永久AV免费网站

收藏本站
新聞詳情

他山之石 ——國外煉鐵生產技術進展情況

當前,我國鋼鐵工業正處于產能過剩、企業生產經營極其困難的時期,而這一困難時期將很長一段時間已成為共識。煉鐵生產作為鋼鐵生產流程中最重要的組成部分,是鋼鐵企業生存和發展的最主要決定因素。作為世界煉鐵第一大國,我國的煉鐵工作者正承擔著巨大的工作壓力和歷史責任。必須關注和學習國外同行的技術發展情況和先進理念,不斷提高我國煉鐵整體水平和競爭力。同時,通過人才優化和研討培訓來提高高爐操作者的素質和操作水平是至關重要的。

  高爐煉鐵工藝優勢將長期保持

  高爐工藝。在過去的十余年里,雖然我國產量保持了高速增長,但國外的煉鐵總產量一直保持4.5億噸左右的規模,反映了全球鋼鐵工業的基礎性和穩定性。2015年世界高爐工藝的鐵產量為11.529億噸,國外為4.615億噸,占全球產量的40%。

  新建高爐大型化仍是發展趨勢。韓國浦項建成世界最大的6000m3級高爐。但行業普遍認識到,在原燃料質量下降和頻繁波動的情況下,大型高爐的適應能力存在不足的問題。

  直接還原工藝。2015年,國際鋼協統計的14個國家直接還原鐵的總和是5937萬噸,比2014年的統計值6051.9萬噸略有降低。其中,印度的產量最高,達1818萬噸。北美基于豐富的天然氣資源和價格的大幅度下降,有3個新的氣基直接還原項目在建設。

  直接還原工藝的另一個新進展是在印度JSPL的煤氣化直接還原裝置(MXCOL)建成投產。該裝置設計能力是180萬噸/年,其工藝采取的是魯奇的煤氣化爐和Midrex的豎爐相結合,將煤用高壓蒸汽和氧氣進行氣化,生產原料氣供氣基豎爐使用。據報道,2014年3季度,該裝置已生產出金屬化率穩定在93%的直接還原鐵產品。

  熔融還原工藝。2013年,全球熔融還原(Corex + Finex )裝置共生產鐵水730萬噸。2014年1月,韓國浦項又投產了一座200萬噸Finex裝置。

  HIsarna工藝開發取得進展,所建的半工業試驗裝置(8噸/小時)自2010年起開展了4次試驗,每次2個月。據報道,其結果超過期望值,煤耗已低于750kg/t。2016年計劃再開展一次試驗。

  COURSE 50的進展。COURSE 50的技術之一是用氫還原鐵。所采取的方法是使用焦爐煤氣(COG)或焦爐煤氣轉化氣(RCOG),從高爐風口噴吹或從高爐爐身噴吹。在LKAB的試驗高爐上開展試驗證實,因氫還原反應速率快,氫還原量增加。模擬計算和試驗均表明,噸鐵的碳耗能夠降低3%。

  在脫碳技術方面,該項目正在開發化學和物理吸附方法來脫除高爐煤氣中的CO2。該項目開發了新的化學吸附劑,能夠在較低溫度釋放CO2;可將CO2分離能耗從4GJ/t-CO2降低到2GJ/t-CO2。該項目正在Kimitsu廠建設10m3試驗高爐,該高爐帶30tCO2/d的化學吸收裝置(CAT30)。

  綜合來看,國外的高爐、直接還原、熔融還原各工藝發展保持相對平穩,而高爐的產量規模和所占的比例均遠遠領先于后兩者。這也預示著高爐煉鐵工藝在國外的優勢將長期得到保持。

  國外高爐煉鐵技術進展一覽

  原燃料質量及結構。鐵礦原料質量下降是國外煉鐵生產普遍面臨的問題,表現為SiO2和Al2O3含量上升,Fe含量下降,以及鐵礦的粒度下降等,由此帶來燒結礦化學成分變差。

  焦炭的產量質量也呈現下降的趨勢,以至于許多高爐的實際焦炭質量與要求值之間差距越來越大。

  在高爐的爐料結構方面,受燒結環保問題的影響,球團使用比例呈明顯增加趨勢。瑞典和芬蘭的鋼鐵企業取消了燒結機,爐料結構為90%球團+10%循環廢料壓塊。北美是以球團礦為高爐主要爐料的地區,2014年平均爐料組成為92%球團+7%燒結礦+1%塊礦(不包括額外約6%的金屬料)。在29座高爐中,17座使用100%球團,其中60%是堿性球團,40%是酸性球團。

  原燃料高效利用。受煉鐵成本的壓力,國外許多高爐開發應用了小塊焦和小顆粒礦的應用技術。其中,將小塊焦與燒結礦混合入爐已成為普遍應用實踐。而把小塊焦布到高爐邊緣區域是更好的使用方法,因為更夠保護邊緣大塊焦,降低邊緣礦焦比,以及減少爐墻熱損失。小塊焦的粒度在不斷縮小,小塊焦的加入量在不斷增加(北美某高爐90kg/t),下限已達6mm甚至更低。

