21世紀鋼鐵工業煉鐵工藝技術進步的趨向張壽榮2011年9月上海1/4/2023121世紀鋼鐵工業煉鐵工藝技術進步的趨向12/25/20221內容：1．20世紀鋼鐵工業的簡明回顧2．關于鋼鐵冶金的工藝流程3．20世紀21世紀之交的鋼鐵工藝流程的探索4．簡單的概括1/4/20232內容：1．20世紀鋼鐵工業的簡明回顧12/25/202221．20世紀鋼鐵工業的簡明回顧1/4/202331．20世紀鋼鐵工業的簡明回顧12/25/20223圖120世紀以來（1900-2010）世界鋼產量與中國鋼產量的演變一次大戰二次大戰氧氣轉爐與連鑄技術出現一次石油危機二次石油危機薄板坯連鑄技術出現1/4/20234圖120世紀以來（1900-2010）世界鋼產量與中國鋼1.1鋼鐵工業發展的拉動力，推動力和限制力實踐證明：鋼鐵是目前和今后相當一段時間內人類社會所使用的重要材料；鋼鐵是國家工業化的支撐。一個國家要實現工業化必須要跨過鋼鐵工業的門檻；1900年以來鋼鐵工業經歷了兩個高速增長期，這兩個增長期均與人類社會的工業化密切相關；人類社會經濟發展對鋼鐵的需求的增長是鋼鐵工業的拉動力；技術進步是鋼鐵工業發展的推動力，而地球資源、能源、環境的約束則是鋼鐵工業發展的限制力。1/4/202351.1鋼鐵工業發展的拉動力，推動力和限制力實踐證明：12/2限制力（資源、能源、環境）永遠存在鋼鐵工業推動力（技術進步）持續存在

發展拉動力（經濟增長）時有時無

圖2鋼鐵工業發展的拉動力，推動力和限制力1/4/20236鋼鐵工業推動力（技術進步）持續存在發展拉動力（經濟增圖320世紀以來（1900～2010年）世界人均產鋼量的演變

1/4/20237圖320世紀以來（1900～2010年）世界人均產鋼量的圖320世紀以來（1900～20010年）世界人均產鋼量的演變

1.221世紀鋼鐵工業將繼續發展1/4/20238圖320世紀以來（1900～20010年）世界人均產鋼量20世紀世界人口高速增長。由于工業化的拉動力，鋼產量增長的速度遠大于人口增長的速度。世界鋼鐵工業第二個高速增長主要是由中國等發展中國家工業化拉動的。這個高速增長期預計將在2015年前后結束，并進入穩定期。如果目前的發展中國家或地區中有的進入工業化階段，世界鋼鐵工業將出現新的增長期。目前全球已實現和正在進行工業化國家的人口不足30億，其余30億以上的人口陸續進入工業化階段將是不可阻擋的潮流，世界鋼鐵工業繼續發展是必然趨勢。1/4/2023920世紀世界人口高速增長。由于工業化1950年2000年2006年第一次高速增長期第二次高速增長期第一種可能性第二種可能性年份世界鋼年產量億噸圖4世界鋼鐵產量發展趨向預期1/4/2023101950年2000年2006年第一次高速增長期第二次高速增長

按目前的發展方式，在世界實現工業化過程鋼鐵工業將以較快速度增加。預計在2030年以前將大大超過20億噸/年，對地球資源和環境將是難以支撐和承受的負擔。如果能開發出一種新的增長方式（新型工業化道路），則有可能出現第二種可能性，用較低人均鋼產量支撐工業化進程。世界鋼產量增加的趨勢是必然的，但走新路的可能性是存在的。1/4/202311按目前的發展方式，在世界實現工業化過程鋼鐵工1.321世紀鋼鐵工業面臨的挑戰鋼鐵工業的發展史，從技術層面上講就是鋼鐵冶金工藝流程的創新史。鋼鐵工業具有兩重性：一方面是經濟社會發展的支柱，另一方面鋼鐵工業具有“兩高一資”的特性，是人類社會發展的負擔。21世紀鋼鐵工業面臨的挑戰是如何在克服“兩高一資”的前提下，使鋼鐵工業支撐人類社會經濟發展，最根本的是依靠技術進步和創新。1/4/2023121.321世紀鋼鐵工業面臨的挑戰12/25/2022122．關于鋼鐵冶金的工藝流程1/4/2023132．關于鋼鐵冶金的工藝流程12/25/2022132.1鋼鐵工藝的基礎鋼鐵工藝的本質是從地球地殼的鐵的化合物中提取鐵元素并制成人類社會使用的鐵基的合金材料。從理論觀點講，鋼鐵冶金屬于Fe-C-O的高溫物理化學。鋼的生產路線的本質是Fe的氧化物脫氧并使Fe轉化為Fe-C合金的過程。1/4/2023142.1鋼鐵工藝的基礎12/25/202214圖5鋼的生產路線1/4/202315圖5鋼的生產路線12/25/202215

