王敏，任榮霞，董洪旺，張廣杰，劉思遠
(唐鋼國際工程技術(shù)股份有限公司煉鐵事業(yè)部， 河北 唐山 063000)
摘要： 熔融還原煉鐵工藝是非高爐煉鐵的重要工藝，也是未來煉鐵工藝的重要研發(fā)方向，目前投入商業(yè)化生產(chǎn)的熔融還原煉鐵工藝主要有COREX、FINEX、HIsmelt工藝。為了更及時地了解熔融還原煉鐵工藝的最新技術(shù)動態(tài)，有針對性地選擇熔融還原煉鐵工藝路線，根據(jù)近年來對上述3種主要熔融還原煉鐵工藝的技術(shù)追蹤和研究，闡述了中國在引進、消化COREX工藝過程中，在原燃料優(yōu)化、解決預(yù)還原豎爐黏結(jié)問題以及工藝控制系統(tǒng)優(yōu)化取得的技術(shù)進步。介紹了韓國浦項公司FINEX工藝在預(yù)還原流化床大型化、降低流化床系統(tǒng)高度、能源高效利用等方面的最新技術(shù)成果。并對中國引進HIsmelt熔融還原煉鐵工藝后，對HIsmelt工藝未來的技術(shù)發(fā)展方向提出建議和展望。最后，從原燃料條件、煉鐵-煉鋼工藝路線、產(chǎn)品質(zhì)量等方面，對如何選擇熔融還原煉鐵工藝路線提出建議。
關(guān)鍵詞： 熔融還原煉鐵；非高爐煉鐵；流化床；COREX；FINEX；HIsmelt
高爐煉鐵流程在中國煉鐵生產(chǎn)中占據(jù)著壟斷地位，需要配備燒結(jié)、焦化等原燃料工序為高爐提供適宜的原燃料，燒結(jié)、焦化、煉鐵3大工序占噸鋼能耗的85%以上。但是由于高爐長流程中的燒結(jié)工序的SO2、NOx、粉塵、二英和焦化工序的水污染物、粉塵排放占鋼鐵生產(chǎn)排放總量的50%以上，燒結(jié)廠、焦化廠已經(jīng)成為各地區(qū)環(huán)境治理行動中的眾矢之的，長流程煉鐵工藝的高能耗、高污染、高排放迫切需要淘汰落后及過剩產(chǎn)能、轉(zhuǎn)型升級、實現(xiàn)綠色低碳生產(chǎn)。留給鋼鐵產(chǎn)業(yè)的選擇，除了壓縮產(chǎn)能、逐漸提高工藝生產(chǎn)中的廢鋼比例，降低鐵水比例以外，有限的選擇方向之一是改變鋼鐵工藝的原燃料結(jié)構(gòu)，逐漸由傳統(tǒng)流程轉(zhuǎn)向鋼鐵生產(chǎn)短流程方向發(fā)展。熔融還原煉鐵工藝是非高爐煉鐵的重要工藝路線，也是未來煉鐵工藝的重要研發(fā)方向，是典型的煉鐵生產(chǎn)短流程工藝，具有低成本、低能耗、低碳、低排放等特點，是國家鼓勵發(fā)展的非高爐煉鐵工藝。目前世界上實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的熔融還原煉鐵工藝主要有3種，分別是COREX工藝、FINEX工藝和HIsmelt工藝，中國寶武鋼鐵公司對COREX工藝經(jīng)歷了從引進、消化、吸收到創(chuàng)新的過程，F(xiàn)INEX工藝近年來也有國內(nèi)鋼鐵企業(yè)與韓國浦項公司進行了深入的技術(shù)交流和技術(shù)引進談判，HIsmelt工藝國內(nèi)引進時間相對較短，目前正處于消化、吸收的階段，國內(nèi)煉鐵工作者對HIsmelt工藝也在進行深入研究。對這3種主要的熔融還原煉鐵工藝進行深入和持續(xù)的技術(shù)跟蹤、技術(shù)研究，有助于中國非高爐煉鐵工藝的技術(shù)進步，對企業(yè)因地制宜選擇適宜的熔融還原煉鐵工藝具有重要意義。
1.1COREX工藝
