從1949年中華人民共和國(guó)成立到20世紀(jì)80年代初,是中國(guó)煉鐵工業(yè)奠定基礎(chǔ)的階段。解放前的舊中國(guó), 鋼鐵工業(yè)十分落后,1949 年新中國(guó)成立時(shí)中國(guó)鋼年產(chǎn)量只有15.8萬(wàn)t, 生鐵年產(chǎn)量?jī)H為25萬(wàn)t。經(jīng)過(guò)3年的生產(chǎn)恢復(fù),1952年中國(guó)的鋼、鐵、材產(chǎn)量都創(chuàng)造了新紀(jì)錄。20世紀(jì)50年代中期以前,中國(guó)煉鐵主要學(xué)習(xí)前蘇聯(lián)技術(shù),其間擴(kuò)建了鞍鋼,新建了武鋼、包鋼。在“大躍進(jìn)”年代,本鋼總結(jié)出高爐高產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),提出了“以原料為基礎(chǔ),以風(fēng)為綱,提高冶煉強(qiáng)度與降低焦比并舉”的操作方針,中國(guó)煉鐵技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入探索進(jìn)程。60年代初的國(guó)民經(jīng)濟(jì)調(diào)整期,大批高爐停產(chǎn),生產(chǎn)中的高爐則維持低冶煉強(qiáng)度操作。1963年~1966年,中國(guó)自主開(kāi)發(fā)了高爐噴吹煤粉、重油以及釩鈦磁鐵礦冶煉等技術(shù),技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到新中國(guó)建立以來(lái)的最好水平?!拔母铩睍r(shí)期中國(guó)鋼鐵工業(yè)受到沉重打擊,出現(xiàn)“10年徘徊”的局面。經(jīng)過(guò)解放后約30年的曲折發(fā)展,中國(guó)初步奠定了鋼鐵工業(yè)的基礎(chǔ),1980年中國(guó)生鐵產(chǎn)量達(dá)到3 802萬(wàn)t。以1985年投產(chǎn)的寶鋼一期工程為標(biāo)志,20世紀(jì)80年代起中國(guó)煉鐵進(jìn)入學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)階段?!拔母铩苯Y(jié)束后, 黨的十一屆三中全會(huì)撥亂反正, 以經(jīng)濟(jì)建設(shè)為中心, 實(shí)施改革開(kāi)放政策,引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)技術(shù),使中國(guó)鋼鐵工業(yè)進(jìn)入發(fā)展新階段。以寶鋼建設(shè)為契機(jī),消化吸收寶鋼引進(jìn)的煉鐵技術(shù)并移植推廣,對(duì)促進(jìn)中國(guó)煉鐵系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步起了很大的推動(dòng)作用。從此中國(guó)煉鐵進(jìn)入學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)階段。20世紀(jì)80~90年代,中國(guó)鋼鐵企業(yè)進(jìn)行了大規(guī)模的擴(kuò)建和技術(shù)改造,采用先進(jìn)的技術(shù)裝備,在原燃料質(zhì)量改進(jìn)和高爐操作方面也有很大進(jìn)步,高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有很大改善。1994年,中國(guó)生鐵產(chǎn)量達(dá)到9740.9萬(wàn)t,成為世界第一產(chǎn)鐵大國(guó)。1996年以來(lái),中國(guó)鋼鐵產(chǎn)量一直保持世界首位。進(jìn)入21世紀(jì),中國(guó)煉鐵技術(shù)發(fā)展進(jìn)入自主創(chuàng)新階段。近十幾年來(lái),中國(guó)鋼鐵工業(yè)以更高的速度發(fā)展。2013年,中國(guó)鋼產(chǎn)量為7.79億t,占世界鋼產(chǎn)量的48.5%;生鐵產(chǎn)量為7.0897億t,占世界生鐵總產(chǎn)量的61.1%。這一時(shí)期,以中國(guó)自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)建設(shè)的京唐5500m3高爐為標(biāo)志,中國(guó)煉鐵技術(shù)進(jìn)入自主創(chuàng)新階段。近年中國(guó)鋼鐵產(chǎn)能過(guò)剩,企業(yè)經(jīng)營(yíng)困難,盈利水平急劇下滑。在市場(chǎng)、資源、環(huán)境的多重壓力下,中國(guó)的鋼鐵工業(yè)正面臨結(jié)構(gòu)調(diào)整、壓縮過(guò)剩產(chǎn)能的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)和考驗(yàn)。本文扼要回顧 60 年來(lái)中國(guó)煉鐵技術(shù)的發(fā)展歷程,結(jié)合現(xiàn)狀探討今后中國(guó)煉鐵技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
1.中國(guó)煉鐵技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)階段
圖1所示為1949年以來(lái)中國(guó)鋼鐵產(chǎn)量的變化,曲線的斜率明顯反映了上述3個(gè)階段的差別。煉鐵技術(shù)的發(fā)展和生鐵產(chǎn)量的變化是同步的,下面回顧3個(gè)不同階段中國(guó)煉鐵技術(shù)的發(fā)展歷程[1-3]。
1.1 奠定基礎(chǔ)階段