從圖5可見，從鐵礦石直接轉化為鋼的路是走不通的。從鐵礦石直接轉化為鋼，目前實際上有兩條路。一條是將鐵礦石轉化為直接還原鐵，通過電爐熔煉為鋼，另一條則是將礦石在高爐內煉成鐵水，送轉爐（或電爐）冶煉成鋼。2010年全球鋼產量中，70%以上的鋼是從鐵礦石中的鐵生產出來的。30%的鋼是利用回收廢鋼生產的。用鐵礦石生產鋼，資源、能源消耗比廢鋼生產路線高很多，排放量也大，是“兩高一資”的源頭。多年來科技工作者試圖從煉鐵工藝方面尋求出路。

1/4/202316從圖5可見，從鐵礦石直接轉化為鋼的路是走不通有沒有更好的工藝流程可以取代現有的流程？如何改進現有的工藝流程，減少資源消耗，降低污染排放，減輕對化石資源的依賴？以下就世紀之交的鋼鐵新工藝流程的探索予以討論。1/4/202317有沒有更好的工藝流程可以取代現有的流程？12/25/20223．20世紀21世紀之交的鋼鐵

新工藝流程的探索1/4/2023183．20世紀21世紀之交的鋼鐵

新工藝流程的探索12/25/圖6世界直接還原鐵產量（1970～2010包括DRI/HBI）圖63.1鐵礦石直接還原1/4/202319圖6世界直接還原鐵產量（1970～2010包括DRI/

2008年世界金融危機后和世界鋼產量一樣，直接還原鐵產量下降（2008年為6850萬噸）。2010年超過7000萬噸為歷史最高。這次增長的特點是具有天然氣資源的國家得到發展。如果有油氣資源，直接還原比高爐煉鐵能耗低，排放少。1/4/2023202008年世界金融危機后和世界鋼產量一樣，直接

鐵礦石直接還原工藝可分為氣基與煤基兩大類。世界鋼協對2008年世界6850萬噸直接還原鐵進行統計：氣基產量占5090萬噸，為74.3%（其中：Midrex3980萬噸，Hyl990萬噸，其他110萬噸），煤基產量1760萬噸，占25.7%。從2010年情況看，氣基似乎增長更快。1/4/20232112/25/202221表12010年世界各國直接還原鐵產量（萬噸）國家產量國家產量國家產量印度2342特立尼達和多巴哥308阿聯酋118伊朗935埃及286南非112墨西哥537馬來西亞239加拿大60沙特479卡塔爾216德國45俄羅斯479印度尼西亞136秘魯10委內瑞拉379利比亞1271/4/202322表12010年世界各國直接還原鐵產量（萬噸）國家產量國3.1.1氣基鐵礦石直接還原工藝氣基鐵礦石直接還原工藝中，最早的，應用最廣的仍是Midrex。氣基鐵礦石直接還原工藝中，份額次于Midrex的是Hyl。Hyl是墨西哥Hylsa開發的，經過HylⅠ，HylⅡ，HylⅢ，Hyl-ZR（ZeroReformer）。2006年，Hylsa的母公司Techit宣布和Danieli公司合作，將Hyl-ZR工藝改為“Energiron”，并在阿聯酋建設“Energiron”工藝的鐵礦石直接還原工廠。該廠設計年產直接還原鐵160萬噸，是近年來建成并投產的規模最大，現代化水平最高的氣基還原鐵工廠。其流程見圖7。1/4/2023233.1.1氣基鐵礦石直接還原工藝12/25/202223

圖7Hyl-ZeroReformer(ZR)直接還原流程

PartialOxidationandReformingReactions2H2+O2>2H2O

2CH4+O2>2CO+4H2CH4+H2O>CO+3H2OCO+H2O>CO2+H2ReductionandCarburizationReactionsFe2O3+3H2>2Fe+3H2OFe2O3+3CO>2Fe+3CO23Fe+CH4>Fe3C+2H21/4/202324圖7Hyl-ZeroReformer(ZR)直接還原今年6月，參加歐洲煉鐵煉焦大會期間，部分同志參觀過阿布扎比的“Energiron”工廠。Midrex流程中產量最大的廠在墨西哥Megsmod，年產176萬噸。氣基流還有FINMET，采用流態化床，在委內瑞拉建有生產廠，生產HBI。1/4/20232512/25/2022253.1.2煤基鐵礦石直接還原工藝3.1.2.1回轉窯流程與氣基直接還原工藝比，煤基直接還原工藝單體產能低，單位能耗高，DRI品位低。煤基直接還原使用回轉窯者多，使用非結焦性煤，煤的灰份熔點必須低于鐵礦石的還原溫度100℃以上，否則就會結圈。煤基直接還原鐵產量高的是印度，以回轉窯為主。回轉窯流程中以SL/RN流程最多。

