高炉炼铁原理及讲解（全是大高炉的日本炼铁到底是什么样的）

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日本神户制钢造假在去年闹得沸沸扬扬，使得日本钢铁行业在世人的眼中已经成了过街老鼠。但身为钢铁行业的技术人员，我要来解释下，千万不要被眼前的景象迷惑，日本钢铁比中国强大太多。日本钢铁行业在中国钢铁同行来看，充满着很多的神秘和隐晦，但每个中国的钢铁从业者对于日本钢铁同行都是很敬佩的。日本钢铁的历史有多长时间？日本钢铁企业主要有哪些？日本钢铁技术尤其是炼铁技术方向在哪里？小编带你详细了解。如您需要下载原文，请关注“钢铁精英”并回复“JPBF”下载。如您希望加入“钢铁精英群”讨论实时热点技术问题或者实际生产问题，请加小编xie215727208。

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（字数：6576字，估计阅读时间：10min）

1 概述

1857年，第一座西式高炉在日本川崎的建立至今，日本钢铁工业至今已有150年的历史。实际上，真正意义上的现代高炉是以1901年在八幡炼钢厂建立的东田1号高炉为标志的。二战以后，1953年，原川崎制钢（现为JFE）千叶工厂的建立标志着日本现代钢铁的开始。为充分利用海运优势，日本沿海钢铁企业纷纷高炉容积超过3000m³，有的超过5000m³。同时，充分利用美国的技术援助，引进炼铁先进技术设备，其中包括高压设备、冷却壁系统、无料钟放料系统。现在，日本钢铁企业在低燃料比操作、节能、高炉和焦炉长寿方面世界领先。

受上世纪70年代全球石油危机的影响，高炉喷吹重油转向了喷吹煤粉。在2012年，日本拥有27座高炉，年产铁水8000万吨。同时，钢铁工业面临经济和环境发展的压力，如日元汇率升高，国际矿石巨头合并，全球变暖，矿石和煤的价格升高，通过发展喷吹煤粉技术、扩大经济料使用、回收环保废物，降低CO2排放，日本钢铁工业的发展在世界上遥遥领先。

2 日本炼铁技术发展分析

低燃料比操作是高炉操作的重要部分。1981年，日本取得了燃料比396kg/t的世界纪录。日本钢铁行业在吸收和改进国外技术方面，逐渐形成了自己的发展特点，如延长设备寿命、设备大型化、节省能源和人力技术、快速检修技术，这些都大大降低了温室气体的排放。

在2000年，全球三大矿产资源公司是力拓、淡水河谷、必和必拓。随着中国钢产量的快速增加，矿石和煤炭价格在2002年快速增加，波动幅度也在扩大。如何保障稳定资源供应成为钢铁企业发展的重要战略目标。

图 铁矿石购买量及资源价格

2000年，为扩大市场份额，全球钢铁企业兼并重组加剧，在欧洲形成了以安塞洛米塔尔、塔塔集团为首的钢铁集团，在日本形成了JFE、NIPPON和住友金属为首的钢铁集团。2012年，全球粗钢产量15.5亿吨，其中中国粗钢产量达到了7.17亿吨，占全球粗钢产量的一半。在上世纪70年底，全球钢铁企业产量前十名中日本占四家，而近些年，前十钢铁企业中中国钢铁企业占据了六名。中国钢铁企业的快速发展与上世纪的60-70年代日本经济和工业的发展具有很大的相似，都是通过引进先进的技术，消化吸收，逐渐成为世界领先。

表 全球钢铁企业排名

2.1 日本炼铁技术介绍

日本传统炼铁技术是一种称为“tatara”的工艺，主要利用铁砂中进行冶炼。1857年12月1日，第一座西式高炉在釜石由T.Oshima建立。1958年12月1日首次被定为炼铁纪念日。日本炼铁技术与欧洲炼铁技术的发展阶段对比见下图。从图中可以发现，欧洲现代炼铁技术经过400年的发展已经相对成熟，而日本当时的发展历史仅仅只有50年。

