还原铁的“春天”来了

                  2014-07-12 中国钢铁新闻网 中国冶金报社

　　在日本，钢铁业的CO₂排放量约占日本全国的13%，其中，70%以上的CO₂由炼铁工序排出。也就是说，由炼铁工序排出的CO₂占日本全国CO₂排放量的9%，其减排CO₂的压力日益增加。与此同时，钢铁产能的大量增加也对环境资源提出了更高的要求。因此，利用还原铁的钢铁生产工艺逐步受到重视。

　　全球钢产量由1970年的约6亿吨快速增长到2013年的16.07亿吨，且其中约70%是由高炉-转炉法生产的，电炉钢占比约为30%。随着社会钢铁蓄积量的增加，废钢供应量也随之增加，电炉钢今后将呈现上升的趋势。日本的社会钢铁蓄积量由1970年的3.6亿吨扩大到2010年的13亿吨，废钢年发生量超过了5000万吨，出现了所谓的“城市矿山”。同时，北美页岩气的快速发展使天然气价格下降，工业电价也由2011年的7美分/千瓦时进一步降低。基于以上能源价格的变化，预计北美电炉钢的占比将会扩大，还原铁的应用也会更加广泛。

 

　　还原铁生产因“料”制宜

　　

　　直接还原（DR）工艺不需要高炉那样的大量投资且不使用焦炭，因此以盛产天然气的发展中国家为中心，作为电炉炼钢铁源的还原铁设备和工厂在不断建设中。特别是在中东地区，由于废钢发生量少，以还原铁为原料的电炉炼钢发展迅速。还原铁的产量从1970年到2011年的41年间增长了近百倍，具体发展见表1。

　　近年来，发达国家对还原铁的需求量也在不断上升。到2011年，海上还原铁的运输量超过了1400万吨。

　　DR工艺以使用不同的还原剂分为天然气型和煤炭型两大类。2011年直接还原铁的产量为7332万吨，其中还原剂用天然气的MidRex法占60.5%，以煤炭为还原剂的占23.6%，焦炉煤气（HYL）占15.2%，其他占0.7%。

　　以天然气为还原剂的DR工艺。MidRex法将天然气和空气混合后送入装有块状铁矿的竖炉中，还原为DRI（直接还原铁）后从炉下部排出。但是，MidRex工艺的建设受天然气资源的制约。现在，以COREX尾气和煤生气为还原剂的方式正在试行中，具体情况如表2。

　　2009年末，印度京德勒钢铁电力公司定制了180万吨/年的还原铁设备，采用由煤生气设备和MidRex设备组成的MXCOL流程，利用煤生气设备生产的合成气作为还原剂。该方法由于可以利用印度丰富的煤炭生产还原铁而受到人们的关注。

　　以煤炭为直接还原剂的DR工艺。用煤炭直接还原炼铁的回转窑法很早就在使用，但由于规模小、停工时间长（回转窑壁粘堆）以及只能用外矿和球团矿等原因，之前只在印度等特殊地区应用。

　　20世纪90年代以后，将煤混入球团矿内的还原法受到人们的关注，这是因为氧化铁和煤炭混在一起可实现还原反应的低温高速化。为了弥补含碳球团矿的强度不足，人们采取了静置还原的转底炉FASTMET工艺。该工艺作为可以利用廉价煤炭的DR工艺而受到重视。同时，该工艺可回收利用高锌含铁粉尘和酸洗尘泥等废物。因此，该工艺在产出直接还原球团的同时，还可回收氧化锌。该工艺在日本的产能为134.4万吨/年，中国为50万吨/年。日本和中国FASTMET工艺商业装置的应用情况见表3。

　　由该工艺派生的ITMK-3法可将由转底炉产出的直接还原球团经磁选机将渣、铁分离后，使其成分与高炉产生铁的成分相同。而FASTMET工艺除了将热状态下的DRI直供电炉冶炼外，也可以经冷压加工为HBI（热压铁块）供外运。

　　由于上述以煤代替天然气作为还原剂的新工艺不断开发成功，DR工艺得以不受气源供应的限制而广泛应用，并且与废钢组合使用使电炉法在各地生产高级别钢材。

 

　　还原铁有望在钢厂“大展拳脚”

　　

　　高炉-转炉法对还原铁的利用也正在发展中，如新日铁住金君津厂的30万吨/年的还原铁设备所产的还原球团就全部作为高炉原料，并起到了代替烧结矿、降低焦比和减排CO2的作用。与此同时，对以铁矿石为原料的HBI则因装炉困难致使其应用受到限制。如美国利用率最高的AK钢铁也仅为20%左右。

