世界煉鐵發展新動態

輸送設備2019年07月16日

世界煉鐵發展新動態

德國鋼鐵協會的Lungen博士對高爐煉鐵原料和高爐煉鐵過程進行了綜述。他指出

世界煉鐵發展新動態

,安賽樂米塔爾鋼鐵集團的燒結機在2010年生產率達到了53.8t/m2·d。提高燒結機生產率的措施一方面在混合物(混合燒結礦)的造球、使用新的點火爐、減少使用熱篩和低溫優化;另一方面在于使用合適的隔離板,隔離板的設計要有利于將混合物放在燒結機上,包括放在橫耙和所謂的強化篩選式給料機上。

關于鋼鐵廠氣體排放問題,由于目前歐盟國家高爐煉鐵工藝已代表世界頂級水平,Lungen博士認為,其設置的煉鐵工藝CO2目標排放值是不合理的。歐盟鋼鐵廠CO2目標排放值與操作水平對比如表1所示。

●中國

在中國,大型高爐的建造普遍加快,同時高爐噴煤技術、高風溫技術、高爐煤氣干洗技術等得到普遍應用。

2012年,中國焦炭產量達到4.43億噸,搗碎裝料能力和干法熄焦技術提高了焦炭的質量,燒結能力也得到增強。同時,厚料層燒結技術、強化制粒技術、復合燒結技術(即綠球和高堿度顆粒形成技術,CAP)和低溫余熱回收技術得到了發展。在球團礦產能方面,鏈箅機-回轉窯技術生產球團最多,其次是高爐燒結生產,最少的是帶式焙燒生產。2013年中國國內的鐵礦石產量為14.51億噸,但是鐵礦石品位只有30%~32%。

中國高爐煉鐵面臨的挑戰包括資源有效利用、環境保護和持續淘汰落后低效的生產技術等。同時,中國面臨著鋼產量過剩的情況。

●日本

日本高爐爐容不斷增大,而生產高爐的數量不斷減少。增加非焦煤和低質量鐵礦石的使用使得煉鐵原料成本下降。日本煉鐵技術面臨的挑戰是設備的老化(正在努力延長高爐爐缸壽命和焦爐壽命)和原料價格的上升(尤其是鐵礦石和煉焦煤價格)。

同時,日本也在極力提高高爐生產率,使其大于2.25t/m3·d,并使燃料消耗降低至500kg/t(鐵焦比小于300kg/t,煤比在200kg/t左右)。新日鐵公司2009年~2012年的生產率和焦比變化如圖1所示。

日本煉鐵領域的另一個研究方向是致力于減少CO2的排放。為此,日本基于煉焦技術“SCOPE21”新建造了一座煉焦廠。另外,日本鋼鐵生產商組成的聯盟利用“COURSE50”技術研究通過其他操作方式來減少CO2的排放。

●韓國

韓國高爐煉鐵面臨著高原料價格的挑戰,浦項公司通過進口低成本原料來發展鋼鐵工業。韓國的鐵水產量急劇增長,從1970年的0噸增長到目前的大于60Mt/y(兆噸/年)。表2列出了韓國浦項公司(包括Finex生產)和現代鋼鐵公司目前的部分指標。

●印度

印度鋼鐵產量和煉鐵工藝多樣性在1991年經濟自由化后急劇增加(其中包括大量使用感應電爐),印度鋼鐵工業概述如表3所示。

印度高爐的生產率為1.5~2.5t/m3·d,全球基準值為2.5~3.5t/m3·d;印度高爐焦比為400kg/t~520kg/t,全球平均水平為350kg/t~400kg/t,印度高爐噴吹的煤比大于150kg/t。印度高爐生產率低的主要原因在于高爐使用本土豐富的高鋁礦(塊礦平均含鋁2%~4%,粉礦平均含鋁4%~6%)和高硅礦爐料,使爐料中鋁和硅的含量很高。另外,高爐還使用高灰分的焦炭,導致煉焦爐和高爐的燃料比高,鐵礦石里高的鋁和硅含量導致高爐渣黏性增大,嚴重惡化高爐操作。因此,選礦對于印度的高爐操作極為重要,如使用合適的粉礦來擴大生產球團礦,達到塊礦的使用標準,塊礦是印度高爐的首選爐料。一些綜合的鋼鐵廠裝備了焦爐爐料搗碎機組以增加中等粒度的焦煤和半軟煤的使用。