2.2 大型钢铁企业高炉的建立到第二次世界大战结束

同其他工业国家相比，日本钢铁企业发展的初期也是依托资源和运输，其中，煤矿的作用异常重要。日本政府运营的八幡制铁所是日本第一座综合性的钢铁厂，在1894年开始动工，此时正值中日战争。在1901年，东田1号高炉（495m³）开炉。在开炉的第一年，由于持续不断的问题，生产不连续，焦比高达1.7t/t。主要原因是焦炭质量的问题。为了改善焦炭质量，降低灰分，采用洗煤技术以及配煤技术。受小焦块的堆积以及炉渣粘接风口的影响，采取优化设计的方法，包括增加风口个数、减少风口直径，增加风口长度。风温由400℃提升至600℃，提高了铁水质量，最终，在高炉开炉后的第三年，铁水产量达到150t/d，焦比降低至1.22t/t。在此期间，采用试错的方法对于高炉操作者来说异常重要。随着同类型的高炉每四年增加一座，在1913年，铁水产量达到24万吨/年。然而，粗钢产量仅能满足全国34%的需求。

图 日本炼铁的演进

1914年，第一次世界大战的爆发大大刺激了日本钢铁的快速发展。八幡5号高炉（595m³）在1916年开炉。随着战争的结束，钢铁需求量降低，鞍山钢铁（中国鞍山，当时属于日本占领区）发展了低品位矿石冶炼技术。1929年，日本钢铁工业重组分为国有钢铁和私人财阀，钢铁生产增加，逐渐满足了国内的需求。1934年，日本高炉数量增加至19座，燃料比降低至1020kg/t，生铁产能扩张至221万吨/年。由于国内钢铁需求的持续增加，日本在1937年在八幡建立了Kukioka 3号高炉（炉容1112m³）。为响应当时日本国家防御政策，日本钢铁公司重组了八幡制铁所和其他六个私人公司，并且在1942年，在室兰、广烟、清津（位于朝鲜）相继建立钢铁企业，高炉数量达到35座。同年，铁水产量达到512万吨/年，其中生产能力达到526万吨/年，粗钢产能达到765万吨/年，达到战前的最高峰。

在二战前，日本钢铁工业所需的大部分铁矿石从中国中部、海南岛、菲律宾、马来半岛进口，炼焦煤从中国北部进口。但随着战争的爆发，产量锐减，战后，高炉数量减少至13座。在此期间，为应对需求增加以及资源的短缺，钢铁企业开展了多种多样的试验和研究。从低品位冶炼、矿砂冶炼、有害金属去除、减少炼焦煤的使用、平炉冶炼、资源短缺应对、炉渣利用、特殊钢中Ni替代技术等都是在这个时期进行的。1942年，八幡东田3号高炉尝试100%生矿冶炼，矿石粒度控制在25mm-70mm，能够显著改善透气性以及提高生铁产量。

1943年，54届日本炼铁技术推进委员会确定了高炉反应机理研究方向，而该协会成立于1932年。

随着二战的战败，日本钢铁公司失去了Kenjiho和清津两个钢铁厂（位于朝鲜），一同失去的还包括位于朝鲜半岛、中国和库页岛在内的众多铁矿石和煤矿企业。1946年，整个日本只有3座高炉在维持生产，包括八幡东田2、3号高炉以及Kukioka 2号高炉，生铁产能21.8万吨/年，粗钢产量降低至64.8万吨/年。

2.3 战后重建到1975年

战后日本经济和科学技术快速发展，通过利用美国的经济援助，日本大量进口原油，以及引进相关生产工艺。随着需求的大量增加，1947年日本钢铁公司重新启动了位于八幡、Wanishi、釜石、广烟的高炉，日本钢管公司在1948年重启位于川崎、鹤见的高炉，以及住友金属1950年重启了位于小仓市的高炉，日本16座高炉开始运行，生铁产能恢复到223.3万吨/年，粗钢产量恢复到484.8万吨/年。高炉利用系数达到0.66t/d/m³，焦比降低至900-956kg/t。

1950年，日本钢铁公司被重组分配为八幡钢铁公司和富士钢铁公司两个私人公司。1950年6月爆发的朝鲜战争为日本钢铁工业的快速复苏提供了一个强大动力。在此期间，主要经历了三个阶段的发展：

