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他山之石 ——国外炼铁生产技术进展情况

当前,我国钢铁工业正处于产能过剩、企业生产经营极其困难的时期,而这一困难时期将很长一段时间已成为共识。炼铁生产作为钢铁生产流程中最重要的组成部分,是钢铁企业生存和发展的最主要决定因素。作为世界炼铁第一大国,我国的炼铁工作者正承担着巨大的工作压力和历史责任。必须关注和学习国外同行的技术发展情况和先进理念,不断提高我国炼铁整体水平和竞争力。同时,通过人才优化和研讨培训来提高高炉操作者的素质和操作水平是至关重要的。

  高炉炼铁工艺优势将长期保持

  高炉工艺。在过去的十余年里,虽然我国生铁产量保持了高速增长,但国外的炼铁总产量一直保持4.5亿吨左右的规模,反映了全球钢铁工业的基础性和稳定性。2015年世界高炉工艺的铁产量为11.529亿吨,国外为4.615亿吨,占全球产量的40%。

  新建高炉大型化仍是发展趋势。韩国浦项建成世界最大的6000m3级高炉。但行业普遍认识到,在原燃料质量下降和频繁波动的情况下,大型高炉的适应能力存在不足的问题。

  直接还原工艺。2015年,国际钢协统计的14个国家直接还原铁的总和是5937万吨,比2014年的统计值6051.9万吨略有降低。其中,印度的产量最高,达1818万吨。北美基于丰富的天然气资源和价格的大幅度下降,有3个新的气基直接还原项目在建设。

  直接还原工艺的另一个新进展是在印度JSPL的煤气化直接还原装置(MXCOL)建成投产。该装置设计能力是180万吨/年,其工艺采取的是鲁奇的煤气化炉和Midrex的竖炉相结合,将煤用高压蒸汽和氧气进行气化,生产原料气供气基竖炉使用。据报道,2014年3季度,该装置已生产出金属化率稳定在93%的直接还原铁产品。

  熔融还原工艺。2013年,全球熔融还原(Corex + Finex )装置共生产铁水730万吨。2014年1月,韩国浦项又投产了一座200万吨Finex装置。

  HIsarna工艺开发取得进展,所建的半工业试验装置(8吨/小时)自2010年起开展了4次试验,每次2个月。据报道,其结果超过期望值,煤耗已低于750kg/t。2016年计划再开展一次试验。

  COURSE 50的进展。COURSE 50的技术之一是用氢还原铁矿石。所采取的方法是使用焦炉煤气(COG)或焦炉煤气转化气(RCOG),从高炉风口喷吹或从高炉炉身喷吹。在LKAB的试验高炉上开展试验证实,因氢还原反应速率快,氢还原量增加。模拟计算和试验均表明,吨铁的碳耗能够降低3%。

  在脱碳技术方面,该项目正在开发化学和物理吸附方法来脱除高炉煤气中的CO2。该项目开发了新的化学吸附剂,能够在较低温度释放CO2;可将CO2分离能耗从4GJ/t-CO2降低到2GJ/t-CO2。该项目正在Kimitsu厂建设10m3试验高炉,该高炉带30tCO2/d的化学吸收装置(CAT30)。

  综合来看,国外的高炉、直接还原、熔融还原各工艺发展保持相对平稳,而高炉的产量规模和所占的比例均远远领先于后两者。这也预示着高炉炼铁工艺在国外的优势将长期得到保持。

  国外高炉炼铁技术进展一览

  原燃料质量及炉料结构。铁矿原料质量下降是国外炼铁生产普遍面临的问题,表现为SiO2和Al2O3含量上升,Fe含量下降,以及铁矿的粒度下降等,由此带来烧结矿化学成分变差。

  焦炭的产量质量也呈现下降的趋势,以至于许多高炉的实际焦炭质量与要求值之间差距越来越大。

  在高炉的炉料结构方面,受烧结环保问题的影响,球团使用比例呈明显增加趋势。瑞典和芬兰的钢铁企业取消了烧结机,炉料结构为90%球团+10%循环废料压块。北美是以球团矿为高炉主要炉料的地区,2014年平均炉料组成为92%球团+7%烧结矿+1%块矿(不包括额外约6%的金属料)。在29座高炉中,17座使用100%球团,其中60%是碱性球团,40%是酸性球团。

  原燃料高效利用。受炼铁成本的压力,国外许多高炉开发应用了小块焦和小颗粒矿的应用技术。其中,将小块焦与烧结矿混合入炉已成为普遍应用实践。而把小块焦布到高炉边缘区域是更好的使用方法,因为更够保护边缘大块焦,降低边缘矿焦比,以及减少炉墙热损失。小块焦的粒度在不断缩小,小块焦的加入量在不断增加(北美某高炉90kg/t),下限已达6mm甚至更低。

