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铁前流程的精益管理,钢铁企业低碳之路的关键
合伙人  蒋锡麟   《新材料产业》   总第196期
    2009年11月,哥本哈根气候大会前夕,中国政府宣布,到2020年单位GDP的CO2排放比2005年下降40%~45%,并将此减排目标作为约束性指标纳入国家中长期发展规划,制订相应的国内统计、检测和考核办法。该目标的确立和公布,可认为是中国政府开始大力推动中国经济结构从过去长期呈现“高投入、高消耗、低效益”特点的经济模式向低碳经济的转型。

    低碳经济是指以低消耗、低污染、低排放、循环利用为基础的经济模式,以提高能源利用效率和创建清洁能源结构为核心,强调资源节约、环境友好、废弃物的综合回收利用,而不仅仅是CO2等温室气体的低排放。因此,发展低碳经济是一场涉及生产模式、生活方式、价值观念和国家权益的全球性革命,而这场革命的核心是技术创新、制度创新和发展观的改变。

    钢铁行业是一国经济的基础原材料产业,也是最主要的自然资源消耗、能源消耗、废弃物排放行业。在长流程联合钢铁企业中,1t钢消耗1.50~1.55t铁矿石、0.6~0.8t标准煤的能源、3~6t新水。各种废弃物的排放约占工业总排放量的17%,而其中CO2的排放从全球角度看,占到工业总排放的15%~20%。因此,钢铁行业在我国低碳经济转型过程中必将扮演重要的角色,同时也是国家列入节能减排的重点行业之一。

一、从钢铁工业供应链看,铁前流程是钢铁工业低碳经济的关键环节

    钢铁行业的全程供应链如图1所示。一般而言,讨论钢铁工业供应链时,供应链终端的工业部件制造不被看作钢铁产业的组成部分,而是钢铁工业的用户;而供应链最前端的资源采选也不被认为是钢铁工业的组成部分。从钢铁工业供应链的6大流程来看,钢铁产业的消耗、排放与污染源主要集中在原料准备、铁精矿造块与煤焦化、高炉炼铁等的铁前流程。

    原料准备流程主要是原辅材料在工厂内的储存、运输、混匀加工,为后续流程提供符合生产需要的精料供应。虽然没有消耗和排放,但是,由于铁精矿、焦煤等大宗原材料的储存基本是露天堆放,从而产生钢铁企业的一个重要污染源——粉尘。原材料在受卸、堆料、取料、加工、输送过程中以及受到自然风力的影响,会产生扬尘,不仅造成环境污染,而且造成大量的原料损失。

    铁精矿造块与煤焦化流程为钢铁冶炼过程进行原材料的优化加工。铁精矿造块是指通过烧结或者球团工艺过程,把粉状的铁精矿加工成块状并使之符合高炉冶炼所需的粒度、强度要求,同时提高铁矿中的铁元素含量,降低硫(S)、磷(P)、铝(Al)、碱金属等有害元素的含量。煤焦化是指将焦煤通过炼焦化工过程制造成符合高炉炼铁需要的焦炭。烧结与球团过程消耗铁矿,主要的排放是烟气,主要污染物是SO2;焦化过程消耗焦煤,产出作为炼铁过程中还原剂和主要能源的焦炭,排放含有CO2、CO等的焦炉煤气等。

    高炉炼铁是从铁矿石中提取铁元素的过程,主要消耗铁矿石和焦炭、辅助原材料、新水等,主要排放高炉渣、高炉煤气等。
 

    而炼钢、轧钢及钢材特殊处理等钢后流程中,消耗、排放在整个钢铁工业供应链中占有的比例较小。转炉炼钢是根据终端产品对钢材的化学成分要求,对铁水进行精炼的过程,主要排放钢渣、转炉煤气、废水等。铸造与轧制和钢材特殊处理流程的特殊形状处理是钢材的形状成型过程,消耗一定量的能源和水,排放废水。钢材特殊处理流程的表面处理如涂镀等,会有含铬、氰、重金属离子等的废水、涂镀废气、污泥等的排放。

    冶金工程理论和钢铁工业生产实践表明,第一,在整个钢铁工业供应链中,铁前流程的原辅材料消耗等构成的生产成本占70%、能耗占70%、排放占70%以上,因此,铁前流程是钢铁工业发展低碳经济的关键流程。第二,钢铁工业的节能、减排、降耗需要技术创新、管理创新。精益管理尤其是铁前流程的精益管理是通过管理变革实现钢铁工业节能、减排、降耗的有效途径。

