摘  要 据国内外相关钢铁流程专业技术文献资料，概述高炉—转炉传统流程和近年来国内外非高炉—电炉短流程的科研、技术开发及工业生产应用状况。文献资料表明，传统钢铁企业在日剧严峻的排放压力背景下，一方面必须走传统流程绿色化、智能化高质量发展道路，另一方面须积极展开非高炉工艺的研究、技术路线选择及应用。本文概述了Corex、Finex、Hlsmelt流程、煤基竖炉直接还原等多种非高炉炼铁流程的工艺特点及与传统流程在过程优化、能源环保、指标提升方面的对比差异。重点概述了Corex工艺和气基竖炉直接还原工艺，一定程度上为钢铁企业即将或正在实施钢铁新流程在技术选择、方向上提供了较为全面的借鉴。

关键词 钢铁 传统流程 非高炉工艺 气基竖炉直接还原 

1 概 述         

钢铁工业是我国国民经济的重要支柱产业之一，也是资源、能源、资金、技术密集型行业。钢铁工业流程随着碳的氧化、燃烧、流动，不可避免的产生CO₂排放（简称为碳排放）。作为第一钢铁生产大国，我国钢铁工业的碳排放量已经占到全球总排放量的5~6 %^[1]。碳排放是除自然原因之外引起气候变暖的一个主要因素^[2]。之外，在钢铁领域，还存在诸如矿石及煤焦优质资源衰减、运输费用增加、下游市场容纳量波动及环保压力日益增大等多重 制约因素，钢铁工业生产进行转型升级势在必行^[3]。钢铁工业清洁生产、节能减排，最大限度地减少工序NO_X、CO₂和烟粉尘排放是实现转型升级的主要目标^[4]。从其机理和冶炼基础出发，传统高炉炼铁与非高炉炼铁还原铁矿石中铁的各种氧化物的还原剂主要是以碳（CO）为主，都将产生碳排放。相较而言，非高炉炼铁工艺比传统的高炉—转炉流程在依赖优质资源、节能和实现生产过程环境友好方面具有得天独厚的优势^[4]，一些非高炉工艺生产直接还原铁（DR）—电炉（EAF）短流程可实现节能50 %、减少污染物排放量70 %以上^[5]，综合竞争力将超过高炉^[4]。本文概述Corex、Finex、Hlsmelt流程、煤基竖炉直接还原等多种非高炉流程的工艺特点，重点概述了Corex工艺和气基竖炉直接还原工艺及应用。

2 传统高炉—转炉流程工艺特点    

以钢铁企业的能源、排放结构来看，在传统高炉—转炉流程中，能耗和排放占比最大的工序是高炉炼铁工艺（含烧结、焦化）（图1），其能耗约占整个传统流程总量的70 %，其中主要基于C（CO）还原的高炉冶炼过程占比为50 %^[2]；其碳排放量约占整个高炉—转炉流程总量的90 %，其中煤消耗产生的碳排放量占到92 %；并且，现有冶炼工艺具有余热、余能过剩太高，余热、余能分散的特点，最终利用效率低。

                         图1  高炉炼铁工艺流程图^[2]

2.1 传统钢铁流程发展历程、特点     

我国现代钢铁工业经历了起步、稳中求进、加速发展、高质量创新发展等四个阶段（图2）。1996年，我国粗钢首次突破1亿吨，在经历了第三阶段的高速发展之后，粗钢产量超过世界总量50 %，开始进入减量化、高质量创新发展阶段。以铁前技术指标进步为例，表现在：至第二阶段中期，整体上高炉燃料比呈现明显的下降趋势。到了20世纪末，我国最先进的高炉（宝钢4 063 m³高炉）燃料比降低到500 kg/t，实现半焦半煤，一举改变了之前处于的不断引进国外先进技术的局面，达到世界领先水平^[7]；高炉利用系数方面，则由初期较低的1.5 t/(m³·d)逐步提升并稳定在2.2～2.5 t/(m³·d)。技术装备和操控系统的进步则是一个由输入到输出的过程转变，技术装备输入标志性的事件是：80年代宝钢从日本新日铁公司引进的具有70年代末期世界先进水平的1号高炉，是我国第一座4 000 m³级的大型高炉。目前，我国已具备完整设计、建设全国产化技术装备的高炉炼铁生产系统（包括烧结球团、焦化、高炉）能力并走出国门建钢铁厂，从之前的技术引进到实现了标准、技术装备的全方位技术输出，已经开始引领世界炼铁技术的发展^[7]。

