CO2减排和稳定原燃料供应是日本钢铁工业发展的两个主要问题。
按照日本铁钢联盟自主行动计划，日本钢铁工业对短期CO2减排进行了技术研发和投资。日本高炉生产从20世纪70年代的低燃料比、高利用系数、喷油操作，以及80年代中期的全焦冶炼，转变为低焦比、高喷煤比操作。从上世纪90年代中期开始，高炉低燃料比操作、高炉喷吹废塑料和焦炉利用废塑料、高炉喷吹天然气等技术在生产中实施，在保持粗钢产量相对较高的同时，减少了CO2排放量。同时,日本钢铁工业也进行了节能和减排CO2设备投资改造，如JFE仓敷厂的干熄焦（CDQ）设备和竖炉废钢熔化设备、新日铁开发的SCOPE21新焦炉在大分厂应用等。为转变能源结构和提高能源效率，他们还开发了混匀矿的石灰、焦粉涂层工艺，烧结过程喷吹二次燃料节能工艺，超级烧结矿技术、高炉喷吹天然气和矿焦混装技术，并在生产中实施。与1990年相比，这些技术的应用使炼铁总能耗下降了7.7%，吨钢能源需求量减少了18%。
对于日本钢铁工业中长期CO2减排，衔接项目《创新型高炉炼铁技术的预研究》在2006财年~2008财年得到了新能源和工业技术开发组织（NEDO）的积极推进。《使用低成本矿和煤的创新型炼铁工艺开发》项目于2009年启动，进行了中试研究。
推广高炉矿焦混装技术
为了改善低焦比操作条件下软熔带的透气性，日本钢铁工业开发了焦炭、矿石混合装入技术。在矿石层中烧结矿占65%～100%的条件下，焦炭混装比对透气性的影响如下：焦炭混装比从120kg/t增加到200kg/t，软熔试验最大压差急剧下降。混入的焦炭能够支撑上部料层的负荷，并使矿石层在高温下保持了一定的空隙度，煤气流通过这些空隙，为炉料透气和还原提供了保障。在1050℃和1200℃的温度下，无论烧结矿比例是75%还是65%，当焦炭混装比增加到120kg/t时，矿石还原率显著提高。因此，生产试验的第一个目标是将焦炭混装比提高到120kg/t。
JFE千叶厂在6号高炉进行了120kg/t高比例矿焦混装工业试验。该高炉使用三并罐无料钟炉顶设备，炉顶装料系统设有3个料斗和高精度的控制设备，开发了关于矿焦混装的3项技术，实现了储存在2个料罐内的矿石和焦炭同时排料，在旋转溜槽内实现最大程度的混合。然后，其通过装料模式控制，形成中心焦炭层，同时在排料时，矿批延迟排出，则在中心区域只形成焦炭层。该高炉采用的最新技术是反转倾斜布料，通过用相似模型物理试验和数学模拟模型对这些装料模式的组合进行优化，确保混入的焦炭均匀分布。
高比例矿焦混装从2002年4月起应用于JFE千叶厂6号高炉上，预期将推广到其他装备了三并罐无料钟炉顶的高炉上。
开展创新型炉料制造工艺研究
作为短期和中长期计划的衔接项目，日本钢铁工业在2006财年~2008财年开展了《基于高炉的创新型炼铁技术研发和预研》课题，基于通过碳与铁氧化物或金属铁的紧密结合促进C-CO2气化反应的理论思想，对铁矿-碳和金属铁-碳两种创新型炉料的制造工艺及其在高炉内的反应机理进行了研究。为了进一步开发，他们于2009财年在中试规模实验装置上开展了《使用低成本矿和煤的创新型炼铁工艺开发》课题研究。
该创新型炼铁工艺开发项目的目标是开发金属铁-碳复合炉料的制造工艺，并评价其在高炉内的使用情况。
这一创新型炼铁工艺的技术思路如下：低品质矿和煤经破碎和筛分，与黏结剂混合搅拌，然后压制成型。铁焦团块装入竖炉进行碳化和还原，使之具有足够的强度，可供高炉使用。铁焦是除烧结矿和焦炭之外的第3种炉料，使用铁焦可以降低高炉燃料比和增加低品质矿、煤的用量。
从2009财年起，4家日本钢铁联合企业和日本几所主要大学如东北大学、大阪大学，都参加了为期3年的项目研究。JFE参加了日产30吨中试规模铁焦生产工艺开发课题，新日铁和住友金属开展了布料技术和高炉内铁焦行为的研究。这项创新型炼铁工艺包含3项关键技术，即复合炉料的结构和成分优化、碳化和还原工艺、高炉使用铁焦的操作技术。
