中美煉鐵技術比較分析

劉文權 蘇步新 張 盟

一、我國煉鐵產量和裝備情況

2017年我國高爐生鐵產量71075.9萬噸；熔融還原鐵水41.3萬噸。高爐生鐵占99.94%，熔融還原占0.06%。

據不完全統計，截至2017年底，我國共有規范合格企業煉鐵高爐917座，高爐煉鐵總產能約9.5億噸，平均高爐容積912立方米。其中，2000立方米及以上高爐約有120座，產能占比29%；1000立方米-2000立方米高爐約有340座，產能占比37.5%；400立方米-1000立方米高爐約有530座，產能占比33%；其他高爐產能占比不足0.5%。

2017年3月，寶鋼集團八鋼歐治爐COREX3000開爐，2座150萬噸產能合計300萬噸，2017年產量41.3萬噸。

二、美國煉鐵產量和裝備情況

2017年美國高爐生鐵產量2239.5萬噸；直接還原鐵產量299萬噸。其中高爐生鐵占88.22%，直接還原鐵占11.78%。

據不完全統計，截至2017年底，美國共有煉鐵生產高爐約19座，高爐煉鐵總產能約2500萬噸，平均爐容1919立方米。其中，2000立方米及以上高爐約有6座，產能占比46.67%；1000立方米-2000立方米高爐約有13座，產能占比53.33%；無1000立方米以下高爐。2017年美國直接還原鐵產能1210萬噸，直接還原鐵產量299萬噸。

三、中國煉鐵技術現狀分析

（一）高爐煉鐵

1.鐵鋼比

鐵鋼比取決于長短流程的選擇，鐵鋼比高低主要反映工序能耗和低碳排放水平。

我國鐵鋼比持續下降，但下降幅度較少，仍在0.85以上。美國從2008年開始，隨著開采技術的突破，2015年頁巖氣產量呈現爆發式增長，為美國制造業帶來了優惠價格的能源，使得美國鋼鐵工業具備了生產低成本、高質量產品的基礎條件，同時使用天然氣也更具有環保優勢，加之廢鋼資源和直接還原鐵/熱壓塊充足，電價較低，這也驅動著美國鋼企戰略的逐步調整電爐流程。近年來，美國鐵鋼比下降明顯，鐵鋼比已低于0.3。見圖1。

圖1 2012-2017年中美鋼比對比圖

2.爐料結構

我國爐料結構70%-80%高堿度燒結礦，配加10%左右酸性球團礦和10%左右塊礦。在環保加壓和地條鋼出清等去產能背景下，廢鋼資源激增，部分鋼企在煉鐵高爐配加廢鋼。如山西立恒新區高爐配加廢鋼球140千克/噸, 產量較提高8% ，焦比降低8千克/噸左右, 煤比降低6千克/噸左右，電耗降低了3千瓦.時/噸左右。見圖2。

圖2 2010-2017年中國高爐爐料結構

3.噴吹燃料

我國高爐噴吹類型主要為噴煤為主，萊鋼1880立方米高爐噴吹粒煤，部分試驗高爐噴吹蘭炭、焦爐煤氣、廢塑料和廢舊輪胎等。

4.高爐大型化和高利用系數

近年來，我國高爐大型化趨勢明顯，截至2017年底，已投產23座4000立方米以上高爐（其中6座5000立方米以上高爐，最大高爐容積5800立方米）。在產4000立方米高爐座數超過了美國在產高爐的總座數。2017年重點統計單位平均利用系數2.51噸/(立方米.天)，最高達4.05 噸/(立方米.天)，最低1.75 噸/(立方米.天)等。

5.低成本治煉

我國在高褐鐵礦配比（最高60%）、紅土鎳礦（8%以下低鎳生鐵）、高配比釩鈦磁鐵礦（攀鋼2013年達70%左右）、高Al2O3礦等特殊礦的低成本治煉等方面取得重大技術突破，部分已達到國際領先水平。