從1949年到80年代初,是中國(guó)煉鐵工業(yè)奠定基礎(chǔ)階段。這30多年間,又可分為以下幾個(gè)時(shí)期:恢復(fù)生產(chǎn)時(shí)期、學(xué)習(xí)前蘇聯(lián)技術(shù)時(shí)期、“大躍進(jìn)”時(shí)期、國(guó)民經(jīng)濟(jì)調(diào)整時(shí)期、獨(dú)立發(fā)展時(shí)期和“文革”時(shí)期。
1.1.1 恢復(fù)生產(chǎn)時(shí)期
解放初期中國(guó)鋼鐵工業(yè)主要分布在東北和華北地區(qū),主要鋼鐵廠有鞍鋼公司、本鋼公司、石景山鐵廠、太原鋼鐵廠和陽(yáng)泉鐵廠。當(dāng)時(shí)全國(guó)300m3以上的高爐只有16座,其中鞍鋼9座、本鋼4座、石鋼2座、太鋼1座, 最大的一座是鞍鋼的9號(hào)高爐(容積944m3)。鞍鋼6座、本鋼2座800m3以上高爐的機(jī)電設(shè)備全部被前蘇聯(lián)軍隊(duì)拆走, 留下的均屬于20世紀(jì)20年代的老裝備,舊中國(guó)留下的鋼鐵工業(yè)是一個(gè)陳舊落后、殘缺不全的爛攤子。1948年底, 東北地區(qū)解放,1949年起東北地區(qū)的鋼鐵廠開(kāi)始恢復(fù)生產(chǎn)。由于裝備較先進(jìn)的高爐車間機(jī)組和機(jī)電設(shè)備已被拆走, 只能恢復(fù)前蘇聯(lián)軍隊(duì)未拆走的裝備陳舊的高爐。當(dāng)時(shí)物資、器材匱乏, 恢復(fù)生產(chǎn)困難很大。在廣大工人、技術(shù)人員積極努力奮斗下, 到1949年底, 鞍鋼和本鋼未被拆走的5座高爐全部恢復(fù)了生產(chǎn)。1949年華北地區(qū)解放后, 石鋼和太鋼的高爐也開(kāi)始恢復(fù)生產(chǎn)。在恢復(fù)高爐生產(chǎn)初期, 東北地區(qū)的煉鐵廠采用的是日本所沿用的操作技術(shù),風(fēng)量少, 風(fēng)溫低, 焦比高。恢復(fù)生產(chǎn)不久, 東北地區(qū)開(kāi)展了創(chuàng)生產(chǎn)新紀(jì)錄運(yùn)動(dòng)。1951年, 東北高爐生產(chǎn)超過(guò)了日本統(tǒng)治下的最高記錄,然而水平仍然很低,利用系數(shù)約為0.9~1.0 t/ (m3·d),焦比高達(dá)1.0 kg/t, 煉鋼生鐵中硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)1.0%,均落后于當(dāng)時(shí)高爐煉鐵的國(guó)際水平。經(jīng)過(guò)解放后3年的生產(chǎn)恢復(fù),1952年中國(guó)生產(chǎn)鋼135萬(wàn)t,生鐵193萬(wàn)t,鋼材113萬(wàn)t,創(chuàng)造了中國(guó)鋼鐵工業(yè)的新紀(jì)錄。
1.1.2 學(xué)習(xí)前蘇聯(lián)技術(shù)時(shí)期
1953年開(kāi)始的發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)的“第一個(gè)五年計(jì)劃”,將發(fā)展鋼鐵工業(yè)放在重要位置。在前蘇聯(lián)幫助下設(shè)計(jì)的156個(gè)建設(shè)項(xiàng)目中,鞍山鋼鐵公司擴(kuò)建和現(xiàn)代化、武漢鋼鐵公司和包頭鋼鐵公司的建設(shè)是3項(xiàng)重點(diǎn)工程,這些項(xiàng)目全部采用了前蘇聯(lián)技術(shù)。20世紀(jì)40年代后期,前蘇聯(lián)的煉鐵技術(shù)國(guó)際領(lǐng)先。前蘇聯(lián)巴甫洛夫院士總結(jié)了歐美高爐煉鐵理論和實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn),將煉鐵理論系統(tǒng)化,并領(lǐng)導(dǎo)科研小組,在前蘇聯(lián)高爐上進(jìn)行了許多研究工作。1950年, 前蘇聯(lián)生鐵產(chǎn)量為 1920萬(wàn)t,居世界第二位,占世界生產(chǎn)總鐵量的15%。20世紀(jì)50年代前蘇聯(lián)技術(shù)開(kāi)始傳入中國(guó),鞍鋼在學(xué)習(xí)前蘇聯(lián)技術(shù)方面起了帶頭作用。需要特別提及的是,蔡博同志在學(xué)習(xí)和傳播前蘇聯(lián)煉鐵技術(shù)方面起了決定性的作用。他結(jié)合鞍鋼實(shí)際,推廣前蘇聯(lián)煉鐵經(jīng)驗(yàn),首先用自熔性燒結(jié)礦解決了鞍山細(xì)精礦的造塊問(wèn)題, 否定了鞍山細(xì)精礦只能生產(chǎn)方團(tuán)礦的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上, 成功解決了冶煉[Si]質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 9 %以下的煉鋼生鐵問(wèn)題。爐頂調(diào)劑法(上部調(diào)劑)的推廣為高爐提高冶煉強(qiáng)度和降低焦比提供了有力的手段。1953年, 由前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)并供應(yīng)部分裝備的第一座動(dòng)化高爐在鞍鋼投產(chǎn)。1956年, 第一座高壓高爐在鞍鋼投產(chǎn)。同年,前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)的第二座容積900m3級(jí)高爐在本溪第二煉鐵廠投產(chǎn)。前蘇聯(lián)煉鐵技術(shù)的推廣,使中國(guó)高爐煉鐵水平大大提高,一批高爐的利用系數(shù)超過(guò)1.4 t/(m3?d),有的超過(guò)1.5 t/(m3?d),焦比降至800kg/t 以下, 有的在700kg/t以下,風(fēng)溫達(dá)到900~1000℃。1958年,前蘇聯(lián)援建的武鋼、包鋼相繼投產(chǎn)。這一時(shí)期,學(xué)習(xí)前蘇聯(lián)技術(shù)是當(dāng)時(shí)中國(guó)煉鐵技術(shù)的主流。
