近二十年日本煉鐵技術(shù)發(fā)展回顧

近二十年日本煉鐵技術(shù)發(fā)展回顧

21世紀(jì)的最初20年是鋼鐵工業(yè)發(fā)展跌宕起伏的20年。世界各國(guó)鋼鐵工業(yè)的重組加快，全球?qū)︿摬男枨蟮脑黾?，?dǎo)致鐵礦石和冶金煤等鋼鐵生產(chǎn)原料價(jià)格大幅波動(dòng)。尤其是，世界環(huán)保問(wèn)題已被放在了更加重要的位置，CO2排放控制比以往更加嚴(yán)格。為應(yīng)對(duì)這些課題，日本煉鐵技術(shù)部門進(jìn)行了不懈的努力。本文就近二十年日本煉鐵技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)回顧。1近二十年的煉鐵環(huán)境進(jìn)入2000年代，日本鋼鐵工業(yè)進(jìn)入了合并重組時(shí)代。世界鋼鐵需求劇增，隨之，作為鋼鐵原料的優(yōu)質(zhì)鐵礦石和冶金煤的供應(yīng)出現(xiàn)了瓶頸，鋼鐵原燃料價(jià)格因供需不平衡出現(xiàn)了大幅波動(dòng)。在這二十年里，日本的生鐵和粗鋼產(chǎn)量沒(méi)有大的變化。與二十世紀(jì)九十年代相比，鋼材出口比例有所增加。在這種形勢(shì)下，日本煉鐵技術(shù)部門為提高國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，開發(fā)了提高煉鐵生產(chǎn)效率、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命的技術(shù)；為應(yīng)對(duì)鋼鐵原料價(jià)格的高漲，開發(fā)了廉價(jià)劣質(zhì)資源利用技術(shù)；為應(yīng)對(duì)環(huán)保問(wèn)題，開發(fā)了節(jié)能技術(shù)。22000年代煉鐵的主要應(yīng)用技術(shù)在高爐方面，隨著計(jì)測(cè)和計(jì)算科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用了各種傳感技術(shù)和模擬技術(shù)。為提高高爐的操作精度，開發(fā)了各種提高燒結(jié)礦質(zhì)量的技術(shù)，同時(shí)，采用了各種降低還原劑比的技術(shù)，如裝入含碳團(tuán)礦降低高爐熱保存帶溫度和在鐵礦石中混合裝入大量焦炭，并噴吹城市煤氣。在高爐入爐原料方面，還使用了球團(tuán)礦和還原鐵等。在高爐風(fēng)口噴吹技術(shù)方面，為提高粉煤噴吹量，推進(jìn)了粉煤噴吹技術(shù)和噴吹設(shè)備的開發(fā)，還開發(fā)了噴吹轉(zhuǎn)爐渣的技術(shù)。尤其是，各種高爐長(zhǎng)壽化技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用取得進(jìn)步。在原料和燒結(jié)方面，為提高資源應(yīng)對(duì)能力和生產(chǎn)效率，應(yīng)用了各種制粒技術(shù)和提高裝料溜槽功能的技術(shù)。尤其是，作為環(huán)保和節(jié)能的應(yīng)對(duì)技術(shù)，開發(fā)和應(yīng)用了向燒結(jié)機(jī)噴吹碳?xì)錃怏w和使用CaO改質(zhì)的粉焦減少NOx排放等新技術(shù)。在煉焦方面，SCOPE爐已開始應(yīng)用，除了進(jìn)行焦?fàn)t的新建和改造外，還開發(fā)和應(yīng)用了各種應(yīng)對(duì)焦?fàn)t老化的觀察、診斷、修補(bǔ)技術(shù)。