1、北美炼铁发展综述当前，世界经济衰退已严重影响到北美的炼铁工业，其主要表现是钢铁厂的短期和长期关闭、合并与重组，且有不断扩大的趋势。纵观钢铁工业发展史可以发现，高炉炼铁的长期战略应当是提高高炉利用系数、降低还原剂比，在不断提高高炉炉龄的同时，密切关注原材料供需动态。与此同时，传统的高炉路线受到挑战，电炉的作用越来越大。为此，本篇重点介绍了墨西哥、美国和加拿大高炉炼铁的整体状况，并简单阐述了北美高炉炼铁替代工艺的发展。 1 高炉炼铁 1.1 金融危机对钢铁工业生产的影响 2008 年爆发的金融危机一直严重地影响着钢铁工业生产。值得庆幸的是近期的金融体系重建正在产生积极的推动作用。过去 20 多年，
2、北美炼铁工业发生了惊人的变化，1993-2010 年停产高炉数目增加。1993 年北美 19 家钢铁公司超过半数的公司有 1-2 座高炉。但到 2010 年，统计了 7 家钢铁公司，有 3 家钢铁公司只有 1-2 座高炉在生产。两个大的钢铁公司即安赛乐米塔尔公司（Arcelor Mittal）和美国钢铁公司（US Steel）生产的铁水量占整个 25 座高炉铁水生产总量的 70%，见图 1。 图 1 2010 年北美 7 家钢铁公司炼铁情况在企业竞争更加激烈时，兼并与重组随市场供给与广大顾客需求的变化而变化。重组前，许多小钢铁公司为了留住自己的用户都在各自降低操作水平，以维持自己公司的全面生产
3、，其结果必然是操作成本升高、资金效率降低。然而，在此期间处于相对强势的用户具有压低产品销售价格的能力。事实上，生产商生产过多的产品，造成市场供大于求，必定导致产品价格的下降。为应对金融危机，兼并与重组后的公司很快重新组织生产，减少运行高炉数目。由于市场需求降低而关闭了 21 家钢铁厂的 7 家，使 2009 年北美的铁水总产量降至最低（20 世纪 30 年代经济大萧条除外）。之后的几个月，因为市场需求增加，钢厂便一个接一个地开始恢复生产，但生产水平仍低于经济危机前约 20%。 表 1 为北美 2010 年高炉尺寸、加料系统、生产率、铁质原料、喷吹料种类及高炉基本运行情况。表 1 2010 年北
4、美高炉基本运行情况2010 年 2010 年炉料球团矿公司 工厂 高炉 炉缸直径，m工作容积，m 3加料控制设备t 铁水/dt/（m 3wv） 熔剂 型 酸性烧结矿铁矿喷吹剂阿尔戈马钢公司苏圣玛丽厂 7 10.66 2367 PW 6557 2.7 0 100 0 0 G2 7.30 1062 PW 2387 2.3 54 45 0 1 C，G，O3 6.50 963 1503 1.6 40 58 0 2 C，G安赛乐米 塔尔 哈密尔 顿厂4 8.53 1595 PW 3986 2.5 52 47 0 1 C，G，O哈密尔顿厂 E 9.80 1833 PW 4028 1.9 0 93 0 7
5、C，G加拿大美国钢铁公司 楠蒂科克L.E.W. 1 10.28 2418 PW 5149 2.1 52 42 0 6 G4 6.40 1034 PW 3237 3.1 11 24 58 7 C，GAHMSA 蒙克洛瓦 5 11.19 1914 PW 6526 3.0 93 7 0 0 C，G墨西哥 安赛乐米塔尔萨罗-卡德纳斯1 9.00 1649 PW 4247 2.5 82 2 0 16 C阿什兰 Amanda 10.18 2039 MA 4662 2.3 92 0 0 8 C，GAK 钢公司 米德尔 敦 3 8.93 1462 MA 5845 3.9 76 13 0 11 GC 11.65
