由于钢铁工业的发展，高品位的铁矿石和煤炭资源日益紧缺。为了解决这个问题，原新日本制铁株式会社（以下简称新日铁，现与住友金属合并为新日铁住金株式会社）发展新技术有效利用劣质资源。新日铁主要在三个方面取得了突破：通过煤的干燥使大量微黏性煤用来炼焦，将褐铁矿用于选择性造粒，转底炉粉尘回收。
这些技术突破主要基于对低品位资源进行全面基础的研究，并伴随各个处理过程的改进，通过改善劣质资源的特性来使得他们得到更好的利用。这些技术的研究与应用为钢铁行业节约自然资源、循环利用材料提供了很好的借鉴意义。
煤干燥技术以“劣”代“优”
适合钢铁生产的煤炭资源主要是炼焦煤。然而当前超过70%的世界煤炭资源都属于劣质煤，炼焦煤已经逐渐枯竭。在这种形势下，改进煤炭质量，使劣质煤得到有效利用显得至关重要。
如今，多种煤预处理方法已经在日本发展起来，其中独特的煤干燥技术实现了工业化应用。
煤调湿：该技术的第一步是煤调湿（CoalMoistureControl，简称CMC）。日本从国外进口煤炭资源，煤的含水量一般在10%左右，CMC过程通过降低煤的水分含量来增加炼焦炉里煤的体积密度，来增加煤的强度。更确切地说，旋转炉可以把煤的水分含量降到5%~6%。新日铁在1983年应用了第一套CMC系统。理论上，当煤的含水量小于5%，其体积密度增加，强度也会相应增强。但是，在如此低的水含量下，细粒煤粉尘会在加热和运送过程中散落到焦炉周围，从而影响炼焦炉工艺的稳定性。
基于上述原因，必须采取相应措施既能使煤的含水量在5%以下，又能提高煤的强度。干煤的粉尘逸散原理清楚地表明：水分含量越高，粉尘逸散就越少。这是因为，细晶粒吸附在粗晶粒上形成了伪晶粒，而水分是作为黏合剂的形式存在。当煤被干燥到水分含量低于5%时，伪晶粒分解，细颗粒开始单独存在，造成了粉尘的逸散。同时，在挤压煤粉的情况下，煤粉被干燥到水分含量在2%以下时，伪晶粒才会完全分离。由此，须对颗粒进行分级，并对细颗粒进行颗粒化处理。
预成形：经过对煤的显微组、粒径关系和不同类型煤的显微组织等方面进一步研究得出，高度黏结的镜质体很软，很容易被压碎。细粉煤有高浓度的镜质体。当细粉煤颗粒化后，黏结性能显著增加。
把细粉煤压制成煤球来增加结块属性和焦炭
煤调湿和预成形技术开发的目的都是为了更加高效地利用煤资源，通过技术创新改善焦炭强度、煤粒的特点和它们的处理性能，最终实现工业化生产。
快预热：新日铁的另一个研究角度是通过提高煤的黏结性能来加强炼焦强度。基于煤分子以聚合态存在这一点，新日铁提出了一项建议：通过快速加热松开聚合结构来提高焦炭强度，从而增加煤的黏结性能。该项目被称为“21世纪提高生产效率、改善环境的超级炼焦炉”项目，并于2003年圆满结束。
在项目初始研究阶段，他们对快速预热效果与煤的焦炭强度之间的关系进行了研究。一年内，实验室进行了100次以上的重复测试，在设定条件下快速加热并提供同质煤温度，同时进行大量数值模拟，使最佳预热条件范围逐渐清晰。实验结果表明：煤以3000℃/min的加热速度从330℃迅速加热到380℃，煤的黏结性能得到改善，焦炭强度增强。而现阶段的研究表明，即使在混合高达50%非黏性或微黏性煤的情况下，快速加热煤以生产高强度焦炭也是可能的。这种通过快速预热提高煤的黏结性能的理念为提高焦煤质量提供了一种全新的思路。
此后，新日铁确定了该项目的开发过程，一个试验工厂在新日铁名古屋构建，预计日本今后将有更多新焦炉应用此工艺，并进一步推动其在国内外钢铁企业的发展。
选择性造粒有效利用褐铁矿
随着世界各地的优质铁矿石资源日益紧缺，有效利用褐铁矿资源显得更加迫切。褐铁矿的矿石含有高含量氧化铝、结合水和需要烧结的细颗粒。在钢铁生产中，高含量氧化铝和结合水会造成不利影响，降低烧结过程的生产效率，增加烧结矿能耗，影响烧结质量。
褐铁矿的选择性造粒处理过程是将可烧结的铁矿石从其他类型的矿石中分离出来。之后，将褐铁矿的细粉颗粒进行颗粒化，细粉作为核心会以微粒的形式烧结。这种处理可产生烧结反应期间用作黏合剂的熔液相，避免氧化铝带来的负面影响。因此，选择性造粒技术可以有效提高褐铁矿的利用率。
