新中國(guó)成立70年來,隨著國(guó)家的繁榮昌盛和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,我國(guó)煉鐵工業(yè)取得了巨大的進(jìn)展和成就。
中國(guó)煉鐵工業(yè)70年變遷
根據(jù)新中國(guó)成立70年來生鐵產(chǎn)量的變化,結(jié)合社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,可將我國(guó)煉鐵工業(yè)大體分為4個(gè)階段:奠定基礎(chǔ)階段(1949年~1978年)、引進(jìn)學(xué)習(xí)階段(1978年~2000年)、自主開發(fā)階段(2000年~2013年)、綠色創(chuàng)新階段(2013年至今)。各個(gè)階段生產(chǎn)技術(shù)水平的變化,可以通過高爐煉鐵的焦比、利用系數(shù)以及入爐原料品位的變化反映出來。具體如下:
奠定基礎(chǔ)階段的顯著特征是艱苦奮斗。新中國(guó)成立初期,百?gòu)U待興,中國(guó)的生鐵產(chǎn)量每年只有約25萬噸。在1978年改革開放之前的這一階段,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,主要經(jīng)歷了6個(gè)時(shí)期:恢復(fù)生產(chǎn)時(shí)期(1949年~1952年)、學(xué)習(xí)前蘇聯(lián)時(shí)期(1952年~1958年)、“大躍進(jìn)”時(shí)期(1958年~1960年)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)調(diào)整時(shí)期(1960年~1963年)、獨(dú)立發(fā)展時(shí)期(1963年~1966年)、“文化大革命”時(shí)期(1966年~1976年)。中國(guó)煉鐵工業(yè)的發(fā)展在這6個(gè)時(shí)期里均留下了深刻的時(shí)代烙印。
其中,鞍鋼7號(hào)高爐重建投產(chǎn)是煉鐵工業(yè)恢復(fù)生產(chǎn)時(shí)期的一個(gè)重要標(biāo)志。當(dāng)時(shí),在落后的裝備條件下,鞍鋼努力保持高爐順行,其焦比接近1000千克/噸鐵,利用系數(shù)只有1.0噸/立方米·天。從第一個(gè)五年計(jì)劃開始,中國(guó)鋼鐵工業(yè)全面向前蘇聯(lián)學(xué)習(xí),高爐煉鐵水平明顯提高。1953年,中國(guó)科學(xué)院和冶金工業(yè)部聯(lián)合十幾個(gè)研究單位對(duì)包頭鐵礦的綜合利用進(jìn)行了全面研究,成功解決了復(fù)雜礦綜合利用問題。學(xué)習(xí)前蘇聯(lián)時(shí)期高爐燃料比降到713千克/噸鐵,利用系數(shù)提高到1.49噸/立方米·天,高爐入爐品位也保持上升趨勢(shì)。1958年開始的“大躍進(jìn)”,煉鐵工業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛,但是焦比明顯增加,利用系數(shù)和入爐品位有所降低。1961年,中國(guó)開始對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)進(jìn)行調(diào)整,相當(dāng)多的煉鐵企業(yè)停產(chǎn)減產(chǎn),產(chǎn)量從1960年的2716萬噸降到1963年的741萬噸。1963年,國(guó)民經(jīng)濟(jì)調(diào)整期結(jié)束,隨即進(jìn)入短暫的獨(dú)立發(fā)展時(shí)期。在這一時(shí)期,我國(guó)煉鐵技術(shù)取得了明顯進(jìn)步。1965年,在大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,中國(guó)成功解決了攀枝花釩鈦磁鐵礦的高爐冶煉問題。1966年,高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到了自新中國(guó)成立以來的最好水平,重點(diǎn)企業(yè)的焦比降至558千克/噸鐵(見圖2),當(dāng)時(shí)僅次于日本,居世界第二位;噴吹煤粉的一些高爐焦比甚至降至400千克/噸鐵左右,達(dá)到當(dāng)時(shí)的國(guó)際領(lǐng)先水平。但是,1966年開始的“文化大革命”,結(jié)束了煉鐵工業(yè)的大好形勢(shì),盡管產(chǎn)量略有增長(zhǎng),但總體來講,這一時(shí)期中國(guó)鋼鐵生產(chǎn)起伏不定,形成了鋼鐵工業(yè)“十年徘徊”的局面。