COREX工藝是由奧鋼聯(lián)公司研發(fā)的熔融還原煉鐵工藝，1989年在南非開始工業(yè)化運行，目前南非、印度、韓國擁有建成的COREX裝置，中國寶鋼引進了兩套大型COREX-C3000熔融還原煉鐵生產(chǎn)裝置，每套設(shè)計年產(chǎn)能150萬t。2007年11月在上海羅涇建成投產(chǎn)，實現(xiàn)了連續(xù)4年順行生產(chǎn)，對中國非高爐煉鐵技術(shù)的發(fā)展及人才培養(yǎng)，掌握熔融還原煉鐵工藝的生產(chǎn)組織和操作、相關(guān)工藝設(shè)備制造和維護都做出了重大貢獻。COREX工藝流程如圖1所示。2012年寶鋼公司將COREX工藝裝置搬遷至新疆八一鋼鐵公司，經(jīng)過改進設(shè)計后，將之命名為歐冶爐，2015年短暫開爐生產(chǎn)后，經(jīng)過1年半的優(yōu)化改造，技術(shù)提升，于2017年3月25日點火復(fù)產(chǎn)，復(fù)產(chǎn)后生產(chǎn)情況穩(wěn)定順行，生產(chǎn)成本日益降低。歐冶爐是中國煉鐵工作者在COREX-C3000基礎(chǔ)上，對COREX工藝的一次有效提升和再創(chuàng)新，結(jié)合新疆地區(qū)的資源稟賦，發(fā)展了具有八鋼特色的熔融還原煉鐵技術(shù)。(1)歐冶爐優(yōu)化了還原豎爐煤氣管道布置，促使還原煤氣流合理分布，有效解決了COREX還原豎爐的黏結(jié)問題，提升了豎爐金屬化率。(2)將爐頂煤氣濕法除塵改造為干法除塵，增加了TRT的發(fā)電量，達到55 kW/t(鐵)，同時極大節(jié)約了水資源，提高了煤氣利用率。(3)優(yōu)化了爐體冷卻結(jié)構(gòu)和冷卻水系統(tǒng)設(shè)計，合理分布爐體冷卻強度，改善爐體壽命，保證爐況順行。(4)優(yōu)化入爐原料結(jié)構(gòu)，用燒結(jié)礦替代價格較高的球團礦，燒結(jié)礦比例最終達到40%，爐況穩(wěn)定順行，歐冶爐能夠處理含鋅粉塵及城市廢棄物，并對歐冶爐原燃料供應(yīng)系統(tǒng)和出鐵出渣系統(tǒng)進行了進一步改造升級。(5)優(yōu)化了生產(chǎn)工藝控制系統(tǒng)。建立了歐冶爐物料平衡和熱平衡模型，提升了還原煤氣溫度及成分控制，優(yōu)化了氣化爐爐頂煤氣操作控制。相比于目前世界上存在的COREX工藝(印度4套，南非1套)，中國煉鐵技術(shù)人員在工程設(shè)計、生產(chǎn)組織、設(shè)備制造、持續(xù)研發(fā)上具備不可比擬的優(yōu)勢，完全駕馭了COREX工藝的設(shè)計以及生產(chǎn)操作，并對該技術(shù)進行了很好的消化、吸收，發(fā)展成為具有中國特色的歐冶爐熔融還原煉鐵工藝，展現(xiàn)了中國熔融還原煉鐵技術(shù)的巨大進步。
1.2FINEX 熔融還原煉鐵工藝
FINEX工藝是韓國浦項制鐵開發(fā)的創(chuàng)新型熔融還原煉鐵工藝，它可直接采用0~8mm鐵礦粉(最多可使用30%的磁鐵礦)和非焦煤作為原燃料，因此原燃料成本低，拓寬了原燃料使用范圍，并因省掉燒結(jié)和焦化工序，能夠大幅減少污染而實現(xiàn)清潔生產(chǎn)。FINEX工藝流程如圖2所示。浦項公司第1套商業(yè)化FINEX生產(chǎn)線，年生產(chǎn)能力為150萬t鐵水的FINEX工廠于2004年開工建設(shè)，2007年投產(chǎn)，年生產(chǎn)能力為200萬t鐵水的FINEX工廠于2014年投產(chǎn)，實現(xiàn)了FINEX工藝生產(chǎn)規(guī)模大型化，技術(shù)裝備日益成熟。