3高爐技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用狀況3.1高爐生產(chǎn)過(guò)程的觀測(cè)和預(yù)測(cè)技術(shù)近年來(lái)，科學(xué)觀察和預(yù)測(cè)高爐生產(chǎn)過(guò)程的技術(shù)取得了很大發(fā)展，尤其是在觀察和預(yù)測(cè)高爐爐料輸送和投放時(shí)的狀況方面。采用實(shí)際高爐1/3規(guī)模的試驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)際高爐測(cè)定，并采用DEM（離散元法）進(jìn)行模擬試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行爐料分布推定模擬技術(shù)的開發(fā)。另外，在實(shí)際高爐原料輸送過(guò)程中，采用了射頻識(shí)別（RFID）標(biāo)簽進(jìn)行計(jì)測(cè)。爐內(nèi)流動(dòng)、傳熱和反應(yīng)的三維非定常數(shù)學(xué)模型的開發(fā)，解決了高爐內(nèi)部實(shí)際狀況難以觀察的問(wèn)題。高爐爐內(nèi)料層結(jié)構(gòu)的模型、高爐爐底和爐墻耐火材料侵蝕預(yù)測(cè)模型、風(fēng)口回旋區(qū)評(píng)價(jià)離散元模型的開發(fā)，有效提高了高爐操作效率并延長(zhǎng)了高爐壽命。此外，還利用宇宙射線μ子對(duì)生產(chǎn)中的高爐內(nèi)部進(jìn)行了直接觀察的試驗(yàn)。高爐操作數(shù)據(jù)的可視化和解析技術(shù)，可以更好地觀察和認(rèn)知爐內(nèi)狀況，并得到了應(yīng)用。2007年日本制鐵名古屋廠引進(jìn)了3D-VENUS裝置，該裝置通過(guò)設(shè)置在爐體立式冷卻壁中的溫度傳感器和檢測(cè)爐料填充狀況及煤氣流動(dòng)的爐身壓力傳感器獲得數(shù)據(jù)，并以秒為單位進(jìn)行三維數(shù)據(jù)化表示。近年來(lái)，數(shù)據(jù)利用、人工智能（AI）和IT技術(shù)發(fā)展顯著，若利用這些技術(shù)，高爐操作技術(shù)有望得到進(jìn)一步的發(fā)展。3.2降低還原劑比的技術(shù)應(yīng)用控制熱保存帶溫度、降低還原劑比的技術(shù)已取得很大進(jìn)展。例如，使用混合鐵原料和碳材料的含碳球團(tuán)（RCA），通過(guò)氧化鐵和碳的相鄰配置，使碳從低溫開始發(fā)生氣化，從而降低高爐的熱保存帶溫度，提高高爐的還原效率。該技術(shù)在2012年應(yīng)用于日本制鐵大分廠，實(shí)踐表明，使用RCA可有效降低還原劑比。而且，熱壓含碳球團(tuán)具有與RCA相同的降低還原劑比的效果。此外，在礦石層中混合裝入大量焦炭，可有效抑制礦石在軟融帶的熔融收縮，保持料層的空隙，提高爐內(nèi)料層的透氣性。該技術(shù)已應(yīng)用于JFE鋼鐵公司千葉廠6號(hào)高爐。由于燒結(jié)礦和塊焦是同時(shí)從爐頂兩個(gè)料倉(cāng)下料，為抑制爐料偏析，采取了從爐中心向爐周圍裝入的逆傾動(dòng)裝料法。另外，采用流量調(diào)整閥（FCG）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制礦石和焦炭的下料量。JFE鋼鐵公司京濱廠2號(hào)高爐通過(guò)噴吹含氫量高的天然氣促進(jìn)還原，確保軟融帶保持空隙，由此可大大提高高爐下部的透氣性。