中美炼铁技术比较分析

刘文权 苏步新 张 盟

一、我国炼铁产量和装备情况

2017年我国高炉生铁产量71075.9万吨；熔融还原铁水41.3万吨。高炉生铁占99.94%，熔融还原占0.06%。

据不完全统计，截至2017年底，我国共有规范合格企业炼铁高炉917座，高炉炼铁总产能约9.5亿吨，平均高炉容积912立方米。其中，2000立方米及以上高炉约有120座，产能占比29%；1000立方米-2000立方米高炉约有340座，产能占比37.5%；400立方米-1000立方米高炉约有530座，产能占比33%；其他高炉产能占比不足0.5%。

2017年3月，宝钢集团八钢欧治炉COREX3000开炉，2座150万吨产能合计300万吨，2017年产量41.3万吨。

二、美国炼铁产量和装备情况

2017年美国高炉生铁产量2239.5万吨；直接还原铁产量299万吨。其中高炉生铁占88.22%，直接还原铁占11.78%。

据不完全统计，截至2017年底，美国共有炼铁生产高炉约19座，高炉炼铁总产能约2500万吨，平均炉容1919立方米。其中，2000立方米及以上高炉约有6座，产能占比46.67%；1000立方米-2000立方米高炉约有13座，产能占比53.33%；无1000立方米以下高炉。2017年美国直接还原铁产能1210万吨，直接还原铁产量299万吨。

三、中国炼铁技术现状分析

（一）高炉炼铁

1.铁钢比

铁钢比取决于长短流程的选择，铁钢比高低主要反映工序能耗和低碳排放水平。

我国铁钢比持续下降，但下降幅度较少，仍在0.85以上。美国从2008年开始，随着开采技术的突破，2015年页岩气产量呈现爆发式增长，为美国制造业带来了优惠价格的能源，使得美国钢铁工业具备了生产低成本、高质量产品的基础条件，同时使用天然气也更具有环保优势，加之废钢资源和直接还原铁/热压块充足，电价较低，这也驱动着美国钢企战略的逐步调整电炉流程。近年来，美国铁钢比下降明显，铁钢比已低于0.3。见图1。

图1 2012-2017年中美钢比对比图

2.炉料结构

我国炉料结构70%-80%高碱度烧结矿，配加10%左右酸性球团矿和10%左右块矿。在环保加压和地条钢出清等去产能背景下，废钢资源激增，部分钢企在炼铁高炉配加废钢。如山西立恒新区高炉配加废钢球140千克/吨, 产量较提高8% ，焦比降低8千克/吨左右, 煤比降低6千克/吨左右，电耗降低了3千瓦.时/吨左右。见图2。

图2 2010-2017年中国高炉炉料结构

3.喷吹燃料

我国高炉喷吹类型主要为喷煤为主，莱钢1880立方米高炉喷吹粒煤，部分试验高炉喷吹兰炭、焦炉煤气、废塑料和废旧轮胎等。

4.高炉大型化和高利用系数

近年来，我国高炉大型化趋势明显，截至2017年底，已投产23座4000立方米以上高炉（其中6座5000立方米以上高炉，最大高炉容积5800立方米）。在产4000立方米高炉座数超过了美国在产高炉的总座数。2017年重点统计单位平均利用系数2.51吨/(立方米.天)，最高达4.05 吨/(立方米.天)，最低1.75 吨/(立方米.天)等。

5.低成本治炼

我国在高褐铁矿配比（最高60%）、红土镍矿（8%以下低镍生铁）、高配比钒钛磁铁矿（攀钢2013年达70%左右）、高Al2O3矿等特殊矿的低成本治炼等方面取得重大技术突破，部分已达到国际领先水平。

