。與使用價格昂貴的廢鋼及其替代品HB

18、I、DRI的電爐相比，高爐鐵水-鋼水流程具有本錢優(yōu)勢。1.7.2 新的煉焦能力北美焦炭自供能力超過95%，只需少量進口?？紤]到焦炭平安供給及進口焦炭價格昂貴，美國確立了采用SunCoke公司的熱回收煉焦技術(shù)。熱回收煉焦技術(shù)的產(chǎn)能到達425萬t/a。其中Jewellcoke廠70萬t/a,印第安納港煉焦廠125萬t/a,Haverhill為110萬t/a，格拉尼特城煉焦廠65萬t/a，米德爾敦煉焦廠55萬t/a。除此之外，還將重建一批傳統(tǒng)焦爐。1.7.3 噴煤設(shè)備根據(jù)推測，因進口焦炭價格的大幅度上漲將刺激高爐噴吹粉煤設(shè)備的增加。但這10年中，只有維爾的C高爐和安米多法斯科高爐的噴吹粉煤是新增的。

19、典型的噴煤比為115kg/t鐵水，加上聯(lián)合噴吹天然氣60kg/t鐵水。新建安米多法斯科噴煤廠為哈密爾頓煉鐵廠3座高爐提供噴吹粉煤。使用PaulWurth噴吹系統(tǒng)，2、4號高爐的噴煤比到達130kg/t鐵、3號高爐到達100kg/t鐵，另外3號高爐還噴吹天然氣。北美高爐煉鐵的平均焦比從1976年的625kg/t鐵穩(wěn)定地降低到2000年的400kg/t鐵水以下。1.7.4 高爐煉鐵的含鐵原材料北美約90%高爐使用球團礦，全球團冶煉那么必須使用熔劑性球團礦。酸性球團礦是燒結(jié)礦最好的補充爐料，同時在某些運行時，還可采用酸性球團滿足鐵水生產(chǎn)的需要。全球團冶煉需添加5%-10%轉(zhuǎn)爐渣、回收廢鋼、球團碎料和

20、廢氧化物壓塊。北美的鋼鐵公司將通過以下方案的完成進一步強化含鐵原料的自供能力：1Keetac方案恢復1線生產(chǎn)，使年產(chǎn)球團礦能力達300萬t；2MinnesotaSteelEssad方案恢復已停產(chǎn)的Butler礦山、選礦廠和球團設(shè)備，將年產(chǎn)600萬t的球團礦供阿爾戈馬鋼公司和其他DRI/EAF煉鋼廠；3AMLazaroCardenas案開發(fā)Volcan礦山，將每年200多萬t的原料供給直接復原球團廠；4SDI方案恢復已停產(chǎn)的ErieLTV鋼廠MiningWoytLakes礦山和選礦廠的一局部生產(chǎn)能力，供自己的MesabiNuggetX廠已投產(chǎn)；5AMMC方案擬擴建礦山和選礦廠，將生產(chǎn)的原料供給新

21、的球團廠。除上述已落實的鐵礦石增產(chǎn)方案外，克利夫斯岸球團礦廠的擴大產(chǎn)能方案正在實施中，建成后每年將增產(chǎn)60萬t球團礦。另外還有一批商業(yè)性鐵礦石增產(chǎn)方案正在加拿大和墨西哥實施中，主要用于出口。一座新開工、效勞于北美的公司是Magnetation,它回收明尼達鐵礦石尾礦。第一臺設(shè)備2021年投產(chǎn)，產(chǎn)能為75萬t/a,目前產(chǎn)品供MesabiNugget公司，但很快將供AHMSA公司的燒結(jié)礦廠和球團礦廠，并賣給北美其他公司。1.7.5 原材料所有權(quán)原材料的所有權(quán)各不一樣，其競爭本錢構(gòu)成也完全不一樣。美國鋼鐵公司具有100%球團礦自給能力，接近100%的焦炭自名&能力。AHMSA公司也幾乎具有1