浦項公司在FINEX工藝的研發(fā)上值得學(xué)習(xí)，成立了專門的FINEX工藝研發(fā)機構(gòu)和推廣機構(gòu)，專業(yè)技術(shù)人員和技術(shù)推廣人員齊備，投入了大量的人力、物力、財力來發(fā)展和推廣FINEX工藝。FINEX工藝創(chuàng)造性的將流化床還原鐵礦粉工藝和熔融氣化爐結(jié)合在一起，并推動了流化床還原鐵礦粉工藝技術(shù)進步。在已有技術(shù)的基礎(chǔ)上，為滿足FINEX工藝要求，進行了創(chuàng)新性的技術(shù)改進。近年來，浦項公司在FINEX工藝上的技術(shù)進步主要體現(xiàn)在如下幾個方面：(1)流化床工藝設(shè)備大型化。FINEX工藝的核心技術(shù)是流化床還原技術(shù)，即通過流化床還原裝置，使熔融氣化爐產(chǎn)生的還原氣體對粉礦進行預(yù)還原，目前浦項公司的流化床處理鐵礦粉的能力已經(jīng)能夠滿足年產(chǎn)200萬t熔融還原鐵水的需要，滿足對設(shè)定的流化床還原率的要求，還原率達到60%，浦項公司在流化床工藝的大型化上技術(shù)進步巨大。(2)流化床系統(tǒng)工藝布置優(yōu)化。流化床系統(tǒng)的上料方式由原來的機械設(shè)備垂直上料改成氣力輸送上料；流化床反應(yīng)器由四級改成三級；經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后，流化床反應(yīng)器系統(tǒng)整體高度由121降低到77 m，簡化了工藝環(huán)節(jié)，大幅降低工程投資。(3)能源高效利用。流化床煤氣近年來已實現(xiàn)了余熱回收蒸汽，噸鐵回收蒸汽210 kg，流化床煤氣采用干法除塵，外供煤氣熱值提高，噸鐵發(fā)電量增加。(4)與高爐煉鐵流程協(xié)同生產(chǎn)效益明顯。高爐流程中焦化工序產(chǎn)生的干熄焦灰及運轉(zhuǎn)焦灰，高爐篩下小粒度焦(≤10 mm)、返礦均可由FINEX配吃、消化，在改善高爐原燃料條件的前提下，充分回收高爐流程廢棄料，減少外排廢棄物，環(huán)境效益和經(jīng)濟效益明顯。通過對浦項公司FINEX工藝的研發(fā)過程進行了解，發(fā)現(xiàn)浦項公司進入熔融還原煉鐵工藝領(lǐng)域比較早，技術(shù)研發(fā)與生產(chǎn)緊密結(jié)合，是典型的產(chǎn)學(xué)研深度融合、一體化的公司，研發(fā)工作有組織，有目標(biāo)，具備一套完整的技術(shù)創(chuàng)新體系，因此，F(xiàn)INEX工藝技術(shù)成熟迅速，自主推廣能力強。
1.3HIsmelt熔融還原煉鐵工藝
HIsmelt工藝是由力拓、紐科、三菱、首鋼合資開發(fā)的熔融還原煉鐵工藝，原試驗基地位于西澳大利亞奎納納工業(yè)區(qū)，年設(shè)計能力80萬t，產(chǎn)品為生鐵。2005年建成開始試生產(chǎn)。HIsmelt工藝流程如圖3所示。2012年山東墨龍公司與力拓公司簽訂協(xié)議，將澳大利亞奎那那的HIsmelt 工業(yè)裝置搬遷至中國，經(jīng)過改造后于2016年年底投產(chǎn)運行，目前主要生產(chǎn)指標(biāo)已明顯優(yōu)于力拓HIsmelt工廠。改造后的礦粉預(yù)熱系統(tǒng)采用兩級回轉(zhuǎn)窯預(yù)熱工藝，烘干回轉(zhuǎn)窯的出料溫度為80~100 ℃；預(yù)還原回轉(zhuǎn)窯采用50%煤＋50%SRV爐煤氣加熱鐵礦粉，溫度達到750 ℃以上，物料的還原度達到15%以上。