1.1.3 “大躍進(jìn)”時(shí)期
1958年, 本鋼第一煉鐵廠2座300m3級(jí)高爐(l號(hào)333m3,2號(hào)329 m3)創(chuàng)造了高產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),主要技術(shù)措施有:燒結(jié)礦過(guò)篩, 篩除小于 5mm粉末;焦炭分級(jí)入爐;提高燒結(jié)礦鐵分;提高高爐壓差,增加風(fēng)量;改變裝料制度,增加批重;擴(kuò)大風(fēng)口直徑等。采用這些措施后,高爐利用系數(shù)由1.3~1.4 t/(m3?d)提高到2.2~2.4 t/(m3m3?d)。本鋼的高爐操作經(jīng)驗(yàn)在中國(guó)煉鐵界引起了很大震動(dòng),當(dāng)時(shí)正值全國(guó)“大躍進(jìn)”高潮,本鋼第一煉鐵廠高爐提高利用系數(shù)的實(shí)踐對(duì)全國(guó)煉鐵廠既是推動(dòng)也是壓力。本鋼總結(jié)的“以原料為基礎(chǔ),以風(fēng)為綱,提高冶煉強(qiáng)度與降低焦比并舉”成為指導(dǎo)中國(guó)煉鐵的技術(shù)方針。本鋼的實(shí)踐使高爐工作者開(kāi)拓了思路,開(kāi)始感到不能只靠照搬前蘇聯(lián)經(jīng)驗(yàn), 要學(xué)會(huì)自主創(chuàng)新。在“大躍進(jìn)”年代,浮夸風(fēng)流行, 使中國(guó)鋼鐵工業(yè)損失嚴(yán)重,但就中國(guó)煉鐵技術(shù)發(fā)展而言,當(dāng)時(shí)本鋼高爐工作者的實(shí)踐對(duì)解放技術(shù)思想是有貢獻(xiàn)的。
1.1.4 國(guó)民經(jīng)濟(jì)調(diào)整時(shí)期
“大躍進(jìn)”的建設(shè)規(guī)模超過(guò)國(guó)力承受能力,違背了經(jīng)濟(jì)規(guī)律,破壞了生產(chǎn)力。1961年起,中國(guó)開(kāi)始對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)進(jìn)行調(diào)整,鋼鐵工業(yè)由“大上”轉(zhuǎn)為“大下”,相當(dāng)多的煉鐵廠停產(chǎn)減產(chǎn)。1960年,全國(guó)生鐵產(chǎn)量2716萬(wàn)t,1961年下降到1281萬(wàn)t,1962年降到805萬(wàn)t,1963 年進(jìn)一步降到 741 萬(wàn) t。與“大躍進(jìn)”時(shí)期關(guān)注高爐強(qiáng)化冶煉技術(shù)不同,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)調(diào)整時(shí)期,低冶煉強(qiáng)度操作成為中國(guó)高爐工作者重點(diǎn)研究的新課題。這一時(shí)期,對(duì)高爐慢風(fēng)操作制度、鼓風(fēng)動(dòng)能調(diào)節(jié)規(guī)律等開(kāi)展研究,加深了對(duì)高爐低冶煉強(qiáng)度冶煉規(guī)律的認(rèn)識(shí),為穩(wěn)定操作積累了經(jīng)驗(yàn)。
1.1.5 獨(dú)立發(fā)展時(shí)期
經(jīng)歷了全面學(xué)習(xí)前蘇聯(lián)技術(shù)和“大躍進(jìn)”時(shí)期的高冶煉強(qiáng)度、高利用系數(shù)操作,以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)調(diào)整時(shí)期的低冶煉強(qiáng)度操作,打開(kāi)了中國(guó)煉鐵科技人員的思路。大家認(rèn)識(shí)到不能完全照搬前蘇聯(lián)的經(jīng)驗(yàn),必須獨(dú)立自主發(fā)展中國(guó)的煉鐵技術(shù)。當(dāng)時(shí)中國(guó)石油工業(yè)開(kāi)發(fā)取得重大成就, 甩掉了“貧油國(guó)”的帽子,重油供應(yīng)開(kāi)始充裕。1963年, 鞍鋼高爐試驗(yàn)噴吹重油取得成功, 此后在全國(guó)重點(diǎn)煉鐵廠推廣。1964年,首鋼高爐噴吹煤粉試驗(yàn)成功, 高爐噴煤技術(shù)在一部分煉鐵廠得到推廣。當(dāng)時(shí)在歐美的鋼鐵企業(yè)中掌握了高爐噴煤技術(shù)的只有Armco 的Ashland工廠。到1966年, 中國(guó)重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)的高爐已基本普及了重油噴吹。1965年, 在大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上, 中國(guó)成功解決了攀枝花釩鈦磁鐵礦的高爐冶煉問(wèn)題, 在爐渣中TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 25 %~30 %的條件下實(shí)現(xiàn)了高爐正常操作, 使中國(guó)豐富的釩鈦磁鐵礦的開(kāi)發(fā)成為現(xiàn)實(shí)。在新中國(guó)成立后十幾年煉鐵實(shí)踐基礎(chǔ)上,中國(guó)高爐煉鐵技術(shù)開(kāi)始獨(dú)立發(fā)展。雖然國(guó)民經(jīng)濟(jì)調(diào)整時(shí)期中國(guó)的生鐵產(chǎn)量因大批高爐下馬而降低, 到1966年中國(guó)高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)卻達(dá)到了新中國(guó)建立以來(lái)的最好水平,重點(diǎn)企業(yè)的煉鐵焦比降至558kg/t,當(dāng)時(shí)僅次于日本,居世界第二位,某些大量噴吹的高爐焦比降至400kg/t左右, 屬于當(dāng)時(shí)的國(guó)際領(lǐng)先水平。
1.1.6 “文革”時(shí)期
