发布机构: 发布日期: 2022-04-29 09:05:20

周存龙:“双碳”目标下山西省钢铁行业新技术应用展望

“碳达峰、碳中和”现已成为全球的广泛共识,截至2020年底,已有100多个国家提出碳中和承诺。在这种大背景下,我国高度重视并大力推动低碳发展,在多次重要会议上反复强调扎实做好“碳达峰、碳中和”工作的重要性和必要性,“双碳”战略已深入人心。

我国是世界第一工业制造大国,钢铁行业作为国民经济及国防建设的重要支柱产业,排在制造业首位。但钢铁行业作为传统的高耗能行业,是我国碳排放大户,2020年我国钢铁行业的碳排放量占国内总量(近99亿吨)的15%,达14.9亿吨左右,是制造业31个门类中碳排放量最大的行业。因此钢铁行业是与“双碳”目标紧密相关的关键行业,将面临巨大挑战。基于此,本文就我省钢铁行业与双碳目标的关系以及钢铁行业新技术的应用现状进行简单概述,以期对未来我省钢铁行业及冶金装备制造行业的科技创新有所裨益。

一、我省钢铁行业概况

近年来,我省重点打造了太原不锈钢、运城汽车用钢、晋城装备用钢、临汾型钢及吕梁矿用钢等五个差异化发展的特殊钢产业集群。钢铁作为我省经济发展的重要基础产业(钢铁行业的年产值约为0.33万亿,占全省GDP1.77万亿元的19%),2020年钢产量达到6.6千万吨(全国钢产量10.6亿吨),排全国第五位。如果简单的按照比例换算,我省钢铁产业的碳排放量每年可达到0.92亿吨,每吨钢排放CO2约为1.40吨。因此在“碳达峰、碳中和”背景下,要实施好双碳目标,我省钢铁行业只有走科技创新路线,在保持钢铁行业持续稳定生产的同时促进带动新的产业发展。

二、钢铁行业新技术

(一)非高炉炼铁技术

高炉炼铁技术是以焦炭为能源基础的传统炼铁方法。它与转炉炼钢相配合,是目前生产钢铁的主要方法。高炉炼铁的本质是铁的还原过程,即焦炭做燃料和还原剂,在高温下将铁矿石或含铁原料的铁,从氧化物或矿物状态(如Fe2O3、Fe3O4、Fe2SiO4、Fe3O4·TiO2等)还原为液态生铁。2020年我国生铁产量达8.88亿吨,以生铁为原料生产得到的粗钢占总粗钢产量的83.4%,高炉炼铁的这种主导地位预计在相当长时期之内不会改变。但是在高炉炼铁工序中的碳排放量占钢铁全流程总碳排放量的73.6%,加上相关联的烧结(11.5%)及焦化(4.4%),钢前工艺碳排放占比达到钢铁全流程的90%左右。因此解决以高炉为核心的生铁冶炼工艺的碳排放问题,开发非高炉炼铁技术成为了人们的研究热点,截至目前非高炉炼铁主要包括直接还原和熔融还原两种工艺,直接还原炼铁以竖炉直接还原工艺为主导,利用富含还原剂的气体作为还原剂和热载体,来对球团矿进行直接还原,生成产物为海绵铁。熔融还原炼铁工艺以非焦煤为能源,在高温熔态下进行铁氧化物还原,渣铁完全分离后得到铁水。其目的是以煤代焦和直接用粉矿炼铁,使炼铁流程简化,污染减少,已经受到许多国家的重视。基于此本文主要对上述两种技术进行简单介绍:

1.竖窑直接还原生产技术

直接还原技术是一种铁氧化物在不熔化、不造渣状态下,直接由固态还原为金属铁的工艺。直接还原产品统称为直接还原铁(Direct Reduction Iron,缩写为 DRI),由于DRI的结构呈海绵状,也称为“海绵铁”,为了提高产品的抗氧化能力和体积密度,DRI热态下挤压成型产品称为热压块(HBI),DRI冷态下挤压成型产品称为DRI压块。直接还原是钢铁生产短流程(紧凑流程)的基础,短流程因其不使用焦煤、能耗低、单位产能投资少、建设周期短、对环境的影响小等特点是钢铁工业发展的方向,受到钢铁界的推崇。目前河钢联合特诺恩公司计划在宣化钢铁公司建设一个利用工业气体制氢,之后在竖炉内用氢气焙烧球团来直接还原生产纯铁的示范工程,目前该技术还未实施。