  由于降低入炉烧结矿的粒度下限可以减少高炉槽下的返矿率,对烧结生产的节能降耗和减少污染物排放有直接的效果,虽然增加了高炉操作难度,但仍成为许多国外企业的生产实践。其中,某炼铁技术强国全部高炉入炉烧结矿5mm比例达到6.4%,最高为13.5%。

  在此方面做到极致的是Linz厂A高炉(3550m3),高炉槽下的碎焦和返矿全部入炉,实现了在全部炉料的9%是粉料、粒度0~10mm的情况下,综合焦比为455kg/t,高炉利用系数为2.8t/(m3·d)。

  为应对入炉粉末量增加给高炉操作带来的负面影响,国外开发了分级入炉、优化布料、操作闭环控制等一系列技术保障手段。国外在此方面的理念和做法值得我们重视和借鉴,在拥有现代高炉装备和先进控制技术的条件下,必须从降低炼铁成本的角度出发,突破传统观念和陈旧指标的束缚。

  有害元素的限制。欧洲为保证高炉的稳定顺行,对含有有害元素的钢铁厂各类粉尘和尘泥,如高氯高炉灰、高油轧钢铁鳞、高锌转炉尘、高碱金属烧结除尘灰等,全部或部分限制其通过烧结循环使用。

  高炉复合喷吹。北美高炉煤和天然气混喷成为技术发展趋势。因美国油页岩技术的应用,天然气供应丰富,高炉喷吹天然气量逐年增加。2014年,高炉的平均混喷量是天然气59kg/t,煤58kg/t。混喷的方式有双枪法(每个风口1支枪喷煤,1支枪喷天然气),以及单枪喷煤+风口开孔进天然气的方法。

  多座高炉生产实践证实,高炉采用天然气和煤混喷,比单独喷吹天然气,能获得超过理论计算的置换比。分析其原因为氢改进了炉内反映动力学过程,降低了炉缸热状态波动,提高了高炉运行稳定性和能量利用率。

  此外,相对于喷煤时的较高理论燃烧温度,在喷吹天然气时,高炉可在理论燃烧温度为1760℃(3200℉)下运行。

  炼铁插上信息化智能化翅膀

  随着计算机应用的普及和网络信息技术的高速发展,不同内容的信息化智能炼铁技术得到开发和应用,成为推动当前炼铁生产技术进步的重要力量。若干突出实例包括:

  基于闭环装料控制的专家系统。该系统由西门子奥钢联所开发,通过炉料跟踪,目标铁水要求,原料选择,以及由炉身模拟模型和过程参数支持的专家系统来等确定布料控制模型,进行炉料设置点的优化,最终自动控制布料矩阵和布料设备。该系统在生产中长期应用,对实现上述Linz高炉指标发挥了决定作用。

  3D可视化系统。新日铁利用高炉的500个冷却壁热电偶和20个炉身压力传感器的数据,做出3维可视评价和数值分析系统。该系统于2007年在新日铁住金的Nagoya厂应用,后来在其他厂推广。系统能够对高炉炉身压力波动和料层结构的变化给出空间上和时间序列的明确而清晰的显示,有助于指导高炉操作,实现稳定运行和降低燃料比。

  远程监控、诊断及标准化系统(RMDS)和数据库。该系统的开发者是ArcelorMittal公司,其目标是用网络对全部高炉应用RMDS(现1/4已联网,包括北美3座高炉)。RMDS方案包括每周的视频/网络会议,参加者讨论分享安全和操作经验,RMDS数据可给局部专家系统服务器。

  一些高炉使用SACHEM专家指导系统(由ArccelorMittal和PW联合提供)。所带来的益处是更稳定的高炉运行,更一致的铁水温度和硅含量,更低的燃料比。该专家系统还可用来培训新操作者。

  过程预测模型。欧洲TATA研究中心围绕高炉生产长期开发各方面的模型,以期帮助操作者更好地控制高炉,实现高炉稳定运行。

  炼铁仪器仪表。先进完善的炼铁过程监测仪器仪表是炼铁技术发展的方向,也是信息化智能化炼铁的基础。

  炉顶料层内的径向探针被高炉操作者认为是对布料最有帮助的装置。风口到炉顶多段静压测量对判断压差增加区域防止事故发生非常有价值。炉顶煤气的全组分准确分析是进行直接还原在线监测的基础。各风口风量测量,风口燃烧温度在线测量,风口回旋区深度在线测量,铁口处连续测温,渣铁排放速率监测等,均对及时掌握高炉状态有意义。

  若干炼铁实用技术值得关注

  炉料混装技术。研究表明,不同原料混合后,其综合冶金性能要好于单个炉料冶金性能的加权平均值。在工业生产中,不同炉料的混合入炉已得到应用。入炉前的混合方法因上料方式而异。对皮带上料的高炉,在上料皮带的主料(烧结矿)上均匀叠加球团(块矿)即可。

  直接还原在线监测技术。通过在线计算高炉的直接还原量,提前预测炉缸热状态的变化趋势,为及时调整炉缸热状态赢得时间。如发现直接还原增加,意味着炉料下降加速,高炉趋于向凉。