“文革”時(shí)期中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展停滯,鋼鐵工業(yè)受到沉重打擊。運(yùn)動(dòng)初期, 一部分鋼鐵廠被迫減產(chǎn)、停產(chǎn),其后隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)起時(shí)伏, 鋼鐵產(chǎn)量時(shí)降時(shí)升,徘徊不前?!拔幕蟾锩钡?0年間,中國(guó)自行設(shè)計(jì)建設(shè)了2500m3級(jí)高爐和梅山鐵廠等煉鐵廠,采用中國(guó)自主開(kāi)發(fā)的釩鈦磁鐵礦冶煉工藝設(shè)計(jì)建設(shè)了攀枝花鋼鐵公司高爐??傮w來(lái)說(shuō),由于“文革”的干擾,這一時(shí)期中國(guó)鋼鐵生產(chǎn)起伏不定,形成了鋼鐵工業(yè)“十年徘徊”的局面。
1.2 學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)階段
1.2.1 寶鋼煉鐵技術(shù)引進(jìn)
“文革”結(jié)束后, 黨的十一屆三中全會(huì)撥亂反正,明確了以經(jīng)濟(jì)建設(shè)為中心, 實(shí)施改革開(kāi)放政策,由此中國(guó)鋼鐵工業(yè)進(jìn)入發(fā)展的新階段。從1978年起,中國(guó)陸續(xù)引進(jìn)了歐美和日本的當(dāng)代先進(jìn)工藝技術(shù)。1985年建成投產(chǎn)的寶鋼1號(hào)高爐是中國(guó)煉鐵進(jìn)入學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)階段的重要標(biāo)志。寶鋼一期工程的原料場(chǎng)、燒結(jié)、焦化、高爐以日本新日鐵大分、君津等廠為樣板,成套引進(jìn),國(guó)產(chǎn)化率只有12%。二期工程由國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì),設(shè)備以國(guó)產(chǎn)設(shè)備為主,國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到85%以上,于1991年建成投產(chǎn)。三期工程在1994年前后陸續(xù)建成投產(chǎn)。在寶鋼建設(shè)的各個(gè)階段,積極采用世界上成熟、先進(jìn)的技術(shù),煉鐵技術(shù)裝備保持了高水平。例如,在寶鋼一期建設(shè)中,1號(hào)高爐采用的是鐘閥式+導(dǎo)料板的爐頂結(jié)構(gòu),爐體采用密集式銅冷卻板冷卻,并采用高頂壓、高風(fēng)溫、富氧噴吹(最初是重油,第二代改為噴吹煤粉)、脫濕鼓風(fēng)等先進(jìn)技術(shù)。6m焦?fàn)t采用的是新日鐵 M 型焦?fàn)t的二次粉碎、成型焦、干熄焦等先進(jìn)工業(yè)技術(shù)。在二期建設(shè)中,2號(hào)高爐采用了更先進(jìn)的串罐式無(wú)料鐘爐頂,爐身上部增設(shè)冷卻壁,實(shí)現(xiàn)爐體全冷卻,采用能噴吹強(qiáng)爆炸性煙煤的煤粉噴吹技術(shù)。燒結(jié)料層厚度由500mm提高到600mm,以改善燒結(jié)礦質(zhì)量和節(jié)能降耗。在三期建設(shè)中,3號(hào)高爐引進(jìn)了新日鐵冷卻壁技術(shù),爐體采用全冷卻壁冷卻等。在引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,寶鋼經(jīng)歷了學(xué)習(xí)、消化、吸收、創(chuàng)新階段。隨著時(shí)間推移,寶鋼追蹤世界煉鐵技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),不斷進(jìn)行技術(shù)改造,與世界煉鐵技術(shù)裝備發(fā)展同步前進(jìn)。另外,根據(jù)資源供應(yīng)情況的變化,開(kāi)發(fā)用好新資源的技術(shù),保證了高爐原燃料的高質(zhì)量。例如,燒結(jié)開(kāi)發(fā)了提高厚料層度、低硅燒結(jié)、提高低價(jià)褐鐵礦配比的新技術(shù);煉焦為適應(yīng)煤源變化,開(kāi)發(fā)新煤源并保持焦炭質(zhì)量,開(kāi)發(fā)了配煤煉焦新技術(shù);1號(hào)高爐第一代大修后改噴煤粉,2號(hào)和3號(hào)高爐采用噴煤,煤比按照 200 kg/t 設(shè)計(jì)并在生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn),大幅度降低焦比;根據(jù)冷卻設(shè)備損壞嚴(yán)重的情況,增加微型冷卻器,延長(zhǎng)高爐壽命等。寶鋼投產(chǎn)后的近 30 年里,在高煤比、高風(fēng)溫、低燃料比、高爐長(zhǎng)壽等方面長(zhǎng)期保持了國(guó)內(nèi)一流水平[4-7]。
1.2.2 武鋼3200m3
高爐建設(shè)20世紀(jì)80年代引進(jìn)國(guó)外煉鐵先進(jìn)技術(shù)的另一個(gè)案例是1991年建成投產(chǎn)的容積3200m3的武鋼新3號(hào)高爐(現(xiàn)稱5號(hào)高爐)。1974—1981年間,國(guó)家批準(zhǔn)建設(shè)了武鋼1700mm軋機(jī)工程項(xiàng)目。此項(xiàng)目建成投產(chǎn)后,只有60年代末期水平的武鋼鐵前工序不能滿足引進(jìn)的煉鋼、軋鋼工序的生產(chǎn)要求,為此武鋼以建設(shè)新3號(hào)高爐為中心對(duì)鐵前工序進(jìn)行了系統(tǒng)的技術(shù)改造[8-9]。20世紀(jì)80年代以前,中國(guó)自主設(shè)計(jì)建設(shè)的最大高爐是1970年投產(chǎn)的武鋼4號(hào)高爐(2516m3)。