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我国炼铁工艺技术的进步 沙永志 滕飞 曹军 （钢铁研究总院，北京 100081） 摘要摘要本文介绍了近年来我国炼铁生产状况和工艺技术方面的改进。我国球团生产能力已达到 2 亿吨，主要归功于链篦机-回转 窑工艺的快速应用。烧结技术进步的特征是烧结机大型化，厚料层烧结，余热回收，以及烟气脱硫。焦炭质量的改进依赖于焦 炉大型化，干熄焦，煤调湿，以及捣固焦技术的应用。高炉的技术进步体现在高炉大型化，高利用系数，低燃料比，高风温， 干法除尘，喷煤工艺改进，新的高炉设备，先进的工艺监控技术，以及污染控制等。直接还原和熔融还原技术也在开发过程中。 关键词球团，烧结，焦炭，高炉，炼铁 TECHNOLOGICAL IMPROVEMENTS OF IRONMAKING IN CHINA Sha Yongzhi Teng Fei Cao Jun （Central Iron Steel Research Institute，Beijing 100081） Abstract This paper introduces recent ironmaking production status and technological improvements in China. Pellet production capacity has reached up to 180 Mt in 2009, mainly due to quick application of grate-kiln process. Sinter process progress is characterized as sinter machine enlarging, deep bed sintering, heat recovery, and desulphurization application. Coke quality is improved by means of coke oven enlarging, coke dry quenching, coal moisture control and stamp charged technology applications. Progress of BF process consists of BF enlarging, high productivity, low fuel rate, high blast temperature, dry gas cleaning application, PCI technology improvement, new BF facilities, advanced process monitor techniques, and pollution control etc. Direct reduction process and smelting reduction process are under development. Key words Pellet, sinter, coke, blast furnace, iron making 1. 引言 近年来，在我国国民经济持续高速增长的动力驱动下，我国的炼铁生产规模发生了巨大变化，产量由 1999 年 的 1.24 亿吨增加到 2010 年的 5.9 亿吨。 产量的增加除了依靠新建和扩建炼铁产能外， 整个系统的工艺改进和技术 进步也发挥了重要的作用。我国的炼铁几乎全部是高炉流程，各企业和相关单位围绕高炉流程的降低成本、节能降 耗、以及污染控制，开展了大量的富有成效的工艺和技术改进工作。 2. 球团 2.1 产量及生产工艺 在过去的十年里，我国球团生产的发展速度令人吃惊，从 1999 年的仅 1194 万吨猛增到 2009 年的 1.8 亿 吨（生产能力） ，而且目前的增长趋势仍在继续。有力地支撑了炼铁产量的增加。在各种球团生产工艺中，链 篦机-回转窑工艺的贡献最大， 竖炉工艺也作出了很好 的贡献（见图 1） 。 