贾利军  于国华  张向国  王冰 

山东省冶金设计院股份有限公司

摘  要  本文介绍了COREX与HIsmelt熔融还原炼铁技术。着重针对两种工艺在国产化过程中做的一系列重要改进优化进行了阐述。其次，就改进后的欧冶炉和ML-hismelt熔融还原工艺的生产实践情况进行了说明，并对传统高炉工艺与二者的区别进行了比较分析，并对未来发展趋势进行了简要说明。

关键词  熔融还原  COREX   HIsmelt 欧冶炉

1  引言

世界钢铁协会统计的38个国家和地区2018年高炉生铁产量为12.39亿吨，同比增长2.2%，世界钢铁协会统计的这38个国家和地区2017年高炉生铁产量占世界高炉生铁产量的99%，我国2018 年生铁产量为7.7 亿吨，比上年增加3%，占世界钢铁总量约：61.6%。世界钢铁协会统计的12个国家2018年直接还原铁产量8410.2万吨，同比增长11.6%，产能排名前三位的国家分别是印度（3036.8万吨）、伊朗（2554万吨）和墨西哥（599万吨），所统计的12个国家2017年直接还原铁产量占世界直接还原铁产量的85%左右[1]。

全球熔融还原炼铁装置的产能约1200万吨，而我国2018年熔融还原实际产能约105万吨，约占国内炼铁总产能的0.14%。

上述生产数据表明，高炉炼铁仍为炼铁生产的主要工艺。但是因为传统高炉炼铁流程正面临环保、能耗以及原燃料资源制约等前所未有的压力，为实现钢铁工业可持续发展，减轻高炉工艺对焦煤资源以及长流程带来的环保和排放压力，国内在近几年在非高炉工艺的研究开发，尤其熔融还原工艺的引进、消化吸收、创新方面做了大量的工作，截止目前已有两座熔融还原炼铁工厂在运行。本文着重对宝钢八一钢铁欧冶炉工艺、墨龙HIsmelt熔融还原工艺（以下简称ML-HIsmelt）的技术流程、工艺创新以及运行现状进行了阐述，并就二者的优越性与高炉工艺从多方面进行了比较，并对未来发展趋势进行了简要说明。

2  熔融还原炼铁工艺概况

熔融还原炼铁工艺以非焦煤为能源，在高温熔态下进行铁氧化物还原，渣铁完全分离后得到铁水。其目的是以煤代焦和直接用粉矿炼铁，使炼铁流程简化，污染减少，已经受到许多国家的重视。现已开发出的熔融还原炼铁工艺共有30 余种，但到目前为止，只有3 种工艺有较大发展且已经实现商业化，分别为COREX、HISmelt 和FINEX 工艺。全球熔融还原炼铁工厂及生产状况见表1.

3  COREX熔融还原工艺

3.1 COREX工艺流程

COREX 的工艺可以看做是利用了高炉炉缸和气基直接还原竖炉工艺的联合，其实质是把高炉截为两截，使用块煤和球团矿（块矿）炼铁。具体流程程描述如下：熔融气化炉产生的1050℃高温还原气经调温到850℃后，经初除尘后由环管送入预还原竖炉，从下向上逆流穿过下降的矿石层。铁氧化物、熔剂和焦炭从上面加入向下运动，在下降过程中铁矿石还原成金属化率大于70%的海绵铁，然后通过螺旋排料机送入熔融气化炉。熔融气化炉的任务是熔化海绵铁并获得合格的铁水，同时制出满足上部预还原竖炉要求的还原气。从熔融气化炉顶部加入的煤与1050℃的高温煤气相遇并立即被干燥、裂解和干馏焦化，在炉内形成半焦床层。在风口区和拱顶空间，鼓入的氧气与碳燃烧，得到的1050℃的高温还原煤气(CO+H2>90%)离开熔融气化炉。该高温还原气兑入净化后的冷煤气，调温到800～850℃经过热旋风除尘器除尘后，作为还原气输入上部预还原竖炉的煤气围管。

宝钢集团2007年引进了两套大型COREX-3000炼铁生产装置，在上海的罗泾建成单炉年产铁水百万吨级熔融还原炼铁厂，第一套于2007年11月投产，第二套于2010年投产。对COREX-3000技术做了大量消化吸收、关键设备国产化等工作，改进了原设计缺陷，但是基于以下几方面原因致使企业持续亏损：1）对影响产能的关键技术未能取得合理的解决措施，致使产能仅达到设计产能的74%；2）不能与高炉流程互补；3）运输成本高，主要体现在码头物流成本高；4）原燃料价格，包括块煤、球团矿的价格高。为此，宝钢集团将其搬迁到原燃料（球团矿、原料煤）较有优势的新疆八一钢铁公司，在搬迁建设过程中充分消化吸取罗泾COREX工程设计、设备制造、施工、生产实践的经验及教训，并结合高炉炼铁原理和成熟技术进行大量优化改造，于2015年7月19日建成投产，成功实现了工业化生产，并命名为欧冶炉[2]。