6、 2461 6204 2.4 0 74 23 3 C，G伯恩斯港 D 10.89 2437 5563 2.3 0 75 23 2 GC5 8.99 1546 MA 3528 2.3 0 93 0 7 G克利夫兰 C6 8.99 1598 PW 2632 1.7 0 95 0 5 G，OIH 4 9.98 1918 MA 4407 2.4 0 94 0 6 GIH 5 8.08 1349 2602 1.9 66 27 4 3 C，GIH 6 8.08 1323 2162 1.7 44 54 0 2 G安赛乐米塔尔印第安纳港厂IH 7 13.72 4163 PW 10013 2.4 89 0 7
7、4 C迪尔伯恩厂 C 9.23 1798 PW 5259 2.9 95 3 0 2 C，G雀点厂 L 13.49 3762 PW 7119 1.9 40 51 1 8 C，G美国谢维尔沃伦厂 1 8.53 1530 PW 3418 2.2 8 85 0 7 G，O费尔菲尔德 8 9.98 2326 PW 5267 2.3 31 59 0 10 C，G4 8.80 1496 MA 3301 2.2 73 3 15 9 C，G6 8.53 1507 MA 3406 2.3 60 18 1 10 C，G8 8.53 1299 2890 2.1 62 16 14 8 C，G，T加里厂14 11.96
8、3241 MA 6871 2.1 77 0 22 1 C，GA 8.30 1435 2798 2.0 4 88 0 8 G格 尼特城厂 B 8.30 1402 MA 3434 2.5 4 89 0 7 GB 8.61 1645 3797 2.3 92 4 0 4 C，G大湖分公司 D 8.53 1508 3432 2.3 89 6 0 5 C，G1 8.78 1598 MA 3446 2.2 65 24 0 11 C，COG美国钢铁公司蒙瓦利厂 3 7.69 1381 3096 2.2 65 24 0 11 C，COG注：MA - 可调炉喉保护板；PW-无料钟炉顶；喷吹剂中，C-煤、G-天然气
9、、O- 油、T-焦油；COG- 焦炉煤气。1.2 高炉结构 北美高炉的结构互不相同。几乎 80%的高炉于 1975 年以前建造，40%为 1950 年前建成。不足 20%为独立式设计，80%为过梁设计。冷却系统设计也各不一样，55%的炉腹为板式冷却，35%为立式冷却壁冷却，10%为外部冷却（或者为喷雾或者为水套冷却）。80% 的炉身为铜板冷却，只有 20%为立式冷却。尽管多年来进行过升级改造，但冷却板之间的间隔仍不坚固，水系统受到限制，即水的质量和水的有效冷却质量均受到限制。 1.3 天然气消耗与联合喷吹 近年来，最重要的研究成果是对天然气喷吹的重新认识。由于天然气的价格相对低廉、使用性能优良
10、、喷吹设备简单、替换比例灵活（焦炭：天然气约为 1.3：1）以及可改善炉子透气性能等，使高炉具有十分优秀的操作性能。所以，几十年来，天然气被广泛用于风口喷吹。最流行的方法是将天然气作为油的添加剂，有时作为喷煤不足的代用品，最后是与煤粉一并喷吹。 高炉使用天然气已达到很高的比例，多数喷吹天然气已超过 90%。2004-2008 年间，因天然气价格大幅度上涨造成使用量略有减少。但因为绝大多数高炉没有经济能力喷吹其他燃料，加之焦炭短缺，所以，北美高炉无一停吹天然气。 两项重大事件改变了上述情况，第一，2008 年金融危机减少了天然气用量，引发天然气价格降低。第二，美国东部发现了一座巨大的天然气田，使
