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我国炼铁技术现状及对焦炭质量的要求

2011/5/11 13:55:05 来源:中国钢铁科技网信息中心 编辑:王兰彩
近年来中国炼铁工业得到快速发展,2009年产铁5.43亿吨,占世界总产量的60.53%,2010年前十个月中国产铁4.96亿吨,比上年同期增长8.27%。高炉生产技术也取得了长足的进步。2010年前三季全国重点钢铁企业高炉焦比为369kg/t,喷煤比为149kg/t,热风温度为1156℃,创造出历史最好水平。首钢、宝钢等企业的一批高炉部分技术经济指标已达到国际领先水平。但是,中国仍有一批落后的小高炉在生产。这说明,中国炼铁技术发展是不平衡的。随着高炉大型化的发展,高炉对焦炭质量的要求日益提高。主焦煤的短缺,已制约了中国高炉大型化的进程。中国在大力推广捣固炼焦、干熄焦、煤调湿等技术,以缓解我国主焦煤资源的短缺,并满足高炉的需求。在此,中国钢铁企业网特邀专家顾问王维兴对我国炼铁技术现状及对焦炭质量提出了具体的要求与建议,文章如下:
  一、中国炼铁工业发展现状
  近5年来,中国炼铁工业处于高速发展阶段,全国铁生产量从2005年的3.43亿吨,增长到2009年的5.43亿吨,增长了2.00亿吨,增幅达58.18%。在这5年期间,中国炼铁生产技术也取得了长足进展。2010年前十个月全国铁产量为4.96亿吨,比上年增8.27%,预计全年可接近6亿吨。表1为全国重点钢铁企业高炉技术经济指标。
  

  中国炼铁企业发展不平衡,是处于不同结构、不同层次、不同生产技术水平共同发展阶段。目前,中国有1400多座高炉,其中大于1000M3的高炉有260多座,大高炉中约有三分之一的高炉炼铁技术已达到国际水平,京唐公司曹妃甸5500M3的高炉指标达到国际领先水平。但是,约有四分之一的炼铁产能属于应淘汰的落后设备。
  1、重点钢铁企业高炉焦比不断下降
  从表1可看出,近5年高炉焦比下降了38 kg/t。2010年前三季重点钢铁企业高炉焦比为369 kg/t,比上年度下降4kg/t。入炉焦比较低的企业有:宝钢299kg/t,兴澄323kg/t,长治332 kg/t,太钢324 kg/t,青钢326kg/t,唐钢332 kg/t,鞍钢332 kg/t,沙钢334kg/t,首钢334kg/t,邯钢346kg/t,京唐338kg/t,韶钢339kg/t,柳钢340kg/t,武钢344kg/t。
  支撑焦比下降的重要技术条件是:
  (1)焦炭质量改善是焦比下降的重要支撑
  炼铁精料技术水平对高炉生产指标的影响率在70%,高炉操作水平的影响仅占10%,炼铁企业管理水平占10%,设备因素占5%,外部条件(供应,动力,上下工序等)占5%。在高冶炼强度和高喷煤比条件下,焦炭质量水平对高炉指标的影响率在35%左右。焦炭质量变化对炼铁生产影响见表2。

  从表2可看出焦炭质量指标中M10变化量,对高炉生产指标的影响比例最大。这表明,炼铁工作者要十分关注M10数据的变化。M10指标是个焦炭抗碎指标,它是反应出焦炭在高炉冶炼过程中的破碎程度的指标。焦炭M10指标不好,在高炉冶炼过程中会易粉化,产生较多的粉末。焦炭粉末多会造成高炉炉料透气性变差,压差升高,风量减少,不允许多喷吹煤粉;同时,粉末增多,也容易被高炉煤气带出炉外,造成高炉除尘灰中含碳量增加,也就造成焦炭的高炉利用率的下降,焦比升高;焦炭易粉化,会造成炉缸内焦炭粒度变小,甚至会有较多的焦末,这会造成炉缸不活跃,直接使高炉鼓的风吹不透炉缸中心,还会使炉缸中心容易堆积;一些中小高炉有过使用M10指标差的焦炭,曾出现高炉休风后,不易恢复风量,延长炉况处理时间的案例。也曾出现过某座小高炉全使用土焦炼铁,休风后,就吹不进风的现象。就是因为焦炭粉化后,炉缸内焦炭之间没有多少空隙(正常的应有0.4的空间)。表3为历年重点钢铁企业焦炭指标。