該工藝的引進、消化，符合中國的鋼鐵工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，煉鐵工藝升級換代，淘汰落后技術(shù)，實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)業(yè)政策的戰(zhàn)略需求，HIsmelt工藝具有原料的靈活性、操作的靈活性、投資低、鐵水質(zhì)量好等特點。HIsmelt工藝在中國的發(fā)展時間比較短，研發(fā)和改進需要一定時間的技術(shù)積累。根據(jù)目前跟蹤生產(chǎn)情況的了解，有如下幾個方面可以進行提升優(yōu)化：(1)將SRV爐煤氣濕法除塵改造為干法除塵。中國的煤氣干法除塵技術(shù)在世界上具有領(lǐng)先優(yōu)勢，而國外的煤氣清洗方式多采用濕法除塵，COREX工藝和FINEX工藝均存在此類問題，歐冶爐干法除塵的成功應(yīng)用，有效提高了能源利用率，SRV爐煤氣初始溫度為1 600 ℃，是這幾種熔融還原煉鐵工藝中煤氣溫度最高的，完全可以設(shè)計多級熱量回收，在充分回收能源后，采用干法除塵工藝進行煤氣清洗。(2)研發(fā)采用吹氧冶煉。HIsmelt工藝的SRV爐采用富氧熱風(fēng)(氧氣體積分數(shù)為39%)助燃，熱風(fēng)溫度為1 100～1 200 ℃，需要配套建設(shè)熱風(fēng)爐，增加了不必要的投資和二次能源消耗，同時，由于采用空氣助燃，空氣中的氮氣降低了SRV爐煤氣的熱值。借鑒COREX和FINEX采用氧氣冶煉的技術(shù)，研發(fā)氧氣冶煉技術(shù)，是HIsmelt工藝技術(shù)進步的方向。(3)研發(fā)一步法碳-氫熔融還原煉鐵工藝。山東墨龍的預(yù)還原回轉(zhuǎn)窯工藝鐵礦石的還原度比較低，鑒于還原度不佳，同時在國內(nèi)環(huán)保要求趨嚴，限煤日益嚴格的條件下，不具備進一步發(fā)展煤基預(yù)還原回轉(zhuǎn)窯的政策條件，建議取消預(yù)還原回轉(zhuǎn)窯，只設(shè)計礦石烘干窯，燃料采用SRV爐煤氣，降低SO2污染物排放。同時，SRV爐采用底吹氫氣的工藝，研發(fā)碳-氫熔融還原煉鐵工藝，提高礦粉還原效率，降低工序能耗，降低燃煤消耗，實現(xiàn)低碳、低排放煉鐵，成為真正的一步法熔融還原煉鐵工藝。(4)關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化。HIsmelt工藝是真正接近于一步法的熔融還原煉鐵工藝，沒有燃料和礦粉的造塊工藝，主要工藝系統(tǒng)包括：礦粉預(yù)熱及烘干、熱礦噴吹、粒煤制備及噴吹、熔劑噴吹、SRV爐本體、熱風(fēng)爐、出鐵場、鼓風(fēng)、煤氣清洗等系統(tǒng)。由此可見，除了SRV爐本體和熱礦噴吹外，其他均為高爐長流程工藝的常規(guī)系統(tǒng)，國內(nèi)均有成熟的設(shè)計和生產(chǎn)運行經(jīng)驗。SRV爐本體和熱礦噴吹主要工藝設(shè)備有熱風(fēng)噴槍、礦煤噴槍、熱礦螺旋輸送機、熱礦鏈板輸送機，關(guān)鍵設(shè)備少，設(shè)備結(jié)構(gòu)相對簡單，隨著生產(chǎn)實踐的積累，如何使上述設(shè)備延長服役壽命，提高使用效果，更加簡潔的操作和更換，是引進HIsmelt工藝后需要消化和創(chuàng)新的必經(jīng)之路，依靠中國強大的工業(yè)體系，上述設(shè)備完全可以實現(xiàn)自主研發(fā)，更好地為SRV爐體服務(wù)。