2.2 工艺技术进步 1 工艺优化 链篦机-回转窑工艺，由于其生产能力大，球团质 量好，能耗低，原料适应能力强，在开发成功后得到 快速推广应用。2000 年，首钢开发成功第一套年产 1 百万吨的链篦机-回转窑球团生产线。迄今为止，约有 近百条该工艺生产线建成投产。大部分生产能力在 60200 万吨/年。最大的是武钢鄂州的 500 万吨/年生 产线，建成于 2005 年，且从土建开始到投产仅用 13 图1 各工艺产量变化图1 各工艺产量变化 0 20 40 60 80 100 120 19992009 Year Million tons Year Million tons 竖炉 链篦机-回转窑 带式机 个月。 竖炉工艺在比例上正在被链篦机-回转窑工艺替代。但目前仍有 200 余套装置。多数是 810m2规格，单 机产量在 3040 万吨/年。 从1970年至 2009年， 带式机工艺一直保持两条生产线。 一个是鞍钢的 321m2 ， 另一个是包钢的162 m2。 2010 年 4 月，首钢京唐建成了 504 m2 带式机生产线，能力为 4 百万吨/年。 2 生产指标的改进 伴随着行业节能降耗的大趋势，球团的生产指标也得到显著的改进。 A. 皂土配比降低 曾经许多竖炉的皂土配比超过 40 kg/t。 现在通过多种改进措施，包括细磨精矿、开发新型复合皂土、增 加润磨系统、精粉干燥等，使皂土配比得到显著降低。目前平均的皂土配比是竖炉工艺 21.2kg/t，链篦机- 回转窑和带式机工艺是 18.7 kg/t。但从总的情况看，仍有改进的空间。 B. 球团品位增加 由于精矿品位的提高和皂土配比的降低，球团品位提高了 24 个百分点。通常竖炉球团品位为 62，链 篦机-回转窑球团为 63.5。通过继续改进选矿工艺，该指标还将得到提高。 C. 能耗降低 通过全方位的改进，每个工艺的能耗均在不断降低。目前平均竖炉工艺的能耗是 35.6 kgce/t，链篦机- 回转窑工艺是 27.6 kgce/t。先进的指标是 18.15 kgce/t （首钢球团厂） 。在此方面，先进工艺和生产规模显 示其优势。 3. 烧结 为了支撑快速增长的铁水产量，我国已大幅度提高其烧结矿的生产能力。据不完全统计，2009 年全国有 500 余台烧结机，总烧结面积达 53800 m2，约生产 6 亿吨烧结矿。烧结工艺改进体现在以下几方面 1 烧结机尺寸扩大 目前，许多钢铁企业都建了大烧结机。最大的是去年投产的太钢一台 660 m2 烧结机。据 2009 年统计， ≥180m2 烧结机的数量达到 125 台，总烧结面积为 38590 m2 [2]. 2 厚料层烧结 为充分利用其蓄热能力和质量均匀等特点，各烧结厂普遍实施了厚料层烧结技术。许多烧结机的料层厚 度达到 600 mm 以上。在京唐 550 m2烧结机上实现了 800 mm 厚料层烧结[3]. 其固体燃耗是 48.3kg/t，转 鼓强度 77.65，FeO 含量 7.7。 厚料层烧结需要强化制粒，以保证烧结混合料良好的透气性。同时还要求偏析布料，使得料层上下的温 度分布一致。许多新建烧结机采取宽皮带（1.25.5 m多辊611 布料的方式来替代老式泥辊反射板的结 构，取得良好效果。 3 工艺优化 固体燃料分加方法已在一些厂的生产实践中采用，其控制烧结气氛和提高烧结速度的效果已得到证明。 生石灰已被用来部分或全部替代石灰石，体现了改进制粒和烧结的良好效果。一些厂尝试了熔剂分加来改善 烧结矿的质量，证明对高褐铁矿比例的混合料是有效的。 随着低品质矿在烧结混合料中比例的增加，为保持烧结产量和烧结矿质量，各厂采取了多种措施，如利 用综合料场稳定混合料组成、加强混合料制粒、使用在线水分测量仪精确控制混合料水分、混合料蒸汽预热、 增加料层厚度、检测料面平整度、采用烧结专家系统精确控制烧结终点等。 中南大学开发了新的复合造块（CAP）工艺[4]. 该工艺将原料分成两组一组是球团料，另一组是基料。 