新3號(hào)高爐的設(shè)計(jì)原則是立足于武鋼當(dāng)時(shí)的原燃料條件(焦炭強(qiáng)度低、灰分高,鐵礦石鐵分低,渣量大),對(duì)引進(jìn)的先進(jìn)技術(shù)裝備和國(guó)內(nèi)成熟的新技術(shù)進(jìn)行技術(shù)集成,以彌補(bǔ)原燃料質(zhì)量的不足。該高爐的設(shè)計(jì)目標(biāo)是利用系數(shù)達(dá)到2.0 t/(m3?d)以上,焦比為450kg/t以下,一代爐役壽命(不中修)達(dá)到10年以上。武鋼新 3 號(hào)高爐引進(jìn)的國(guó)外新技術(shù)裝備主要有:PW無(wú)料鐘爐頂、軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)、INBA水渣系統(tǒng)、環(huán)形吊車等爐前設(shè)備、熱風(fēng)爐矩形陶瓷燃燒器、煤氣余壓發(fā)電(TRT)裝置、出鐵場(chǎng)干式除塵、電動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)、PLC 數(shù)據(jù)采集及計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)等。為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽目標(biāo),設(shè)計(jì)時(shí)采用了武鋼開(kāi)發(fā)的水冷炭磚薄爐底、球墨鑄鐵冷卻壁、磷酸浸漬黏土磚等技術(shù),爐體冷卻采用全冷卻壁結(jié)構(gòu)。武鋼新3號(hào)高爐1991年10月投產(chǎn),從第一代生產(chǎn)實(shí)踐來(lái)看,高爐實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo),壽命達(dá)到15年零8個(gè)月,一代爐役單位爐容產(chǎn)鐵11096。
1. 2. 3 引進(jìn)技術(shù)的消化吸收和企業(yè)技術(shù)改造
消化吸收寶鋼引進(jìn)的煉鐵技術(shù), 實(shí)行國(guó)產(chǎn)化并移植推廣,對(duì)促進(jìn)中國(guó)煉鐵系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步起了很大的推動(dòng)作用。從1980年到1995年,中國(guó)生鐵產(chǎn)量?jī)粼? 727萬(wàn)t,其間新建的鋼鐵企業(yè)只有寶鋼、天津無(wú)縫和沙鋼,鋼鐵產(chǎn)量大幅度增加主要?dú)w因于己有鋼鐵企業(yè)的大規(guī)模擴(kuò)建和技術(shù)改造。很多企業(yè)新建、改建一批大高爐,采用了先進(jìn)的技術(shù)裝備,如無(wú)鐘爐頂、軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)、改進(jìn)爐體結(jié)構(gòu)和材質(zhì)、先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備與過(guò)程控制系統(tǒng)等。在改善原料質(zhì)量方面,高品位的進(jìn)口礦用量增加,一些企業(yè)新建了混勻料場(chǎng),對(duì)燒結(jié)機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造,燒結(jié)礦品位、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度等質(zhì)量指標(biāo)有很大改善。大批 6 m 以上焦?fàn)t的建設(shè)和煉焦配煤技術(shù)進(jìn)步,明顯改善了焦炭質(zhì)量,特別是焦炭的強(qiáng)度指標(biāo)。在入爐鐵分提高、焦炭質(zhì)量改進(jìn)、成熟噴煤安全技術(shù)的廣泛采用后,高爐噴煤技術(shù)快速推廣,噴煤量大幅增加。這些技術(shù)進(jìn)步措施大大改善了高爐生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。
1. 3 自主創(chuàng)新階段
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),中國(guó)鋼鐵產(chǎn)量以更高的速度增長(zhǎng)(圖1)。2013年中國(guó)生鐵產(chǎn)量達(dá)到7.089 7億t,已占世界總產(chǎn)量的61.1%。這一時(shí)期有3個(gè)因素促使了中國(guó)鋼鐵工業(yè)的高速發(fā)展:中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展推動(dòng)市場(chǎng)對(duì)鋼材的需求增加,為中國(guó)鋼鐵工業(yè)高速發(fā)展提供了機(jī)遇;鋼鐵工業(yè)固定資產(chǎn)投資的增長(zhǎng),為推動(dòng)鋼鐵產(chǎn)能迅速擴(kuò)大提供了物質(zhì)基礎(chǔ);技術(shù)進(jìn)步是鋼鐵工業(yè)高速發(fā)展的推動(dòng)力。
1. 3. 1 大批新煉鐵裝備建成投產(chǎn),設(shè)備大型化、現(xiàn)代化加速
中國(guó)鋼鐵工業(yè)的固定資產(chǎn)投資,1986—1990年的 5 年間為 658.21 億元,年均131.6億元,2001—2005年間年均為1 429.4億元,2006年后增長(zhǎng)更快,2009 年達(dá)到峰值為 4442.5 億元。大量投資既包括新建的一批鋼鐵廠,又包括原有鋼廠的產(chǎn)能擴(kuò)大和質(zhì)量提升。在此期間,國(guó)產(chǎn)冶金技術(shù)裝備大型化、現(xiàn)代化加速,建設(shè)了京唐 5500m3、沙鋼 5800m3高爐和十幾座4000m3級(jí)的大型高爐;建設(shè)了京唐550m2、太鋼600m2等大型燒結(jié)機(jī);建設(shè)了年產(chǎn)能力500萬(wàn)t/a的鄂州鏈箅機(jī)—回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)生產(chǎn)線、年產(chǎn)能力400萬(wàn)t/a的京唐帶式焙燒機(jī)球團(tuán)生產(chǎn)線,建設(shè)了大批7m和7.63m大型焦?fàn)t和干熄焦裝置,很多大型裝備達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。