二、高炉炼铁流程的精益管理是钢铁工业节能减排的核心驱动因素

    精益管理的基本目标是降低成本、缩短交期、提高质量、友好环境。而保证这些目标实现的关键途径是生产制造过程的持续、稳定运行。钢铁工业是典型的流程制造业,在精益管理的5大核心原则中,价值的确认、核心价值流的识别比较容易做到,价值的流动是生产流程的基础要求,关键是如何做到需求拉动,尤其是内部客户需求对各流程节点的拉动。

    从流程运行动力学角度分析钢铁工业供应链,高炉炼铁流程是整个供应链中一个极其重要的流程节点,它既是铁前流程运行的拉力,其精益运行直接要求铁前各流程转向精益运行;也是钢后各流程运行的推动力,直接影响炼钢、铸造与轧制等流程能否按照精益生产的规则有效运行。

    首先,高炉炼铁的成本效益是铁前各流程运营、技术与管理成果的集中体现。高炉炼铁生产的关键经济技术指标如产量、质量、燃料比、吨铁渣量等,以及生产组织调度的每次出铁时间间隔的稳定性,都与原材料的质量如烧结矿或球团矿的含铁品位、冶金性能、有害元素含量以及强度、焦炭的粒度、灰分等密切相关。也就是说,高炉炼铁生产的有效组织及其成本效益不仅是炼铁流程运营、技术与管理的成果,也集中体现了铁前其他流程是否以客户的观点而不是产品提供的观点来确定产品的真正价值;是否按客户的需求投入和产出,使客户在需要的时间得到其所需要的产品;是否遵循“持续改进”的原则,通过不断改善的产品生产与服务过程为用户——后续流程在合适的时间提供满足其不断变化发展的产品或服务质量的需求。

    其次,高炉炼铁流程运行的效果直接影响钢后各流程的运行与管理难易程度。由于过去10余年中连铸连轧等关键技术的突破及其有序应用,钢铁工业供应链中的钢后流程已经由过去的追求连续化而转变为准连续化或连续化,进一步提高了供应链中各流程节点物质流关键参数在时间轴上的稳定性要求。连续化生产制造的精益管理核心是各种关键管理参数在流程时间轴上耦合,进而集成为流程中区段运行过程的时钟推进计划。对于钢铁工业来说,生产运行流程在时间轴上耦合的关键参数包括物质的流量、温度、成分。而炼铁流程所生产的产品——铁水的成分如S、P、硅(Si)、碳(C)等元素的含量,每次出铁的铁水量、时间间隔的稳定性,铁水的温度等,都对转炉炼钢流程的生产组织与运行产生直接影响。

    第三,高炉炼铁流程通过精益管理对于钢铁工业的减排具有重要作用。一是高炉炼铁流程的废弃物排放在铁前流程的排放量中占有相当大的比例。钢铁工业的排放物一般被称之为“三废”,即废渣、废水、废气。而三废在高炉炼铁流程中都存在,尤其是废渣、废气。二是铁水的质量对钢后流程的排放产生影响。钢铁工业废渣主要是高炉渣、炼钢渣,而吨钢渣量比吨铁渣量要少得多,而且钢渣量的大小取决于铁水中S、P、Si、C等元素的含量。因此,通过炼铁流程的精益管理,不仅能够有效降低钢铁工业成本、提高产品质量、稳定流程时间间隔,从而起到节约资源与能源的作用,而且能够有效减少生产过程中的排放。

三、原料采购质量直接影响钢铁工业的节能减排与降耗

    作为炼铁的主要原材料,铁矿石和焦炭的质量直接影响到高炉炼铁流程的资源和能源消耗水平、废弃物的排放水平以及产品产量与质量。而钢铁工业供应链中的资源与能源消耗、废弃物排放主要产生于炼铁流程。因此,从精益供应链管理出发,改进原材料采购质量能够有效促进钢铁企业的节能减排,降低资源消耗与成本,提高企业的市场竞争力。

