我国炼铁发展前景及面临的挑战

沙永志

（中国钢研新冶高科技集团有限公司，北京100081）

我国的钢铁工业是以高炉—转炉流程为主的生产过程。2014年我国钢产量达8.227亿t，占世界总产量的49.5%，生铁产量达7.116亿t，占世界总量的60.3%。面临着钢铁产能过剩的现状以及日益严格的环保要求，确定我国正确的炼铁工业发展方向不仅是各钢铁生产企业自身的需求，更是支撑我国钢铁工业整体健康发展的重要基础。本文从我国的炼铁基本状况和需求出发，分析未来炼铁的生产规模变化、面临的挑战及应采取的措施，以期抛砖引玉，与行业专家同仁共谋发展良策。

1 我国炼铁工业的基本状况

1.1 生产工艺

我国炼铁生产全部是高炉生产流程。高炉工艺因其成熟、高效以及能力巨大的优势，一直保持着垄断地位。Corex熔融还原工艺曾在国内建成两套生产装置，但未能持续生产。虽曾建成多条煤基直接还原铁回转窑生产线，但均已停产。前些年所建的数套转底炉直接还原装置均用于处理钢铁粉尘或特殊矿，其产品不是用于炼钢的原料。

1.2 生产状况

1.2.1 高炉生产

近十年来，相对国外生铁长期保持4亿t左右的总量不变，我国生铁产量的变化是巨大的（见图1）。 生铁产量的激增不仅支撑了我国钢产量的增长，而且带动了全球铁矿业经济的快速发展。当前我国巨大的生铁生产规模已成为影响世界炼铁生产和全球铁矿生产的主要因素。

高炉的操作指标不断改善，主要体现在高炉风温和煤比的提高及燃料比的降低，见图2所示［1］，高炉寿命得到普遍延长。特别是近些年，在钢铁产能过剩及原燃料质量下降的恶劣形势下，各炼铁厂采取各种措施，保持生铁加工成本不断下降。

1.2.2 烧结矿及球团矿生产

为支撑我国巨大的高炉炼铁生产，我国的烧结矿和球团矿生产保持同步增加。2014年，估算烧结矿产量达到8亿t，球团矿产量达到2.4亿t。高炉的炉料结构得到明显改善，见图3。球团矿的比例显著增加，达到20%以上。同时，在铁矿原料质量变差及供应稳定性严重恶化的情况下，通过采取厚料厚料层烧结及链篦机-回转窑等先进工艺和技术，实现了优质低成本烧结矿和球团矿的生产，保证了高炉炼铁良好指标的实现，见图4。

1.2.3 焦炭生产

我国焦炭生产很好满足了高炉炼铁的需要。2014年生产焦炭4.77亿t，其中钢铁联合企业所产焦炭约占1/3。随着焦炉大型化、干熄焦、煤调湿以及顶装焦技术的应用，焦炭质量得到保证，焦炭价格持续下降。

1.3 生产设备

近年来，我国建设投产了大批中型和大型高炉。现已有4000 m3以上高炉18座，1000 m3以上300余座，另有多座5000 m3高炉在建设中。高炉的大型化取得显著进步。估算高炉产能达到9亿t，甚至更多。我国高炉总体装备和控制水平处于世界领先水平。