3.3大量使用球團(tuán)礦的技術(shù)神戶制鋼公司加古川廠2號(hào)高爐進(jìn)行了配加70%球團(tuán)礦操作的試驗(yàn)，并在神戶制鋼公司神戶廠3號(hào)高爐進(jìn)行了全球團(tuán)礦操作的試驗(yàn)（球團(tuán)礦73%、塊礦27%）。采用中心加焦會(huì)形成中心氣流，噴吹粉煤可進(jìn)行低熱流比操作，由此改善還原停滯的現(xiàn)象。此外，為使高爐周圍的低堿度球團(tuán)礦配比低于30%，開發(fā)了按時(shí)間序列控制球團(tuán)礦下料的技術(shù)。3.4風(fēng)口噴吹技術(shù)開發(fā)了大量噴吹粉煤的技術(shù)。例如，為提高粉煤燃燒率，開發(fā)了雙噴煤槍方式；為防止風(fēng)口的壓力損失變化及確保風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)的燃燒，開發(fā)了新型風(fēng)口等。另外，為降低風(fēng)口同旋區(qū)深處“鳥巢”部的爐渣黏度，促進(jìn)爐渣滴下，在神戶制鋼公司神戶廠進(jìn)行了噴吹轉(zhuǎn)爐渣操作，由此改善了透氣性，降低了焦比。3.5高爐長(zhǎng)壽技術(shù)日本制鐵和歌山廠5號(hào)高爐至2019年1月18日停爐共連續(xù)生產(chǎn)了11289天，創(chuàng)高爐連續(xù)生產(chǎn)天數(shù)的世界紀(jì)錄。高爐長(zhǎng)壽技術(shù)主要有以下幾項(xiàng)：一是開發(fā)立式冷卻壁更換技術(shù)；二是開發(fā)爐底耐火材料侵蝕控制技術(shù)；三是開發(fā)高爐模擬技術(shù)等。表1匯總了近二十年日本開發(fā)的高爐技術(shù)。4原料和燒結(jié)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用4.1提高鐵礦資源應(yīng)對(duì)能力和生產(chǎn)率的技術(shù)對(duì)世界可開采的鐵礦石資源的變化，已有各種應(yīng)對(duì)措施，但很難提高細(xì)粉礦的使用比例。在燒結(jié)配料中，提高細(xì)粉礦的配比會(huì)導(dǎo)致準(zhǔn)粒子粒度的下降，阻礙燒結(jié)料層的透氣性，造成燒結(jié)生產(chǎn)率的下降。改善燒結(jié)料層透氣性的技術(shù)很多，下面介紹主要的制粒技術(shù)。日本制鐵鹿島廠、和歌山廠和小倉(cāng)廠采用了RFMEBIOS法。把篩分后的粗粒返礦在沒(méi)有制粒的情況下，通過(guò)旁路添加到制粒后的燒結(jié)原料中，提高了除干燥返礦外的燒結(jié)原料的水分，強(qiáng)化了制粒性能。同時(shí)添加干燥顆粒，可以提高顆粒間的摩擦力，確保料層的空隙，因此改善了燒結(jié)料層的透氣性，提高燒結(jié)生產(chǎn)率4%。為提高制粒性差的微粉添加量，開發(fā)和應(yīng)用了以微粒作制粒黏結(jié)劑的制粒技術(shù)。一是采用由干式滾壓粉碎工藝和高分子分散劑（有機(jī)黏結(jié)劑）的微粒子分散工藝構(gòu)成的SPExⅡ生產(chǎn)線進(jìn)行制粒的方法。利用被高分子分散劑分散到粉礦石空隙中粒度小于10μm的超細(xì)粒子在干燥過(guò)程中再排列后產(chǎn)生的黏結(jié)力進(jìn)行劣質(zhì)原料的利用。二是在立式濕式球磨機(jī)中，利用微粒子黏結(jié)劑進(jìn)行制粒的方法。在水中將鐵礦石粉碎，再將微粒子黏結(jié)劑添加到礦漿中，能有效地把微粒子黏結(jié)劑分散到粉礦石間，不使用高價(jià)的分散劑就能形成堅(jiān)固的粒狀物。