新一代钢铁生产技术相关基础研究与探索

洪 新, 郑少波, 张捷宇, 徐建伦, 尤静林,王兴庆, 吴永全, 李秋菊

(上海大学上海市现代冶金与材料制备重点实验室,上海 200072)

新一代钢铁生产技术相关基础研究与探索

洪 新, 郑少波, 张捷宇, 徐建伦, 尤静林,王兴庆, 吴永全, 李秋菊

(上海大学上海市现代冶金与材料制备重点实验室,上海 200072)

传统钢铁工业具有规模巨大、能源与资源密集、工艺路线曲折的特点.中国能源和资源的状况要求未来钢铁工业引入循环经济的理念,用创新的思维开发新流程,逐步向冶金材料制备、能源转换和社会废弃物处理三大功能方向转变.结合这一战略思路,近年来,上海大学现代冶金与材料制备重点实验室开始在铁矿微粉低温氢还原、碳-氢铁浴混合终还原、废钢中痕量元素脱除、时空多尺度冶金理论与建模等方面进行一些相关的基础研究和探索.

钢铁生产;铁矿粉;氢还原;痕量元素;时空多尺度;建模

1 传统钢铁产业的特点

1.1 生产规模巨大

中国是世界上经济发展最快的国家之一,1982—2002年的 20年间,中国国民生产总值的年平均增长率为 9.4%.2003年中国经济总量名列世界第 6位,2006—2008连续 3年位居第 4位,2009年位居第 3位.中国的粗钢产量从 1992年的 8 000万 t,跃升到 2007年的 4.89亿 t,占世界总产量的比重由 11.2%提高到 36.5%.2008年以来,虽然受全球金融危机所累,中国的经济发展速度变缓,钢铁生产也相应受到严重影响,但 2008年粗钢产量仍增长到 5.00亿 t,2009年继续增长到 5.68亿 t,占世界总产量的 46.6%.中国钢材消费增长主要由国内需求支撑,其中建筑、机械、汽车、造船、铁道、石油、家电、集装箱等为主要的用钢行业.按 2005年统计数据,八大钢材消费行业使用的钢材总量约 2.13亿 t,占当年钢材总产量的 60%左右,其中建筑用钢量最大,每年需要消耗钢材近 1亿 t.钢铁产量的增长受到国民经济发展的强烈推动,其增长速度与全国城镇房屋新建面积 (标志着城市化的进程)以及汽车产量 (推动道路建设的发展)基本同步.

图 1 中国粗钢产量Fig.1 Crude steel production in China

1.2 能源与资源密集

钢铁工业是典型的能源与资源密集产业.在钢铁联合企业中,每生产 1 t钢约消耗 0.7～0.8 t标煤、1.50～1.65 t铁矿石和 3～8 t新水.同时 ,钢铁工业也是典型的“三废”排放大户,每生产 1 t钢约排放 2.7 t废水、360 kg冶炼渣、6.3 kg SO2、6.39 kg烟尘与粉尘、2.1 t CO2和 4.5 g挥发酚.钢铁工业的能耗约占全中国工业总能耗的 11%,水耗约占 9%,排放的废水和废气约占 14%,固体废弃物约占 16%.这些数据意味着中国钢铁工业每年要消耗数十亿 t的能源与原材料,同时排放数十亿 t的废水、废气和废渣.

1.3 工艺路线曲折

如图 2所示,现代钢铁生产的代表性流程有高炉炼铁—转炉炼钢—连铸—连轧 (长流程)、电弧炉全废钢炼钢—连铸—连轧 (短流程)和电弧炉热装部分铁水—连铸—连轧 (混合流程).经过长期的技术改进,钢铁生产在提高生产率、降低消耗和提高产品质量等方面有了长足的进步,但是仍然保留着历史上形成的在化学、物理过程中曲折变化的本质(见图 3).

