世界炼铁发展新动态

输送设备2019年07月16日

世界炼铁发展新动态

德国钢铁协会的Lungen博士对高炉炼铁原料和高炉炼铁过程进行了综述。他指出

世界炼铁发展新动态

,安赛乐米塔尔钢铁集团的烧结机在2010年生产率达到了53.8t/m2·d。提高烧结机生产率的措施一方面在混合物(混合烧结矿)的造球、使用新的点火炉、减少使用热筛和低温优化;另一方面在于使用合适的隔离板,隔离板的设计要有利于将混合物放在烧结机上,包括放在横耙和所谓的强化筛选式给料机上。

关于钢铁厂气体排放问题,由于目前欧盟国家高炉炼铁工艺已代表世界顶级水平,Lungen博士认为,其设置的炼铁工艺CO2目标排放值是不合理的。欧盟钢铁厂CO2目标排放值与操作水平对比如表1所示。

●中国

在中国,大型高炉的建造普遍加快,同时高炉喷煤技术、高风温技术、高炉煤气干洗技术等得到普遍应用。

2012年,中国焦炭产量达到4.43亿吨,捣碎装料能力和干法熄焦技术提高了焦炭的质量,烧结能力也得到增强。同时,厚料层烧结技术、强化制粒技术、复合烧结技术(即绿球和高碱度颗粒形成技术,CAP)和低温余热回收技术得到了发展。在球团矿产能方面,链箅机-回转窑技术生产球团最多,其次是高炉烧结生产,最少的是带式焙烧生产。2013年中国国内的铁矿石产量为14.51亿吨,但是铁矿石品位只有30%~32%。

中国高炉炼铁面临的挑战包括资源有效利用、环境保护和持续淘汰落后低效的生产技术等。同时,中国面临着钢产量过剩的情况。

●日本

日本高炉炉容不断增大,而生产高炉的数量不断减少。增加非焦煤和低质量铁矿石的使用使得炼铁原料成本下降。日本炼铁技术面临的挑战是设备的老化(正在努力延长高炉炉缸寿命和焦炉寿命)和原料价格的上升(尤其是铁矿石和炼焦煤价格)。

同时,日本也在极力提高高炉生产率,使其大于2.25t/m3·d,并使燃料消耗降低至500kg/t(铁焦比小于300kg/t,煤比在200kg/t左右)。新日铁公司2009年~2012年的生产率和焦比变化如图1所示。

日本炼铁领域的另一个研究方向是致力于减少CO2的排放。为此,日本基于炼焦技术“SCOPE21”新建造了一座炼焦厂。另外,日本钢铁生产商组成的联盟利用“COURSE50”技术研究通过其他操作方式来减少CO2的排放。

●韩国

韩国高炉炼铁面临着高原料价格的挑战,浦项公司通过进口低成本原料来发展钢铁工业。韩国的铁水产量急剧增长,从1970年的0吨增长到目前的大于60Mt/y(兆吨/年)。表2列出了韩国浦项公司(包括Finex生产)和现代钢铁公司目前的部分指标。

●印度

印度钢铁产量和炼铁工艺多样性在1991年经济自由化后急剧增加(其中包括大量使用感应电炉),印度钢铁工业概述如表3所示。

印度高炉的生产率为1.5~2.5t/m3·d,全球基准值为2.5~3.5t/m3·d;印度高炉焦比为400kg/t~520kg/t,全球平均水平为350kg/t~400kg/t,印度高炉喷吹的煤比大于150kg/t。印度高炉生产率低的主要原因在于高炉使用本土丰富的高铝矿(块矿平均含铝2%~4%,粉矿平均含铝4%~6%)和高硅矿炉料,使炉料中铝和硅的含量很高。另外,高炉还使用高灰分的焦炭,导致炼焦炉和高炉的燃料比高,铁矿石里高的铝和硅含量导致高炉渣黏性增大,严重恶化高炉操作。因此,选矿对于印度的高炉操作极为重要,如使用合适的粉矿来扩大生产球团矿,达到块矿的使用标准,块矿是印度高炉的首选炉料。一些综合的钢铁厂装备了焦炉炉料捣碎机组以增加中等粒度的焦煤和半软煤的使用。