（二）非高炉炼铁

1.COREX3000技术

宝钢集团浦钢罗泾工程分别于2007 年11 月和2011年3月引进2套COREX炼铁装置并相继投产。运行了4年后，搬迁COREX-3000至八钢欧治炉并顺利投产，并结合新疆地区资源禀赋，较好地发展了具有八钢特色的熔融还原技术。总体来看，经过宝钢这些年的不断摸索和生产实践，基本实现了引进技术、掌握技术、消化技术的目的，也为结合不同区域的资源禀赋条件来发展非高炉炼铁技术做出了积极探索。

2.HIsmelt技术

山东墨龙石油机械股份有限公司于2012年8月引进澳洲力拓的HIsmelt技术和装备，针对其存在的一系列问题，进行全面的技术和设备改造，对设备、生产工艺、流程改进等环节进行了一系列的改进完善。历经5年，经过9次热负荷试车，2016年12月份正式生产，截止2018年3月底，已累计生产45万吨，当前最高日产量达到1930吨、月产量达到5.17万吨，已超过原澳大利亚奎那那工厂的历史最高纪录（澳大利亚HIsmelt工厂自2005年开始生产至2007年共产出铸铁15.5万吨），煤耗最低降低到800千克/吨，污染物排放较传统炼铁工艺显著降低，产品经脱硫后主要指标达到高纯生铁的标准，于全球首次实现了HIsmelt连续工业化生产。

3.转底炉技术

此外，国内已有沙钢、日照（2条）、莱钢、马钢、湛江钢铁、燕山钢铁（2条）、天津荣程、龙蟒、攀钢等11条采用转底炉处理固废或钒钛磁铁矿，转底炉生产的直接还原铁作为附加物一般加入高炉或炼钢使用。

四、美国炼铁技术现状

（一）高炉炼铁

在过去的40年里，美国的生铁产量和铁钢比逐渐降低，2016 年生铁产量2229.3万吨。其主要竞争者是废钢电炉生产流程。电炉钢占半数以上（2016年美国电炉钢比67%，世界平均25.7%），铁钢比仅为0.284。

美国钢铁企业之间开展了大规模的整合，2016年5家集团公司拥有44座高炉，其中19座在运行，取得了高炉座数减少，生产效率提高的效果。高炉的工作容积为1062立方米-4163立方米。利用系数为1.7-3.9，其中最高的是AK Steel Middletown 3号高炉（1493立方米）。该高炉的操作特点是高富氧（2016年鼓风含氧量32.2%）、金属料(8千克/吨含铁返料+41千克/吨废钢），大量喷天然气(104千克/吨)。美国最大高炉为安米印第安那港厂7号内容积4163立方米高炉，其次为美国钢铁公司加里厂14号高炉（内容积3244立方米）。

1.高比例球团矿

美国是以球团矿为高炉主要炉料的地区。2016年平均炉料组成为：92%球团和7%烧结矿、1%块矿。在产19 座高炉中，14座使用100%球团，其中60%是自熔性（或碱性）球团矿，40%是酸性球团矿。见图3。

2.高炉使用金属化炉料

北美保留烧结厂作为处理球团筛下物和其他小颗粒回收物料的战略举措。如Gary 钢厂烧结厂从各种循环废料中生产超高碱度烧结矿（R=2.6-2.7），含TFe为50%。一些高炉使用冷固结压块作为循环废料的处理手段。如2014年，ET 厂使用34千克/吨的由高炉尘和尘泥、轧钢铁鳞、焦粉等制成的冷压块。

3.喷吹天然气和焦炉煤气

北美高炉煤和天然气混喷成为技术发展趋势，美国钢铁公司蒙瓦利厂2座高炉喷吹焦炉煤气。因美国油页岩技术的应用，使天然气供应丰富，高炉喷吹天然气量逐年增加。2016 年，高炉的平均喷吹天然气量是59千克/吨，喷煤58千克/吨。混喷的方式有双枪法（每个风口1 支枪喷煤，1 支枪喷天然气），以及单枪喷煤+风口开孔进天然气的方法。