引進(jìn)學(xué)習(xí)階段的顯著特征是改革和開放。1978年,黨的十一屆三中全會(huì)開啟了改革開放的新征程。中國(guó)陸續(xù)引進(jìn)了日本和歐美的當(dāng)代先進(jìn)煉鐵工藝技術(shù)。1985年建成投產(chǎn)的寶鋼1號(hào)高爐是中國(guó)煉鐵進(jìn)入學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)階段的重要標(biāo)志。寶鋼一期工程的原料場(chǎng)、燒結(jié)、焦化、高爐以日本新日鐵君津、大分等廠為樣板,成套引進(jìn),國(guó)產(chǎn)化率只有12%;二期工程由國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì),設(shè)備以國(guó)產(chǎn)設(shè)備為主,國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到85%以上,于1991年建成投產(chǎn);三期工程在1994年前后陸續(xù)建成投產(chǎn)。此外,1991年建成投產(chǎn)的武鋼新3號(hào)高爐(3200立方米,現(xiàn)稱5號(hào)高爐)是20世紀(jì)80年代中國(guó)煉鐵學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的另一個(gè)案例,從第一代生產(chǎn)實(shí)踐來看,高爐實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo),一代爐役壽命達(dá)到15年零8個(gè)月。
通過不斷引進(jìn)和學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù),中國(guó)煉鐵工業(yè)在此階段的產(chǎn)量保持穩(wěn)定增長(zhǎng),從1978年的3479萬噸增加到2000年的1.31億噸,與此對(duì)應(yīng)的焦比從1978年的562千克/噸鐵降低到2000年的429千克/噸鐵,高爐利用系數(shù)從1.43噸/立方米·天增加到2.22噸/立方米·天。這一時(shí)期的積累為中國(guó)煉鐵工業(yè)進(jìn)入21世紀(jì)后的高速發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
自主開發(fā)階段的顯著特征是開拓進(jìn)取。進(jìn)入21世紀(jì)后,中國(guó)煉鐵工業(yè)進(jìn)入自主開發(fā)階段,煉鐵技術(shù)裝備的大型化和現(xiàn)代化是這一時(shí)期煉鐵工業(yè)發(fā)展的特點(diǎn),各個(gè)方面也都取得了很大進(jìn)步,比如原燃料質(zhì)量得到改善、高爐操作技術(shù)不斷進(jìn)步、高爐壽命延長(zhǎng)等。在此階段,中國(guó)經(jīng)濟(jì)騰飛對(duì)鋼鐵的需求不斷增加,2000年~2013年中國(guó)生鐵產(chǎn)量快速增長(zhǎng),除了受金融危機(jī)影響的2005年~2009年,這一階段生鐵產(chǎn)量以每?jī)赡暝鲩L(zhǎng)1億噸的速度發(fā)展,并于2009年在世界生鐵產(chǎn)量中占比達(dá)到57%,此后我國(guó)便一直占據(jù)世界生鐵產(chǎn)量的半壁江山。
在此期間,我國(guó)建設(shè)了首鋼京唐5500立方米高爐、沙鋼5800立方米高爐,以及鞍鋼鲅魚圈等企業(yè)的十幾座4000立方米級(jí)的大型高爐,建設(shè)了首鋼京唐550平方米、太鋼660平方米等大型燒結(jié)機(jī),很多大型裝備達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。首鋼京唐1號(hào)高爐于2009年5月21日投產(chǎn),2號(hào)高爐于2010年6月26日投產(chǎn)。這兩座5500立方米高爐的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)按照國(guó)際先進(jìn)水平設(shè)計(jì):利用系數(shù)為2.3噸/立方米·天,焦比為290千克/噸鐵,煤比為200千克/噸,燃料比為490千克/噸,風(fēng)溫為1300攝氏度,煤氣含塵量為5毫克/立方米,一代爐役壽命為25年等。首鋼京唐兩座高爐投產(chǎn)以來的生產(chǎn)實(shí)踐表明,中國(guó)煉鐵技術(shù)自主創(chuàng)新和集成創(chuàng)新取得了重大進(jìn)展。