11、天然气产量大幅度增加，引起天然气价格进一步降低。因为高炉炼铁厂长期推动增大喷煤操作，当喷煤增大到足够高导致高炉透气性降低，使运行受阻时，人们想起了天然气中的 H2 有利于改善高炉透气性而开始了天然气与煤粉的联合喷吹并大获成功。到 2010 年底，北美 33座运行的高炉中有 20 座喷吹煤粉，13 座高炉采用煤粉与天然气联合喷吹。 1.4 高炉喷射水泥砂浆 在 20 世纪 80 年代到 90 年代这 10 年困难时期，高炉炼铁生产者最关心的是如何维持现行生产和尽力减少休风时间。其原因有二，一是减少经济损失，二是避免高炉休风更换炉衬期间因无铁水供给导致用户流失。 延长高炉炉龄既包括工艺（改善工艺稳
12、定性和提高原材料质量），又包括设备的良好维护性能，如设备的远距离维修技术或临时维修性能。维修方法包括喷补炉衬、喷射水泥砂浆和冷却设备如圆柱型冷却器。目前，北美高炉已全面使用了喷射水泥砂浆技术，见图 2。 图 2 北美高炉重喷内衬数目2000-2010 年底，北美运行的 33 座高炉中有 27 座采用喷射水泥砂浆的技术，给高炉重新喷射了表面炉衬（总共用耐火材料达 20000 余 t）。只有 5 座高炉采用传统方法更换新内衬。重新给高炉喷补内衬技术的唯一缺点是大约两年需要高炉停炉一次，可能给炉缸寿命带来副作用，并削弱重新喷补内衬的效果，也就是影响炉龄延长。但值得庆幸的是北美高炉炉缸设计方法和设计技
13、术具有应对上述不利影响因素的能力，最终实现了重新喷补高炉内衬延长炉子使用寿命的目的。 1.5 高炉炉缸设计 炉缸寿命也是决定高炉寿命的关键因素。北美延长高炉炉龄的先进措施有： 1）广泛使用北美（UCAR-美国碳化公司）小型砖侧墙设计； 2）使用北美优质煤制成的优质焦炭，使炉缸具有保持其自身干燥的能力； 3）精细选择和使用钛铁矿和金红石粉喷射。 北美高炉炉缸设计与世界各地普遍使用所谓“大砖块” 设计完全不同。在北美，使用 UCAR 热压砖，这是因为炉缸破坏的主要形式是磨损-化学浸蚀、热应力和腐蚀，而这一切又源自炉缸冶金过程中的高温。而 UCAR 设计使用薄墙、小块砖和膨胀公差可产生和维持一个能快
14、速传热、并降低炉缸温度的有效热系统。研究证实，炉缸温度降低一定温度时，可冻结成一稳定的渣壳，可防止热应力裂纹和化学浸蚀。这个概念已被全球冶金工作者广泛接受。在这种概念指导下，设计成功的两座高炉已分别于 1993年在中国宝钢和德国萨尔吉茨特正式投入生产，并接受着实际生产检验。据公开出版的资料显示，两座高炉至今运行正常。实践证明，炉缸采用薄墙设计确实具有很高的导热性，有利于提高炉缸寿命。图 3 示出北美主要钢铁公司的炉底寿命。 图 3 北美钢铁公司炉底寿命统计分析北美 20 座高炉炉缸薄墙设计寿命指出，炉缸寿命（以炉底寿命计算）平均已达到和超过 15 年，至今仍相当完好，无一炉子有更换炉底计划。最
15、长炉缸寿命应是 AK Steel 公司的 Amanda 炉，寿命已达到 42.5 年，累计生产铁水达 5200 万 t。生产率达到 25381t 铁水/（m 3WV），或等于 633427t 铁水/m2H.A。比炉底寿命更重要的是炉缸侧壁寿命。北美高炉炉缸侧墙寿命和炉子耐材维修次数见图 4。AK 阿什兰炉缸侧壁寿命期内，总共生产了 3750 万 t 铁水，临时维修 7 次，平均每两次维修间的铁水生产量为 536 万 t。AHMSA 公司 5 号高炉炉缸侧壁寿命期内，总计生产铁水 3250 万 t，但临时维修仅有 1 次，是生产量最高，维修次数最少的。安米克利夫兰 5 号高炉炉缸侧壁寿命最短，总