  由于降低入爐燒結礦的粒度下限可以減少高爐槽下的返礦率,對燒結生產的節能降耗和減少污染物排放有直接的效果,雖然增加了高爐操作難度,但仍成為許多國外企業的生產實踐。其中,某煉鐵技術強國全部高爐入爐燒結礦5mm比例達到6.4%,最高為13.5%。

  在此方面做到極致的是Linz廠A高爐(3550m3),高爐槽下的碎焦和返礦全部入爐,實現了在全部爐料的9%是粉料、粒度0~10mm的情況下,綜合焦比為455kg/t,高爐利用系數為2.8t/(m3·d)。

  為應對入爐粉末量增加給高爐操作帶來的負面影響,國外開發了分級入爐、優化布料、操作閉環控制等一系列技術保障手段。國外在此方面的理念和做法值得我們重視和借鑒,在擁有現代高爐裝備和先進控制技術的條件下,必須從降低煉鐵成本的角度出發,突破傳統觀念和陳舊指標的束縛。

  有害元素的限制。歐洲為保證高爐的穩定順行,對含有有害元素的鋼鐵廠各類粉塵和塵泥,如高氯高爐灰、高油軋鋼鐵鱗、高鋅轉爐塵、高堿金屬燒結除塵灰等,全部或部分限制其通過燒結循環使用。

  高爐復合噴吹。北美高爐煤和天然氣混噴成為技術發展趨勢。因美國油頁巖技術的應用,天然氣供應豐富,高爐噴吹天然氣量逐年增加。2014年,高爐的平均混噴量是天然氣59kg/t,煤58kg/t。混噴的方式有雙槍法(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置換比。分析其原因為氫改進了爐內反映動力學過程,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。

  此外,相對于噴煤時的較高理論燃燒溫度,在噴吹天然氣時,高爐可在理論燃燒溫度為1760℃(3200℉)下運行。

  煉鐵插上信息化智能化翅膀

  隨著計算機應用的普及和網絡信息技術的高速發展,不同內容的信息化智能煉鐵技術得到開發和應用,成為推動當前煉鐵生產技術進步的重要力量。若干突出實例包括:

  基于閉環裝料控制的專家系統。該系統由西門子奧鋼聯所開發,通過爐料跟蹤,目標鐵水要求,原料選擇,以及由爐身模擬模型和過程參數支持的專家系統來等確定布料控制模型,進行爐料設置點的優化,最終自動控制布料矩陣和布料設備。該系統在生產中長期應用,對實現上述Linz高爐指標發揮了決定作用。

  3D可視化系統。新日鐵利用高爐的500個冷卻壁熱電偶和20個爐身壓力傳感器的數據,做出3維可視評價和數值分析系統。該系統于2007年在新日鐵住金的Nagoya廠應用,后來在其他廠推廣。系統能夠對高爐爐身壓力波動和料層結構的變化給出空間上和時間序列的明確而清晰的顯示,有助于指導高爐操作,實現穩定運行和降低燃料比。

  遠程監控、診斷及標準化系統(RMDS)和數據庫。該系統的開發者是ArcelorMittal公司,其目標是用網絡對全部高爐應用RMDS(現1/4已聯網,包括北美3座高爐)。RMDS方案包括每周的視頻/網絡會議,參加者討論分享安全和操作經驗,RMDS數據可給局部專家系統服務器。

  一些高爐使用SACHEM專家指導系統(由ArccelorMittal和PW聯合提供)。所帶來的益處是更穩定的高爐運行,更一致的鐵水溫度和硅含量,更低的燃料比。該專家系統還可用來培訓新操作者。

  過程預測模型。歐洲TATA研究中心圍繞高爐生產長期開發各方面的模型,以期幫助操作者更好地控制高爐,實現高爐穩定運行。

  煉鐵儀器儀表。先進完善的煉鐵過程監測儀器儀表是煉鐵技術發展的方向,也是信息化智能化煉鐵的基礎。

  爐頂料層內的徑向探針被高爐操作者認為是對布料最有幫助的裝置。風口到爐頂多段靜壓測量對判斷壓差增加區域防止事故發生非常有價值。爐頂煤氣的全組分準確分析是進行直接還原在線監測的基礎。各風口風量測量,風口燃燒溫度在線測量,風口回旋區深度在線測量,鐵口處連續測溫,渣鐵排放速率監測等,均對及時掌握高爐狀態有意義。

  若干煉鐵實用技術值得關注

  爐料混裝技術。研究表明,不同原料混合后,其綜合冶金性能要好于單個爐料冶金性能的加權平均值。在工業生產中,不同爐料的混合入爐已得到應用。入爐前的混合方法因上料方式而異。對皮帶上料的高爐,在上料皮帶的主料(燒結礦)上均勻疊加球團(塊礦)即可。

  直接還原在線監測技術。通過在線計算高爐的直接還原量,提前預測爐缸熱狀態的變化趨勢,為及時調整爐缸熱狀態贏得時間。如發現直接還原增加,意味著爐料下降加速,高爐趨于向涼。