3.2 欧冶炉（COREX改进）

相比COREX，欧冶炉主要在以下几方面进行了优化改进:

3.2.1 竖炉炉顶煤气系统的改进：原COREX炉顶煤气为湿法除尘系统，欧冶炉预还原竖炉炉顶煤气改为干式布袋除尘器，其除尘效率高、煤气含尘量降低10~5 mg/Nm3，运行能耗和费用低，投资少、占地小；新增了与干法除尘系统配套的全干式TRT发电装置，由此使得煤气温度、压力均得到提高，使TRT发电量提高55kw/thm。

3.2.2 竖炉底部中心煤气管：增设竖炉底部中心煤气管，引入煤气量占还原煤气量的20%，可有效分布中心气流。

3.2.3 增加槽下筛分设备：槽下每个料仓增加独立筛分、称量设备，在原料入炉前最大程度减少粉末，对欧冶炉竖炉粘接及气化炉煤气上升管堵塞都将起到相应的缓解作用。

3.2.4 欧冶炉顶煤气反吹入炉：回喷10000Nm3/h欧冶炉顶煤气可得到高品质过剩煤气23800万Nm3/h。经实际生产测试，炉况顺行的到改善，铁水降硅效果明显。

3.2.5 汽化炉优化：设计拱顶喷煤比达到350kg/thm，可以使提高竖炉金属化率提高15%～25%；经实践检验，改进后的汽化系统稳定，已达到调整煤气质量和提高煤气量的目标。

图1 欧冶炉熔融还原炼铁工艺流程图

3.3 欧冶炉（COREX改进）生产实践

欧冶炉2015年连续生产68天，生产铁水15.02万吨，在此期间，欧冶炉对八钢周边的煤资源进行了充分的试验，创造性地开发了气化炉拱顶喷煤造气的工艺，重新定义了竖炉还原、气化炉造气和熔炼功能，大幅提升了各功能区的效率和稳定性，并强化了欧冶炉煤化工功能。

欧冶炉2017年连续生产154天，生产铁水42.07万吨，通过完善操作技术，投入新开发的煤制气系统，投入CGD系统，形成了自主知识产权的工艺技术标准，建立了具有与高炉铁水成本相当的原燃料结构体系，

充分开发利用了新疆优质的动力煤资源。2018年5月26日，欧冶炉成功点火复产，随着新布料器的投入，粉尘线的优化及均排压系统的改造效果逐步体现，开炉5天，达到2017年生产的最优指标。至2018年8月，欧冶炉实现月铁水产量10.5万吨以上，平均燃料比830kg/t，焦比200 kg/t，烧结矿配比55%，铁水平均含硅0.8%。基本实现欧冶炉设计能力和指标。

4 HISmelt熔融还原炼铁技术

4.1 工艺流程简介

HISmelt炼铁工艺是已实现工业化生产的熔融还原炼铁技术之一，属于当今冶金领域前沿技术，经过三十多年的研究开发和生产实践，工艺技术逐渐成熟。

HISmelt是一种直接熔融还原的炼铁工艺，是典型的一步法熔融还原工艺。该工艺可直接熔炼经预热处理的铁矿粉和其他适合的含铁原料，并喷吹煤粉作为系统的还原剤及热量来源。相对传统的高炉炼铁工艺，HISmelt熔融还原炼铁工艺省去了烧结及焦化两个环节，在同样产能下节省了大量的投资及运行成本，且这种工艺在生产过程中产生的大量蒸汽及富余煤气均可以用于发电，使其生产系统的能源利用效率很高，应用前景广阔。HISmelt工艺设施包括矿粉预热及喷吹系统、煤粉制备及喷吹系统、熔融还原炉（SRV炉）、热风炉、出铁场、渣处理及湿法除尘等系统，除矿粉预热、热矿喷吹系统与SRV炉体部分同传统高炉不同外，其他部分类似于传统高炉，其工艺流程简图如下2。

图2 HIsmelt工艺流程图

山东墨龙公司在2012年决定将HISmelt奎那那工厂整体搬迁，并通过进一步优化工艺流程，建设新的HISmelt熔融还原炼铁生产厂，项目2016年8月建成投产建成，并于2017年9月山东墨龙取得原HIsmelt工艺有关的所有知识产权。

4.2 ML-HIsmelt工艺改进

ML-HISmelt工艺是基于澳大利亚HISmelt工艺商业化成功的基础上引进建设的，在引进过程中结合原澳大利亚的生产实践，对工艺路线、部分技术方案进行了优化改进,主要体现在以下几方面。

4.2.1 矿粉预热系统的改进

原流化床工艺改为两段式回转窑工艺，经实践检验，改进后的工艺既实现了矿粉的加热、预还原的目的，且技术成熟、稳定。

同时，改进后的预热还原系统既可以采用煤粉也可以采用SRV煤气作为燃料，设计独立的煤粉供应系统，操作灵活，不受上下游工序的影响，作业率高，对提高HISmelt工艺整体的作业率有利。

