近二十年日本炼铁技术发展回顾

近二十年日本炼铁技术发展回顾

21世纪的最初20年是钢铁工业发展跌宕起伏的20年。世界各国钢铁工业的重组加快，全球对钢材需求的增加，导致铁矿石和冶金煤等钢铁生产原料价格大幅波动。尤其是，世界环保问题已被放在了更加重要的位置，CO2排放控制比以往更加严格。为应对这些课题，日本炼铁技术部门进行了不懈的努力。本文就近二十年日本炼铁技术的发展和商业应用进行了总结回顾。1近二十年的炼铁环境进入2000年代，日本钢铁工业进入了合并重组时代。世界钢铁需求剧增，随之，作为钢铁原料的优质铁矿石和冶金煤的供应出现了瓶颈，钢铁原燃料价格因供需不平衡出现了大幅波动。在这二十年里，日本的生铁和粗钢产量没有大的变化。与二十世纪九十年代相比，钢材出口比例有所增加。在这种形势下，日本炼铁技术部门为提高国际市场竞争力，进一步降低生产成本，开发了提高炼铁生产效率、延长设备使用寿命的技术；为应对钢铁原料价格的高涨，开发了廉价劣质资源利用技术；为应对环保问题，开发了节能技术。22000年代炼铁的主要应用技术在高炉方面，随着计测和计算科学技术的发展，应用了各种传感技术和模拟技术。为提高高炉的操作精度，开发了各种提高烧结矿质量的技术，同时，采用了各种降低还原剂比的技术，如装入含碳团矿降低高炉热保存带温度和在铁矿石中混合装入大量焦炭，并喷吹城市煤气。在高炉入炉原料方面，还使用了球团矿和还原铁等。在高炉风口喷吹技术方面，为提高粉煤喷吹量，推进了粉煤喷吹技术和喷吹设备的开发，还开发了喷吹转炉渣的技术。尤其是，各种高炉长寿化技术的开发和应用取得进步。在原料和烧结方面，为提高资源应对能力和生产效率，应用了各种制粒技术和提高装料溜槽功能的技术。尤其是，作为环保和节能的应对技术，开发和应用了向烧结机喷吹碳氢气体和使用CaO改质的粉焦减少NOx排放等新技术。在炼焦方面，SCOPE炉已开始应用，除了进行焦炉的新建和改造外，还开发和应用了各种应对焦炉老化的观察、诊断、修补技术。3高炉技术的开发和应用状况3.1高炉生产过程的观测和预测技术近年来，科学观察和预测高炉生产过程的技术取得了很大发展，尤其是在观察和预测高炉炉料输送和投放时的状况方面。采用实际高炉1/3规模的试验装置进行实际高炉测定，并采用DEM（离散元法）进行模拟试验，在此基础上进行炉料分布推定模拟技术的开发。另外，在实际高炉原料输送过程中，采用了射频识别（RFID）标签进行计测。炉内流动、传热和反应的三维非定常数学模型的开发，解决了高炉内部实际状况难以观察的问题。高炉炉内料层结构的模型、高炉炉底和炉墙耐火材料侵蚀预测模型、风口回旋区评价离散元模型的开发，有效提高了高炉操作效率并延长了高炉寿命。此外，还利用宇宙射线μ子对生产中的高炉内部进行了直接观察的试验。高炉操作数据的可视化和解析技术，可以更好地观察和认知炉内状况，并得到了应用。2007年日本制铁名古屋厂引进了3D-VENUS装置，该装置通过设置在炉体立式冷却壁中的温度传感器和检测炉料填充状况及煤气流动的炉身压力传感器获得数据，并以秒为单位进行三维数据化表示。近年来，数据利用、人工智能（AI）和IT技术发展显著，若利用这些技术，高炉操作技术有望得到进一步的发展。3.2降低还原剂比的技术应用控制热保存带温度、降低还原剂比的技术已取得很大进展。