北美地区炼铁技术最新进展.docx
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北美地区炼铁技术最新进展
北美地区炼铁技术最新进展
ArthurCheng1,FrederickCRorick2,JosephJPoveromo3
(1迪尔伯恩炼铁操作部,SeverstalN.A,迪尔伯恩MI48121,USA;
2RorickInc.,BelAir,MD21014,美国;
3原料与炼铁咨询部,伯利恒,PA18017,美国)
摘要:
本文从增产、节焦、高炉长寿等方面,论述了高炉技术长期的发展和最近的趋势,以及这些发展所涉及的具体技术,并概述了当前的原料情况。
此外,论述了非高炉炼铁技术和废弃氧化物处理的发展状况。
关键词:
高炉、原料、非高炉炼铁技术
1引言
在第四届国际炼铁科技大会(ICSTI06)曾介绍了北美地区高炉技术发生了积极地、显著转变。
现在电炉技术在北美炼铁业中发挥越来越重要的作用。
介绍完高炉炼铁技术之后,将讨论墨西哥、美国、加拿大等国的直接还原铁和电炉炼钢的综合作用。
还将讨论全球金融危机对北美炼铁业的影响,并对未来的发展提出一些看法。
2高炉炼铁
2.1整体经济环境
作者论述了早期影响高炉炼铁的主要因素。
在过去的几十年中由于同小型电炉钢厂和进口钢铁的竞争导致的利润微薄、成本高和环保费用支出等因素影响,高炉炼铁呈下降趋势。
近年来由于受金融结构调整、劳动力整改等因素影响,并且由于中国钢铁产量持续增加,导致运输成本和包括铁矿粉、煤粉、焦炭、金属料在内的原燃料价格增长,高炉炼铁逐渐开始复苏。
北美高炉生产商依靠其铁矿粉和焦炭的地理位置强劲优势显著的提高了其竞争力,而依赖于海上运输、煤炭贸易的生产商和依靠购买金属原料生产的当地电炉钢铁厂的竞争力则下降了。
2.2高炉生产
在过去20年北美地区的铁水生产变化很大。
在1993年,拥有高炉的企业一共19家,其中半数以上有一座或两座高炉。
2008年共有7家企业拥有高炉,只有3家企业有两座以上的高炉,如图1所示。
它们是安塞乐米塔尔钢铁公司、美国钢铁公司、谢韦尔钢铁公司。
这三家公司的27座高炉生产了北美地区76%的铁水。
图12008年北美高炉炼铁状况(源于美国钢铁协会)
AK钢铁公司仍然是全球唯一的非高炉炼铁公司,唯一长流程企业REP是墨西哥SIMEC集团的一家子公司,阿尔戈马现在属于埃塞尔钢铁公司。
2008年北美地区生产高炉基本情况(高炉大小、装料系统、产量、炉料结构和配吹物种类)见表1。
表12008年北美高炉状况(布料装置:
MA-活动炉喉、PW-无钟炉顶;喷吹燃料:
C-煤粉、G-天然气、O-重油、T-焦油、COG-焦炉煤气)
公司
厂址
高炉名称
炉缸直径/m
容积/m3
布料装置
日产量/t
利用系数
炉料结构/%
喷吹燃料
自熔性球团
酸性球团
烧结矿
块矿及其他
加拿大
阿尔戈马
安大略省苏圣玛利
6
8.2
1275
1923
1.5
0
100
0
0
G
7
10.66
2367
PW
6592
2.7
0
100
0
0
G
安塞乐米塔尔
安大略省汉密尔顿市
2
7.3
1062
PW
2408
2.3
72
28
0
0
O
4
8.53
1595
PW
3672
2.3
73
27
0
0
O
美国钢铁公司
安大略省汉密尔顿市
E
9.8
1833
PW
4706
2.3
0
91
0
9
C、G
安大略省楠蒂科克
L.E.W.1
10.28
2418
PW
5515
2.3
0
89
0
11
G、O
墨西哥
AHMSA
蒙克洛瓦
4
6.4
1034
PW
3423
3.3
2
28
58
12
C、G
5
11.19
1914
PW
6515
2.9
92
8
0
0
C、G
安塞乐米塔尔
拉萨罗卡德纳斯
1
9
1649
PW
美国
AK钢铁公司
肯塔基州阿什兰
Amanda
10.18
2039
MA
4890
2.4
92
0
0
8
C、G
俄亥俄州米德尔顿
3
8.93
1462
MA
5517
3.8
80
0
0
20
G
安塞乐米塔尔