（二）非高爐煉鐵

1.COREX3000技術

寶鋼集團浦鋼羅涇工程分別于2007 年11 月和2011年3月引進2套COREX煉鐵裝置并相繼投產。運行了4年后，搬遷COREX-3000至八鋼歐治爐并順利投產，并結合新疆地區資源稟賦，較好地發展了具有八鋼特色的熔融還原技術?？傮w來看，經過寶鋼這些年的不斷摸索和生產實踐，基本實現了引進技術、掌握技術、消化技術的目的，也為結合不同區域的資源稟賦條件來發展非高爐煉鐵技術做出了積極探索。

2.HIsmelt技術

山東墨龍石油機械股份有限公司于2012年8月引進澳洲力拓的HIsmelt技術和裝備，針對其存在的一系列問題，進行全面的技術和設備改造，對設備、生產工藝、流程改進等環節進行了一系列的改進完善。歷經5年，經過9次熱負荷試車，2016年12月份正式生產，截止2018年3月底，已累計生產45萬噸，當前最高日產量達到1930噸、月產量達到5.17萬噸，已超過原澳大利亞奎那那工廠的歷史最高紀錄（澳大利亞HIsmelt工廠自2005年開始生產至2007年共產出鑄鐵15.5萬噸），煤耗最低降低到800千克/噸，污染物排放較傳統煉鐵工藝顯著降低，產品經脫硫后主要指標達到高純生鐵的標準，于全球首次實現了HIsmelt連續工業化生產。

3.轉底爐技術

此外，國內已有沙鋼、日照（2條）、萊鋼、馬鋼、湛江鋼鐵、燕山鋼鐵（2條）、天津榮程、龍蟒、攀鋼等11條采用轉底爐處理固廢或釩鈦磁鐵礦，轉底爐生產的直接還原鐵作為附加物一般加入高爐或煉鋼使用。

四、美國煉鐵技術現狀

（一）高爐煉鐵

在過去的40年里，美國的生鐵產量和鐵鋼比逐漸降低，2016 年生鐵產量2229.3萬噸。其主要競爭者是廢鋼電爐生產流程。電爐鋼占半數以上（2016年美國電爐鋼比67%，世界平均25.7%），鐵鋼比僅為0.284。

美國鋼鐵企業之間開展了大規模的整合，2016年5家集團公司擁有44座高爐，其中19座在運行，取得了高爐座數減少，生產效率提高的效果。高爐的工作容積為1062立方米-4163立方米。利用系數為1.7-3.9，其中最高的是AK Steel Middletown 3號高爐（1493立方米）。該高爐的操作特點是高富氧（2016年鼓風含氧量32.2%）、金屬料(8千克/噸含鐵返料+41千克/噸廢鋼），大量噴天然氣(104千克/噸)。美國最大高爐為安米印第安那港廠7號內容積4163立方米高爐，其次為美國鋼鐵公司加里廠14號高爐（內容積3244立方米）。

1.高比例球團礦

美國是以球團礦為高爐主要爐料的地區。2016年平均爐料組成為：92%球團和7%燒結礦、1%塊礦。在產19 座高爐中，14座使用100%球團，其中60%是自熔性（或堿性）球團礦，40%是酸性球團礦。見圖3。

2.高爐使用金屬化爐料

北美保留燒結廠作為處理球團篩下物和其他小顆?；厥瘴锪系膽鹇耘e措。如Gary 鋼廠燒結廠從各種循環廢料中生產超高堿度燒結礦（R=2.6-2.7），含TFe為50%。一些高爐使用冷固結壓塊作為循環廢料的處理手段。如2014年，ET 廠使用34千克/噸的由高爐塵和塵泥、軋鋼鐵鱗、焦粉等制成的冷壓塊。

3.噴吹天然氣和焦爐煤氣

北美高爐煤和天然氣混噴成為技術發展趨勢，美國鋼鐵公司蒙瓦利廠2座高爐噴吹焦爐煤氣。因美國油頁巖技術的應用，使天然氣供應豐富，高爐噴吹天然氣量逐年增加。2016 年，高爐的平均噴吹天然氣量是59千克/噸，噴煤58千克/噸?；靽姷姆绞接须p槍法（每個風口1 支槍噴煤，1 支槍噴天然氣），以及單槍噴煤+風口開孔進天然氣的方法。