1. 3. 2 京唐5500m3高爐的設(shè)計(jì)建設(shè)
冶金技術(shù)裝備的大型化和現(xiàn)代化,是這一時(shí)期鋼鐵工業(yè)發(fā)展的特點(diǎn),而首鋼京唐2座5500m3高爐的設(shè)計(jì)建設(shè)則是中國(guó)煉鐵技術(shù)進(jìn)入自主創(chuàng)新階段的重要標(biāo)志。首鋼京唐1號(hào)高爐2009年5月21日投產(chǎn),2號(hào)高爐 2010 年 6 月 26日投產(chǎn),這2座5500m3高爐的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是按照國(guó)際先進(jìn)水平設(shè)計(jì)的:利用系數(shù)為2.3 t/(m3?d),焦比為290kg/t,煤比為200kg/t,燃料比為490kg/t,風(fēng)溫為1300 ℃,煤氣含塵量為5mg/m3,一代爐役壽命為25年等。與此前國(guó)內(nèi)已建成的3000~4000m3級(jí)的大型高爐相比,京唐5500 m3高爐設(shè)計(jì)采用了68項(xiàng)自主創(chuàng)新和集成創(chuàng)新的先進(jìn)技術(shù),主要有:1)設(shè)計(jì)風(fēng)溫1300 ℃的卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐;2)全干法煤氣除塵系統(tǒng);3)大型鐵水包車“一包到底”的鐵水運(yùn)輸技術(shù)等。在高爐長(zhǎng)壽技術(shù)方面,為了優(yōu)化爐型設(shè)計(jì)和爐缸爐底結(jié)構(gòu),采用了全冷卻爐體結(jié)構(gòu),并采用優(yōu)質(zhì)冷卻壁和耐火材料及合理的冷卻制度,配置完善的檢測(cè)系統(tǒng)和高爐專家系統(tǒng)等;在上料布料系統(tǒng),采用無(wú)中轉(zhuǎn)站、膠帶機(jī)直接上料工藝、燒結(jié)礦分級(jí)入爐工藝、焦丁礦丁回收工藝、并罐爐頂布料工藝,以優(yōu)化布料控制;在噴煤、渣鐵處理、煤氣凈化等系統(tǒng),也采用了先進(jìn)實(shí)用、成熟可靠的新技術(shù)。在采用先進(jìn)技術(shù)裝備的同時(shí),京唐高爐認(rèn)真貫徹精料方針,設(shè)計(jì)入爐鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)61%,渣量為25 kg/t,對(duì)焦炭質(zhì)量也有很高要求。為了保證原燃料質(zhì)量,配套建設(shè)了550m2燒結(jié)機(jī)、年產(chǎn)能力400萬(wàn)t/a 的帶式焙燒機(jī)球團(tuán)生產(chǎn)線、7.63 m焦?fàn)t和干熄焦裝置。京唐2座高爐投產(chǎn)以來(lái)的生產(chǎn)實(shí)踐表明,中國(guó)煉鐵技術(shù)領(lǐng)域自主創(chuàng)新和集成創(chuàng)新的先進(jìn)技術(shù)在京唐公司的應(yīng)用是成功的[10-12]。
1. 3. 3 煉鐵系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),除了技術(shù)裝備的大型化、現(xiàn)代化以外,中國(guó)煉鐵系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步還表現(xiàn)在以下方面。(1) 原燃料質(zhì)量改善。從 2001年到 2013年,中國(guó)進(jìn)口鐵礦石數(shù)量由6 990萬(wàn)t增加到81315萬(wàn)t,對(duì)提高高爐入爐鐵分起了重要作用。在國(guó)產(chǎn)鐵礦石產(chǎn)量增加的同時(shí),隨著反浮選磁選綜合選礦技術(shù)的開(kāi)發(fā)成功,鐵精礦中鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到 67%~69%,SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到3%~4%,促進(jìn)了中國(guó)球團(tuán)礦生產(chǎn),改善了高爐的爐料結(jié)構(gòu)。大型燒結(jié)機(jī)、大型鏈箅機(jī)—回轉(zhuǎn)窯和帶式焙燒機(jī)球團(tuán)生產(chǎn)線、6m以上大型焦?fàn)t和干熄焦等裝備的采用,對(duì)燒結(jié)礦、球團(tuán)礦、焦炭的質(zhì)量指標(biāo)改善起了重要作用。由表1可以看出,2001—2013年,除了燒結(jié)礦鐵分在2002—2006年間最高,2007年以來(lái)有所降低外,燒結(jié)礦、球團(tuán)礦和焦炭的主要質(zhì)量指標(biāo)均在穩(wěn)步改善(表1)。
(2) 高爐操作技術(shù)進(jìn)步。20世紀(jì)90年代中期中國(guó)成為世界第一鋼鐵大國(guó),進(jìn)入21世紀(jì)后中國(guó)的鋼鐵產(chǎn)量繼續(xù)急劇增加,使資源環(huán)境問(wèn)題日漸突出。中國(guó)高爐工作者總結(jié)的“高效、低耗、優(yōu)質(zhì)、長(zhǎng)壽、環(huán)?!钡牟僮骼砟畛蔀橹笇?dǎo)高爐生產(chǎn)的技術(shù)方針。這一期間煉鐵技術(shù)裝備的大型化、現(xiàn)代化加速,無(wú)料鐘爐頂、高溫?zé)犸L(fēng)爐、燒結(jié)礦槽下過(guò)篩和分級(jí)入爐、高壓爐頂設(shè)備、富氧噴煤設(shè)施得到了廣泛采用。與此同時(shí),高爐原燃料質(zhì)量水平有了明顯改善。此外,大批新建高爐順利開(kāi)爐,高爐快速達(dá)產(chǎn)技術(shù)有很大進(jìn)步。在上述因素的共同作用下,中國(guó)高爐的主要生產(chǎn)指標(biāo)持續(xù)提高(表2)。