我国的烧结机大型化进步显著，除了有660 m2世界最大的烧结机外，大于100 m2烧结机数量约264台，占总烧结面积的70%以上。

我国的球团生产设备得到优化，先进的链篦机-回转窑工艺装备已占总产量的55%以上。年产400万t的带式机装置已稳定运行3年多，落后的竖炉工艺正在被淘汰。

焦炉的大型化发展迅速。新建的顶装焦炉均为6 m以上，捣固焦炉在5.5 m以上。

总体评价，我国的炼铁设备已基本实现大型化和现代化，无需投入进行大规模改造。

1.4 环保状况

我国炼铁厂遍及除西藏和海南的全国各地，而且许多是在城市的边缘，甚至是在城市之中。近年来，炼铁的环保改造取得显著进步，一些企业的清洁生产程度达到世界领先水平。然而，不可否认的是，许多炼铁厂的污染物排放控制水平还很低，包括出铁场的粉尘未得到有效控制，烧结烟气的污染物处理不理想，缺乏有效的污染物排放监控手段，尤其是对炼铁工序PM2.5的排放状况缺乏认识，更未采取有针对性的控制。在国家采取各种措施大力解决日益严重的大气雾霾天气的过程中，处于相当被动的地位。

2 我国炼铁工业发展前景

2.1 炼铁生产工艺

我国非高炉炼铁工艺仍在开发应用过程中，包括Corex装置的搬迁以及Finex工艺的应用尝试。然而，考虑到高炉炼铁工艺的成熟和高效性，特别是现已处于炼铁产能严重过剩阶段，加之我国的资源特点，使各种非高炉炼铁工艺难以获得足够的发展空间。毫无疑问，高炉工艺仍将长期在我国未来炼铁工业中占据垄断地位。

2.2 炼铁生产规模

在产能过剩的情况下，未来炼铁产量的变化是备受行业内外关注的。影响未来炼铁生产规模变化的因素主要是钢产量需求和铁钢比变化。对二者的变化简要分析如下。

2.2.1 未来钢产量的变化

长期以来，我国每年的铁产量一直保持着与钢产量一致的水平，即产多少钢就需要多少铁，见图5。近年来，虽然二者之间有所差距，但钢产量仍将是决定铁产量的最主要因素。

未来的钢产量取决于我国的钢材消费量变化，进口钢材量变化及出口钢材量的变化。

近十年来，我国钢材消费量逐年增加，见图6。人均钢材消费已达545 kg，处于世界先进水平。国家工信部预测，2015年我国的钢材消费将达7.5亿t，2015～2020 年，逐步达到 7.7～8.2 亿 t/a。

我国进口钢材量已从最高的3 600万t（2003年）逐步降低到近几年的1 500万t左右（2014年为1 451万t）。我国的钢材市场占有率(自给率)在不断提高，已达到98%以上。未来的进口钢材量仍将保持略有下降的趋势。因此，如果未来我国的钢材消费达到8亿t/a，即使以目前的市场占有率不变估算，需要粗钢产量达8.3亿t左右。

驱动我国钢产量增加的另一因素是钢材出口。自2009年达到低谷以来，钢材出口量逐年快速增加，见图7。 2014年钢材出口量达到创纪录的 9 378 万 t。

虽然钢材出口面临着出口国的不同贸易壁垒，但从总的趋势来看，由于我国钢材供应的量大、面广、低价，在世界市场具有强大竞争力。因此，有理由相信我国的钢材出口量将保持不断增长。以2015～2020年保持9 000万t出口钢材量计算，带动粗钢产量增加9 600万t。

按上述数据推算，2015～2020年期间，我国粗钢产量应达到8.5～9.0亿t。因此，未来的时间里，只要我国的经济保持平稳发展，我国的钢产量将维持在高位运行。而钢材出口量的增加甚至会促进钢产量的进一步提高。随着我国钢铁工业的快速发展，我国钢产量在全球钢产量中的比例已从十年前的不足20%到目前的50%。鉴于钢铁厂建设所需的巨大投资、钢铁生产的高昂运行费用以及全球钢铁行业的产能过剩、利润下滑，国外新建钢铁厂的数量锐减，许多在建项目进展缓慢。因此，预测我国钢产量在全球中的高比例将会持续下去。

综合分析，未来我国保持8.5～9亿t的粗钢产量有相当的现实性。国外一些著名铁矿公司甚至纷纷给出高达10～11亿t钢的更乐观预测。当然，如果国内经济出现停滞，或出口受限，钢产量出现下滑也是情理之中的。