多座高爐生產實踐證實，高爐采用天然氣和煤混噴，比單獨噴吹天然氣，能獲得超過理論計算的更高置換比。經分析，其原因為改進了爐內反應動力學過程，降低了爐缸熱狀態波動，提高了高爐運行穩定性和能量利用率。見圖4。

（二）非高爐煉鐵

1.氣基豎爐直接還原技術

基于北美豐富的天然氣資源，直接還原鐵產量在增加，有多個新的氣基直接還原項目（HYL、Energiron）在建設中。見表1。

2.ITMK3粒鐵技術

圖3 2016年美國高爐爐料結構

圖4 美國高爐噴吹燃料 千克/噸

號稱第3代先進煉鐵工藝的日本神戶制鋼的ITMK3粒鐵轉底爐，從2004年在美國明尼蘇達州建設ITMK3粒鐵轉底爐示范裝置，原計劃第1號商業生產設備于2006年開始生產，由于遇到1450℃環境下進行的含碳球團還原和渣鐵分離過程溫度很高，轉底爐耐材及鋪底料的問題未解決好、粒鐵產品硫含量高、在轉底爐內生成粒狀固態生鐵需要的冷凝段過長，生產效率太低等工程化難題，至今未能商業化生產。計劃在Northshore Mining Co.公司建設的直徑50米-60米、年產50萬噸粒鐵的ITMK3轉底爐示范廠至今未見生產情況的報道。其共同開發的合作伙伴、北美最大的礦業公司克利夫蘭.克里夫斯（CLF）2012年已經宣布退出了ITMK3粒鐵轉底爐合資項目。

表1 近年北美氣基直接還原鐵項目

3.氫氣閃速熔煉法

猶他州大學氣-固懸浮是指鐵精粉在懸浮狀態下，被熱還原氣體還原成金屬化率較高的還原鐵工藝。熱還原氣體可以是氫，也可以是由煤、重油等經過不完全燃燒產生的還原氣體CO，或者CO和H2的混合氣體。

4.熔融氧化物煉鐵法

麻省理工學院熔融氧化物煉鐵法是指氧化鐵礦在1600℃溫度下，溶解在SiO2和CaO熔劑中，在電流通過時，帶負電荷的氧離子移向陽極，陽極產生氧氣。帶正電荷的鐵離子移向陰極，陰極產生鐵，并聚集在電解槽底部的收集池中。

五、中美煉鐵技術比較分析

1.中國煉鐵在高爐大型化、低成本治煉、高利用系數強化治煉、工序能耗等方面具有較強競爭力。

2.美國煉鐵在流程優化（鐵鋼比低至0.3左右）、爐料結構（以球團礦為主）、氣體噴吹（噴吹天然氣、焦爐煤氣）等方面值得中國煉鐵借鑒學習。

3.中國在熔融還原有豐富生產實踐經驗（CORE X3000和HIsmelt）并取得突破性創新技術。美國在HYL豎爐生產直接還原鐵有多條生產線生產或規劃建設之中。閃速熔煉、熔融氧化物等低碳煉鐵研發亦取得較大進展。

4.中國氣基豎爐用氣如煤層氣、煤制氣或焦爐煤氣等在成本、價格方面取得突破后有可能與美國頁巖氣生產直接還原鐵取得競爭優勢。

六、展望

未來中美兩國在高爐煉鐵的爐料結構、燃料噴吹等方面相互借鑒，互有比較優勢，并在低成本治煉、低碳煉鐵和非高爐治煉發揮競爭優勢。

1.中國在煉鐵技術的爐料結構方面，為適應超低排放的要求，采用先進適用的節能減排技術：燒結煙氣循環、多污染物協同減排、燒結余熱發電、高比例球團礦或全球團治煉、熔劑性球團礦、高爐噴吹焦爐煤氣、廢塑料或廢舊輪胎、爐頂煤氣循環氧氣高爐煉鐵工藝、COREX3000和HIsmelt技術等方面發揮比較優勢，并在低成本治煉、低碳煉鐵發揮競爭優勢。

2.美國煉鐵在高比例球團礦、高爐加廢鋼或HBI、噴吹天然氣、直接還原鐵和低碳煉鐵創新（閃速熔煉和熔融氧化物煉鐵）等方面發揮競爭優勢。