近二十年日本煉鐵技術發展回顧

21世紀的最初20年是鋼鐵工業發展跌宕起伏的20年。世界各國鋼鐵工業的重組加快，全球對鋼材需求的增加，導致鐵礦石和冶金煤等鋼鐵生產原料價格大幅波動。尤其是，世界環保問題已被放在了更加重要的位置，CO2排放控制比以往更加嚴格。為應對這些課題，日本煉鐵技術部門進行了不懈的努力。本文就近二十年日本煉鐵技術的發展和商業應用進行了總結回顧。1近二十年的煉鐵環境進入2000年代，日本鋼鐵工業進入了合并重組時代。世界鋼鐵需求劇增，隨之，作為鋼鐵原料的優質鐵礦石和冶金煤的供應出現了瓶頸，鋼鐵原燃料價格因供需不平衡出現了大幅波動。在這二十年里，日本的生鐵和粗鋼產量沒有大的變化。與二十世紀九十年代相比，鋼材出口比例有所增加。在這種形勢下，日本煉鐵技術部門為提高國際市場競爭力，進一步降低生產成本，開發了提高煉鐵生產效率、延長設備使用壽命的技術；為應對鋼鐵原料價格的高漲，開發了廉價劣質資源利用技術；為應對環保問題，開發了節能技術。22000年代煉鐵的主要應用技術在高爐方面，隨著計測和計算科學技術的發展，應用了各種傳感技術和模擬技術。為提高高爐的操作精度，開發了各種提高燒結礦質量的技術，同時，采用了各種降低還原劑比的技術，如裝入含碳團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，還使用了球團礦和還原鐵等。在高爐風口噴吹技術方面，為提高粉煤噴吹量，推進了粉煤噴吹技術和噴吹設備的開發，還開發了噴吹轉爐渣的技術。尤其是，各種高爐長壽化技術的開發和應用取得進步。在原料和燒結方面，為提高資源應對能力和生產效率，應用了各種制粒技術和提高裝料溜槽功能的技術。尤其是，作為環保和節能的應對技術，開發和應用了向燒結機噴吹碳氫氣體和使用CaO改質的粉焦減少NOx排放等新技術。在煉焦方面，SCOPE爐已開始應用，除了進行焦爐的新建和改造外，還開發和應用了各種應對焦爐老化的觀察、診斷、修補技術。3高爐技術的開發和應用狀況3.1高爐生產過程的觀測和預測技術近年來，科學觀察和預測高爐生產過程的技術取得了很大發展，尤其是在觀察和預測高爐爐料輸送和投放時的狀況方面。采用實際高爐1/3規模的試驗裝置進行實際高爐測定，并采用DEM（離散元法）進行模擬試驗，在此基礎上進行爐料分布推定模擬技術的開發。另外，在實際高爐原料輸送過程中，采用了射頻識別（RFID）標簽進行計測。爐內流動、傳熱和反應的三維非定常數學模型的開發，解決了高爐內部實際狀況難以觀察的問題。高爐爐內料層結構的模型、高爐爐底和爐墻耐火材料侵蝕預測模型、風口回旋區評價離散元模型的開發，有效提高了高爐操作效率并延長了高爐壽命。此外，還利用宇宙射線μ子對生產中的高爐內部進行了直接觀察的試驗。高爐操作數據的可視化和解析技術，可以更好地觀察和認知爐內狀況，并得到了應用。2007年日本制鐵名古屋廠引進了3D-VENUS裝置，該裝置通過設置在爐體立式冷卻壁中的溫度傳感器和檢測爐料填充狀況及煤氣流動的爐身壓力傳感器獲得數據，并以秒為單位進行三維數據化表示。近年來，數據利用、人工智能（AI）和IT技術發展顯著，若利用這些技術，高爐操作技術有望得到進一步的發展。3.2降低還原劑比的技術應用控制熱保存帶溫度、降低還原劑比的技術已取得很大進展。例如，使用混合鐵原料和碳材料的含碳球團（RCA），通過氧化鐵和碳的相鄰配置，使碳從低溫開始發生氣化，從而降低高爐的熱保存帶溫度，提高高爐的還原效率。該技術在2012年應用于日本制鐵大分廠，實踐表明，使用RCA可有效降低還原劑比。而且，熱壓含碳球團具有與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，提高爐內料層的透氣性。該技術已應用于JFE鋼鐵公司千葉廠6號高爐。由于燒結礦和塊焦是同時從爐頂兩個料倉下料，為抑制爐料偏析，采取了從爐中心向爐周圍裝入的逆傾動裝料法。另外，采用流量調整閥（FCG）實時動態控制礦石和焦炭的下料量。JFE鋼鐵公司京濱廠2號高爐通過噴吹含氫量高的天然氣促進還原，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大量使用球團礦的技術神戶制鋼公司加古川廠2號高爐進行了配加70%球團礦操作的試驗，并在神戶制鋼公司神戶廠3號高爐進行了全球團礦操作的試驗（球團礦73%、塊礦27%）。采用中心加焦會形成中心氣流，噴吹粉煤可進行低熱流比操作，由此改善還原停滯的現象。