●俄罗斯

来自俄罗斯的Kurunov教授全面地介绍了俄罗斯各钢铁公司高炉的生产率、燃料比、鼓风温度、富氧量等冶炼指标,其生产率和燃料比变化如图2所示。俄罗斯钢铁厂2011年铁水产量水平(Mt/y)为:新利佩茨克钢铁公司为9.8,马格尼托哥尔斯克钢铁公司为9.5,谢韦尔钢铁公司为8.8,西西伯利亚钢铁厂为5.6,下塔吉尔钢铁公司为4.7,车钢为3.7,乌拉尔钢铁为2.4,图拉钢铁为1.9,其他钢铁厂为0.8。

●北美自由贸易协定组织

来自北美的Poveromo博士对美国炼铁原料和炼铁技术进行了综述,指出高炉可以使用从页岩矿床中获取的廉价天然气,并基于海绵铁的产量,增加通入高炉和从中返回的煤气量(目前纽柯钢铁公司正在筹建此项目)。目前NAFTA天然气价格低廉,煤的使用在高炉生产中近期内不会有大的发展。关于铁矿石方面,2011年NAFTA球团矿的供求关系如表4所示,球团矿的需求量为68.9Mt,剩余16.33Mt供出口贸易。

剖析新的炼铁技术

Lungen博士归纳了高炉炼铁工艺替代技术在最近几十年的快速发展情况:72个直接还原炼铁系统和59个熔融还原炼铁系统,其中每一种工艺都以某种形式实现了工业化生产。Lungen博士强调,建立这些系统冶炼过程的全面的物料平衡和热平衡至关重要。虽然Corex和Finex熔融还原工艺的产能在不断增长,海绵铁(DRI)的生产也非常完善(2011年为75.1Mt),但高炉炼铁工艺仍然是炼铁的主体,2011年高炉炼铁的产能为1099.9Mt。

和其他炼铁工艺相比,高炉炼铁在产能上具有明显的优势。目前高炉最大产能为5.3Mt/y,而竖炉中DRI的最大产能为2.0Mt/y,如Midrex工艺、HyL工艺和Energiron工艺,Corex和Finex工艺产能为1.5Mt/y,转底炉产能为0.5Mt/y,回转窑产能为0.3Mt/y。

一个地区或一个公司如何正确地选择冶炼工艺取决于很多因素,如铁矿石的价格和可用性,矿石的质量,炼焦煤的可用性和成本,进出口天然气、焦炉煤气、高炉煤气和电能的价格,以及CO2的排放成本等。

●经验和风险

有关专家指出,从概念的提出,到实验室研究,到小规模试验,到工厂试验,再到商业应用,高炉炼铁技术的每一个过程都非常重要。在进入下一个阶段之前,每一个过程都需要进行严格的评估。为了缓解科研项目进展过程中出现的危机,以下问题值得关注:这项技术是否有必要(市场信息)?技术是否可以实现(科学信息)?技术是否可以大规模化(工程信息)?是否有足够的设备、材料和控制手段(工程信息)?是否可以实现商业化生产(商业信息)。因此,有关专家对Midrex、HyL、Corex、Fastmet、Inmetco、IronDynamics和ITmk2等冶炼工艺的发展历史进行了详述。这些工艺的主要信息如表5所示。

●HIsarna工艺

印度塔塔研究所和澳大利亚力拓公司共同研究的HIsarna工艺可直接使用煤和粉矿,因此不需要进行炼焦和铁矿石造块。HIsarna工艺是结合印度塔塔钢铁公司的冶炼旋风转化炉(CCF预还原)技术和力拓公司的HIsmelt熔池熔炼技术产生的。

CCF预还原技术是由艾默伊登塔塔钢铁公司(当时为荷兰霍高文公司)发展起来的,该技术是在冶炼旋风炉中发生粉矿的预还原和熔融还原,测试试验的粉矿注入速度达到20t/h。HIsmelt工艺最初是以KOBM底吹转炉炼钢技术为基础的一种炼铁改进工艺。澳大利亚力拓公司最终在澳大利亚西部奎纳纳市建造了商业工厂,其生产率超过了80t/h。