以高炉为代表的炼铁工序的产品为碳饱和的铁水,而焦炭和熔剂中的硫、磷、锰、硅等元素亦部分或全部被还原进入铁水.在炼钢工序中先进行吹氧脱碳,而后在精炼工序中再进行脱氧处理.此外,矿石—铁水—钢液—铸坯—钢材这一过程也需经历温度的起伏,这些过程都意味着能量和资源的额外消耗[2].

图 2 钢铁生产流程Fig.2 Process of iron and steel production

图 3 钢铁材料生产过程中成分与温度的曲折变化Fig.3 Vialation of content and temperature in production of ferro metal

2 未来钢铁生产流程的展望与构想

2.1 中国能源与资源状况

中国是一个人口众多、资源相对短缺的国家,其中能源资源最为紧张,煤炭、石油和天然气的人均探明储量分别只有世界人均水平的 1/2,1/10和 1/20.在 13种主要金属原料的地区分布排名上,除了锡 (占 14.8%)和钼 (占 6.0%),其余都榜上无名,按人均排名更是远远落后.按 2002年的统计,中国铁、锰、铬矿石的预计可开采年限分别为 30,20和 7 a.2003年,中国铁、锰、铬矿石的进口依存度分别为36.0%,47.3%和 100.0%.中国重要能源和原料的进口依存度存在逐年增加的趋势,例如石油在1995,2001,2005和 2009年的进口依存度分别为6.6%,30.0%,42.9%和 51.3%,铁矿石在 2003,2005,2007和 2009年的进口依存度分别为 36.0%,57.0%,51.7%和69.0%.

同时,中国又是资源和能源利用率较低的国家之一.例如中国矿产资源总回收率和共伴生矿产资源综合利用率分别为 30%和 35%左右,比国外先进水平约低 20%.单位产值能耗不仅远高于经济发达国家,也高于世界平均水平,并且与世界先进水平的差距还在不断扩大.例如与日本相比,1981年两国单位 GDP耗能的差距约为 6倍,现在已扩大到约15倍.

2.2 钢铁工业的发展战略思路

中国的现代化建设需要走信息化带动工业化的道路,其中最重要的内容之一就是利用先进和适用技术改造传统工业,走可持续发展之路,将循环经济的理念注入到经济结构调整和产业转型之中,有步骤地实现清洁生产、生态工业、持续农业、绿色消费和废物利用等环节.为实现新型工业化的目标,钢铁制造流程应逐渐拓展以下 3个功能:①冶金材料制造功能;②能源转换功能 (发电、大容量氢气制备等);③社会废弃物 (废钢、废塑料、废轮胎、其他固体废弃物)处理功能.

2.3 未来钢铁工业实施循环构想

随着钢铁工业的发展,大量消耗天然资源以及大量排放炉渣、废热和废气的传统钢铁生产方式必将逐步被取代.原材料和能源被充分循环利用,高效率、低排放甚至零排放的新型生产方式将得到发展和推广.从循环经济的要求和技术积累的层面分析,新型钢铁生产方式应包含以废钢循环为主的原料结构和以氢能源为主体的能源结构,包含对排气、废水、废渣的回收和综合利用,从根本上保证可持续发展的需要 (见图 4).同时还将采用全新工艺路线,从低品位铁矿资源和废渣中开采和提炼金属,以解决贫矿和固体废弃物的经济利用问题,并补充在循环过程中消耗的铁源.

图 4 钢铁工业原料与能源循环构想Fig.4 Recycle conception of raw mater ial and energy in iron and steel industry

低温氢还原铁矿微粉—多物理场下成型工艺流程如图 5所示[2].铁矿在电、磁、机械力的协同作用下被破碎成 1～10μm大小微粉,以实现铁氧化物的单体分离.通过选分后获得纯净的铁矿微粉,并加入到低温还原反应器还原.如需生产合金钢,可将金属氧化物微粉与铁矿微粉混合后一起加入还原反应器中,还原生成金属微粉.该金属微粉经过脱氢处理后,在多种物理场的作用下高速成型,可生产常规的管、线、板材,也可直接制成大型的金属结构件 (如螺旋桨、轴等).