綠色創(chuàng)新階段的顯著特征是轉(zhuǎn)型升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展。2013年后,中國(guó)煉鐵工業(yè)由高速增長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)向綠色創(chuàng)新階段,生鐵產(chǎn)量開始略微降低,產(chǎn)量穩(wěn)定在7億噸左右。伴隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí),煉鐵工業(yè)面臨資源、環(huán)保和結(jié)構(gòu)調(diào)整的多重壓力,開始呈現(xiàn)減量化創(chuàng)新發(fā)展的態(tài)勢(shì)。注重高質(zhì)量和綠色環(huán)保是這一階段煉鐵工業(yè)發(fā)展的特點(diǎn)。具有代表性的進(jìn)展是寶鋼湛江兩座5050立方米高爐的投產(chǎn)。湛江鋼鐵1號(hào)高爐和2號(hào)高爐分別于2015年9月25日和2016年7月15日順利投產(chǎn)。湛江鋼鐵高爐設(shè)計(jì)貫徹高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、長(zhǎng)壽、環(huán)保的技術(shù)方針,采用多項(xiàng)先進(jìn)工藝技術(shù)及裝備。此外,山鋼日照的2座5100立方米高爐分別于2017年12月和2019年1月順利投產(chǎn)。
這一階段,中國(guó)在綠色煉鐵新工藝,特別是熔融還原和直接還原方面也邁出了新的步伐。寶武集團(tuán)八鋼1號(hào)爐于2015年6月18日正式點(diǎn)火投產(chǎn),其原型是2012年寶鋼羅涇的Corex-3000煉鐵爐,設(shè)計(jì)年產(chǎn)鐵水150萬噸,是目前全球最大最先進(jìn)的熔融還原煉鐵爐。此外,山東墨龍石油機(jī)械公司引進(jìn)消化了澳大利亞力拓的HIsmelt技術(shù),于2016年6月開爐成功,首次實(shí)現(xiàn)了HIsmelt連續(xù)工業(yè)化出鐵,采用粉煤和粉礦直接冶煉出生鐵,取得了一系列的技術(shù)進(jìn)步。2013年5月,山西中晉太行礦業(yè)公司與伊朗MME公司在太原簽約,引進(jìn)并消化先進(jìn)的“直接還原鐵”工藝技術(shù)和設(shè)備(自主命名為CSDRI),計(jì)劃年產(chǎn)30萬噸,該工藝將于2019年底投產(chǎn),這將是國(guó)內(nèi)第一次用焦?fàn)t煤氣改質(zhì)生產(chǎn)直接還原鐵。
當(dāng)前中國(guó)煉鐵工業(yè)面臨的挑戰(zhàn)
盡管各種綠色煉鐵新工藝不斷發(fā)展,但在可以預(yù)計(jì)的將來,煉鐵工業(yè)仍將以焦化—燒結(jié)/球團(tuán)—高爐為主。以焦化—燒結(jié)—高爐為主的煉鐵流程的污染物排放,大約占到鋼鐵流程總排放量的90%,能耗占鋼鐵生產(chǎn)總能耗的60%以上,生產(chǎn)成本占到鋼鐵生產(chǎn)總成本的70%左右。另外,煉鐵系統(tǒng)還面臨著消耗大量資源的壓力。
綠色環(huán)保已成為煉鐵工藝發(fā)展的首要標(biāo)準(zhǔn)。黨的十九大報(bào)告指出,必須樹立和踐行“綠水青山就是金山銀山”的理念,國(guó)家圍繞“美麗中國(guó)”建設(shè)提出了一系列政策,環(huán)保已經(jīng)成為鋼鐵行業(yè)繞不開的問題。另外,鋼鐵工業(yè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)貢獻(xiàn)逐年降低(當(dāng)前鋼鐵工業(yè)GDP增加值占全國(guó)工業(yè)總產(chǎn)值增加值的3%左右),而污染物排放在工業(yè)總污染物中占比較高(SO2占12.8%,NOX占6.5%,煙粉塵占17.7%),中央和地方政府近年來加大了環(huán)保治理力度,倒逼鋼鐵工業(yè)必須減量發(fā)展和高質(zhì)量發(fā)展。
2018年6月,國(guó)務(wù)院發(fā)布實(shí)施《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》,提出經(jīng)過3年努力,大幅減少主要大氣污染物排放總量,協(xié)同減少溫室氣體排放。生態(tài)環(huán)境部會(huì)同有關(guān)部委于2019年4月發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》,明確要求燒結(jié)機(jī)機(jī)頭、球團(tuán)焙燒的煙氣顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度小時(shí)均值分別不高于10毫克/立方米、35毫克/立方米、50毫克/立方米,達(dá)到超低排放的鋼鐵企業(yè)每月至少95%以上時(shí)段小時(shí)均值排放濃度滿足上述要求。這說明綠色環(huán)保勢(shì)在必行。