1/4/2023263.1.2煤基鐵礦石直接還原工藝12/25/202226圖8SL/RN流程

1/4/202327圖8SL/RN流程12/25/2022273.1.2.2轉底爐轉底爐出現在美國，用于處理鋼鐵廠的含鐵廢棄物，并使用鐵礦粉和煤粉，日本新日鐵和神戶使用轉底爐，。用含鐵廢棄物生產金屬化球團并回收廢棄物中的鋅。轉底爐在國內國外均有發展。1/4/2023283.1.2.2轉底爐12/25/202228圖9轉底爐流程

1/4/202329圖9轉底爐流程12/25/202229

神戶制鋼以轉底爐工藝為基礎，開發出稱之為“ITmk3”的直接還原鐵工藝，生產出一種稱為Ironnuggets（鐵塊中Fe97%、C2%，比重4.4g/cm3）的產品，用于電爐煉鋼。1/4/202330神戶制鋼以轉底爐工藝為基礎，開發出稱之為“I圖10ITmk3工藝流程1/4/202331圖10ITmk3工藝流程12/25/202231圖11ITmk3的產品Ironnuggets1/4/202332圖11ITmk3的產品Ironnuggets12/25/

ITmk3第一座商業化MisabiNuggetproject是神戶制鋼與美國動力鋼公司的合資廠，產生產能力50萬噸。靠近MisabiIronRange,2007年6月開始建設，2010年元月投產。根據報道ITmk3的CO2排放低于高爐流程。1/4/20233312/25/202233表2ITmk3與高爐工藝CO2排放的比較1/4/202334表2ITmk3與高爐工藝CO2排放的比較12/25/23.1.3鐵礦石直接還原的發展趨向由于資源條件的限制，直接還原鐵的產量在世界鐵產量中所占的比例不高。但在一定條件下，直接還原流程在經濟上是有利的。進入21世紀直接還原鐵的發展加快。直接還原鐵主要供電爐使用，由于所含雜質少，有利于冶煉高級鋼種，但電耗比用廢鋼要高。1/4/2023353.1.3鐵礦石直接還原的發展趨向12/25/2022353.2鐵礦石熔融還原開發鐵礦在熔融還原工藝的主要目標是擺脫高爐流程對煉焦煤（焦炭）的依賴。尋求生產液態鐵水的工藝流程。到目前為止，已實現工業化的只有COREX和FINEX兩種流程。1/4/2023363.2鐵礦石熔融還原12/25/202236表3世界COREX裝置現狀

工廠裝置型式數量公稱生產能力萬噸/年使用原料投產日期產出煤氣利用現狀韓國浦項公司C-2000160塊礦，球團1992年發電，鋼廠已改造為FINEX印度JLNDAL西南鋼廠C-2000280×2塊礦，球團1997年2001年發電，鋼廠，球團廠在生產中南非，Mittalsteel(原Saldanha)C-2000165塊礦，球團1999年DR/Midrex工廠，鋼廠在生產中中國，寶鋼C-30002150×2塊礦，球團2007年投產一座發電，鋼廠一座尚在建設中印度，Essar鋼廠2-2000280×2球團礦系由韓國韓寶公司遷來鋼廠已建成后遷來，未投產1/4/202337表3世界COREX裝置現狀工廠裝置數量公稱生產能力使圖13COREX流程1/4/202338圖13COREX流程12/25/202238

估計今后不會再有新的COREX裝置出現。今年6月在歐洲煉鐵煉焦大會上AllSiemensVAI的ChristianB?hm對COREX流程結論性意見是：

Byfulfillingtheregulations,utilizationoflow-cost/highavailablerawmaterials,overallfuelsavingsevenfortheblastfurnaceandtheimpressiveecologicaladvantages,thesenewprocessesonceagainapprovethemselvesasalternatestotheblastfurnaceand/orareasonableexpansion/substitutionofexistingproductionroute。1/4/202339估計今后不會再有新的COREX裝置出現。今年63.2.2FINEX流程