由于市场不景气,该工厂最终关闭,但其关键技术和广泛的生产经验使得该熔融还原流程大规模发展。ULCOS(欧洲超低二氧化碳排放炼钢法组织)于2006年~2007年将该系列技术引进,与力拓公司合作在艾默伊登建立了一座小型试验工厂,最后发展成为Hisarna炼铁技术。

●Corex工艺和直接还原工艺

在奥地利,当时的VAI公司(现在的西门子奥钢联冶金技术公司)发展了一项能同时生产铁水和海绵铁的Corex炼铁技术,该项技术源自德国。印度埃萨钢铁公司于2011年底建造了两座C-2000(1.7Mt/y)工艺项目。部分Corex工厂最初于1995年~1997年建立在阿森湾,它们为韩国韩宝钢铁公司供应产品,在韩宝钢铁公司破产后,埃萨钢铁公司于2005年买下这些工厂,并设立在印度的哈吉拉。Corex工艺产生高热值的输出煤气,这些煤气供给哈吉拉的Midrex工艺生产DRI和厂内其他耗热用途。第一座Corex-DRI工厂于2000年在南非的萨尔达尼亚钢铁公司建立(即现在的南非安赛乐米塔尔公司),同样,Corex产生的输出煤气供Midrex工艺的DRI生产。印度金达尔钢铁公司的Corex工艺则进行了改进,为现场DRI的生产提供原料煤气。Corex输出煤气的可使用范围如表6所示。

●高炉改制工艺

国际炼铁科技大会中有很多论文针对高炉工艺的改进进行了研究,既有从设备的角度,如高炉顶煤气循环利用、炉身煤气喷吹、纯氧喷吹等,又有从原料的角度,如人造球团矿、铁矿石和煤的混合使用。在更改原料方面,技术人员对新日铁住金的高炉中使用一种叫做RCA(活性煤团)的粉矿和煤的混合物进行了研究。

在大分工厂的2号高炉上进行的长期试验表明:RCA的最大使用量达到54kg/t,RCA每带入高炉1kg/t,碳消耗量降低0.36kg/t。

RCA的铁含量为37%,碳含量为21%,熔剂含量为12%,熔剂成分主要为氧化钙。相比于加工过的块状燃料,如球团矿和烧结矿,RCA的冷热强度有限。因此,在现代大型高生产率的高炉中,它的使用量最多也只能达到10%。降低高炉块状带高度也是高炉改制的一种方法。

最新技术多样化

在国际炼铁科技大会上,关于实验室试验和小规模生产试验研究的讨论多种多样,既有地理层面的,又有技术层面的,主要包括以下技术。

●闪速炼铁技术

在美国钢铁协会的资助下,犹他大学研发了一项新的技术,该技术是在闪速还原过程中将铁氧化物直接进行气体还原。相比于现在的高炉技术,该项技术有望降低32%~57%的燃料消耗以及61%~96%的CO2排放。该新工艺利用气体如天然气、氢气、合成气或者这些气体的混合气体作为还原剂,生产的铁作为炼钢工艺的原料或者连续直接炼钢工艺的一部分。

●回转炉生产Cr-Ni铁块

在古巴,大规模的镍生产带来大量的金属副产品。在古巴的尼卡罗曾进行过一项研究,用回转炉生产含镍和铬的金属块,从经济、环保和技术的角度上都说明这是一个非常可行的工艺。镍产品经过磁选后,副产品和碳结合生成一种绿球,进入转底炉(RHF)后生成一种金属块。金属块含铬1.88%,含镍0.62%,含硅0.65%,含锰0.36%,含钴0.15%,含钒0.04%。金属块可用来生产富含铬和镍的铸铁合金。

●锌铁氧化物的还原

在巴西里约热内卢的天主教大学,Abreu教授和他的团队利用含锌高的残留物(如转炉和电炉粉尘)研究了利用CO-CO2混合气体还原锌铁氧化物,在回转炉缸内还原类似这种残留物的复合材料中的锌是一种有效的锌回收方法,同时可供炼铁工艺循环利用。

●使用木屑的生物质还原

巴西圣保罗大学的研究者用生物质(不同类型的木屑,在锯木厂可获得)来替代天然焦。将低品位铁矿石(43.5%)和木屑(56.5%)混合成一种具有自身还原性的混合物,通过电动回转窑生产生铁块,其还原程度达到99.2%。该结果为直接运用生物质作为还原剂高效还原铁矿石开辟了新路径。