    第一,铁矿石含铁品位直接影响高炉炼铁流程消耗与排放。高炉入炉铁矿石含铁品位对炼铁流程的影响可从2个方面来看,一是含铁品位高低对原料和燃料消耗、排放的影响。炼铁学理论和生产实践表明,铁矿石的含铁品位提高1%,炼铁燃料比下降1.5%,产量提高2.5%,吨铁渣量减少30kg,吨铁高炉喷煤量可增加15kg;同时,相应地减少石灰等辅料的使用,铁矿石总量和高炉渣量的减少也会降低相应的运输成本。可见,高炉入炉铁矿石含铁品位的提高对于生铁产量、能源消耗、降低固废排放和生产成本等具有显著作用。当然,随着含铁品位的提高,铁矿石的吨度价格也会相应提高,从而使铁矿石成本上升。二是含铁品位波动对炼铁流程消耗和排放的影响。生产实践数据表明,高炉入炉铁矿含铁品位波动1%,会使燃料比升高2.5%~4.6%,产量减少2%左右。因此,维持铁矿石含铁品位的稳定有利于提高产量、降低消耗。从炼铁技术的角度,高炉应当储存可用一个月以上的炉料,以减少入炉料的成分波动,以及减少高炉操作的被迫变料次数,以实现高炉的长期稳定顺行。当然,从管理技术的角度,还需要考虑炉料库存所带来的资金占用成本。对于高炉入炉铁矿的精益管理,就是要在管理技术和炼铁技术之间对高炉入炉铁矿的含铁品位以及库存量的取舍进行平衡。

    第二,焦炭质量对高炉炼铁流程消耗与排放的影响。焦炭在高炉炼铁中是不可缺少的炉料,在高炉炼铁精料技术中占有重要的地位,对高炉炼铁技术进步的影响率在30%以上。焦炭在高炉炼铁流程中的作用为:一是主要的热量来源,高炉炼铁炭素(包括焦炭和喷吹的煤粉)燃烧所提供的热量,占高炉炼铁总热量来源的 71%,随着喷煤比的提高,焦炭用量在逐步减少;二是还原剂,焦炭以C和 CO形式来对铁矿石进行还原作用;三是铁水的溶碳,在高炉炼铁过程中焦炭中的碳是逐步渗透到铁水中;一般铸造生铁含碳3.9%左右、炼钢生铁含4.3%左右,生铁渗碳消耗焦炭7%~10%;四是炉料的支架和透气窗作用,焦炭是炉内支架,支撑着炼铁原料,同时又是煤气的透气窗,二者共同支持着炉料的稳定顺行。因此,焦炭的质量对高炉炼铁流程有重要影响,如表1。
 
表1  焦炭质量对高炉炼铁流程的影响
 

对炼铁指标影响

焦炭质量变化

炼铁指标

质量指标

变化

燃料比

产量

高炉利用系数

高炉渣量

灰分

1.0%

+(1.0%2.0%

-(2.0%3.0%

+(2.7%2.9%

硫分

0.1%

+(1.0%3.0%

-(2.0%5.0%

水分

1.0%

+(1.1%1.3%

-(2.0%5.0%

抗碎强度M40

1.0%

5.6kg/t

0.04

耐磨强度M10

0.2%

7.0kg/t

0.05



    从表1可以看出,焦炭质量变化对高炉炼铁流程具有较大影响,而且高炉的大型化对焦炭质量提出了更高要求。要使焦炭质量能够适应高炉炼铁的发展,提高焦炭质量的途径有:通过洗煤降低灰分和硫分;采用干法熄焦降低焦炭水分,提高主焦煤配比和采取综合技术装备可以改善焦炭的M10、M40等指标等。上述措施技术上是可行的,但要在考虑资源供给的条件下,结合生产技术与管理技术的要求,确定入炉焦炭的质量水平。

    第三,入炉原燃料中杂质含量影响高炉寿命与降耗减排。GB50427-2008《高炉炼铁工艺设计规范》对高炉入炉原料和燃料中有害杂质含量控制做出了规范,见表2。

表2  入炉原燃料中有害杂质量的控制值
 

杂质类别

K2Na2O

Zn

Pb

As

S

Cl

含量,kg/t

 3.0

0.15

0.15

0.1

4.0

0.6


    之所以要对入炉原燃料中的上述元素含量进行控制,是因为这些元素在原燃料中含量超过一定数量时,会给高炉炼铁生产带来严重负面影响,缩短高炉寿命,影响正常生产。碱金属(钾(K)、钠(Na))对炉料和耐火材料有较大的破坏作用,尤其是K的破坏作用大于Na的10倍;有企业因为入炉原燃料中碱金属含量高而导致高炉炉墙结厚、结瘤现象。锌(Zn)含量高会造成出铁时风口耐火砖上翘。