(3) 高爐壽命延長(zhǎng)。20 世紀(jì) 80 年代,高爐內(nèi)襯過(guò)度侵蝕是影響高爐壽命的重要因素。90 年代以后,中國(guó)高爐長(zhǎng)壽技術(shù)發(fā)展較快,高爐壽命過(guò)短的情況有所改變,出現(xiàn)了不少長(zhǎng)壽高爐[13-14]。例如,2007年停爐的有效容積為3200m3的武鋼5號(hào)高爐(一代爐役15年8個(gè)月,單位爐容產(chǎn)鐵 11096t/m3)、2007年12月停爐的有效容積為2100m3的首鋼4號(hào)高爐(一代爐役15年7個(gè)月,單位爐容產(chǎn)鐵12560 t/m3)、2010年12月停爐的有效容積為2536m3的首鋼1號(hào)高爐(一代爐役15年7個(gè)月,單位爐容產(chǎn)鐵13328 t/m3)、2010年12月停爐的有效容積為2536m3的首鋼3號(hào)高爐(一代爐役17年7個(gè)月,單位爐容產(chǎn)鐵13991t/m3)、2013年8月停爐的有效容積為4350m3的寶鋼3號(hào)高爐(一代爐役18年11個(gè)月,單位爐容產(chǎn)鐵15700 t/m3)等。90 年代以來(lái),中國(guó)大批1000m3以上的高爐廣泛采用了中國(guó)自主開(kāi)發(fā)的高爐長(zhǎng)壽技術(shù),均取得較好的效果。
2.中國(guó)高爐煉鐵存在問(wèn)題和未來(lái)展望
2. 1 存在的問(wèn)題
如前所述,進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)有3個(gè)因素促使中國(guó)鋼鐵工業(yè)高速發(fā)展,近年中國(guó)的鋼鐵產(chǎn)量已經(jīng)過(guò)剩。環(huán)顧中國(guó)的高爐煉鐵工業(yè),現(xiàn)正處于先進(jìn)與落后多層次并存的局面[15-20],即不同技術(shù)水平(當(dāng)代技術(shù)與過(guò)時(shí)技術(shù))并存、不同爐容(從5000m3到不大于400m3)并存、不同環(huán)保水平(從潔凈生產(chǎn)到嚴(yán)重污染)并存。這種多層次并存的狀況,不利于中國(guó)鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化,必須認(rèn)真對(duì)待。
2. 1. 1 國(guó)內(nèi)自然資源短缺
由于中國(guó)缺少?gòu)U鋼,含鐵資源主要來(lái)自鐵礦石。自20世紀(jì)80年代開(kāi)始,中國(guó)煉鐵工業(yè)同時(shí)依靠國(guó)產(chǎn)鐵礦石與進(jìn)口鐵礦石。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),中國(guó)進(jìn)口鐵礦石量飆升,2010年用進(jìn)口鐵礦石生產(chǎn)的生鐵產(chǎn)量占了中國(guó)生鐵總產(chǎn)量的62%。最近幾年中國(guó)進(jìn)口鐵礦石量還在繼續(xù)增長(zhǎng),2013年增加到81 315萬(wàn)t。毫無(wú)疑問(wèn),中國(guó)鋼鐵工業(yè)依賴進(jìn)口鐵礦石的局面在未來(lái)10年將會(huì)繼續(xù)存在。至于煤炭資源,隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,進(jìn)入21世紀(jì)以后中國(guó)逐漸由以前的煤炭出口大國(guó)向煤炭進(jìn)口大國(guó)轉(zhuǎn)化。2009年中國(guó)煤炭產(chǎn)量為29.73億t,占世界總產(chǎn)量的46%,但進(jìn)口煤炭量達(dá)到1.26億t,首次超過(guò)出口,中國(guó)首次成為煤炭?jī)暨M(jìn)口國(guó)。隨著鋼鐵工業(yè)對(duì)煉焦煤數(shù)量和品種的需求增加,煉焦煤進(jìn)口的勢(shì)頭預(yù)計(jì)在未來(lái)10年也將持續(xù)。自然資源瓶頸的制約是中國(guó)鋼鐵工業(yè)面臨的重大難題。
2. 1. 2 能耗水平過(guò)高
在20世紀(jì)最后10年里,中國(guó)鋼鐵工業(yè)能耗約占中國(guó)全部能耗的10%。進(jìn)入21世紀(jì),鋼鐵工業(yè)能耗明顯增加,2010年的能耗約為2000年能耗的3倍,所占中國(guó)總能耗的比例躍升至14.4%,且呈繼續(xù)升高的趨勢(shì)。鋼鐵工業(yè)高能耗生產(chǎn)的現(xiàn)狀影響著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。從中國(guó)煉鐵工業(yè)來(lái)看,雖然進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)高爐燃料比變化總趨勢(shì)是降低的,但改善幅度有限。表2所列2001—2013年間重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)的焦比+煤比數(shù)據(jù),表面看來(lái)基本是逐年降低,但這與未包括焦丁數(shù)據(jù)有關(guān)。21世紀(jì)前幾年,中國(guó)只有部分鋼鐵企業(yè)的高爐使用焦丁,焦比+煤比基本等于燃料比。近年中國(guó)高爐使用焦丁已很普遍,而有的企業(yè)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中卻未列出,使焦比+煤比與燃料比的差距增大。以2013年重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)的高爐數(shù)據(jù)為例,有數(shù)十家企業(yè)的高爐未統(tǒng)計(jì)焦丁用量,平均焦丁量為35.6kg/t,加上焦比、煤比,燃料比為547kg/t。就重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)高爐的焦丁用量而言,各企業(yè)差別也很大,變化范圍約為23~67kg/t。中國(guó)高爐的燃料比與國(guó)外先進(jìn)高爐相比大約高出50~80kg/t。