褐铁矿的劣势：虽然选择性造粒表面上意味着烧结团聚的过程，但该过程并不会改变混炼过程中矿石的属性。相反，其主要目的是预防反应阶段氧化铝对形成熔液的干扰，而这种干扰则是褐铁矿烧结性能较差的主要原因。
褐铁矿烧结性能不佳有两个主要因素：一是褐铁矿的矿石细粉含有较多氧化铝。为了获取由褐铁矿粉末形成的烧结矿液相，加热温度高于其他类型的矿石是必要的。二是褐铁矿的矿石粗晶粒容易在加热烧结过程中开裂，由于蒸发的结合水在粗晶粒内部，从而降低了烧结矿的强度。这些问题在高温下出现，因此有必要制定相应措施从根本上改善此类矿石的烧结效果。
比较显示，褐铁矿中氧化铝和结合水的含量均多于赤铁矿。为了评价两种矿石细粉的不同液相反应，样品另外添加20%的灰岩，在实验室里用红外线加热器加热熔化。结果显示：含有3.2%氧化铝的褐铁矿样品的液相温度比含有0.5%氧化铝的赤铁矿样品的液相温度要高100℃；褐铁矿样品的液相流动性要比赤铁矿样品的液相流动性差。这些结果说明，由褐铁矿制成的烧结矿相比赤铁矿制成的烧结矿黏结性差、强度低。因此，选择性造粒的目的就是为了能较好地解决这个问题———能否通过颗粒化使褐铁矿粉末中的氧化铝结块？
氧化铝结块：要想使褐铁矿中的细粉颗粒化，首先要进行粗粒的分离。液相的形成主要是由直径0.5毫米及以下的细粉造成，但这些粉末含有高黏性煤矸石，因此很难通过筛分使他们与其余的颗粒分离。新日铁运用各种不同的测试方法来评估分类，最终筛选出实际大小为3毫米的细粉进行分类，原因如下：第一，氧化铝造块的粉末没有对0.5毫米以下更小的微粒进行分类；第二，使用0.5毫米~3毫米大小为造粒核心使含有较高氧化铝成分的细粉造块成为可能。通过证明，对小于3毫米的矿粉进行分类是可行的，不会造成堵塞。
由于部分小于3毫米的褐铁矿矿粉是包含塑性黏土质的煤矸石，颗粒化较为容易，然后便可以形成2毫米~5毫米的核心颗粒，氧化铝在颗粒中结块。电子探针的X射线分析了选择性人造颗粒的两种结构：一个选择性颗粒的核心由高铝粉组成；另一个是吸附低铝层，周围有高含量石灰石和焦粉矿的颗粒。
在烧结反应过程中，两种结构的颗粒对熔液相的形成产生以下影响：一是高浓度的粉焦可以保证有效的加热；二是低浓度的氧化铝和高含量石灰石吸附的粉末导致液相温度低于传统方法；三是液相渗透到颗粒间隙和孔洞，作为一种结合物，使得烧结矿有更好的强度。在选择性颗粒的内心氧化铝为块状，不影响外液相。通过实验可以看到，液相已经从外层浸入到选择性颗粒，影响了形成烧结结构的结合强度。
氧化铝结块的想法源于褐铁矿的基本特征。研究选择性造粒工艺，要从基础研究开始，是一个持续的设计过程。实现其应用推广的一个关键点在于：须确定这种微观的颗粒化机制是否能够用于实际生产，因为一般的烧结厂每小时处理能力达到上百吨。而通过实际测试和评价，选择性造粒自动操作设备最终在日本众多烧结厂得到应用。
选择性造粒工艺的发展有效地利用了褐铁矿，为低品位矿石冶炼提供了新方法。
转底炉含锌粉尘回收技术节能效果凸显
钢铁生产过程中将产生大量的粉尘、渣等废弃物。这些物质包括铁的氧化物、碳和其他化合物。出于环保和节约能源的考虑，钢铁企业已经研发应用了一系列回收再利用废物的方法，但传统工艺只能实现80%~90%的能源和物质被有效地重复利用，未达到充分利用的目的。其主要原因是：部分铁的氧化物中包含有在高温过程容易蒸发的元素，如锌、铅、碱金属等。为解决这一问题，新日铁开发了一种氧化物经济除锌的废气再利用技术———含锌粉尘回收技术。
烟尘中的锌（铅）能够通过减少锌（铅）的氧化物而被去除，这些氧化物在高温下被还原为气体状态的锌（铅）而排出，这个反应过程表示为：ZnO，PbO+C→Zn，Pb(vapor)+CO。此过程伴随着另一个还原铁的反应：FeOt+tC→Fe+tCO。其中，t的值大概在0.95~1.5。当还原铁用作铁源而无须重新氧化，冶炼过程中的铁还原反应能够有效利用能源，整个过程的能量损失达到最小化。在生产中，回转窑、埋弧炉、转底炉均可使用此技术。通过现场的调查和实践，转底炉使用此技术是最经济、最能有效节约能源的方式。
