沙永志
煉鐵生產(chǎn)作為鋼鐵生產(chǎn)流程中的重要組成部分，是能量消耗和生產(chǎn)成本的主要載體，同時(shí)是污染物排放的主要工序。未來(lái)的煉鐵發(fā)展?fàn)顩r將決定整個(gè)鋼鐵工業(yè)的組成、結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)作為世界第一煉鐵大國(guó)，今后的煉鐵可持續(xù)發(fā)展取決于正確的工藝路線、先進(jìn)的生產(chǎn)理念，以及持續(xù)的改進(jìn)提高。本文試圖通過(guò)對(duì)國(guó)外連鐵生產(chǎn)及技術(shù)進(jìn)展的調(diào)研，為國(guó)內(nèi)煉鐵同仁提供一些有益的信息和參考。
國(guó)外煉鐵各工藝生產(chǎn)狀況
世界煉鐵生產(chǎn)工藝分為高爐工藝、直接還原工藝，熔融還原工藝。在過(guò)去的10年里，各工藝生產(chǎn)均取得一定進(jìn)展。
高爐工藝。在過(guò)去的10余年里，在我國(guó)生鐵產(chǎn)量高速增長(zhǎng)的帶動(dòng)下，世界生鐵的總量持續(xù)增加，2014年全球高爐煉鐵的產(chǎn)量為11.795 億噸，見(jiàn)圖1。國(guó)外生鐵總產(chǎn)量基本維持不變，2014年為4.679億噸，占39.67%；我國(guó)為7.116億噸，占60.33%。
新建高爐的大型化仍是發(fā)展趨勢(shì)。韓國(guó)浦項(xiàng)建成世界最大的6000m3高爐。但行業(yè)普遍認(rèn)識(shí)到，在原燃料質(zhì)量下降和頻繁波動(dòng)的情況下，大型高爐的適應(yīng)能力存在不足。
直接還原工藝。據(jù)美國(guó)Midrex公司統(tǒng)計(jì)，世界直接還原鐵的生產(chǎn)自上世紀(jì)70年代以來(lái)，總體保持增長(zhǎng)趨勢(shì)，2013年產(chǎn)量為7522萬(wàn)噸。生產(chǎn)的工藝分為氣基和煤基，其中氣基占78.8%，煤基占21.2%。
2014年，全球直接還原鐵產(chǎn)量為6051.9萬(wàn)噸（國(guó)際鋼協(xié)統(tǒng)計(jì)，占87%），其中最大生產(chǎn)國(guó)是印度，產(chǎn)量為1806.7萬(wàn)噸。
直接還原工藝的一個(gè)新進(jìn)展是在印度JSPL的煤氣化直接還原裝置（MXCOL）建成投產(chǎn)。該裝置設(shè)計(jì)能力是180萬(wàn)噸/年，其工藝采取的是魯奇的煤氣化爐和Midrex的豎爐相結(jié)合，將煤用高壓蒸汽和氧氣進(jìn)行氣化，生產(chǎn)原料氣供氣基豎爐使用。據(jù)報(bào)道，2014年第3季度，該裝置已生產(chǎn)出金屬化率穩(wěn)定在93%的直接還原鐵產(chǎn)品。
熔融還原工藝。2013年，全球熔融還原（Corex + Finex）裝置共生產(chǎn)鐵水730萬(wàn)噸。2014年1月，韓國(guó)浦項(xiàng)又投產(chǎn)了一座200萬(wàn)噸的Finex裝置。
HIsarna工藝開(kāi)發(fā)取得進(jìn)展，所建的半工業(yè)試驗(yàn)裝置（8噸/小時(shí)）自2010年起開(kāi)展了4次試驗(yàn)，每次2個(gè)月。據(jù)報(bào)道，其結(jié)果超過(guò)期望值，煤耗已低于750kg/t。2016年計(jì)劃再開(kāi)展一次試驗(yàn)。
綜合評(píng)價(jià)，在過(guò)去的10余年里，高爐、直接還原、熔融還原各工藝的產(chǎn)量均在增加，而高爐的產(chǎn)量規(guī)模和所占的比例（含我國(guó)）均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了后兩者。這也預(yù)示著高爐煉鐵工藝的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)將長(zhǎng)期保持。
主要國(guó)家和地區(qū)的煉鐵發(fā)展?fàn)顩r
西歐
生產(chǎn)狀況。歐盟15國(guó)的生鐵產(chǎn)量已從2008年前的年產(chǎn)9000多萬(wàn)噸下降到近幾年的不足8000萬(wàn)噸，見(jiàn)圖2（2013年7690萬(wàn)噸）。高爐運(yùn)行數(shù)量由1990年的92座降低到目前的45座，但單爐產(chǎn)量則由104萬(wàn)噸/年提高到目前的171萬(wàn)噸/年。
