全球面臨著不斷提高能源利用效率、保護(hù)環(huán)境等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，鋼材的更廣泛應(yīng)用仍是解決材料問題的關(guān)鍵。2017年，全球鋼產(chǎn)量已達(dá)16.747億噸，較2016年增長(zhǎng)2.8%。未來，世界鋼產(chǎn)量將保持持續(xù)增長(zhǎng)的觀點(diǎn)已是行業(yè)內(nèi)外的共識(shí)。
然而，未來支撐鋼生產(chǎn)的鐵元素來源則存在相當(dāng)?shù)牟淮_定性。傳統(tǒng)高爐煉鐵面臨的節(jié)能環(huán)保及原燃料適應(yīng)性壓力，各種非高爐煉鐵工藝的成熟******性、新煉鐵方法開發(fā)前景，以及廢鋼的循環(huán)使用量等，都將影響各自在未來煉鋼的鐵源供應(yīng)中的比重及供給的持續(xù)性。本文將著重探討有關(guān)高爐煉鐵工藝的發(fā)展及未來適應(yīng)性，并分析廢鋼使用量對(duì)高爐煉鐵的影響，以期拋磚引玉，與行業(yè)專家同仁共謀我國(guó)煉鐵健康發(fā)展良策。
各種煉鐵工藝的發(fā)展?fàn)顩r及未來適應(yīng)性
高爐煉鐵工藝。
在過去的20余年里，我國(guó)高爐煉鐵生產(chǎn)的快速發(fā)展，帶動(dòng)了全球高爐生鐵產(chǎn)量的大幅度增加。2017年，全球高爐生鐵的產(chǎn)量達(dá)11.748億噸，我國(guó)則占其中的60.5%，達(dá)7.108億噸。
國(guó)外高爐生鐵總量一直在4.5億噸的規(guī)模徘徊。然而，這種總量的不變并非代表著各國(guó)生產(chǎn)的穩(wěn)定，而是一些發(fā)達(dá)國(guó)家生鐵產(chǎn)量的下降和一些發(fā)展中國(guó)家生鐵產(chǎn)量的增加，是一個(gè)綜合平衡的結(jié)果，詳見圖1。例如，歐洲（不含俄、烏）的總產(chǎn)量已由1989 年的1.442億噸降低到2017年的1.065億噸，北美（美國(guó)、加拿大、墨西哥）的總產(chǎn)量由6790余萬(wàn)噸降低到2017年的3291.5萬(wàn)噸，其中美國(guó)由5097.8萬(wàn)噸降低到2233.5萬(wàn)噸。而印度的產(chǎn)量則由1989年的1219萬(wàn)噸增加至2017年的6597.7萬(wàn)噸；韓國(guó)由1484.6萬(wàn)噸增加至4674.4萬(wàn)噸。
上述國(guó)內(nèi)外高爐生鐵產(chǎn)量的變化狀況，除反映了高爐生產(chǎn)工藝總產(chǎn)量的穩(wěn)定增長(zhǎng)外，也反映出各國(guó)和各地區(qū)的變化受多種內(nèi)外因素的影響，如廢鋼供應(yīng)、國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，以及區(qū)域市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)等，存在需要深入研究的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力。
直接還原工藝。
直接還原鐵作為******的電爐煉鋼原料，一直有很好的市場(chǎng)需求量。而全球由各種直接還原工藝生產(chǎn)的直接還原鐵DRI（含熱壓塊鐵HBI）在經(jīng)歷了幾十年的艱苦發(fā)展后，2016年已達(dá)7276萬(wàn)噸。
在2016年的直接還原鐵生產(chǎn)中，氣基直接還原工藝生產(chǎn)的比例仍在增加，達(dá)到82.5%，煤基回轉(zhuǎn)窯的比例下降至17.5%。5個(gè)直接還原鐵生產(chǎn)大國(guó)是：印度1847萬(wàn)噸，伊朗1601萬(wàn)噸，沙特589萬(wàn)噸，俄羅斯570萬(wàn)噸，墨西哥531萬(wàn)噸，五大生產(chǎn)國(guó)的產(chǎn)量占總量的70.6%。
縱觀直接還原工藝的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀，可以看出，直接還原工藝中的煤基直接還原工藝因生產(chǎn)規(guī)模小、效率低以及產(chǎn)品質(zhì)量差，競(jìng)爭(zhēng)力較差，發(fā)展較慢。氣基直接還原雖具有較高的效率，但因以天然氣為能源，發(fā)展空間和前景有限。對(duì)于用煤制氣直接還原工藝，工藝的成熟性和經(jīng)濟(jì)性仍須嚴(yán)峻考驗(yàn)。