2.2.2 未来铁钢比的变化

从目前的状态来看，随着我国钢产量的增加，铁产量也必将同步增加。然而，一个不可忽视的因素是未来铁钢比的变化。它将影响着我国铁产量的增长速度，甚至会导致铁产量的下降。

（1）铁钢比下降是一个必然趋势

钢作为最好材料的原因之一是其可循环使用。随着社会钢的积蓄量的增加，废钢的供应量也不断增加。使用废钢通过电炉炼钢的比例在不断增加。统计国外铁钢产量可见，二者之间的差距在不断扩大，见图8。 目前，国外铁钢比已降至0.55左右，见图9。

我国长期以来，由于缺乏足够的废钢资源，铁产量和钢产量基本相当，铁钢比一直维持在1左右。然而，应当注意到，近些年来虽然钢铁产量均高速增长，但二者之间的差距开始扩大（见图5），铁钢比开始出现下降的趋势 （见图8），2014年则降低到0.865。因此，未来铁钢比不断下降是必然的，而下降的速率快慢将取决于废钢的供应量和工艺选择等复杂因素。

（2）未来废钢供应量

在过去的十多年里，我国废钢消耗量整体呈增加的趋势，从2001年的4 000万t增加到2014年的约9 000万t，增加一倍。

废钢的来源包括三部分：进口废钢，自产废钢，社会废钢。

近年来，我国的进口废钢总量在500～600万t，呈现波动大，且有减少的趋势。这主要是因为我国电炉钢的比例相对很低，且电炉吃大量铁水，对废钢的需求程度差。国外许多有废钢资源的国家，因大量采用电炉炼钢，使贸易量有限，加之一些国家如土耳其和韩国，大量采购废钢，废钢资源量有限。由此推断，未来进口废钢不会成为影响我国铁钢比变化的主要因素。

由于我国钢产量的高速增长，钢厂的自产废钢量也在增加，2012年达到3 650万t。但考虑到未来钢产量的稳定和企业成材率的提高，未来的自产废钢量不会有大的变化，因而也不会对铁钢比产生大的影响。

社会废钢是一个不断增加的资源。自建国以来，我国的钢铁储蓄量已累计达近80亿t，而且每年在以7亿t左右的速度增长，社会废钢的供应量将会不断增加。在过去的十多年里，钢铁企业使用的社会废钢量由不足2 000万t增长到9 000万t左右。多位专家学者预测在不远的将来，社会废钢回收量将超过1亿t，甚至达到2亿t以上。

（3）废钢供应量对铁钢比影响的不确定性

如果按照国外的实践经验，随废钢供应量的快速增加，电炉钢将发展迅速，从而使铁钢比快速降低，铁产量不断下降。事实上，2014年，我国铁产量仅比上年增加260万t，钢和铁产量之差已达1亿t之巨，铁钢比降低到0.86。 这预示着铁产量已达顶峰，并将开始下降。

当然，我国的电价比较高，不利于电炉钢的发展。当废钢供应量大量增加时，除电炉和转炉的使用量会增加外，高炉也有可能使用部分废钢。高炉吃废钢同样具有节能降耗的优点。国外许多高炉均配加不同比例的废钢便是一个证明。这种情况下，铁钢比下降的速度将减缓，高炉炼铁的生产规模将得到保持。

根据上述因素分析，以2015～2020年废钢消费量增加到1～2亿t，且假定均用于电炉流程，估算铁钢比将降低到0.8左右。粗略推算，在2015～2020年，受钢产量的需求拉动以及废钢使用量增加的减量影响，我国的铁产量将围绕现有的年7亿t生产规模波动。

数年后，随着我国进入社会废钢回收量增长的高速期，如电炉钢得到大力发展，铁产量将会快速下降。但如高炉在消化废钢上体现出技术经济优势，炼铁的生产规模仍将会保持在较高水平。

