全球钢铁业的发展方向——绿色钢铁工业

　　降低CO₂排放量

    炼铁工艺

　　尽管直接还原铁(DRI)的产量已有较大的增长，但高炉(BF)炼铁工艺在近期内仍将是炼铁的主要方法。在一个钢铁联合企业中，整个钢铁生产所需能源的70%是由炼铁工序消耗的。因此，炼铁工程师一直在想方设法降低炼铁能耗，先后开发了干熄焦(CDQ)和炉顶余压发电(TRT)等节能工艺，还采取了粉煤湿度控制(CMC)、高炉喷煤(PCI）和利用废旧塑料炼焦炼铁等节能措施。在减少还原剂比例方面也做了很多工作，如：改善烧结矿的还原性、优化炉料分布、活性焦的利用、增加鼓风温度、降低鼓风湿度、尽量降低出铁时铁水和炉渣温度及硅含量、减少高炉热损失等。然而，还原剂比例在达到514千克／吨(铁水)左右以后已趋饱和，难以进一步改善。

　　一些新兴的炼铁法在降低能耗和 C0₂排放方面显示出较大的潜力。以天然气为燃料的FINMET—电炉法和 MIDTEX-电炉法C0₂排放量大大低于高炉一转炉法的平均水平；ITmk3、Hismelt和Tecnored等煤基炼铁法的能耗比普通高炉—转炉工艺低20%～25%，丝毫不亚于天然气基炼铁法。不过，这些新工艺大多处于初始阶段，上述数据尚需经过大规模生产的验证。

　　废钢利用率

　　作为炼钢原料，处理废钢较铁矿石能耗少得多。据相关统计数据显示，高炉—转炉工艺的C0₂排放量约为2.1吨／吨钢，比废钢—电弧炉工艺高4倍多。

　　废钢的使用中除了存在工艺方面的问题以外，还有回收、供应和夹杂元素的影响等问题。由于经济和生产率方面的原因，降低废钢中的夹杂元素是极其困难的。因此，最好的办法是更为有效地给废钢分类。对于报废汽车来说，可在轧碎前或轧碎后将非金属部件全部拆下。

　　既然用废钢替代铁水炼钢对于减少 CO₂排放非常重要，那么必须做出更大的努力来找到分离夹杂元素的有效方法，使废钢炼钢在经济上更具吸引力。 

　　炼铁和电炉炼钢的工艺融合

　　为了提高电炉的生产率，已经采用了许多有效的方法，包括：各种废钢预热和装料方法、各种造渣手段、热装操作、大量采用氧气或燃料烧嘴及偏心式炉底出钢等。这些方法使电炉的生产率得到了很大的提高，甚至可与转炉一比高低。另外，过去10年里又出现了多种新型的电炉设计。

　　改善优质钢的精炼工艺

　　从产品使用寿命的角度出发，优质钢品种有利于生态保护。例如，高强度钢能够减轻汽车、火车和轮船的重量，优质电工钢可以减少电力传输过程中的损耗等等，这些都是普通钢材无法做到的。根据国际钢铁学会(ISIJ)发布的LCA(生命周期评估)数据，2000年日本通过使用高性能钢材共减少了1540万吨的 CO₂排放量。

　　由于对优质钢中杂质含量的要求越来越苛刻，如何能够经济地满足这些要求是生产优质钢的关键。在冶炼优质钢中已成功地采用了下列措施，但尚需进一步的努力，以巩固已经取得的成果。

　　铁水脱硫、脱磷预处理

　　铁水脱硫、脱磷预处理工艺(HMPT)的问世正是为了满足优质钢对超低磷、硫含量的要求，它投入工业化生产已经 20年左右了。采用该工艺的优质钢种包括用于制造轴承、阀门弹簧、轮胎子午线、SEDDQ薄板、镀锡板、发动机、变压器、HSLA板、管线、压力容器和气轮机的钢种等。