  恒理燃操作技術。鑒于風口燃燒溫度對高爐運行的重要性,理論燃燒溫度的控制越來越得到重視。恒理燃操作技術是利用各個影響理論燃燒溫度因素的相互作用,當某因素變化時,有選擇地自動調節其他因素,保持理論燃燒溫度的穩定。

  鐵口連續測溫技術。由于儲鐵式主溝內存留渣鐵的均溫降溫影響,在撇渣器后的鐵水溫度與爐缸渣鐵溫度相比,存在著較大的溫差,特別是出鐵前期,而且撇渣器處鐵水溫度的變化已是經過主溝儲存渣鐵的稀釋緩沖。因此,在撇渣器后的電偶測溫不能真實反映爐缸溫度和變化趨勢。鐵口處的測溫則能消除上述的缺陷,準確反映爐缸溫度及變化趨勢,所使用的連續測量方法使測量數據全面,信息價值大,是高爐精確控制的必要手段。該技術已在國內開發成功并在多家企業應用。

  噴煤槍的槍頭更換。噴槍是高爐生產的易耗品。而實際生產中要求噴槍始終處于良好狀態。噴槍燒損后的未及時發現可能導致直吹管燒穿等嚴重事故,發現后停煤等待更換則會破壞爐缸圓周工作的均勻性。保持噴槍全部處于良好狀態的方法是定期更換,但定期整槍全部更換帶來成本的增加。國外采取的只更換槍頭的方法則能兼顧兩方面,在保證噴槍良好狀態的同時,降低噴槍使用成本。其中,噴槍的連接方式是關鍵環節,應保證其嚴格的密封性,同時不影響內部的煤股通道,避免在連接處產生磨損引發事故。

  銅冷卻壁通道的破損補救。阿賽洛米塔爾在IH7號高爐上開發了銅冷卻壁破損補救技術。該技術向破損的銅冷卻壁通道通入氮氣,并檢測出口的氮氣溫度。當氮氣出口溫度達到90℃,或冷卻壁冷面溫度達到150℃,加入霧化水,加強冷卻。針對出現的多點破損,其開發了氮氣/霧化水超級冷卻器。

  LCC(Lime Coating Coke)技術。LCC技術是在燒結過程中,先用生石灰包裹焦粉,然后進行制粒和燒結。該技術的開發目的是減少燒結NOx排放。其作用機理是:加熱時,CaO和鐵氧化物在焦炭表面形成CaO-Fe2O3熔體層,提高了燃燒溫度,起到減少NOx的催化劑作用。該技術已于2013年4月在新日鐵住金的Oita廠應用,實現了降低NOx排放28PPm,同時燒結產量增加的效果。

  天然氣噴吹(超級燒結礦)。該技術由JFE開發,方法是在燒結點火后再進行表面噴吹天然氣,以改善燒結床表面層的質量。其效果是可提高燒結礦強度1%,提高還原度3%,降低焦粉3kg/t,降低高爐燃料比3kg/t。該技術于2009年起在東日本鐵廠Keihin地區應用。最近該技術改進為Super-SinterROXY,即在噴吹天然氣的同時加入氧氣。

  RCA(Reactive Coke Agglomerate)(含碳球團)。RCA(含碳球團)的生產及應用流程是:碳和鐵氧化物混合,在造球盤上制粒。經過養生后,冷固結球團裝入高爐。該球團在高爐中的作用機理是:由于碳和氧化物的密切接觸,在較低溫度下開始發生碳的氣化反應,這樣,通過降低熱儲備區的溫度,提高高爐的反應效率。該技術于2012年在Oita廠應用。含碳20%的RCA降低了還原平衡溫度,增加了煤氣利用率,降低了碳消耗。

  提高操作者素質尤其重要

  高爐運行狀態和生產指標的決定因素是高爐操作者。高爐煉鐵是十分復雜的物理和化學過程。煉鐵操作者需要具備扎實的基礎知識和良好的專業素養,同時要求不斷更新其知識結構,掌握最新的技術動態和研究結果,將其與生產實際相結合,實現高爐的穩定高效運行。國外企業對此均非常重視,在操作者素質上進行嚴格控制,如德國高爐操作者均具有博士學位,南美制定了人才培養計劃,目標是操作人員具有碩士和博士學位。

  國外許多公司和機構對高爐操作者進行定期的專業培訓或組織專門的研討,取得了實效。尤其需要看到,高爐內的許多過程和現象尚未得到充分的理解和統一的認識,甚至存在錯誤的認識,如合理煤氣流分布,理想的料面形狀,冷卻壁熱流沖擊的原因(是渣皮脫落還是煤氣短路造成的),懸料的位置和機理,不同鐵口溫度異常的原因,爐頂過濕區的問題,粉末在爐內的運動及影響,圓周不均勻的危害,爐涼的正確處理方法,以及休風后爐內的行為,等等。這些都會在高爐操作上產生偏差甚至錯誤,最終導致高爐的低效或發生嚴重事故。通過不斷的研討和培訓是解決上述問題的有效方式。這點對于我國來說顯得尤為重要。