图 5 低温氢还原铁矿微粉—多物理场下成型工艺流程Fig.5 Process of hydrogen reduction of fine iron ore at low temperature/form ing under m ulti-physical f ields

3 在上海大学开展的相关基础研究与探索

3.1 铁矿微粉中、低温氢还原研究

铁矿粉以较小的粒度在较低的温度和压力下还原,既能利用工序中炉气的余热和余压,又可避免高温反应器的诸多问题.铁矿微粉氢还原的模拟试验分成两组:一组是在 500～700℃中温条件下,反应时间为 40～300 s的快速还原,粒径取 1.84～39.14μm;另一组是在 280～400℃低温条件下,反应时间为 3～20 min的慢速还原,粒径取 0.35～16.00μm.两组试验均以 H2为还原剂,气固比为3.61 NL/g.

图 6所示为第一组试验的部分结果.可见,粒径对氧化铁的还原率有明显影响,当温度和还原时间相同时,较细粒度的粉料可以获得较大的还原率.例如,细粉 (中位径为 1.84μm)在 500和 700℃ 2种温度条件下的还原率均明显高于粗粉 (中位径为16.35和 39.14μm),细粉在 700℃下还原 240 s,还原率可达 77.90%[3-6].

第二组试验在不同条件下 (不同还原温度、还原时间和矿粉粒度)的部分结果如图 7所示.可以看出,粒度为微米级的矿粉在 400℃下反应 20 min就能达到 90%以上的还原率[7-8].

图 6 粒径对还原率的影响Fig.6 Influence of corn scale on reduction degree

图 7 铁矿微粉低温氢还原部分试验结果Fig.7 Par t of exper imental results of f ine iron ore reduction w ith hydrogen at low tem perature

3.2 碳-氢铁浴混合终还原技术

碳-氢铁浴混合终还原流程[9]如图 8所示,其技术特点为:①直接使用粉矿与粉煤,以碳作为主要的发热剂,氢作为主要的还原剂,并通过炉气中CO—H2的转换形成氢的循环;②控制碳的燃烧率,使烟气中 CO的质量分数适当;③环境友好并满足可持续发展 (既降低能耗,又减少 CO2排放).

图 8 碳-氢铁浴混合终还原流程示意图Fig.8 Schematic d iagram of end reduction process in bath w ith m ixture blast of carbon/hydrogen

为了考察能耗最小化的最佳工艺参数组合,建立衡算数学模型.模型中的输入数据包括各种物料加入量、原料成分、目标铁水成分、燃料煤和还原煤成分等原料信息,以及产能、铁矿预还原度、二次燃烧率、比底吹氢量等工艺参数;输出数据则包括炉渣成分、炉气成分、物料收入与支出、热量收入与支出以及煤耗、总能耗等计算结果.图 9所示分别为预还原率、二次燃烧率、产能、比底吹氢量与能耗 (包括煤耗、碳氢总能耗和回收后能耗)之间的关系,其中回收后能耗 (标煤)=碳氢总能耗 -炉气显热回收-炉气潜热回收.

3.3 废钢中痕量元素脱除试验

随着废钢的循环使用,铜、锡、砷、锑、铋等对钢材性能有害的元素会进入钢水中,而常规的炼钢方法无法将这些元素从钢水中去除.由于钢中残余有害元素对钢材性能的影响日渐突出,各工业发达国家都对此给予了高度重视.

