王敏，任荣霞，董洪旺，张广杰，刘思远
(唐钢国际工程技术股份有限公司炼铁事业部， 河北 唐山 063000)
摘要： 熔融还原炼铁工艺是非高炉炼铁的重要工艺，也是未来炼铁工艺的重要研发方向，目前投入商业化生产的熔融还原炼铁工艺主要有COREX、FINEX、HIsmelt工艺。为了更及时地了解熔融还原炼铁工艺的最新技术动态，有针对性地选择熔融还原炼铁工艺路线，根据近年来对上述3种主要熔融还原炼铁工艺的技术追踪和研究，阐述了中国在引进、消化COREX工艺过程中，在原燃料优化、解决预还原竖炉黏结问题以及工艺控制系统优化取得的技术进步。介绍了韩国浦项公司FINEX工艺在预还原流化床大型化、降低流化床系统高度、能源高效利用等方面的最新技术成果。并对中国引进HIsmelt熔融还原炼铁工艺后，对HIsmelt工艺未来的技术发展方向提出建议和展望。最后，从原燃料条件、炼铁-炼钢工艺路线、产品质量等方面，对如何选择熔融还原炼铁工艺路线提出建议。
关键词： 熔融还原炼铁；非高炉炼铁；流化床；COREX；FINEX；HIsmelt
高炉炼铁流程在中国炼铁生产中占据着垄断地位，需要配备烧结、焦化等原燃料工序为高炉提供适宜的原燃料，烧结、焦化、炼铁3大工序占吨钢能耗的85%以上。但是由于高炉长流程中的烧结工序的SO2、NOx、粉尘、二英和焦化工序的水污染物、粉尘排放占钢铁生产排放总量的50%以上，烧结厂、焦化厂已经成为各地区环境治理行动中的众矢之的，长流程炼铁工艺的高能耗、高污染、高排放迫切需要淘汰落后及过剩产能、转型升级、实现绿色低碳生产。留给钢铁产业的选择，除了压缩产能、逐渐提高工艺生产中的废钢比例，降低铁水比例以外，有限的选择方向之一是改变钢铁工艺的原燃料结构，逐渐由传统流程转向钢铁生产短流程方向发展。熔融还原炼铁工艺是非高炉炼铁的重要工艺路线，也是未来炼铁工艺的重要研发方向，是典型的炼铁生产短流程工艺，具有低成本、低能耗、低碳、低排放等特点，是国家鼓励发展的非高炉炼铁工艺。目前世界上实现工业化生产的熔融还原炼铁工艺主要有3种，分别是COREX工艺、FINEX工艺和HIsmelt工艺，中国宝武钢铁公司对COREX工艺经历了从引进、消化、吸收到创新的过程，FINEX工艺近年来也有国内钢铁企业与韩国浦项公司进行了深入的技术交流和技术引进谈判，HIsmelt工艺国内引进时间相对较短，目前正处于消化、吸收的阶段，国内炼铁工作者对HIsmelt工艺也在进行深入研究。对这3种主要的熔融还原炼铁工艺进行深入和持续的技术跟踪、技术研究，有助于中国非高炉炼铁工艺的技术进步，对企业因地制宜选择适宜的熔融还原炼铁工艺具有重要意义。
1.1COREX工艺
COREX工艺是由奥钢联公司研发的熔融还原炼铁工艺，1989年在南非开始工业化运行，目前南非、印度、韩国拥有建成的COREX装置，中国宝钢引进了两套大型COREX-C3000熔融还原炼铁生产装置，每套设计年产能150万t。2007年11月在上海罗泾建成投产，实现了连续4年顺行生产，对中国非高炉炼铁技术的发展及人才培养，掌握熔融还原炼铁工艺的生产组织和操作、相关工艺设备制造和维护都做出了重大贡献。COREX工艺流程如图1所示。2012年宝钢公司将COREX工艺装置搬迁至新疆八一钢铁公司，经过改进设计后，将之命名为欧冶炉，2015年短暂开炉生产后，经过1年半的优化改造，技术提升，于2017年3月25日点火复产，复产后生产情况稳定顺行，生产成本日益降低。欧冶炉是中国炼铁工作者在COREX-C3000基础上，对COREX工艺的一次有效提升和再创新，结合新疆地区的资源禀赋，发展了具有八钢特色的熔融还原炼铁技术。(1)欧冶炉优化了还原竖炉煤气管道布置，促使还原煤气流合理分布，有效解决了COREX还原竖炉的黏结问题，提升了竖炉金属化率。