  从表3可看出,近5年来我国重点钢铁企业焦炭质量得到改善(只有含硫升高)。2008年上半年因钢铁市场需求火爆,钢、铁、材、焦产量增幅较大,造成煤炭供应紧张,焦炭质量呈下降态势,这是属于不正常生产状态。
  通过表2和表3的数据进行综合分析,可以看出焦炭M40在5年中升高2.20%,可使炼铁焦比下降:5kg/t×2.2﹦11kg/t;M10下降0.18%,可使焦比下降7kg/t×(0.18÷0.20)﹦6.3kg/t;灰份下降0.27%,可使焦比下降412kg/t×1%×2.7﹦11.12kg/t;硫升高0.06,造成焦比升高3.7kg/t。综合计算11+6.3+11.12-3.7﹦23.72kg/t。从表1知,近5年炼铁焦比下降38kg/t,其中焦炭质量改善给高炉焦比下降的贡献为23.72kg/t。
  2、重点钢铁企业喷煤比得到提高
  提高高炉喷煤比是炼铁系统结构优化的中心环节,是世界炼铁技术发展的主流。高炉喷吹煤粉是节约焦炭、降低炼铁成本的重要措施之一,同时可以改善钢铁工业能源结构,缓解我国主焦煤资源短缺的矛盾。多喷煤,少用焦炭,就可以少建焦炉,从而降低炼铁系统的建设投资和生产运行费用,并减少焦炉生产过程中对环境的污染,还可大大提高钢铁企业的劳动生产率和市场竞争力。
  2010年前三季重点钢铁企业喷煤比为149kg/t,比2005年提高25kg/t,达到历史最好水平。喷煤比较高的企业有:德龙182kg/t,长治184kg/t,莱芜173kg/t,武钢为174kg/t,宝钢171kg/t,唐钢170kg/t,太钢171kg/t,鞍钢167kg/t,天铁和新兴铸管均为165kg/t,湘钢168kg/t,合钢166kg/t。2009年全国重点钢铁企业喷煤总量达6443万吨,为降低我国焦炭消耗量作出了贡献。
  实现高炉喷煤比大于200kg/t的技术措施有:
  ●实现高风温(>1200℃)
  ●低渣量(渣铁比<300kg/t)
  ●富氧鼓风(富氧率<4%)
  ●脱湿鼓风(风的湿度<6克/m3)
  ●高炉炉料透气性好(优化布料实现煤气流分布均匀、矿石冶金性能好,原燃料转鼓强度高等)
  ●进行无烟煤和烟煤混合喷吹,各风口喷煤量均匀
  ●喷吹煤性能好(煤粉粒度-200网目>80%,燃烧性、流动性、可磨性均好,发热值高,含有害杂质少等)。
  3、重点钢铁企业热风温度不断提高
  从表1可看出,重点钢铁企业高炉热风温度是连年提高,且增幅较大,有力地促进炼铁焦比的不断降低。热风温度在950~1050℃区间时,升高100℃,可降低炼铁焦比约15kg/t;风温在1050~1150℃区间时,升高100℃,可降低炼铁焦比约10kg/t。高风温是降低焦比的有效手段。
  热风温度提供的热量是由用45%高炉煤气燃烧换来的,且钢铁企业内拥有大量的高炉煤气。所以说热风是个炼铁廉价的能源,要得到充分利用。高炉炼铁所需要的热量有78%是由碳素(焦炭和煤粉)燃烧提供,有19%是由热风来提供,约3%是由炉料化学热提供。我们炼铁工作者要珍惜高风温有降焦比的作用!
  2010年前三季重点钢铁企业高炉热风温度为1156℃,比上年下降4℃,出现近年的反常现象。热风温度较高的企业有:京唐1220℃,太钢1218℃,宝钢1215℃,攀钢1200℃,三钢1194℃,鞍钢1186℃,韶钢1181℃,唐钢1179℃,津西1168℃,河北敬业1176℃,济源1178℃,天钢1175℃。
  2010年首季,首钢京唐钢铁联合公司曹妃甸5500m3高炉,采用煤气干法除尘,顶燃式热风炉,热风温度达1300℃,达到世界领先水平。
  4、中国加快了高炉大型化进程
  据统计,中国现有高炉均为1400多座,大于1000 m3以上容积的高炉约有260多座。具体1000立方米以上高炉不同容积的比例结构见表4。2010年新建的高炉有24座,预计2011年投产的高炉有23座。

  我国已能自主设计、设备制造、施工、投产4000 m3以上容积的现代化大型高炉。特别是2009年5月21日投产的曹妃甸5500 m3高炉,采用了水冷气封并罐式无料钟炉顶设备、四座顶燃式热风炉,使用铜冷却壁等综合长寿技术,可实现高炉25年的长寿设计,煤气全干法除尘,干式TKT系统,先进的喷煤系统和出铁场合理布局,以及高标准的环保系统等64项先进的技术装备,达到国际先进水平。该高炉2010年3月份的设计和生产指标见表5。