2. 1. 3 對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重影響
進(jìn)入 21 世紀(jì)以來(lái),隨著鋼鐵工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步,中國(guó)重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)的噸鋼污染物排放指標(biāo),包括粉塵、SO2、廢水中 COD、新水耗量等都呈降低趨勢(shì)。但是由于鋼鐵產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng),污染物的排放總量卻是不減反增。中國(guó)鋼鐵工業(yè)的環(huán)保水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家的冶金工業(yè),它對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重影響已成為中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要短板。中國(guó)環(huán)保部門對(duì)鋼鐵工業(yè)污染物排放的標(biāo)準(zhǔn)要求越來(lái)越高,而且近年環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)升檔的速度不斷加快。例如,從 2015 年起,環(huán)保部門將對(duì)鋼鐵企業(yè)的粉塵排放、燒結(jié)煙氣脫硫等實(shí)施更加嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)。這不僅增加企業(yè)生產(chǎn)的環(huán)保成本,而且直接將企業(yè)置于社會(huì)輿論的監(jiān)督之下,對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)帶來(lái)更大的壓力。
2. 2 未來(lái)發(fā)展的展望
21世紀(jì)第二個(gè)10年內(nèi),中國(guó)經(jīng)濟(jì)在工業(yè)化過(guò)程中將持續(xù)發(fā)展,鋼鐵工業(yè)仍將是工業(yè)化發(fā)展的支柱。中國(guó)從1996年以來(lái)一直是世界第一鋼鐵大國(guó),預(yù)計(jì)21世紀(jì)第二個(gè)10年鋼鐵工業(yè)仍將高位運(yùn)行,但增速將會(huì)降低,并在其后期出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。隨著社會(huì)廢鋼量增多,在煉鋼工序的鐵鋼比開(kāi)始下降時(shí),中國(guó)的生鐵產(chǎn)量將隨之減少。自然資源、能源及環(huán)境保護(hù)方面的約束,仍將是中國(guó)鋼鐵工業(yè)發(fā)展的限制性環(huán)節(jié)。因此,中國(guó)鋼鐵工業(yè)未來(lái)的發(fā)展必須重視以下幾個(gè)問(wèn)題。
(1) 必須走以內(nèi)需為主的道路。資源與能源的短缺將制約中國(guó)成為鋼材出口國(guó),中國(guó)鋼鐵工業(yè)的任務(wù)是在盡可能降低自然資源與能源消耗的前提下,保持中國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。
(2) 轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式。中國(guó)鋼鐵工業(yè)雖然從產(chǎn)量來(lái)看早已是世界第一鋼鐵大國(guó),但從鋼材質(zhì)量水平、能耗水平、環(huán)保水平等方面分析,距離鋼鐵強(qiáng)國(guó)還有不少差距,仍處于粗放經(jīng)營(yíng)范疇。從粗放經(jīng)營(yíng)向集約型經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變,是中國(guó)鋼鐵工業(yè)今后的另一項(xiàng)重要任務(wù)。
(3) 淘汰落后設(shè)備。雖然進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),中國(guó)冶金設(shè)備的大型化、現(xiàn)代化進(jìn)步很快,但設(shè)備落后、污染嚴(yán)重、能耗水平高的小高爐、小燒結(jié)機(jī)、豎爐球團(tuán)、小焦?fàn)t還大量存在。在鋼鐵工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整過(guò)程中,以污染水平、能耗水平為標(biāo)準(zhǔn)淘汰落后的冶金設(shè)備應(yīng)是重要任務(wù)。
(4) 采用和普及節(jié)能環(huán)保新技術(shù)。中國(guó)不同層次的節(jié)能環(huán)保技術(shù)共存,導(dǎo)致中國(guó)高爐煉鐵的燃料比水平和環(huán)保水平遠(yuǎn)低于國(guó)際先進(jìn)水平。采用和普及節(jié)能環(huán)保新技術(shù),是中國(guó)煉鐵工業(yè)良性發(fā)展不可忽視的因素。