煉鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨資源、能源的挑戰(zhàn)。從煉鐵系統(tǒng)消耗的資源來看,我國(guó)鐵礦石儲(chǔ)量大、品位低,還得進(jìn)口鐵礦石來彌補(bǔ)供需缺口。2010年~2017年我國(guó)進(jìn)口鐵礦石量逐年增長(zhǎng),其所占國(guó)內(nèi)鐵礦石消耗總量比例從64%增加到89%,其中2015年國(guó)內(nèi)鐵礦石對(duì)外依存度首次突破80%,達(dá)到了83%。然而我國(guó)作為世界第一大鐵礦石進(jìn)口國(guó),依然未能掌握鐵礦石的國(guó)際定價(jià)權(quán)。2019年1月,巴西淡水河谷發(fā)生潰壩事故,再加上澳大利亞極端天氣的疊加影響,國(guó)際鐵礦石供應(yīng)量下滑,價(jià)格大幅上漲到近120美元/噸,致我國(guó)鋼鐵企業(yè)效益下降20%以上,保守估計(jì)我國(guó)將因此損失300億美元以上。
此外,當(dāng)前占據(jù)主導(dǎo)地位的高爐流程必須依賴優(yōu)質(zhì)焦煤生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)焦炭,但我國(guó)焦煤儲(chǔ)量?jī)H占煤炭?jī)?chǔ)量的10%,而主焦煤僅占整個(gè)煤種的2.4%,中國(guó)焦煤的消耗速度大大高于其他煤種的消耗速度?!洞蜈A藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》要求重點(diǎn)區(qū)域加大獨(dú)立焦化企業(yè)淘汰力度,京津冀及周邊地區(qū)實(shí)施“以鋼定焦”,力爭(zhēng)2020年煉焦產(chǎn)能與鋼鐵產(chǎn)能比達(dá)到40%左右。這不僅會(huì)導(dǎo)致焦炭成本上升,而且會(huì)從根本上淘汰落后高爐。
展望中國(guó)煉鐵工業(yè)
新一代煉鐵技術(shù)必須以低碳綠色為前提。
目前,地球大氣層中CO2含量過高而導(dǎo)致的全球變暖問題已受到世界廣泛關(guān)注,當(dāng)前大氣中CO2含量已突破400ppm,并呈逐年上升趨勢(shì)。鋼鐵行業(yè)的CO2年排放量占全球總排放的6.7%,其中煉鐵系統(tǒng)排放占據(jù)鋼鐵全流程總排放的70%左右。2018年我國(guó)鋼鐵工業(yè)的CO2直接排放量達(dá)19.5億噸,約占我國(guó)CO2排放總量的34%左右,僅次于電力行業(yè)。中國(guó)煉鐵工業(yè)面臨著節(jié)能減排的重要挑戰(zhàn),而傳統(tǒng)煉鐵流程的CO2減排幾乎已到極限。世界各國(guó)正在逐步開展各項(xiàng)全新的低碳煉鐵新工藝以降低CO2排放,中國(guó)鋼鐵行業(yè)近年來也加快了低碳煉鐵和氫冶金項(xiàng)目的研發(fā)和試驗(yàn)。
2017年12月,中國(guó)碳排放交易體系正式啟動(dòng),鋼鐵工業(yè)是碳交易市場(chǎng)的主要目標(biāo)和核心參與者。在可預(yù)見的將來,碳排放將成為環(huán)保之后決定企業(yè)生死存亡并倒逼鋼鐵企業(yè)發(fā)展低碳煉鐵技術(shù)的新挑戰(zhàn)。2019年1月,寶武集團(tuán)率先行動(dòng),與中核集團(tuán)、清華大學(xué)簽訂《核能—制氫—冶金耦合技術(shù)戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》,其核心就是用核能制氫,再用氫為煉鐵工序提供清潔能源和清潔還原劑。2019年3月,河鋼集團(tuán)與中國(guó)工程院戰(zhàn)略咨詢中心、中國(guó)鋼研、東北大學(xué)聯(lián)合組建了氫能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心,圍繞焦?fàn)t煤氣制氫、儲(chǔ)氫運(yùn)氫材料、燃料電池汽車、富氫冶金技術(shù)等領(lǐng)域,加快技術(shù)研發(fā)與儲(chǔ)備。此外,建龍集團(tuán)也于2019年在內(nèi)蒙古烏海啟動(dòng)了非高爐綠色煉鐵新工藝的研發(fā)與中試工作,初步投資5億元。
資源和能源循環(huán)利用是新一代煉鐵技術(shù)的基本特征。