爐料結(jié)構(gòu)。受環(huán)保因素的影響，在過(guò)去的20余年里，高爐的爐料結(jié)構(gòu)正在發(fā)生變化，見(jiàn)圖3，表現(xiàn)為高比例的燒結(jié)礦在減少，球團(tuán)礦的比例在增加。其中瑞典和芬蘭的鋼鐵企業(yè)取消了燒結(jié)機(jī)，爐料結(jié)構(gòu)為90%球團(tuán)+10%循環(huán)廢料壓塊。但燒結(jié)礦對(duì)多數(shù)廠來(lái)說(shuō)仍是主要的煉鐵原料。該地區(qū)共有29臺(tái)燒結(jié)機(jī)，平均燒結(jié)面積為288m2，最大的為589m2，最高燒結(jié)利用系數(shù)是59.5t/(m2·d)。歐洲保留燒結(jié)的原因之一是在滿足冶金性能和環(huán)保要求的前提下，燒結(jié)能夠處理循環(huán)料和廢料。
燒結(jié)煙氣治理。歐洲重視對(duì)燒結(jié)煙氣的處理，以滿足嚴(yán)格的環(huán)保要求。各燒結(jié)機(jī)均配置了高效的電除塵和布袋除塵。一些燒結(jié)機(jī)采用了活性炭/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(chǎn)生量，開(kāi)發(fā)了LEEP、EPOSINT、EOS等煙氣循環(huán)燒結(jié)工藝，并在一些燒結(jié)廠得到成功應(yīng)用。經(jīng)處理的煙氣中二口惡英的含量將低于0.4ng/m3(SPT)。
焦炭質(zhì)量。歐洲重視焦炭質(zhì)量的作用和價(jià)值，明確了焦炭的質(zhì)量要求，如CSR>65%，CRI<23%，灰分<9.0%。但客觀現(xiàn)實(shí)是，該要求越來(lái)越難以滿足，表現(xiàn)為焦炭質(zhì)量波動(dòng)大，如CSR為56%~70%，CRI為20.5%~38%，焦炭灰分為9.5%~12%。
高爐燃料比。歐洲的高爐能量利用率很高，焦比已降低到330kg/t的先進(jìn)水平。但近年來(lái)，由于高爐原料質(zhì)量的下降，燒結(jié)礦中SiO2升高，高爐渣量上升，加之煤比的增加，導(dǎo)致平均燃料比有所上升，2013年達(dá)到504.7kg/t。2014年~2015年，由于經(jīng)濟(jì)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(rèn)為已實(shí)現(xiàn)最低值(1570kg/tHM)。
綜合布料控制優(yōu)化高爐操作。西門子奧鋼聯(lián)的金屬工藝公司開(kāi)發(fā)了基于閉環(huán)裝料控制的專家系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于Linz A高爐。2013/14年度取得的運(yùn)行指標(biāo)為：高爐燃料比低于455kg/t (折算為焦炭)，鐵水Si的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.12%，利用系數(shù)大于2.8t/(m3·d)，全部爐料中的9%為0~10mm，堿負(fù)荷在4.0kg/t~4.5kg/t條件下的高爐穩(wěn)定運(yùn)行。
其他。歐洲為保證高爐的穩(wěn)定順行，對(duì)含有有害元素的鋼鐵廠各類粉塵和塵泥，如高氯高爐灰、高油軋鋼鐵鱗、高鋅轉(zhuǎn)爐塵、高堿金屬燒結(jié)除塵灰等，全部或部分限制其通過(guò)燒結(jié)循環(huán)使用。
氧氣高爐作為歐洲ULCOS項(xiàng)目的一部分，已開(kāi)展了多次試驗(yàn)，取得了焦比200kg/t、煤比175kg/t、燃料比降低24%的試驗(yàn)結(jié)果。歐洲制定了50萬(wàn)噸/年的工業(yè)試驗(yàn)計(jì)劃，但因經(jīng)濟(jì)原因現(xiàn)項(xiàng)目已停止。正在開(kāi)展的有效節(jié)能技術(shù)是高爐煤氣的頂壓發(fā)電。
北美 （美國(guó)，加拿大，墨西哥）
生產(chǎn)情況。在過(guò)去的40年里，北美的生鐵產(chǎn)量逐漸降低，見(jiàn)圖4，2014年為4200萬(wàn)噸。其主要競(jìng)爭(zhēng)者是廢鋼電爐生產(chǎn)流程。電爐鋼占半數(shù)以上，鐵鋼比僅為0.4。
