21世紀(jì)鋼鐵企業(yè)的外部環(huán)境發(fā)生了巨大的變化。中國的鋼鐵產(chǎn)能急劇增加，同時煉鋼原料的劣質(zhì)化、資源能源價格高漲、CO2減排問題以及針對安全、穩(wěn)定生產(chǎn)的價值觀及理念越來越凸顯，各行業(yè)對鋼鐵企業(yè)的要求更加嚴(yán)酷。因此，新世紀(jì)鋼鐵企業(yè)的發(fā)展必須能適應(yīng)外部環(huán)境的變化。從資源、能源到環(huán)境問題，相應(yīng)的技術(shù)與體系不可缺少。對于耗能大戶的鋼鐵企業(yè)，“環(huán)境保護及促進資源循環(huán)利用”、“CO2減排”、“資源再利用”的意義非常大。新時期對鋼鐵行業(yè)的期待是作為資源、能源、環(huán)境和諧循環(huán)型社會的“核心”而存在。這一方針的確立是支撐鋼鐵企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。對于處于重要位置的煉鐵領(lǐng)域，可以說在21世紀(jì)更是“變革的世紀(jì)”。從這個觀點與認(rèn)識出發(fā)，本文就新世紀(jì)日本高爐操作的進步與研究開發(fā)狀況，以及面向未來的鋼鐵技術(shù)進行論述。
1煉鐵領(lǐng)域的環(huán)境變化與節(jié)能
2002年以來，世界粗鋼產(chǎn)量不斷增加。這導(dǎo)致鐵礦石的世界性供需環(huán)境也發(fā)生了劇烈的變化。礦山公司合并并處于壟斷地位、優(yōu)質(zhì)赤鐵礦的枯竭、高結(jié)晶水礦石的增加等，使得礦石資源供應(yīng)面臨著嚴(yán)竣考驗。即使是煤炭資源，優(yōu)質(zhì)煤炭供給非常緊缺。在這種原料供給惡化的環(huán)境下，高品位礦石和高粘結(jié)性煤的價格上升到前所未有的高度。
另一方面，針對環(huán)境問題，隨著《京都議定書》的生效，日本鐵鋼聯(lián)盟設(shè)定了自主行動計劃：由鋼鐵廠排出的CO2比1990年減少10.5%。由于鋼鐵企業(yè)的能源消耗約70%在煉鐵工序，因此該工序的CO2消減是亟待解決的課題。
2高爐操作技術(shù)的進步
2.1高爐大量噴煤
高爐噴煤是為應(yīng)對焦炭不足，達到降低原燃料成本為目的的。1981年新日鐵大分廠的1號高爐開始噴吹煤粉。1998年日本國內(nèi)高爐平均噴吹量達到135kg/t。2000年以后，礦石、煤炭品位不斷下降，噴吹量基本維持在120kg/t-135kg/t。擁有大型噴吹設(shè)備的高爐嘗試噴煤超過200kg/t。由于大量噴煤，導(dǎo)致中心煤氣流減弱、頂溫和壓差升高、軟熔帶透氣性惡化、未燃煤粉及焦粉增加以及爐缸堆積等問題。
為了避免這些問題的出現(xiàn)，采用了中心加焦，實施煤氣流分布和煤粉燃燒性能控制，改善礦石高溫還原性能、形狀等。JFE福山廠改進煤粉燃燒性能控制技術(shù)，其最大的特征是在風(fēng)口內(nèi)交叉設(shè)置2根煤槍，使煤粉與空氣充分混合，由此大幅度提高煤粉的燃燒率，1998年煤比達到了265.5kg/t。神鋼1號高爐、JFE福山3號高爐、上海寶山1號高爐、浦項3號高爐都能實施PCR>200kg/t的操作。尤其在上海寶山1號高爐、浦項3號高爐，實現(xiàn)了到目前為止，認(rèn)為是極限的氧過剩系數(shù)0.6，O/C為6.0的操作。盡管各高爐產(chǎn)量、燃料比水平不同，但大量噴煤的同時，都采用了反應(yīng)后強度高的（高DI）焦炭及高溫還原性良好、低SiO2、低Al2O3的燒結(jié)礦。
2.2高爐內(nèi)噴吹廢塑料
