【正文】 我國鋼鐵工業(yè)正處在一個(gè)非常關(guān)鍵的發(fā)展時(shí)期 ,《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中已經(jīng)明確指出 ,今后鋼鐵工業(yè)的重點(diǎn)是研究開發(fā)以熔融還原和資源優(yōu)化利用為基礎(chǔ) ,集產(chǎn)品制造、能源轉(zhuǎn)換和社會(huì)廢棄物再資源化三大功能于一體的新一代可循環(huán)鋼鐵流程 ,作為循環(huán)經(jīng)濟(jì)的典型示范。因此 ,開發(fā)熔融還原技術(shù)將是我國鋼鐵工業(yè)非常緊迫的現(xiàn)實(shí)任務(wù)和長期的發(fā)展趨勢。 有限責(zé)任公司是一家具有 300 萬噸生產(chǎn)規(guī)模的國有控股的聯(lián)合鋼鐵企業(yè)。但由于沒有自己的焦化廠 ,長期以來依賴外購焦炭 ,制約了企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。所以 ,熔融還原工藝尤其適合該公司的實(shí)際生產(chǎn)狀況。 中試基地是創(chuàng)新性科研成果轉(zhuǎn)化的重要平臺(tái) “九五”期間在國家科技部 (原科委 )的支持下 ,啟動(dòng)了國家攀登計(jì)劃項(xiàng)目“熔融還原技術(shù)基礎(chǔ)研究 ”。原冶金部組織了全國熔融還原專家 ,實(shí)行舉國體制 ,開展了這項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)研究。專家組在認(rèn)真總結(jié)國外熔融還原開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)和我國過去的體會(huì) ,提出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的煤氧熔融還原煉鐵技術(shù) ,并制定了研究開發(fā)方案。 1995~1998 年開展了單元技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室研究。 1999 年在總結(jié)單元技術(shù)研究成果的基礎(chǔ)上 ,開展了半工業(yè)試驗(yàn)的研究。在當(dāng)時(shí)的承德冶金部試驗(yàn)廠建成了 2T/h 的半工業(yè)聯(lián)動(dòng)熱態(tài)試驗(yàn)裝置 ,先后進(jìn)行了兩次試驗(yàn) ,突破了一些關(guān)鍵技術(shù)難題 ,取得了階段性成果 ,在某些技術(shù)指標(biāo)上達(dá)到了當(dāng)時(shí)的世界領(lǐng)先水平。但由于該項(xiàng)技術(shù)在開發(fā)階段完 全依靠政府財(cái)政支持 ,企業(yè)界受當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)條件的限制 ,認(rèn)為投資風(fēng)險(xiǎn)較大 ,未作為投資主體全面介入。因此 ,當(dāng)時(shí)建設(shè)的半工業(yè)試驗(yàn)裝置規(guī)模偏小 ,功能不配套 ,試驗(yàn)設(shè)備簡單 ,一些關(guān)鍵設(shè)備的可靠性較差 ,試驗(yàn)中由于非技術(shù)原因而中斷運(yùn)行的現(xiàn)象比較普遍。又由于沒有后續(xù)資金支持 ,深入開發(fā)工作被迫中止 ,造成我國該項(xiàng)重要技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程拖后 ,喪失了與國外技術(shù)同步開發(fā)的良好機(jī)會(huì) ,拉大了與國外同類技術(shù)的差距 ,與我國目前鋼鐵大國的地位很不相稱。 “先進(jìn)鋼鐵流程及材料”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室認(rèn)真總結(jié)了“九五”攀登計(jì)劃項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn) ,進(jìn)一步完善了工藝 方案 ,在實(shí)驗(yàn)室對關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了基礎(chǔ)性研究。但如果沒有中試基地 ,進(jìn)一步做放大的半工業(yè)試驗(yàn) ,就很難將實(shí)現(xiàn)工程化和產(chǎn)業(yè)化。