例如，使用混合铁原料和碳材料的含碳球团（RCA），通过氧化铁和碳的相邻配置，使碳从低温开始发生气化，从而降低高炉的热保存带温度，提高高炉的还原效率。该技术在2012年应用于日本制铁大分厂，实践表明，使用RCA可有效降低还原剂比。而且，热压含碳球团具有与RCA相同的降低还原剂比的效果。此外，在矿石层中混合装入大量焦炭，可有效抑制矿石在软融带的熔融收缩，保持料层的空隙，提高炉内料层的透气性。该技术已应用于JFE钢铁公司千叶厂6号高炉。由于烧结矿和块焦是同时从炉顶两个料仓下料，为抑制炉料偏析，采取了从炉中心向炉周围装入的逆倾动装料法。另外，采用流量调整阀（FCG）实时动态控制矿石和焦炭的下料量。JFE钢铁公司京滨厂2号高炉通过喷吹含氢量高的天然气促进还原，确保软融带保持空隙，由此可大大提高高炉下部的透气性。3.3大量使用球团矿的技术神户制钢公司加古川厂2号高炉进行了配加70%球团矿操作的试验，并在神户制钢公司神户厂3号高炉进行了全球团矿操作的试验（球团矿73%、块矿27%）。采用中心加焦会形成中心气流，喷吹粉煤可进行低热流比操作，由此改善还原停滞的现象。此外，为使高炉周围的低碱度球团矿配比低于30%，开发了按时间序列控制球团矿下料的技术。3.4风口喷吹技术开发了大量喷吹粉煤的技术。例如，为提高粉煤燃烧率，开发了双喷煤枪方式；为防止风口的压力损失变化及确保风口回旋区内的燃烧，开发了新型风口等。另外，为降低风口同旋区深处“鸟巢”部的炉渣黏度，促进炉渣滴下，在神户制钢公司神户厂进行了喷吹转炉渣操作，由此改善了透气性，降低了焦比。3.5高炉长寿技术日本制铁和歌山厂5号高炉至2019年1月18日停炉共连续生产了11289天，创高炉连续生产天数的世界纪录。高炉长寿技术主要有以下几项：一是开发立式冷却壁更换技术；二是开发炉底耐火材料侵蚀控制技术；三是开发高炉模拟技术等。表1汇总了近二十年日本开发的高炉技术。4原料和烧结技术的开发应用4.1提高铁矿资源应对能力和生产率的技术对世界可开采的铁矿石资源的变化，已有各种应对措施，但很难提高细粉矿的使用比例。在烧结配料中，提高细粉矿的配比会导致准粒子粒度的下降，阻碍烧结料层的透气性，造成烧结生产率的下降。改善烧结料层透气性的技术很多，下面介绍主要的制粒技术。日本制铁鹿岛厂、和歌山厂和小仓厂采用了RFMEBIOS法。把筛分后的粗粒返矿在没有制粒的情况下，通过旁路添加到制粒后的烧结原料中，提高了除干燥返矿外的烧结原料的水分，强化了制粒性能。同时添加干燥颗粒，可以提高颗粒间的摩擦力，确保料层的空隙，因此改善了烧结料层的透气性，提高烧结生产率4%。为提高制粒性差的微粉添加量，开发和应用了以微粒作制粒黏结剂的制粒技术。一是采用由干式滚压粉碎工艺和高分子分散剂（有机黏结剂）的微粒子分散工艺构成的SPExⅡ生产线进行制粒的方法。利用被高分子分散剂分散到粉矿石空隙中粒度小于10μm的超细粒子在干燥过程中再排列后产生的黏结力进行劣质原料的利用。二是在立式湿式球磨机中，利用微粒子黏结剂进行制粒的方法。在水中将铁矿石粉碎，再将微粒子黏结剂添加到矿浆中，能有效地把微粒子黏结剂分散到粉矿石间，不使用高价的分散剂就能形成坚固的粒状物。该技术应用于日本制铁和歌山厂后，在粉矿石使用量为13.3%的情况下，可提高烧结生产率2.4%。