图 9 碳-氢铁浴混合终还原器中主要工艺参数对能耗的影响Fig.9 Influence of main var iables on energy consuption in bath reactor for end reduction with carbon/hydrogen

渣化法[10]是分离钢中铜、锡等有害元素的一种新方法,其基本原理为选择性氧化.根据铜、锡、砷、锑、铋等元素在炼钢过程中不易氧化而留存于钢液中的特点,将铁元素氧化入渣,而将铜、锡等元素富集在钢水残液中,从而实现铁与铜、锡等有害杂质元素的分离.将获得的纯净富 FeO熔渣转入另一反应器,采用氢还原的方式将铁还原并精炼成纯净钢.该方法可同时去除钢水中的多种有害杂质元素,消除或减少钢铁材料循环过程中铜、锡、砷、锑、铋等元素的不断富集对钢材性能的影响,而残液中的有价元素被不断富集,从而有可能实现用低质废钢为原料生产高纯净钢材,并回收利用其中的有价元素.

为了对渣化法分离废钢中铁与铜、锡、砷、锑、铋等有价元素进行验证,分别在高温管式电阻炉和实验感应炉中进行平衡试验和热态模拟试验,表1所示为部分结果.试验证实了渣化法确实能同时将以上残存元素留在残液中,5种残存元素的分离效率在 90%左右或更高[11-13].

表1 渣化法元素分离试验结果Table 1 Exper imental results of elements separation w ith slaging method

3.4 时空多尺度冶金理论与建模

上海大学在信息论冶金学基础构架方面的探索及初步成果体现在基于长期研究积累所构建的几个平台,包括微观到介观范畴内熔体结构的集成知识、基于冶金热力学和动力学理论基础的宏观尺度下的模型化和数字化、在工艺和装备级尺度下的过程仿真和控制等.首先依靠先进的物理学测试手段和化学研究方法,获取可靠的微结构集成知识及其变化.图 10所示为硅酸盐熔态结构的高温拉曼 (Raman)谱检测结果.在实验技术获得突破的同时,构建了完全从理论计算体系 (主要是硅酸盐玻璃和熔体)振动光谱的微结构模型,提出了离子簇标识符、空间节点拓扑维数、微观硅氧四面体应力指数、微环境、精细结构和超分子团簇等若干描述微结构和光谱表征的重要且必要的新概念,揭示和研究了阳离子、邻位增强和超分子作用等微结构光谱表征中特殊的物理化学效应,构建了从微观结构信息直接计算宏观热力学性质 (如自由能、焓、熵、活度等)的离子簇模型[14-15].

图 10 硅酸盐熔态结构的 Raman谱检测Fig.10 Detection of melts structure of silicatesw ith Raman spectrum

现代钢铁冶金及材料制备工艺和装备的革新需要更全面准确地了解整个工艺过程中的各种参数和信息,但由于高温多相反应过程的复杂性以及设备规模大、运行费用高等特点,控制炼钢过程所必要的规律往往难以通过大量的试验取得.经济有效的方法是利用现代化检测手段取得工艺过程的一次信息,在此基础上经过提炼和综合建立数学模型,并以计算机为工具,通过静态和动态的模型分析对工艺过程进行数学仿真,对工艺参数进行预测、诊断和优化[16].图 11所示为冶炼过程建模和数值模拟结果[17].

为了更好地与应用结合,将相关部分研究成果以数据库的形式进行整理和归类 (见图 12).数据库包含以下子库.

(1)微观结构数据库.该数据库主要依靠先进的高温 Raman谱等物理测试手段和分子模拟研究方法,以已推出的冶金熔渣离子簇理论为基础,获取可靠的高温下物质微结构集成知识并和物性沟通.

(2)冶金热力学数据库.该数据库主要内容包括相关物质的比热、标准自由能、焓和熵,以及金属材料中组元的热力学参数、重要冶金材料的相图数据、溶解度及相图的不同截面等.

(3)物性数据库.该数据库主要是收集炉渣、耐火材料、冶金熔体和钢铁产品的各项物理化学性能,主要内容包括表面张力、黏度、电导、熔点和各种机械性能.