  恒理燃操作技术。鉴于风口燃烧温度对高炉运行的重要性,理论燃烧温度的控制越来越得到重视。恒理燃操作技术是利用各个影响理论燃烧温度因素的相互作用,当某因素变化时,有选择地自动调节其他因素,保持理论燃烧温度的稳定。

  铁口连续测温技术。由于储铁式主沟内存留渣铁的均温降温影响,在撇渣器后的铁水温度与炉缸渣铁温度相比,存在着较大的温差,特别是出铁前期,而且撇渣器处铁水温度的变化已是经过主沟储存渣铁的稀释缓冲。因此,在撇渣器后的电偶测温不能真实反映炉缸温度和变化趋势。铁口处的测温则能消除上述的缺陷,准确反映炉缸温度及变化趋势,所使用的连续测量方法使测量数据全面,信息价值大,是高炉精确控制的必要手段。该技术已在国内开发成功并在多家企业应用。

  喷煤枪的枪头更换。喷枪是高炉生产的易耗品。而实际生产中要求喷枪始终处于良好状态。喷枪烧损后的未及时发现可能导致直吹管烧穿等严重事故,发现后停煤等待更换则会破坏炉缸圆周工作的均匀性。保持喷枪全部处于良好状态的方法是定期更换,但定期整枪全部更换带来成本的增加。国外采取的只更换枪头的方法则能兼顾两方面,在保证喷枪良好状态的同时,降低喷枪使用成本。其中,喷枪的连接方式是关键环节,应保证其严格的密封性,同时不影响内部的煤股通道,避免在连接处产生磨损引发事故。

  铜冷却壁通道的破损补救。阿赛洛米塔尔在IH7号高炉上开发了铜冷却壁破损补救技术。该技术向破损的铜冷却壁通道通入氮气,并检测出口的氮气温度。当氮气出口温度达到90℃,或冷却壁冷面温度达到150℃,加入雾化水,加强冷却。针对出现的多点破损,其开发了氮气/雾化水超级冷却器。

  LCC(Lime Coating Coke)技术。LCC技术是在烧结过程中,先用生石灰包裹焦粉,然后进行制粒和烧结。该技术的开发目的是减少烧结NOx排放。其作用机理是:加热时,CaO和铁氧化物在焦炭表面形成CaO-Fe2O3熔体层,提高了燃烧温度,起到减少NOx的催化剂作用。该技术已于2013年4月在新日铁住金的Oita厂应用,实现了降低NOx排放28PPm,同时烧结产量增加的效果。

  天然气喷吹(超级烧结矿)。该技术由JFE开发,方法是在烧结点火后再进行表面喷吹天然气,以改善烧结床表面层的质量。其效果是可提高烧结矿强度1%,提高还原度3%,降低焦粉3kg/t,降低高炉燃料比3kg/t。该技术于2009年起在东日本铁厂Keihin地区应用。最近该技术改进为Super-SinterROXY,即在喷吹天然气的同时加入氧气。

  RCA(Reactive Coke Agglomerate)(含碳球团)。RCA(含碳球团)的生产及应用流程是:碳和铁氧化物混合,在造球盘上制粒。经过养生后,冷固结球团装入高炉。该球团在高炉中的作用机理是:由于碳和氧化物的密切接触,在较低温度下开始发生碳的气化反应,这样,通过降低热储备区的温度,提高高炉的反应效率。该技术于2012年在Oita厂应用。含碳20%的RCA降低了还原平衡温度,增加了煤气利用率,降低了碳消耗。

  提高操作者素质尤其重要

  高炉运行状态和生产指标的决定因素是高炉操作者。高炉炼铁是十分复杂的物理和化学过程。炼铁操作者需要具备扎实的基础知识和良好的专业素养,同时要求不断更新其知识结构,掌握最新的技术动态和研究结果,将其与生产实际相结合,实现高炉的稳定高效运行。国外企业对此均非常重视,在操作者素质上进行严格控制,如德国高炉操作者均具有博士学位,南美制定了人才培养计划,目标是操作人员具有硕士和博士学位。

  国外许多公司和机构对高炉操作者进行定期的专业培训或组织专门的研讨,取得了实效。尤其需要看到,高炉内的许多过程和现象尚未得到充分的理解和统一的认识,甚至存在错误的认识,如合理煤气流分布,理想的料面形状,冷却壁热流冲击的原因(是渣皮脱落还是煤气短路造成的),悬料的位置和机理,不同铁口温度异常的原因,炉顶过湿区的问题,粉末在炉内的运动及影响,圆周不均匀的危害,炉凉的正确处理方法,以及休风后炉内的行为,等等。这些都会在高炉操作上产生偏差甚至错误,最终导致高炉的低效或发生严重事故。通过不断的研讨和培训是解决上述问题的有效方式。这点对于我国来说显得尤为重要。