北美炼铁发展综述

1、. word.zl北美炼铁开展综述当前，世界经济衰退已严重影响到北美的炼铁工业，其主要表现是钢铁厂的短期和长期关闭、合并与重组，且有不断扩大的趋势。纵观钢铁工业开展史可以发现，高炉炼快的长期战略应当是提高高炉利用系数、降低复原剂比，在不断提高高炉炉龄的同时，密切关注原材料供需动态。与此同时，传统的高炉路线受到挑战，电炉的作用越来越大。为此，本篇重点介绍了墨西哥、美国和加拿大高炉炼铁的整体状况，并简单阐述了北美高炉炼铁替代工艺的开展。1高炉炼铁1.1 金融危机对钢铁工业生产的影响2021年爆发的金融危机一直严重地影响着钢铁工业生产。值得庆幸的是近期的金融体系重建正在产生积极的推动作用。过去20多

2、年，北美炼铁工业发生了惊人的变化，G 裆全公楣1993-2021年停产高炉数目增加。1993年北美19家钢铁公司超过半数的公司有1-2座高炉。但到2021年，统计了7家钢铁公司，有3家钢铁公司只有1-2座高炉在生产。两个大的钢铁公司即安赛乐米塔尔公司ArcelorMittal和美国钢铁公司USSteel生产的快水量占整个25座高炉铁水生产总量的70%,见图1。hid下14(10I2CW"|g<W-rHimju-1WOT图12021年北美7家钢铁公司炼铁情况在企业竞争更加剧烈时，兼并与重组随市场供给与广阔顾客需求的变化而变化。重组前，许多小钢铁公司为了留住自己的用户都在各自降低操

3、作水平，以维持自己公司的全面生产，其结果必然是操作本钱升高、资金效率降低。然而，在此期间处于相对强势的用户具有压低产品销售价格的能力。事实上，生产商生产过多的产品，造成市场供大于求，必定导致产品价格的下降。为应对金融危机，兼并与重组后的公司很快重新组织生产，减少运行高炉数目。由于市场需求降低而关闭了21家钢铁厂的7家，使2021年北美的铁水总产量降至最低20世纪30年代经济大萧条除外。之后的几个月，因为市场需求增加，钢厂便一个接一个地开场恢复生产，但生产水平仍低于经济危机前约20%。表1为北美2021年高炉尺寸、加料系统、生产率、铁质原料、喷吹料种类及高炉根本运行情况。表12021年北美高炉根

4、本运行情况公司工厂高炉炉缸直径，m工作容积，m3加料控制设备2021年2021年炉料喷吹剂t铁水/dt/m3wv球团矿烧结矿铁矿熔剂型酸性阿尔戈马钢公司圣玛丽厂710.662367PW65572.7010000G加拿大哈密尔顿厂27.301062PW23872.3544501C,G,O女将/人不塔尔36.5096315031.6405802CG48.531595PW39862.5524701C,G,O美国钢铁哈密尔顿厂E9.801833PW40281.909307CG公司楠蒂科克L.E.W.110.282418PW51492.1524206GAHMSA蒙克洛46.401034PW32373.1

5、1124587CG奉西哥瓦511.191914PW65263.093700CG安赛乐米塔尔a萨罗-卡德纳斯19.001649PW42472.5822016C阿什兰Amanda10.182039MA46622.392008CGAK钢公司米德尔敦38.931462MA58453.97613011G伯恩斯C11.65246162042.4074233CG美国港D10.89243755632.3075232G克利夫C58.991546MA35282.309307G女赛小木塔尔兰C68.991598PW26321.709505GO印第安纳港厂IH49.981918MA44072.409406GIH58.