FINEX實際上是在POSCO1992年投產的COREXC-2000的基礎上開發出來的。1/4/2023403.2.2FINEX流程12/25/202240圖14高爐、COREX到FINEX流程的演變1/4/202341圖14高爐、COREX到FINEX流程的演變12/25/圖15FINEX工藝主要技術改進1/4/202342圖15FINEX工藝主要技術改進12/25/202242圖16FINEX擴大規模過程1/4/202343圖16FINEX擴大規模過程12/25/202243表41.5-mtpyFINEX操作實績1/4/202344表41.5-mtpyFINEX操作實績12/25/2023.2.3熔融還原發展趨向熔融還原流程的目標之一是不用焦炭生產鐵水，代替高爐煉鐵。不用焦炭生產出鐵水目前在技術上可以做到或部分做到，但在工業化上還不可能完全取代高爐。當前，已商業化的COREX和FINEX，在環境排放方面均優于高爐煉鐵。COREX只能在特定條件下采用，HIsmelt目前尚未達到商業化的條件，FINEX具備了取代1800m3及以下高爐的條件，兩者均未達到完全取代高爐煉鐵的程度。開發熔融還原工藝的目標是不用焦炭，COREX和FINEX都未完全做到。熔融還原工藝開發之初CO2排放還未被提到議事日程上。所有已開發的熔融還原流程的CO2排放都比高爐煉鐵高。熔融還原工藝今后研究方向如何走，有待進一步研究。1/4/2023453.2.3熔融還原發展趨向12/25/2022453.3煉焦工藝技術進步3.3.1現有煉焦工藝的改進型煤煉焦工藝（FormedCokeProcess）配煤調濕技術（CoalMoistureControl）粉煤干燥預成塊技術DAPS（Dry-CleanedandAgglomeratedPrecompactionSystem）干熄焦技術（CokeDryQuenching）巨型單室焦爐（JumboSingleChamberSystem）無回收焦爐（NonRecoveryCokeOven）焦爐大型化,炭化室高度增高到7m以上。1/4/2023463.3煉焦工藝技術進步12/25/2022463.3.2Scope21煉焦新工藝的開發

該工藝是日本政府部門與鋼鐵企業聯合開發的。全稱為“SuperCokeOvenProductivityandEnvironmentalEnhancementtowardthe21thcentury”。1/4/2023473.3.2Scope21煉焦新工藝的開發12/25/20Increasingtheratioofpoor-cokingcoalfrom20%to50%.2.Higherproductivityforreducingtheconstructioncosts.3.ReducingNOxby30%andnosmoke/nodustoperation.4.Energysavingby20%forreducingCO2圖17Scope21的目標1/4/202348Increasingtheratioofpoor-c‘94‘95‘96‘97‘98‘99‘00‘01‘02‘03PilotplanttestBenchscaletestBasicresearchTestoperation圖18Scope21開發進程1/4/202349‘94‘95‘96‘97‘98‘99‘00‘01‘02‘03圖19Scopr21工藝流程

g1/4/202350圖19Scopr21工藝流程g12/25/202

依據SCOPE21的開發成果，新日鐵2006年4月在大分廠建設5號焦爐，2008年5月投產。5焦爐碳化室64孔，每孔爐高6.7米×寬0.45米×長16.6米，有效容積43.7立方米。設計年產焦炭100萬噸。1/4/202351依據SCOPE21的開發成果，新日鐵2006表5大分5焦爐運行情況與SCOPE21開發目標的對比1/4/202352表5大分5焦爐運行情況與SCOPE21開發目標的對比12

大分5號焦爐是根據SCOPE21的原理設計的。在運行后，做了許多改進。新日鐵認為還要改進，以求完善。5號焦爐投資370億日元，比常規焦爐高，目前沒有建第二座的打算。1/4/20235312/25/2022533.4降低CO2排放的ULCOS方案

2004年在歐盟支持下，48家鋼鐵企業組成的共同體啟動了ULCOSprogram。ULCOS代表的是UltraLowCO2steelmaking(超低CO2煉鋼)，此項目第一期工作已結束，第二期中在瑞典的LKAB的試驗高爐上進行的TGRBF(TopGasRecycledBlastFurnace)項目已完成。TGRBF的實驗流程見圖20，圖21.1/4/2023543.4降低CO2排放的ULCOS方案12/25/2022圖20TGRBF流程的三種模式1/4/202355圖20TGRBF流程的三種模式12/25/202255圖21LKAB的ULCOS實驗高爐1/4/202356圖21LKAB的ULCOS實驗高爐12/25/20225圖22試驗高爐試驗進程