●俄羅斯

來自俄羅斯的Kurunov教授全面地介紹了俄羅斯各鋼鐵公司高爐的生產率、燃料比、鼓風溫度、富氧量等冶煉指標,其生產率和燃料比變化如圖2所示。俄羅斯鋼鐵廠2011年鐵水產量水平(Mt/y)為:新利佩茨克鋼鐵公司為9.8,馬格尼托哥爾斯克鋼鐵公司為9.5,謝韋爾鋼鐵公司為8.8,西西伯利亞鋼鐵廠為5.6,下塔吉爾鋼鐵公司為4.7,車鋼為3.7,烏拉爾鋼鐵為2.4,圖拉鋼鐵為1.9,其他鋼鐵廠為0.8。

●北美自由貿易協定組織

來自北美的Poveromo博士對美國煉鐵原料和煉鐵技術進行了綜述,指出高爐可以使用從頁巖礦床中獲取的廉價天然氣,并基于海綿鐵的產量,增加通入高爐和從中返回的煤氣量(目前紐柯鋼鐵公司正在籌建此項目)。目前NAFTA天然氣價格低廉,煤的使用在高爐生產中近期內不會有大的發展。關于鐵礦石方面,2011年NAFTA球團礦的供求關系如表4所示,球團礦的需求量為68.9Mt,剩余16.33Mt供出口貿易。

剖析新的煉鐵技術

Lungen博士歸納了高爐煉鐵工藝替代技術在最近幾十年的快速發展情況:72個直接還原煉鐵系統和59個熔融還原煉鐵系統,其中每一種工藝都以某種形式實現了工業化生產。Lungen博士強調,建立這些系統冶煉過程的全面的物料平衡和熱平衡至關重要。雖然Corex和Finex熔融還原工藝的產能在不斷增長,海綿鐵(DRI)的生產也非常完善(2011年為75.1Mt),但高爐煉鐵工藝仍然是煉鐵的主體,2011年高爐煉鐵的產能為1099.9Mt。

和其他煉鐵工藝相比,高爐煉鐵在產能上具有明顯的優勢。目前高爐最大產能為5.3Mt/y,而豎爐中DRI的最大產能為2.0Mt/y,如Midrex工藝、HyL工藝和Energiron工藝,Corex和Finex工藝產能為1.5Mt/y,轉底爐產能為0.5Mt/y,回轉窯產能為0.3Mt/y。

一個地區或一個公司如何正確地選擇冶煉工藝取決于很多因素,如鐵礦石的價格和可用性,礦石的質量,煉焦煤的可用性和成本,進出口天然氣、焦爐煤氣、高爐煤氣和電能的價格,以及CO2的排放成本等。

●經驗和風險

有關專家指出,從概念的提出,到實驗室研究,到小規模試驗,到工廠試驗,再到商業應用,高爐煉鐵技術的每一個過程都非常重要。在進入下一個階段之前,每一個過程都需要進行嚴格的評估。為了緩解科研項目進展過程中出現的危機,以下問題值得關注:這項技術是否有必要(市場信息)?技術是否可以實現(科學信息)?技術是否可以大規模化(工程信息)?是否有足夠的設備、材料和控制手段(工程信息)?是否可以實現商業化生產(商業信息)。因此,有關專家對Midrex、HyL、Corex、Fastmet、Inmetco、IronDynamics和ITmk2等冶煉工藝的發展歷史進行了詳述。這些工藝的主要信息如表5所示。

●HIsarna工藝

印度塔塔研究所和澳大利亞力拓公司共同研究的HIsarna工藝可直接使用煤和粉礦,因此不需要進行煉焦和鐵礦石造塊。HIsarna工藝是結合印度塔塔鋼鐵公司的冶煉旋風轉化爐(CCF預還原)技術和力拓公司的HIsmelt熔池熔煉技術產生的。

CCF預還原技術是由艾默伊登塔塔鋼鐵公司(當時為荷蘭霍高文公司)發展起來的,該技術是在冶煉旋風爐中發生粉礦的預還原和熔融還原,測試試驗的粉礦注入速度達到20t/h。HIsmelt工藝最初是以KOBM底吹轉爐煉鋼技術為基礎的一種煉鐵改進工藝。澳大利亞力拓公司最終在澳大利亞西部奎納納市建造了商業工廠,其生產率超過了80t/h。