    此外,随着我国钢铁工业规模的不断扩张,大量使用来自澳大利亚等的进口铁矿。而来自不同国别矿山的杂质元素及其含量不同,如澳大利亚矿中的三氧化二铝(Al2O3)含量较高,大量使用澳矿时,为保证高炉渣的流动性和较高的脱硫率,必须在炉料中配入较多的氧化镁(MgO),从而增加了高炉渣量,进而使得燃料比上升。同时,高炉内为维持各种物质的动态平衡,还会导致生铁产量的下降。

    基于上述分析,在高炉炼铁流程中,要降低资源消耗、节约能源、减少排放,要提高产品的质量和数量,原燃料的采购质量具有重要的地位。所以,钢铁企业的节能减排,必须从供应链的源头——采购流程着手。

四、原料准备的精益管理可以有效改善原燃料采购质量

    从上述分析可以看出,精料是高炉生产的基础条件。随着我国钢铁工业的不断发展、原料来源地的多元化,原料成分的波动给高炉炼铁稳定顺行带来了挑战。因此,除了合理保证原燃料的采购质量,需要在企业内部的原料准备流程中,通过工艺技术的进步、管理技术和方式的创新,进一步改善原燃料的质量,减少成分波动幅度,保证钢铁厂的稳定连续生产,提高产品质量和数量,改善工厂生产环境,促进钢铁生产的节能减排和降耗。

    第一,创新管理模式,构建原燃料物流中心,对大宗散状原燃料进行集中管理。随着钢铁厂规模的大型化,原燃料来源途径的多元化,原料准备流程已不仅仅是对原燃料进行集中的受卸、储存、加工、输送,维持一定量的原料库存来解决企业与供应商之间生产、运输的不平衡问题,同时还需要对品质不均匀、粒度不符合要求的原料进行加工处理,以为冶炼流程提供符合精益生产要求的精料。

    因此,需要改变我国钢铁企业传统的原料场管理模式,不仅仅对烧结、炼铁所需原燃料集中加工处理,还需要对供应链上其他流程用户的原燃料处理与准备进行集中,逐渐形成钢铁企业大宗散状原燃料集散中心、物流管理中心和精料加工中心,以利于企业原燃料物流的运作,降低物料处理过程之中以及自然风力所造成的扬尘,减少环境污染和物料损耗。

    第二,推动技术进步,提升装备和控制水平,促进原燃料成分的稳定化。现代钢铁原料准备技术以加工生产精料为核心内容,而精料的关键是成分稳定、粒度符合要求。世界钢铁企业的实践经验表明,含铁原料品位波动每减少0.1%,可使焦比降低0.2%~0.46%、炼铁产量增加0.3%~0.6%、烧结燃料消耗降低0.6%~1.2%。钢铁企业采购的铁矿来自不同的产区,不同批次的成分含量也会有所不同,因此,混匀工序成为是精料生产的重要环节。虽然我国钢铁企业原料准备混匀技术的领先指标达到σTFe≤±0.23%~0.4%、σSiO2≤±0.15%,但总体而言,精料加工生产水平滞后于烧结和炼铁生产的发展。

    同时,原料准备的装备和控制水平也直接影响到场地利用率、作业效率、原料品质。大型化、连续化的卸、堆、取料作业设备,可以实现高效的生产作业,获得场地最大利用率,保证原料供应的连续性、高效性和灵活性,减少原料的损耗和原料运输费用;高自动化水平的过程控制能够有效避免人为操作带来的低效率和误操作,提高设备运行效率,稳定原料质量。为适应烧结、炼铁等工艺设备不断大型化的要求,保证钢铁生产高质、稳定、节能、增效,需要逐步实现原料准备设备的大型化、连续化和控制自动化。

    所以,提升原料混匀水平,为炼铁提供质量稳定均匀的精料,是原料准备流程的重点,也是我国钢铁企业在原燃料准备流程中技术创新的重点。通过混匀技术的发展,原料准备装备和控制水平的提升,可为炼铁原料的质量稳定提供有效保证,进而实现达到降低资源和能源消耗、减少排放的目标。