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日本炼铁节能环保技术的概况

    日本的钢铁业以高炉--转炉流程为主流，对普钢和洁净钢均可稳定生产供应，高级钢种的生产也领先于欧美。在吨钢能耗方面比欧美低10——20％，比以生产普钢为主的中国则低30％左右；环保技术也居世界领先水平。为防止优质煤铁资源等资源的枯竭，日本钢铁联盟正组织产学研开发相关技术中。

    “京都议定书”由于俄罗斯于2005年2月批准而开始生效，从2008--2012年将按原定目标考核。而以巴俄印中黄金四国为中心的发展中国家带动世界的经济快速发展也加大了对钢铁的需求，因此在钢铁快速发展中如何节约资源和保护环境，成为全社会普遍关注的大问题。

   过去三十年来一直从事资源环境炼铁基础技术的研究。在氧化铁气体还原速度理论的研究方面，提出忠实现象新反应模式的同时，在烧结矿气体还原方面，也开展了考虑多元系钙铁素体还原机理的解析，在完善速度波动值的基础上正提供提高高炉内反应解析精度和降低还原料比的基础数据中。在高炉下部铁水流动的研究方面，用冷模式对诸因子的影响实验解析后，正提供高炉稳定且高系数操作的基础数据中。在铁浴式熔融还原的研究方面，在经过基础试验后提出了用焦炉煤气作预还原气的工艺方案。在抑制二恶英类物质发生的基础研究方面，以废变压器再资源化的目标起步，然后对产废处理炉、垃圾焚烧炉和烧结机等在模拟试验解析后，提出了对烟气中的浮游碳系物质用水中大量喷射除去以大幅减少的实用化方案。还对在铁水预处理的同时，用CO2气体脱硅脱碳，钢水中的脱碳脱硫脱氧的同时反应及在渣再生利用时的脱铜等气/液反应用热力学和速度论的解析也在研究中。另外对从含铁粉尘熔融处理的金属中用二液相分离回收铁 的基础研究也在进行中。还以难烧结的褐铁矿为研究目的组成专门研究组开展了协同研究。如上所述，在劣质资源利用、资源循环利用和环境友好的钢铁冶炼技术基础研究方面，对该领域的发展尽力作出了贡献。

学术报告项目概要

    笔者近十年来结合研究成果，作了以下学术研究：

    （1）烧结途褐铁矿（矿粉块成化预处理）。

    采用融液用硅系渣，使之与CaO反应生成CaO--SiO2系矿物相而析出，以避免生成2Fe--SiO2、CaO•FeO•SiO2等难还原性矿物相，从而改善其被还原性。在研究中，采用FexO•SiO2系融液加入CaO生成的渣，测出了析出H2的还原反应速度，以调查加入CaO对被还原性的影响，由此证明此法改善还原性的效果良好，特别是渣的组成在固液共存状态时，其效果更好。

    （2）块成矿的气孔径对其被还原性的影响（高炉炉身部的气固反应）。块成矿的微孔率增加时，比表面积相应增加使还原速度加大；但考虑到大径孔又利于促进还原气和生成气（CO2、H2O）在粒内的扩散。为查明气孔径分布对被还原性的影响，用Fe2O3粉末试料和聚乙烯末试料制成可控孔径的球团进行了对比试验，结果除证明增加单位体积的表面积的效果明显外，还表明大径孔内的气体扩散对被还原性的效果也很大。

    （3）熔渣渗透对氧化铁被还原性的影响（高炉软化熔融带的气固液反应）。用和FeO共存的含有FeO•SiO2、FeO•SiO2•CaO、FeO•SiO2•Al2O3的熔渣压碎为FeO粉体，在1500K下用H2进行还原试验后，在室温下进行显微镜观察和表观气孔率测定，证明生成的熔渣对气孔有闭塞作用，因此对被还原性不利。

    （4）利用Fe•C•Si合金对铁水预处理。对在熔化的Fe•C•Si合金中吹入CO2和O2以脱C、脱Si的行为在1572K下进行了调查，探讨了气体作为氧化剂使用时对铁水脱Si的影响情况。首先是Si被氧化，伴随脱Si的进行C的溶解度上升；用CO2时则C沿其溶解度的浓度增加。在脱C脱Si竟相进行领域，当Si含量达到0.1--0.2％以前Si仍优先被氧化，以后则很快转入脱C。