2.1熔融還原煉鐵工藝參數(shù)整理
通過對上面對3種主要熔融還原煉鐵工藝的介紹，對3種工藝的主要工藝參數(shù)和工藝設(shè)備進行簡要整理，結(jié)果見表1。完整的對熔融還原煉鐵技術(shù)的經(jīng)濟性對比分析包括5個方面：工藝成熟性、生產(chǎn)成本、投資費用、環(huán)境友好性和原燃料要求。國內(nèi)很多專家均對熔融還原煉鐵工藝從上述5個方面進行了很好的總結(jié)和分析，本文不再贅述。下面闡述近年來對熔融還原煉鐵工藝技術(shù)進行追蹤的一些個人觀點。
2.2對于如何選擇熔融還原煉鐵工藝的一些觀點
隨著歐冶爐的技術(shù)進步以及HIsmelt工藝在山東墨龍的建成投產(chǎn)，中國已經(jīng)成為熔融還原煉鐵工藝發(fā)展的主要市場，中國煉鐵科技工作者已經(jīng)成為熔融還原煉鐵技術(shù)發(fā)展的主力軍，根據(jù)最近幾年對熔融還原煉鐵技術(shù)的追蹤，建議有意向選擇熔融還原煉鐵技術(shù)的企業(yè)遵循如下幾個原則：(1)熔融還原煉鐵短流程工藝在煤炭資源豐富而且廉價的地區(qū)有良好的發(fā)展前景。中國的新疆和內(nèi)蒙地區(qū)煤炭資源豐富而且具有價格優(yōu)勢，歐冶爐在新疆八一鋼鐵公司的良好運行充分證明了燃料資源優(yōu)勢的重要性。(2)解決部分劣質(zhì)煉鐵礦石的冶煉難題。例如，中國以及世界上存在大量高磷鐵礦石，如何盤活利用高磷鐵礦資源，使其轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌鲂б?，一直是冶金界的難題，HIsmelt工藝為高磷鐵礦石的冶煉提供了一種可供選擇的工藝路線，由于SRV爐內(nèi)存在氧化性氣氛，適宜磷的脫除，鐵水中的磷含量很低，脫磷效果很好，釩鈦磁鐵礦的冶煉難題也可以由HIsmelt工藝解決，用HIsmelt熔融還原技術(shù)冶煉高磷鐵礦和鈦鐵礦都分別取得良好的效果。HIsmelt工藝鐵水潔凈度高，適合高質(zhì)量產(chǎn)品需要。(3)獨立電爐企業(yè)宜選擇HIsmelt工藝進行協(xié)同生產(chǎn)，HIsmelt工藝能夠脫除鐵水中的有害元素，相比于長流程的高爐鐵水，熔融還原工藝的COREX鐵水、FINEX鐵水以及目前電爐的主原料廢鋼，HIsmelt工藝鐵水更潔凈，適宜電爐冶煉工藝，能夠提高電爐鋼水質(zhì)量，解決電爐采用100%廢鋼冶煉，影響鋼水潔凈度的難題，滿足高質(zhì)量產(chǎn)品的需求。國外獨立電爐廠生產(chǎn)高質(zhì)量鋼水的工藝路線通常選擇直接還原鐵工藝，用DRI（直接還原）代替廢鋼，但DRI相對鐵水來說依舊屬于冷料，限于中國的電力資源，電爐熱裝鐵水是比較經(jīng)濟的工藝路線。鑒于目前HIsmelt工藝還不具備大型化生產(chǎn)的實踐，60~80萬t的年產(chǎn)鐵水量，產(chǎn)能規(guī)模不大，配加一定比例廢鋼后，恰好是大型電爐廠比較適宜的鐵原料結(jié)構(gòu)，同時SRV爐還能為電爐鋼廠提供SRV爐煤氣，滿足軋鋼工序的需求，解決獨立電爐企業(yè)的廉價燃氣資源問題。此外，在中國，獨立電爐企業(yè)如果建設(shè)直接還原鐵裝置，還需要外部環(huán)境創(chuàng)造條件，一方面受制于資源情況，DRI需要高品位鐵精粉，但目前中國生產(chǎn)的直接還原鐵因原料含鐵較低，產(chǎn)品質(zhì)量難以滿足電爐生產(chǎn)潔凈鋼、優(yōu)質(zhì)鋼的要求，因此鐵精粉需要進一步精選，高品位鐵精粉屬于稀缺資源。