将球团料造成 816 mm 酸性生球，基料制成 38 mm 高碱度混合料，然后二者混合后布到烧结机上。 CAP 工艺已于 2009 年 6 月成功应用到包钢一台 265 m2 烧结机。在使用 35的本地低品质精矿和 1.5 碱度的条件下，该生产线生产的烧结矿质量与 1.9 碱度的烧结矿相同，而且利用系数更高，固体燃耗更低[5]。 4 余热回收及节能 对众多烧结厂来说，通过热交换器回收冷却烧结矿烟气的余热已是一个普遍的实践。一些厂将部分热烟 气直接用作点火炉的助燃空气（热风点火）和点火炉后的保温段，起到很好的降低点火燃气消耗和改善烧结 层表面质量的效果。 在越来越多的新建烧结厂中，安装了余热发电设备来回收烧结环冷机烟气的热量。2005 年，首套为两台 300m2烧结机建的 17.5MW 发电设备在马钢建成投产。从 2006 年至 2009 年 8 月，共发电 2.345 亿 度。 近年来，烧结主抽风机的变频控制（VVVF）得到应用。它通过改变风机供电的频率而不是阀门的开度来 调节抽风负压，达到节电的目的。它同时避免了短时停烧结机而不停风机所造成的能量浪费。据报道，一个 400m2烧结机配用变频控制后，节电达 30。 许多烧结厂在布料矿槽采用了蒸汽预热技术。与在混料筒内蒸汽预热的方法比较，该技术可提高蒸汽利 用率高达 80，预热烧结混合料温度超过 65℃，并保持了布到烧结机上混合料最小的温降。 在减小烧结机漏风率方面，各厂均开展了卓有成效的工作。其中，新的机头机尾密封装置能够将烧结机 本体的漏风率降低到 20；复合磁性密封技术则可对烧结机两侧进行有效密封，控制漏风率在 30以下。传 统的环冷机有 3045的漏风率。而新的液体密封设计能够将该处的漏风率降低到 5以下，节约 20的风 机电耗[2] 4 污染控制 近年来，烧结工序的污染控制得到行业的重视。 机头机尾的烟气含尘量要求低于 50 mg/Nm3。 为满 足这一要求， 需要采取布袋静电除尘器的方式。 新的 除尘设备也在开发过程中。 随着环保制度的加强，越来越多的烧结厂正在安 装烟气脱硫装置。脱硫工艺种类繁多，包括石灰/石 膏法，硫氨法，镁法，CFB，浓相吸收法（见图 2） ， MEROS, NID, 以及活性碳法等。SO2 的脱除率一般 可超过 90。其中，活性碳法已于 2010 年应用到太 钢一台 450m2 烧结机。该方法除脱硫外，还可同时 脱除 NOx 和二噁英。 4. 焦炭质量改进 我国是世界最大的焦炭生产国，以支撑其巨大的炼铁生产规模。2009 年焦炭产量达到 3.53 亿吨。随着 高炉容积加大和喷煤比的提高，焦炭质量越来越成为维持高炉稳定顺行的关键因素。所采取的改进焦炭质量 4 个主要措施简述如下。 1 焦炉大型化 焦炉大型化能显著增加装煤的密度。与 4.3m 炭化室的 750kg/m 3 密度相比，7.63m 焦炉的密度平均达到 821.2 kg/m 3。 大焦炉的焦炭质量更加均匀一致。 从 2005 年 至 2009 年, 所建的 ≥4.3 m 焦炉的总能力达到 144 Mt/a。 其中仅在 2009 年， 71 是 ≥5.5 m 的捣鼓焦炉和 ≥6 m 的顶装焦炉。新建顶装焦炉的标准是 6 m 以上。 2 干熄焦 干熄焦技术在钢铁联合企业得到广泛应用。2009 年，有 90 套干熄焦装置在运行。除了焦炭的显热回收， 干熄焦的焦炭质量还得到改善，如 M40 提高 3-8, M10 降低 0.3-1, CSR 提高 1-6 。 3 煤调湿 近年来，煤调湿技术得到重视。不同的煤调湿方法得到开发与应用。太钢焦化厂使用蒸汽管旋转干燥系 统将煤的湿分从 10降低到 6，使工序能耗降低 9，结焦时间缩短 1 小时，焦炭产率增加 5，瘦煤和气煤的 比例增加 9 个百分点。 4 捣固焦 捣固炼焦技术在我国得到快速发展，总的能力超过 1 亿吨/年。该技术能将炼焦煤的堆密度提高到 905-1150 kg/m 3。通常捣固炼焦能提高 M40 1 -6, 降低 M10 2-4, 增加 CSR 1-6. 最重要的一点是， 图.2 DFA-FGD 工艺流程图 该技术能经济有效地利用国内煤炭资源，大幅度提高炼焦的气煤、1/3 焦煤，以及贫瘦煤的比例。 