1/4/202357圖22試驗高爐試驗進程12/25/202257圖23試驗結果1

1/4/202358圖23試驗結果112/25/202258

圖24試驗結果2

1/4/202359圖24試驗結果212/25/202259圖25試驗結果3

1/4/202360圖25試驗結果312/25/202260

由于實驗高爐實驗進行順利，ULCOS項目組認為TGRBF工藝技術上成功的可能性很大。目前正在準備在Mittal公司的1000立方米級的高爐上進行商業化試驗。1/4/202361由于實驗高爐實驗進行順利，ULCOS項目組認3.5現有工藝的發展趨向☆重視污染排放和環境負荷，重視資源循環利用；☆重視節能；球團使用比例增加；☆對non-recoverycokemaking和stampchangingcokemaking開始重視；☆強調高爐操作高效，高產和低燃料消耗；☆注意高爐與焦爐的長壽；☆注意高爐裝備現代化和新高爐建設。1/4/2023623.5現有工藝的發展趨向12/25/2022624.簡單的概括1/4/2023634.簡單的概括12/25/202263☆20世紀末世界鋼鐵工業進入第二個高速增長期。我國工業化過程中經濟的快速增長是第二個高速增長期中主要的拉動力。21世紀前期仍將處于第二個高速增長期，鋼鐵工業仍將繼續是人類社會實現工業化的支柱產業之一。如何克服鋼鐵工業的“兩高一資”弱點，及資源環境約束帶來的困難將是21世紀鋼鐵工業工藝技術進步的主要趨向。☆鋼鐵工業從鐵礦石生產鋼的基本工藝流程不會改變，仍是鐵礦石→生鐵→（脫碳）鋼水→鋼材。為減輕地球環境負荷，必須加強鋼材回收循環利用，使廢鋼→煉鋼→鋼水→鋼材的比例增加，將是技術進步內容之一。1/4/202364☆20世紀末世界鋼鐵工業進入第二個高速增長期。我國工業化過程☆鐵礦石直接還原受限制的因素多，在我國不可能有大發展。COREX不可能真正替代高爐。現有FINEX有可能替代部分≤1800m3的高爐。高爐煉鐵仍將是21世紀從鐵礦石煉鋼工藝的主流。☆21世紀鐵礦石加工工藝中球團將有大的發展。☆煉焦工藝技術進步前景廣闊。對煉焦新工藝應予以更大關注。☆提高煉鐵工藝流程效率，延長設備壽命是21世紀煉鐵工藝技術進步的主題。1/4/202365☆鐵礦石直接還原受限制的因素多，在我國不可能有大發展。COR不當之處敬請指出

謝謝！1/4/202366不當之處敬請指出謝謝！12演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！21世紀鋼鐵工業煉鐵工藝技術進步的趨向張壽榮2011年9月上海1/4/20236821世紀鋼鐵工業煉鐵工藝技術進步的趨向12/25/20221內容：1．20世紀鋼鐵工業的簡明回顧2．關于鋼鐵冶金的工藝流程3．20世紀21世紀之交的鋼鐵工藝流程的探索4．簡單的概括1/4/202369內容：1．20世紀鋼鐵工業的簡明回顧12/25/202221．20世紀鋼鐵工業的簡明回顧1/4/2023701．20世紀鋼鐵工業的簡明回顧12/25/20223圖120世紀以來（1900-2010）世界鋼產量與中國鋼產量的演變一次大戰二次大戰氧氣轉爐與連鑄技術出現一次石油危機二次石油危機薄板坯連鑄技術出現1/4/202371圖120世紀以來（1900-2010）世界鋼產量與中國鋼1.1鋼鐵工業發展的拉動力，推動力和限制力實踐證明：鋼鐵是目前和今后相當一段時間內人類社會所使用的重要材料；鋼鐵是國家工業化的支撐。一個國家要實現工業化必須要跨過鋼鐵工業的門檻；1900年以來鋼鐵工業經歷了兩個高速增長期，這兩個增長期均與人類社會的工業化密切相關；人類社會經濟發展對鋼鐵的需求的增長是鋼鐵工業的拉動力；技術進步是鋼鐵工業發展的推動力，而地球資源、能源、環境的約束則是鋼鐵工業發展的限制力。1/4/2023721.1鋼鐵工業發展的拉動力，推動力和限制力實踐證明：12/2限制力（資源、能源、環境）永遠存在鋼鐵工業推動力（技術進步）持續存在

發展拉動力（經濟增長）時有時無

圖2鋼鐵工業發展的拉動力，推動力和限制力1/4/202373鋼鐵工業推動力（技術進步）持續存在發展拉動力（經濟增圖320世紀以來（1900～2010年）世界人均產鋼量的演變