另一方面，中國天然氣資源匱乏，需要發(fā)展煤制氣工藝來生產(chǎn)直接還原鐵工藝需要的高品質(zhì)還原氣，而這需要國家政策引導(dǎo)和地方政府的支持。目前國內(nèi)DRI資源匱乏，獨立電爐企業(yè)為冶煉高品質(zhì)鋼水，需要進口DRI，價格高昂。(4)COREX工藝和FINEX工藝宜與傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝協(xié)同生產(chǎn)，協(xié)同效果顯著。COREX和FINEX工藝已經(jīng)實現(xiàn)年產(chǎn)150萬和200萬t規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)，與傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝協(xié)同生產(chǎn)，可滿足大型鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模要求，又能實現(xiàn)很好的經(jīng)濟效益和社會效益。韓國浦項公司的生產(chǎn)實踐，寶武集團八一鋼鐵公司的生產(chǎn)實踐均已經(jīng)證明了協(xié)同生產(chǎn)具有很好的生產(chǎn)效益。COREX和FINEX工藝具有占地少，勞動定員少，原燃料質(zhì)量要求低，生產(chǎn)成本低、工藝流程少、低排放、低污染等特點，這與長流程高爐工藝的現(xiàn)狀正好形成互補。另外，從產(chǎn)品角度分析，因為COREX和FINEX工藝鐵水硅含量高，在鐵水罐內(nèi)容易出現(xiàn)粘罐現(xiàn)象，給生產(chǎn)組織造成很大困難，同時鐵水硅高增加煉鋼工序的生產(chǎn)成本。熔融還原高硅鐵水與高爐低硅鐵水混兌后，避免了鐵水粘罐現(xiàn)象，同時鐵水可以直接供給煉鋼工序，由此可見，與高爐長流程工藝的協(xié)同生產(chǎn)，解決了目前COREX工藝和FINEX工藝鐵水硅高帶來的生產(chǎn)難題，形成了很好的互補。
總結(jié)中國引進COREX工藝和HIsmelt工藝的經(jīng)驗和技術(shù)創(chuàng)新，說明中國在熔融還原煉鐵工藝的技術(shù)積累上已經(jīng)取得了長足進步，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合FINEX工藝的生產(chǎn)實踐和技術(shù)創(chuàng)新，從中國國情出發(fā)，因地制宜、合理的選擇熔融還原煉鐵工藝路線，是實現(xiàn)低碳煉鐵的一條重要途徑，隨著中國煉鐵技術(shù)的不斷進步，中國煉鐵工作者在消化、吸收引進的熔融還原煉鐵技術(shù)的基礎(chǔ)上，必然會推動熔融還原煉鐵技術(shù)向更深層次發(fā)展。
略
王敏, 任榮霞, 董洪旺, 張廣杰, 劉思遠. 熔融還原煉鐵最新技術(shù)及工藝路線選擇探討[J]. 鋼鐵, 2020, 55(8): 145-150. WANG Min, REN Rong-xia, DONG Hong-wang, ZHANG Guang-jie, LIU Si-yuan. Latest technology of melting reduction ironmaking process and discussion of process route choice[J]. Iron and Steel, 2020, 55(8): 145-150.