多座高炉生产实践证实，高炉采用天然气和煤混喷，比单独喷吹天然气，能获得超过理论计算的更高置换比。经分析，其原因为改进了炉内反应动力学过程，降低了炉缸热状态波动，提高了高炉运行稳定性和能量利用率。见图4。

（二）非高炉炼铁

1.气基竖炉直接还原技术

基于北美丰富的天然气资源，直接还原铁产量在增加，有多个新的气基直接还原项目（HYL、Energiron）在建设中。见表1。

2.ITMK3粒铁技术

图3 2016年美国高炉炉料结构

图4 美国高炉喷吹燃料 千克/吨

号称第3代先进炼铁工艺的日本神户制钢的ITMK3粒铁转底炉，从2004年在美国明尼苏达州建设ITMK3粒铁转底炉示范装置，原计划第1号商业生产设备于2006年开始生产，由于遇到1450℃环境下进行的含碳球团还原和渣铁分离过程温度很高，转底炉耐材及铺底料的问题未解决好、粒铁产品硫含量高、在转底炉内生成粒状固态生铁需要的冷凝段过长，生产效率太低等工程化难题，至今未能商业化生产。计划在Northshore Mining Co.公司建设的直径50米-60米、年产50万吨粒铁的ITMK3转底炉示范厂至今未见生产情况的报道。其共同开发的合作伙伴、北美最大的矿业公司克利夫兰.克里夫斯（CLF）2012年已经宣布退出了ITMK3粒铁转底炉合资项目。

表1 近年北美气基直接还原铁项目

3.氢气闪速熔炼法

犹他州大学气-固悬浮是指铁精粉在悬浮状态下，被热还原气体还原成金属化率较高的还原铁工艺。热还原气体可以是氢，也可以是由煤、重油等经过不完全燃烧产生的还原气体CO，或者CO和H2的混合气体。

4.熔融氧化物炼铁法

麻省理工学院熔融氧化物炼铁法是指氧化铁矿在1600℃温度下，溶解在SiO2和CaO熔剂中，在电流通过时，带负电荷的氧离子移向阳极，阳极产生氧气。带正电荷的铁离子移向阴极，阴极产生铁，并聚集在电解槽底部的收集池中。

五、中美炼铁技术比较分析

1.中国炼铁在高炉大型化、低成本治炼、高利用系数强化治炼、工序能耗等方面具有较强竞争力。

2.美国炼铁在流程优化（铁钢比低至0.3左右）、炉料结构（以球团矿为主）、气体喷吹（喷吹天然气、焦炉煤气）等方面值得中国炼铁借鉴学习。

3.中国在熔融还原有丰富生产实践经验（CORE X3000和HIsmelt）并取得突破性创新技术。美国在HYL竖炉生产直接还原铁有多条生产线生产或规划建设之中。闪速熔炼、熔融氧化物等低碳炼铁研发亦取得较大进展。

4.中国气基竖炉用气如煤层气、煤制气或焦炉煤气等在成本、价格方面取得突破后有可能与美国页岩气生产直接还原铁取得竞争优势。

六、展望

未来中美两国在高炉炼铁的炉料结构、燃料喷吹等方面相互借鉴，互有比较优势，并在低成本治炼、低碳炼铁和非高炉治炼发挥竞争优势。

1.中国在炼铁技术的炉料结构方面，为适应超低排放的要求，采用先进适用的节能减排技术：烧结烟气循环、多污染物协同减排、烧结余热发电、高比例球团矿或全球团治炼、熔剂性球团矿、高炉喷吹焦炉煤气、废塑料或废旧轮胎、炉顶煤气循环氧气高炉炼铁工艺、COREX3000和HIsmelt技术等方面发挥比较优势，并在低成本治炼、低碳炼铁发挥竞争优势。

2.美国炼铁在高比例球团矿、高炉加废钢或HBI、喷吹天然气、直接还原铁和低碳炼铁创新（闪速熔炼和熔融氧化物炼铁）等方面发挥竞争优势。