1/4/202374圖320世紀以來（1900～2010年）世界人均產鋼量的圖320世紀以來（1900～20010年）世界人均產鋼量的演變

1.221世紀鋼鐵工業將繼續發展1/4/202375圖320世紀以來（1900～20010年）世界人均產鋼量20世紀世界人口高速增長。由于工業化的拉動力，鋼產量增長的速度遠大于人口增長的速度。世界鋼鐵工業第二個高速增長主要是由中國等發展中國家工業化拉動的。這個高速增長期預計將在2015年前后結束，并進入穩定期。如果目前的發展中國家或地區中有的進入工業化階段，世界鋼鐵工業將出現新的增長期。目前全球已實現和正在進行工業化國家的人口不足30億，其余30億以上的人口陸續進入工業化階段將是不可阻擋的潮流，世界鋼鐵工業繼續發展是必然趨勢。1/4/20237620世紀世界人口高速增長。由于工業化1950年2000年2006年第一次高速增長期第二次高速增長期第一種可能性第二種可能性年份世界鋼年產量億噸圖4世界鋼鐵產量發展趨向預期1/4/2023771950年2000年2006年第一次高速增長期第二次高速增長

按目前的發展方式，在世界實現工業化過程鋼鐵工業將以較快速度增加。預計在2030年以前將大大超過20億噸/年，對地球資源和環境將是難以支撐和承受的負擔。如果能開發出一種新的增長方式（新型工業化道路），則有可能出現第二種可能性，用較低人均鋼產量支撐工業化進程。世界鋼產量增加的趨勢是必然的，但走新路的可能性是存在的。1/4/202378按目前的發展方式，在世界實現工業化過程鋼鐵工1.321世紀鋼鐵工業面臨的挑戰鋼鐵工業的發展史，從技術層面上講就是鋼鐵冶金工藝流程的創新史。鋼鐵工業具有兩重性：一方面是經濟社會發展的支柱，另一方面鋼鐵工業具有“兩高一資”的特性，是人類社會發展的負擔。21世紀鋼鐵工業面臨的挑戰是如何在克服“兩高一資”的前提下，使鋼鐵工業支撐人類社會經濟發展，最根本的是依靠技術進步和創新。1/4/2023791.321世紀鋼鐵工業面臨的挑戰12/25/2022122．關于鋼鐵冶金的工藝流程1/4/2023802．關于鋼鐵冶金的工藝流程12/25/2022132.1鋼鐵工藝的基礎鋼鐵工藝的本質是從地球地殼的鐵的化合物中提取鐵元素并制成人類社會使用的鐵基的合金材料。從理論觀點講，鋼鐵冶金屬于Fe-C-O的高溫物理化學。鋼的生產路線的本質是Fe的氧化物脫氧并使Fe轉化為Fe-C合金的過程。1/4/2023812.1鋼鐵工藝的基礎12/25/202214圖5鋼的生產路線1/4/202382圖5鋼的生產路線12/25/202215

從圖5可見，從鐵礦石直接轉化為鋼的路是走不通的。從鐵礦石直接轉化為鋼，目前實際上有兩條路。一條是將鐵礦石轉化為直接還原鐵，通過電爐熔煉為鋼，另一條則是將礦石在高爐內煉成鐵水，送轉爐（或電爐）冶煉成鋼。2010年全球鋼產量中，70%以上的鋼是從鐵礦石中的鐵生產出來的。30%的鋼是利用回收廢鋼生產的。用鐵礦石生產鋼，資源、能源消耗比廢鋼生產路線高很多，排放量也大，是“兩高一資”的源頭。多年來科技工作者試圖從煉鐵工藝方面尋求出路。

1/4/202383從圖5可見，從鐵礦石直接轉化為鋼的路是走不通有沒有更好的工藝流程可以取代現有的流程？如何改進現有的工藝流程，減少資源消耗，降低污染排放，減輕對化石資源的依賴？以下就世紀之交的鋼鐵新工藝流程的探索予以討論。1/4/202384有沒有更好的工藝流程可以取代現有的流程？12/25/20223．20世紀21世紀之交的鋼鐵

新工藝流程的探索1/4/2023853．20世紀21世紀之交的鋼鐵

新工藝流程的探索12/25/圖6世界直接還原鐵產量（1970～2010包括DRI/HBI）圖63.1鐵礦石直接還原1/4/202386圖6世界直接還原鐵產量（1970～2010包括DRI/

2008年世界金融危機后和世界鋼產量一樣，直接還原鐵產量下降（2008年為6850萬噸）。2010年超過7000萬噸為歷史最高。這次增長的特點是具有天然氣資源的國家得到發展。如果有油氣資源，直接還原比高爐煉鐵能耗低，排放少。1/4/2023872008年世界金融危機后和世界鋼產量一樣，直接