4.2.2 矿粉喷吹系统的优化

提高系统的喷吹能力及降低喷吹管道堵塞问题，提高了喷吹系统的整体设计压力；修改了喷吹罐、热矿仓的结构，采取增加促进物料流动措施，减少物料在仓罐内板结对物料流通影响。

同时，增加细粉、除尘灰喷吹系统，了避免厂区粉尘的二次排放，既降低了资源的浪费，又大大降低了粉尘的二次污染，改善工厂环境。

4.2.3 SRV炉高温煤气系统的改进

为了回收SRV炉高温煤气携带的大量显热（约占入炉总能量的33%），强化汽化冷却段的冷却能力，同时增设高温旋风除尘器、余热锅炉，将SRV煤气排出温度降低到200℃左右。

4.2.4 公辅动力系统的改进

降低了公辅动力系统工序之间的联锁效益，燃气锅炉及动力系统间相互独立、不受上游工艺的影响，系统的稳定性和作业率得到了很大提高，为SRV系统整体作业率的提高提供了保障。

4.2.5 操作模式的优化

由连续出铁制度，改为柔性、连续两种出铁制度的操作模式，大大提高了对下游工序衔接的适应性和灵活性。

4.3 ML-HIsmelt生产实践

ML-HIsmelt熔融还原炼铁项目从2014年10月开始建设，并于2016年8月建成投产，先后经历十多次的停开炉探索实践，通过不断调试摸索，随着现场工作人员对工艺流程和生产操作的逐步熟悉，以及对故障设备的检修更换、工艺流程的进一步修改完善，ML-HISmelt工艺无论从作业率、操作稳定性以及能耗指标方面都有了质的提高，截至2018年10月共计产出67万吨产品，当前日最高产量达到1930吨、月产量达到51914吨，设备不间断作业已达到157天，其各项生产指标均超过澳大利亚奎那那的HIsmelt工厂,所生产高纯铸造生铁含磷量低（平均在0.015%-0.03%之间），基本不含硅、锰等元素，五害元素（铅、锡、砷、锑、铋）含量非常低，经过脱硫过后，满足高端制造行业以及高端铸造产品的需求。

ML-HIsmelt技术自投产以来的典型操作参数见下表2。

从表2可以看出，MI- HIsmelt工艺无论从持续生产时间、作业率以及产能等方面均超越了原澳大利亚HIsmelt工厂，充分证明了工艺可行性的同时也说明ML-HIsmelt工艺国产化过程中所采取的一系列工艺优化改进均是合理有效的，大大提高ML-HIsmelt系统的稳定性和作业率，为ML-HIsmelt工艺的进一步发展奠定了坚实的基础。

5 三种工艺对比分析

综合前面两种不同工艺技术的介绍，以下就高炉、欧冶炉、ML-hismelt三种不同炼铁工艺分别从原燃料适应性、铁水质量、技术成熟度、投资等指标进行比较分析。

a）在原燃料适应性方面，ML-HISmelt工艺适应性最好,也是目前唯一不使用焦炭的熔融还原炼铁工艺，COREX(欧冶炉)工艺与高炉工艺因对焦炭、以及熟料的依懒，导致原料适应较差，ML-HIsmelt技术独特的工艺特性为其在钒钛矿和高磷矿资源利用提供了更多可能，未来在推动资源综合利用方面将会取得新的突破。

b）单机产能而言。依次为，高炉工艺最大达到410万吨/a，CORECX(欧冶炉)设计产能150万吨/a，而HISmelt工艺产能最小，目前商业化的产能为80万吨/a，通过改造升级同级别的SRV炉有望实现100万吨/a，基本可以满足大部分钢厂产能的需求。

c）技术成熟度方面。高炉工艺较有优势，但是HISmelt与COREX(欧冶炉)属于先进的炼铁工艺，属于国家提倡鼓励的先进冶炼工艺。

d）投资而言。HISmelt因工艺流程短，需要建设的工序环节少，投资具有明显优势。

e）产品质量。HISmelt工艺因为独特的冶炼特性，所生产的铁水质量较其他工艺流程而言优势明显，其产品不仅可以生产炼钢生铁，而且可以作为高端铸件的原料。

6 结论

经过近年来的发展，我国在熔融还原炼铁技术的研究与开发方面投入了大量的人力物力，使得我国在熔融还原炼铁技术有了很大的进步，以ML-HIsmelt和欧冶炉为代表的熔融还原炼铁技术已处于世界领先水平。而ML-HIsmelt熔融还原炼铁技术因具有原料的适应性好、使用非焦煤、流程短、产品质量好、操作简单等优越性必将成为我国未来熔融还原炼铁工艺的发展方向。

7  参考文献

[1] 世界金属导报，2019-02-19 F01. 

[2] 周渝生，洪益成．二步法熔融还原炼铁工艺的发展历程及光明前景．2016年非高炉炼铁学术年会论文集．中国金属学会.2016.10．