世界煉鐵技術及未來發展方向分析
來自專欄鋼鐵精英
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中國粗鋼產量佔世界粗鋼產量的50%左右，而鐵水產量佔世界產量的60%以上。中國煉鐵在技術提升、環保、管理方面仍存在很大的提升空間，同西歐、美國和日本相比，節能減排、環保技術、管理技術方面有很多需要學習的地方。如果您有國際交流方面的需求，請聯繫小編。
（字數：3408字，估計閱讀時間：6min）
1 煉鐵生產及技術進展介紹
世界煉鐵生產工藝分為高爐工藝、直接還原工藝、熔融還原工藝。
1.1 高爐煉鐵
在過去的十餘年裡，在我國生鐵產量高速增長的帶動下，世界生鐵的總量持續增加，在2013年之後，發展速度減緩。
新建高爐的大型化仍是發展趨勢。韓國浦項建成世界最大的6000m3 高爐。但行業普遍認識到，在原燃料質量下降和頻繁波動的情況下，大型高爐的適應能力存在不足的問題。
中國與全球生鐵產量對比
中國鐵水產量佔全球鐵水產量比例
1.2 直接還原鐵
據美國 Midrex 公司統計，世界直接還原鐵的生產自20 世紀70 年代以來，總體保持增長趨勢，2016年產量7276萬噸。
直接還原工藝的一個新進展是在印度JSPL 的煤氣化直接還原裝置（MXCOL）建成投產。該裝置設計能力是180 萬噸/年，其工藝採取的是魯奇的煤氣化爐和Midrex 的豎爐相結合，將煤用高壓蒸汽和氧氣進行氣化，生產原料氣供氣基豎爐使用。據報道，2014 年3 季度，該裝置已生產出金屬化率穩定在93%的直接還原鐵產品。
直接還原鐵產量
Midrex記錄表
1.3 熔融還原工藝
2013 年，全球熔融還原（Corex + Finex ）裝置共生產鐵水730 萬噸。2014 年1 月，韓國浦項又投產了一座200 萬噸Finex 裝置。
韓國浦項Finex
2 主要國家和地區的煉鐵發展狀況
2.1 西歐
（1）整體運行：高爐運行數量由1990 年的92 座降低到2014年45 座，但單爐產量則由104 萬噸提高到171 萬噸/年。
（2）爐料結構：受環保因素的影響，在過去的20餘年裡，高爐的爐料結構正在發生變化，表現在高比例的燒結礦在減少，球團礦的比例在增加。其中瑞典和芬蘭的鋼鐵企業取消了燒結機，爐料結構為90%球團+10%循環廢料壓塊。但燒結礦對多數廠來說仍是主要的煉鐵原料。共有29台燒結機，平均燒結面積為288m2，最大的589m2，最高燒結利用係數是59.5t/(m2·d)。歐洲保留燒結的原因之一是在滿足冶金性能和環保要求的前提下，燒結能夠處理循環料和廢料。
歐盟15國煉鐵生產的變化
歐盟15國爐料結構的變化
（3）環保：歐洲重視對燒結煙氣的處理，以滿足嚴格的環保要求。各燒結機均配置了高效的電除塵和布袋除塵。一些燒結機採用了活性炭/褐煤吸收法處理廢氣。此外，歐洲重視減少工藝本身的污染物產生量，開發了LEEP、EPOSINT、EOS 等煙氣循環燒結工藝，並在一些燒結廠得到成功應用。
（4）焦炭：歐洲重視焦炭質量的作用和價值，明確了焦炭的質量要求，如CSR>65%, CRI<23%, 灰分<9.0%。但客觀現實是，該要求越來越難以滿足，表現在，焦炭質量波動大，如CSR: 56%~70%，CRI：20.5%~38%，焦炭灰分：9.5%~12%。
（5）燃料比：歐洲的高爐能量利用率很高，焦比已降低到330kg/t 的先進水平。但近年來，由於高爐原料質量的下降，燒結礦中SiO2 升高，高爐渣量上升，加之煤比的增加，導致平均燃料比有所上升，2013年達到504.7kg/t。2014~2015 年，由於經濟的原因，幾乎所有高爐都噴煤（不再噴油和氣）。歐洲的高爐碳排放自認為已實現最低值(1570kg/tHM)。