鐵礦石直接還原工藝可分為氣基與煤基兩大類。世界鋼協對2008年世界6850萬噸直接還原鐵進行統計：氣基產量占5090萬噸，為74.3%（其中：Midrex3980萬噸，Hyl990萬噸，其他110萬噸），煤基產量1760萬噸，占25.7%。從2010年情況看，氣基似乎增長更快。1/4/20238812/25/202221表12010年世界各國直接還原鐵產量（萬噸）國家產量國家產量國家產量印度2342特立尼達和多巴哥308阿聯酋118伊朗935埃及286南非112墨西哥537馬來西亞239加拿大60沙特479卡塔爾216德國45俄羅斯479印度尼西亞136秘魯10委內瑞拉379利比亞1271/4/202389表12010年世界各國直接還原鐵產量（萬噸）國家產量國3.1.1氣基鐵礦石直接還原工藝氣基鐵礦石直接還原工藝中，最早的，應用最廣的仍是Midrex。氣基鐵礦石直接還原工藝中，份額次于Midrex的是Hyl。Hyl是墨西哥Hylsa開發的，經過HylⅠ，HylⅡ，HylⅢ，Hyl-ZR（ZeroReformer）。2006年，Hylsa的母公司Techit宣布和Danieli公司合作，將Hyl-ZR工藝改為“Energiron”，并在阿聯酋建設“Energiron”工藝的鐵礦石直接還原工廠。該廠設計年產直接還原鐵160萬噸，是近年來建成并投產的規模最大，現代化水平最高的氣基還原鐵工廠。其流程見圖7。1/4/2023903.1.1氣基鐵礦石直接還原工藝12/25/202223

圖7Hyl-ZeroReformer(ZR)直接還原流程

PartialOxidationandReformingReactions2H2+O2>2H2O

2CH4+O2>2CO+4H2CH4+H2O>CO+3H2OCO+H2O>CO2+H2ReductionandCarburizationReactionsFe2O3+3H2>2Fe+3H2OFe2O3+3CO>2Fe+3CO23Fe+CH4>Fe3C+2H21/4/202391圖7Hyl-ZeroReformer(ZR)直接還原今年6月，參加歐洲煉鐵煉焦大會期間，部分同志參觀過阿布扎比的“Energiron”工廠。Midrex流程中產量最大的廠在墨西哥Megsmod，年產176萬噸。氣基流還有FINMET，采用流態化床，在委內瑞拉建有生產廠，生產HBI。1/4/20239212/25/2022253.1.2煤基鐵礦石直接還原工藝3.1.2.1回轉窯流程與氣基直接還原工藝比，煤基直接還原工藝單體產能低，單位能耗高，DRI品位低。煤基直接還原使用回轉窯者多，使用非結焦性煤，煤的灰份熔點必須低于鐵礦石的還原溫度100℃以上，否則就會結圈。煤基直接還原鐵產量高的是印度，以回轉窯為主。回轉窯流程中以SL/RN流程最多。

1/4/2023933.1.2煤基鐵礦石直接還原工藝12/25/202226圖8SL/RN流程

1/4/202394圖8SL/RN流程12/25/2022273.1.2.2轉底爐轉底爐出現在美國，用于處理鋼鐵廠的含鐵廢棄物，并使用鐵礦粉和煤粉，日本新日鐵和神戶使用轉底爐，。用含鐵廢棄物生產金屬化球團并回收廢棄物中的鋅。轉底爐在國內國外均有發展。1/4/2023953.1.2.2轉底爐12/25/202228圖9轉底爐流程

1/4/202396圖9轉底爐流程12/25/202229

神戶制鋼以轉底爐工藝為基礎，開發出稱之為“ITmk3”的直接還原鐵工藝，生產出一種稱為Ironnuggets（鐵塊中Fe97%、C2%，比重4.4g/cm3）的產品，用于電爐煉鋼。1/4/202397神戶制鋼以轉底爐工藝為基礎，開發出稱之為“I圖10ITmk3工藝流程1/4/202398圖10ITmk3工藝流程12/25/202231圖11ITmk3的產品Ironnuggets1/4/202399圖11ITmk3的產品Ironnuggets12/25/

ITmk3第一座商業化MisabiNuggetproject是神戶制鋼與美國動力鋼公司的合資廠，產生產能力50萬噸。靠近MisabiIronRange,2007年6月開始建設，2010年元月投產。根據報道ITmk3的CO2排放低于高爐流程。1/4/202310012/25/202233表2ITmk3與高爐工藝CO2排放的比較1/4/2023101表2ITmk3與高爐工藝CO2排放的比較12/25/23.1.3鐵礦石直接還原的發展趨向由于資源條件的限制，直接還原鐵的產量在世界鐵產量中所占的比例不高。但在一定條件下，直接還原流程在經濟上是有利的。進入21世紀直接還原鐵的發展加快。直接還原鐵主要供電爐使用，由于所含雜質少，有利于冶煉高級鋼種，但電耗比用廢鋼要高。1/4/20231023.1.3鐵礦石直接還原的發展趨向12/25/2022353.2鐵礦石熔融還原開發鐵礦在熔融還原工藝的主要目標是擺脫高爐流程對煉焦煤（焦炭）的依賴。尋求生產液態鐵水的工藝流程。到目前為止，已實現工業化的只有COREX和FINEX兩種流程。1/4/20231033.2鐵礦石熔融還原12/25/202236表3世界COREX裝置現狀