  表5的数据表明,巨型高炉与中小高炉相比,是有多方面的优势。
  2008年1月国家建设部和质量监督检验检疫总局联合发布的《高炉炼铁工艺设计规范》GB50427-2008号文件中,规定“高炉一代炉役的工作年限应达到15年以上”,并提出了高炉设计年平均利用系数、燃料比和焦比等指标,祥见表6。

  设计年平均焦比,kg/t≤360≤340≤330≤310≤310
  要认识到,大高炉在生产成本、折旧费用、吨铁能耗、维修费用、人工成本、高炉长寿、劳动生产率等多方面比中小高炉是有较大优势。如在同等生产条件下,一般大高炉的燃料比要比中小高炉低50~80kg/t。
  目前,中国炼铁工业是处于多种层次、不同结构、不同生产技术指标共同发展阶段。由于多种原因,现在大高炉的优势尚未完全发挥出来。加上一些地方的保护主义存在,致使我国淘汰落后小高炉工作进程缓慢。目前,认为小高炉利用系数高,实际是一种错觉和误导。
  现在,小高炉在设计上是采用小炉容、大炉缸的方式建设。这就使利用系数失真。科学评价高炉利用系数要改变过去只用炉容来进行计算。应当采用,将高炉炉容除以炉缸面积得出的数值再进行科学计算高炉系数。也就是,铁产量÷(炉容÷炉缸面积)=高炉利用系数。用这种计算办法可知,450 m3高炉的4.0系数,也就相当于宝钢4350 m3高炉的2.2系数。所以,我们不能再宣传小高炉的优势了。
  要坚定我国高炉要大型化的发展方针,这是国内外炼铁技术发展的大方向。大高炉的吨铁风耗要比效高炉低200~400m3/t,,燃料比要比小高炉低50~80kg/t,在生产成本、维护费用、劳动生产率等方面均有优势。
  5、资源紧缺和不断涨价已严重影响我国炼铁工业的发展
  2009年中国进口铁矿石6.27亿吨,对外依存度超过了60%。进口铁矿石连年涨价,我国对外铁矿石贸易话语权低,给我国造成巨额经济损失。我国已成为炼焦煤进口国。2009年进口焦煤3449.3万吨,消耗44.26亿美元。2010年上半年进口2234.39万吨,平均单价145.96美元/t,比上年升高17.56美元/t。
  去年我国大量进低品位铁矿石(进口低于55%品位的铁矿石约6000万吨),造成炼铁能耗上升,污染物排放增加,进口量增加,对我国产生较大负面影响。我们应当限制60%以下品位铁矿石进口。
  巨型高炉对焦炭质量的要求还是比较苛刻。所以要适度控制4000 m3以上容积高炉的建设,可缓解主焦煤的短缺,也可抑制进口煤的涨价。
  二、高炉炼铁对焦炭质量的要求
  1、焦炭对高炉炼铁的作用:
  ●炉料的骨架作用:支撑炉内料拄,提高炉料透气性;
  ●提供冶炼能量:与氧气燃烧放热,占炼铁总热量58%;
  ●铁矿石的还原剂:碳和碳与氧反应生成的CO;
  ●对最初生成的铁进行渗碳,生铁中含炭量为2.2~6.0%;
  ●填充炉缸作用:活跃炉缸,提高炉缸的空间系数,使高炉休风后易恢复炉况。
  建设大高炉一定要有高质量焦炭的保证,企业高炉扩容也要以提高焦炭质量为前提,焦炭质量水平决定喷煤比的水平,焦炭质量也决定了炉缸工作状态。
  焦炭在高炉内的变化:
  焦炭从入炉到达炉缸,受到内外部多种因素的影响,要经受碰幢、挤压、麽损等机悈力学作用;碳溶损反映、碱金属侵蚀、渣铁溶蚀,以及向铁水溶解等化学作用。这些作用的结果,使焦炭在高炉内不断劣化。焦炭平均粒度变小,强度降低,气孔增大,反映性提高。碱金属对焦炭有较大的破坏作用(钾对焦炭的破坏作用要比钠大十倍以上)靠近炉墙的外围焦炭质量变化的程度要比炉内变化的剧烈,是与炉内煤气流河温度的分度密切相关。
  焦炭从入炉到炉缸,平均粒度要减小20%~40%。在上中部粒度变化不大,在软熔带的焦炭受是有剧烈的碳溶反映,粒度变化较大……焦炭质量对焦炭自身的劣化是起重要的作用。其中以焦炭灰分,块度,强度影响最为显着。
  2、《高炉炼铁工艺设计规范》GB50427-2008文件