此外，為使高爐周圍的低堿度球團礦配比低于30%，開發了按時間序列控制球團礦下料的技術。3.4風口噴吹技術開發了大量噴吹粉煤的技術。例如，為提高粉煤燃燒率，開發了雙噴煤槍方式；為防止風口的壓力損失變化及確保風口回旋區內的燃燒，開發了新型風口等。另外，為降低風口同旋區深處“鳥巢”部的爐渣黏度，促進爐渣滴下，在神戶制鋼公司神戶廠進行了噴吹轉爐渣操作，由此改善了透氣性，降低了焦比。3.5高爐長壽技術日本制鐵和歌山廠5號高爐至2019年1月18日停爐共連續生產了11289天，創高爐連續生產天數的世界紀錄。高爐長壽技術主要有以下幾項：一是開發立式冷卻壁更換技術；二是開發爐底耐火材料侵蝕控制技術；三是開發高爐模擬技術等。表1匯總了近二十年日本開發的高爐技術。4原料和燒結技術的開發應用4.1提高鐵礦資源應對能力和生產率的技術對世界可開采的鐵礦石資源的變化，已有各種應對措施，但很難提高細粉礦的使用比例。在燒結配料中，提高細粉礦的配比會導致準粒子粒度的下降，阻礙燒結料層的透氣性，造成燒結生產率的下降。改善燒結料層透氣性的技術很多，下面介紹主要的制粒技術。日本制鐵鹿島廠、和歌山廠和小倉廠采用了RFMEBIOS法。把篩分后的粗粒返礦在沒有制粒的情況下，通過旁路添加到制粒后的燒結原料中，提高了除干燥返礦外的燒結原料的水分，強化了制粒性能。同時添加干燥顆粒，可以提高顆粒間的摩擦力，確保料層的空隙，因此改善了燒結料層的透氣性，提高燒結生產率4%。為提高制粒性差的微粉添加量，開發和應用了以微粒作制粒黏結劑的制粒技術。一是采用由干式滾壓粉碎工藝和高分子分散劑（有機黏結劑）的微粒子分散工藝構成的SPExⅡ生產線進行制粒的方法。利用被高分子分散劑分散到粉礦石空隙中粒度小于10μm的超細粒子在干燥過程中再排列后產生的黏結力進行劣質原料的利用。二是在立式濕式球磨機中，利用微粒子黏結劑進行制粒的方法。在水中將鐵礦石粉碎，再將微粒子黏結劑添加到礦漿中，能有效地把微粒子黏結劑分散到粉礦石間，不使用高價的分散劑就能形成堅固的粒狀物。該技術應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，可提高燒結生產率2.4%。JFE鋼鐵公司采用了外裏石灰石和粉焦的制粒技術。該技術的特征是從滾筒式攪拌機后面裝入粉焦和石灰石，使其粘附在以鐵礦石為主體的準粒子外側。石灰石粘附在準粒子表面，使許多還原性高的原生赤鐵礦殘留下來，從而提高燒結礦的還原性。同時，鐵酸鈣在原生赤鐵礦間會形成高強度粘結，可提高燒結礦合格率，改善燒結過程中熔液的流動性，提高熔融帶的透氣性，提高燒結生產率。尤其是采用外裏粉焦的制粒技術，改善了粉焦的燃燒性，通過低溫燒結可提高燒結礦的還原性。此外，許多煉鐵廠采用了延長燒結機長度和增加燒結小車寬度等提高設備生產能力的技術。利用提高燒結料層透氣性的技術進行厚料層燒結，有助于提高燒結生產率。4.2應對環保的技術為滿足燒結的環保要求，減少NOx排放的技術非常重要。雖然在燒結機外采用脫硝設備處理NOx的技術已普及，但存在設備運行費用和可變費用高的問題。為此，開發了對NOx產生源的粉焦進行改質的LCC技術。該技術先用生石灰包裹粉焦，然后進行制粒和燒結，于2013年應用于日本制鐵大分廠，減少NOx排放量15%，提高燒結礦合格率1.1%，提高燒結生產率0.6t/（d·m2）。為彌補燒結料層上部熱量不足的問題，采用了向燒結料層噴吹碳氫氣體的技術。向燒結料層表層噴吹碳氫氣體，可在不提高燒結料層內最高溫度的情況下，延長燒結料層內1200-1400℃溫度區域的保持時間，一面進行液相燒結，一面使強度和還原性好的鐵酸鈣殘留下來，并保持1μm的細氣孔，由此可生產強度高、還原性好的燒結礦。該技術使用城市煤氣作為碳氫氣體，并在燒結機上靠近點火爐，沿燒結機長度1/3范圍內，設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的鐵礦石燒結技術。5煉焦技術的開發和應用5.1提高煉焦資源應對能力和生產率的技術資源匱乏的日本率先在世界上開發和應用了煤調濕、煤干燥加粉煤成型技術等煉焦預處理技術，實現了廉價劣質的非黏結煤的大量使用。為滿足節能要求，提高應對煤炭資源匱乏的能力及環保需求，提高煉焦生產率，日本積極推進新型焦炭生產工藝——SCOPE21的開發。該項目于1994年開始進行研究，2002-2003年在日本制鐵名古屋廠進行中試設備的生產試驗，2008年開始在大分廠5號焦爐應用，2013年在名古屋廠5號焦爐應用。