北美高炉冶炼的进步.doc

翻译北美高炉冶炼的进展摘要：本文引用了关于1989年美国和加拿大钢铁公司的高炉实践的调查并报道了其统计数据。论述了有助于高炉冶炼进步的原料的新进步。以两座大高炉和三座中型高炉为例，详细探讨了北美高炉冶炼的未来发展方向。关键词：高炉冶炼 炼铁 铁水 燃料比 铁矿石 铁 焦炭 球团 烧结1. 前言过去十年，美国和加拿大在高炉冶炼方面已经取得了重大进步。连铸技术越是发展，高炉冶炼每吨钢的成本就越低，这些都为炼铁技术的发展起了极大的推动作用。一般而言，现代化高炉操作的成就包括以下几个方面：（1） 铁矿石和冶金焦的浓缩，原料处理（2） 高炉和辅助设施（3） 技术上的发展和对操作人员的培训20世纪80年代，是高炉技术发展的时期，这是个高炉冶炼合理化和结构调整时期，这段时期内，美国和加拿大钢铁公司在国际竞争中变得越来越权威。一般说来，第（3）方面的发展是非常有限的。第（2）领域需要投资资金。在这个领域的进步是受到资金支出的成本效力的阻碍的。大部分由于在操作中缺乏稳定性，一种特殊变化的贷款是非常困难的。尤其，用低等的原材料在第（2）和（3）方面的投资收益将会是不确定的。这导致了以下的观察结果，第（1）领域将会是第一个并且成熟的步骤对于当前现代化操作来说。在20世纪60年代球团的研究和发展的二十年后，美国和加拿大的钢铁公司在那段时间满足于铁矿石品位的进步。经过20世纪80年代的低靡时期，迎来了产量大，能源相对便宜以及高利率，原料的研究和发展速度都明显降低的阶段。尽管如此，但是海外学术机构的成果已经提出了酸性球团矿和酸性自熔性球团矿的质量变化和评估，以及酸性和自熔性球团的不同，做了少数的试验而且是非决定性的。在高炉试验中，没有一个确定的参考状态的话，在变化过程中自熔性球团的经济效益是不能够充分量化的。结果，将造球车间转换为自熔性球团生产的必要资金是不能确定的。当北美的大高炉建立以后，在早期获得的非常有价值的经验是现代的独立设备并不一定导致稳定和有效操作。很快，为了操作大高炉，原料就必须有更好更高的品位就变得显而易见了，例如，至少是焦炭的稳定性和矿石的还原性。通过实验和实践，自熔性烧结矿，自熔性球团和高强度高反应性焦炭的优势已经被许多美国钢铁公司认可和了解。此外，从一个稳定的高炉操作到钢厂的全面经济被普遍接受。未来焦炭供应的不足和由于中东政治危机导致的能源危机可能引起的大喷煤不仅是必要技术而且是经济优势。监测和控制大高炉的高标准需要大喷煤。在20世纪末的十年里，美国和加拿大在现代化高炉冶炼操作的第（2）和第（3）领域有了许多进步。2. 1989年在美国和加拿大的高炉操作调查美国和加拿大现存的高炉的尺寸和容量列在高炉年集的第三卷中。应该指出这其中有很大数量的高炉是不能运作的。由美国钢铁机构收集的数据对此的评论列举在表格1中。3. 原材料随着高等级赤铁矿在明尼苏达州和密歇根州的预期损耗，球团工艺在北美已经发展，可以使用低品位铁矿石。球团矿是北美大高炉现在唯一的最大来源。高炉炉料的70是球团矿。在钢铁市场发展阶段的预料中，在70年代几种新的球团车间被建立起来，尤其是在明尼苏达州和密歇根州。最初，生产力和成本是这些球团车间的主要焦点。随着80年代北美钢铁公约的签订，球团生产力受到严重影响。大多数的球团厂在每年的萧条期倒闭，原因是需求的减少。一些球团厂就永久性倒闭。由于受到顾客需求的驱使，操作成本和生产的一致性成了球团车间幸存的主要标准。统计工艺控制技术被广泛应用。直到那时才监测物理强度，粒度分布，和化学成分（Si含量）。高炉试验，尤其是80年代早期，确定了冶金性能，例如还原性，对高炉焦比产生了重要影响。这导致了球团硬化周期的最优化以及使用有机物改善球团还原性。高炉操作还要要求低硅含量以及相近的粒度分布。这导致了大量球团车间矿物编制，精确筛分，磨粉控制以及滚筒筛分的计算机化的安装。80年代中期，进行了大量的球团和高炉实验来评价石灰石白云石，自熔性球团的优点。在这十年的末期，自熔性球团已经作为主要产品被确立下来，产量达到北美球团生产总量的30。自熔性球团的转变包括了许多在车间设备（例如，自熔性磨粉机，预热炉）和实践的转变。每个球团车间都制定了自熔性球团的化学成分来满足高炉操作的需要。结果，球团车间生产了尽可能多的四种等级的球团。北美球团已经由70年代早期的产品转变为90年代的按顾客需求定制的产品，满足了顾客的特殊需求。