16、共生产铁水仅 960 万 t，然而临时维修却高达 6 次。平均每次临时维修仅产铁 160 万 t。 图 4 北美高炉炉缸侧墙寿命和炉子耐材维修次数直到金融危机，有两座高炉还在正常生产（炉龄末期）。一是安赛乐米塔尔公司的伯恩斯港厂 D 高炉和 AK 钢公司的米德尔敦 3 号高炉，已分别运行 17.1 年和 30.2 年，且炉缸侧墙和缸底炉衬仍十分良好。 米德尔敦 3 号高炉的利用系数是至今为止世界上最高的（4.0t 铁水/（m 3d），甚至在炉龄的末期，其利用系数还是如此之高。此外，在 30 余年的冶炼期间总共停炉维修炉腹炉身 12 次，观察仍未发现明显的缺陷。北美高炉尽管容积大小、冷却方式、出
17、铁口等各不相同，但都使用 UCAR 薄墙概念设计和 UCAR 热压砖技术，所以，高炉寿命通常较长。 成功应用的事实说明，北美高炉炉缸独特的技术将代表当今全球高炉的最新理念。通过一种尺寸的小砖策略代替多种尺寸大砖同样能够很好地服务于各种不同的高炉，即各种不同大小、形状的高炉都可用同一尺寸的小砖砌筑内衬设计替换过去那种竞争性技术的传统设计。一种尺寸的小砖技术既适用于高炉内部的局部炉衬更换，也适用内部炉衬的整体重砌，同时还能与水泥砂浆喷射技术完美结合，执行每两年一次的停炉，以完成高炉内部表面炉衬全部或部分喷补，或进行详细检查完成局部维修。 1.6 “新”高炉建设 为改善北美高炉炼铁的经济前景，200
18、5 年以后启动了一批北美重点高炉重建计划。重建计划需资金 2-4 亿美元，计划完成后应担负起北美高炉炼铁任务。除此之外，还打算重新启动安赛乐米塔尔多法斯科 3 号高炉（炉缸直径 7.3m）。 纽柯钢铁公司在路易斯安那州密西西比河的绿色高炉计划已经改变，决定建设一座 DRI 工厂。谢维尔迪尔伯恩 B 高炉因金融危机推迟开工，现在决定重新启动建设，但进度有所延缓。 1.7 高炉炼铁原材料 1.7.1 原材料定位 过去 10 年原材料价格的大幅度上涨和海洋运输形式的变化，全球钢铁企业的竞争能力根据原材料的自供能力被分成“占有” 和“非占有” 两组。占有组的钢铁厂具有完全或部分炼铁原材料的自供能力。非
19、占有组的钢铁厂高炉炼铁原材料只有通过海运贸易购买原材料。显然，海运贸易增加大量成本使竞争力受到极大影响。北美主要的高炉炼铁公司为占有组，高炉炼铁用含铁原料超过 90%来自北美自己的铁矿山和球团矿厂，95%以上的焦炭和喷吹粉煤来自北美的炼焦厂和粉煤加工厂。与使用价格昂贵的废钢及其替代品（HBI、DRI）的电炉相比，高炉铁水-钢水流程具有成本优势。 1.7.2 新的炼焦能力 北美焦炭自供能力超过 95%，只需少量进口。考虑到焦炭安全供给及进口焦炭价格昂贵，美国确立了采用 Sun Coke 公司的热回收炼焦技术。热回收炼焦技术的产能达到 425 万 t/a。其中 Jewell coke 厂 70 万
20、 t/a，印第安纳港炼焦厂 125 万 t/a，Haverhill 为110 万 t/a，格拉尼特城炼焦厂 65 万 t/a，米德尔敦炼焦厂 55 万 t/a。除此之外，还将重建一批传统焦炉。 1.7.3 喷煤设备 根据推测，因进口焦炭价格的大幅度上涨将刺激高炉喷吹粉煤设备的增加。但这10 年中，只有谢维尔的 C 高炉和安米多法斯科高炉的喷吹粉煤是新增的。 典型的喷煤比为 115kg/t 铁水，加上联合喷吹天然气 60kg/t 铁水。 新建安米多法斯科喷煤厂为哈密尔顿炼铁厂 3 座高炉提供喷吹粉煤。使用 Paul Wurth 喷吹系统，2、4 号高炉的喷煤比达到 130kg/t 铁、3 号高炉