22、00%勺自給能力。安賽樂米塔爾公司同樣具有強大的鐵礦石、焦炭和噴射料自給能力。AK鋼公司、EssarSteelAlgom即維爾公司有良好的焦炭購貨渠道，但必須以市場價長期穩(wěn)定地購置克利夫斯、AMMC、加拿大鐵礦公司和VAL等供貨商的球團礦。表2為北美自由貿(mào)易區(qū)球團礦所有權(quán)情況。表2北美自由貿(mào)易區(qū)球團礦所有權(quán)工廠年產(chǎn)能萬t所有權(quán)，%美國鋼鐵公司克利夫斯安賽樂米塔爾TerniumAHMSA明塔克鐵礦1450100基韋廷鐵礦Keetad600100米諾卡鐵礦280100希賓鐵礦800152362UTAC500100岸礦業(yè)公司520100帝國鐵礦6007921蒂爾登鐵礦8001585AMMC92010

23、0沃布什鐵礦600100加拿大鐵礦公司1250AHMSA300100PenaColarada4005050LazaroCardenasDR350100LazaroCardenasBF210100LasEncinas350100注：力拓占59%,三菱占26%,LOF占15%2北美高爐煉鐵替代工藝近況2.1 北美高爐煉鐵替代工藝的任務(wù)采用替代高爐煉鐵的主要目的是生產(chǎn)純度高的含鐵原料供給EAF鋼廠。此外是為了利用替代煉鐵工藝加工廢棄氧化物。但到目前為止，在北美已經(jīng)建成的多座轉(zhuǎn)底爐RHF直接復原鐵DRI冶煉廠處于閑置狀態(tài)IDI工藝除外。除燒結(jié)廠外，唯一運行的廢棄氧化物處理工藝是壓塊廠。但它不是復原處理

24、工藝，僅僅是高爐或轉(zhuǎn)爐的原料供給者。PIZO是一種新開發(fā)的工藝，工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備于2021年在紐柯BlythevilleEAF煉鋼廠投產(chǎn)。該工藝首先將EAF粉塵、碳和粘結(jié)劑壓制成塊，然后參加一座20t的感應(yīng)爐生產(chǎn)生鐵，將廢氣冷凝成富含ZnO的粉塵。生鐵、爐渣和ZnO均已被市場承受，有的工廠已將產(chǎn)能擴大到2倍。另外一種已在進展示生產(chǎn)的工藝是McMaster大學教授WKLu開發(fā)的直缸復原爐straighthearthreductionfurnace。2.2 長期減排CO2研發(fā)和使用高爐煉鐵替代工藝的另一主要目的是長期減少BF/BOF煉鋼路線的CO2排放量。美國正在開展兩種主要的低碳煉鐵技術(shù)研究，一是麻

25、省理工大學研發(fā)的熔融氧化物電解法MOE。另一種是猶他大學研究的氫氣閃速熔煉HFS。兩種工藝已進入試驗室試驗階段。MOE是一種高溫電化學工藝，它生產(chǎn)鐵水排放的CO2僅為BF/BOF路線的1/5。不過它要求綠色電力才能到達該排放標準。HFS工藝雖然可和天然氣甚至煤一起冶煉生產(chǎn)鐵水，但它的主要燃料仍然是H2。HFS是豎爐工藝，在以H2為主要燃. word.zl料進展冶煉時，排放的CO2僅為BF/BOF路線的5%。但兩工藝僅在實驗室完成小規(guī)模煉鐵試驗，要實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)還有許多技術(shù)和經(jīng)濟方面的困難需要克制。2.3 直接復原工藝豎爐氣基直接復原工藝Midrex，HYL工藝是十分出色的工藝，在北美已開展成熟，但由于天然氣定價太高，因而使Midrex和HYL工藝在相當長的時期在北美的應(yīng)用遇到了障礙。隨著天然氣氣田的發(fā)現(xiàn)與產(chǎn)量的