高爐是減排CO2、保護環(huán)境、資源循環(huán)再利用的一個工序，JFE京浜廠于1996年10月開始向高爐內(nèi)噴吹廢塑料。對高爐噴吹廢塑料時，風(fēng)口前燃燒情況、爐頂碳化氫系氣體及焦油排出、造渣制度的變化、高爐下部透氣性指數(shù)等作了詳細的調(diào)查研究。此時，噴廢塑料量與噴煤量分別是59.0kg/t和78.4kg/t。由于廢塑料粒度比煤粉大，回旋區(qū)內(nèi)氧氣濃度低時，燃燒速度慢。但像煤粉那樣，通過回旋區(qū)，與焦炭一起旋轉(zhuǎn)的同時燃燒，最終提高了燃燒效率。另外，兩者在碳化氫系氣體排出方面也相差不大。目前，日本國內(nèi)有JFE京浜2號高爐、福山3號高爐、4號高爐（3座合計能力為12.7萬t/a）、神鋼加古川3號高爐（能力1.0萬t/a）實施了噴吹廢塑料。
2.3礦石、焦炭混合裝入技術(shù)
低燃料比操作時，維持料柱透氣性和降低軟熔帶的壓損非常重要。JFE千葉6號高爐上采用的方法是：通過焦炭、礦石同時布料，開發(fā)了多量混合裝入技術(shù)。關(guān)于裝入方法，需要對各種影響焦炭偏析因素進行定量分析。這項技術(shù)已在JFE千葉6號高爐上實際應(yīng)用，實現(xiàn)了低熟料比下的高產(chǎn)量、低燃料比操作。
2.4高反應(yīng)性焦炭的開發(fā)及在高爐內(nèi)的應(yīng)用
為了降低高爐燃料比，提高焦炭的反應(yīng)性，在800℃-1000℃區(qū)域的還原反應(yīng)成為決定碳素溶解損失反應(yīng)速度的關(guān)鍵。通常，提高焦炭反應(yīng)性（CRI），會導(dǎo)致反應(yīng)后強度（CSR）降低。因此，在維持強度基礎(chǔ)上，提高反應(yīng)性能是最大課題。針對這一課題，開發(fā)了有效利用劣質(zhì)煤炭及煤中CaO成分制造高強度、高反應(yīng)性焦炭的方法。這項技術(shù)的特征是通過干燥焦炭，促進煤顆粒間的緊密結(jié)合，以提高焦炭強度。同時，通過劣質(zhì)煤炭的配比量來控制強度上升，通過CaO配比來提高反應(yīng)性。將Ca作為煤氣化反應(yīng)的催化劑，使其發(fā)生作用。這時，冷態(tài)強度(DI15015)基本維持在85-86。即使CaO添加量少，催化效果也非常明顯，大幅度地提高反應(yīng)性。使用這種焦炭的室蘭2號高爐，燃料比降低了10kg/t。
2.5延長高爐壽命
隨著高爐穩(wěn)定操作及其爐體管理技術(shù)的進步，在確保一定出鐵比的同時，壽命超過15年的高爐不斷增加。為實現(xiàn)高爐長壽化，需要高爐爐型的合適化、優(yōu)良的管理技術(shù)、延長爐體壽命的修補技術(shù)以及改善耐火材料質(zhì)量。尤其從1990年以來，認(rèn)識到提高高爐冷卻壁耐腐蝕性是最重要的課題后，改善了碳磚材質(zhì)，并強化了冷卻效果。通過提高碳磚熱傳導(dǎo)率、氣孔細微化來防止鐵水浸透。在強化冷卻方面，采用了冷凍機降低水溫以及使用銅冷卻壁。
2.6資源循環(huán)利用技術(shù)
各鋼鐵企業(yè)在資源循環(huán)利用，零排放方面取得了很大的進步。碎鋼坯、粉塵、爐渣和淤泥等實現(xiàn)了幾乎100%的資源再循環(huán)利用。新日鐵為促進廠內(nèi)產(chǎn)生的粉塵、淤泥的再資源化，在世界上率先將轉(zhuǎn)底爐（RHF設(shè)備）引進到君津煉鐵廠和廣畑煉鐵廠。粉塵、淤泥與煤等還原材料混合，制成球團和塊礦。通過在RHF爐內(nèi)加熱還原，在促進脫鋅的同時，制造的海綿鐵可有效應(yīng)用于高爐或廢鋼熔解爐中。