(2)将炉顶煤气湿法除尘改造为干法除尘，增加了TRT的发电量，达到55 kW/t(铁)，同时极大节约了水资源，提高了煤气利用率。(3)优化了炉体冷却结构和冷却水系统设计，合理分布炉体冷却强度，改善炉体寿命，保证炉况顺行。(4)优化入炉原料结构，用烧结矿替代价格较高的球团矿，烧结矿比例最终达到40%，炉况稳定顺行，欧冶炉能够处理含锌粉尘及城市废弃物，并对欧冶炉原燃料供应系统和出铁出渣系统进行了进一步改造升级。(5)优化了生产工艺控制系统。建立了欧冶炉物料平衡和热平衡模型，提升了还原煤气温度及成分控制，优化了气化炉炉顶煤气操作控制。相比于目前世界上存在的COREX工艺(印度4套，南非1套)，中国炼铁技术人员在工程设计、生产组织、设备制造、持续研发上具备不可比拟的优势，完全驾驭了COREX工艺的设计以及生产操作，并对该技术进行了很好的消化、吸收，发展成为具有中国特色的欧冶炉熔融还原炼铁工艺，展现了中国熔融还原炼铁技术的巨大进步。
1.2FINEX 熔融还原炼铁工艺
FINEX工艺是韩国浦项制铁开发的创新型熔融还原炼铁工艺，它可直接采用0~8mm铁矿粉(最多可使用30%的磁铁矿)和非焦煤作为原燃料，因此原燃料成本低，拓宽了原燃料使用范围，并因省掉烧结和焦化工序，能够大幅减少污染而实现清洁生产。FINEX工艺流程如图2所示。浦项公司第1套商业化FINEX生产线，年生产能力为150万t铁水的FINEX工厂于2004年开工建设，2007年投产，年生产能力为200万t铁水的FINEX工厂于2014年投产，实现了FINEX工艺生产规模大型化，技术装备日益成熟。浦项公司在FINEX工艺的研发上值得学习，成立了专门的FINEX工艺研发机构和推广机构，专业技术人员和技术推广人员齐备，投入了大量的人力、物力、财力来发展和推广FINEX工艺。FINEX工艺创造性的将流化床还原铁矿粉工艺和熔融气化炉结合在一起，并推动了流化床还原铁矿粉工艺技术进步。在已有技术的基础上，为满足FINEX工艺要求，进行了创新性的技术改进。近年来，浦项公司在FINEX工艺上的技术进步主要体现在如下几个方面：(1)流化床工艺设备大型化。FINEX工艺的核心技术是流化床还原技术，即通过流化床还原装置，使熔融气化炉产生的还原气体对粉矿进行预还原，目前浦项公司的流化床处理铁矿粉的能力已经能够满足年产200万t熔融还原铁水的需要，满足对设定的流化床还原率的要求，还原率达到60%，浦项公司在流化床工艺的大型化上技术进步巨大。(2)流化床系统工艺布置优化。流化床系统的上料方式由原来的机械设备垂直上料改成气力输送上料；流化床反应器由四级改成三级；经过优化设计后，流化床反应器系统整体高度由121降低到77 m，简化了工艺环节，大幅降低工程投资。(3)能源高效利用。流化床煤气近年来已实现了余热回收蒸汽，吨铁回收蒸汽210 kg，流化床煤气采用干法除尘，外供煤气热值提高，吨铁发电量增加。(4)与高炉炼铁流程协同生产效益明显。高炉流程中焦化工序产生的干熄焦灰及运转焦灰，高炉筛下小粒度焦(≤10 mm)、返矿均可由FINEX配吃、消化，在改善高炉原燃料条件的前提下，充分回收高炉流程废弃料，减少外排废弃物，环境效益和经济效益明显。通过对浦项公司FINEX工艺的研发过程进行了解，发现浦项公司进入熔融还原炼铁工艺领域比较早，技术研发与生产紧密结合，是典型的产学研深度融合、一体化的公司，研发工作有组织，有目标，具备一套完整的技术创新体系，因此，FINEX工艺技术成熟迅速，自主推广能力强。
1.3HIsmelt熔融还原炼铁工艺
