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改革开放40年来中国炼铁工业成就及未来发展

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改革开放40年来中国炼铁工业成就及未来发展

发布日期:2018-11-22 00:00 来源:http://www.mengmeiqun.com 点击:

改革开放40年来,中国炼铁工业取得了巨大发展。从历史的维度来看,中国炼铁工业起步于新中国成立初期的计划经济,崛起于改革开放大潮之中,走了一条具有中国特色的自主创新的发展道路,有力地支撑了中国钢铁工业的崛起和国民经济的发展。

中国炼铁工业发展的3个阶段

改革开放后,我国经济快速发展,钢铁需求持续增长,生铁产量持续增加,同时改革破除了原有的一些体制机制障碍,计划经济体制逐渐向市场经济体制转轨,生产力逐步得到释放,炼铁技术取得明显进步。

自改革开放以来,我国生铁产量的演变总体上分为3个阶段(见图1):

改革开放后中国炼铁发展的三个阶段

图 1 改革开放后中国炼铁发展的三个阶段

稳中求进阶段(1978年~2000年)。在这一阶段,我国生铁年产量从1978年的3479万吨增加到2000年的1.3亿吨,其中1992年生铁产量达到7589万吨,超过日本同年的产量(7314万吨),我国成为世界第一大产铁大国;生铁产量于1995年突破1亿吨。

加速发展阶段(2000年~2013年)。在这一阶段,我国生铁年产量分别于2003年突破2亿吨、2005年突破3亿吨、2006年突破4亿吨、2009年突破5亿吨、2011年突破6亿吨、2013年突破7亿吨。在此期间,除2005年~2009年外,我国生铁产量以每两年增长1亿吨的速度高速发展,并于2009年在世界生铁产量中占比超过50%(达到57%)。此后,我国生铁产量一直占据世界生铁产量的半壁江山。

高速增长阶段转向高质量发展阶段(2013年至今)。在这一阶段,我国生铁产量开始略微下降,但仍保持在7亿吨左右。同时,伴随着国家经济结构和产业结构的转型升级,炼铁工业也面临资源、环保和结构调整的多重压力,开始呈现减量化和创新发展的态势。

值得注意的是,与生铁产量增加相对应的是炼铁原料烧结矿、球团矿和焦炭产量的增加。烧结矿的产量与生铁产量的变化基本吻合(见图2a),烧结矿产量在2000年以前缓慢增长,而进入21世纪后快速增长,近年来的增速放缓。由于中国球团的发展相对滞后,球团矿产量在2000年以后才开始明显增加,与烧结矿产量相比明显较低。这主要是因为我国高炉的炉料结构长期以来是以烧结矿为主。由于经济和技术原因,近年来,我国球团矿的产量还略有下降。

改革开放炼铁原料烧结矿和球团产量(a)以及焦炭产量(b)变化

图 2 改革开放炼铁原料烧结矿和球团产量(a)以及焦炭产量(b)变化

焦炭作为高炉炼铁最重要的原料,其产量与生铁产量存在明显的线性关系(见图2b)。不过,由于近年来环保趋严,各省(自治区、直辖市)逐渐实行“以钢定焦”政策,焦炭的产量存在明显的降低趋势。

炼铁技术经济指标不断进步

改革开放打开了国门,我国炼铁工业也不断引进国外先进技术,炼铁的技术经济指标不断进步。高炉燃料消耗是代表高炉炼铁技术整体水平最重要的指标,我国高炉燃料比自改革开放后整体保持明显的降低趋势(见图3):改革开放初期这一指标将近600千克/吨铁,而2017年主要企业高炉这一指标平均为544千克/吨铁、先进高炉平均为500千克/吨铁左右。其中,焦比从改革开放初期的545千克/吨铁左右下降到2017年主要企业高炉平均363千克/吨铁、先进高炉平均306千克/吨铁。

改革开放后中国高炉炼铁焦比、煤比和燃料比的推移图

图 3 改革开放后中国高炉炼铁焦比、煤比和燃料比的推移图

指标的进步一方面得益于煤粉喷吹技术的推广,实现了以煤代焦。这使得喷煤量从改革开放初期的50千克/吨铁左右(部分高炉)增加到目前的150千克/吨铁左右(大多高炉);另一方面得益于铁前系统整体水平的提升,如精料技术和高炉四大操作制度的优化,使得高炉顺行、炉况稳定。

与此同时,高炉利用系数的提升也表明了高炉整体技术的提升(见图4a)。改革开放初期,高炉利用系数只有1.5吨/立方米·天,目前已经基本稳定在2.2吨/立方米·天~2.5吨/立方米·天;中小高炉这一指标甚至更高。含铁原料入炉品位也从20世纪70年代末的53%左右提高到目前的57%左右(见图4b)。此外,高炉热风温度也得到了明显的提高(见图4c),从改革开放初期的1000摄氏度左右提高到目前的1140摄氏度左右。尤其重要的是,原燃料质量得到明显改善,如烧结矿碱度从改革开放初期的1.27~1.52提高到目前的1.85左右。高碱度烧结矿的全面普及,使烧结矿的转鼓强度得到明显提高,这也促使固体燃料消耗量明显下降。

