由于鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，高品位的鐵礦石和煤炭資源日益緊缺。為了解決這個問題，原新日本制鐵株式會社（以下簡稱新日鐵，現(xiàn)與住友金屬合并為新日鐵住金株式會社）發(fā)展新技術(shù)有效利用劣質(zhì)資源。新日鐵主要在三個方面取得了突破：通過煤的干燥使大量微黏性煤用來煉焦，將褐鐵礦用于選擇性造粒，轉(zhuǎn)底爐粉塵回收。

這些技術(shù)突破主要基于對低品位資源進行全面基礎(chǔ)的研究，并伴隨各個處理過程的改進，通過改善劣質(zhì)資源的特性來使得他們得到更好的利用。這些技術(shù)的研究與應(yīng)用為鋼鐵行業(yè)節(jié)約自然資源、循環(huán)利用材料提供了很好的借鑒意義。

煤干燥技術(shù)以“劣”代“優(yōu)”

適合鋼鐵生產(chǎn)的煤炭資源主要是煉焦煤。然而當(dāng)前超過70%的世界煤炭資源都屬于劣質(zhì)煤，煉焦煤已經(jīng)逐漸枯竭。在這種形勢下，改進煤炭質(zhì)量，使劣質(zhì)煤得到有效利用顯得至關(guān)重要。

如今，多種煤預(yù)處理方法已經(jīng)在日本發(fā)展起來，其中獨特的煤干燥技術(shù)實現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。

煤調(diào)濕：該技術(shù)的第一步是煤調(diào)濕（CoalMoistureControl，簡稱CMC）。日本從國外進口煤炭資源，煤的含水量一般在10%左右，CMC過程通過降低煤的水分含量來增加煉焦爐里煤的體積密度，來增加煤的強度。更確切地說，旋轉(zhuǎn)爐可以把煤的水分含量降到5%~6%。新日鐵在1983年應(yīng)用了第一套CMC系統(tǒng)。理論上，當(dāng)煤的含水量小于5%，其體積密度增加，強度也會相應(yīng)增強。但是，在如此低的水含量下，細粒煤粉塵會在加熱和運送過程中散落到焦爐周圍，從而影響煉焦爐工藝的穩(wěn)定性。

基于上述原因，必須采取相應(yīng)措施既能使煤的含水量在5%以下，又能提高煤的強度。干煤的粉塵逸散原理清楚地表明：水分含量越高，粉塵逸散就越少。這是因為，細晶粒吸附在粗晶粒上形成了偽晶粒，而水分是作為黏合劑的形式存在。當(dāng)煤被干燥到水分含量低于5%時，偽晶粒分解，細顆粒開始單獨存在，造成了粉塵的逸散。同時，在擠壓煤粉的情況下，煤粉被干燥到水分含量在2%以下時，偽晶粒才會完全分離。由此，須對顆粒進行分級，并對細顆粒進行顆�；�處理。

預(yù)成形：經(jīng)過對煤的顯微組、粒徑關(guān)系和不同類型煤的顯微組織等方面進一步研究得出，高度黏結(jié)的鏡質(zhì)體很軟，很容易被壓碎。細粉煤有高濃度的鏡質(zhì)體。當(dāng)細粉煤顆�；�后，黏結(jié)性能顯著增加。

把細粉煤壓制成煤球來增加結(jié)塊屬性和焦炭

煤調(diào)濕和預(yù)成形技術(shù)開發(fā)的目的都是為了更加高效地利用煤資源，通過技術(shù)創(chuàng)新改善焦炭強度、煤粒的特點和它們的處理性能，最終實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

快預(yù)熱：新日鐵的另一個研究角度是通過提高煤的黏結(jié)性能來加強煉焦強度。基于煤分子以聚合態(tài)存在這一點，新日鐵提出了一項建議：通過快速加熱松開聚合結(jié)構(gòu)來提高焦炭強度，從而增加煤的黏結(jié)性能。該項目被稱為“21世紀提高生產(chǎn)效率、改善環(huán)境的超級煉焦爐”項目，并于2003年圓滿結(jié)束。

在項目初始研究階段，他們對快速預(yù)熱效果與煤的焦炭強度之間的關(guān)系進行了研究。一年內(nèi)，實驗室進行了100次以上的重復(fù)測試，在設(shè)定條件下快速加熱并提供同質(zhì)煤溫度，同時進行大量數(shù)值模擬，使最佳預(yù)熱條件范圍逐漸清晰。實驗結(jié)果表明：煤以3000℃/min的加熱速度從330℃迅速加熱到380℃，煤的黏結(jié)性能得到改善，焦炭強度增強。而現(xiàn)階段的研究表明，即使在混合高達50%非黏性或微黏性煤的情況下，快速加熱煤以生產(chǎn)高強度焦炭也是可能的。這種通過快速預(yù)熱提高煤的黏結(jié)性能的理念為提高焦煤質(zhì)量提供了一種全新的思路。