第一阶段：1951年-1955年，轧制流程的现代化。

在炼铁方面，经历了恢复、改进、产能扩张、原料处理强化（包括烧结设备和焦化炉、原料处理工艺流程、磨煤设备和传统系统）等阶段和攻关。为强化烧结技术，八幡钢铁公司安装了Dwight Lloyd烧结机（产能1000t/d），中山钢铁公司安装了GW（Greenwalt）烧结机，尼崎钢铁安装了DL烧结机。1953年，在川崎钢铁的千叶工厂，日本战后第一座现代新式高炉开炉，标志着一个新时代的开始。此后，小仓、中山、尼崎钢铁的现代高炉相继开炉。到1954年底，日本高炉数量达到37座，其中，21座处于正常生产状态，生铁产能达到563万吨/年，实际铁水产量达到522万吨/年，超过二战前的412万吨/年的水平。日本平均高炉利用系数达到0.78t/d/m³，平均燃料比达到750kg/t。入炉料质量得到改善，焦炭灰分降低至12.7%，焦炭粒度达到69.3mm，DI强度达到79.5%，烧结矿比例42.6%，渣比604kg/t，Si含量0.75%。

第二阶段：1956年-1960年，沿海现代化钢铁企业的建设以及产能的快速增加。

由于废钢的不足，钢铁生产对于铁水的需求增加，高炉朝着大型化的方向发展。八幡钢铁的户佃、板井、东海工厂，日本钢管的瑞江工厂，神户钢铁的博野工厂，住友金属的歌山工厂相继投产，且高炉炉容超过2000m³。受益于稳定原料的措施，高炉操作制度得到改善，包括进口高品位矿、大块矿使用、自熔性烧结矿以及烧结矿比例提升，低灰分的北美进口焦炭（灰分低于10%），以上这些措施大大降低了焦比。高炉焦比从1955年的714kg/t降低至1960年的619kg/t，高炉平均利用系数超过1.0t/d/m³。

第三阶段：1961年至1975年，产能扩张期。

随着国内需求的持续增加，沿海大型钢铁企业相继建成，包括八幡钢铁的君津厂，日本钢管的福山厂，川崎重工的水岛厂等。在此期间建成的钢铁企业有一个明显的特点，就是将炼钢以及焦化等辅助流程和企业纳入整个钢铁板块。1963年，日本海外资源依存度较高，其中矿石85%，焦炭55%，废钢31%。通过强化港口设施和卸料设备，日本强化了海外资源的进口，也成为日本在海外建厂的模板。

随着战后从中国进口原料被切断，日本主要从菲律宾和马来半岛进口矿石，同时依托美国、加拿大、印度进行补充。其中，从美国进口了大量的炼焦煤。在此期间，通过改造矿石运输船等措施，海运费用得到降低。此外，日本从秘鲁、智利等国大量进口矿石。在1960年12月后，随着澳大利亚废除了铁矿石出口管制后，日本从澳洲进口的矿石大量增加。10-15年的长协矿保证了原料的稳定。焦炭进口国扩展到除美国之外的加拿大、澳大利亚、俄罗斯等国。在1963年，进口煤占到日本总需求的55.3%，美国煤矿进口依存度降低至54.6%。

在此期间，技术创新得到极大促进，包括自熔性烧结矿生产和焦炭质量的改进，高炉湿度控制技术、富氧技术、重油以及焦炉煤气喷吹、高炉操作控制系统的建设和完善。1961年，重油喷吹技术在日本钢管川崎厂3号高炉试用，之后快速推广到其他高炉，成为一种较为实用的技术设备。

日本粗钢产量在1960年超过英国，位居世界第四。在1963年超过西德，1964年产量达到3978万吨/年，位居世界第三。燃料比在1970年达到518kg/t，其中包括45kg/t重油比。在1970年，八幡钢铁和富士钢铁合并成为新日铁公司。

在整个70年代，大型高炉在沿海钢铁普遍建设起来。1971年，日本钢管福山4号高炉（炉容4000m³）建立，1976年，住友金属的鹿岛3号高炉（炉容5000m³），新日铁大分厂2号高炉（5000m³）相继建成。随着高炉炉容的扩大，新的技术在很短的时间内就在高炉上得到应用，包括高压控制设备、冷却壁、炉喉可移动防护板、无料钟装料系统、大型热风炉、液压泥炮、计算机控制系统等。