图 11 炼钢过程钢液及炉渣成分的动态模拟Fig.11 Dynam ic sim ulation of bath-and slag-con ten ts dur ing steelmak ing procedure

图 12 数据库界面Fig.12 Interface of database

(4)工艺过程分析数据库.该数据库主要包括当前用于钢铁冶金生产中的能量与物料平衡模型、工序消耗数据及钢铁厂实时检测的数据,可以利用该类模型预报冶炼进程,最终实现冶炼过程的智能控制.

(5)原料信息数据库.该数据库主要包括铁矿资源、煤炭资源和其他辅料的产地、储量、化学成分、冶金性能等钢铁冶金生产和研究中涉及的原辅材料的有关信息.该系统除了为客户提供上述数据,还可为客户提供使用过程中数据选择方面的技术指导.

图 13所示为在信息论冶金学[18]及现有时空多尺度平台基础上建模与应用之间的关系.

图 13 多尺度建模与应用示意图Fig.13 Schematic d iagram of m ulti-scalem odeling and itsapp lication

4 结 束 语

中国国民经济的高速发展和世界范围内钢铁生产中心的转移,为中国钢铁工业带来了新的机遇,也面临着新的任务.钢铁工业规模大,能源与资源密集,工艺路线曲折,而中国国内的能源和资源不富裕,一些重要资源的进口依存度不断提高.所以,一方面要走信息化带动工业化的道路,以先进适用技术改造传统产业,包括采用先进的检测、模型和控制技术提高生产率,提高产品质量,降低消耗和污染;另一方面,也需要引入循环经济的理念,用创新的思维开发创新的流程,实现以低开采、低消耗、低排放、高利用率为特征的绿色冶金,走可持续发展之路.

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Exploration of the Next-Generation Iron-and Steel-M ak ing Technology

HONGXin, ZHENG Shao-bo, ZHANGJie-yu, XU Jian-lun, YOU Jing-lin,WANG Xing-qing, WU Yong-quan, L IQiu-ju
(Shanghai Key Laboratory of Modern Metallurgy&Materials Processing,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)

The traditional iron and steel industry are characterized by its huge scale,heavy consumption of energy and resources,and comp licated technical p rocesses.Due to the limited energy and resource deposit,the concep t of circulation economy needs to be introduced in the next generation iron and steel industry.New p rocessesmust be developed through technical innovation,and converted p rogressively to threemain functions:metallic material preparation,energy conversion,and socialwastes treatment.With this strategy,fundamental studies have been carried out at the Key Laboratory of Modern Metallurgy&Materials Processing,Shanghai University.The researches involve hydrogen reduction of fine iron ore at low temperature,mixture end-reduction in iron bath with carbon and hydrogen,trace elements separation from scrap,metallurgical theory,and modeling with multi-scalesof time and scope,etc.

iron and steel production;fine iron ore;reduction with hydrogen;residual elements;multiscale of time and space;modeling

TF 552

A

1007-2861(2011)01-0013-08

10.3969/j.issn.1007-2861.2011.01.003

2010-11-12

国家科技支撑重大计划项目专题(2006BAE03A12);国家自然科学基金重点项目(50634040)

洪 新 (1951～),男,教授,博士生导师,研究方向为钢铁新流程、冶金过程模型与仿真.E-mail:xhong@mail.shu.edu.cn

(编辑:丁嘉羽)

迫于地球能源、资源及环境日益严峻的形势,循环型经济和知识型经济已成为世界经济两大发展趋势,即以环境友好的方式利用自然资源和环境容量,实现经济活动的生态化转向,以及加强经济过程中智力资源对物质资源的替代,实现经济活动的知识化转向.中国不仅需要走信息化带动工业化的道路,以先进和适用技术改造传统工业,还需要走可持续发展之路,将循环经济的理念注入到经济结构调整和产业转型之中,有步骤地实现清洁生产、生态工业、持续农业、绿色消费和废物利用等环节[1].