印第安纳州伯恩斯港
C
11.65
2461
5732
2.3
0
71
27
2
C、G
D
10.89
2437
5666
2.3
0
72
27
1
C、G
俄亥俄州克利夫兰
C5
8.99
1546
MA
3723
2.4
0
93
0
7
G、O
C6
8.99
1598
PW
3738
2.3
0
94
0
6
G、O
印第安纳州印第安纳港
IH3
8.99
1586
MA
3810
2.4
0
82
15
3
G、O
IH4
9.98
1918
MA
4114
2.2
0
82
15
3
G
IH5
8.08
1349
2358
1.7
66
26
2
6
C、G
IH6
8.08
1323
1647
1.3
67
26
4
3
C、G
IH7
13.72
4163
PW
9694
2.3
86
0
11
3
C、G
RepublicEngrd
俄亥俄州罗雷恩
4
8.83
1440
3213
2.2
0
91
0
9
C、G
谢韦尔钢铁公司
密歇根州迪尔伯恩
C
9.23
1798
PW
4622
2.6
97
0
0
3
C、G
马里兰州雀点
L
13.49
3762
PW
8606
2.3
0
37
61
2
C、G
俄亥俄州沃伦
1
8.53
1530
PW
3300
2.2
0
88
0
12
G、O
俄亥俄州斯托本维尔
5S
7.26
1109
MA
3435
3.1
51
36
0
3
G
美国钢铁公司
亚拉巴马州费尔菲尔德
8
9.98
2326
PW
5237
2.3
91
0
0
9
C、G
印第安纳州加里
4
8.8
1496
MA
3516
2.2
62
17
13
8
C、T
6
8.53
1507
MA
2726
1.8
59
23
8
7
C
8
8.53
1299
2544
2
58
23
2
17
C、T
14
11.96
3241
MA
7680
2.4
73
0
26
1
C
伊利诺伊州花岗岩城
A
8.3
1435
2773
1.9
0
93
0
7
G
B
8.3
1402
MA
3686
2.6
0
94
0
6
G
密歇根州大湖区
B
8.61
1465
3815
2.3
22
71
0
7
C、G
D
8.53
1508
3716
2.5
9
83
0
8
C、G
宾夕法尼亚州MonValley
1
8.78
1598
MA
3699
2.4
70
21
0
9
C、COG
3
7.69
1381
2940
2.1
68
23
0
9
C、COG
2.3高炉设备
北美地区的高炉是多种多样的,近80%是1975年之前建成,近40%是1950年之前建成。
有不到20%高炉采用自立式结构,80%都是采用支撑结构;冷却系统也是多种多样的,55%高炉炉腹冷却采用冷却板冷却,35%采用冷却壁冷却,其余的10%采用外部冷却,不是采用喷淋冷却就是采用水套冷却。
近80%的高炉炉身冷却采用冷却板冷却,只有20%采用冷却壁冷却。
尽管近年来冷却系统不断升级,冷却板之间的耐材依然不够坚固,冷却水系统受到可用水的数量和质量两个方面限制。
2.4高炉喷补
炉衬损坏后需要及时维修,因为经济上的考虑和避免对客户的供应出现中断,所以需要在有限的维修时间内快速进行炉衬修复。
20世纪80年代到90年代,主要的工作集中在下面两个方面:
(1)延长高炉寿命;
(2)有选择地升级、改善高炉设备。
包括布料装置、提高炉身、炉腹耐材质量和改善冷却水系统(使用冷却强度高的铸铁或铜的冷却壁和冷却板)。
出铁场不断改善开铁口机、泥跑、出铁沟、移动出铁钩等设备。
延长高炉寿命的措施在生产方面主要是稳定操作和精料;在设备维修方面主要是远程修复技术或者中修。
维修方法主要包括喷补法和补充安装冷却器。
在ICSTI06中详细的描述了喷补技术的优点和实施过程,并给出了应用此项技术的高炉数量,如图2所示。
图2北美进行内衬修复的高炉座数(一次修复使用耐材在90t以上)
2000年至今,北美地区的36座高炉中有25座高炉进行了内衬修复,共用耐材2万吨,仅有4座高炉进行大修。