企業(yè)之間開(kāi)展了大規(guī)模的整合，目前5家公司擁有44座高爐，其中29座在運(yùn)行。高爐的工作容積為900m3~4100m3。利用系數(shù)為1.9t/（WM·d）~3.9 t/（WM·d），其中最高的是AK Steel Middletown 3號(hào)高爐（1493m3）。該高爐的操作特點(diǎn)是高富氧（2013年鼓風(fēng)含氧33%）、吃金屬料(76kg廢鋼+104kgHBI/t），大量噴天然氣(115kgNG/t)。
爐料結(jié)構(gòu)。北美是以球團(tuán)礦為高爐主要爐料的地區(qū)。2014年，平均爐料組成為：92%球團(tuán)，7%燒結(jié)礦，1%塊礦。在29座高爐中，17座使用100%球團(tuán)，其中60%是堿性球團(tuán)，40%是酸性球團(tuán)。
北美保留燒結(jié)廠作為處理球團(tuán)篩下物和其他小顆粒回收物料的戰(zhàn)略舉措。如Gary鋼廠燒結(jié)廠從各種循環(huán)廢料中生產(chǎn)超高堿度燒結(jié)礦（R=2.6~2.7），含F(xiàn)e為50%。
一些高爐使用冷固結(jié)壓塊作為循環(huán)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、焦粉等制成的冷壓塊。
高爐噴吹。北美高爐煤和天然氣混噴成為技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。因美國(guó)油頁(yè)巖技術(shù)的應(yīng)用，使天然氣供應(yīng)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?；靽姷姆绞接须p槍法（每個(gè)風(fēng)口1支槍噴煤，1支槍噴天然氣），以及單槍噴煤+風(fēng)口開(kāi)孔進(jìn)天然氣的方法。
多座高爐生產(chǎn)實(shí)踐證實(shí)，高爐采用天然氣和煤混噴，比單獨(dú)噴吹天然氣，能獲得超過(guò)理論計(jì)算的更高置換比。經(jīng)分析，其原因?yàn)楦倪M(jìn)了爐內(nèi)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，降低了爐缸熱狀態(tài)波動(dòng)，提高了高爐運(yùn)行穩(wěn)定性和能量利用率。
此外，相對(duì)于噴煤時(shí)的較高理論燃燒溫度，在噴吹天然氣時(shí)，高爐在理論燃燒溫度為1760℃（3200℉）下運(yùn)行無(wú)問(wèn)題。
遠(yuǎn)程監(jiān)控、診斷及標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)（RMDS）和數(shù)據(jù)庫(kù)。該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)者是ArcelorMittal公司，其目標(biāo)是用網(wǎng)絡(luò)對(duì)全部高爐應(yīng)用RMDS（現(xiàn)1/4已聯(lián)網(wǎng)，包括北美3座高爐）。RMDS方案包括每周的視頻/網(wǎng)絡(luò)會(huì)議，參加者討論分享安全和操作經(jīng)驗(yàn)，RMDS數(shù)據(jù)可供給局部專家系統(tǒng)服務(wù)器。
一些高爐使用SACHEM專家指導(dǎo)系統(tǒng)（由ArccelorMittal和PW聯(lián)合提供），所帶來(lái)的益處是更穩(wěn)定的高爐運(yùn)行、更一致的鐵水溫度和硅含量、更低的燃料比。該專家系統(tǒng)還可用來(lái)培訓(xùn)新操作者。
其他。球團(tuán)產(chǎn)能已過(guò)剩。目前北美正在努力降低球團(tuán)成本，擴(kuò)大球團(tuán)應(yīng)用客戶，發(fā)揮球團(tuán)產(chǎn)能。
基于北美豐富的天然氣資源，直接還原鐵產(chǎn)量在增加，有3個(gè)新的氣基直接還原項(xiàng)目在建設(shè)。
日本
近年來(lái)，生鐵產(chǎn)量維持在8000萬(wàn)噸的水平（2014年為8387萬(wàn)噸）。在保持生產(chǎn)高效低耗的同時(shí)，日本企業(yè)加強(qiáng)了對(duì)污染排放控制技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。