6、08134926021.9662743CGIH68.08132321621.7445402GIH713.724163PW100132.489074C维尔迪尔伯恩厂C9.231798PW52592.995302C,G雀点厂L13.493762PW71191.9405118C,G沃伦厂18.531530PW34182.288507G,O美国钢铁公司费尔菲尔德89.982326PW52672.33159010C,G加里厂48.801496MA33012.2733159C,G68.531507MA34062.36018110C,G88.53129928902.16216148C,G,T1411.963

7、241MA68712.1770221C,G格a尼特城厂A8.30143527982.048808GB8.301402MA34342.548907G大湖分公司B8.61164537972.392404C,GD8.53150834322.389605C,G蒙瓦利厂18.781598MA34462.26524011C,COG37.69138130962.26524011C,COG注：MA-可调炉喉保护板；PW-无料钟炉顶；喷吹剂中，C-煤、G-天然气、O-油、T-焦油；COG-焦炉煤气。1.2 高炉构造北美高炉的构造互不一样。几乎80%的高炉于1975年以前建造，40%为1950年前建成。缺乏20%

8、为独立式设计，80%为过梁设计。冷却系统设计也各不一样，55%的炉腹为板式冷却，35%为立式冷却壁冷却，10%为外部冷却或者为喷雾或者为水套冷却。80%的炉身为铜板冷却，只有20%为立式冷却。尽管多年来进展过升级改造，但冷却板之间的间隔仍不巩固，水系统受到限制，即水的质量和水的有效冷却质量均受到限制。1.3 天然气消耗与联合喷吹近年来，最重要的研究成果是对天然气喷吹的重新认识。由于天然气的价格相对低廉、使用性能优良、喷吹设备简单、替换比例灵活焦炭：天然气约为131以及可改善炉子透气性能等，使高炉具有十分优秀的操作性能。所以，几十年来，天然气被广泛用于风口喷吹。最流行的方法是将天然气作为油的添加

9、剂，有时作为喷煤缺乏的代用品，最后是与煤粉一并喷吹。高炉使用天然气已到达很高的比例，多数喷吹天然气已超过90%。2004-2021年间,因天然气价格大幅度上涨造成使用量略有减少。但因为绝大多数高炉没有经济能力喷吹其他燃料，加之焦炭短缺，所以，北美高炉无一停吹天然气。两项重大事件改变了上述情况，第一,2021年金融危机减少了天然气用量，引发大然气价格降低。第二，美国东部发现了一座巨大的天然气田，使天然气产量大幅度增加，引起天然气价格进一步降低。因为高炉炼铁厂长期推动增大喷煤操作，当喷煤增大到足够高导致高炉透气性降低，使运行受阻时，人们想起了天然气中的H2有利于改善高炉透气性而开场了天然气与煤粉的

10、联合喷吹并大获成功。到2021年底，北美33座运行的高炉中有20座喷吹煤粉，13座高炉采用煤粉与天然气联合喷吹。1.4 高炉喷射水泥砂浆在20世纪80年代到90年代这10年困难时期，高炉炼铁生产者最关心的是如何维持现行生产和尽力减少休风时间。其原因有二，一是减少经济损失，二是防止高炉休风更换炉衬期间因无铁水供给导致用户流失。延长高炉炉龄既包括工艺改善工艺稳定性和提高原材料质量，又包括设备的良好维护性能，如设备的远距离维修技术或临时维修性能。维修方法包括喷补炉衬、喷射水泥砂浆和冷却设备如圆柱型冷却器。目前，北美高炉已全面使用了喷射水泥砂浆技术，见图2。0人回宓车文当隹誓生昌图2北美高炉重喷衬数目

11、2000-2021年底，北美运行的33座高炉中有27座采用喷射水泥砂浆的技术，给高炉重新喷射了外表炉衬总共用耐火材料达20000余t。只有5座高炉采用传统方法更换新衬。重新给高炉喷补衬技术的唯一缺点是大约两年需要高炉停炉一次，可能给炉缸寿命带来副作用，并削弱重新喷补衬的效果，也就是影响炉龄延长。但值得庆幸的是北美高炉炉缸设计方法和设计技术具有应对上述不利影响因素的能力，最终实现了重新喷补高炉衬延长炉子使用寿命的目的。1.5 高炉炉缸设计炉缸寿命也是决定高炉寿命的关键因素。北美延长高炉炉龄的先进措施有：1.6 泛使用北美UCAR-美国碳化公司小型砖侧墙设计；1.7 用北美优质煤制成的优质焦炭，使