只有建立中試基地 ,集中科研院所和企業(yè)的人力、物力和技術(shù)和軟硬件資源 ,充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢 ,建立產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的研發(fā)隊(duì)伍 ,以企業(yè)創(chuàng)新為主體 ,共同開發(fā)我國自主知識產(chǎn)權(quán)的熔融還原工藝 ,才能使實(shí)驗(yàn)室的成果真正實(shí)現(xiàn)工程化和產(chǎn)業(yè)化。最終實(shí)現(xiàn)熔融還原工藝替代傳統(tǒng)的高爐煉鐵工藝 ,取消焦化和燒結(jié)工序 ,縮短和簡化工藝流程 ,大幅度降低能耗和減少污染物的排放。并實(shí)現(xiàn)集成創(chuàng)新 ,促進(jìn)鋼廠生產(chǎn)流程的整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化 ,提升鋼鐵行 業(yè)自主研發(fā)能力和技術(shù)創(chuàng)新能力。 通過中試基地的建設(shè)和技術(shù)輻射 ,起到以點(diǎn)帶面的作用 ,加速 21 世紀(jì)我國自主知識產(chǎn)權(quán)的熔融還原煉鐵新工藝的推廣應(yīng)用 ,實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)可持續(xù)發(fā)展 ,為實(shí)現(xiàn)“十一五”節(jié)能減排目標(biāo)和 2020 年我國實(shí)現(xiàn)人均 GDP 翻兩番提供支撐條件。 第二章 技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 國家開發(fā)熔融還原的歷史和現(xiàn)狀分析 上世紀(jì) 80 年代 ,德國、日本、美國、澳大利亞、荷蘭、奧地利以及前蘇聯(lián)等國為謀求技術(shù)壟斷地位 ,搶占 21 世紀(jì)鋼鐵工業(yè)技術(shù)制高點(diǎn) ,相繼投入大量人力、物力和財(cái)力 ,在國際上掀起開發(fā)煤基熔融 還原煉鐵新工藝的浪潮。 (1)工業(yè)化的 COREX 工藝 迄今為止 ,可以商業(yè)化生產(chǎn)的熔融還原只有 COREX,上世紀(jì) 70年代末形成該工藝的概念流程 ,由德國 Korf 公司和奧鋼聯(lián) (VAI)合作開發(fā) ,1981 年在德國克爾 Kehl/Rhine 建成了年產(chǎn) 6 萬噸鐵水的半工業(yè)性試驗(yàn)裝置即 KR 法 ,先后進(jìn)行了6000 小時(shí)的各種試驗(yàn) ,證明了工藝的可行性。 1985 年 4 月 VAI 與南非依斯科爾公司簽約決定在 Pretoria 廠建造一座 C1000 型的 COREX 裝置 ,年產(chǎn)鐵水 30 萬噸 ,1989 年 11 月 10 日正式投產(chǎn)。這是世界上第一 套 COREX 熔融還原生產(chǎn)裝置。經(jīng)過約一年半實(shí)踐 ,生產(chǎn)漸趨穩(wěn)定 ,從 1991 年 3 月起已經(jīng)可以高于設(shè)計(jì)能力 10%穩(wěn)定地運(yùn)行。接著這一技術(shù)在世界上進(jìn)一步推廣 :第二套 C2021型 COREX裝置 (見圖 21 和圖 22)于 1995 年 11 月在韓國浦項(xiàng) (POSCO)建成投產(chǎn) 。第三套 C2021 型于 1998 年 12 月在南非薩爾達(dá)納建成投產(chǎn) 。第四、第五套 C2021 型分別于 1999年 8 月和 2021 年 4 月在印度京德爾公司建成投產(chǎn)。目前 ,除了第一套 C1000 因原料運(yùn)輸成本過高而關(guān)閉外 ,其余 4 套 C2021 型 COREX 裝置都在生產(chǎn)運(yùn) 行中。2021 年寶鋼向奧鋼聯(lián)引進(jìn) COREX 技術(shù)并進(jìn)一步擴(kuò)容為 C3000,將其設(shè)計(jì)產(chǎn)能從80 萬噸擴(kuò)大到 150 萬噸 /年 ,計(jì)劃 2021年 10 月出鐵 ,這將是世界上第一座大型的COREX 煉鐵爐。 COREX 技術(shù)發(fā)展至今移植大型高爐的成熟技術(shù)逐漸增多 ,如耐材配置、冷卻裝置、局部的爐型、布料方式等使其生產(chǎn)的穩(wěn)定性大為提高 ,爐齡也有明顯延長 ,產(chǎn)能進(jìn)一步擴(kuò)大 ,技術(shù)正逐步走向成熟 (2)進(jìn)入示范性工廠試 驗(yàn)的 Hismelt 和 Finex 技術(shù) 現(xiàn)在正在進(jìn)行商業(yè)示范性規(guī)模生產(chǎn)的有 2家 ??