炉衬修复技术的缺点是一次喷补后对高炉炉衬的维持效果只有两年左右,频繁的停炉修复会降低炉缸寿命,同时也潜在的影响高炉寿命。
令人欣慰的是,北美高炉炉缸的设计和砌筑能够中克服这一缺点。
2.5炉缸设计
炉身、炉腹应用上面提到的技术之后,炉缸寿命成为限制高炉寿命的瓶颈。
目前,北美高炉的炉缸寿命处于世界领先水平,主要采用了如下三项措施。
(1)普遍采用UCAR小块碳砖砌筑炉缸内衬;
(2)尽可能使用北美优质煤生产的高质量焦炭,以利于炉缸中渣铁排出;
(3)合理使用钛铁矿和适量喷吹金红石粉。
北美地区的炉缸设计和在其它地区普遍使用的大块碳砖设计有着本质的不同。
北美地区采用UCAR热压碳砖砌筑炉缸是因为引起炉缸侵蚀的常见原因(化学腐蚀、热应力、铁水冲刷)都是由高温造成的。
UCAR设计采用薄壁、小块和膨胀容许量来产生并保持一个合适的温度场。
温度足够低,生成一层稳定的保护层,可以阻止热应力开裂和化学腐蚀。
全球越来越多的钢铁企业接受了UCAR的设计理念,中国宝钢1993年就采用了UCAR设计,德国的萨尔茨基特公司也采用了此设计。
在公开的报道中,两家企业高炉寿命都在增加,证实了薄壁设计和高导热率的优越性。
图3是北美炉缸炉底寿命最长的20座高炉。
图3北美炉缸寿命
炉缸侧壁的寿命是十分重要的。
炉缸侧壁寿命及修补次数如图4所示。
高炉停炉、冷却后,少数高炉砌筑了新的耐火材料,大部分高炉采用的是喷补修复技术。
特别值得注意的是AK公司的米德尔顿的3号高炉,目前寿命26年,共出铁四千多万吨,利用系数世界领先,达4.0t/(m3·d)。
到目前为止,此高炉修补炉身、炉腹多达12次,没有发现明显的不利影响。
图4表明各个高炉的大小、冷却结构、铁口情况是存在差异的,但它们都有个共同点就是都采用了UCAR热压碳砖技术,应用了UCAR的薄墙设计理念。
图4北美高炉炉缸侧壁寿命及修补座数
2.6新建高炉
据ICSTI06中介绍经济形势改善使得北美地区重建了几座重要的高炉。
主要重建高炉的参数如表2所示。
表2新旧高炉参数对照表
安塞乐米塔尔
安塞乐米塔尔
美国钢铁公司
谢韦尔
AHMSA
谢韦尔
印第安纳港
多法斯科
加里
迪尔伯恩
蒙克洛瓦
迪尔伯恩
7
2
14
C
6
B
启动时间
2002年10月
2005年7月
2006年2月
2007年10月
2010年
2010年
炉缸直径
旧/m
13.7
6.3
11.1
8.8
7.5
6.1
新/m
13.7
7.3
12
9.2
8.5
7.2
有效容积
旧/m3
3739
923
2955
1506
1034
794
新/m3
4163
1062
3241
1798
1150
920
风口数量
旧
40
12
35
20
19
12
新
40
15
34
20
22
16
热风温度
旧/℃
1200
1000
1150
980
1150
1000
新/℃
1270
1100
1150
1065
1150
1000
产量(t/d)
旧
9700
2400
7500
4900
3500
2500
新
11200
3000
9200
5900
4700
2625
冷却设备
密集式冷却板
密集式冷却板
密集式冷却板
密集式冷却板
密集式冷却板
冷却板及冷却壁
无钟炉顶
有
有
无
无
无
无
喷煤设备
有
有
有
无
有
无
出铁口
2
2
2
1
1
1
每座高炉造价在2亿美元到4亿美元不等,将促进北美地区炼铁业在将来的发展。
下面两个项目在2008年开始投产:
安塞乐米塔尔重启多法斯科3号高炉建设项目(炉缸直径7.3m);
埃塞钢铁公司重启阿尔戈马6号高炉建设项目(炉缸直径8.2m)。
纽克钢铁公司在路易斯安那州的密西西比河畔新建炼铁厂,这是美国30年来第一次新建高炉。
该项目建有采用热回收炼焦技术的焦化厂,建成后年产生铁能力达300万吨,生铁将装船运往纽克的电炉厂。
但受2008年经济危机影响,AHMSA钢铁公司的6号高炉和谢韦尔钢铁公司的迪尔伯恩B高炉暂停建设,纽克钢铁公司高炉建设推迟。
谢韦尔钢铁公司的迪尔伯恩C高炉是最近建成的高炉之一,它的磨煤车间距高炉10kg,通过管道将煤粉输送到高炉。