該技術(shù)應(yīng)用于日本制鐵和歌山廠后，在粉礦石使用量為13.3%的情況下，可提高燒結(jié)生產(chǎn)率2.4%。JFE鋼鐵公司采用了外裏石灰石和粉焦的制粒技術(shù)。該技術(shù)的特征是從滾筒式攪拌機(jī)后面裝入粉焦和石灰石，使其粘附在以鐵礦石為主體的準(zhǔn)粒子外側(cè)。石灰石粘附在準(zhǔn)粒子表面，使許多還原性高的原生赤鐵礦殘留下來(lái)，從而提高燒結(jié)礦的還原性。同時(shí)，鐵酸鈣在原生赤鐵礦間會(huì)形成高強(qiáng)度粘結(jié)，可提高燒結(jié)礦合格率，改善燒結(jié)過(guò)程中熔液的流動(dòng)性，提高熔融帶的透氣性，提高燒結(jié)生產(chǎn)率。尤其是采用外裏粉焦的制粒技術(shù)，改善了粉焦的燃燒性，通過(guò)低溫?zé)Y(jié)可提高燒結(jié)礦的還原性。此外，許多煉鐵廠采用了延長(zhǎng)燒結(jié)機(jī)長(zhǎng)度和增加燒結(jié)小車寬度等提高設(shè)備生產(chǎn)能力的技術(shù)。利用提高燒結(jié)料層透氣性的技術(shù)進(jìn)行厚料層燒結(jié)，有助于提高燒結(jié)生產(chǎn)率。4.2應(yīng)對(duì)環(huán)保的技術(shù)為滿足燒結(jié)的環(huán)保要求，減少NOx排放的技術(shù)非常重要。雖然在燒結(jié)機(jī)外采用脫硝設(shè)備處理NOx的技術(shù)已普及，但存在設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用和可變費(fèi)用高的問(wèn)題。為此，開發(fā)了對(duì)NOx產(chǎn)生源的粉焦進(jìn)行改質(zhì)的LCC技術(shù)。該技術(shù)先用生石灰包裹粉焦，然后進(jìn)行制粒和燒結(jié)，于2013年應(yīng)用于日本制鐵大分廠，減少NOx排放量15%，提高燒結(jié)礦合格率1.1%，提高燒結(jié)生產(chǎn)率0.6t/（d·m2）。為彌補(bǔ)燒結(jié)料層上部熱量不足的問(wèn)題，采用了向燒結(jié)料層噴吹碳?xì)錃怏w的技術(shù)。向燒結(jié)料層表層噴吹碳?xì)錃怏w，可在不提高燒結(jié)料層內(nèi)最高溫度的情況下，延長(zhǎng)燒結(jié)料層內(nèi)1200-1400℃溫度區(qū)域的保持時(shí)間，一面進(jìn)行液相燒結(jié)，一面使強(qiáng)度和還原性好的鐵酸鈣殘留下來(lái)，并保持1μm的細(xì)氣孔，由此可生產(chǎn)強(qiáng)度高、還原性好的燒結(jié)礦。該技術(shù)使用城市煤氣作為碳?xì)錃怏w，并在燒結(jié)機(jī)上靠近點(diǎn)火爐，沿?zé)Y(jié)機(jī)長(zhǎng)度1/3范圍內(nèi)，設(shè)置噴吹城市煤氣用的虹吸罩，將一定量的都市煤氣混合到下方抽吸的氣體中。表2匯總了近二十年日本開發(fā)的鐵礦石燒結(jié)技術(shù)。5煉焦技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用5.1提高煉焦資源應(yīng)對(duì)能力和生產(chǎn)率的技術(shù)資源匱乏的日本率先在世界上開發(fā)和應(yīng)用了煤調(diào)濕、煤干燥加粉煤成型技術(shù)等煉焦預(yù)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了廉價(jià)劣質(zhì)的非黏結(jié)煤的大量使用。