JFE煉鐵技術(shù)動(dòng)向
作者：佚名發(fā)布時(shí)間：1970-01-01
從2003年JFE起步至今已有5年，在這期間，以中國(guó)為代表的金磚四國(guó)（巴西、印度、中國(guó)、俄羅斯）和南美的經(jīng)濟(jì)發(fā)展備受矚目，對(duì)煉鐵行業(yè)的上下游市場(chǎng)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，特別表現(xiàn)為鐵礦石、煤炭?jī)r(jià)格波動(dòng)劇烈，粗鋼產(chǎn)量增長(zhǎng)迅猛。另外，防止全球氣候變暖的《京都議定書》已經(jīng)生效，日本鋼鐵聯(lián)盟制定的自主行動(dòng)計(jì)劃的減排目標(biāo)是：與1990年相比，能源使用量必須削減10%，作為鋼鐵工業(yè)CO2排放量最大的煉鐵業(yè)，必須大幅削減CO2的排放量。本文圍繞煉鐵業(yè)過去10年間的環(huán)境變化及JFE煉鐵技術(shù)動(dòng)向進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
1.煉鐵業(yè)的市場(chǎng)變化及技術(shù)開發(fā)
1.1煉鐵業(yè)上下游市場(chǎng)變化
世界粗鋼產(chǎn)量、日本粗鋼產(chǎn)量的變化如圖1所示。1990年世界粗鋼產(chǎn)量在7～8億t/a之間，日本粗鋼產(chǎn)量一直維持在不足1億t/a。在原燃料品質(zhì)惡化、鋼材價(jià)格下跌的嚴(yán)峻經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，煉鐵業(yè)進(jìn)行了以增大高爐煤氣產(chǎn)生量可削減能源成本，使用低價(jià)低質(zhì)燃料為目標(biāo)的技術(shù)開發(fā)。
2000年由于中國(guó)粗鋼產(chǎn)量急劇上升，世界粗鋼產(chǎn)量超過8億t/a，2007年達(dá)到13.4億t/a。隨著鋼鐵需求的旺盛，日本粗鋼產(chǎn)量達(dá)到1.2億t/a，為應(yīng)對(duì)需求的增長(zhǎng)，日本進(jìn)行了高爐的集約化，使高爐出鐵比大幅增加。圖2是日本高爐運(yùn)轉(zhuǎn)的座數(shù)、出鐵比的發(fā)展變化。
過去十年，為應(yīng)對(duì)瞬息萬(wàn)變的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)，高爐、燒結(jié)、煉焦、環(huán)保領(lǐng)域在技術(shù)開發(fā)及實(shí)用化方面取得了如下成果：
1.2高爐技術(shù)開發(fā)
90年代，各制鐵所運(yùn)行著以降低能源成本為目的的煤氣多發(fā)型高回爐料比作業(yè)。圖3所示的是高回爐料比作業(yè)情況。高回爐料比作業(yè)是以降低焦炭成本為目的開發(fā)的微煤粉多量噴吹技術(shù)，它是偏心雙重噴吹技術(shù)與爐料分布控制技術(shù)等相結(jié)合的綜合成果，西日本制鐵所（福山地區(qū)）的３號(hào)高爐噴吹量達(dá)到266kg/t，同地區(qū)3號(hào)高爐以外的2～5號(hào)高爐的噴吹量達(dá)到210kg/t。另外，為保證臨界狀態(tài)高爐的穩(wěn)定作業(yè)，開發(fā)了連續(xù)測(cè)量高爐出鐵溫度的FIMPIT（Fiber in metallic tube for pigiron temperature）消耗型光纖溫度計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用（表１）。
表1. 高爐開發(fā)的主要技術(shù)
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流程 技術(shù)
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爐料裝料 3PB裝料系統(tǒng)
高比例焦炭混合裝料
風(fēng)口噴吹 高PC噴吹
LNG噴吹
過程控制 FIMPIT
爐渣含量模型
技術(shù)改造 短時(shí)改造
鑄銅冷卻壁
高爐壽命延長(zhǎng)
基本原理 DEM固體流量模型