此高炉满负荷生产,是谢韦尔钢铁公司在北美地区的两座生产高炉之一。
最高产铁量时期的主要经济技术指标如下:
日产铁量:
5470t/d;
利用系数:
3.04t/(m3·d);
焦比:
414kg/t;
煤比:
116kg/t;
天然气用量:
23kg/t;
铁水含硅量:
0.56%。
2.7高炉原燃料
新增炼焦能力
在2003~2004年由于进口焦炭(主要来自中国)价格激增,导致SunCoke能源公司建设Haverhill热回收焦化厂。
安塞乐米塔尔承诺购买该厂焦炭。
在1998年,SunCoke能源公司在安塞乐米塔尔印第安纳港东厂建设了第一座热回收焦化厂。
上面两个焦化厂的成功投产刺激了美国其他几个热回收焦化厂的建设,例如Haverhill二厂,其焦炭主要供应谢韦尔钢铁公司、美国钢铁公司的GraniteCity焦化厂、AK钢铁公司的米德尔顿焦化厂以及上面提到的纽克钢铁公司的路易斯安那州焦化厂。
除了新建的热回收焦化厂外,还改造了几座常规的焦炉,例如谢韦尔钢铁公司的MountainStatesCarbon焦化厂和美国钢铁公司的Clairton焦化厂。
目前前者已经建成,但后者因经济危机而推迟。
喷煤设备
焦炭价格上涨也刺激了北美高炉喷吹煤粉的发展。
实际上,谢韦尔钢铁厂C高炉和安塞乐米塔尔的多法斯科钢铁厂改造后都增加了煤粉喷吹设备,这是10年来唯一的新建的喷吹煤粉设备。
究其原因主要是因为过去当地的其它喷吹物如天然气、重油等价格低廉、来源广泛;另一个是一些小高炉对喷吹煤粉的前景持观望态度。
尽可能的降低焦比促进了高炉混合喷吹的发展,混合喷吹种类不断增多。
据ICSTI06中的概述,北美地区有20座以上的高炉喷吹煤粉和天然气混合物,有10高炉喷吹各种形式的天然气、重油和焦油的混合物。
表3平均还原剂使用量(源自美国钢铁协会)
时间
铁水产量
高炉数量
还原剂用量(kg/t铁)
焦比
煤粉
重油
天然气
沥青
焦炉煤气
焦炭
焦丁
合计
1990
55550023
60
454
1
455
0
12
23
3
0
1995
61004837
51
402
8
410
34
13
38
1
1
2000
58371433
46
378
22
400
54
10
34
2
2
2005
47202698
38
378
25
404
56
12
32
3
3
2006
49423482
35
383
26
409
60
13
26
2
2
2007
47852947
35
377
28
405
65
9
27
2
2
2008
44777203
35
379
29
408
62
9
32
0
2
北美高炉的平均焦比一直稳步降低,1976年平均焦比625kg/t,到2000年平均焦比下降到不足400kg/t。
一方面由于煤粉、天然气等辅助燃料喷吹量的增加使得还原剂的总量增加,另一方面焦炭利用率的提高也起了很重要的作用。
ICSTI06中北美高炉炼铁技术进步的总结如下:
含铁原料
在北美球团占入炉料的90%。
全球团高炉冶炼主要使用自熔性球团矿,酸性球团矿用作烧结矿冶炼的补充物,并且在某些高炉中必需使用酸性球团矿,铁水质量才能满足要求。
全球团高炉冶炼有5%~10%的转炉钢渣、废钢、球团粉末、粉尘压块入炉。
粉尘压块是由第三方的六家公司生产的。
对于烧结矿生产AHMSA钢铁公司使用当地铁矿粉,St.Pt.主要使用巴西铁矿粉。
其它的烧结厂在烧结配料中使用50%以上的返料配加巴西铁矿粉和加拿大精矿粉。
返料主要包括球团矿筛下物、氧化铁皮、各种粉末、转炉钢渣、炉尘、污泥等。
AK钢铁公司的米德尔顿的3号高炉利用系数很高,情况较为特殊。
3号高炉加入200kg/t的热压铁块和一些废钢。
3非高炉炼铁的现状
3.1非高炉炼铁在北美地区的作用
非高炉炼铁技术是为生产扁钢的电炉生产提供原料。
非高炉炼铁技术的另一个作用是处理废弃的氧化物。
到目前为止,北美地区已经建成了几座转底炉工厂,但现在都没有投入生产。
除了烧结之外,上文中提高到压块是唯一的处理废弃氧化物的方法,但是这些压块并没有进行还原,而是直接加入到高炉或转炉中。