一个改进成功的例子显示在图1和表2中。北美自熔性球团现在按照还原性和低温软熔性来说等价于最好的烧结物，而按照力度和低温破碎强度来说是上等（LTD/RDI）。相对烧结车间的重要性来说，在60年代末和60年代早期建立的综合钢铁工厂在70年代减少了是由于国内矿石的短缺以及球团的增长。现在，北美有大量的高炉操作不再使用任何烧结矿。然而，烧结操作提供了一种准备好了的并且有效的出路来进行钢铁副产品的再利用，如碎屑，小球团，炉灰，焦粉和钢渣。认识到这种机遇，外部混合系统就用来混合这些副产品来生产一系列品位的烧结物。考虑到大量的高炉炉料由球团熔剂和碱度为4.5的自熔性烧结矿组成，使得高炉中的熔剂最少。统计程序控制，混合物及其湿度控制系统的应用，和熟石灰的使用，改善了烧结矿的密度和强度。典型的烧结矿的成分见表3。尽管如此，按照成本，许多烧结矿不能于铁矿石球团相竞争。当这些追溯到那时旧的和无效设备，统计系统，以及低价处理上面所提到的副产品的能力，烧结矿扮演了一种角色。超额的球团生产量与严格的SO2,NO2和灰尘含量的环境标准是紧密联系在一起的，意味着烧结车间得让渡。与之相比，70年代建立的接近于现代高炉的烧结车间是有效的，并且符合设计的环境标准。通过国际水路获得的矿石使得烧结矿与球团高成本竞争。Bethlehems Sparrows Point可以为此证明。关于改善烧结矿冶金性能的大量研究已经完成，由于高炉在北美受到约束，当前重点仍然保持在烧结强度，化学密度和成本。在内陆钢厂烧结混合料按照冶金性能生产一种与自熔性球团相一致的产品。Bethlehem（表四）和Armc0（图2）很明显地改善了烧结矿的品位以及在高炉性能基础上获得改善的产品。在Bethlehems Sparrows Point 的烧结矿车间，橄榄石被用来使得进口的低硅矿石得以应用以及消除白云石溶剂的需求。一般说来，北美烧结矿的碱度大约是2。所以，这些烧结矿在国际标准来说有很好的强度和很好的低温破碎强度（LTD/RDI）以及还原性。尽管如此，这些烧结矿的相对高碱度和MgO含量很有可能会引起低温软溶性。最近，人们已经开始发展冷块矿工艺经济来再利用钢厂中烧结过程中所用到的副产品。如果这是成功的并且环境约束变得更加严格，那么在北美烧结矿车间的生产量的压缩会成为现实。大量的烧结矿车间已经处于严重的失修阶段。投资需要修理，而且直接的环境费用支出也可能导致这些车间会在接下来的510年内倒闭。与此同时，烧结也证明是一种循环利用多样的铁矿和钢铁市场副产品的有效成本方法。这将允许存在的烧结矿车间的投资，为了延续运作到下一个世纪。北美的焦炭设备相对来说太古老了（图3），在60，70年代是靠电池来工作的。在70年代，岩石记述学已经成了一种对煤估价的确立工具。在驾驶试验和控制设备试验的帮助下，将独立煤炭的岩石学道具与它们在混合物中的比例联系在一起成为可能。结果，获得了焦炭的稳定性和高炉性能的有效改善。大量小高炉试验是用成形焦炭做的。比较明显地，成形焦炭可以用到焦炭炉料的40%。然而，这种技术由于缺乏实例证明还并不适用，而且那时候经济很景气。注意力全部集中在改善副产品的焦炭制作工艺上。煤炭的预热技术被发展起来并且适用于很多车间。淬火技术的进步也开始实施用于降低焦炭湿度。电池加热得到改善来减少热量损耗。在80年代中期，CSR被认可为一种重要的质量参数。非叫冶炼技术也被发展起来来改善性质。这种国内钢铁的改善的实例在图4中列举了。随着环境法变得越来越迫切，在80年代为保持一致开始了投资。环境法被期待着可以更加完善。投资是为满足新的制度和增长的在焦炭电池的生存能力中不确定的操作成本。4. 一些大高炉运作的调查位于Indiana Harbor Works 的内陆7号高炉和在Sparrows Point的Bethlehem钢厂的“L”高炉是北美的两个最大的高炉。两个锅炉是在70年代设计的并且是在时期末开炉的。虽然两个高炉是4000m3的容积而且共享一定的设计特色，但是在原材料的应用上有很大差别。7号高炉是以75%的酸性炉料和25%的烧结矿开炉的。这是第一次如此高比例的酸性炉料用在一个4000立方米容积的高炉里，而且炉料分配实践在这种情况下应用。热点是在开炉后18个月内在低层领域才勘测到的。结果，泥浆被用来保持了5年。炉子无效的原因是由于低劣的酸性球团，烧结矿的好的自溶性以及焦炭的高温道具。