熔融還原工藝。
據(jù)報(bào)道，近年來世界熔融還原鐵的總產(chǎn)量在600萬(wàn)噸/年左右，未有大的突破。在3種已工業(yè)化的熔融還原工藝中，Corex 工藝除了寶鋼一座C3000裝置從上海搬遷至新疆八鋼投產(chǎn)外，未有新的建設(shè)項(xiàng)目。Finex工藝于2014年1月在韓國(guó)浦項(xiàng)投產(chǎn)200萬(wàn)噸/年的裝置后，雖有多個(gè)計(jì)劃的項(xiàng)目，但未見實(shí)質(zhì)啟動(dòng)。Hismelt工藝在澳大利亞的工業(yè)示范裝置已被搬遷到我國(guó)山東，并于2017年投產(chǎn)，成為近幾年熔融還原工藝發(fā)展的新動(dòng)向。一些新的熔融還原工藝，如Hisana工藝，仍在研究開發(fā)中，但其開發(fā)力度大大減弱，進(jìn)度也放緩。
分析熔融還原工藝的發(fā)展能夠認(rèn)識(shí)到，以克服高爐使用焦炭和塊狀爐料的弊端為目標(biāo)的各種熔融還原工藝，在經(jīng)過很長(zhǎng)一段時(shí)間的開發(fā)和應(yīng)用熱潮后，一些工藝雖證明了原理的可行性，但無(wú)法體現(xiàn)在生產(chǎn)運(yùn)行方面比高爐煉鐵更突出的優(yōu)勢(shì)。此狀況的一個(gè)核心問題是，為避開使用焦炭和塊狀爐料所采取的各種新的工藝流程和方法，都在過程能量利用率和工藝及設(shè)備條件等方面付出了額外代價(jià)。尤其是各個(gè)工藝在能量利用效率方面都很難與高爐競(jìng)爭(zhēng)，僅生產(chǎn)供給煉鋼用的普通鐵水，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值難以體現(xiàn)。
各工藝對(duì)未來發(fā)展的適應(yīng)能力及高爐煉鐵工藝的定位。
未來社會(huì)發(fā)展對(duì)鋼鐵生產(chǎn)流程提出了兩大挑戰(zhàn)，一是能量消耗******，二是CO2排放***少。國(guó)外研究了“高爐+轉(zhuǎn)爐”“Finex+轉(zhuǎn)爐”“直接還原豎爐+電爐”3種流程中的能耗和CO2排放情況。3種流程中均配加25%的廢鋼。得出的結(jié)論如下：
一是包括煤氣發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換在內(nèi)，“直接還原豎爐+電爐”流程的凈能耗******(15.34GJ/t鋼水)，“高爐+轉(zhuǎn)爐”流程的凈能耗******(14.03GJ/t 鋼水)。參見圖2。
二是“高爐+轉(zhuǎn)爐”和“Finex+轉(zhuǎn)爐”流程的直接CO2排放量相當(dāng)，約1700kg/t鋼水，而“豎爐+電爐”流程的直接CO2排放為600kg/t鋼水，僅為前兩者的35%。但當(dāng)包括間接CO2排放時(shí)，“豎爐+電爐”的CO2總量為1200kg/t鋼水，是前兩者的65%。參見圖3。
綜上所述，高爐煉鐵工藝在產(chǎn)量規(guī)模和全球普及程度上************，在適應(yīng)未來發(fā)展要求上，從凈能耗的角度看占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但在CO2的排放上不及直接還原（豎爐）工藝。但考慮到豎爐（氣基）工藝的發(fā)展局限性和熔融還原的經(jīng)濟(jì)性等問題，在世界范圍內(nèi)，高爐煉鐵仍將是未來***主要的煉鐵工藝。結(jié)合我國(guó)的資源條件和煉鐵發(fā)展?fàn)顟B(tài)，高爐煉鐵仍將是可預(yù)見的***適應(yīng)未來發(fā)展的******煉鐵生產(chǎn)工藝。
廢鋼，高爐煉鐵的宿敵？
在各種煉鐵工藝中，雖然高爐煉鐵***適合未來發(fā)展，但卻存在一個(gè)******威脅甚至是宿敵——廢鋼。廢鋼煉鋼在噸鋼能耗和CO2排放量方面的優(yōu)勢(shì)，已完勝用高爐鐵水煉鋼。未來煉鋼的廢鋼使用量將決定高爐煉鐵的生產(chǎn)規(guī)模。事實(shí)上，全球鋼鐵，特別是北美和歐洲的發(fā)展過程，已證實(shí)了這種發(fā)展趨勢(shì)。
國(guó)外狀況。