2000年，新日铁在君津厂建成了18万吨/年的转底炉项目，用含锌粉尘生产还原球团并脱锌。还原球团代替烧结矿加入高炉不仅节焦效果好，还间接节约烧结和炼焦耗能，年节能效益约15亿日元。2002年，君津厂建成第2台转底炉，将12万吨含铁粉尘制成还原球团，从而使全部含铁粉尘得到利用。2001年和2002年在广畑厂建成2座转底炉系统，为以后大量推广该技术创造了条件。2003年新日铁住友金属不锈钢公司光厂建成5万吨/年含铁粉尘综合利用系统,完全采用广畑厂的新模式，为电炉炼钢厂的应用起到示范作用，同时对粉尘等废物中含有的镍、铬、钼等高价稀有金属亦加以回收利用，效益得以提升。此后新日铁又将这一技术推广到了海外。
回收含锌粉尘的工艺原理如下：先用一个盘状的造粒机将粉尘和残渣颗粒化，然后将颗粒干燥并送入转底炉，用碳还原10分钟~20分钟后，生成铁颗粒和锌蒸气。还原后的颗粒强度很高，可作为高炉原料使用。同时采用除尘器将转底炉排出的废气收集起来，气态的锌又以二次粉尘的形式回收利用。
转底炉含锌粉尘回收技术包括多个步骤：原料预处理、制粒、供热、减少废气烟尘和回收锌等，研究开发过程中需要注意的要点是：寻找适合转底炉处理的化学结构与劣质性能材料颗粒的预处理和造粒方法；减少氮废物球团直接还原铁的方法并适合钢的原料生产；发展设备稳定运行的技术。该技术的发展进展如下：
第一，预处理和造粒。粉尘混合的方法要从微粒的尺寸波动、水分含量和化学性质的开发等获得制粒条件。在此方面，微粒化、挤压成形技术得到发展。
第二，还原过程。消耗直接还原铁的主要是高炉、废钢熔炼炉和电弧炉。每种类型的炉子对直接还原铁的质量有不同的要求，对高炉来说是要保证高强度，对熔炼炉和电弧炉来说是要高还原率。高炉直接还原铁的使用降低了高炉还原剂的比例，同时减少了能源消耗和CO2排放。高炉需要高强度的原料。为了克服这一困难，一种生产高强度还原铁的方法被开发出来，烧结金属铁以还原性球团的形式存在，直接负责生产加入高炉的还原铁。熔炼炉和电弧炉需要高还原率直接还原铁，在实验室里不难实现，但在大规模生产情况下获得高还原率直接还原铁是一种挑战，其主要原因是还原反应炉的CO2气氛影响还原反应。日本某厂转底炉研究人员通过耐火材料质量的改善来增加炉内温度，通过材料化学性质的改变和增加活性颗粒来加强炉温控制，在实际生产中首次实现铁的直接还原率达到85%以上。
第三，稳定运行。对于处理厂来说，粉尘处理的长期稳定运行是至关重要的，必须通过各种举措来保证这一目标实现。当前，实践中的炉条件控制、防止灰尘沉积在排气系统和炉内耐火材料的改进，这三个问题仍然有待解决。
在反应炉中，氧化废物吸附在耐火材料表面。必须采取相应措施，避免氧化废物的化学成分在还原期间减少，为了减少容易吸附在耐火材料表面的粉尘，造粒方法也要改进。另一个重要问题是防止炉操作中氧化废物颗粒杂质的不良影响。挥发性物质如锌、铅、碱等在转底炉蒸发堆积在排气系统中。为了避免此问题，应调整沉积物质的材料化学性质来提高其熔点，并改善排气系统使除尘更加方便。
至2010年，新日铁已发展了6个转底炉项目，并完成了生产中粉尘的规模化循环利用。目前，这些转底炉的回收能力达到120万吨/年，为节约能源和资源提供了良好的条件。
编后
新日铁这些技术的突破源于其对低品位资源的全面基础性有效研究，伴随着各个处理过程的改进以及改善劣质资源的特性，使低品位资源得到利用，既节约了资源，又减少了对周边环境的污染，产生了良好的经济效益和社会效益。这些技术的发展此前也被不同程度地报道过，本文主要阐述了参与这些技术改革的专家对于这些技术突破的思维方法，并对其当时的问题和思考、解决的路径进行了介绍。
当前，我国作为世界最大的钢铁生产国，庞大的规模带来的资源和能源消耗问题愈发引起广泛关注。而我国又是一个资源和能源紧张的国家，大力发展节能降耗和资源、能源回收利用是未来钢铁业可持续发展的根本路径。中国钢铁企业应该合理借鉴新日铁的技术创新和研发经验，为保护资源和环境作出更多的贡献。
(关键字：新日铁 资源节约)