21、达到 100kg/t 铁，另外 3 号高炉还喷吹天然气。北美高炉炼铁的平均焦比从 1976 年的 625kg/t 铁稳定地降低到 2000 年的 400kg/t 铁水以下。 1.7.4 高炉炼铁的含铁原材料 北美约 90%高炉使用球团矿，全球团冶炼则必须使用熔剂性球团矿。酸性球团矿是烧结矿最好的补充炉料，同时在某些运行时，还可采用酸性球团满足铁水生产的需要。全球团冶炼需添加 5%-10%转炉渣、回收废钢、球团碎料和废氧化物压块。 北美的钢铁公司将通过以下计划的完成进一步强化含铁原料的自供能力： 1）Keetac 计划 恢复 1 线生产，使年产球团矿能力达 300 万 t； 2）Minnesot
22、a Steel （Essar）计划 恢复已停产的 Butler 矿山、选矿厂和球团设备，将年产 600 万 t 的球团矿供阿尔戈马钢公司和其他 DRI/EAF 炼钢厂； 3）AM Lazaro Cardenas 计划 开发 Volcan 矿山，将每年 200 多万 t 的原料供应直接还原球团厂； 4）SDI 计划 恢复已停产的 Erie（LTV 钢厂）Mining Woyt Lakes 矿山和选矿厂的一部分生产能力，供自己的 Mesabi Nugget 工厂（已投产）； 5）AMMC 计划 拟扩建矿山和选矿厂，将生产的原料供给新的球团厂。 除上述已落实的铁矿石增产计划外，克利夫斯北海岸球团矿厂
23、的扩大产能计划正在实施中，建成后每年将增产 60 万 t 球团矿。另外还有一批商业性铁矿石增产计划正在加拿大和墨西哥实施中，主要用于出口。一座新开工、服务于北美的公司是Magnetation，它回收明尼苏达铁矿石尾矿。第一台设备 2011 年投产，产能为 75 万t/a，目前产品供 Mesabi Nugget 公司，但很快将供 AHMSA 公司的烧结矿厂和球团矿厂，并卖给北美其他公司。 1.7.5 原材料所有权 原材料的所有权各不相同，其竞争成本构成也完全不一样。美国钢铁公司具有 100%球团矿自给能力，接近 100%的焦炭自给能力。AHMSA 公司也几乎具有 100%的自给能力。安赛乐米塔尔
24、公司同样具有强大的铁矿石、焦炭和喷射料自给能力。AK 钢公司、Essar Steel Algoma 和谢维尔公司有良好的焦炭购货渠道，但必须以市场价长期稳定地购买克利夫斯、AMMC 、加拿大铁矿公司和 VAL 等供货商的球团矿。表 2 为北美自由贸易区球团矿所有权情况。表 2 北美自由贸易区球团矿所有权所有权，%工厂年产能万 t美国钢铁克利夫斯安赛乐米Ternium AHMSA注：力拓占 59%，三菱占 26%，LOF 占 15%。2 北美高炉炼铁替代工艺近况 2.1 北美高炉炼铁替代工艺的任务 采用替代高炉炼铁的主要目的是生产纯度高的含铁原料供应 EAF 钢厂。此外是为了利用替代炼铁工艺加工
25、废弃氧化物。但到目前为止，在北美已经建成的多座转底炉（RHF ）直接还原铁（DRI ）冶炼厂处于闲置状态（ IDI 工艺除外）。 除烧结厂外，唯一运行的废弃氧化物处理工艺是压块厂。但它不是还原处理工艺，仅仅是高炉或转炉的原料供应者。PIZO 是一种新开发的工艺，工业生产设备于 2008年在纽柯 Blytheville EAF 炼钢厂投产。该工艺首先将 EAF 粉尘、碳和粘结剂压制成块，然后加入一座 20t 的感应炉生产生铁，将废气冷凝成富含 ZnO 的粉尘。生铁、炉渣和ZnO 均已被市场接受，有的工厂已将产能扩大到 2 倍。另外一种已在进行示范生产的公司 塔尔明塔克铁矿 1450 100基韦廷
26、铁矿（Keetac）600 100米诺卡铁矿 280 100希宾铁矿 800 15 23 62UTAC 500 100北海岸矿业公司 520 100帝国铁矿 600 79 21蒂尔登铁矿 800 15 85AMMC 920 100沃布什铁矿 600 100加拿大铁矿公司 1250AHMSA 300 100Pena Colarada 400 50 50Lazaro Cardenas DR 350 100Lazaro Cardenas BF 210 100Las Encinas 350 100工艺是 Mc Master 大学教授 WK Lu 开发的直缸还原炉（straight hearth red