由于市場不景氣,該工廠最終關閉,但其關鍵技術和廣泛的生產經驗使得該熔融還原流程大規模發展。ULCOS(歐洲超低二氧化碳排放煉鋼法組織)于2006年~2007年將該系列技術引進,與力拓公司合作在艾默伊登建立了一座小型試驗工廠,最后發展成為Hisarna煉鐵技術。

●Corex工藝和直接還原工藝

在奧地利,當時的VAI公司(現在的西門子奧鋼聯冶金技術公司)發展了一項能同時生產鐵水和海綿鐵的Corex煉鐵技術,該項技術源自德國。印度埃薩鋼鐵公司于2011年底建造了兩座C-2000(1.7Mt/y)工藝項目。部分Corex工廠最初于1995年~1997年建立在阿森灣,它們為韓國韓寶鋼鐵公司供應產品,在韓寶鋼鐵公司破產后,埃薩鋼鐵公司于2005年買下這些工廠,并設立在印度的哈吉拉。Corex工藝產生高熱值的輸出煤氣,這些煤氣供給哈吉拉的Midrex工藝生產DRI和廠內其他耗熱用途。第一座Corex-DRI工廠于2000年在南非的薩爾達尼亞鋼鐵公司建立(即現在的南非安賽樂米塔爾公司),同樣,Corex產生的輸出煤氣供Midrex工藝的DRI生產。印度金達爾鋼鐵公司的Corex工藝則進行了改進,為現場DRI的生產提供原料煤氣。Corex輸出煤氣的可使用范圍如表6所示。

●高爐改制工藝

國際煉鐵科技大會中有很多論文針對高爐工藝的改進進行了研究,既有從設備的角度,如高爐頂煤氣循環利用、爐身煤氣噴吹、純氧噴吹等,又有從原料的角度,如人造球團礦、鐵礦石和煤的混合使用。在更改原料方面,技術人員對新日鐵住金的高爐中使用一種叫做RCA(活性煤團)的粉礦和煤的混合物進行了研究。

在大分工廠的2號高爐上進行的長期試驗表明:RCA的最大使用量達到54kg/t,RCA每帶入高爐1kg/t,碳消耗量降低0.36kg/t。

RCA的鐵含量為37%,碳含量為21%,熔劑含量為12%,熔劑成分主要為氧化鈣。相比于加工過的塊狀燃料,如球團礦和燒結礦,RCA的冷熱強度有限。因此,在現代大型高生產率的高爐中,它的使用量最多也只能達到10%。降低高爐塊狀帶高度也是高爐改制的一種方法。

最新技術多樣化

在國際煉鐵科技大會上,關于實驗室試驗和小規模生產試驗研究的討論多種多樣,既有地理層面的,又有技術層面的,主要包括以下技術。

●閃速煉鐵技術

在美國鋼鐵協會的資助下,猶他大學研發了一項新的技術,該技術是在閃速還原過程中將鐵氧化物直接進行氣體還原。相比于現在的高爐技術,該項技術有望降低32%~57%的燃料消耗以及61%~96%的CO2排放。該新工藝利用氣體如天然氣、氫氣、合成氣或者這些氣體的混合氣體作為還原劑,生產的鐵作為煉鋼工藝的原料或者連續直接煉鋼工藝的一部分。

●回轉爐生產Cr-Ni鐵塊

在古巴,大規模的鎳生產帶來大量的金屬副產品。在古巴的尼卡羅曾進行過一項研究,用回轉爐生產含鎳和鉻的金屬塊,從經濟、環保和技術的角度上都說明這是一個非常可行的工藝。鎳產品經過磁選后,副產品和碳結合生成一種綠球,進入轉底爐(RHF)后生成一種金屬塊。金屬塊含鉻1.88%,含鎳0.62%,含硅0.65%,含錳0.36%,含鈷0.15%,含釩0.04%。金屬塊可用來生產富含鉻和鎳的鑄鐵合金。

●鋅鐵氧化物的還原

在巴西里約熱內盧的天主教大學,Abreu教授和他的團隊利用含鋅高的殘留物(如轉爐和電爐粉塵)研究了利用CO-CO2混合氣體還原鋅鐵氧化物,在回轉爐缸內還原類似這種殘留物的復合材料中的鋅是一種有效的鋅回收方法,同時可供煉鐵工藝循環利用。

●使用木屑的生物質還原

巴西圣保羅大學的研究者用生物質(不同類型的木屑,在鋸木廠可獲得)來替代天然焦。將低品位鐵礦石(43.5%)和木屑(56.5%)混合成一種具有自身還原性的混合物,通過電動回轉窯生產生鐵塊,其還原程度達到99.2%。該結果為直接運用生物質作為還原劑高效還原鐵礦石開辟了新路徑。

