钢铁冶炼技术研究与发展动向
围绕高炉减排CO2这一最重要课题，针对高炉操作的稳定化以及冶炼反应研究为目的的活动广泛开展。本文就2000年以后关于高炉的研究活动及技术萌芽进行论述。
3.1 关于高炉临界现象控制的研究活动
日本铁钢协会研究所自1997年实施了强化高炉炉底研究活动之后，作为“以CO2发生量最小化为目标的高炉临界现象控制”的研究活动这个研究活动以消减CO2 10.5%、燃料比450kg/t为目标。低燃料比操作关注高炉炉身、炉腰、炉腹发生的悬料、坐料、液泛、出渣不良等异常现象。对发生机理以及动力学的临界条件与控制技术积极展开工作。
研究分为三个组：A组“移动层的悬料、坐料发生要因的解明与控制技术”；B组“煤气偏流的同时融体流动化现象的解析”；C组“炉芯充填层构造变化与煤气、融体偏流及非常规传热机理的解析”。其主要的研究成果如下：
（1）A组
通过控制填充构造防止悬料法，采用离散法解析高炉内粒子运动，对回旋区上部气体、固体以及空间大小的周期变动进行探讨。为了稳定下料速度、回旋区、中心煤气流，炉腰、炉腹部位防止炉体粘结非常重要。另外，采用微波对生产中高炉回旋区进行研究，发现炉芯形状及回旋区深度对下料速度影响非常大。
（2）B组
针对高炉滴落带的炉料结构，液泛、填料界限定量化。另外，根据液滴的力学解析，导出滴落带中液体量的推算式，并确认了其合理性。还明确了低燃料比操作下滴落带液体偏流、液泛，液滴直径及粘性对液泛的影响。
（3）C组
回旋区产生粉末堆积对炉缸焦炭的透液性产生重大影响，通过高炉数学模型进行了解析。另外，开发了炉缸熔体流动、传热、反应模型。就低燃料比操作时液态渣铁流动、残渣铁量、温度变化进行了解析的同时，明确了稳定出铁、出渣的控制方法。针对高炉内异常现象定量化这一难题，初次实施了系统性研究。针对实验方法、现象模型化以及解析方法等，开发了高炉功能强化的方法。另外，对于炉况变动力学因素，获得了重要认识，并在此基础上进行进一步研究和探讨。
3.2 面向革新、紧凑型高炉的研究活动
自1998年以来，振兴科学技术综合研究室实施了“能源减半、环境负荷最小化为目标的高炉革新性冶炼反应相关研究”的大型项目。这个项目设置以下3个研究分会，立足于钢铁冶炼反应的基础第1分会研究“还原与煤气化反应的低温高速化”；第2分会研究“煤炭、矿石性能、形状优化的组成及构造设计”；第3分会研究“革新性高炉炼铁法的工艺评价”。研究者的项目成果概要以及钢铁冶炼的研究成果列举如下：
（1）还原与煤气化反应的低温高速化
作为低温煤气化过程的高速化反应技术，提出通过矿石与煤炭间接共存，利用还原反应与煤气化反应的相互作用。这种以间接或直接与固体碳的反应表明，高温下产生的熔融炉渣为反应介质。为了高效生成该介质，需要反应性高的炭材。实现该目标的基础是通过拉曼分光法，解析碳构造与煤气化特性的关系。
（2）实现低温高速炼铁的原料优化
关于高速、低能量、低黏合剂造块成矿的基本原理。比较了不同氧压下液态CaO-SiO2-FeOx-MgO系的状态图。溶液生成速度、浸透、扩散和粘湿等的物理化学特性以及凝固组织的强度预测法得到明确。另外，探明了还原熔融优质的炉渣成分与气孔构造，矿石与煤炭的高密度、高强度结合等技术，探讨了耗能减半的革新性矿石造块方法。利用煤炭的热可塑性，将碳材与矿石高密度结合的造块法，高炉的热储备区温度（还原平衡区）能够降低150℃~200℃。该技术成果有望成为打破现有高炉能源效率极限的革命性技术。
（3）降低还原铁与炉渣的熔点
关于决定渗碳反应的熔融温度，在以前的固体渗碳、煤气渗碳的基础上，通过熔融炉渣产生了渗碳。另外，还原铁的渗碳开始温度与炉渣熔点有密切关系，熔点越低的炉渣，渗碳开始温度也越低。并且，从炉渣的热力学可知，在CaO-SiO2-Al2O3-MgO渣系的2个组成领域内，存在低熔点区域。
（4）革新性高炉炼铁法的工艺评价
在以上成果的基础上，为了定量性评价高炉内发生的多元、多相反应与每个影响因素的关系，以及各种操作参数对高炉能量效率的影响，开发了各种三维程序和数学模型。采用这些模型，针对设定的炼铁程序，进行数值模拟，得到耗能最小的程序图像与操作条件。
4 展望
4.1 强化高炉炼铁反应的技术
降低高炉所需能源，实现高矿焦比操作最为重要。为此，关键问题是高炉动力学临界点以及提高反应效率。关于动力学临界点的问题，根据“高炉临界现象控制研究”取得的成果，在实际操作中进行了修正。另一方面，关于改善反应效率的方法有：①通过矿石与焦炭最恰当的配置，实现低温、高速还原。②通过添加触媒，实现反应的高速化。③矿石原料成分和组织的最优化。④部分还原矿的制造及在高炉中的应用。①~③方法是指高炉内炉料块状态下，还原煤气化的高速反应，归因于热力学上的还原平衡温度的降低。通过炭材内装法已经发现其可能性。今后，有必要开发最合理和先进的平衡点控制技术。研究矿石炭材混合体的构造及其组织设计、程序设计的构筑等，以及高炉上的实用技术。另外，关于①方法，采用已有的实验设备，还原率能达到60%。因此，希望开发生产性和燃料比进一步完善的技术。
4.2 氢利用技术
利用碳化氢系煤气的有效喷吹，提高低温还原效率，改善熔融带的透气性等，不仅减排CO2，还能强化高炉功能。将富含氢的有机系废弃物等作为炼铁燃料，有效利用氢资源的道路仍需探讨。并且，炼铁能源和供需的多样化探讨也很有必要。
4.3 资源劣质化对策、资源再循环利用和新工艺的进步
通过炭材与矿石造块，使用难烧结性矿石和炭材形成的金属复合块来应对资源劣质化。合理利用含碳造块矿中的二次铁鳞和粉尘，将有机废弃物作为炼铁燃料。这些革新造块技术及新能源均可应用到高炉或熔融炉等。关于资源、能源和环境的研究课题，每项技术都与铁矿石和碳素间的反应密切相关，因此要在冶炼反应基础上积极研究。
5 结语
进入新世纪后，在综合考虑资源、能源和环境的前提下，人们对开发新技术倾注了很大精力。对于热效率最高的高炉，今后日本的目标是CO2排放减少10.5%。要实现这个目标，需要采用革新的方法。以高炉冶炼反应理论为基础，积极与未来革新技术接轨，是非常迫切的工作，将产学研有机结合，跨领域合作，才能更加积极的应对挑战。
(来源：钢铁产业)
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