賈利軍  于國華  張向國  王冰 

山東省冶金設計院股份有限公司

摘  要  本文介紹了COREX與HIsmelt熔融還原煉鐵技術。著重針對兩種工藝在國產(chǎn)化過程中做的一系列重要改進優(yōu)化進行了闡述。其次，就改進后的歐冶爐和ML-hismelt熔融還原工藝的生產(chǎn)實踐情況進行了說明，并對傳統(tǒng)高爐工藝與二者的區(qū)別進行了比較分析，并對未來發(fā)展趨勢進行了簡要說明。

關鍵詞  熔融還原  COREX   HIsmelt 歐冶爐

1  引言

世界鋼鐵協(xié)會統(tǒng)計的38個國家和地區(qū)2018年高爐生鐵產(chǎn)量為12.39億噸，同比增長2.2%，世界鋼鐵協(xié)會統(tǒng)計的這38個國家和地區(qū)2017年高爐生鐵產(chǎn)量占世界高爐生鐵產(chǎn)量的99%，我國2018 年生鐵產(chǎn)量為7.7 億噸，比上年增加3%，占世界鋼鐵總量約：61.6%。世界鋼鐵協(xié)會統(tǒng)計的12個國家2018年直接還原鐵產(chǎn)量8410.2萬噸，同比增長11.6%，產(chǎn)能排名前三位的國家分別是印度（3036.8萬噸）、伊朗（2554萬噸）和墨西哥（599萬噸），所統(tǒng)計的12個國家2017年直接還原鐵產(chǎn)量占世界直接還原鐵產(chǎn)量的85%左右[1]。

全球熔融還原煉鐵裝置的產(chǎn)能約1200萬噸，而我國2018年熔融還原實際產(chǎn)能約105萬噸，約占國內煉鐵總產(chǎn)能的0.14%。

上述生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，高爐煉鐵仍為煉鐵生產(chǎn)的主要工藝。但是因為傳統(tǒng)高爐煉鐵流程正面臨環(huán)保、能耗以及原燃料資源制約等前所未有的壓力，為實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展，減輕高爐工藝對焦煤資源以及長流程帶來的環(huán)保和排放壓力，國內在近幾年在非高爐工藝的研究開發(fā)，尤其熔融還原工藝的引進、消化吸收、創(chuàng)新方面做了大量的工作，截止目前已有兩座熔融還原煉鐵工廠在運行。本文著重對寶鋼八一鋼鐵歐冶爐工藝、墨龍HIsmelt熔融還原工藝（以下簡稱ML-HIsmelt）的技術流程、工藝創(chuàng)新以及運行現(xiàn)狀進行了闡述，并就二者的優(yōu)越性與高爐工藝從多方面進行了比較，并對未來發(fā)展趨勢進行了簡要說明。

2  熔融還原煉鐵工藝概況

熔融還原煉鐵工藝以非焦煤為能源，在高溫熔態(tài)下進行鐵氧化物還原，渣鐵完全分離后得到鐵水。其目的是以煤代焦和直接用粉礦煉鐵，使煉鐵流程簡化，污染減少，已經(jīng)受到許多國家的重視?，F(xiàn)已開發(fā)出的熔融還原煉鐵工藝共有30 余種，但到目前為止，只有3 種工藝有較大發(fā)展且已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化，分別為COREX、HISmelt 和FINEX 工藝。全球熔融還原煉鐵工廠及生產(chǎn)狀況見表1.

3  COREX熔融還原工藝

3.1 COREX工藝流程

COREX 的工藝可以看做是利用了高爐爐缸和氣基直接還原豎爐工藝的聯(lián)合，其實質是把高爐截為兩截，使用塊煤和球團礦（塊礦）煉鐵。具體流程程描述如下：熔融氣化爐產(chǎn)生的1050℃高溫還原氣經(jīng)調溫到850℃后，經(jīng)初除塵后由環(huán)管送入預還原豎爐，從下向上逆流穿過下降的礦石層。鐵氧化物、熔劑和焦炭從上面加入向下運動，在下降過程中鐵礦石還原成金屬化率大于70%的海綿鐵，然后通過螺旋排料機送入熔融氣化爐。熔融氣化爐的任務是熔化海綿鐵并獲得合格的鐵水，同時制出滿足上部預還原豎爐要求的還原氣。從熔融氣化爐頂部加入的煤與1050℃的高溫煤氣相遇并立即被干燥、裂解和干餾焦化，在爐內形成半焦床層。在風口區(qū)和拱頂空間，鼓入的氧氣與碳燃燒，得到的1050℃的高溫還原煤氣(CO+H2>90%)離開熔融氣化爐。該高溫還原氣兌入凈化后的冷煤氣，調溫到800～850℃經(jīng)過熱旋風除塵器除塵后，作為還原氣輸入上部預還原豎爐的煤氣圍管。