5. 高炉 5. 高炉 5.1 高炉数量及容积 据不完全统计，全国有 600 余座不同容积的高炉。其中≥4000 m 3 高炉是 13 座, 3200 m3 高炉是 16 座, 2500-2800m 3 高炉 42 座， ≥1000 m3 高炉数量超过 200 座[7]. 小高炉正在被大高炉所取代。现已建成三座 5000 m 3 以上的高炉，其中两座 5500m3 高炉在首钢京唐公 司，一座 5800m 3 在沙钢。 5.2 工艺技术进步 1 高效低耗生产 在高炉大型化的同时，各级别的高炉利用系数在不断提高。中小高炉的普遍高系数已成为我国炼铁的突 出亮点。一些大高炉也实现了创纪录的生产率指标。 如武钢一座 3200m 3 高炉月平均达到 2.94 t/m3d （2007.11，沙钢 5800m 3高炉则已达到月平均 2.313t/m3d。在过去十年里，高炉大型化前提下统计的平均利 用系数增长了 15.9。 高效生产为保证炼铁总量起到了非常重要的作用。 在过去的十年里，我国高炉的燃料比降低了 29kg/t,焦比降低了 60kg/t。一些先进高炉的燃料比达到 480-490kg/t，焦比约 300 kg/t。当然，与国外先进水平相比，我国的高炉燃料比还有一定的改进空间。 2 高风温 十年里，我国的平均风温水平由 1034℃提 高到 1160℃。主要的措施是采用空气和煤气的 双预热。首钢京唐的一座 5500 m 3 高炉预热助燃 空气至 450-600℃，高炉煤气至 200℃，实现风 温 1300℃，如图 3 所示 [8]. 国内自行设计的顶燃式热风炉首先被小高 炉所采用。 许多新建的大高炉也采用了顶燃式的 结构， 包括俄罗斯的卡鲁金设计。 这种热风炉结 构的优点在于占地少、高度低、顶温低、气流分 布均匀、以及投资低等。 此外，一些实用产品和技术得到开发应用。 例如， 格子状的结构和质量得到不断改进； 对热 风炉上部格子砖， 开发了一种可提高换热效率的 涂料，某试验检测热风炉热效率提高 3.56；各种自动烧炉技术得到应用，取得了缩短烧炉期和节约煤气的 效果。 3 高炉煤气干法除尘工艺 上世纪 70 年代，高炉煤气布袋干法除尘工艺首先在小高炉试验，在 80 至 90 年代，逐渐在中小高炉得到 应用。近十年来，越来越多的大高炉也采用了该工艺，甚至基本不设置湿式备用系统。 采用全干法除尘的最 大高炉是首钢京唐 2 座 5500m 3 , 技术参数见表 1[9] 表 1. 5500 m3 高炉干法除尘设计指标 No 项目 数据 1高炉煤气流量,Nm3/h 760000 Max 870000 2高炉顶压，MPa 0.28 Max 0.30 3操作温度,℃ 100-200 4除尘布袋箱体数量，个 15 5箱体直径, mm 6200 6布袋规格, mm Ф1607000 7总布袋过滤面积,m2 21586 风温，℃ 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 2009-5-21 2009-6-2 2009-6-14 2009-6-26 2009-7-8 2009-7-20 2009-8-1 2009-8-13 2009-8-25 2009-9-6 2009-9-18 2009-9-30 2009-10-12 2009-10-24 2009-11-5 2009-11-17 2009-11-29 2009-12-11 2009-12-23 2010-1-4 2010-1-16 2010-1-28 2010-2-9 2010-2-21 2010-3-5 2010-3-17 2010-3-29 图 3. 5500m3高炉投产风温变化 ℃ 8过滤负荷, m3/m2h 14.0 Max 16.0 9净煤气含尘量 ,mg/m3 ≤5 与传统的湿法除尘比较，干法除尘节约了大量洗涤水，保留了煤气显热。同时，干法保持了煤气的压力， 使得 TRT 发电量明显增加。