PIZO(pigironzincoxide)是一种新的流程。
今年将在纽克钢铁公司电炉厂所在地布莱斯威尔建立采用PIZO流程的工厂。
PIZO流程是将电炉粉尘与碳质混合,加入粘结剂后压块,然后将压块投入到20t的感应炉中熔炼生成铁水和炉渣,同时将排出的气体冷凝得到富含ZnO的粉尘。
我们将讨论电炉原料的来源。
3.2直接还原
竖炉直接还原流程Midrex和HyL是具有优势的,但在北美地区天然气的价格是限制它们发展的主要因素。
天然气消耗约10MMBTU/NT,天然气价格从2$/MMBTU增长到7$/MMBTU,导致能源成本从20$/T增加到70$/T。
北美地区的直接还原铁产能约每年500万吨,但其中400万吨是在墨西哥生产的。
这些直接还原铁都用于电炉炼钢。
主要的竖炉直接还原流程Midrex和HyL(现在称为EnergIron)在北美地区有所发展,这两种流程的的提供方与应用方都在不断地进行技术研发,主要集中在提高生产率、降低能源消耗、改善产品质量等。
直接还原技术的进步与高炉技术的进步类似。
3.3熔融还原
墨西哥的天然气价格合理,可以继续采用Midrex和HyL直接还原流程。
但是在美国和加拿大已经把注意力放在了煤基还原流程的发展上,例如IDI流程和ITmk3流程。
TheSteelDynamicsIDI厂坐落在印第安纳州的勃特勒市,改进后的生产过程是将铁精矿、煤粉、氧化铁皮和其他废弃氧化物混合压块,然后投入转底炉中还原成直接还原铁,最后在在矿热炉中熔融还原出铁水,提供给电炉炼钢。
下一步的目标是达到设计产能,每月产量3.5万吨。
MesabiNugget厂采用了ITmk3流程,其前景是充满希望的。
该技术的主要原料是球团厂提供的铁矿粉、煤粉和粘结剂等。
MesabiNugget厂是一个实验工厂,生产生铁块提供给SDI公司在印第安纳州勃特勒市的电炉炼钢。
SDI公司与神户制钢合资的MesabiNugget厂在今年下半年将在明尼苏达州开始筹建,预计年生产能力为50万吨。
克里夫斯自然资源公司与神户制钢在密歇根州帝国矿山的合资项目由于经济危机的影响而推迟。
北美最大的电炉炼钢生产商纽克钢铁公司投资了三个海外钢铁项目,以及上文提及的高炉项目。
澳大利亚HIsmelt厂
几年以前,纽克公司与力拓、三菱、首钢在澳大利亚共同合资建立该厂,设计生产能力80万吨,最终生产能力达到设计产能的80%。
由于经济危机的影响,该厂已倒闭一年有余。
巴西炼铁厂
纽克与淡水河谷在巴西卡拉加斯地区共同建立与经营的小高炉炼铁厂,年生产能立为50万吨生铁,主要供应纽克公司在美国的电炉炼钢厂。
现在淡水河谷收购了纽克公司在该厂的股份,独立经营该公司。
特立尼达拉Midrex厂
纽克公司将AIR公司的MidrexMegaMod厂设备在特立尼达拉重新安置后,成立了Nu-Iron公司。
年产直接还原铁超过200万吨,全部海运到美国作为纽克公司电炉炼钢原料。
纽克公司也正在研究其他的生铁块生产流程。
4结论与展望
由于受企业合并、成本降低、全球经济走向、适宜的原料成本、运输优势、资本流通等因素的影响,北美地区的长流程钢铁企业的竞争力迅速提高。
但技术的发展也对北美高炉炼铁业的复苏也作出了重要的贡献。
(1)热回收炼焦技术的突破;
(2)高炉操作水平的持续提高;
(3)高炉喷补技术提高与耐材选择、炉缸设计和维护的进步极大地延长了高炉寿命。
尽管现在高炉炼铁具有优势,但主要的电炉钢铁企业继续积极的研发非高炉炼铁流程,来增加自身在钢铁行业中的地位。
目前的经济危机确实对北美高炉炼铁业产生了负面影响。
2008第四季度到2009年第一季度北美高炉生铁产量迅速下降,如图5所示。
图52007年至2009年1月北美高炉数量及产量
虽然期待经济复苏给钢铁企业带来转机,但扁钢的产量在某种程度上取决于汽车市场的容量。
汽车市场的一点缩水将会迫使主要的长流程钢铁企业像安塞乐米塔尔、美国钢铁、谢韦尔等钢企减产。
钢铁企业的减产、限产更取决于地理条件、钢材的最终产品,而不是钢铁行业的初级产品。
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