　　HMPT工艺将脱硫和脱磷与转炉中的脱碳工序分开，减少了造渣量及铁水的再氧化损失，加快了转炉的冶炼周期。采用这种工艺以后，平均废钢比例低于10%的普通联合钢铁厂也能生产超低碳、磷、硫的优质钢种。超大容积高炉(平均3760立方米)生产的铁水其成本明显低于废钢，所以采用HMPT法生产优质钢种是一条经济的途径。

　　HMPT的缺点是不可避免的铁水热损失和利用价值不大的废渣。即使为废渣找到了利用途径，但热损失、CaF₂的使用及CaO在碱性熔剂中较低的利用率仍将是主要问题。为了解决这些问题，开发出了多次精炼转炉(MURC)工艺，它已经在日本投入工业化生产。

　　可将MURC工艺视为传统双渣法的现代版。利用低碱度和高氧化铁含量的熔渣进行快速脱硅和脱磷，倾炉将泡沫渣倒出，然后进行脱碳操作。出渣时部分熔渣保留在转炉中，其余的被循环用作HMPT的熔剂。这样一来，与常规的 HMPT-转炉工艺相比，废钢比例和CaO利用率得到了一定的提高，据称日本Oita钢厂的冶炼周期达到了每炉38分钟。

　　在二次精炼的周期内实现HMPT—转炉工艺组合的快速操作，进一步减少热损失和优化造渣，是更高效地生产高性能钢种的努力方向。

　　超低脱碳

　　超深冲钢(SEDDQ)常要求碳含量低于20×10^-6。添加钛和铌使其与氮和碳结合，形成细晶粒的碳化物、氮化物和碳氮化物，进一步细化铁素体晶粒，以获得更好更均匀的延伸率和深冲性能。RH工艺常用于低碳钢水的脱碳。高速脱碳是获得超低碳含量的关键，因为必须给脱碳和脱氧后的钢水留有足够的时间进行RH搅拌，以除去氧化铝夹杂。为此，采用了大口径的氧枪、底部吹氩、高真空度及脱碳初始阶段顶部吹氧等手段。

　　如果钢水需脱碳至10×10^-6以下，以部分抵消浇铸过程中不可避免的增碳，目前所达到的脱碳率对于200吨～300吨的炉子来说是不够的。吹H₂或N₂使钢水过饱和，以利用RH炉钢水中的内生气泡加速脱碳，是一种有效但较麻烦的方法。从炉顶加注熔剂也是可以考虑的手段，但还需进一步优化，以减少对耐火材料和设备维护工作的影响。

　　超低脱硫

　　利用钢包精炼炉使铁水脱硫的水平已经达到数个ppm，常用的脱硫剂有石灰精粉、石灰—荧石和石灰—镁合金混合料等，添加方式有喷吹和直接加入到鱼雷罐或铁水罐中。对于LF炉来说，炉渣的选择取决于所用脱氧剂的类型；石灰—矾土(少许硅石)或石灰—硅石(少许矾土)型熔渣较为常见。出于环保方面的考虑，用碳化钙脱硫的做法已不常见。

　　采用MUTC工艺进行铁水预脱硫，加上LF炉或RH炉再脱硫的方法，能够生产出超级深冲钢(S：20～30×10^-6)、轴承钢(S：10～30×10^-6)和轮胎帘线钢(S：<50×10^-6)等高性能钢种。值得一提的是，采用往RH炉中加注熔剂的方法可使氮含量降至20×10^-6以下。

　　夹杂物控制

　　阀门弹簧钢和轮胎帘线钢对疲劳极限和抗拉强度的要求很高，不允许10× 10^-6毫米以上氧化铝颗粒的存在。当钢水用铝进行脱氧时，即使钢包炉中氧化铝夹杂的粒度低于标准，但传输过程中的振动和再氧化可造成氧化铝的偏析，形成更大的颗粒。因此，为了将可溶铝控制在10×10^-6以下，用Si-Mn作为脱氧剂，加上用低硅、低铝炉渣进行钢包处理操作，已成为常见的脱氧方法。另外，进行努力，铝脱氧轴承钢中的氧化铝和氧化钛夹杂也被降至10×10^-6毫米以下，中包炉中的含量降至15×10^-6以下。