站在维护高炉生产流程的角度，应充分发挥已有的高炉规模装备的优势，积极开发高炉使用废钢的方法和技术，以适应未来的新形势。

3 未来炼铁生产面临的挑战

3.1 原燃料供应

3.1.1 铁矿供应

随着我国炼铁生产的高速发展，铁矿石的消耗量大幅度增加。由此导致进口矿量逐年增加并带动国产铁矿产量的增长，见图10。

国产铁矿石虽已达14亿t以上，但因原矿品位低，经折算其提供的铁量仅为总铁量的30%左右。而2014年进口铁矿石达9.2亿t，提供的铁量占70%以上。2012年我国进口铁矿主要来自澳大利亚和巴西，分别占比达47.27%、22.09%，南非占5.46%，印度占4.45%，其他国家占 20.73%，统计的进口铁矿国家高达62个。

随着国外几大铁矿公司的产能扩张，众多新矿山的投产，铁矿的供应量也已进入供大于求的阶段。在最近几年里，进口铁矿的价格从最高的180美元/t降低到目前的60美元/t左右，反应了未来足够的供应量。预计未来铁矿价格仍有下降的空间。

然而，即使铁矿价格大幅下降，在钢铁生产各工序成本系统已是透明的状态下，势必引起钢材价格的进一步降低。在过去的几年里，已有无数次钢材价格随铁矿价格波动的实例。因此，未来铁矿供应量是有保障的，但钢厂寄托于铁矿价格降低来获得更多利润是很难实现的，除非钢厂有自己的矿石基地。

3.1.2 焦炭

我国炼焦行业的产能也处于过剩阶段。未来焦炭生产的不确定因素主要是焦煤的供应问题。国内焦煤资源的相对紧张导致近年来进口焦煤量逐年增加，2013年约 7 300万 t，2014年有所下降，为6 236万t。但国内焦煤供应仍占主导地位，而且因产能过剩，导致价格下滑。因此，针对目前的炼铁生产规模，在短期内我国焦炭的供应在数量和价格上应当是有保障的。

如果进口焦煤的比例逐渐增加，则存在类似铁矿石的涨价风险，给我国炼铁带来新的挑战。

3.2 生产成本的控制

在产能严重过剩的情况下，炼铁生产成本的控制将成为各钢铁厂生存的关键。面对种类繁多的原燃料供应渠道和已从年合同交易转为现货交易的采购机制，各企业势必以成本最小化为目标来不断调整采购的原燃料品种和数量，由此必然带来高炉入炉原燃料品种和质量的频繁波动，这对于强调以稳定运行来实现低成本为核心的高炉炼铁工艺，无疑是最大的挑战。

各企业所应采取的应对措施包括：

（1）加强原燃料基础性能的研究

对可选择的原燃料进行充分的实验室试验研究，明确其性能及使用特点，确定工业应用的最佳使用条件和比例，高炉入炉原料质量的变化及影响，最终在实际应用中取得预期的低成本的目的。以用量最大的铁矿粉为例，必须进行新矿种的铁矿粉烧结基础性能试验，确定其烧结性能特点。在此基础上，进行烧结杯试验，确定其在一定配比下的最佳烧结工艺参数（混合料配碳及水分），明确烧结使用后的烧结矿化学成分和冶金性能的变化，确定实际应用时，烧结工序及高炉冶炼所应采取的控制措施。

（2）优化高炉炉料结构

生铁成本的主要组成部分是入炉铁料。经济炉料结构是一个随时间和地区不断变化的过程。在过去的几十年里，欧洲和北美等国的炉料结构均发生较大变化。我国的炉料结构相对较稳定，虽然球团比例有较大增加，但各厂基本仍以烧结矿为主。 在今后铁矿资源和种类多变的情况下，各厂依据自己可获得的资源条件，不断调整入炉烧结矿、球团矿、块矿的配比，实现低成本炉料结构。同时，积极开发高炉使用废钢和其它含铁炉料，促进铁水成本的持续降低。