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自2000年以來，為適應(yīng)上述情況的變化，努力尋求降低鐵水成本，從煤氣多發(fā)型作業(yè)向低回爐料比作業(yè)轉(zhuǎn)換，2007年的回爐料比比以往降低10%。
低回爐料比作業(yè)要求提高爐頂煤氣利用率，JFE開發(fā)了專有技術(shù)——在高爐改造時(shí)安裝3PB（3 parallel bunker）料鐘系統(tǒng)（由3個(gè)并列漏斗組成的裝料裝置），這種裝置可分批次裝料，同時(shí)結(jié)合具有分切篩選功能的多量混合裝入技術(shù)，東日本制鐵所（千葉地區(qū)）開發(fā)的120kg焦炭/t混合裝料技術(shù)已在其6號(hào)高爐實(shí)施應(yīng)用。另外，還開發(fā)了測(cè)定爐底鐵水、爐渣殘留量的數(shù)學(xué)模型，為穩(wěn)定高爐作業(yè)做出了貢獻(xiàn)。
東日本制鐵所（京濱地區(qū)）開發(fā)的含有高氫的LNG（液化天然氣）噴吹技術(shù)，在2號(hào)高爐的應(yīng)用表明可有效降低回爐料比、提高出鐵比、抑制CO2的排放，LNG富氧噴吹的補(bǔ)進(jìn)技術(shù)于2005年實(shí)施應(yīng)用。
2007年，JFE共有9座高爐在運(yùn)行，其中東日本制鐵所的千葉、京濱地區(qū)各有１座。縮短大修改造時(shí)間是個(gè)重大管理難題，為此JFE開發(fā)了大組團(tuán)式循環(huán)工藝專有技術(shù)，
1998年在東日本制鐵所（千葉地區(qū)）6號(hào)高爐大修改造時(shí)初次使用；隨后，西日本制鐵所（倉(cāng)敷地區(qū)）4號(hào)高爐、2號(hào)高爐，福山地區(qū)5號(hào)高爐、4號(hào)高爐大修改造時(shí)也應(yīng)用了這項(xiàng)技術(shù)，取得了顯著成效。經(jīng)大修改造的東日本制鐵所（千葉地區(qū)）的6號(hào)高爐創(chuàng)造了20年零6個(gè)月的長(zhǎng)壽記錄。
1.3燒結(jié)技術(shù)開發(fā)
燒結(jié)原料中低品位礦石的配比變化如圖4所示。從節(jié)省運(yùn)費(fèi)的角度出發(fā)，礦石進(jìn)口地從原來的南美轉(zhuǎn)移到澳洲，但由于澳洲優(yōu)質(zhì)赤鐵礦的枯竭，低品位礦石如高結(jié)晶水礦石等的配比增加到65%。
高結(jié)晶水礦石中結(jié)晶水含量高達(dá)6%～10%，導(dǎo)致燒結(jié)礦為多孔質(zhì)、粉末多、強(qiáng)度低，燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)效率低等問題（圖5）。
為提高燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)效率，對(duì)燒結(jié)機(jī)上料焦炭進(jìn)行強(qiáng)化偏析粒度的技術(shù)開發(fā)等（表2）。
表2. 燒結(jié)開發(fā)的主要技術(shù)
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流程 技術(shù)
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造粒工藝 HPS
石灰石和焦炭粉涂敷造粒
裝料裝置 偏析光隙金屬絲法
磁性裝料斗
燒結(jié)機(jī) 底層滲透縫隙
燒結(jié)臺(tái)車寬度擴(kuò)張
廢氣處理 活性炭處理
燒結(jié)質(zhì)量 低SiO2燒結(jié)
降低RDI
基本原理和其他 高溫Ｘ射線CT分析
造粒數(shù)學(xué)模型
連續(xù)式卸載機(jī)
無(wú)人操作系統(tǒng)
創(chuàng)新工藝 預(yù)還原燒結(jié)礦
分離造粒