（6）綜合布料控制優化高爐操作：西門子奧鋼聯的金屬工藝公司開發了基於閉環裝料控制的專家系統，並成功應用於Linz A 高爐。
（7）歐洲為保證高爐的穩定順行，對含有有害元素的鋼鐵廠各類粉塵和塵泥，如高氯高爐灰、高油軋鋼鉄鱗、高鋅轉爐塵、高鹼金屬燒結除塵灰等，全部或部分限制其通過燒結循環使用。
（8）UCLOS項目：氧氣高爐作為歐洲ULCOS 項目的一部分，已開展了多次試驗，取得了焦比200kg/t, 煤比175kg/t， 燃料比降低24%的試驗結果。
2.2 北美 （美國，加拿大，墨西哥）
（1）生產情況：在過去的40 年裡，北美的生鐵產量逐漸降低，其主要競爭者是廢鋼電爐生產流程。電爐鋼佔半數以上，鐵鋼比僅為0.4。企業之間開展了大規模的整合，目前 5 家公司擁有44 座高爐，其中29 座在運行。高爐的工作容積900~4100m3。利用係數為1.9~3.9 t/（m3·d），其中最高的是AK Steel Middletown 3 號高爐（1493m3）。該高爐的操作特點是高富氧（2013 年鼓風含氧33%）、吃金屬料(76kg 廢鋼+104kgHBI/t)，大量噴天然氣(115kgNG/t)。
（2）爐料結構：北美是以球團礦為高爐主要爐料的地區。2014 年，平均爐料組成為：92%球團，7%燒結礦，1%塊礦。在29 座高爐中，17 座使用100%球團，其中60%是鹼性球團，40%是酸性球團。一些高爐使用冷固結壓塊作為循環廢料的處理手段。如2014 年，ET 廠使用34kg/t 的由高爐塵和塵泥、軋鋼鐵鱗、焦粉等製成的冷壓塊。球團產能已過剩。目前正在努力降低球團成本，擴大球團應用客戶，發揮球團產能。
（3）噴吹：北美高爐煤和天然氣混噴成為技術發展趨勢。因美國油頁岩技術的應用，天然氣供應豐富，高爐噴吹天然氣量逐年增加。2014 年，高爐的平均噴吹天然氣量是59kg/t, 噴煤58kg/t。混噴的方式有雙槍法（每個風口1 支槍噴煤，1 支槍噴天然氣），以及單槍噴煤+風口開孔進天然氣的方法。多座高爐生產實踐證實，高爐採用天然氣和煤混噴，比單獨噴吹天然氣能獲得超過理論計算的更高置換比。分析原因為改進了爐內反映動力學過程，降低了爐缸熱狀態波動，提高了高爐運行穩定性和能量利用率。
（4）遠程監控，診斷及標準化系統（RMDS）和資料庫：該系統的開發者是ArcelorMittal 公司，其目標是用網路對全部高爐應用RMDS（現1/4 已聯網，包括北美3 座高爐）。RMDS 方案包括每周的視頻/網路會議，參加者討論分享安全和操作經驗，RMDS 數據可給局部專家系統伺服器。一些高爐使用SACHEM 專家指導系統（由ArccelorMittal 和PW 聯合提供）。所帶來的益處是更穩定的高爐運行，更一致的鐵水溫度和硅含量，更低的燃料比。該專家系統還可用來培訓新操作者。
2.3 日本
（1）LCC（Lime Coating Coke） 技術。LCC 技術是在燒結過程中，先用生石灰包裹焦粉，然後進行制粒和燒結。該技術的開發目的是減少燒結NOx 排放。其作用機理是：加熱時，CaO 和鐵氧化物在焦炭表面形成CaO-Fe2O3 熔體層，提高了燃燒溫度，並起到減少NOx 的催化劑作用。