此后，新日鐵確定了該項目的開發(fā)過程，一個試驗工廠在新日鐵名古屋構(gòu)建，預(yù)計日本今后將有更多新焦爐應(yīng)用此工藝，并進一步推動其在國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)的發(fā)展。

選擇性造粒有效利用褐鐵礦

隨著世界各地的優(yōu)質(zhì)鐵礦石資源日益緊缺，有效利用褐鐵礦資源顯得更加迫切。褐鐵礦的礦石含有高含量氧化鋁、結(jié)合水和需要燒結(jié)的細顆粒。在鋼鐵生產(chǎn)中，高含量氧化鋁和結(jié)合水會造成不利影響，降低燒結(jié)過程的生產(chǎn)效率，增加燒結(jié)礦能耗，影響燒結(jié)質(zhì)量。

褐鐵礦的選擇性造粒處理過程是將可燒結(jié)的鐵礦石從其他類型的礦石中分離出來。之后，將褐鐵礦的細粉顆粒進行顆�；�，細粉作為核心會以微粒的形式燒結(jié)。這種處理可產(chǎn)生燒結(jié)反應(yīng)期間用作黏合劑的熔液相，避免氧化鋁帶來的負面影響。因此，選擇性造粒技術(shù)可以有效提高褐鐵礦的利用率。

褐鐵礦的劣勢：雖然選擇性造粒表面上意味著燒結(jié)團聚的過程，但該過程并不會改變混煉過程中礦石的屬性。相反，其主要目的是預(yù)防反應(yīng)階段氧化鋁對形成熔液的干擾，而這種干擾則是褐鐵礦燒結(jié)性能較差的主要原因。

褐鐵礦燒結(jié)性能不佳有兩個主要因素：一是褐鐵礦的礦石細粉含有較多氧化鋁。為了獲取由褐鐵礦粉末形成的燒結(jié)礦液相，加熱溫度高于其他類型的礦石是必要的。二是褐鐵礦的礦石粗晶粒容易在加熱燒結(jié)過程中開裂，由于蒸發(fā)的結(jié)合水在粗晶粒內(nèi)部，從而降低了燒結(jié)礦的強度。這些問題在高溫下出現(xiàn)，因此有必要制定相應(yīng)措施從根本上改善此類礦石的燒結(jié)效果。

比較顯示，褐鐵礦中氧化鋁和結(jié)合水的含量均多于赤鐵礦。為了評價兩種礦石細粉的不同液相反應(yīng)，樣品另外添加20%的灰?guī)r，在實驗室里用紅外線加熱器加熱熔化。結(jié)果顯示：含有3.2%氧化鋁的褐鐵礦樣品的液相溫度比含有0.5%氧化鋁的赤鐵礦樣品的液相溫度要高100℃；褐鐵礦樣品的液相流動性要比赤鐵礦樣品的液相流動性差。這些結(jié)果說明，由褐鐵礦制成的燒結(jié)礦相比赤鐵礦制成的燒結(jié)礦黏結(jié)性差、強度低。因此，選擇性造粒的目的就是為了能較好地解決這個問題———能否通過顆粒化使褐鐵礦粉末中的氧化鋁結(jié)塊？

氧化鋁結(jié)塊：要想使褐鐵礦中的細粉顆粒化，首先要進行粗粒的分離。液相的形成主要是由直徑0.5毫米及以下的細粉造成，但這些粉末含有高黏性煤矸石，因此很難通過篩分使他們與其余的顆粒分離。新日鐵運用各種不同的測試方法來評估分類，最終篩選出實際大小為3毫米的細粉進行分類，原因如下：第一，氧化鋁造塊的粉末沒有對0.5毫米以下更小的微粒進行分類；第二，使用0.5毫米~3毫米大小為造粒核心使含有較高氧化鋁成分的細粉造塊成為可能。通過證明，對小于3毫米的礦粉進行分類是可行的，不會造成堵塞。

由于部分小于3毫米的褐鐵礦礦粉是包含塑性黏土質(zhì)的煤矸石，顆粒化較為容易，然后便可以形成2毫米~5毫米的核心顆粒，氧化鋁在顆粒中結(jié)塊。電子探針的X射線分析了選擇性人造顆粒的兩種結(jié)構(gòu)：一個選擇性顆粒的核心由高鋁粉組成；另一個是吸附低鋁層，周圍有高含量石灰石和焦粉礦的顆粒。