在1973年，日本有60座高炉，其中所有高炉采用重油喷吹，70%改用高压操作。日本粗钢产量1.2亿吨，占到世界总产量的16%，高炉利用系数达到2.04t/d/m³，燃料比降低至494kg/t(重油比56kg/t)，位居世界第一。在1970年前后，高炉解剖分析在各个钢铁公司开展起来，获取了大量的数据和材料，为理解高炉内部冶炼原理提供了支持。

在1955年至1981年，日本东京大学建立了一个高炉实验模型，在工业-学术工程方面为炼铁技术的进步提供了关键的技术支持。

2.4 石油危机中的炼铁：1973-2000

1973年和1978年的两次石油危机，标志着日本经济高速增长的结束并进入稳定发展期。日本高炉数量由1970年的62座减少为1978年的43座，粗钢产能降低至1亿吨/年。

随着第一次石油危机的开始，日本钢铁开展一系列节能技术，如TRT（Top gas pressure Recovery Turbines）技术，即利用高炉顶压进行发电；烧结机和热风炉、干熄焦系统余热回收。通过这些技术和设备的应用，能源消耗降低10%，从1973年到1979年的6年时间，重油使用比例从21.3降低至14.2%。

由于全球炼焦煤的短缺，进口炼焦煤的价格从1973年的25美元/t升高到1974年的45美元/t，1975年升高到57美元/t，1982年进一步升高到74美元/t。在高炉操作方面，为追求最低的燃料比，高炉利用系数降低到1.93t/d/m³，1979年全国平均燃料比降低至461.6kg/t（重油比38.6kg/t）。

随着第二次石油危机的展开，到1981年底，日本43座高炉中的42座高炉已经很少进行重油喷吹了。低燃料比冶炼技术逐渐成为钢铁工业的主要追求目标。在第二次石油危机之后，燃料比有所升高，主要原因是增加能源产品（高炉煤气以及焦炉煤气）的产生量，以降低全流程的CO2排放和实现节能。1979年是燃料比指标的转折点，在1985年，燃料比超过500kg/t。在此期间，经济冶炼技术，包括低品位煤粉使用、非冶金焦冶炼、非焦冶炼等逐步开发和应用。1981年，喷煤技术在新日铁大分1号高炉（炉容4884m³）应用见得成效，全国一半以上的高炉（超过16座）开始进行喷煤。

随着1985年广场协议的签订，日元大幅升值对工业出口造成巨大影响，钢铁工业生产转向保证企业利润。1989年，新日铁关闭了釜石厂；1990年关闭萨凯厂；1993年关闭了广烟厂，并且关闭了八幡和室兰厂各一座高炉。在1985年，生产的高炉数量是40座，而到了1994年，数量降低至31座，粗钢产量在1.1亿吨左右徘徊。为应对利润的下滑，钢铁企业采取兼并重组、优化管理等方法进行自我调整。在此期间，人均产铁量增加1.5倍以上。

在矿石和煤矿方面，增加海运成本较低的澳矿使用，增加生矿比例。大喷煤技术从1996年的25座高炉推广到所有的31座高炉上，喷煤比达到130kg/t（焦比370kg/t）。为追求更高的喷煤比，250kg/t喷煤技术首先在神户钢铁和日本钢管进行试验。

在此期间，日本国家工程的主要目的在于强化资源应对能力、高产量以及减小环境影响。包括成型焦炭生产以及直接还原铁生产技术。

2.5 大型高炉建设、流水线、环保回收以及CO2减排技术（90年代末至今）

京都议定书的签订以及日元汇率的升高，引导了日本钢铁企业转向节能以及减排技术方面。在此期间，开发了高炉以及焦炉废旧塑料喷吹，转底炉脱Zn技术。

2000年之后，高炉炉容逐渐扩大，在2013年，日本27座高炉中，有13座高炉炉容超过5000m³，通过大块碳砖使用、铜冷却壁使用等，高炉寿命得到延长。通过焦炉炉墙监测技术以及快速修复技术，焦炉的炉役也得到了延长。