HIsmelt工艺是由力拓、纽科、三菱、首钢合资开发的熔融还原炼铁工艺，原试验基地位于西澳大利亚奎纳纳工业区，年设计能力80万t，产品为生铁。2005年建成开始试生产。HIsmelt工艺流程如图3所示。2012年山东墨龙公司与力拓公司签订协议，将澳大利亚奎那那的HIsmelt 工业装置搬迁至中国，经过改造后于2016年年底投产运行，目前主要生产指标已明显优于力拓HIsmelt工厂。改造后的矿粉预热系统采用两级回转窑预热工艺，烘干回转窑的出料温度为80~100 ℃；预还原回转窑采用50%煤＋50%SRV炉煤气加热铁矿粉，温度达到750 ℃以上，物料的还原度达到15%以上。该工艺的引进、消化，符合中国的钢铁工业结构调整，炼铁工艺升级换代，淘汰落后技术，实现钢铁工业可持续发展产业政策的战略需求，HIsmelt工艺具有原料的灵活性、操作的灵活性、投资低、铁水质量好等特点。HIsmelt工艺在中国的发展时间比较短，研发和改进需要一定时间的技术积累。根据目前跟踪生产情况的了解，有如下几个方面可以进行提升优化：(1)将SRV炉煤气湿法除尘改造为干法除尘。中国的煤气干法除尘技术在世界上具有领先优势，而国外的煤气清洗方式多采用湿法除尘，COREX工艺和FINEX工艺均存在此类问题，欧冶炉干法除尘的成功应用，有效提高了能源利用率，SRV炉煤气初始温度为1 600 ℃，是这几种熔融还原炼铁工艺中煤气温度最高的，完全可以设计多级热量回收，在充分回收能源后，采用干法除尘工艺进行煤气清洗。(2)研发采用吹氧冶炼。HIsmelt工艺的SRV炉采用富氧热风(氧气体积分数为39%)助燃，热风温度为1 100～1 200 ℃，需要配套建设热风炉，增加了不必要的投资和二次能源消耗，同时，由于采用空气助燃，空气中的氮气降低了SRV炉煤气的热值。借鉴COREX和FINEX采用氧气冶炼的技术，研发氧气冶炼技术，是HIsmelt工艺技术进步的方向。(3)研发一步法碳-氢熔融还原炼铁工艺。山东墨龙的预还原回转窑工艺铁矿石的还原度比较低，鉴于还原度不佳，同时在国内环保要求趋严，限煤日益严格的条件下，不具备进一步发展煤基预还原回转窑的政策条件，建议取消预还原回转窑，只设计矿石烘干窑，燃料采用SRV炉煤气，降低SO2污染物排放。同时，SRV炉采用底吹氢气的工艺，研发碳-氢熔融还原炼铁工艺，提高矿粉还原效率，降低工序能耗，降低燃煤消耗，实现低碳、低排放炼铁，成为真正的一步法熔融还原炼铁工艺。(4)关键设备国产化。HIsmelt工艺是真正接近于一步法的熔融还原炼铁工艺，没有燃料和矿粉的造块工艺，主要工艺系统包括：矿粉预热及烘干、热矿喷吹、粒煤制备及喷吹、熔剂喷吹、SRV炉本体、热风炉、出铁场、鼓风、煤气清洗等系统。由此可见，除了SRV炉本体和热矿喷吹外，其他均为高炉长流程工艺的常规系统，国内均有成熟的设计和生产运行经验。SRV炉本体和热矿喷吹主要工艺设备有热风喷枪、矿煤喷枪、热矿螺旋输送机、热矿链板输送机，关键设备少，设备结构相对简单，随着生产实践的积累，如何使上述设备延长服役寿命，提高使用效果，更加简洁的操作和更换，是引进HIsmelt工艺后需要消化和创新的必经之路，依靠中国强大的工业体系，上述设备完全可以实现自主研发，更好地为SRV炉体服务。
2.1熔融还原炼铁工艺参数整理
通过对上面对3种主要熔融还原炼铁工艺的介绍，对3种工艺的主要工艺参数和工艺设备进行简要整理，结果见表1。完整的对熔融还原炼铁技术的经济性对比分析包括5个方面：工艺成熟性、生产成本、投资费用、环境友好性和原燃料要求。国内很多专家均对熔融还原炼铁工艺从上述5个方面进行了很好的总结和分析，本文不再赘述。下面阐述近年来对熔融还原炼铁工艺技术进行追踪的一些个人观点。
2.2对于如何选择熔融还原炼铁工艺的一些观点