2. Corex3000熔融还原技术

COREX熔融还原炼铁工艺采用非炼焦煤直接炼铁,解决了当今焦炭资源短缺的问题,缩短了工艺流程,显著减轻了炼铁工业对环境的污染程度;且能生产出与高炉相媲美的优质铁水,生产过程产生的大量优质煤气可用于生产海绵铁或发电等多级利用,成为当代冶金工业的前沿技术。宝钢集团在新疆八一钢铁公司,对原建在罗泾的Corex3000熔融还原装置进行了改进,形成欧冶炉技术,目前已连续稳定生产三年,相比较于传统的2500 m3高炉生产铁技术成本降低100多元/吨。

3. 墨龙Hismelt熔融还原炉

Hismelt炼铁工艺是已实现工业化生产的熔融还原炼铁技术之一,属于当今冶金领域的前沿技术,是典型的非焦熔融还原炼铁工艺,此种工艺由力拓集团开发,是通过利用铁矿粉和非焦煤粉,冶炼不同质量的铁矿粉,包括磷铁矿粉的工艺技术。2012年,山东墨龙石油机械股份有限公司收购澳大利亚奎亚那厂的Hismelt技术和设备,将原来的炉窑改为回转窑,炉衬采用铝铬砖,增设渣线冷却器等,利用铁矿粉、废钢和非炼焦煤直接熔融还原生产铁水,2016年实现了连续工业化生产,月产量达到50572吨。

4. 赛思普熔融还原炉

赛思普熔融还原炉技术是一种直接使用粉矿、粉煤的铁浴熔融还原炉。与传统高炉工艺相比,赛思普工艺取消了传统高炉必不可少的烧结工艺和焦化等工序,可实现二氧化硫和氮氧化物排放量38%,粉尘排放减少89%,无二噁英和酚氰废水排放,呈现出节能减排的巨大优势。此种技术由内蒙古赛思普科技有限公司和北京科技大学等单位联合开发研究,并成功实现了关键设备和部件的国产化。此种工艺分为煤加焦炉煤气熔融还原炼铁、纯焦炉煤气熔融还原、纯氢熔融还原炼铁及等离子氢还原炼铁等四个工艺,目前已在建龙集团内蒙古赛思普科技有限公司成功落地转化,年产30万吨。

(二)棒材直轧技术

传统的棒线材生产线,钢坯均需经过轧钢加热炉的二次加热后再进行轧制,且连铸工序和轧钢工序多分布在不同车间,距离较远。而棒线材直接轧制工艺则是将切断后带有余热的铸坯直接送入轧线进行轧制的技术,钢坯不经加热炉,也无需补热(有的经电磁感应装置对边角部位补热),完全省去了加热炉的燃料消耗,可以大幅度的节省能源,降低二氧化碳的排放,是一种新型的轧制技术。该技术目前在广西盛隆钢铁集团、河钢集团已得到了应用,在示范过程中此种工艺产线直轧率为100%;炼钢工序能耗-24.24 kgce/t,轧钢工序能耗10.94 kgce/t,炼钢-轧钢工序能耗-13.3 kgce/t,炼钢-轧制全过程吨钢能耗小于零,实现了负能制造;直轧改造后轧钢系统工序能耗降低73.2%。

注:1)转炉炼钢工序负能指标:转炉冶炼时主要副产物煤气和蒸汽,通过必要的手段进行回收、再利用。折算副产物的热值到标准煤,其值与炼钢消耗电能的差值定义为转炉炼钢工序负能。2)直轧率:定义为未经加热炉加热,直接进入轧机的连铸坯总量占轧机总产量的比例)

(三)短流程技术

短流程技术是指由电炉(炉外精炼)→连铸→成品连轧组成的一种技术,此种技术出现于20世纪80年代,因较传统轧制技术省略了铸锭、开坯、加热等高耗能环节,可以达到节能减排、降低成本、提高生产效率的目的,因此受到了人们的广泛关注,目前应用较广的主要包括有ESP技术(Endless Strip Production,又称无头轧制技术)和双辊铸轧技术。