12、炉缸具有保持其自身枯燥的能力；1.8 细选择和使用钛铁矿和金红石粉喷射。北美高炉炉缸设计与世界各地普遍使用所谓“大砖块设计完全不同。在北美，使用UCAR热压砖，这是因为炉缸破坏的主要形式是磨损-化学浸蚀、热应力和腐蚀，而这一切又源自炉缸冶金过程中的高温。而UCAR设计使用薄墙、小块砖和膨胀公差可产生和维持一个能快速传热、并降低炉缸温度的有效热系统。研究证实，炉缸温度降低一定温度时，可冻结成一稳定的渣壳，可防止热应力裂纹和化学浸蚀。这个概念已被全球冶金工作者广泛承受。在这种概念指导下，设计成功的两座高炉已分别于1993年在中国宝钢和德国萨尔吉茨特正式投入生产，并承受着实际生产检验。据公开出版的资

13、料显示，两座高炉至今运行正常。实践证明，炉缸采用薄墙设计确实具有很高的导热性，有利于提高炉缸寿命。图3示出北美主要钢铁公司的炉底寿命。图3北美钢铁公司炉底寿命统计分析北美20座高炉炉缸薄墙设计寿命指出，炉缸寿命以炉底寿命计算平均已到达和超过15年，至今仍相当完好，无一炉子有更换炉底方案。最长炉缸寿命应是AKSteel公司的Amanda炉，寿命已到达42.5年，累计生产铁水达5200万t。生产率到达25381t铁水/m3WV,或等于633427t铁水/m2H.A。比炉底寿命更重要的是炉缸侧壁寿命。北美高炉炉缸侧墙寿命和炉子耐材维修次数见图4。AK阿什兰炉缸侧壁寿命期，总共生产了3750万t铁水，

14、临时维修7次，平均每两次维修间的铁水生产量为536万t。AHMSA公司5号高炉炉缸侧壁寿命期，总计生产铁水3250万t,但临时维修仅有1次，是生产量最高，维修次数最少的。安米克利夫兰5号高炉炉缸侧壁寿命最短，总共生产铁水仅960万t,然而临时维修却高达6次。平均每次临时维修仅产铁160万t。o.xw3tXH.Hi2s< MH > 20000 iSoon 11KKM)SOOD o辞 /*堤工丁WHY心则舄8明后I«得修CH_ *士一出头饕本。川W军* 北&TT 瓯点tlca*K管名惜总出 一地黑普*图4北美高炉炉缸侧墙寿命和炉子耐材维修次数直到金融危机，有两座高炉还

15、在正常生产炉龄末期。一是安赛乐米塔尔公司的伯恩斯港厂D高炉和AK钢公司的米德尔敦3号高炉，已分别运行17.1年和30.2年，且炉缸侧墙和缸底炉衬仍十分良好。米德尔敦3号高炉的利用系数是至今为止世界上最高的4.0t铁水/m3-d，甚至在炉龄的末期，其利用系数还是如此之高。止匕外，在30余年的冶炼期间总共停炉维修炉腹炉身12次，观察仍未发现明显的缺陷。北美高炉尽管容积大小、冷却方式、出铁口等各不一样，但都使用UCAR薄墙概念设计和UCAR热压砖技术，所以，高炉寿命通常较长。成功应用的事实说明，北美高炉炉缸独特的技术将代表当今全球高炉的最新理念。通过一种尺寸的小砖策略代替多种尺寸大砖同样能够很好地效