图2  解放后我国粗钢规模发展历程

环保建设方面，过去5年，我国钢铁行业绿色发展成绩斐然：累计清出“地条钢”>1.4亿吨，提前超额完成1.5亿吨去产能的目标任务；采用世界最严格的环保标准实施大规模超低排放改造，环保水平正在进入世界先进行列。据中国钢协统计数据，2019年，全国重点企业SO₂排放量、吨钢综合能耗、水耗、化学需氧量等均比2015年大幅下降，2020年前9个月又分别下降了15.43 %、0.05 %、4.33 %、10.68 %^[8]。

2.2 环保压力新形势下钢铁工业实际状态及瓶颈    

如前述，高炉炼铁是钢铁工业能耗和碳排放的主要源头。世界炼铁产能分布表明^[9]，非高炉工艺铁产量占比仅为8.1 %，在粗钢产量中，电炉钢产量占比低于总产量的25 %，这说明，传统高炉—转炉流程仍然占据绝对主导地位，最主要的炼铁流程仍然是高炉工艺流程。因此，钢铁工业（尤其铁前系统）需要正视技能减排差距，以达到2035年空气质量发生根本性转变的要求查漏洞、补短板，让大规模超低排放改造贯穿钢铁企业全流程、全工序。开发低碳节能增效的炼铁新技术、新工艺是最佳的减排方式之一。在提升生产效率、改善质量及稳定性、提升指标方面，利用工业互联网平台、大数据技术以及关键工序实现数学模型在线优化等智能化、信息化手段成为有效途径^[10~12]。朱仁良^[13]对国内外炼铁生产现状及技术进展、中国钢铁工业发展规律、钢铁行业面临的环保新形势等进行了系统比对、分析总结，认为今后炼铁工艺技术发展方向为：短期目标是积极开展厂城共融冶炼技术的研发与应用，中长期则为钢铁智慧制造装备技术及低碳、低成本工艺技术的研发与应用。

  低碳减排是钢铁行业面临的最紧迫问题。我国钢铁工业在新的发展阶段持续推广、应用一系列先进节能减排技术、智能化技术，生产效率、质量和指标取得改善，重点区域钢企超低排放技术、装备改造取得明显进展。但在高炉-转炉流程固有工艺及生产环境特点下仍然存在以下共性问题：（1）能源、资源消耗大。流程中生产1吨钢仍需要消耗大量的煤炭、废钢和石灰、氧气等资源，炼钢脱磷、脱碳工艺会造成3～5%金属铁的浪费；（2）碳排放和环保压力持续存在。流程中烧结、焦化、高炉、转炉工序仍将产大量产生的烟气、粉尘、炉渣等固废（包括二次处理）；（3）钢材产品质量稳定性较差。受传统长流程生产固有特点所限制，流程中铁水[C]、[Si]、[S]、[P]等元素成分的波动易于造成钢水成分、质量不稳定，这是造成我国部分高端钢材产品仍需依赖于国外进口的一个重要原因。反之，传统流程钢材产品难以高端化也将进一步加大环境影响及资源消耗；（4）生产连续性、系统性差。传统高炉—转炉流程生产中烧结等各个重要工序存在不连续性，过程中产生的热能经二次余热回收技术有效转化率、利用率偏低。以上，均是今后传统高炉—转炉流程主要努力的方向。