JFE钢铁公司采用了外裏石灰石和粉焦的制粒技术。该技术的特征是从滚筒式搅拌机后面装入粉焦和石灰石，使其粘附在以铁矿石为主体的准粒子外侧。石灰石粘附在准粒子表面，使许多还原性高的原生赤铁矿残留下来，从而提高烧结矿的还原性。同时，铁酸钙在原生赤铁矿间会形成高强度粘结，可提高烧结矿合格率，改善烧结过程中熔液的流动性，提高熔融带的透气性，提高烧结生产率。尤其是采用外裏粉焦的制粒技术，改善了粉焦的燃烧性，通过低温烧结可提高烧结矿的还原性。此外，许多炼铁厂采用了延长烧结机长度和增加烧结小车宽度等提高设备生产能力的技术。利用提高烧结料层透气性的技术进行厚料层烧结，有助于提高烧结生产率。4.2应对环保的技术为满足烧结的环保要求，减少NOx排放的技术非常重要。虽然在烧结机外采用脱硝设备处理NOx的技术已普及，但存在设备运行费用和可变费用高的问题。为此，开发了对NOx产生源的粉焦进行改质的LCC技术。该技术先用生石灰包裹粉焦，然后进行制粒和烧结，于2013年应用于日本制铁大分厂，减少NOx排放量15%，提高烧结矿合格率1.1%，提高烧结生产率0.6t/（d·m2）。为弥补烧结料层上部热量不足的问题，采用了向烧结料层喷吹碳氢气体的技术。向烧结料层表层喷吹碳氢气体，可在不提高烧结料层内最高温度的情况下，延长烧结料层内1200-1400℃温度区域的保持时间，一面进行液相烧结，一面使强度和还原性好的铁酸钙残留下来，并保持1μm的细气孔，由此可生产强度高、还原性好的烧结矿。该技术使用城市煤气作为碳氢气体，并在烧结机上靠近点火炉，沿烧结机长度1/3范围内，设置喷吹城市煤气用的虹吸罩，将一定量的都市煤气混合到下方抽吸的气体中。表2汇总了近二十年日本开发的铁矿石烧结技术。5炼焦技术的开发和应用5.1提高炼焦资源应对能力和生产率的技术资源匮乏的日本率先在世界上开发和应用了煤调湿、煤干燥加粉煤成型技术等炼焦预处理技术，实现了廉价劣质的非黏结煤的大量使用。为满足节能要求，提高应对煤炭资源匮乏的能力及环保需求，提高炼焦生产率，日本积极推进新型焦炭生产工艺——SCOPE21的开发。该项目于1994年开始进行研究，2002-2003年在日本制铁名古屋厂进行中试设备的生产试验，2008年开始在大分厂5号焦炉应用，2013年在名古屋厂5号焦炉应用。SCOPE21工艺就是在对粉煤进行干燥的同时，筛分出粗粒煤和粉煤，然后进行快速加热处理，在约250℃的温度下装入焦炉。该工艺不仅可使低品位原料煤的使用比例大幅提高至50%，而且生产率比现有焦炉提高1.7倍，减少CO2排放10-20万吨/年。5.2延长焦炉寿命的技术目前，日本焦炉的平均炉龄高达40年，在采用SCOPE21等焦炭生产新工艺的同时，进行了停炉焦炉复产、现有焦炉改造及生产维护，持续推进焦炉长寿化技术的开发和应用。为实现焦炉的长寿化，需早期发现炉壁的损伤部位并定量诊断，实施计划修补，但以往的炭化室修补主要靠操作人员目视观察进行人工修补。为解决此问题，开发了热态下对炉壁进行高精度诊断和修补的装置（DOC：DoctorofCokeOven），并于2003年应用于日本制铁大分厂。其后，在日本制铁其他厂相继应用DOC。近年来，随着DOC技术的进一步提升，不仅可以应用于炉下部的修补，还可以应用于炉壁破孔的修补。