●木炭炼铁工艺

巴西是唯一还利用木炭进行炼铁的国家。会议报告涉及了木炭炼铁工艺的整个生产链,从林木的碳化到木炭的生产,再到木炭炼铁工艺小高炉的设计和操作。该项工艺在巴西4个地方进行,大约50%的产量在巴西东南部矿藏丰富的米纳斯吉拉斯州生产。同时,为了地区平衡,其他的在北部(马拉尼昂)、南部(圣埃斯皮里图)和西部(马塔格罗索)生产。但是,使用焦炭的高炉炼铁工艺仍然是巴西炼铁的主体(25.5Mt/y),对于释放中等程度CO2的木炭炼铁技术是否是环境友好型的“绿色工艺”还存在争议。

在木炭炼铁工艺中,一公顷桉树人工林生产46吨木炭,进而生产65吨生铁。桉树主要种植在桉树人工林中,每7年砍伐1次,在种植两个周期后,土壤就会恶化。因此,坚持木炭是可再生能源的主张是没有道理的。事实上,25%的木炭源于天然森林,而且,储存在土壤里的树根会慢慢腐烂,释放出甲烷,甲烷造成温室效应的能力比CO2超出20倍。巴西每年生产1000万吨的木炭,其中90%用于工业生产,而其中炼铁工艺又是消耗大户。木材的碳化是指木材在隔绝空气下,在280℃~350℃温度下热分解为固体碳和挥发成分。炭化窑也从原始的由土砖堆成的小堤发展到现在构造精良的钢制容器,容器大到足够一辆卡车直接驶入。

木炭炼铁技术和焦炭炼铁技术的主要不同点在于木炭炼铁炉容积小,最大炉的有效容积为568m3;附属设备、冷却系统、耐火材料更加简单;稳定性高,对炉料和操作灵活性强;额外支出少,很像“家庭自制”的高炉。

在操作上,木炭炼铁技术和焦炭炼铁技术的不同主要源于木炭需要大量还原剂消耗和少量矿石消耗的特点。木炭反应性高,从而导致更强的碳素溶损反应和更高的煤气热值(3800kJ/Nm3~4200kJ/Nm3);颗粒的急剧减小导致透气性变差;减少了矿石在炉中的停留时间,即降低了矿石的还原程度;更低的理论燃烧温度(火焰温度),炉内软熔带温度为800℃。巴西木炭炼铁技术和焦炭炼铁技术炼铁产量如表7所示。

●木炭作为燃料的钢铁生产

巴西的一些钢铁厂,如艾普伦不锈钢公司(前阿谢西塔公司)、瓦卢瑞克曼内斯曼公司、迪维诺波利斯和巴朗德科凯斯地区的盖尔道集团均使用木炭高炉冶炼生产的铁。另外,还有一些电弧炉同样使用本厂或附近公司用木炭炼铁技术生产的铁。巴西北部阿赛兰迪亚马拉尼昂的Ferroeste集团建造的AVB钢铁公司,利用周围木炭高炉生产的液态铁水,通过转炉工艺每年生产0.50Mt的长材,进入连铸工艺生产加工。如今,巴西木炭高炉生铁产量降低了近1/3。

对于巴西只生产生铁的生产商来说,其销售市场包括本地的电弧炉生产厂和铸造厂,但还是明显依赖出口(超过50%出口美国)。这些生产商面临的主要困难是木炭价格的上涨,与此同时生铁的价格也在不断上涨。

从不乐观地角度看,以下情况有可能发生:通过正当渠道获得的炼焦煤的可用性下降;国际生铁市场萎缩;巴西北部地区人工林可用性降低;随着北美气体价格的下降,生铁的主要购买商美国会选择购买直接还原铁或热压铁块(DRI/HBI),如纽柯、美国钢铁动力公司(SDI)、谢韦尔等。

巴西幸存下来的生铁生产商应该是那些垄断的、具有可持续林业和木炭生产的、具有铁矿石资源的和具有进军炼钢生产潜力的企业,如Ferroeste集团的AVB钢铁公司。

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