寶鋼集團2007年引進了兩套大型COREX-3000煉鐵生產(chǎn)裝置，在上海的羅涇建成單爐年產(chǎn)鐵水百萬噸級熔融還原煉鐵廠，第一套于2007年11月投產(chǎn)，第二套于2010年投產(chǎn)。對COREX-3000技術做了大量消化吸收、關鍵設備國產(chǎn)化等工作，改進了原設計缺陷，但是基于以下幾方面原因致使企業(yè)持續(xù)虧損：1）對影響產(chǎn)能的關鍵技術未能取得合理的解決措施，致使產(chǎn)能僅達到設計產(chǎn)能的74%；2）不能與高爐流程互補；3）運輸成本高，主要體現(xiàn)在碼頭物流成本高；4）原燃料價格，包括塊煤、球團礦的價格高。為此，寶鋼集團將其搬遷到原燃料（球團礦、原料煤）較有優(yōu)勢的新疆八一鋼鐵公司，在搬遷建設過程中充分消化吸取羅涇COREX工程設計、設備制造、施工、生產(chǎn)實踐的經(jīng)驗及教訓，并結合高爐煉鐵原理和成熟技術進行大量優(yōu)化改造，于2015年7月19日建成投產(chǎn)，成功實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，并命名為歐冶爐[2]。

3.2 歐冶爐（COREX改進）

相比COREX，歐冶爐主要在以下幾方面進行了優(yōu)化改進:

3.2.1 豎爐爐頂煤氣系統(tǒng)的改進：原COREX爐頂煤氣為濕法除塵系統(tǒng)，歐冶爐預還原豎爐爐頂煤氣改為干式布袋除塵器，其除塵效率高、煤氣含塵量降低10~5 mg/Nm3，運行能耗和費用低，投資少、占地??；新增了與干法除塵系統(tǒng)配套的全干式TRT發(fā)電裝置，由此使得煤氣溫度、壓力均得到提高，使TRT發(fā)電量提高55kw/thm。

3.2.2 豎爐底部中心煤氣管：增設豎爐底部中心煤氣管，引入煤氣量占還原煤氣量的20%，可有效分布中心氣流。

3.2.3 增加槽下篩分設備：槽下每個料倉增加獨立篩分、稱量設備，在原料入爐前最大程度減少粉末，對歐冶爐豎爐粘接及氣化爐煤氣上升管堵塞都將起到相應的緩解作用。

3.2.4 歐冶爐頂煤氣反吹入爐：回噴10000Nm3/h歐冶爐頂煤氣可得到高品質過剩煤氣23800萬Nm3/h。經(jīng)實際生產(chǎn)測試，爐況順行的到改善，鐵水降硅效果明顯。

3.2.5 汽化爐優(yōu)化：設計拱頂噴煤比達到350kg/thm，可以使提高豎爐金屬化率提高15%～25%；經(jīng)實踐檢驗，改進后的汽化系統(tǒng)穩(wěn)定，已達到調整煤氣質量和提高煤氣量的目標。

圖1 歐冶爐熔融還原煉鐵工藝流程圖

3.3 歐冶爐（COREX改進）生產(chǎn)實踐

歐冶爐2015年連續(xù)生產(chǎn)68天，生產(chǎn)鐵水15.02萬噸，在此期間，歐冶爐對八鋼周邊的煤資源進行了充分的試驗，創(chuàng)造性地開發(fā)了氣化爐拱頂噴煤造氣的工藝，重新定義了豎爐還原、氣化爐造氣和熔煉功能，大幅提升了各功能區(qū)的效率和穩(wěn)定性，并強化了歐冶爐煤化工功能。

歐冶爐2017年連續(xù)生產(chǎn)154天，生產(chǎn)鐵水42.07萬噸，通過完善操作技術，投入新開發(fā)的煤制氣系統(tǒng)，投入CGD系統(tǒng)，形成了自主知識產(chǎn)權的工藝技術標準，建立了具有與高爐鐵水成本相當?shù)脑剂辖Y構體系，

充分開發(fā)利用了新疆優(yōu)質的動力煤資源。2018年5月26日，歐冶爐成功點火復產(chǎn)，隨著新布料器的投入，粉塵線的優(yōu)化及均排壓系統(tǒng)的改造效果逐步體現(xiàn)，開爐5天，達到2017年生產(chǎn)的最優(yōu)指標。至2018年8月，歐冶爐實現(xiàn)月鐵水產(chǎn)量10.5萬噸以上，平均燃料比830kg/t，焦比200 kg/t，燒結礦配比55%，鐵水平均含硅0.8%。基本實現(xiàn)歐冶爐設計能力和指標。