為滿足節(jié)能要求，提高應(yīng)對(duì)煤炭資源匱乏的能力及環(huán)保需求，提高煉焦生產(chǎn)率，日本積極推進(jìn)新型焦炭生產(chǎn)工藝——SCOPE21的開發(fā)。該項(xiàng)目于1994年開始進(jìn)行研究，2002-2003年在日本制鐵名古屋廠進(jìn)行中試設(shè)備的生產(chǎn)試驗(yàn)，2008年開始在大分廠5號(hào)焦?fàn)t應(yīng)用，2013年在名古屋廠5號(hào)焦?fàn)t應(yīng)用。SCOPE21工藝就是在對(duì)粉煤進(jìn)行干燥的同時(shí)，篩分出粗粒煤和粉煤，然后進(jìn)行快速加熱處理，在約250℃的溫度下裝入焦?fàn)t。該工藝不僅可使低品位原料煤的使用比例大幅提高至50%，而且生產(chǎn)率比現(xiàn)有焦?fàn)t提高1.7倍，減少CO2排放10-20萬(wàn)噸/年。5.2延長(zhǎng)焦?fàn)t壽命的技術(shù)目前，日本焦?fàn)t的平均爐齡高達(dá)40年，在采用SCOPE21等焦炭生產(chǎn)新工藝的同時(shí)，進(jìn)行了停爐焦?fàn)t復(fù)產(chǎn)、現(xiàn)有焦?fàn)t改造及生產(chǎn)維護(hù)，持續(xù)推進(jìn)焦?fàn)t長(zhǎng)壽化技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t的長(zhǎng)壽化，需早期發(fā)現(xiàn)爐壁的損傷部位并定量診斷，實(shí)施計(jì)劃修補(bǔ)，但以往的炭化室修補(bǔ)主要靠操作人員目視觀察進(jìn)行人工修補(bǔ)。為解決此問(wèn)題，開發(fā)了熱態(tài)下對(duì)爐壁進(jìn)行高精度診斷和修補(bǔ)的裝置（DOC：DoctorofCokeOven），并于2003年應(yīng)用于日本制鐵大分廠。其后，在日本制鐵其他廠相繼應(yīng)用DOC。近年來(lái)，隨著DOC技術(shù)的進(jìn)一步提升，不僅可以應(yīng)用于爐下部的修補(bǔ)，還可以應(yīng)用于爐壁破孔的修補(bǔ)。還開發(fā)了根據(jù)焦?fàn)t爐壁觀察圖像得出的爐壁凹凸情況，推定推焦負(fù)荷的技術(shù)。此外，隨著非連續(xù)體結(jié)構(gòu)解析方法在焦?fàn)t耐火磚結(jié)構(gòu)解析的應(yīng)用，已能對(duì)焦?fàn)t不同類型耐火磚結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，依照科學(xué)的方法弄清耐火磚老化后產(chǎn)生裂紋貫穿的機(jī)理和爐壁破孔發(fā)生的機(jī)理。日本除了采用常規(guī)的炭化室內(nèi)觀察裝置、焦?fàn)t寬度測(cè)定裝置、爐壁噴補(bǔ)裝置和燃燒室觀察裝置等觀察、修補(bǔ)技術(shù)外，在延長(zhǎng)老化的焦?fàn)t壽命的技術(shù)研究方面也取得了很大的進(jìn)展。在焦?fàn)t操作方面，爐壁損傷和爐壁發(fā)生桔皮狀缺陷的老化焦?fàn)t的炭化室爐壁粘附的碳會(huì)影響推焦負(fù)荷，因此，對(duì)老化的焦?fàn)t采取更合理的管理是很重要的。日本制鐵名古屋廠采用碳化控制裝置，將廢氣中的CO2濃度作為爐壁碳的粘附狀況指標(biāo)，調(diào)整碳化焚燒時(shí)間，控制推焦負(fù)荷。另外，對(duì)裝煤到推焦時(shí)爐壁的變位和炭化室內(nèi)煤氣壓力的變化進(jìn)行了隨時(shí)測(cè)定，結(jié)果顯示，當(dāng)裝料時(shí)，爐壁變位最大；煤氣壓力最高時(shí)，爐壁變位最大。