16、劳于各种不同的高炉，即各种不同大小、形状的高炉都可用同一尺寸的小砖砌筑衬设计替换过去那种竞争性技术的传统设计。一种尺寸的小砖技术既适用于高炉部的局部炉衬更换，也适用部炉衬的整体重砌，同时还能与水泥砂浆喷射技术完美结合，执行每两年一次的停炉，以完成高炉部外表炉衬全部或局部喷补，或进展详细检查完成局部维修。1.6 “新高炉建立为改善北美高炉炼铁的经济前景，2005年以后启动了一批北美重点高炉重建方案。重建方案需资金2-4亿美元，方案完成后应担负起北美高炉炼铁任务。除此之外，还打算重新启动安赛乐米塔尔多法斯科3号高炉炉缸直径7.3m。纽柯钢铁公司在路易斯安那州密西西比河的绿色高炉方案已经改变，决定建

17、立一座DRI工厂。维尔迪尔伯恩B高炉因金融危机推迟开工，现在决定重新启动建立，但进度有所延缓。1.7 高炉炼铁原材料1.7.1 原材料定位过去10年原材料价格的大幅度上涨和海洋运输形式的变化，全球钢铁企业的竞争能力根据原材料的自供能力被分成“占有和“非占有两组。占有组的钢铁厂具有完全或局部炼铁原材料的自供能力。非占有组的钢铁厂高炉炼铁原材料只有通过海运贸易购置原材料。显然，海运贸易增加大量本钱使竞争力受到极大影响。北美主要的高炉炼铁公司为占有组，高炉炼铁用含铁原料超过90%来自北美自己的铁矿山和球团矿厂，95%以上的焦炭和喷吹粉煤来自北美的炼焦厂和粉煤加工厂。与使用价格昂贵的废钢及其替代品HB

18、I、DRI的电炉相比，高炉铁水-钢水流程具有本钱优势。1.7.2 新的炼焦能力北美焦炭自供能力超过95%，只需少量进口。考虑到焦炭平安供给及进口焦炭价格昂贵，美国确立了采用SunCoke公司的热回收炼焦技术。热回收炼焦技术的产能到达425万t/a。其中Jewellcoke厂70万t/a,印第安纳港炼焦厂125万t/a,Haverhill为110万t/a，格拉尼特城炼焦厂65万t/a，米德尔敦炼焦厂55万t/a。除此之外，还将重建一批传统焦炉。1.7.3 喷煤设备根据推测，因进口焦炭价格的大幅度上涨将刺激高炉喷吹粉煤设备的增加。但这10年中，只有维尔的C高炉和安米多法斯科高炉的喷吹粉煤是新增的。

19、典型的喷煤比为115kg/t铁水，加上联合喷吹天然气60kg/t铁水。新建安米多法斯科喷煤厂为哈密尔顿炼铁厂3座高炉提供喷吹粉煤。使用PaulWurth喷吹系统，2、4号高炉的喷煤比到达130kg/t铁、3号高炉到达100kg/t铁，另外3号高炉还喷吹天然气。北美高炉炼铁的平均焦比从1976年的625kg/t铁稳定地降低到2000年的400kg/t铁水以下。1.7.4 高炉炼铁的含铁原材料北美约90%高炉使用球团矿，全球团冶炼那么必须使用熔剂性球团矿。酸性球团矿是烧结矿最好的补充炉料，同时在某些运行时，还可采用酸性球团满足铁水生产的需要。全球团冶炼需添加5%-10%转炉渣、回收废钢、球团碎料和

20、废氧化物压块。北美的钢铁公司将通过以下方案的完成进一步强化含铁原料的自供能力：1Keetac方案恢复1线生产，使年产球团矿能力达300万t；2MinnesotaSteelEssad方案恢复已停产的Butler矿山、选矿厂和球团设备，将年产600万t的球团矿供阿尔戈马钢公司和其他DRI/EAF炼钢厂；3AMLazaroCardenas案开发Volcan矿山，将每年200多万t的原料供给直接复原球团厂；4SDI方案恢复已停产的ErieLTV钢厂MiningWoytLakes矿山和选矿厂的一局部生产能力，供自己的MesabiNuggetX厂已投产；5AMMC方案拟扩建矿山和选矿厂，将生产的原料供给新