（3）提高生产过程的控制水平

在原燃料条件不断变化的情况下，为保证各工序的生产稳定，实现最佳的技术经济指标，必须进一步提高各工序的生产控制水平。如对于烧结工序，必须加强对混合料水分的测量，提高测量精度，从而保证混合料的水分最佳化且波动范围在±0.2%以内。对烧结混合料透气性实行在线测量，减少烧结终点的波动。

对于高炉工序，要建立现代的高炉操作控制制度。确定合理的操作模式。要提高对炉缸工作状态的监测和控制水平，结合炉顶布料控制，保持高炉炉缸煤气流的稳定和合理分布，提高煤气利用率，降低高炉燃料比。

应当注意到，我国虽建设了许多装备先进的炼铁装置，但在生产过程的控制水平上，从理念、监测设施、到控制精度等，总体与国外先进水平相比仍有很大的差距。如普遍不重视对高炉风口理燃的控制，普遍将煤量调节作为控制炉温的首选手段；缺乏对出铁过程的有效监测；布料控制理念落后，等等。由此导致诸如高炉运行稳定性差、煤气利用率低、高炉燃料比高问题频繁出现。而在未来原燃料不断变化的情况下，问题会更加严重。因此，提高炼铁过程控制水平不仅必要，而且十分迫切。

3.3 环保生产问题

当前我国炼铁生产面临的最大社会压力是环境污染问题。在全国范围（特别是京津冀地区）的严重雾霾天气已使包括钢铁生产在内的高能耗、高排放行业成为众矢之的。虽然，目前尚没有充分的证据定量地将钢铁生产，特别是炼铁生产的污染物排放与整体的大气污染联系起来。但不可否认的是，我国存在着大量污染严重的钢铁企业，尤其是体现在炼铁生产过程。因此，未来钢铁企业获得生存与发展权利的基本条件是满足越来越严格的环保要求，见表1［2-3］。而通过环保条件的制约是被多方面认可的最有效的淘汰钢铁产能的手段。

表1 炼铁排放国家标准（部分）

为实现环保清洁生产，在炼铁生产过程需加强以下工作：

3.3.1 不断优化炼铁生产工艺流程，实现低成本清洁生产

（1）消减烧结生产

烧结生产因污染物排放量大，加之与钢铁厂在一起位于城市周围，处理成本高，在一些先进国家和地区正在被部分取缔。如北美基本已取消了烧结矿生产，高炉使用100%的球团生产。欧洲著名的芬兰罗德洛基钢厂将最好的烧结矿生产线关闭，转而外购球团来满足环保要求。

我国高炉以烧结矿为主要入炉原料，烧结产量巨大。然而，在未来的发展中，不仅从与球团的品质比较上限制了烧结工艺的发展，从污染处理费用上，也使烧结工艺处于更苛刻的环境中。烧结生产比例的不断降低将持续下去。

（2）高效低成本污染物排放控制

在保留烧结生产的情况下，如何通过原料品种的选择和工序的优化来减少污染物的排放，以及如何选择高效低成本的末端处理技术，都需要认真研究。国外开发应用的多种烟气循环烧结工艺(如LEEP工艺、EOS工艺、Eposint工艺等)可使烧结生产的各种污染物排放减少45%～80%，从而显著地降低了末端处理负荷。该方法对国内烧结工艺改进有重要参考价值，在国内也已有成功尝试，值得普遍采用。目前国内烧结烟气的末端处理技术种类繁多，处于发展的高潮期。企业需加强对运行成本评估和产物的处理。

（3）重视块矿的环保价值

块矿作为可直接入高炉使用的原料，因避免了造块过程，不仅有成本优势，更具有环保的附加价值。我国的块矿使用比例仅为8%，远低于某国18.9%的平均水平。企业需要全面评估块矿的价值，以期通过增加使用量获得更好的效益。