煉鐵工業(yè)當(dāng)前所依賴的資源和能源均不可再生,循環(huán)利用是保障煉鐵工業(yè)資源和能源可持續(xù)發(fā)展的根本途徑。未來的鋼鐵廠應(yīng)該是具有“優(yōu)質(zhì)鋼材生產(chǎn)線—高效率能源轉(zhuǎn)化器—社會(huì)廢棄物消納裝置”3個(gè)功能的新型流程工業(yè),這一理念的核心在煉鐵工序。作為鋼鐵生產(chǎn)能耗最大的環(huán)節(jié),煉鐵系統(tǒng)在耗能的過程中產(chǎn)生大量的二次能源,如各種煙氣和高溫熔渣,其中中國(guó)每年高爐渣產(chǎn)量約2.68億噸,其大量顯熱目前還未充分利用。如何高效地循環(huán)利用各種二次能源,并最大限度地降低過程能耗,是未來煉鐵工藝可持續(xù)發(fā)展必須解決的問題。
作為物料消耗最大的過程工序,未來煉鐵工業(yè)除了循環(huán)利用鋼鐵廠二次產(chǎn)生的各種資源(粉塵、爐渣等)之外,還要承擔(dān)轉(zhuǎn)移、消納、處理社會(huì)廢棄物的責(zé)任,如社會(huì)的廢塑料、廢輪胎,處理社區(qū)廢水、處理垃圾等。煉鐵工業(yè)要自覺融入社會(huì),推進(jìn)行業(yè)間的循環(huán)經(jīng)濟(jì)、資源、能源的生態(tài)化鏈接,促進(jìn)社會(huì)能源、資源的高效利用。
智能制造描繪未來煉鐵工業(yè)的燦爛前景。
隨著德國(guó)提出“工業(yè)4.0”,全球開始了以高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、機(jī)器自組織為標(biāo)志的第四次工業(yè)革命,掀起了一場(chǎng)全面提升制造業(yè)、迎接新一輪產(chǎn)業(yè)革命的浪潮。黨的十九大報(bào)告指出,必須加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè),推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實(shí)體經(jīng)濟(jì)的深度融合,支持傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)。2019年6月,工信部正式發(fā)放5G商用牌照,標(biāo)志著我國(guó)正式進(jìn)入5G商用元年。一批鋼鐵及相關(guān)企業(yè)先行,在人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等方面進(jìn)行了有力的探索和實(shí)踐。
煉鐵工業(yè)作為鋼鐵生產(chǎn)資源、能耗和成本的關(guān)鍵工序,要在未來的技術(shù)升級(jí)過程中,充分整合煉鐵各工藝單元的自動(dòng)化及信息化系統(tǒng),搭建煉鐵智能制造的大數(shù)據(jù)云平臺(tái),建立大數(shù)據(jù)相關(guān)性分析、技術(shù)與知識(shí)模型,實(shí)現(xiàn)鐵前系統(tǒng)智能決策與預(yù)警,為實(shí)現(xiàn)煉鐵生產(chǎn)的智能制造邁出重要步伐。
中國(guó)煉鐵工作者通過70年的不斷努力,已經(jīng)成功進(jìn)入世界煉鐵工業(yè)先進(jìn)行列。隨著歷史車輪不斷前進(jìn),社會(huì)和自然的不斷演變,人類對(duì)美好生活的追求與有限的自然資源及環(huán)境容量之間的矛盾不斷加劇,在經(jīng)濟(jì)形勢(shì)存在諸多不確定因素的情況下,中國(guó)煉鐵工業(yè)面對(duì)環(huán)境和資源的挑戰(zhàn),堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展道路,還有待廣大科研人員、工程技術(shù)工作者和企業(yè)管理者的不斷努力奮斗??蒲腥藛T要扎根基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究,在學(xué)術(shù)理論和工藝原理上取得突破;工程技術(shù)工作者要登高望遠(yuǎn),勇于打破傳統(tǒng),實(shí)現(xiàn)前沿理論和技術(shù)的工業(yè)化;企業(yè)管理者要在復(fù)雜多變的國(guó)內(nèi)外政治和經(jīng)濟(jì)形勢(shì)中確定高效的企業(yè)管理運(yùn)營(yíng)機(jī)制,保障新技術(shù)的持續(xù)推進(jìn)。在廣大煉鐵工作者的協(xié)同努力下,中國(guó)煉鐵工業(yè)必將迎來更加燦爛輝煌的前景。
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