根據(jù)國(guó)外統(tǒng)計(jì)，2014年，在全球煉鋼使用的18.43億噸金屬料中，高爐鐵水占63.8%，廢鋼占31.7%，直接還原鐵（含熱壓塊）4.1%，熔融還原0.4%。（高爐）鐵與鋼比為0.71，扣除我國(guó)則為0.55，即國(guó)外接近一半的鋼不是用鐵水生產(chǎn)的，其中主要是用廢鋼。2017年全球包括我國(guó)在內(nèi)，（高爐）鐵鋼比為0.71，（高爐）鐵鋼產(chǎn)量差距是5.0億噸。這種情況在美國(guó)表現(xiàn)得更為突出。2017年美國(guó)產(chǎn)鋼8164萬(wàn)噸，而高爐鐵水僅為2233.5萬(wàn)噸，鐵鋼比低到只有0.27。
未來世界的鋼產(chǎn)量將在16億噸的基礎(chǔ)上繼續(xù)保持甚至增長(zhǎng)，但隨著全球廢鋼供應(yīng)的增加，高爐鐵水比例將相對(duì)鋼產(chǎn)量逐漸下降或鐵水產(chǎn)量******下降，這應(yīng)該是一個(gè)必然的趨勢(shì)。
我國(guó)狀況。
我國(guó)鋼鐵的發(fā)展過程也正在驗(yàn)證這個(gè)趨勢(shì)。我國(guó)是鐵鋼比高的國(guó)家，而且鑄造鐵比例高曾長(zhǎng)期使鐵的產(chǎn)量大于鋼的產(chǎn)量，鐵鋼比大于1。近年來，鋼、鐵產(chǎn)量均大幅度增長(zhǎng)，鐵鋼比開始出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，從1996年的1.05降低到2017年的0.85，而這種鐵鋼比變化帶來的鋼和鐵產(chǎn)量差已由1996年的-500萬(wàn)噸，拉大到2017年的1.21億噸。
鐵鋼比變化的主要內(nèi)在原因，正是煉鋼廢鋼使用量的不斷增加。如2001年的廢鋼使用量為4000萬(wàn)噸，2016年則達(dá)到9010萬(wàn)噸。特別是在2017年，隨著國(guó)家全面取締“地條鋼”生產(chǎn)，加之煉鐵環(huán)保限產(chǎn)及停產(chǎn)，使大量廢鋼流入正規(guī)煉鋼生產(chǎn)流程，據(jù)報(bào)道，全年總的廢鋼消費(fèi)量達(dá)到1.4億噸。
未來高爐煉鐵生產(chǎn)。
在鋼鐵生產(chǎn)節(jié)能減排以及廢鋼供應(yīng)量不斷增加的大趨勢(shì)下，全球的高爐煉鐵產(chǎn)量與鋼產(chǎn)量之間的差距會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大，高爐鐵水的總產(chǎn)量會(huì)穩(wěn)中有降。當(dāng)然這不排除個(gè)別地區(qū)一段時(shí)期的高爐鐵水產(chǎn)量增加。
對(duì)于我國(guó)來說，隨著經(jīng)濟(jì)從高速增長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹兴俜€(wěn)定發(fā)展，以及一些國(guó)家不斷加重的貿(mào)易保護(hù)主義造成的我國(guó)鋼材出口量下降，預(yù)計(jì)在未來一段時(shí)間，我國(guó)鋼產(chǎn)量將保持基本穩(wěn)定，煉鋼對(duì)鐵源的需求也將保持基本不變。
在這種情況下，煉鋼廢鋼的使用量將決定著高爐生鐵的產(chǎn)量。我國(guó)的鋼鐵積蓄量已超過80億噸，廢鋼供應(yīng)量超過1.5億噸/年，而且持續(xù)增加。有專家預(yù)測(cè)，到2020年，我國(guó)廢鋼供應(yīng)會(huì)達(dá)到2.7億噸。煉鋼使用廢鋼相較于使用高爐鐵水具有的節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)今我國(guó)嚴(yán)格要求鋼鐵生產(chǎn)節(jié)能環(huán)保的大環(huán)境下，更顯得突出。如果上述廢鋼供應(yīng)量得以實(shí)現(xiàn)，而且質(zhì)量得以******，隨著電爐減少吃鐵水，新建電爐以及新流程電爐投產(chǎn)和轉(zhuǎn)爐增加廢鋼比，我國(guó)高爐煉鐵產(chǎn)量開始逐步下降將是大概率事件。
當(dāng)然，根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有的煉鐵生產(chǎn)規(guī)模和經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)性，以及廢鋼的供應(yīng)量，在各種綜合因素的影響下，在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，高爐煉鐵雖會(huì)產(chǎn)量下降，但仍將保持其巨大的生產(chǎn)規(guī)模。
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