LCC（Lime Coating Coke）技術(shù)。LCC技術(shù)是在燒結(jié)過(guò)程中，先用生石灰包裹焦粉，然后進(jìn)行制粒和燒結(jié)。該技術(shù)的開(kāi)發(fā)目的是減少燒結(jié)NOx排放。其作用機(jī)理是：加熱時(shí)，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，并起到減少NOx的催化劑作用。
該技術(shù)已于2013年4月在新日鐵住金的Oita廠應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了降低NOx排放28ppm、同時(shí)燒結(jié)產(chǎn)量增加的效果。
天然氣噴吹（超級(jí)燒結(jié)礦）。該技術(shù)由JFE開(kāi)發(fā)，方法是在燒結(jié)點(diǎn)火后再進(jìn)行表面噴吹天然氣，以改善燒結(jié)床表面層的質(zhì)量。其效果是可提高燒結(jié)礦強(qiáng)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(shù)于2009年起在東日本鐵廠Keihin地區(qū)應(yīng)用。最近，該技術(shù)改進(jìn)為Super-SinterROXY，即在噴吹天然氣的同時(shí)加入氧氣。
RCA(Reactive Coke Agglomerate)（含碳球團(tuán)）。RCA(含碳球團(tuán))的生產(chǎn)及應(yīng)用流程是：碳和鐵氧化物混合，在造球盤上制粒。經(jīng)過(guò)養(yǎng)生后，冷固結(jié)球團(tuán)裝入高爐。該球團(tuán)在高爐中的作用機(jī)理是：由于碳和氧化物的密切接觸，在較低溫度下開(kāi)始發(fā)生碳的氣化反應(yīng)，這樣，通過(guò)降低熱儲(chǔ)備區(qū)的溫度，提高高爐的反應(yīng)效率。
該技術(shù)于2012年在Oita廠應(yīng)用。含碳20%的RCA降低了還原平衡溫度，增加了煤氣利用率，降低了碳消耗。從RCA中每加1kgC/tHM，減少高爐碳耗0.36kg/tHM。
鐵焦技術(shù)。鐵焦的生產(chǎn)流程是：鐵礦和煤混合（70%煤+30%鐵礦），擠壓，制成小壓塊。壓塊在豎爐中連續(xù)炭化，形成鐵焦。鐵焦具有高反應(yīng)性，能在較低的溫度范圍內(nèi)開(kāi)始反應(yīng)，從而降低熱儲(chǔ)備區(qū)溫度，提高高爐反應(yīng)效率。
為開(kāi)發(fā)該技術(shù)，日本建設(shè)了30t/d的試驗(yàn)裝置，生產(chǎn)2100t鐵焦，并在JFE Chiba 5號(hào)高爐成功使用。
3D可視化系統(tǒng)。新日鐵利用高爐的500個(gè)冷卻壁熱電偶和20個(gè)爐身壓力傳感器的數(shù)據(jù)，做出三維可視評(píng)價(jià)和數(shù)值分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)于2007年在新日鐵住金的Nagoya廠應(yīng)用，后來(lái)在其他廠推廣。該系統(tǒng)能夠?qū)Ω郀t爐身壓力波動(dòng)和料層結(jié)構(gòu)的變化給出空間和時(shí)間序列的明確而清晰的顯示，有助于指導(dǎo)高爐操作，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行和降低燃料比。
COURSE 50的進(jìn)展。COURSE 50是日本圍繞高爐煉鐵減排CO2所開(kāi)展的一項(xiàng)綜合科研項(xiàng)目。其技術(shù)之一是鐵礦石的氫還原。所采取的方法是使用焦?fàn)t煤氣（COG）或焦?fàn)t煤氣轉(zhuǎn)化氣（RCOG），從高爐風(fēng)口噴吹或從高爐爐身噴吹。
日本在LKAB的試驗(yàn)高爐上開(kāi)展了試驗(yàn)，證實(shí)因氫還原反應(yīng)速率快，氫還原量增加。模擬計(jì)算和試驗(yàn)均表明，噸鐵的碳耗能夠降低3%。
在脫碳技術(shù)方面，日本正在開(kāi)發(fā)化學(xué)和物理吸附方法來(lái)脫除高爐煤氣中的CO2；開(kāi)發(fā)了新的化學(xué)吸附劑，能夠在較低溫度釋放CO2；可將CO2分離能耗從4GJ/t-CO2降低到2GJ/t-CO2。