3  国内外非高炉流程的研究现状与特点分析

非高炉炼铁是钢铁工业发展的前沿技术和发展方向之一。非高炉炼铁工艺利于完全燃烧的优势在根源上减少了炼铁过程对焦煤资源的依赖，并在工艺流程中取消了碳、硫排放大的烧结、焦化等工序环节^[14]。此外，非高炉（DR）—电炉（EAF）短流程还具有解决废钢质量和数量问题、有效降低钢铁流程产品综合能耗、为生产高端钢铁产品提供纯净铁、实现资源综合利用的优势。DR—EAF短流程已成为钢铁工业减少碳排放、改善能源结构和产品质量、促进钢铁企业可持续发展的绿色工艺^[9]。

非高炉炼铁工艺包括直接还原工艺和熔融还原工艺，直接还原炼铁工艺是在铁矿石不熔化状态下采用煤（煤气、石油）作为热源和还原剂对铁的氧化物进行还原获得固态直接还原铁的生产工艺；熔融还原工艺是采用非焦煤将铁矿石在两个反应器内分别进行固态预还原、熔态终还原获得液态铁水的生产工艺^[15]。国外对“高炉＋转炉”、“直接还原竖炉＋电炉”、“Finex＋转炉”等3种主流钢铁流程进行了配加25%废钢的能耗和碳排放情况相关研究。结果表明，净能耗方面，“直接还原竖炉＋电炉”流程相比较“高炉+转炉”流程并不占优。但从碳排放情况来看，该流程直接碳排放量仅为其余两者的35 %，包括间接碳排放时，约为其余两者的65 %，“直接还原竖炉＋电炉”钢铁流程占有显著的优势^[7]。近年来，在直接还原铁方面，从充分利用国内铁矿资源出发，我国逐步形成以国内技术为基础，以煤制气—竖炉流程为主导生产工艺的发展方向^[9]；熔融还原工艺发展主要路线则以引进、消化国外技术，强化国内技术的研发、再创新力度，尤其是以消化 Corex炼铁工艺以及实现其装备的国产化为重要方向。

3.1 熔融还原炼铁工艺

目前，实现工业化生产的熔融还原炼铁工艺主要有Corex、Finex和HIsmelt、HIsarna等，世界熔融还原铁的总产量近年来徘徊在750~780万t /a。我国宝钢建成国内第一条Corex工艺生产线（C—3000装置），考虑资源就近原则搬迁至新疆八钢继续生产；韩国浦项2套Finex工艺均处于生产运行状态；澳大利亚HIsmelt工艺工业示范装置2017年搬迁至我国山东投产后继续运行，成为近几年熔融还原工艺发展的新动向^[9]。

3.1.1  Corex炼铁工艺流程     

Corex炼铁工艺是典型的两步熔融还原工艺，由德国Korf公司与奥钢联于20世纪70年代末合作开发^[16]。其中：在还原竖炉中进行固相预还原，在熔融气化炉中进行熔态终还原。其流程为：铁矿石、熔剂等原辅料通过还原竖炉炉顶及布料设备装入后与热还原气进行固相预还原，得到金属化率>70 %的金属化炉料；在熔融气化炉中金属化炉料继续进行液态终还原、熔炼得到热态铁水，过程中产生的热还原煤气循环利用（图3）。Corex炼铁工艺原料要求为：铁矿石（块矿、球团）TFe> 60.0 %，脉石成分w(SiO₂)+w( Al₂O₃)<6.0 %；熔剂为白云石和石灰石^[2]。此外，由于Corex工艺采用纯氧炼铁，煤气主要为 CO和CO₂，气量小，热值高。煤气经技术分离CO₂后可循环使用和用于发电，实践证明Corex煤气发电能源利用率偏低（仅32～42 %），一定程度上造成投资和运行成本升高^[9]。

图3  Corex炼铁工艺流程^[17]