随着欧冶炉的技术进步以及HIsmelt工艺在山东墨龙的建成投产，中国已经成为熔融还原炼铁工艺发展的主要市场，中国炼铁科技工作者已经成为熔融还原炼铁技术发展的主力军，根据最近几年对熔融还原炼铁技术的追踪，建议有意向选择熔融还原炼铁技术的企业遵循如下几个原则：(1)熔融还原炼铁短流程工艺在煤炭资源丰富而且廉价的地区有良好的发展前景。中国的新疆和内蒙地区煤炭资源丰富而且具有价格优势，欧冶炉在新疆八一钢铁公司的良好运行充分证明了燃料资源优势的重要性。(2)解决部分劣质炼铁矿石的冶炼难题。例如，中国以及世界上存在大量高磷铁矿石，如何盘活利用高磷铁矿资源，使其转变为市场效益，一直是冶金界的难题，HIsmelt工艺为高磷铁矿石的冶炼提供了一种可供选择的工艺路线，由于SRV炉内存在氧化性气氛，适宜磷的脱除，铁水中的磷含量很低，脱磷效果很好，钒钛磁铁矿的冶炼难题也可以由HIsmelt工艺解决，用HIsmelt熔融还原技术冶炼高磷铁矿和钛铁矿都分别取得良好的效果。HIsmelt工艺铁水洁净度高，适合高质量产品需要。(3)独立电炉企业宜选择HIsmelt工艺进行协同生产，HIsmelt工艺能够脱除铁水中的有害元素，相比于长流程的高炉铁水，熔融还原工艺的COREX铁水、FINEX铁水以及目前电炉的主原料废钢，HIsmelt工艺铁水更洁净，适宜电炉冶炼工艺，能够提高电炉钢水质量，解决电炉采用100%废钢冶炼，影响钢水洁净度的难题，满足高质量产品的需求。国外独立电炉厂生产高质量钢水的工艺路线通常选择直接还原铁工艺，用DRI（直接还原）代替废钢，但DRI相对铁水来说依旧属于冷料，限于中国的电力资源，电炉热装铁水是比较经济的工艺路线。鉴于目前HIsmelt工艺还不具备大型化生产的实践，60~80万t的年产铁水量，产能规模不大，配加一定比例废钢后，恰好是大型电炉厂比较适宜的铁原料结构，同时SRV炉还能为电炉钢厂提供SRV炉煤气，满足轧钢工序的需求，解决独立电炉企业的廉价燃气资源问题。此外，在中国，独立电炉企业如果建设直接还原铁装置，还需要外部环境创造条件，一方面受制于资源情况，DRI需要高品位铁精粉，但目前中国生产的直接还原铁因原料含铁较低，产品质量难以满足电炉生产洁净钢、优质钢的要求，因此铁精粉需要进一步精选，高品位铁精粉属于稀缺资源。另一方面，中国天然气资源匮乏，需要发展煤制气工艺来生产直接还原铁工艺需要的高品质还原气，而这需要国家政策引导和地方政府的支持。目前国内DRI资源匮乏，独立电炉企业为冶炼高品质钢水，需要进口DRI，价格高昂。(4)COREX工艺和FINEX工艺宜与传统高炉炼铁工艺协同生产，协同效果显著。COREX和FINEX工艺已经实现年产150万和200万t规模的商业化生产，与传统高炉炼铁工艺协同生产，可满足大型钢铁企业的生产规模要求，又能实现很好的经济效益和社会效益。韩国浦项公司的生产实践，宝武集团八一钢铁公司的生产实践均已经证明了协同生产具有很好的生产效益。COREX和FINEX工艺具有占地少，劳动定员少，原燃料质量要求低，生产成本低、工艺流程少、低排放、低污染等特点，这与长流程高炉工艺的现状正好形成互补。另外，从产品角度分析，因为COREX和FINEX工艺铁水硅含量高，在铁水罐内容易出现粘罐现象，给生产组织造成很大困难，同时铁水硅高增加炼钢工序的生产成本。熔融还原高硅铁水与高炉低硅铁水混兑后，避免了铁水粘罐现象，同时铁水可以直接供给炼钢工序，由此可见，与高炉长流程工艺的协同生产，解决了目前COREX工艺和FINEX工艺铁水硅高带来的生产难题，形成了很好的互补。
总结中国引进COREX工艺和HIsmelt工艺的经验和技术创新，说明中国在熔融还原炼铁工艺的技术积累上已经取得了长足进步，在此基础上，结合FINEX工艺的生产实践和技术创新，从中国国情出发，因地制宜、合理的选择熔融还原炼铁工艺路线，是实现低碳炼铁的一条重要途径，随着中国炼铁技术的不断进步，中国炼铁工作者在消化、吸收引进的熔融还原炼铁技术的基础上，必然会推动熔融还原炼铁技术向更深层次发展。
略
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