冶金博覽會(huì)會(huì)議報(bào)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(jiǎn)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(jiǎn)單的概括10/17/202321．20世紀(jì)鋼鐵工業(yè)的簡(jiǎn)明回顧10/17/20233圖120世紀(jì)以來(lái)（1900-2010）世界鋼產(chǎn)量與中國(guó)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(dòng)力，推動(dòng)力和限制力實(shí)踐證明：鋼鐵是目前和今后相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)人類(lèi)社會(huì)所使用的重要材料；鋼鐵是國(guó)家工業(yè)化的支撐。一個(gè)國(guó)家要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化必須要跨過(guò)鋼鐵工業(yè)的門(mén)檻；1900年以來(lái)鋼鐵工業(yè)經(jīng)歷了兩個(gè)高速增長(zhǎng)期，這兩個(gè)增長(zhǎng)期均與人類(lèi)社會(huì)的工業(yè)化密切相關(guān)；人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)鋼鐵的需求的增長(zhǎng)是鋼鐵工業(yè)的拉動(dòng)力；技術(shù)進(jìn)步是鋼鐵工業(yè)發(fā)展的推動(dòng)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(dòng)力（技術(shù)進(jìn)步）持續(xù)存在

發(fā)展拉動(dòng)力（經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)）時(shí)有時(shí)無(wú)

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

10/17/20237圖320世紀(jì)以來(lái)（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(zhǎng)。由于工業(yè)化的拉動(dòng)力，鋼產(chǎn)量增長(zhǎng)的速度遠(yuǎn)大于人口增長(zhǎng)的速度。世界鋼鐵工業(yè)第二個(gè)高速增長(zhǎng)主要是由中國(guó)等發(fā)展中國(guó)家工業(yè)化拉動(dòng)的。這個(gè)高速增長(zhǎng)期預(yù)計(jì)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(guó)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(zhǎng)期。目前全球已實(shí)現(xiàn)和正在進(jìn)行工業(yè)化國(guó)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(shì)。10/17/202391950年2000年2006年第一次高速增長(zhǎng)期第二次高速增長(zhǎng)期第一種可能性第二種可能性年份世界鋼年產(chǎn)量?jī)|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(guò)程鋼鐵工業(yè)將以較快速度增加。預(yù)計(jì)在2030年以前將大大超過(guò)20億噸/年，對(duì)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(kāi)發(fā)出一種新的增長(zhǎng)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(shì)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(huì)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(lèi)社會(huì)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(lèi)社會(huì)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(lèi)社會(huì)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(guò)程。10/17/202314圖5鋼的生產(chǎn)路線10/17/202315

從圖5可見(jiàn)，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(guò)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(lái)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(lái)科技工作者試圖從煉鐵工藝方面尋求出路。

10/17/202316有沒(méi)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(duì)化石資源的依賴(lài)？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(wàn)噸）。2010年超過(guò)7000萬(wàn)噸為歷史最高。這次增長(zhǎng)的特點(diǎn)是具有天然氣資源的國(guó)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(lèi)。世界鋼協(xié)對(duì)2008年世界6850萬(wàn)噸直接還原鐵進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：氣基產(chǎn)量占5090萬(wàn)噸，為74.3%（其中：Midrex3980萬(wàn)噸，Hyl990萬(wàn)噸，其他110萬(wàn)噸），煤基產(chǎn)量1760萬(wàn)噸，占25.7%。從2010年情況看，氣基似乎增長(zhǎng)更快。10/17/202321表12010年世界各國(guó)直接還原鐵產(chǎn)量（萬(wàn)噸）國(guó)家產(chǎn)量國(guó)家產(chǎn)量國(guó)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(lái)西亞239加拿大60沙特479卡塔爾216德國(guó)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(kāi)發(fā)的，經(jīng)過(guò)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(jì)年產(chǎn)直接還原鐵160萬(wàn)噸，是近年來(lái)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(jiàn)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(huì)期間，部分同志參觀過(guò)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(wàn)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(huì)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(guó)，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(hù)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(guó)內(nèi)國(guó)外均有發(fā)展。10/17/202328圖9轉(zhuǎn)底爐流程

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神戶(hù)制鋼以轉(zhuǎn)底爐工藝為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)出稱(chēng)之為“ITmk3”的直接還原鐵工藝，生產(chǎn)出一種稱(chēng)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(hù)制鋼與美國(guó)動(dòng)力鋼公司的合資廠，產(chǎn)生產(chǎn)能力50萬(wàn)噸?？拷麺isabiIronRange,2007年6月開(kāi)始建設(shè)，2010年元月投產(chǎn)。根據(jù)報(bào)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(jí)鋼種，但電耗比用廢鋼要高。10/17/2023353.2鐵礦石熔融還原開(kāi)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(duì)煉焦煤（焦炭）的依賴(lài)。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(chēng)生產(chǎn)能力萬(wàn)噸/年使用原料投產(chǎn)日期產(chǎn)出煤氣利用現(xiàn)狀韓國(guó)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(guó)，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(guó)韓寶公司遷來(lái)鋼廠已建成后遷來(lái)，未投產(chǎn)10/17/202337圖13COREX流程10/17/202338

估計(jì)今后不會(huì)再有新的COREX裝置出現(xiàn)。今年6月在歐洲煉鐵煉焦大會(huì)上AllSiemensVAI的ChristianB?hm對(duì)COREX流程結(jié)論性意見(jiàn)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(kāi)發(fā)出來(lái)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(guò)程10/17/202343表41.5-mtpyFINEX操作實(shí)績(jī)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(kāi)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(kāi)發(fā)之初CO2排放還未被提到議事日程上。所有已開(kāi)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(wú)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(kāi)發(fā)

該工藝是日本政府部門(mén)與鋼鐵企業(yè)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的。全稱(chēng)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(kāi)發(fā)進(jìn)程10/17/202349圖19Scopr21工藝流程

g10/17/202350

依據(jù)SCOPE21的開(kāi)發(fā)成果，新日鐵2006年4月在大分廠建設(shè)5號(hào)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(zhǎng)16.6米，有效容積43.7立方米。設(shè)計(jì)年產(chǎn)焦炭100萬(wàn)噸。10/17/202351表5大分5焦?fàn)t運(yùn)行情況與SCOPE21開(kāi)發(fā)目標(biāo)的對(duì)比10/17/202352

大分5號(hào)焦?fàn)t是根據(jù)SCOPE21的原理設(shè)計(jì)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(hào)焦?fàn)t投資370億日元，比常規(guī)焦?fàn)t高，目前沒(méi)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(dòng)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(jiàn)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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