  

  

图1 ESP无头轧制技术                       图2 双辊铸轧技术流程图

1. ESP技术

近年来我国板带材产量已达5.68亿吨/年,占钢材总产量的43%。其中厚度小于2.0 mm的热轧带钢,广泛应用于汽车、集装箱、家电、电缆桥架等领域,用于替代冷轧产品,是热轧板带发展的重要方向。但该类产品的轧制属于在高速度和高负荷条件下的复杂制造,存在板型不良和过程失稳等一系列关键技术难题,尤其是1.5mm薄规格以下常规热轧难以批量生产。在此背景下,2009年2月意大利Arvedi钢铁公司首次开发了无头轧制技术(ESP)并投入工业化生产,2015年,我国日照钢铁控股集团有限公司率先引入亚洲第一条、世界第二条薄规格无头轧制生产线(见图1)。

所谓的无头轧制工艺是传统热轧带钢生产的一项技术突破,是指粗轧后的板坯在中间辊道上进行焊接,并连续不断地通过精轧机组的一种技术。和传统生产方式相比,该生产技术具有如下特点:1)流程短,生产线长度小于190m;2)产量高,单流可达200万t/a;3)成材率比传统工艺提高1%以上(高成材率,低氧化烧损、无切损);4)同传统热连轧相比,节能40~60%;5)每吨钢生产成本低,产线投资低;6)可大规模生产高质量薄/超薄宽带钢,实现“以热代冷”,同时产品薄且宽,设计生产规格为0.8mm×1540mm,目前0.6mm规格已批量生产,0.5mm规格也已完成试验轧制;7)由于热轧后达到了冷轧厚度,带钢高性能均一性、高尺寸形状精度(传统工艺无法实现),可直接进行酸洗和镀锌后使用。

2. 双辊铸轧技术

2001年美国纽柯钢铁公司、日本IHI基团和澳大利亚BHP公司成功合作开发出了Castrip薄带铸轧技术,建成了世界上首条商业规模的双辊薄带铸轧生产线。2015年,江苏沙钢集团与美国纽柯钢铁公司达成合作意向并签定Castrip技术开发合作协议,2019年3月,生产线通过各项考核验收,成为国内首条、国际上第四条工业化运行的薄带铸轧生产线(见图2)。

所谓双辊铸轧技术在国内也叫超薄带技术,是一种直接铸轧出尺寸及质量特性满足最终产品要求的近终成型工艺。液态钢水通过布流系统注入由侧封板及两个旋转方向相反的铜铸辊形成的熔池中,铜辊中通过的冷却水将钢水的热量带走,钢液凝固后从两辊的缝隙之间经挤压后,可直接连续生产出厚度1.4-2.1mm的铸带,再经一道次热轧生产出厚度0.7-1.9mm的热轧薄带钢。与传统技术相比,双辊铸轧技术具有如下优势:

1)工艺流程短、占地面积小

超薄带主线长度仅50 m左右,而传统板坯连铸机及热轧机组要求厂房覆盖的工艺路线长度约800 m,薄板坯连铸工艺产线长度约300-400 m,无头轧制工艺产线长度在200 m左右。

2)工序少、能耗低、排放少

超薄带工艺的能耗优势主要源于工序的减少,如省去了加热炉,简化了轧制道次。对比同规格产品能耗,超薄带工艺总能耗是传统热连轧工艺的16%,是薄板坯连铸工艺的32%,是无头轧制工艺的45%;产生的CO2排放量是传统热连轧工艺的25%,是薄板坯生产工艺的34%,是无头轧制工艺的44%。与传统热连轧工业相比,燃耗可减少95%,水耗减少80%。

3)生产组织灵活、交货期短

超薄带工艺从钢水到生产出薄规格热轧钢卷的时间在25 s左右,交货周期更短,特别是针对单一超薄规格订单,可在一天之内实现从炼钢出成品钢卷的全过程,做到当天接单、次日成卷的销售模式。

最后,山西省作为重型装备制造产业基地,在冶金装备的开发与制造上有着厚实的积淀,如将上述新技术大量实施,必将会对双碳目标的实现起到极大地促进作用。


供稿人:周存龙 太原科技大学 教授

冶金设备设计理论与技术省部共建国家重点实验室培育基地 常务副主任


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