1965年投產(chǎn)的日本制鐵八幡廠4號(hào)焦?fàn)t在高爐休風(fēng)時(shí)，焦?fàn)t的燃燒氣體由高爐煤氣（BFG）和焦?fàn)t煤氣（COG）的混合氣（MG）改為COG時(shí)，由于燃燒室上下溫差增大等原因?qū)е陆範(fàn)t操作不穩(wěn)定，但采用COG的氮稀釋設(shè)備（DRG）后，焦?fàn)t可持續(xù)穩(wěn)定操作。表3列出近二十年日本開發(fā)的煉焦技術(shù)。6廢棄物再利用、CO2減排和新鐵源技術(shù)6.1廢棄物再利用利用焦?fàn)t使廢棄物成為原料的技術(shù)于2000年應(yīng)用于日本制鐵名古屋廠和君津廠，其后得到了廣泛的普及應(yīng)用。日本制鐵對(duì)普通廢棄物類的容器包裝塑料的再利用量累計(jì)超過(guò)了300萬(wàn)噸，為節(jié)能、減少CO2排放和構(gòu)建循環(huán)型社會(huì)做出了貢獻(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)煉鐵廠無(wú)廢棄物排放，君津廠3座高爐、広畑廠4座高爐和光廠1座高爐共計(jì)8座高爐應(yīng)用轉(zhuǎn)底爐法（RHF），年處理高爐粉塵約100萬(wàn)噸，用于生產(chǎn)高爐和電爐用的直接還原鐵（DRI），大大節(jié)約了資源，取得了節(jié)能的效果。6.2二氧化碳減排日本鋼鐵工業(yè)經(jīng)過(guò)不斷努力，已達(dá)到世界最高水平的節(jié)能效率，但為滿足更嚴(yán)格的減少CO2排放的要求，正在積極推進(jìn)創(chuàng)新型煉鐵工藝技術(shù)的開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)減少CO2排放的目標(biāo)。COURSE50是環(huán)境友好型煉鐵工藝技術(shù)，它是通過(guò)改質(zhì)焦?fàn)t煤氣，使氫含量增加，得到富氫焦?fàn)t煤氣，利用這部分氫替代部分焦炭來(lái)還原鐵礦石的技術(shù)，它可以減少CO2排放量10%，如果算上CO2的分離和回收，則可減少CO2排放量約30%。第一階段第一步（2008年-2012年）取得了關(guān)鍵性技術(shù)開發(fā)成果，第一階段第二步（2013年-2017年）進(jìn)行了包括內(nèi)容積為12m3試驗(yàn)高爐在內(nèi)的綜合各種關(guān)鍵技術(shù)的綜合驗(yàn)證試驗(yàn)。日本制鐵君津廠建設(shè)的試驗(yàn)高爐通過(guò)氫還原，取得了減少CO2排放量10%的效果，加上從高爐煤氣（BFG）分離回收的CO2，共計(jì)減少CO2排放量30%。2018年開始進(jìn)行的第二階段的第一步試驗(yàn)研究，在試驗(yàn)高爐上進(jìn)行了氫利用技術(shù)的最后試驗(yàn)。另外，在鐵焦技術(shù)開發(fā)中，以低品位煤和鐵礦石為原料，通過(guò)成型和干餾后，將金屬鐵在焦炭中分散的鐵焦作為高爐原料，利用鐵和碳的相鄰配置，取得了降低還原劑比的效果。在2009年-2012年實(shí)施的強(qiáng)化應(yīng)對(duì)資源能力的創(chuàng)新工藝技術(shù)開發(fā)中，建設(shè)了30t/d的中試設(shè)備，2013年在JFE鋼公司千葉廠6號(hào)高爐（爐容積5153m3）進(jìn)行了5天的試用試驗(yàn)，將高爐焦炭約10%的使用量置換為鐵焦，降低了還原劑比。根據(jù)此試驗(yàn)成果，2017年開始進(jìn)行