    （5）对铁水用Ca脱硫、脱氧平衡（炼钢）。用Ca对脱O2、脱S的平衡（CaO（S）+ S=CaS（S）+O）进行了调查。当Fe、Ca、O、S系、1873K和αCaO=αCaS=1时，铁水中的O、S浓度随着Ca浓度的增加而减少，当Ca达到20--30ppm时，O浓度为最小值；而当Ca为20--50ppm时，则S为最小值，过后则增大。

    （6）熔化铁合金中氮的分解反应速度（二次精炼）。为进行铁水表面相中合金元素的评价，对熔化铁合金中氮的分解反应速度，在1973K下用同位体交换法测定，以观察其反应机理。用与氮热力学亲和力比铁更强的元素，使反应速度增铁水中的合金元素被分解而净化。

    （7）废钢铁中有害杂质的蒸发除去（废钢铁处理）。在1923K、燃烧室压133Pa下就合金元素（Al、B、C、Si）对铁水中Cu、Sn的蒸发除去的影响进行了调查。其结果为：脱Cu速度B＞C＞Si，脱Sn速度Si＞C＞B＞Al。还显示在Fe--Si--C、Fe--Al--C、Fe--B--C等各三元素铁水中有利于促进Cu、Sn的蒸发速度。

    （8）Fe——Cu系混合废钢铁中Fe、Cu的分离回收（废物的再生利用）。对1523K、Fe--Cu--B系及Fe--Cu--B--Ca--3％C系中Fe--rich相中的Cu浓度及Cu--rich中的Fe浓度及Fe--rich中B浓度的影响进行了调查。发现在B浓度一样的条件下，当加C后Cu--rich相中的Fe浓度则下降2--3％；同时Fe--rich相中的Cu浓度也微降。由此可知，C对Fe--Cu--B三元素中的Fe--rich相和Cu--rich相的2液相分离区起到明显的扩大作用。

    （9）用煤干馏气对氧化铁的预还原（熔融还原工艺的预还原）。考虑煤的挥发分对氧化铁的预还原可起有效作用，在熔融还原工艺中进行了以同时降低用煤量和CO2排放量为目标的氧化铁预还原的基础研究。特别是重点考虑有效利用煤中氢的干馏气对氧化铁还原的作用，探讨了煤中化合水的影响和焦油二次加热产气的有效利用。发现将化合水导入还原炉时则还原率降低；还有由碳化氢含H的还原FH在到达还原率F中的比重接近50％。由此结果得知，利用干馏气的预还原炉和用干馏碳的铁浴式熔融还原炉所组成的总体工艺有利于减少CO2排放量。

    （10）新型掺碳块成块的开发（结合煤干馏的研发）。为降低现行高炉的燃比（还原用煤、焦比），以开发新的掺碳块成矿为目标，开展了可在低温下促进碳和氧化铁固、固反应的物质掺入块成矿的试验。特别是升温干馏的最高温（Tcmax）降低以便部分挥发分保留的煤掺入块成矿中，可使在升温还原过程中从中低温开始即引发对氧化铁还原，之后伴随碳材的气化将可进一步促进还原。

    据此，将煤在Tcmax=823K下升温干馏后，发现碳材中尚残留大量的挥发分和氢。其次，将Tcmax=823、873、923、1073、1273K下中低温干馏的碳材掺入矿粉中制成的球团，从室温到Tcmax=1273K为止按3K/分升温进行了还原试验；并对还原后的试样用x反射观察成分变化发现，所有试样都存在Fe的尖峰，且Tcmax越低则尖峰越高，还有在还原前的Fe2O3尖峰已不再见。由此可知，Tcmax越低即含挥发分多的试样，其还原促进效果越大，有关块成矿的强度还在试验中。