工廠裝置型式數量公稱生產能力萬噸/年使用原料投產日期產出煤氣利用現狀韓國浦項公司C-2000160塊礦，球團1992年發電，鋼廠已改造為FINEX印度JLNDAL西南鋼廠C-2000280×2塊礦，球團1997年2001年發電，鋼廠，球團廠在生產中南非，Mittalsteel(原Saldanha)C-2000165塊礦，球團1999年DR/Midrex工廠，鋼廠在生產中中國，寶鋼C-30002150×2塊礦，球團2007年投產一座發電，鋼廠一座尚在建設中印度，Essar鋼廠2-2000280×2球團礦系由韓國韓寶公司遷來鋼廠已建成后遷來，未投產1/4/2023104表3世界COREX裝置現狀工廠裝置數量公稱生產能力使圖13COREX流程1/4/2023105圖13COREX流程12/25/202238

估計今后不會再有新的COREX裝置出現。今年6月在歐洲煉鐵煉焦大會上AllSiemensVAI的ChristianB?hm對COREX流程結論性意見是：

Byfulfillingtheregulations,utilizationoflow-cost/highavailablerawmaterials,overallfuelsavingsevenfortheblastfurnaceandtheimpressiveecologicaladvantages,thesenewprocessesonceagainapprovethemselvesasalternatestotheblastfurnaceand/orareasonableexpansion/substitutionofexistingproductionroute。1/4/2023106估計今后不會再有新的COREX裝置出現。今年63.2.2FINEX流程

FINEX實際上是在POSCO1992年投產的COREXC-2000的基礎上開發出來的。1/4/20231073.2.2FINEX流程12/25/202240圖14高爐、COREX到FINEX流程的演變1/4/2023108圖14高爐、COREX到FINEX流程的演變12/25/圖15FINEX工藝主要技術改進1/4/2023109圖15FINEX工藝主要技術改進12/25/202242圖16FINEX擴大規模過程1/4/2023110圖16FINEX擴大規模過程12/25/202243表41.5-mtpyFINEX操作實績1/4/2023111表41.5-mtpyFINEX操作實績12/25/2023.2.3熔融還原發展趨向熔融還原流程的目標之一是不用焦炭生產鐵水，代替高爐煉鐵。不用焦炭生產出鐵水目前在技術上可以做到或部分做到，但在工業化上還不可能完全取代高爐。當前，已商業化的COREX和FINEX，在環境排放方面均優于高爐煉鐵。COREX只能在特定條件下采用，HIsmelt目前尚未達到商業化的條件，FINEX具備了取代1800m3及以下高爐的條件，兩者均未達到完全取代高爐煉鐵的程度。開發熔融還原工藝的目標是不用焦炭，COREX和FINEX都未完全做到。熔融還原工藝開發之初CO2排放還未被提到議事日程上。所有已開發的熔融還原流程的CO2排放都比高爐煉鐵高。熔融還原工藝今后研究方向如何走，有待進一步研究。1/4/20231123.2.3熔融還原發展趨向12/25/2022453.3煉焦工藝技術進步3.3.1現有煉焦工藝的改進型煤煉焦工藝（FormedCokeProcess）配煤調濕技術（CoalMoistureControl）粉煤干燥預成塊技術DAPS（Dry-CleanedandAgglomeratedPrecompactionSystem）干熄焦技術（CokeDryQuenching）巨型單室焦爐（JumboSingleChamberSystem）無回收焦爐（NonRecoveryCokeOven）焦爐大型化,炭化室高度增高到7m以上。1/4/20231133.3煉焦工藝技術進步12/25/2022463.3.2Scope21煉焦新工藝的開發

該工藝是日本政府部門與鋼鐵企業聯合開發的。全稱為“SuperCokeOvenProductivityandEnvironmentalEnhancementtowardthe21thcentury”。1/4/20231143.3.2Scope21煉焦新工藝的開發12/25/20Increasingtheratioofpoor-cokingcoalfrom20%to50%.2.Higherproductivityforreducingtheconstructioncosts.3.ReducingNOxby30%andnosmoke/nodustoperation.4.Energysavingby20%forreducingCO2圖17Scope21的目標1/4/2023115Increasingtheratioofpoor-c‘94‘95‘96‘97‘98‘99‘00‘01‘02‘03PilotplanttestBenchscaletestBasicresearchTestoperation圖18Scope21開發進程1/4/2023116‘94‘95‘96‘97‘98‘99‘00‘01‘02‘03圖19Scopr21工藝