　　近年来，高炉利用低品位还原铁的试验也在进行中。如LKAB（瑞典国有铁矿石公司）的试验高炉用金属化率60%～70%的还原铁，按装入率50%和100%进行了8天连续试验。结果表明，在焦比降低55%的同时，高炉利用系数提高47%，其效果明显。另外，在新日铁住金君津厂高炉应用中，1kg还原铁可降低0.23kg/t的焦比，其节能减排效果使还原铁在高炉中的利用范围扩大。还原铁用于转炉替代生铁时，受其熔化能补充的限制，除新日铁住金広畑厂在特定条件下使用外，其他钢厂很少应用。広畑厂由于高炉关停后利用外供的冷铁源炼钢，于是采取了吹氧喷煤炼钢法，其利用热态还原铁替代冷铁源的节能效果突出。这也是利用从各厂收集含铁粉尘生产还原铁的主要原因，也给转炉的扩大利用指明了方向。

　　钢厂的焦炉煤气中含有高浓度的H₂和CH₄等可燃烧气体，可用于生产还原铁。如果用氧化系统，这些可燃烧气体便可以成为适用于MidRex工艺的合成气，并通过竖炉生产还原铁。研究报告表明，若还原铁供高炉或转炉应用时，在减排30%CO₂的同时可提高30%的生产效率。在高炉生铁成本受高价铁矿石和炼焦煤的影响下，低价产出的还原铁有望扩大其在联合钢厂中的应用。

 

　　还原铁与电炉是“好搭档”

　　

　　以废钢为原料的循环型炼钢法的电炉钢吨钢能耗仅为高炉-转炉法的1/3。随着废钢回收量的增加，电炉钢在美国和欧洲的占比呈上升趋势。在美国，2002年电炉钢的占比超过50%，2010年已经达到61%。同时，以废钢和还原铁为原料的电炉，可以生产高等级钢材。

　　通常，废钢中多含有Cu、Zn等杂质，其含量的增加使钢材的质量受到影响。此类杂质通过钢水净化难以除去，因此日本的电炉钢厂主要生产质量要求不高的建材等产品。这使得选用废钢，同时为控制杂质含量配入“洁净”的生铁或还原铁的生产模式受到了重视。在美国，电炉主要用还原铁作为稀释材，所生产的各种钢材占比均高于转炉钢，具体对比如表4。

　　将使用100%废钢电炉的耗能量、CO₂排放量与高炉-转炉法对比时，两项指标均仅为高炉-转炉法的1/4。因此，该方法对减少CO2排放十分有利，通过加入还原铁使用电炉生产低碳汽车钢板具有良好的前景。

 

　　还原铁技术发展路在何方

　　

　　电炉钢将快速发展。根据今后全球废钢需求的预测显示，到2050年废钢回收量将达到14亿吨，而钢材对资源的需求量为18亿吨，剩下的4亿吨仍需要凭借其他方式解决，具体预测结果见表5。为解决资源不足的问题，需要借用铁矿石生产生铁，这一数字在2020年达到15.6亿吨的顶峰后逐渐缓慢下降到2050年的4亿吨水平。即2020年以后，使用废钢等为原料的电炉炼钢或将成为钢铁生产的主流方向而发挥作用。为保证今后电炉钢的可持续发展，从防止废钢的劣质化出发，应当重视对还原铁的稳定供应。

　　随着还原炉的大型化（250万吨/座年）和美国页岩气革命带来的电力和天然气低价化，应用气基还原炉代替高炉的联合钢铁厂已经开始出现。在同等规模下，它的CO₂排放量仅为高炉法的1/3，投资额也仅为高炉法的1/2。对于一般电炉在生产高级钢材、使用65%～70%的洁净铁源时，还原铁中含有的碳还有利于解决电炉特有的含N₂的问题。因此，在废钢回收量增加、美国天然气价格下降的情况下，环境负荷小的还原铁钢铁生产工艺将不断发展，有望使还原铁从电炉法的稀释剂转为钢铁生产的重要铁源。

　　应对资源问题。现在高炉法面临着严峻的资源问题，对世界上资源丰富的条带状贫磁铁矿（BIF）的利用，从某种意义上看是解决资源问题的有效措施。这种BIF母岩是澳大利亚、巴西等地高品位赤铁矿的原岩，在世界各地贮量丰富。但是，由于用通常的选矿法产出的超细矿粉在高炉上应用较难，虽然可以经烧结成球团后应用，但投资较大且不适用于小矿山。如果将这种超微精矿粉掺入碳粉制成球团，经转底炉加热还原产出还原球团，则可以供电炉、转炉和高炉多方使用，还可以出口高附加值铁源，这对供需双方及缓解资源紧缺矛盾均有重大意义。（中国冶金报-中国钢铁新闻网 郭廷杰）