　　脱氧钢水的钙处理

　　用于生产HSLA管线和、板材的铝脱氧超低硫钢水必须进行钙处理，以控制硫化物的形状，保证HSLA管线钢的抗氢致裂纹性能和HSLA板材的全厚度延展性；为了防止铝脱氧钢连铸过程中中间包水口和浸入式水口的堵塞，也要实施钙处理。在Fe-Ca-O和Fe-Ca-Mg- O系统中Ca与O的平衡、以及Fe-A1- Ca-Mg-O系统中氧化物的相稳定性方面，已有基本定论。在不同相中Ca含量的测定技术方面也取得了较好的成果。已经建立了有关硫化物的形状控制和水口堵塞的经验指标，使用效果尚可，但仍存在较大波动。Ca处理仍然不是一种成熟的工艺，其使用效果取决于钢厂的具体操作条件。这些条件包括：1)挥发Ca的收得率，2)精炼时氧化剂、耐火材料、炉渣和熔剂的类型，3)搅拌程度和真空度，4)Ca添加之后的持续时间，5)钢水运输过程中的再氧化情况等。这意味着对Ca处理过程中的热动力学和质量传递，尤其是Ca与上述物质的同步反应，需要更为细致的研究，以建立起一个可靠的模型。

　　发展绿色炼钢技术

　　实现以新型能源取代现有主要能源目前看来尚遥不可及。因此，工作重点应放在发展集约利用资源的循环型绿色工业体系上。钢铁工业设备多，占地大，关联产业广，产生大量的废气、废液、废物和热量，是发展绿色工业的重点领域。但对于减少温室气体排放来说，在铁矿石碳还原法的框架内进行的工艺改进工作效果有限，难以令人满意。必须在继续改进现有生产工艺和设备的同时加快开发和实施新一代炼钢技术，提高和推广绿色钢材及其副产品的生产，在废物利用和能源回收利用方面加强与关联行业和当地社区的合作。

　　绿色工艺

　　民用垃圾在冶金过程中的气化熔融处理是绿色工艺的一个绝好例子。普通的垃圾焚烧处理产生大量的二氧化物和灰尘，且占用大片土地。垃圾在炼钢炉中气化后能够快速冷却，避免了二氧化物的形成，而且熔化的灰尘减小了体积，还可被作为炉渣利用。

　　绿色材料

　　前述优质钢就属于绿色材料。用高强度钢材制造汽车车身、发动机和牵引系统可以减轻重量，降低油耗。用于制造家电的预涂层钢板省去了上油、去污和涂漆工序，消除了有机可溶物对周围环境的污染。类似的例子还有很多，将来还会不断增加。  

　　绿色系统

　　起源于德国的利用高炉处理废旧塑料工艺就是建立绿色系统的一个范例。废旧塑料的处理一直是个头疼的问题：掩埋会占用大量土地且污染环境，焚烧会产生大量的有害气体。将块状废塑料破碎、薄膜塑料粒化后注入高炉，塑料在高炉中变为氢气和富含碳的还原剂，既减少了二氧化物的产生，又节省了燃料。另外，将塑料压碎粒化后注入到焦炉中，使其转化为焦炉煤气、焦油，既不影响焦炭质量，也不产生二氧化物。废旧塑料在焦炉中分解为20%的焦炭、40%的煤气和40%的焦油，这些物质都有利用价值。

　　总结 

　　先进的炼钢技术已经大大降低了能耗和C0₂排放量。通过优化和集成现有工艺、应用新兴工艺、更好地利用废钢和开发绿色钢材，C0₂排放量进一步下降10%的空间是可能存在的。高炉炼铁至转炉或电炉炼钢的基本工艺路线在可预见的未来仍将是炼钢生产的主要手段，因此仍需做出努力进一步改进工艺。

　　钢铁工业内部所能挖掘的环保潜力会逐渐减少，所以应加强与社会和其他产业间的合作，建立起资源循环利用体系。通过产业间的密切合作，建立起一个庞大的生态工业链，可大大减少能耗和污染物的产生。钢铁工业有责任带头向这个方向努力。