较湿法的除尘污泥，干法除尘灰更便于处理和利用。干法的动力消耗也大大低于 湿法。 基于煤气干法除尘的上述优点，在试验成功后，包钢在一年内将所有的 6 座大高炉的湿法除尘改为干法 系统。TRT 回收的电能达到 42.5 KWH/tHM. 4 高炉喷煤 为了降低焦比和生产成本， 我国现所有的高炉均配置了喷煤设施。 在过去的 20 年里， 平均煤比不断增加， 2010 年达到 149kg/t，如图 4 所示。目前许多高炉在高煤比 150-200 kg/t 运行。宝钢在它的 4000 m 3 高 炉上保持 200 kg/t 连续长达 10 年之久。 喷煤工艺在多个方面得到改进，如集中喷吹工艺（制粉和喷吹在一体）替代分离喷吹工艺，单一大布袋收 粉，使用热风炉烟气作为主干燥介质，取消粉仓下的螺旋输送机，以新型仓底结构代替，并联罐系统替代老 式串联罐系统，输粉采取主管路分配器的方式。 在喷煤设备上也有很多改进提高，包括 A. 立式中速磨因其制粉能力大、电耗低、密封好、 噪音小，而迅速取代球磨机，应用于新建和改扩建 制粉系统。 B. 新型的煤粉仓仓底流化给煤器可在无机械传动 情况下，实现同时向 2-4 个喷吹罐供煤粉。 C. 新的喷吹罐设计特点是带有大底流化床， 上出料 型，带特殊内过滤器。 D. 喷枪材质已从普通高温合金 1Cr18Ni9Ti 升级为 特殊耐热合金钢，以适应越来越高的风温水平。新 的喷枪结构是直管陶瓷内衬弯头。 套筒式喷枪在一 些大型高炉上得到使用。 5.3 高炉设备 在过去十年里，所有新建高炉，甚至是小高炉，均安装了无钟炉顶设备。无钟炉顶使装料制度更加灵活， 改进了炉料顺行和提高了煤气利用率，同时提高了炉顶压力。国产的无钟炉顶设备已在 300 m 3 -5500 m3范围 内的高炉上得到成功应用。 铜冷却壁已被广泛应用于大高炉的炉腹炉腰。铜冷却壁的出色导热性能使该区域的渣皮易于形成且稳固 性良好，从而达到对该区域的有效保护。铜冷却壁也延伸到炉身下部的使用，对该处的炉衬起到很好的保护。 一种称之为MTC的国产高炉渣处理设备已在90余座高炉上使用。 该设备采取螺旋过滤器有效分离渣和水。 设计渣中水含量低于 15。最大渣处理能力为 700 t/h。 国产的液压开口机，型号 YZG5050, 已成功应用于宝钢 4966m 3 高炉。该设备的主要参数是钻孔深度 5500 mm，钻孔速度0.025 m/s，旋转压力23 MPa，冲击力20 MPa [9]。 高炉热风阀在隔热材料和冷却方式上得到改造升级。新的阀门据称仅需原水量的 30-40，可减少 5℃热 风温度损失。 5.4 监测技术 高炉炉顶煤气在线分析已被广泛应用于大型高炉。该分析能够指导布料，改进高炉煤气利用率。同时操 作者根据 H2含量的变化，及时发现高炉下部的冷却系统泄漏情况。 高炉料面雷达探尺被用来替代传统的机械探尺，在测量精度、可靠性、以及维护量等方面体现出先进性。 高炉炉顶摄像技术是借助于伸入炉内的红外摄像仪，在线连续监测炉顶煤气流和布料情况。高炉操作者 可清楚地看到炉顶煤气流分布强弱，溜槽运动状况，以及炉料表面情况。该技术在不同容积的高炉上得到广 Fig 3 PCI rate of m ajor steel m ills from 1999 to 2010 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Y ear Rate,kg/t 图 4. 高炉煤比变化 泛应用。 高炉冷却水高精度温差和热流强度监测技术得到开发和应用， 从而在线监测高炉冷却壁和风口工作状况。 在一些场合下，监测结果被用来分析高炉圆周工作均匀性和冷却壁的侵蚀。 风口燃烧监测技术是通过安装在风口窥视孔上的专用摄像机和专用测温仪，将风口回旋区的焦炭运动， 煤粉燃烧，燃烧温度，风口和喷枪状态，下生料等现象，直观准确地记录下来，指导高炉操作（见图 5） 。该 技术在越来越多的高炉上得到应用。 考虑到炉缸侵蚀对高炉寿命的影响，在炉缸侧壁和炉底安装了大量不同位置的热电偶测点。炉缸侵蚀数 学模型得到开发和应用（见图 6） 。 