在燒結(jié)反應(yīng)過程中，兩種結(jié)構(gòu)的顆粒對熔液相的形成產(chǎn)生以下影響：一是高濃度的粉焦可以保證有效的加熱；二是低濃度的氧化鋁和高含量石灰石吸附的粉末導(dǎo)致液相溫度低于傳統(tǒng)方法；三是液相滲透到顆粒間隙和孔洞，作為一種結(jié)合物，使得燒結(jié)礦有更好的強度。在選擇性顆粒的內(nèi)心氧化鋁為塊狀，不影響外液相。通過實驗可以看到，液相已經(jīng)從外層浸入到選擇性顆粒，影響了形成燒結(jié)結(jié)構(gòu)的結(jié)合強度。

氧化鋁結(jié)塊的想法源于褐鐵礦的基本特征。研究選擇性造粒工藝，要從基礎(chǔ)研究開始，是一個持續(xù)的設(shè)計過程。實現(xiàn)其應(yīng)用推廣的一個關(guān)鍵點在于：須確定這種微觀的顆�；瘷C制是否能夠用于實際生產(chǎn)，因為一般的燒結(jié)廠每小時處理能力達到上百噸。而通過實際測試和評價，選擇性造粒自動操作設(shè)備最終在日本眾多燒結(jié)廠得到應(yīng)用。

選擇性造粒工藝的發(fā)展有效地利用了褐鐵礦，為低品位礦石冶煉提供了新方法。

轉(zhuǎn)底爐含鋅粉塵回收技術(shù)節(jié)能效果凸顯

鋼鐵生產(chǎn)過程中將產(chǎn)生大量的粉塵、渣等廢棄物。這些物質(zhì)包括鐵的氧化物、碳和其他化合物。出于環(huán)保和節(jié)約能源的考慮，鋼鐵企業(yè)已經(jīng)研發(fā)應(yīng)用了一系列回收再利用廢物的方法，但傳統(tǒng)工藝只能實現(xiàn)80%~90%的能源和物質(zhì)被有效地重復(fù)利用，未達到充分利用的目的。其主要原因是：部分鐵的氧化物中包含有在高溫過程容易蒸發(fā)的元素，如鋅、鉛、堿金屬等。為解決這一問題，新日鐵開發(fā)了一種氧化物經(jīng)濟除鋅的廢氣再利用技術(shù)———含鋅粉塵回收技術(shù)。

煙塵中的鋅（鉛）能夠通過減少鋅（鉛）的氧化物而被去除，這些氧化物在高溫下被還原為氣體狀態(tài)的鋅（鉛）而排出，這個反應(yīng)過程表示為：ZnO，PbO+C→Zn，Pb(vapor)+CO。此過程伴隨著另一個還原鐵的反應(yīng)：FeOt+tC→Fe+tCO。其中，t的值大概在0.95~1.5。當(dāng)還原鐵用作鐵源而無須重新氧化，冶煉過程中的鐵還原反應(yīng)能夠有效利用能源，整個過程的能量損失達到最小化。在生產(chǎn)中，回轉(zhuǎn)窯、埋弧爐、轉(zhuǎn)底爐均可使用此技術(shù)。通過現(xiàn)場的調(diào)查和實踐，轉(zhuǎn)底爐使用此技術(shù)是最經(jīng)濟、最能有效節(jié)約能源的方式。

2000年，新日鐵在君津廠建成了18萬噸/年的轉(zhuǎn)底爐項目，用含鋅粉塵生產(chǎn)還原球團并脫鋅。還原球團代替燒結(jié)礦加入高爐不僅節(jié)焦效果好，還間接節(jié)約燒結(jié)和煉焦耗能，年節(jié)能效益約15億日元。2002年，君津廠建成第2臺轉(zhuǎn)底爐，將12萬噸含鐵粉塵制成還原球團，從而使全部含鐵粉塵得到利用。2001年和2002年在廣畑廠建成2座轉(zhuǎn)底爐系統(tǒng)，為以后大量推廣該技術(shù)創(chuàng)造了條件。2003年新日鐵住友金屬不銹鋼公司光廠建成5萬噸/年含鐵粉塵綜合利用系統(tǒng),完全采用廣畑廠的新模式，為電爐煉鋼廠的應(yīng)用起到示范作用，同時對粉塵等廢物中含有的鎳、鉻、鉬等高價稀有金屬亦加以回收利用，效益得以提升。此后新日鐵又將這一技術(shù)推廣到了海外。

回收含鋅粉塵的工藝原理如下：先用一個盤狀的造粒機將粉塵和殘渣顆�；�，然后將顆粒干燥并送入轉(zhuǎn)底爐，用碳還原10分鐘~20分鐘后，生成鐵顆粒和鋅蒸氣。還原后的顆粒強度很高，可作為高爐原料使用。同時采用除塵器將轉(zhuǎn)底爐排出的廢氣收集起來，氣態(tài)的鋅又以二次粉塵的形式回收利用。