    （11）用木质系生物质燃料对氧化铁的还原（上项研究的发展）。由于生物质燃料是碳的中性物质，在燃烧时可视为对地球不增加CO2排放（即和植物生长时吸收的CO2抵扣），于是从炼铁工艺减排CO2出发，开展了有关物质燃料干馏气和掺木炭球团矿还原的研究。迄今已知，对木材在1273K干馏时，从较低温度开始即可产生还原气（CO、CH4），同时生物制染料不含有硫等物质，从环保的观念看其利用价值也很高。另外，干馏后产生的木炭掺用于块成矿的还原性能也很好。

    （12）从高温含氢的混合气中分离氢材料的开发（烟气等的再生利用）。从钢铁厂等产业部门排出的烟气中，残留有大量的氢。如焦炉煤气中含氢高达55％，目前主要用作燃料利用，若将氢分离出后利用，则日本每年可供氢40--50亿m3。同时，这比专门产氢的方式可大量节能、降本和减轻环境负荷。

    从高温含氢混合气中分离氢的方法，主要是在高温还原气氛下采用质子导电性固体电解质的电化学法。于是探讨试制SPS法所产质子导电性固体电解质的钙钛置换型氧化物。初步试成的Sr2r0.9Y0.1O3在高温氢及CO2气氛（1273K）下的化学稳定性很好。还有用SPS法（1773K、4分钟）制成的SrZr0.9Y0.1O3则比通常的固相烧结（1853K、10h）制成的试样还微密，在湿润和干燥的氢气氛下均有高导电性。

    （13）燃烧过程中二恶英类的生成和抑制（用于烧结矿生产、废变压器的再生利用和垃圾焚烧炉等）。

    --高温燃烧过程中二恶英类的生成。

    尽管一般认为二恶英类在973K以上部分即分解而不会生成，但据笔者等的试验及热力学计算结果，在1073K以上的燃烧条件下若烟气中存在浮游碳系生物质时，二恶英类仍会生成。其基本观点为“在烟气中O2的浓度过高时，高温燃烧过程中产生的微细浮游碳的表面存在CO/CO2比高的非平衡区，这时主要在浮游碳的表面浓度边界层内生成二恶英类。

    --氢及其形态对二恶英类生成浓度的影响。

    经试验得知，有机物（如聚乙烯等）和热力学性稳定的氯源NaCl的混合粉末燃烧时，二恶英类的生成浓度较低，但是NaCl和小麦粉形成水合物燃烧时，则二恶英类的生成浓度快速上升；另有机氯化合物（PVC）仍会生成高浓度二恶英类，只是比上例略低一级。从而，含有NaCl的食品废物成为城市生活垃圾燃烧过程中二恶英类的生成源。二恶英类的生成浓度因燃烧物的含氯浓度、氯源种类或者是稳定氯源的氯存在形态等的不同而变化。

    --对燃烧烟气经水中喷射以简易除去二恶英类。

    考虑将燃烧烟气中的二恶英类生成源的浮游碳除去即可减少二恶英类的浓度，是应用喷射冶金的原理，将燃烧烟气吹入水中，利用夹杂物凝集于气液界面的物理性质，开发成功将烟气中的浮游碳转入水中以简易除去二恶英类的方法。通过这一有效方式，烟气中的二恶英类浓度可简单大幅降低到未处理前的5％。另外还开发成功用聚烯烃吸附水中的二恶英类以除去的简易净化法。

 小结

    在大阪大学的材料系，从事“冶金设备工学——〉反应控制工学——〉反应工艺工学”的讲课和基础研究已达40年之久。学位论文为“有关圆管内脉动流与由此对氧化球团还原反应促进效果的基础研究”，它不仅是流体工学的试验和解析，还参入还原反应的解析。特别是1978年成为日本钢铁联盟的委员以来的三十年间，更多参加了以高炉内反应为中心的有关钢铁反应工艺工学的节约资源和环境友好的系统基础研究，并在诸位知名教授和同事们的指导和大力协助下取得了以上初步成果。鉴于以高炉为中心的钢铁工业属能源消耗高、环境污染重的行业，希望上述研究成果早日得到应用和推广，以为节能减污做出贡献。

责任编辑：玲儿