为了更全面准确地掌握炉缸热状态，铁水连续测温方法正在替代在撇渣器或铁沟的电偶测温方法。新的 进展是直接测量铁口处的铁（渣）流股。与在撇渣器和铁沟处测量相比，该点的测量更具价值，因为A. 测 量数据更准确， 显示温度变化趋势更正确， 消除了主沟和撇渣器带来的温降和均匀的影响 （通常后点温降 10-20 ℃ . B. 同时测量熔渣的温度. C.消除了后点测温的时间滞后（10 分钟左右） 。见图 7。 为避免干法煤气除尘带来的布袋结露问题，开发了在线测量高炉炉顶煤气露点和水分的装置。该测量结 果还有助于更全面分析煤气的利用率和监测高炉的冷却系统泄漏情况。 5.5 出铁场污染控制 高炉出铁和铁沟维护所产生的污染问题正得到治理。对于大型高炉，主沟，铁沟及渣沟均被封盖，并设 有从主沟到鱼雷罐的全面抽风除尘系统。通过严格控制各除尘点，实现出铁时无烟尘溢出。见图 8 . 储铁式主沟不仅被大高炉所接受，由于开发了防爆快速烘干浇注料，许多单铁口小高炉也都改造成储铁 式主沟，从而不仅大大减轻了炉前劳动强度，还明显改善众多小高炉出铁场环境。 越来越多的钢铁厂，特别是位于市区的钢铁厂，已认识到满足严格的排放标准是未来生存的前提条件。 大量污染控制方法和手段正在实施过程中。 6. 直接还原和熔融还原 图 5. 风口监测图像 图 6 炉缸侵蚀模拟画面 图 7. 铁口连续测温 图 8. 唐钢 3200m3高炉出铁场 由于缺少天然气资源，我国的直接还原工艺只能基于煤。现已建成 5 个回转窑直接还原厂 [10]. 其中 3 条 生产线能力为每条 15 万吨 DRI/a。 近年来，转底炉工艺得到开发和应用。现已建成数条生产线，包括四川龙蟒 10 万吨/年，马钢 20 万吨/ 年，日钢 220 万吨/年，莱钢 20 万吨/年。所有这些生产线均用来处理循环废料，或特殊铁矿。 2 套 Corex 3000 装置已在宝钢建成。1 套已运行 3 年，另一套在 2011 年 3 月投入使用。 7. 结论与展望 在过去的十年里，我国的炼铁工业取得令人惊喜的进展。除了新建扩建生产能力外，在工艺和设备等方 面开展了大量技术改进和提高，如球团生产工艺的优化、烧结节能和污染控制、焦炭质量改进、高炉高风温、 高炉煤气干法除尘、高喷煤比、出铁厂污染控制等。 然而，我国炼铁工业的发展面临两大限制因素一是控制总产能，二是满足日益严格的污染排放标准。 由于缺少废钢和炼铁新工艺的不成熟，我国的高炉炼铁流程将保持其长期的绝对优势地位。当前，我国 高炉流程所面临的两大任务是减少小高炉的比例和控制污染。 潜在的 CO2排放限制将是我国炼铁工业未来发展的巨大挑战。一些科研院所正围绕高炉炼铁降低 CO2排放 开展相关的研究工作。鉴于全球控制 CO2排放的大趋势和我国钢铁工业的巨大规模， 呼吁政府和企业在此方面 予以高度重视，加大研发投入力度，以保证我国炼铁工业的持续健康发展。 参考文献 [1] 毕群， 低成本清洁炼铁生产 2002 年全国炼铁学术年会论文集，P.1 [2] 唐先觉 等， 三十年来我国烧结技术进步，2010 年全国炼铁学术年会论文集， P178 [3] 王戴军 等，首钢京唐 500m2 烧结机厚料层烧结生产实践，钢铁 Vol.45, No.10, P18 [4] 姜涛 等， 复合造块工艺， 2010 年全国炼铁学术年会论文集, P181 [5] 邬虎林 等，包钢使用高比例当地矿复合造块工艺生产，2010 年全国炼铁学术年会论文集，P223 [6] 孟庆波， 焦炭质量和高炉操作关系研究及采用新工艺改善焦炭质量，2010 年全国炼铁学术年会论文集，P41 [7] 杨天钧， 节能减排低碳我国高炉炼铁发展方向，2010 年全国炼铁学术年会论文集，P2 [8] 王涛 等，首钢京唐 5500m3 高炉综述. 2010 年全国炼铁学术年会论文集，P10 [9] 刘彪 等，新开口机在宝钢 1 号高炉的应用，炼铁，2010，Vol.29,No.4, P54 [10] 赵庆杰 等，非高炉炼铁及在我国的发展，2010 年全国炼铁学术年会论文集, P64