轉(zhuǎn)底爐含鋅粉塵回收技術(shù)包括多個步驟：原料預(yù)處理、制粒、供熱、減少廢氣煙塵和回收鋅等，研究開發(fā)過程中需要注意的要點是：尋找適合轉(zhuǎn)底爐處理的化學(xué)結(jié)構(gòu)與劣質(zhì)性能材料顆粒的預(yù)處理和造粒方法；減少氮廢物球團直接還原鐵的方法并適合鋼的原料生產(chǎn)；發(fā)展設(shè)備穩(wěn)定運行的技術(shù)。該技術(shù)的發(fā)展進展如下：

第一，預(yù)處理和造粒。粉塵混合的方法要從微粒的尺寸波動、水分含量和化學(xué)性質(zhì)的開發(fā)等獲得制粒條件。在此方面，微�；�、擠壓成形技術(shù)得到發(fā)展。

第二，還原過程。消耗直接還原鐵的主要是高爐、廢鋼熔煉爐和電弧爐。每種類型的爐子對直接還原鐵的質(zhì)量有不同的要求，對高爐來說是要保證高強度，對熔煉爐和電弧爐來說是要高還原率。高爐直接還原鐵的使用降低了高爐還原劑的比例，同時減少了能源消耗和CO2排放。高爐需要高強度的原料。為了克服這一困難，一種生產(chǎn)高強度還原鐵的方法被開發(fā)出來，燒結(jié)金屬鐵以還原性球團的形式存在，直接負責(zé)生產(chǎn)加入高爐的還原鐵。熔煉爐和電弧爐需要高還原率直接還原鐵，在實驗室里不難實現(xiàn)，但在大規(guī)模生產(chǎn)情況下獲得高還原率直接還原鐵是一種挑戰(zhàn)，其主要原因是還原反應(yīng)爐的CO2氣氛影響還原反應(yīng)。日本某廠轉(zhuǎn)底爐研究人員通過耐火材料質(zhì)量的改善來增加爐內(nèi)溫度，通過材料化學(xué)性質(zhì)的改變和增加活性顆粒來加強爐溫控制，在實際生產(chǎn)中首次實現(xiàn)鐵的直接還原率達到85%以上。

第三，穩(wěn)定運行。對于處理廠來說，粉塵處理的長期穩(wěn)定運行是至關(guān)重要的，必須通過各種舉措來保證這一目標實現(xiàn)。當(dāng)前，實踐中的爐條件控制、防止灰塵沉積在排氣系統(tǒng)和爐內(nèi)耐火材料的改進，這三個問題仍然有待解決。

在反應(yīng)爐中，氧化廢物吸附在耐火材料表面。必須采取相應(yīng)措施，避免氧化廢物的化學(xué)成分在還原期間減少，為了減少容易吸附在耐火材料表面的粉塵，造粒方法也要改進。另一個重要問題是防止爐操作中氧化廢物顆粒雜質(zhì)的不良影響。揮發(fā)性物質(zhì)如鋅、鉛、堿等在轉(zhuǎn)底爐蒸發(fā)堆積在排氣系統(tǒng)中。為了避免此問題，應(yīng)調(diào)整沉積物質(zhì)的材料化學(xué)性質(zhì)來提高其熔點，并改善排氣系統(tǒng)使除塵更加方便。

至2010年，新日鐵已發(fā)展了6個轉(zhuǎn)底爐項目，并完成了生產(chǎn)中粉塵的規(guī)�；�循環(huán)利用。目前，這些轉(zhuǎn)底爐的回收能力達到120萬噸/年，為節(jié)約能源和資源提供了良好的條件。

編后

新日鐵這些技術(shù)的突破源于其對低品位資源的全面基礎(chǔ)性有效研究，伴隨著各個處理過程的改進以及改善劣質(zhì)資源的特性，使低品位資源得到利用，既節(jié)約了資源，又減少了對周邊環(huán)境的污染，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。這些技術(shù)的發(fā)展此前也被不同程度地報道過，本文主要闡述了參與這些技術(shù)改革的專家對于這些技術(shù)突破的思維方法，并對其當(dāng)時的問題和思考、解決的路徑進行了介紹。

當(dāng)前，我國作為世界最大的鋼鐵生產(chǎn)國，龐大的規(guī)模帶來的資源和能源消耗問題愈發(fā)引起廣泛關(guān)注。而我國又是一個資源和能源緊張的國家，大力發(fā)展節(jié)能降耗和資源、能源回收利用是未來鋼鐵業(yè)可持續(xù)發(fā)展的根本路徑。中國鋼鐵企業(yè)應(yīng)該合理借鑒新日鐵的技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)經(jīng)驗，為保護資源和環(huán)境作出更多的貢獻。
 

(關(guān)鍵字：新日鐵 資源節(jié)約)