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裝入弧狀金屬絲進(jìn)行強(qiáng)化偏析的SSW（Segregating slit wire）偏析光隙金屬絲法開發(fā)并應(yīng)用于西日本制鐵所5號(hào)燒結(jié)機(jī)。另外，在裝料斗的背面配置永磁材料，可以降低燒結(jié)原料的下落速度，這種制動(dòng)式裝料法是由西日本制鐵所（倉(cāng)敷地區(qū)）開發(fā)并實(shí)施應(yīng)用于其3號(hào)燒結(jié)機(jī)；隨后，該所的2號(hào)、4號(hào)燒結(jié)機(jī)、東日本制鐵所（京濱地區(qū)）1號(hào)燒結(jié)機(jī)也采用了這項(xiàng)技術(shù)。原料中高結(jié)晶水最適宜的配比采用層內(nèi)偏析法解決，且相應(yīng)的裝料裝置已被采用。創(chuàng)新的造粒技術(shù)HPS(hybrid pelletized sinter)
混合球團(tuán)燒結(jié)工藝，即充分利用顆粒狀粉礦中的細(xì)粉，已在西日本制鐵所（福山地區(qū)）5號(hào)燒結(jié)機(jī)應(yīng)用，位于巴西的Belgo Mineira制鐵所也采用了這一工藝。
石灰石和焦炭粉涂敷造粒法是從現(xiàn)有的滾筒攪拌機(jī)后端噴涂石灰石粉、焦炭粉進(jìn)行造粒的技術(shù)，因?yàn)樵谑沂酆徒固糠郾砻嫔系臏?zhǔn)粒子，能夠聚集赤鐵礦各殘留粒子并形成鐵酸鈣。該法適用于小規(guī)模的設(shè)備改造，西日本制鐵所（倉(cāng)敷地區(qū)）的2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)燒結(jié)機(jī)，福山地區(qū)的4號(hào)燒結(jié)機(jī)也采用了這項(xiàng)技術(shù)，東日本制鐵所（千葉地區(qū)）的４號(hào)燒結(jié)機(jī)準(zhǔn)備采用該技術(shù)。
擴(kuò)大燒結(jié)產(chǎn)量的根本方法是擴(kuò)寬機(jī)架，延長(zhǎng)機(jī)身。
作為強(qiáng)化燒結(jié)的基礎(chǔ)技術(shù)，使用高溫X射線－CT掃描進(jìn)行熔融、燒結(jié)反應(yīng)分析，構(gòu)建造粒數(shù)學(xué)模型。
CO2的減排要求給PRA (Pre-reduced agglomerates)
部分預(yù)還原燒結(jié)礦工藝制造了挑戰(zhàn)，即通過該工藝要使燒結(jié)礦還原率達(dá)到60%。
優(yōu)質(zhì)赤鐵礦的枯竭導(dǎo)致高結(jié)晶水礦石配比增大，原料的粉末化、多孔質(zhì)，粉末中的Al2O3含量不斷增加，因此必須持續(xù)著眼于提高生產(chǎn)效率、降低還原粉化指數(shù)（RDI）等提高產(chǎn)品質(zhì)量的技術(shù)開發(fā)。
1.4煉焦技術(shù)開發(fā)
90年代，為降低焦炭生產(chǎn)成本，在一定程度上犧牲了焦炭強(qiáng)度并努力減少?gòu)?qiáng)粘結(jié)煤。圖6是非/微粘結(jié)煤等低價(jià)劣質(zhì)煤的配比率及焦炭強(qiáng)度的變化趨勢(shì)。為抑制劣質(zhì)煤配比的增加造成焦炭強(qiáng)度的降低，綜合使用高級(jí)粉碎控制、高級(jí)配比模型、添加惰性物質(zhì)擴(kuò)大粒徑的高級(jí)技術(shù)。
焦?fàn)t壽命的延長(zhǎng)導(dǎo)致老焦?fàn)t的強(qiáng)迫惡化。為此開發(fā)的技術(shù)對(duì)策是引入大型溶射裝置，利用CVD(Chemical vapor deposition)化學(xué)蒸鍍技術(shù)對(duì)耐火材料的細(xì)微連續(xù)龜裂進(jìn)行修補(bǔ)；高溫更換砌筑耐火材料技術(shù)；焦?fàn)t爐壁的管理技術(shù)等（表3）。
表3. 煉焦開發(fā)的主要技術(shù)
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流程 技術(shù)
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煤預(yù)處理 先進(jìn)的破碎控制
煤混勻 先進(jìn)的混勻模型
控制焦炭粒徑用的惰性添加劑
延長(zhǎng)壽命 大型火焰噴射裝置
焦?fàn)t爐墻的熱修補(bǔ)技術(shù)
CVD技術(shù)修補(bǔ)爐壁
間隙管理系統(tǒng)
自動(dòng)控制 焦?fàn)t設(shè)備的高速自動(dòng)化操作