4 HISmelt熔融還原煉鐵技術

4.1 工藝流程簡介

HISmelt煉鐵工藝是已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的熔融還原煉鐵技術之一，屬于當今冶金領域前沿技術，經(jīng)過三十多年的研究開發(fā)和生產(chǎn)實踐，工藝技術逐漸成熟。

HISmelt是一種直接熔融還原的煉鐵工藝，是典型的一步法熔融還原工藝。該工藝可直接熔煉經(jīng)預熱處理的鐵礦粉和其他適合的含鐵原料，并噴吹煤粉作為系統(tǒng)的還原剤及熱量來源。相對傳統(tǒng)的高爐煉鐵工藝，HISmelt熔融還原煉鐵工藝省去了燒結及焦化兩個環(huán)節(jié)，在同樣產(chǎn)能下節(jié)省了大量的投資及運行成本，且這種工藝在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量蒸汽及富余煤氣均可以用于發(fā)電，使其生產(chǎn)系統(tǒng)的能源利用效率很高，應用前景廣闊。HISmelt工藝設施包括礦粉預熱及噴吹系統(tǒng)、煤粉制備及噴吹系統(tǒng)、熔融還原爐（SRV爐）、熱風爐、出鐵場、渣處理及濕法除塵等系統(tǒng)，除礦粉預熱、熱礦噴吹系統(tǒng)與SRV爐體部分同傳統(tǒng)高爐不同外，其他部分類似于傳統(tǒng)高爐，其工藝流程簡圖如下2。

圖2 HIsmelt工藝流程圖

山東墨龍公司在2012年決定將HISmelt奎那那工廠整體搬遷，并通過進一步優(yōu)化工藝流程，建設新的HISmelt熔融還原煉鐵生產(chǎn)廠，項目2016年8月建成投產(chǎn)建成，并于2017年9月山東墨龍取得原HIsmelt工藝有關的所有知識產(chǎn)權。

4.2 ML-HIsmelt工藝改進

ML-HISmelt工藝是基于澳大利亞HISmelt工藝商業(yè)化成功的基礎上引進建設的，在引進過程中結合原澳大利亞的生產(chǎn)實踐，對工藝路線、部分技術方案進行了優(yōu)化改進,主要體現(xiàn)在以下幾方面。

4.2.1 礦粉預熱系統(tǒng)的改進

原流化床工藝改為兩段式回轉窯工藝，經(jīng)實踐檢驗，改進后的工藝既實現(xiàn)了礦粉的加熱、預還原的目的，且技術成熟、穩(wěn)定。

同時，改進后的預熱還原系統(tǒng)既可以采用煤粉也可以采用SRV煤氣作為燃料，設計獨立的煤粉供應系統(tǒng)，操作靈活，不受上下游工序的影響，作業(yè)率高，對提高HISmelt工藝整體的作業(yè)率有利。

4.2.2 礦粉噴吹系統(tǒng)的優(yōu)化

提高系統(tǒng)的噴吹能力及降低噴吹管道堵塞問題，提高了噴吹系統(tǒng)的整體設計壓力；修改了噴吹罐、熱礦倉的結構，采取增加促進物料流動措施，減少物料在倉罐內板結對物料流通影響。

同時，增加細粉、除塵灰噴吹系統(tǒng)，了避免廠區(qū)粉塵的二次排放，既降低了資源的浪費，又大大降低了粉塵的二次污染，改善工廠環(huán)境。

4.2.3 SRV爐高溫煤氣系統(tǒng)的改進

為了回收SRV爐高溫煤氣攜帶的大量顯熱（約占入爐總能量的33%），強化汽化冷卻段的冷卻能力，同時增設高溫旋風除塵器、余熱鍋爐，將SRV煤氣排出溫度降低到200℃左右。

4.2.4 公輔動力系統(tǒng)的改進

降低了公輔動力系統(tǒng)工序之間的聯(lián)鎖效益，燃氣鍋爐及動力系統(tǒng)間相互獨立、不受上游工藝的影響，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和作業(yè)率得到了很大提高，為SRV系統(tǒng)整體作業(yè)率的提高提供了保障。