21、的球团厂。除上述已落实的铁矿石增产方案外，克利夫斯岸球团矿厂的扩大产能方案正在实施中，建成后每年将增产60万t球团矿。另外还有一批商业性铁矿石增产方案正在加拿大和墨西哥实施中，主要用于出口。一座新开工、效劳于北美的公司是Magnetation,它回收明尼达铁矿石尾矿。第一台设备2021年投产，产能为75万t/a,目前产品供MesabiNugget公司，但很快将供AHMSA公司的烧结矿厂和球团矿厂，并卖给北美其他公司。1.7.5 原材料所有权原材料的所有权各不一样，其竞争本钱构成也完全不一样。美国钢铁公司具有100%球团矿自给能力，接近100%的焦炭自名&能力。AHMSA公司也几乎具有1

22、00%勺自给能力。安赛乐米塔尔公司同样具有强大的铁矿石、焦炭和喷射料自给能力。AK钢公司、EssarSteelAlgom即维尔公司有良好的焦炭购货渠道，但必须以市场价长期稳定地购置克利夫斯、AMMC、加拿大铁矿公司和VAL等供货商的球团矿。表2为北美自由贸易区球团矿所有权情况。表2北美自由贸易区球团矿所有权工厂年产能万t所有权，%美国钢铁公司克利夫斯安赛乐米塔尔TerniumAHMSA明塔克铁矿1450100基韦廷铁矿Keetad600100米诺卡铁矿280100希宾铁矿800152362UTAC500100岸矿业公司520100帝国铁矿6007921蒂尔登铁矿8001585AMMC92010

23、0沃布什铁矿600100加拿大铁矿公司1250AHMSA300100PenaColarada4005050LazaroCardenasDR350100LazaroCardenasBF210100LasEncinas350100注：力拓占59%,三菱占26%,LOF占15%2北美高炉炼铁替代工艺近况2.1 北美高炉炼铁替代工艺的任务采用替代高炉炼铁的主要目的是生产纯度高的含铁原料供给EAF钢厂。此外是为了利用替代炼铁工艺加工废弃氧化物。但到目前为止，在北美已经建成的多座转底炉RHF直接复原铁DRI冶炼厂处于闲置状态IDI工艺除外。除烧结厂外，唯一运行的废弃氧化物处理工艺是压块厂。但它不是复原处理

24、工艺，仅仅是高炉或转炉的原料供给者。PIZO是一种新开发的工艺，工业生产设备于2021年在纽柯BlythevilleEAF炼钢厂投产。该工艺首先将EAF粉尘、碳和粘结剂压制成块，然后参加一座20t的感应炉生产生铁，将废气冷凝成富含ZnO的粉尘。生铁、炉渣和ZnO均已被市场承受，有的工厂已将产能扩大到2倍。另外一种已在进展示生产的工艺是McMaster大学教授WKLu开发的直缸复原炉straighthearthreductionfurnace。2.2 长期减排CO2研发和使用高炉炼铁替代工艺的另一主要目的是长期减少BF/BOF炼钢路线的CO2排放量。美国正在开展两种主要的低碳炼铁技术研究，一是麻

25、省理工大学研发的熔融氧化物电解法MOE。另一种是犹他大学研究的氢气闪速熔炼HFS。两种工艺已进入试验室试验阶段。MOE是一种高温电化学工艺，它生产铁水排放的CO2仅为BF/BOF路线的1/5。不过它要求绿色电力才能到达该排放标准。HFS工艺虽然可和天然气甚至煤一起冶炼生产铁水，但它的主要燃料仍然是H2。HFS是竖炉工艺，在以H2为主要燃. word.zl料进展冶炼时，排放的CO2仅为BF/BOF路线的5%。但两工艺仅在实验室完成小规模炼铁试验，要实现工业化生产还有许多技术和经济方面的困难需要克制。2.3 直接复原工艺竖炉气基直接复原工艺Midrex，HYL工艺是十分出色的工艺，在北美已开展成熟，但由于天然气定价太高，因而使Midrex和HYL工艺在相当长的时期在北美的应用遇到了障碍。随着天然气气田的发现与产量的