我国第一座熔融还原炼铁厂（Corex C—3000技术）于2008年11月在宝钢建成投产，运行期间主要存在的技术缺陷及问题包括：预还原竖炉内球团的金属化率长期低于50 %；竖炉炉料经常发生局部过热结块，铁水产能难以达到预期目标值。在吸取第一套 Corex装置生产经验基础上，宝钢对第二套Corex装置上部竖炉进行了改进并于2010年投入运行^[9]，投产后竖炉产品金属化率迅速达到90 %，生产技术指标得到显著改善，宝钢C－3000运行实现了多年连续性稳定作业，入炉焦比＜200 kg /t，实际产能达到110万t/a。宝钢Corex项目投入后的生产实践，反映了许多在试验研究中难以发现的问题和解决问题的方向，为我国非高炉炼铁的发展奠定了基础^[15]。Corex炉在新疆八一钢铁厂的运行实践中，可维持日产铁水3 000 ~4 000 t，燃料比降至730 kg/t，焦比降至430 kg/t，氧气消耗随燃料结构变化逐步降低，铁水质量可满足后道工序要求，铁水成本接近八钢2 500 m³高炉成本区间。这表明：在一定的原燃料资源禀赋条件下，Corex炉铁水成本与高炉相比仍然具备竞争优势，若再进一步研发创新，可能成为世界首创的大型高效熔融还原炼铁工艺^[18~19]。

3.1.2  Finex炼铁工艺流程

Finex熔融还原工艺源自于韩国浦项对其从奥钢联引进的C－2000流程装置进行的创新和改进，主要改进内容包括：加配粉煤压块和煤粉喷吹系统，以一组流化床替换Corex工艺还原竖炉，利用熔融气化炉制得的还原气对低品位粉矿进行还原^[9]。Finex工艺流程为：型煤加入熔融气化炉经过燃烧分解成为富含CO和H₂的高温气体→流化床铁矿粉预还原→预还原粉矿制成热压块铁、非焦煤制取压块煤→熔融气化炉终还原、熔化→液态铁水和炉渣，粉矿和非焦煤中的硫等杂质元素随炉渣排出^[16]（图4）。

图4  Finex炼铁工艺流程^[16]

Finex工艺原燃料和Corex工艺基本一致，不需要烧结厂，直接使用铁矿粉和非焦煤作原料，冶炼过程中配以5~10 %焦炭，喷煤量达150 kg/t铁，实现清洁生产大幅减少排放和污染。不足之处在于：对矿粉粒度要求较严（1~8 mm）；吨铁燃料比仍达到750 kg；流化床铁粉会发生粘结^[16]。这说明粗矿粉低温还原速度慢，导致反应器效率低与能耗升高。

3.1.3  Hlsmelt、HIsarna炼铁工艺流程

HIsmelt工艺取消了燃料、矿粉造块，是一种可直接使用粉矿、粉煤的铁浴熔融还原炼铁工艺^[9]，也是真正接近于一步法的熔融还原炼铁工艺。主要工艺系统包括：熔融还原炉（SRV炉）、矿粉（煤粉）烘干、制粉及喷吹系统、热风炉、出铁场、煤气清洗等辅助系统（图5）。尤其是除熔融还原核心系统（SRV炉+热矿喷吹），其余辅助系统为高炉工艺的常规系统，这可以实现短流程与长流程系统的互通互用，利于降低成本和自主研发，更好地为主系统服务^[17]。HIsmelt工艺流程结合了氧气炼钢与高炉炼铁部分技术特点，主要流程为：矿石、煤制粉→喷入金属熔融区→熔化和形成冶炼气体（主要成分H₂和 CO）→冶炼气体与富氧热风混合再燃烧。过程中释放出大量热量以辐射、对流传热的方式充分混合到金属液滴内并传输到熔池中，从而进行冶炼和还原^[16]。HIsmelt工艺具有原燃辅料使用灵活、操作直接、总投资低、铁水质量好等优点。工艺中核心系统（SRV炉）需采用富氧、温度为1 100~1 200 ℃热风助燃，需配套建设热风炉；同时，由于富氧风中氧气体积比例仅为39 %，富氧风中的氮气在一定程度上降低了SRV炉煤气热值。借鉴Corex和Finex工艺，研发、应用氧气替代富氧风冶炼技术，成为HIsmelt工艺技术进步的方向^[17]。