4.2.5 操作模式的優(yōu)化

由連續(xù)出鐵制度，改為柔性、連續(xù)兩種出鐵制度的操作模式，大大提高了對下游工序銜接的適應性和靈活性。

4.3 ML-HIsmelt生產(chǎn)實踐

ML-HIsmelt熔融還原煉鐵項目從2014年10月開始建設，并于2016年8月建成投產(chǎn)，先后經(jīng)歷十多次的停開爐探索實踐，通過不斷調試摸索，隨著現(xiàn)場工作人員對工藝流程和生產(chǎn)操作的逐步熟悉，以及對故障設備的檢修更換、工藝流程的進一步修改完善，ML-HISmelt工藝無論從作業(yè)率、操作穩(wěn)定性以及能耗指標方面都有了質的提高，截至2018年10月共計產(chǎn)出67萬噸產(chǎn)品，當前日最高產(chǎn)量達到1930噸、月產(chǎn)量達到51914噸，設備不間斷作業(yè)已達到157天，其各項生產(chǎn)指標均超過澳大利亞奎那那的HIsmelt工廠,所生產(chǎn)高純鑄造生鐵含磷量低（平均在0.015%-0.03%之間），基本不含硅、錳等元素，五害元素（鉛、錫、砷、銻、鉍）含量非常低，經(jīng)過脫硫過后，滿足高端制造行業(yè)以及高端鑄造產(chǎn)品的需求。

ML-HIsmelt技術自投產(chǎn)以來的典型操作參數(shù)見下表2。

從表2可以看出，MI- HIsmelt工藝無論從持續(xù)生產(chǎn)時間、作業(yè)率以及產(chǎn)能等方面均超越了原澳大利亞HIsmelt工廠，充分證明了工藝可行性的同時也說明ML-HIsmelt工藝國產(chǎn)化過程中所采取的一系列工藝優(yōu)化改進均是合理有效的，大大提高ML-HIsmelt系統(tǒng)的穩(wěn)定性和作業(yè)率，為ML-HIsmelt工藝的進一步發(fā)展奠定了堅實的基礎。

5 三種工藝對比分析

綜合前面兩種不同工藝技術的介紹，以下就高爐、歐冶爐、ML-hismelt三種不同煉鐵工藝分別從原燃料適應性、鐵水質量、技術成熟度、投資等指標進行比較分析。

a）在原燃料適應性方面，ML-HISmelt工藝適應性最好,也是目前唯一不使用焦炭的熔融還原煉鐵工藝，COREX(歐冶爐)工藝與高爐工藝因對焦炭、以及熟料的依懶，導致原料適應較差，ML-HIsmelt技術獨特的工藝特性為其在釩鈦礦和高磷礦資源利用提供了更多可能，未來在推動資源綜合利用方面將會取得新的突破。

b）單機產(chǎn)能而言。依次為，高爐工藝最大達到410萬噸/a，CORECX(歐冶爐)設計產(chǎn)能150萬噸/a，而HISmelt工藝產(chǎn)能最小，目前商業(yè)化的產(chǎn)能為80萬噸/a，通過改造升級同級別的SRV爐有望實現(xiàn)100萬噸/a，基本可以滿足大部分鋼廠產(chǎn)能的需求。

c）技術成熟度方面。高爐工藝較有優(yōu)勢，但是HISmelt與COREX(歐冶爐)屬于先進的煉鐵工藝，屬于國家提倡鼓勵的先進冶煉工藝。

d）投資而言。HISmelt因工藝流程短，需要建設的工序環(huán)節(jié)少，投資具有明顯優(yōu)勢。

e）產(chǎn)品質量。HISmelt工藝因為獨特的冶煉特性，所生產(chǎn)的鐵水質量較其他工藝流程而言優(yōu)勢明顯，其產(chǎn)品不僅可以生產(chǎn)煉鋼生鐵，而且可以作為高端鑄件的原料。

6 結論

經(jīng)過近年來的發(fā)展，我國在熔融還原煉鐵技術的研究與開發(fā)方面投入了大量的人力物力，使得我國在熔融還原煉鐵技術有了很大的進步，以ML-HIsmelt和歐冶爐為代表的熔融還原煉鐵技術已處于世界領先水平。而ML-HIsmelt熔融還原煉鐵技術因具有原料的適應性好、使用非焦煤、流程短、產(chǎn)品質量好、操作簡單等優(yōu)越性必將成為我國未來熔融還原煉鐵工藝的發(fā)展方向。

7  參考文獻

[1] 世界金屬導報，2019-02-19 F01. 

[2] 周渝生，洪益成．二步法熔融還原煉鐵工藝的發(fā)展歷程及光明前景．2016年非高爐煉鐵學術年會論文集．中國金屬學會.2016.10．