  说明:
  ●大高炉对焦炭质量的要求要高于中小高炉,巨型高炉用焦炭质量更高,粒度要大一些。
  ●工业发达国家高炉炼铁用焦炭质量普遍高于中国。如灰份一般在10%左右,含硫小于0.6%等。
  ●炼铁精料技术要求:炉料<5mm的粉末含量要小于5%
  炉料5~15mm粒级组成要小于30%
  含有害杂质要少(见表8),K对炉料和耐材的破坏作用比Na要大10倍。注意焦炭和煤粉灰份中带入有害杂质含量。
  焦炭均要进行整粒。目的就是要实现粒度均匀。如焦炭要保证60mm左右粒度占>80%,大于80mm的要小于10%,<5mm的要小于5%.。大粒度的焦炭(>75mm)在炉内易破碎,产生较多的粉末。这些粉末会使炉料透气性恶化,高炉压差升高,被迫减少风量,产量下降、焦比升高。

  3.高炉炼铁的生产条件论
  钢铁冶金学的基本原理,要求高炉炼铁必须要具备一定的基本条件。高炉炼铁是要以精料为基础。高炉炼铁的每一项技术经济指标的实现,均要有一定的技术支撑条件。也就是说,有什么样的技术支撑条件,才会有什么样的技术经济指标。这是由冶金学科学规律所决定的。你要想糊弄高炉,高炉就会给你脸色看。高炉生产不顺的大多数情况都是由炼铁炉料质量变差所引起的。高炉生产不顺,对全公司的生产组织会有大震动,不利于企业的节能减排。
  ●4000m3以上容积的高炉要求有苛刻的炉料质量(可见表9),要努力满足巨型高炉对原燃料高质量要求,才能实现高炉高效化。根据我国现有铁矿石和炼焦煤的资源状况,减少对进口铁矿石和炼焦煤的资源依赖,我国新建高炉炉容在2500M?左右为宜。
  ●根据我国主焦煤短缺的现状,建议适度控制建设巨型高炉数量,避免进口煤炭像铁矿石那样涨价。
  ●建设大高炉和高炉扩容均要先落实好改善原燃料条件,否则大高炉难以达到高效。
  ●1000m3以下容积的高炉用焦炭质量可以不必追求焦炭热性能指标。
  ●抓主要矛盾,关注焦炭M10的数值,对高炉生产影响力大。
  4、积极支持焦化界采用先进炼焦工艺、技术、设备
  为缓解我国主焦煤短缺,降低炼焦成本,我国焦化界在大力推广优化配煤,捣固炼焦、焦煤调湿、干法熄焦、少水熄焦,优化焦炉热工制度……我国炼铁界应积极使用干熄焦焦炭, 捣固焦,小高炉不去片面追求焦炭的热性能。炼铁要通过降低燃料比和提高喷煤比来实现减少焦炭用量。
  我国炼铁企业是欢迎使用捣固炼焦技术,特别是联合企业自有焦化厂的,采用捣固炼焦技术,可明显提高焦炭质量,可降低高炉焦比20~30kg/t。如涟钢高炉使用捣固焦,高炉指标明显改善,实现燃料比510kg/t,焦比320kg/t,煤比160kg/t,小块焦比30kg/t但是独立焦化厂使用捣固炼焦技术后,降低主焦煤比例太大,使捣固焦在高炉内的反应性大大下降,高炉燃料比升高,产量下降,造成炼铁企业不愿使用独立焦化厂的捣固焦。一些企业提出,建议捣固炼焦的焦肥煤配比大于60%。宝钢外卖捣固焦的标准是,热反应强度大于72%,热反应性小于21%。一些炼铁企业高炉是少量配捣固焦,有一定的好效应。
  目前,捣固焦指标的检验方法有缺陷:挑选大块质量好的焦炭(不能代表真实的质量),在1000℃条件下做试验(高炉炉缸内温度在1420~1520℃),得出的数据不能代表焦炭在炉缸内的实际状况,企业之间焦炭的热反映性数据差距较大,不能完全代表焦炭的真实性能。所以,建议要建立新的捣固焦指标体系。修改检验捣固焦指标的检验方法。宝钢、武钢等企业用从风口取焦炭的方法,来检验焦炭实际质量的办法是科学的。主要看焦炭的粒度组成和性能。再来评价焦炭的质量。
  鉴于捣固焦的检验和质量标准对高炉生产的影响率由不同说法(好坏均有),要开展这方面的细致研究,才有利于促进捣固焦的推广
  5、呼吁煤炭界要提高洗煤水平,降低焦煤灰份,减少运输量和费用,为炼铁节能减排做贡献

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