3.3.2 CO2排放控制

根据国际钢铁协会的数据，全球钢铁工业所排放的碳排放占总量的6.5%，各行业占比分别为：电力和热力占41%，运输业占22%，工业占20%，其他占10%，住宅占7%。钢铁工业虽不是最大的，但却是被关注的行业。对我国来说，高的铁钢比和巨大的炼铁生产规模使其碳排放所占比例更大。在全球开始努力减少碳排放的情况下，我国炼铁的碳排放将成为受抑制的目标。

纵观世界低碳炼铁工艺技术的开发（ULCOS，COURSE 50等），目前尚无可与高炉工艺匹敌的可工业化生产工艺。而高炉工艺的成熟性也使其自身可降低碳排放的潜力有限。因此，在未来我国巨大的炼铁规模仍将继续维持的前提下，对碳排放的付费或被征税，尤其是对超过某指标的碳排放部分，将成为最有可能的控制炼铁碳排放水平的措施。

在这种情况下，各企业努力采取各种措施降低炼铁碳排放将是减少此部分费用支出，赢得竞争优势的重要环节。当前炼铁厂的工作重点是提高煤气利用率、降低燃料比，从而减少碳排放。此外，应积极探索使用低碳燃料（如喷吹高挥发份煤粉，喷吹焦炉煤气）以及使用金属炉料等。

3.3.3 炼铁PM2.5排放监控

PM2.5含量超标被认为是形成雾霾天气的主要因素。虽然尚无有说服力的数据表明钢铁厂的PM2.5排放与大气雾霾天气之间的对应关系，在当前全国范围的严重污染形势下，控制钢铁企业的PM2.5排放成为企业不可回避的社会责任，而炼铁工序则再一次成为工作的重点。

提高参照国外钢铁厂对PM2.5的监控实践，炼铁的主要PM2.5排放点包括：原料场、焦化的燃烧室烟气、炭化室炉门烟气、烧结烟气、球团烟气、高炉槽下、高炉出铁场、热风炉烟气、喷煤制粉烟气、高炉渣处理烟气等。

PM2.5颗粒又分为可冷凝PM2.5和可过滤PM2.5两部分。对于前者，尚缺乏有效的监测手段和控制方法。对于后者，可通过连续监测排放点的烟气浊度计（opacity monitor）、粉尘浓度测量或定期直接测量PM2.5含量进行监测，然后通过安装和改进布袋除尘效率等措施加以控制。

4 结论

（1）我国已建成了包括焦化、烧结、球团、及高炉在内的巨大高炉炼铁生产系统。其产量占世界总量的60%，其整体装备和生产技术指标处于国际先进水平。但在环保和清洁生产方面尚存在一定差距。

（2）未来我国炼铁工业仍将依靠高炉流程。而炼铁生产的规模将取决于未来的钢产量和铁钢比的变化。综合分析，预计2015至2020年，我国的年铁产量可保持在7亿t左右，高炉高效使用废钢是保持其竞争力的重要因素。

（3）我国炼铁面临的主要挑战是原燃料品种、质量、及价格的频繁波动情况下，如何实现高炉稳定运行和炼铁生产成本的控制，以及整个工序的清洁环保生产等问题。认真借鉴国外已有的成功经验，积极开发应用各项有针对性的技术措施，是保持我国炼铁工业健康发展的重要条件。

［1］ 杨天钧.坚持精料方针，提高高炉操作水平，实现高效节能、安全环保、低碳低成本炼铁［C］//2014年全国炼铁学术年会论文集，北京：中国金属学会，2014：2-3.

［2］环境保护部，国家质量监督检验检疫总局.GB 28662-2012钢铁工业烧结和球团大气污染物排放标准［S］，北京：中国标准出版社，2012：4-5.

［3］国家环境保护总局.GB 28663-2012炼铁工业大气污染物排放标准［S］.北京：中国标准出版社，2012：5-6.