該項(xiàng)目正在Kimitsu廠建設(shè)10m3試驗(yàn)高爐，該高爐帶30tCO2/d的化學(xué)吸收裝置（CAT30）。開(kāi)發(fā)的目標(biāo)是：2030年實(shí)現(xiàn)首套工業(yè)化，2050年成為替代高爐設(shè)備的技術(shù)。
韓國(guó)
韓國(guó)煉鐵工業(yè)集中在浦項(xiàng)鋼鐵廠和現(xiàn)代鋼鐵廠，2014年生鐵產(chǎn)量為4689.8萬(wàn)噸。
韓國(guó)的煉鐵技術(shù)動(dòng)向：一是高爐的大型化。從2009年的平均3325m3上升到2014年的平均4526m3（包括1座世界最大的6000m3高爐投產(chǎn)），高爐的最高日產(chǎn)達(dá)1.7萬(wàn)噸。二是Finex工藝的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，包括200萬(wàn)噸/年Finex裝置的建成投產(chǎn)，以及Finex裝置生產(chǎn)指標(biāo)的改善。浦項(xiàng)正致力于將Finex工藝作為替代高爐的工藝或聯(lián)合系統(tǒng)進(jìn)行推廣應(yīng)用。
南美地區(qū)
2014年，南美地區(qū)的生鐵產(chǎn)量是3055.8萬(wàn)噸，其中以巴西為主，占70%以上。
南美煉鐵生產(chǎn)面臨的問(wèn)題是鐵礦粉粒度下降，燒結(jié)礦硅含量上升，造成燒結(jié)產(chǎn)量下降。由此帶來(lái)高爐渣量增加，操作難度加大，燃料比升高。
對(duì)應(yīng)采取的解決方法是：燒結(jié)加強(qiáng)混合，改善燒結(jié)的透氣性；改進(jìn)焦炭的質(zhì)量，提高高爐抗高渣量的能力；在生產(chǎn)中重視設(shè)備的可靠性對(duì)生產(chǎn)的貢獻(xiàn)；強(qiáng)調(diào)操作人員觀念轉(zhuǎn)變的意義；制訂了人才培養(yǎng)計(jì)劃，目標(biāo)是操作人員具有碩士和博士學(xué)位；加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)和研發(fā)；計(jì)劃成立南美煉鐵研發(fā)中心。
其他地區(qū)。
印度的生鐵產(chǎn)量繼續(xù)保持增長(zhǎng)，2014年達(dá)到5379.7萬(wàn)噸。JSPL的某高爐在爐料硅和鋁含量均增加、焦炭灰分上升到16.3%、渣量由298kg/t上升到350kg/t的不利條件下，通過(guò)改進(jìn)爐料結(jié)構(gòu)和富氧等多種措施，利用系數(shù)從2.53t/(m3·d)提高到2.97t/(m3·d)，高爐燃料比僅增加15kg/t(從511kg/t 增加到526kg/t)。
俄羅斯煉鐵生產(chǎn)則相對(duì)保持穩(wěn)定，2014年生鐵產(chǎn)量為5148萬(wàn)噸。高爐普遍噴吹天然氣，噴吹量為60m3/t~120m3/t，置換比為0.7kg/m3~0.8kg/m3。
南非作為非洲的代表，2014年生鐵產(chǎn)量?jī)H為505萬(wàn)噸。
綜上所述，全球的煉鐵工業(yè)仍在發(fā)展中。國(guó)外高爐工藝的總產(chǎn)量多年保持平穩(wěn)，其比例仍占絕大部分。直接還原工藝的產(chǎn)量保持增長(zhǎng)，并在工藝路線上努力尋求突破。熔融還原工藝中的Finex工藝取得新進(jìn)展。
盡管先進(jìn)國(guó)家的生鐵產(chǎn)量在下降，圍繞高爐工藝的技術(shù)改進(jìn)工作在持續(xù)進(jìn)行。主要熱點(diǎn)包括：適應(yīng)原燃料質(zhì)量變化的爐料結(jié)構(gòu)研究，結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模型和專家系統(tǒng)的高爐工藝控制技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，煉鐵污染物排放控制技術(shù)，以及以日本COURSE 50為代表的高爐減排CO2工藝技術(shù)等。作為煉鐵大國(guó)，上述技術(shù)動(dòng)向均值得我國(guó)煉鐵工作者關(guān)注和重視。