在線監(jiān)測(cè)配煤粒度
環(huán)境保護(hù) 配有低NOx排放煙道的焦?fàn)t
基本原理和創(chuàng)新工藝 高溫核磁共振的煤質(zhì)鑒定
煉焦煤精細(xì)涂敷
鐵碳復(fù)合工藝
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眾所周知，提高焦炭反應(yīng)性可降低高爐回爐料比?，F(xiàn)在已經(jīng)著手開發(fā)通過鐵的觸媒效果提高焦炭反應(yīng)性的CIC（Carbon iron composite）鐵碳復(fù)合工藝，該工藝是以非/微粘結(jié)煤為主的煤炭與鐵礦石經(jīng)混合、成型、干餾形成含鐵的高反應(yīng)性炭材。
在日本高速發(fā)展期建設(shè)的舊焦?fàn)t面臨更新、煤炭?jī)r(jià)格暴漲的形勢(shì)下，要保證高出鐵比的穩(wěn)定作業(yè)，今后在煉焦領(lǐng)域所要研究的就是高強(qiáng)度焦炭的生產(chǎn)等。
1.5環(huán)保新工藝
根據(jù)自主行動(dòng)計(jì)劃，制鐵所對(duì)廢塑料的使用追加了1.5%，2000年容器包裝循環(huán)法實(shí)施后，使用量急劇增加。自1996年以來，JFE在東日本制鐵所（京濱地區(qū)）的1號(hào)高爐（現(xiàn)在的2號(hào)高爐）、西日本制鐵所（福山地區(qū)）的3號(hào)、4號(hào)高爐，分別實(shí)施了高爐噴吹廢塑料技術(shù)。為控制噴吹塑料廢棄物時(shí)高爐透氣性的惡化，進(jìn)行了造粒粒子強(qiáng)度、灰分成分控制的相關(guān)研究。
另外，還開發(fā)了與細(xì)粉煤燃燒性能一樣的廢塑料粉末化的先進(jìn)技術(shù)（APR），2007年始用于東日本制鐵所。
報(bào)廢汽車的剪斷粉末化循環(huán)技術(shù)，利用廢棄木材制造活性炭，廢木材的高爐噴吹，氟利昂的感應(yīng)加熱分解等各種循環(huán)技術(shù)的開發(fā)，正在努力研究當(dāng)中，均處于試驗(yàn)階段。利用回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行聚氯乙烯脫氯技術(shù)在京濱地區(qū)已實(shí)現(xiàn)小規(guī)模應(yīng)用。
轉(zhuǎn)爐冶煉不銹鋼的過程中，Cr礦石熔融還原時(shí)產(chǎn)生的粉塵中含有約9%的Cr，作為二次資源具有非常高的回收價(jià)值。在千葉地區(qū)，再資源化不銹鋼粉塵的STAR爐于1994年開始運(yùn)行，每天可生產(chǎn)約200t含Cr鐵水。
為不再使用價(jià)格昂貴的強(qiáng)粘結(jié)煤，已開發(fā)出用礦粉直接生產(chǎn)高純度金屬鐵的冶煉工藝。2001年，獨(dú)立行政法人新能源.
產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)作為基礎(chǔ)研究促進(jìn)事業(yè)，安置了Hi-QIP（high quality iron pebble）高品位粒狀鐵試驗(yàn)設(shè)備，該工藝是在回轉(zhuǎn)爐床上鋪敷粉煤，再在上面裝入礦粉，進(jìn)行加熱、還原、熔融生產(chǎn)不含礦渣的高純度金屬鐵，這項(xiàng)研究還在進(jìn)行當(dāng)中，其大型化、產(chǎn)業(yè)化的可能性尚在探索過程中。
煉鐵工藝減排CO2、增加活性炭原材料等生物質(zhì)原料的使用、加大使用廢塑料是今后發(fā)展的必然趨勢(shì)。另外，對(duì)價(jià)格暴漲的Cr、Ni、Zn等金屬資源的有效利用，制鐵所以及社會(huì)對(duì)二次金屬資源的回收技術(shù)的需求將越來越高。
2.結(jié)束語(yǔ)
過去10年間，煉鐵行業(yè)的上下游市場(chǎng)環(huán)境發(fā)生了劇烈變化，高爐作業(yè)也發(fā)生了巨大變化。巴西、中國(guó)、印度鋼鐵工業(yè)的發(fā)展造成煤炭、鐵礦石資源的緊張，根據(jù)全球氣候變暖的國(guó)際公約《京都議定書》制定的自主行動(dòng)計(jì)劃對(duì)CO2減排的要求，促使今后必須進(jìn)行新技術(shù)的開發(fā)。