改革开放后中国高炉高炉利用系数(a)、入炉品味(b)及鼓风温度(c)推移图

图 4 改革开放后中国高炉高炉利用系数(a)、入炉品味(b)及鼓风温度(c)推移图

炼铁装备快速升级

1978年,我国拥有炼铁高炉约982座,其中大于1000立方米的高炉数量仅25座,绝大多数高炉(>97%)为小于1000立方米的小型高炉。

改革开放加快了我国炼铁装备升级的步伐,大于1000立方米的高炉数量逐年递增(见图5a)。其增长趋势与生铁产量的趋势基本一致,即在2000年以前缓慢增长,而在2000年以后快速增长。

高炉大型化发展不仅可以提高产业集中度,而且可以减少排放和污染、提高生产效率、降低工序能耗和成本。1985年9月15日投产的宝钢1号高炉(4063立方米)是我国第一座4000立方米级的大型高炉,主要设备从日本新日铁引进,工艺装备和操控系统达到20世纪70年代末期的先进水平。宝钢另外3座高炉分别于1991年6月~1994年9月投产。从我国4000立方米以上高炉数量变化来看(见图5b),目前,4000立方米以上高炉有23座,其中5000立方米以上的有5座。我国高炉平均炉容达到1047立方米,其中1000立方米~2000立方米高炉的产能约占到总量的35.8%。

改革开放后中国大于1000m3高炉数量(a)和大于4000m3高炉数量(b)变化

图 5 改革开放后中国大于1000m3高炉数量(a)和大于4000m3高炉数量(b)变化

除了高炉本体设备得到升级外,烧结、球团和焦化的设备水平也明显提高,烧结机数量增加并逐渐走向大型化,大于130平方米的烧结机数量也出现了变化(见图6)。此外,炼铁过程的检测技术也取得了明显进步。传统高炉冶炼将高炉视为一个“黑箱”,高炉操作的关键在于工长的经验,使得炉况常常剧烈波动,影响高炉稳定顺行。基于打开“黑箱”的目的,各种高炉检测、成像技术和数值模拟技术应运而生,现在已可以清晰地观察到高炉内的料面形状、气流分布,以及风口区域的燃烧情况,为指导高炉操作提供了宝贵的参考依据。

上世纪到本世纪大于130m2烧结机数量变化

图 6 上世纪到本世纪大于130m2烧结机数量变化

炼铁基础理论研究蓬勃发展

中国炼铁工业自改革开放以来稳中求进,中国炼铁工作者在应用理论研究方面也取得很多成绩。在改革开放初期的世界炼铁学术会议上,中国炼铁界只有寥寥无几的学者能够去参会,且主要是倾听和学习。改革开放后的今天,中国在炼铁领域的学术研究已经可在世界舞台上占有一席之地,在2018年维也纳第八届世界炼铁大会上,中国有60余名学者参会并做学术报告,引起热议,象征着我国炼铁领域的学术研究正在蓬勃发展。

在理论联系实际方面,高炉解剖是提高对高炉内反应行为认识最直接的手段。基于前苏联在上世纪50年代和日本在上世纪70年代的解剖结果和经验,我国在上世纪80年代初对首钢一座23立方米高炉和攀钢一座0.8立方米高炉进行了解剖研究,并在2007年初对莱钢一座128立方米高炉进行了解剖,高炉解剖的结果验证和补充了对现代高炉冶炼过程的认识。

此外,我国在炼铁原燃料方面的基础理论研究也有重大突破。具有代表性的是烧结黏结相铁酸钙理论的研究与应用。这使得烧结矿的强度和还原性得到了明显提高,高碱度烧结矿在全国得到推广。近年来,我国在镁质球团的理论研究和应用方面也取得了很大进展。随着对焦炭在高炉内的行为认识的提高,炼铁工作者也可根据高炉的容积及不同冶炼条件来选择合适的焦炭,降低燃料成本,保证高炉顺行。

未来要创新绿色发展

伴随着国家整体经济结构的转型升级,我国钢铁行业目前已经进入高质量发展和减量化发展阶段。炼铁工序作为钢铁生产的前端工艺,其能耗和排放占钢铁全流程的70%左右,因此,炼铁工业除了满足高质量和减量化的发展要求外,还需要承担起资源和环保限制的多重压力,创新绿色发展是炼铁工业唯一的出路。

目前,我国高炉炼铁的技术经济指标较国外先进水平还存在差距,如燃料比较国外先进水平高出约50千克/吨铁,高炉炉役寿命还有差距,等等。因此,中国炼铁工业一方面要努力降低工序能耗和减少污染排放,达到世界先进水平;另一方面要在非高炉炼铁领域不断探索,开发绿色洁净的炼铁工艺,如中国山东墨龙HIsmelt已经实现连续化工业生产,实现了粉煤和粉矿直接炼铁,月产量已突破5万吨;宝钢欧冶炉实现了低焦比条件下的稳定连续生产;气基直接还原工艺也将在中国山西“生根发芽”。作为世界第一产铁大国,我们任重道远,要更加努力加快实现炼铁工业的高质量发展。


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