27、uction furnace）。 2.2 长期减排 CO2 研发和使用高炉炼铁替代工艺的另一主要目的是长期减少 BF/BOF 炼钢路线的CO2 排放量。美国正在开展两种主要的低碳炼铁技术研究，一是麻省理工大学研发的熔融氧化物电解法（MOE）。另一种是犹他大学研究的氢气闪速熔炼（ HFS）。两种工艺已进入试验室试验阶段。MOE 是一种高温电化学工艺，它生产铁水排放的 CO2 仅为 BF/BOF 路线的 1/5。不过它要求绿色电力才能达到该排放标准。HFS 工艺虽然可和天然气甚至煤一起冶炼生产铁水，但它的主要燃料仍然是 H2。HFS 是竖炉工艺，在以H2 为主要燃料进行冶炼时，排放的 CO2 仅为
28、 BF/BOF 路线的 5%。但两工艺仅在实验室完成小规模炼铁试验，要实现工业化生产还有许多技术和经济方面的困难需要克服。2.3 直接还原工艺 竖炉气基直接还原工艺 Midrex，HYL 工艺是十分杰出的工艺，在北美已发展成熟，但由于天然气定价太高，因而使 Midrex 和 HYL 工艺在相当长的时期内在北美的应用遇到了障碍。随着天然气气田的发现与产量的提高，天然气价格已有所下降，使用气基直接还原工艺又被提上议事日程。北美日前的 DRI 产量大约为 500 万 t/a，墨西哥总产量超过 400 万 t/a。 2.4 炼铁替代工艺 在美国和加拿大新工艺开发重点是煤基工艺，例如 Iron Dyna
29、mics，Inc （IDI）和ITmk3（Mesabi Nugget）等。Steel Dynamics IDI（ Butler，Indiana）铁水生产工艺已用于生产包括含铁材料、煤、粘结剂和造渣剂在内的压块。然后将压块加入转底炉（RHF ）还原，并将还原生成的 DRI 供 EAF 炼钢。IDI 工艺目前的铁水生产能力已达到 24 万 t/a。冶炼的全部原料为废弃氧化物（球团筛下料、轧钢氧化铁皮、粉尘等），不再用铁矿石。因此，IDI 是北美第一种成功的废弃氧化物还原炼铁工艺。生产的铁水质量是 3.6%C，2.3%Si，0.02%S。 令人感兴趣的发展技术是 Mesabi Nugget 转底炉工
30、艺，即 ITmk3 工艺。SDI/Kobe Steel JV（位于明尼苏达州）已建成一座 ITmk3 示范工厂，该厂的生产能力为年产 50万 t，生产的生铁块已用于印地安那州的 SDI 电炉炼钢。生铁块质量是 96%Fe，2.5%-3.0%C，0.10%Si ，0.1%S，0.016%P，密度 4.4t/m3，80% 的铁块尺寸为 6mm16mm。计划重建 Erie 矿山，并将生产的矿石经精选后供 Mesabi Nugget 厂。因环境方面的问题该计划已延迟，在此延迟期间 Mesabi Nugget 厂使用克利夫斯北海岸球团原料和Magnetation 精矿。 3 结论 由于企业合并重组、费用降低、全球经济好转、有利的原材料价格、货物船运优势以及有利的流通转换条件等，北美高炉炼铁厂具有明显的优势。加之以下技术的不断进步，从而促进北美以高炉炼铁为基础的钢铁工业进入了快速复苏状态。这些技术包括： 1）炼焦热回收技术难点的突破； 2）高炉冶金性能及技术的不断改进； 3）水泥砂浆喷射工艺技术获得了快速进步，炉缸寿命设计、耐火材料选择和维护技术得到不断进步与优化。