自2002年开始，日本钢铁工业逐渐恢复生机，受益于中国经济的巨大发展，日本钢铁产量增加明显，其中铁水产量增加至8200万吨至8600万吨，粗钢产量超过1.1亿吨。在2007年，高炉利用系数达到2.08t/d/m³，粗钢产量超过1.2亿吨，达到自1973年以来的最好水平。1973年，日本60座高炉的利用系数为2.04 t/d/m³，燃料比494kg/t，重油比60kg/t，而2007年，日本30座高炉利用系数2.08t/d/m³，燃料比497kg/t，喷煤比123.6kg/t。这些是高炉大型化、炉料质量改进、高喷煤、设备改进以及计算机控制技术应用等综合的结果。受2008年经济危机的影响，高炉技术经济指标降低。2012年，日本全年粗钢产量1.07亿吨，较2007年下降10%左右。2012年，日本26座运行中的高炉中，利用系数1.87t/d/m³，燃料比503kg/t(喷煤比161kg/t).

受中国钢铁行业的扩张，全球铁矿和煤矿价格大幅升高，这也对日本钢铁行业产生了很大影响。在将来，全球矿石资源的价格仍然受中国钢铁发展形势的影响。

在此期间，日本国家工程和相关基础研究的重点在于强化资源的应对，高产量和环保方便，包括SCOPE21，炼铁科技创新能源消耗降低50%，以及资源应对能力强化等项目。

SCOPE21项目主要在于强化煤矿的预处理以及快速焦化，2008年在新日铁大分厂以及2013年在名古屋厂分别开展。为减少CO2排放以及低燃料比操作，JFE东日本公司（京滨）开展高炉和烧结喷吹天然气的试验。日本钢铁协会绿色能源研究小组开展了核能-氢还原反应器的研究。

以下是日本基础技术研究阶段及高炉主要经济指标的表现。

图 二战后日本科技题目的开发

3 总结

日本钢铁技术的发展具有100多年的历史，反观中国，在新中国成立之前，在资源、技术等方面受制于外国，真正的现代化钢铁应该是从新中国成立之后算起。在2000年之后，中国钢铁的发展进入一个高速发展的阶段。反观日本，对于中国钢铁工业有很多的启发，尤其是炼铁行业，概括来说有以下几个方面：

（1）日本是一个资源匮乏的国家，铁矿石和煤炭对外依存度很高，因此，从80年代起，日本就在港口建设和设备改进、海运设备的改进等方面投入巨大的精力，同时，采用资本的手段，参股和控制原料产地公司，由此强化原料供应的稳定能力，目前，国际矿业巨头必和必拓、淡水河谷等公司都有日本公司的身影。中国铁矿石对外依存度同日本不相上下，因此，在资源供应稳定控制方面，日本给我们树立了一个良好的榜样。

（2）日本对于炼铁基础技术的研究非常重视。从70年代开始，日本有很多钢铁企业对高炉进行整体冷却解剖，尤其发现了高炉内部运行的机理，而中国此方面的研究开始于90年代后期。到目前为止，中国进行高炉全解剖的高炉炉容最大的是莱钢于2008年开展的120m³高炉，而日本解剖的高炉炉容在2500m³以上，由此在数据积累和对高炉冶炼的理解上，与日本有较大差距。

（3）钢铁企业经营策略的变通方面，日本钢铁企业从建立开始，就存在这财阀与政府交替控制的局面，在二战之后，钢铁企业运营更加注重经济性以及减排方面。中国钢铁企业的大头其实还在国有企业，如宝钢、首钢、鞍钢、河钢集团等，在政策灵活度方面有所欠缺，因此，应从战略研究的高度，建立从资源保障、基础技术研究、成本控制方面的保障系统。

（4）中国宝钢是在日本的援助下，于上世纪80-90年代建立起来，从炼铁的角度看，处于国内领先水平，而日本在现代钢铁企业建立之初以及一战、二战前后都特别重视国外技术和设备的引进吸收。而中国众多钢铁企业在先进技术和设备引进方面无可厚非，主要是吸收和转化方面仍有很大的余地。

（5）在基础研究方面，日本钢铁企业与东京大学等高校之间的联合研发为钢铁企业在数据、理论等方面提供了大量真实可靠的数据和技术，而目前中国钢铁企业与高校之间的基础技术研发方面稍微薄弱，更多的是偏向于应用技术，即“短平快”。

基于以上的分析，可以看出目前中国与日本等钢铁先进国家差距，充分利用后发优势，引进、吸收、转化先进技术，是中国目前钢铁企业发展的主要道路。

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