该项目首先通过调整煤、矿的配比确定最佳的铁焦结构和成分，开发新型黏结剂，优化成型工艺，获得高强度的团块；然后将压块生球装入用循环煤气直接加热的竖炉，进行碳化和还原，最终制备出高炉可用的强度高、还原性高的铁焦成品炉料；最后将这种炉料与矿石混合，装入高炉，在高炉内通过布料控制将铁焦分布到矿石层的最合适位置，同时进行数学模型开发，对高炉使用铁焦后的总体效果进行评估。
创新型炼铁工艺的关键技术
团块技术
热压工艺实验装置包括煤斗、矿斗、黏结剂储罐、煤加热设备、混料机和热压设备。成型机能力为30t～50t，成型压力3t/cm～5t/cm，辊面中650mm，转速6r/min，成型温度范围是100℃～120℃。
煤和矿的粒度按一定原则进行调整，并进行加热和混合，加热和混合过程中加入两种黏结剂。矿和煤加热后分别装入位于成型机上方的料斗中，在一定的转速下热压成型，每次试验所用的煤、矿混合料约20kg。
生球在电加热的碳化炉内进行碳化，对煤的配比在较宽的范围内进行测试，压好的团块外裹一层焦粉以防止互相黏结。为检查煤的配比对团块黏结的影响，进行了团块不外裹焦粉试验。试样箱装入碳化炉，在炉墙温度为1000℃下加热6小时，当试样盒中心处的试样达到900℃后保温3小时。用竖炉生产铁焦的关键技术是防止团块黏结和使产品达到高炉使用所需要的足够强度。团块黏结与否主要取决于煤种和各种煤的配比条件。对使用弱黏结煤A（最大流动度LogMF=2．51ddpm）和非炼焦煤B压块，在实验室规模碳化炉内不加焦粉碳化进行了测试。煤种B配比30%造成100%黏结，而煤种B配比70%可防止黏结。但是，添加煤种B导致产品强度变差，配比70%时强度剧降。观察碳化后的团块颗粒断面可见，由于A煤种的膨胀和熔融组分的作用，颗粒间实现了黏结。对于煤种B，颗粒内部的小裂纹可能是造成其强度下降的原因，尽管其大气孔的数量很少。因此，B煤种的标准配比为60%。
增加铁矿石配比，可以降低产品强度、增强反应性。因此，提高铁焦产品质量的另一关键条件是优化铁矿石配比，同时满足强度和反应性的要求。当铁矿石配比达到30%时产品强度急剧下降，这可能是矿还原消耗碳，导致焦炭基质结构损失和气孔体积增加，微观结构发生变化而造成的。另外，随着铁矿石配比增加，铁焦的反应性呈线性增强。从工艺角度看，铁矿石的最大适宜配比是30%。
竖炉内的碳化和还原
竖炉内的焦化和还原温度是决定是否同时获得高还原度和高强度团块的重要因素。生球在5℃/min的加热速度下加热到焦化温度，并保温1小时～3小时，然后在N2气氛下冷却，测定其还原率和强度。
铁焦的还原率主要受焦化温度（800℃～1000℃）的影响，而受保温时间的影响很小。通过对不同配比和不同碳化条件的试验，确定了实验室规模碳化设备的加热制度。实验室规模碳化竖炉的处理能力是0.5t/d，设计加热方式是电加热。连续24小时以上的试验，验证了该装置的工艺可靠性。
使用铁焦的高炉操作
采用荷重还原和软熔实验装置测试和评价铁焦的气化反应速率，气化速率根据尾气成分分析，通过碳平衡计算得出。随着铁矿石配比增加，气化速率曲线向低温区移动，将反应率达到0.8%时的温度定义为气化反应的初始温度。铁矿石配比达到30%及以上，铁焦气化反应初始温度下降150℃。由于矿石配比超过30%后铁焦的强度急剧下降，将铁焦的铁矿石标准配比设为30%。
采用二维数学模型对高炉使用铁焦的操作效果进行了模拟计算。基准条件不加入铁焦，焦炭气化反应的初始温度设为1050℃，使用铁焦模型计算条件将气化反应初始温度预下降150℃，气化速率据此温度调整。计算结果显示，装入铁焦后，炉身1000℃等温线位置向下移动，软熔带的下部温度线即1400℃等温线向上移动，结果使铁水温度升高。这清楚地说明使用铁焦后高炉燃料比下降。
综上所述，对于炼铁领域CO2减排项目的短期措施，按照日本铁钢联盟自主创新行动计划，日本钢铁业进行了矿焦混装布料控制技术研究。对于中长期CO2减排，《使用低成本矿石和煤的创新炼铁工艺开发》合作项目于2009财年启动，铁焦生产工艺正处于半工业试验开发的过程中。
信息来源：《中国冶金报》