●木炭煉鐵工藝

巴西是唯一還利用木炭進行煉鐵的國家。會議報告涉及了木炭煉鐵工藝的整個生產鏈,從林木的碳化到木炭的生產,再到木炭煉鐵工藝小高爐的設計和操作。該項工藝在巴西4個地方進行,大約50%的產量在巴西東南部礦藏豐富的米納斯吉拉斯州生產。同時,為了地區平衡,其他的在北部(馬拉尼昂)、南部(圣埃斯皮里圖)和西部(馬塔格羅索)生產。但是,使用焦炭的高爐煉鐵工藝仍然是巴西煉鐵的主體(25.5Mt/y),對于釋放中等程度CO2的木炭煉鐵技術是否是環境友好型的“綠色工藝”還存在爭議。

在木炭煉鐵工藝中,一公頃桉樹人工林生產46噸木炭,進而生產65噸生鐵。桉樹主要種植在桉樹人工林中,每7年砍伐1次,在種植兩個周期后,土壤就會惡化。因此,堅持木炭是可再生能源的主張是沒有道理的。事實上,25%的木炭源于天然森林,而且,儲存在土壤里的樹根會慢慢腐爛,釋放出甲烷,甲烷造成溫室效應的能力比CO2超出20倍。巴西每年生產1000萬噸的木炭,其中90%用于工業生產,而其中煉鐵工藝又是消耗大戶。木材的碳化是指木材在隔絕空氣下,在280℃~350℃溫度下熱分解為固體碳和揮發成分。炭化窯也從原始的由土磚堆成的小堤發展到現在構造精良的鋼制容器,容器大到足夠一輛卡車直接駛入。

木炭煉鐵技術和焦炭煉鐵技術的主要不同點在于木炭煉鐵爐容積小,最大爐的有效容積為568m3;附屬設備、冷卻系統、耐火材料更加簡單;穩定性高,對爐料和操作靈活性強;額外支出少,很像“家庭自制”的高爐。

在操作上,木炭煉鐵技術和焦炭煉鐵技術的不同主要源于木炭需要大量還原劑消耗和少量礦石消耗的特點。木炭反應性高,從而導致更強的碳素溶損反應和更高的煤氣熱值(3800kJ/Nm3~4200kJ/Nm3);顆粒的急劇減小導致透氣性變差;減少了礦石在爐中的停留時間,即降低了礦石的還原程度;更低的理論燃燒溫度(火焰溫度),爐內軟熔帶溫度為800℃。巴西木炭煉鐵技術和焦炭煉鐵技術煉鐵產量如表7所示。

●木炭作為燃料的鋼鐵生產

巴西的一些鋼鐵廠,如艾普倫不銹鋼公司(前阿謝西塔公司)、瓦盧瑞克曼內斯曼公司、迪維諾波利斯和巴朗德科凱斯地區的蓋爾道集團均使用木炭高爐冶煉生產的鐵。另外,還有一些電弧爐同樣使用本廠或附近公司用木炭煉鐵技術生產的鐵。巴西北部阿賽蘭迪亞馬拉尼昂的Ferroeste集團建造的AVB鋼鐵公司,利用周圍木炭高爐生產的液態鐵水,通過轉爐工藝每年生產0.50Mt的長材,進入連鑄工藝生產加工。如今,巴西木炭高爐生鐵產量降低了近1/3。

對于巴西只生產生鐵的生產商來說,其銷售市場包括本地的電弧爐生產廠和鑄造廠,但還是明顯依賴出口(超過50%出口美國)。這些生產商面臨的主要困難是木炭價格的上漲,與此同時生鐵的價格也在不斷上漲。

從不樂觀地角度看,以下情況有可能發生:通過正當渠道獲得的煉焦煤的可用性下降;國際生鐵市場萎縮;巴西北部地區人工林可用性降低;隨著北美氣體價格的下降,生鐵的主要購買商美國會選擇購買直接還原鐵或熱壓鐵塊(DRI/HBI),如紐柯、美國鋼鐵動力公司(SDI)、謝韋爾等。

巴西幸存下來的生鐵生產商應該是那些壟斷的、具有可持續林業和木炭生產的、具有鐵礦石資源的和具有進軍煉鋼生產潛力的企業,如Ferroeste集團的AVB鋼鐵公司。

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