还开发了根据焦炉炉壁观察图像得出的炉壁凹凸情况，推定推焦负荷的技术。此外，随着非连续体结构解析方法在焦炉耐火砖结构解析的应用，已能对焦炉不同类型耐火砖结构的刚度和强度进行评价，依照科学的方法弄清耐火砖老化后产生裂纹贯穿的机理和炉壁破孔发生的机理。日本除了采用常规的炭化室内观察装置、焦炉宽度测定装置、炉壁喷补装置和燃烧室观察装置等观察、修补技术外，在延长老化的焦炉寿命的技术研究方面也取得了很大的进展。在焦炉操作方面，炉壁损伤和炉壁发生桔皮状缺陷的老化焦炉的炭化室炉壁粘附的碳会影响推焦负荷，因此，对老化的焦炉采取更合理的管理是很重要的。日本制铁名古屋厂采用碳化控制装置，将废气中的CO2浓度作为炉壁碳的粘附状况指标，调整碳化焚烧时间，控制推焦负荷。另外，对装煤到推焦时炉壁的变位和炭化室内煤气压力的变化进行了随时测定，结果显示，当装料时，炉壁变位最大；煤气压力最高时，炉壁变位最大。1965年投产的日本制铁八幡厂4号焦炉在高炉休风时，焦炉的燃烧气体由高炉煤气（BFG）和焦炉煤气（COG）的混合气（MG）改为COG时，由于燃烧室上下温差增大等原因导致焦炉操作不稳定，但采用COG的氮稀释设备（DRG）后，焦炉可持续稳定操作。表3列出近二十年日本开发的炼焦技术。6废弃物再利用、CO2减排和新铁源技术6.1废弃物再利用利用焦炉使废弃物成为原料的技术于2000年应用于日本制铁名古屋厂和君津厂，其后得到了广泛的普及应用。日本制铁对普通废弃物类的容器包装塑料的再利用量累计超过了300万吨，为节能、减少CO2排放和构建循环型社会做出了贡献。为实现炼铁厂无废弃物排放，君津厂3座高炉、広畑厂4座高炉和光厂1座高炉共计8座高炉应用转底炉法（RHF），年处理高炉粉尘约100万吨，用于生产高炉和电炉用的直接还原铁（DRI），大大节约了资源，取得了节能的效果。6.2二氧化碳减排日本钢铁工业经过不断努力，已达到世界最高水平的节能效率，但为满足更严格的减少CO2排放的要求，正在积极推进创新型炼铁工艺技术的开发，以实现减少CO2排放的目标。COURSE50是环境友好型炼铁工艺技术，它是通过改质焦炉煤气，使氢含量增加，得到富氢焦炉煤气，利用这部分氢替代部分焦炭来还原铁矿石的技术，它可以减少CO2排放量10%，如果算上CO2的分离和回收，则可减少CO2排放量约30%。第一阶段第一步（2008年-2012年）取得了关键性技术开发成果，第一阶段第二步（2013年-2017年）进行了包括内容积为12m3试验高炉在内的综合各种关键技术的综合验证试验。日本制铁君津厂建设的试验高炉通过氢还原，取得了减少CO2排放量10%的效果，加上从高炉煤气（BFG）分离回收的CO2，共计减少CO2排放量30%。2018年开始进行的第二阶段的第一步试验研究，在试验高炉上进行了氢利用技术的最后试验。另外，在铁焦技术开发中，以低品位煤和铁矿石为原料，通过成型和干馏后，将金属铁在焦炭中分散的铁焦作为高炉原料，利用铁和碳的相邻配置，取得了降低还原剂比的效果。在2009年-2012年实施的强化应对资源能力的创新工艺技术开发中，建设了30t/d的中试设备，2013年在JFE钢公司千叶厂6号高炉（炉容积5153m3）进行了5天的试用试验，将高炉焦炭约10%的使用量置换为铁焦，降低了还原剂比。根据此试验成果，2017年开始进行