（2）天然氣噴吹(超級燒結礦)。該技術由JFE 開發，方法是在燒結點火後再進行表面噴吹天然氣，以改善燒結床表面層的質量。其效果是可提高燒結礦強度1%，提高還原度3%，降低焦粉3kg/t, 降低高爐燃料比3kg/t。該技術於2009 年起在東日本鐵廠Keihin 地區應用。最近該技術改進為Super-SinterROXY，即在噴吹天然氣的同時加入氧氣。
（3）RCA(Reactive Coke Agglomerate)（含碳球團）。RCA(含碳球團)的生產及應用流程是：碳和鐵氧化物混合，在造球盤上制粒。經過養生後，冷固結球團裝入高爐。該球團在高爐中的作用機理是：由於碳和氧化物的密切接觸，在較低溫度下開始發生碳的氣化反應，這樣通過降低熱儲備區的溫度，提高高爐的反應效率。
（4）鐵焦技術。鐵焦的生產流程是：鐵礦和煤混合（70%煤+30%鐵礦）、擠壓，製成小壓塊。壓塊在豎爐中連續炭化，形成鐵焦。鐵焦具有高反應性，能在較低的溫度範圍內開始反應，從而降低熱貯備區溫度，提高高爐反應效率。
（5）3D 可視化系統。新日鐵利用高爐的500 個冷卻壁熱電偶和20 個爐身壓力感測器的數據，做出3 維可視評價和數值分析系統。該系統於2007 年在新日鐵住金的Nagoya 廠應用，後來在其他廠推廣。
（6）COURSE 50 的進展。COURSE50 是日本圍繞高爐煉鐵減排CO2 所開展的一項綜合科研項目。其技術之一是鐵礦石的氫還原。所採取的方法是使用焦爐煤氣(COG)或焦爐煤氣轉化氣(RCOG)，從高爐風口噴吹或從高爐爐身噴吹。
2.4 韓國
韓國煉鐵工業集中在浦項鋼鐵廠和現代鋼鐵廠，2014 年生鐵產量為4689.8 萬噸。韓國的煉鐵技術動向一是高爐的大型化。從2009 年的平均3325m3 上升到2014 年的4526m3（包括1座世界最大的6000m3 高爐投產）。高爐的最高日產達1.7 萬噸。技術動向二是Finex 工藝的開發應用，包括200 萬噸/年Finex 裝置的建成投產，以及Finex 裝置生產指標的改善。浦項正致力於將Finex 工藝做為替代高爐的工藝或聯合系統進行推廣應用。
2.5 南美
南美煉鐵生產面臨的問題是鐵礦粉粒度下降，燒結礦硅含量上升，造成燒結產量下降。由此帶來高爐渣量增加，操作難度加大，燃料比升高。對應採取的解決方法是燒結加強混合，改善燒結的透氣性；改進焦炭的質量，提高高爐抗高渣量的能力。同時在生產中重視設備的可靠性對生產的貢獻。強調對操作人員觀念轉變的意義。制定了人才培養計劃，目標是操作人員具有碩士和博士學位。加強設備維護和研發。計劃成立南美煉鐵研發中心
3 編者按
中國生鐵產量佔世界生鐵產量的60%以上，但在資源利用效率、燃料比、環保技術方面，還是遠遠落後於歐洲和美國。未來煉鐵行業的發展將會集中在提高行業集中度、強化環保技術、提高資源利用效率方面。從日益嚴格的環保標準也可以看出，未來國家將在燒結、球團和高爐污染物排放方面繼續強化，並以環保為突破口，有效控制國內鋼鐵生產。
從對外交流的情況來看，歐洲的UCLOS項目、日本的Course50都是我們學習的目標；從企業發展來看，阿賽洛米塔爾、美鋼聯、日本JFE等鋼鐵企業，在自動化控制、集團整體協作、獨創性產品方面值得國內眾多鋼鐵企業借鑒。
中國提出的智能製造2025，對於中國鋼鐵工業的技術和理念提升具有關鍵的意義。從2016年開始，國家通過政策引導、提高先進技術補助的方法，大大提升了國內各大鋼鐵企業在未來工業技術提升方面的熱情。
參考文獻：
國外煉鐵生產及技術進展（沙永志等）、世界鋼鐵協會2017年數據、鋼鐵精英等。
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