SCOPE21工藝就是在對粉煤進行干燥的同時，篩分出粗粒煤和粉煤，然后進行快速加熱處理，在約250℃的溫度下裝入焦爐。該工藝不僅可使低品位原料煤的使用比例大幅提高至50%，而且生產率比現有焦爐提高1.7倍，減少CO2排放10-20萬噸/年。5.2延長焦爐壽命的技術目前，日本焦爐的平均爐齡高達40年，在采用SCOPE21等焦炭生產新工藝的同時，進行了停爐焦爐復產、現有焦爐改造及生產維護，持續推進焦爐長壽化技術的開發和應用。為實現焦爐的長壽化，需早期發現爐壁的損傷部位并定量診斷，實施計劃修補，但以往的炭化室修補主要靠操作人員目視觀察進行人工修補。為解決此問題，開發了熱態下對爐壁進行高精度診斷和修補的裝置（DOC：DoctorofCokeOven），并于2003年應用于日本制鐵大分廠。其后，在日本制鐵其他廠相繼應用DOC。近年來，隨著DOC技術的進一步提升，不僅可以應用于爐下部的修補，還可以應用于爐壁破孔的修補。還開發了根據焦爐爐壁觀察圖像得出的爐壁凹凸情況，推定推焦負荷的技術。此外，隨著非連續體結構解析方法在焦爐耐火磚結構解析的應用，已能對焦爐不同類型耐火磚結構的剛度和強度進行評價，依照科學的方法弄清耐火磚老化后產生裂紋貫穿的機理和爐壁破孔發生的機理。日本除了采用常規的炭化室內觀察裝置、焦爐寬度測定裝置、爐壁噴補裝置和燃燒室觀察裝置等觀察、修補技術外，在延長老化的焦爐壽命的技術研究方面也取得了很大的進展。在焦爐操作方面，爐壁損傷和爐壁發生桔皮狀缺陷的老化焦爐的炭化室爐壁粘附的碳會影響推焦負荷，因此，對老化的焦爐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，調整碳化焚燒時間，控制推焦負荷。另外，對裝煤到推焦時爐壁的變位和炭化室內煤氣壓力的變化進行了隨時測定，結果顯示，當裝料時，爐壁變位最大；煤氣壓力最高時，爐壁變位最大。1965年投產的日本制鐵八幡廠4號焦爐在高爐休風時，焦爐的燃燒氣體由高爐煤氣（BFG）和焦爐煤氣（COG）的混合氣（MG）改為COG時，由于燃燒室上下溫差增大等原因導致焦爐操作不穩定，但采用COG的氮稀釋設備（DRG）后，焦爐可持續穩定操作。表3列出近二十年日本開發的煉焦技術。6廢棄物再利用、CO2減排和新鐵源技術6.1廢棄物再利用利用焦爐使廢棄物成為原料的技術于2000年應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用。日本制鐵對普通廢棄物類的容器包裝塑料的再利用量累計超過了300萬噸，為節能、減少CO2排放和構建循環型社會做出了貢獻。為實現煉鐵廠無廢棄物排放，君津廠3座高爐、広畑廠4座高爐和光廠1座高爐共計8座高爐應用轉底爐法（RHF），年處理高爐粉塵約100萬噸，用于生產高爐和電爐用的直接還原鐵（DRI），大大節約了資源，取得了節能的效果。6.2二氧化碳減排日本鋼鐵工業經過不斷努力，已達到世界最高水平的節能效率，但為滿足更嚴格的減少CO2排放的要求，正在積極推進創新型煉鐵工藝技術的開發，以實現減少CO2排放的目標。COURSE50是環境友好型煉鐵工藝技術，它是通過改質焦爐煤氣，使氫含量增加，得到富氫焦爐煤氣，利用這部分氫替代部分焦炭來還原鐵礦石的技術，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）取得了關鍵性技術開發成果，第一階段第二步（2013年-2017年）進行了包括內容積為12m3試驗高爐在內的綜合各種關鍵技術的綜合驗證試驗。日本制鐵君津廠建設的試驗高爐通過氫還原，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，共計減少CO2排放量30%。2018年開始進行的第二階段的第一步試驗研究，在試驗高爐上進行了氫利用技術的最后試驗。另外，在鐵焦技術開發中，以低品位煤和鐵礦石為原料，通過成型和干餾后，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年實施的強化應對資源能力的創新工藝技術開發中，建設了30t/d的中試設備，2013年在JFE鋼公司千葉廠6號高爐（爐容積5153m3）進行了5天的試用試驗，將高爐焦炭約10%的使用量置換為鐵焦，降低了還原劑比。根據此試驗成果，2017年開始進行