焦炭的CSR通过改变煤的混合和稳定的炉子运转来得到改善。第二类活动也就是高炉开始于包含着石灰石和白云石的自溶性球团和中碱度的烧结矿。这允许标准控制程序用于解决损耗和渗透性问题。在第二类活动中，高炉运转是以高过20%的生产力和低于8%的燃料比，直接与第一类活动中得出的纪录相比较。高炉轮廓和冷却系统在第一，第二类活动中的比较见图5。“L”高炉是以包含55%的酸性球团和45%的烧结矿为炉料开炉的。焦炭品位有很高的稳定性和CSR。高炉经历了最初的热点，但是通过改变外线轮廓和炉料分配已经调整了。随后，烧结矿在炉料中的比例逐渐上升到65%在1982年，很明显地改善了高炉性能，见表4。在较低热金属需求时期（1982-1986），原材料品位要求放松了。高炉运转在这个时期是很令人满意的。随着热金属的需求在后来的时间里的增加，原材料的品位不得不跟着上升来保持稳定的高炉运转。关于这两个高炉的典型的操作数据见表5。如所显示的，这些高炉目前被排在世界上最有效的高炉操作中。数据也证明了好的高炉性能可以得到一种较高的球团比例。5. 中型高炉的操作调查5.1 Burns Harbor D and C of Bethlehem 钢铁Burns Harbor 车间是在1969年开炉的D高炉和1972年的C高炉的基础上建立的。它们是设计来生产4545T/d100%的酸性球团，燃率大概在550Kg/T。因为1989年每个高炉生产了超过6363T/d而且燃率低于470kg/T，用了3540%的自溶性烧结矿和6065%的酸性球团。两个高炉的工作量基本上是一样的，2510立方米，尽管炉膛直径是不同的，C是11.7米，D是10.7米。这些高炉装设了高层压力（11.2大气压），两个出铁口，电脑控制仓库有着运输设备和高温炉。图6和7显示了在最后二十年内的主要事件。焦炭质量和高炉行为扩展工作Bethlehem钢厂已经进行。1988年早期，Burns Harbor，焦炭稳定性从59.3%降到57.8%而导致还原渗透性和最大鼓风体积，减弱低落降低，增加冷却金属板，降低铁水质量和可操作性。消除上述困难后，高炉正常行为得到恢复，最后焦炭稳定性接近60%。炉料分布的改善对这项成功做出了贡献。近年来，目标是7300t/d每座高炉并引入喷煤技术。5.2 Armcos Middletown 3号高炉经过改进设备，原料和炉料分布及出铁场等，公司的主要炼铁单元已经实现现代化并达到2.6t/d/m3和炭比是462kg/t。1982年和1988年，这个高炉的基本尺寸，相对性能见图8。该高炉实际进展参数见图9。造球过程中有机粘合剂取代了膨润土是因为气孔、还原性和软化温度的增加是有利的。当烧结矿的碱度由3降到2，炉料从35%增加到45%。焦炭反应性和CRS大约相应的是60%和57%-59%。原料性能的改善已经确保地热流冲击炉墙和延长炉衬寿命。铁水的变化见表6。5.3 Dofascos 4号高炉这是1971年使用过的炉膛直径8.5m的高炉,1986年进行了重建。这个高炉有两个出铁口、无料钟炉顶、新型出铁厂和与耐火材料成为一体的冷却系统，其预期炉役是10年。1987年的操作条件见表7。这个工艺采用铁水直接脱硫，改善了焦炭稳定性，低硅铁水和燃料比的关系见图10。当前，使用的是20% Wabush的酸性球团和80%的自熔性球团。酸性球团含有3.1% Si02, 1.95 % Mn和高还原性和软化温度。1985年的实验发现，使用炉料中75%是自熔性球团，燃料比降低31kg/t.在未来计划中，当前努力目标是高风温、低硅含量的球团、热风除湿等，见表8。6. 发展远景随着环境标准的严格和资金以及焦炭成本的增长，人们对减低焦比有了很大兴趣。在当前，只有Armcos Ashland厂使用了高炉喷煤。在未来五年里，预计大量的高炉将使用喷煤系统。随着不断强调长寿、稳定、高效操作，这就需要清楚的获得和解释高炉内部过程。不久的将来，额外的传感器，例如炉身顶部的炉料探测器，数学模型和基于工具的专家系统，将会引导高炉操作者和工程师。近来，对焦炭工艺的副产品的另一种环境安全也在研究。一些车间采用非传统工艺也是可能的，例如非再生/加热再生，将会在未来十年里取代老化的电池焦炭。低焦冶炼工艺，如COREX工艺，也可能在能有效利用副产品能量的地方建立车间。关于低焦冶炼的研究和发展，其倾向是将被钢铁公司、政府