澳大利亞的 Hismelt(見圖23)和韓國浦項(xiàng) Finex(見圖 24 和圖 25)。 Hismelt 是 1982~1984 年由 CRA 公司和 KLOCKNER 公司合作 ,在德國的 hutte 用 60 噸的底吹氧氣轉(zhuǎn)爐成功地試驗(yàn)了HIsmelt 技術(shù)。在此基礎(chǔ)上 1984~1990 年開發(fā)出了臥式熔融還原爐 (簡寫 SRV),仍在德國 hutte 建成并投入小型試驗(yàn)。 1987年 KLOCKNER 公司退出后 ,1989 年 CRA公司與 Midrex公司合作共同開發(fā)此 項(xiàng)技術(shù) ,在 1991年耗資 亞 Kwinana 建設(shè) 10 萬噸 /年的臥式熔融還原爐并于 1993 年生產(chǎn)出第一爐鐵水。1995年 CRA公司和 RTZ公司合并 ,組建了 Rio Tinto集團(tuán)公司 ,于 1997年 1999年以爐缸直徑 ,經(jīng)歷了 132天各種各樣的試驗(yàn) ,其中最長的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間為 38天 ,先后共生產(chǎn)鐵水 2萬多噸 ,為 HIsmelt技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 2021 年由 HIsmelt 有限公司、 Nucor 澳大利亞有限公司、日本三菱 MC 鋼鐵有限公司和我國的首鋼國際貿(mào)易工程公 司共同參股 (股份依次為 :60%、 25%、 10%、 5%),在西澳 Kwinana 修建爐缸直徑為 6m、產(chǎn)能 80 萬噸 /年的商業(yè)化示范工廠 ,于 2021年 4月投產(chǎn) ,投產(chǎn)后各種外圍問題不少 ,不能保持連續(xù)生產(chǎn) ,但最近有較大的進(jìn)步。韓國 POSCO 的 Finex 以 4 級流化床的 Finmet 工藝取代 COREX 工藝中的還原豎爐 ,用流化床還原粉礦、壓塊成熱壓鐵塊再加入 COREX的熔融氣化爐 ,克服了 COREX 爐不能使用粉礦的缺點(diǎn)。 POSCO 在 1992~1995 年進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的流化床還原的基礎(chǔ)性研究 ,1996~1998 進(jìn)行了 15 噸 /日規(guī) 模的流化床操作小試 ,1999~2021年進(jìn)行了 150噸 /日規(guī)模的中試和煤壓塊及熱壓鐵塊試驗(yàn) ,2021 年 1 月 ~2021 年 5 月 ,在引進(jìn)的 COREX2021 旁邊建設(shè)了 60 萬噸 /年規(guī)模的 Finex 示范性工廠并于 2021 年 6 月投產(chǎn)。投產(chǎn)后的運(yùn)行狀況非常好 ,產(chǎn)量可達(dá)到 80 萬噸 /年水平 ,其余指標(biāo)也達(dá)到或超過預(yù)定的目標(biāo) ,于是在 2021 年 8 月POSCO 決定建造 150 萬噸 /年 Finex 以取代其原有的中型高爐 ,計(jì)劃于 2021 年投產(chǎn) ,實(shí)際直到 2021 年 4 月才正式投產(chǎn)。最近 POSCO 計(jì)劃在印度投資的獨(dú)資公司一期工程將投資 37 億美圓 建設(shè) 400 萬噸 /年的聯(lián)合鋼廠其中建設(shè) 2 座 200 萬噸 /年的 Finex 爐 ,其發(fā)展勢頭令人矚目。 但 POSCO 對該技術(shù)嚴(yán)格保密 ,只公布了其成功的業(yè)績 ,是否遇到了技術(shù)問題不得而知。如 FINEX 生產(chǎn)示范裝置生產(chǎn)的穩(wěn)定性或設(shè)備利用率還不高 ,迄今為止最長連續(xù)運(yùn)行時(shí)間僅 93 天 ,譬如流化床的產(chǎn)能問題、流化床的粘結(jié)和失流問題 ,熱壓成型機(jī)的作業(yè)率問題等還是不明朗。但 Finex 以粉礦取代塊礦和球團(tuán) ,以壓塊煤替代大部分焦炭是對 COREX 最重要的發(fā)展。 (3)以轉(zhuǎn)底爐還原為基礎(chǔ)的熔融還原技術(shù)也在發(fā)展 最近 ,以粉礦、 粉煤混合造球通過轉(zhuǎn)底爐 (見圖 26)還原 ,連接電爐或轉(zhuǎn)爐煉鋼的技術(shù)也在悄然興起。美國 Midrex 公司的 Fastmelt 技術(shù)、美國 Dynamics公司的