王敏，任榮霞，董洪旺，張廣杰，劉思遠
(唐鋼國際工程技術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動態(tài)，有針對性地選擇熔融還原煉鐵工藝路線，根據近年來對上述3種主要熔融還原煉鐵工藝的技術追蹤和研究，闡述了中國在引進、消化COREX工藝過程中，在原燃料優(yōu)化、解決預還原豎爐黏結問題以及工藝控制系統(tǒng)優(yōu)化取得的技術進步。介紹了韓國浦項公司FINEX工藝在預還原流化床大型化、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、產品質量等方面，對如何選擇熔融還原煉鐵工藝路線提出建議。
關鍵詞： 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中占據著壟斷地位，需要配備燒結、焦化等原燃料工序為高爐提供適宜的原燃料，燒結、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排放總量的50%以上，燒結廠、焦化廠已經成為各地區(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能、轉型升級、實現綠色低碳生產。留給鋼鐵產業(yè)的選擇，除了壓縮產能、逐漸提高工藝生產中的廢鋼比例，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構，逐漸由傳統(tǒng)流程轉向鋼鐵生產短流程方向發(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。目前世界上實現工業(yè)化生產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工藝經歷了從引進、消化、吸收到創(chuàng)新的過程，FINEX工藝近年來也有國內鋼鐵企業(yè)與韓國浦項公司進行了深入的技術交流和技術引進談判，HIsmelt工藝國內引進時間相對較短，目前正處于消化、吸收的階段，國內煉鐵工作者對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)的技術跟蹤、技術研究，有助于中國非高爐煉鐵工藝的技術進步，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熔融還原煉鐵生產裝置，每套設計年產能150萬t。2007年11月在上海羅涇建成投產，實現了連續(xù)4年順行生產，對中國非高爐煉鐵技術的發(fā)展及人才培養(yǎng)，掌握熔融還原煉鐵工藝的生產組織和操作、相關工藝設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，經過改進設計后，將之命名為歐冶爐，2015年短暫開爐生產后，經過1年半的優(yōu)化改造，技術提升，于2017年3月25日點火復產，復產后生產情況穩(wěn)定順行，生產成本日益降低。歐冶爐是中國煉鐵工作者在COREX-C3000基礎上，對COREX工藝的一次有效提升和再創(chuàng)新，結合新疆地區(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。(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)化了爐體冷卻結構和冷卻水系統(tǒng)設計，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)化入爐原料結構，用燒結礦替代價格較高的球團礦，燒結礦比例最終達到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)，中國煉鐵技術人員在工程設計、生產組織、設備制造、持續(xù)研發(fā)上具備不可比擬的優(yōu)勢，完全駕馭了COREX工藝的設計以及生產操作，并對該技術進行了很好的消化、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，展現了中國熔融還原煉鐵技術的巨大進步。
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，并因省掉燒結和焦化工序，能夠大幅減少污染而實現清潔生產。FINEX工藝流程如圖2所示。浦項公司第1套商業(yè)化FINEX生產線，年生產能力為150萬t鐵水的FINEX工廠于2004年開工建設，2007年投產，年生產能力為200萬t鐵水的FINEX工廠于2014年投產，實現了FINEX工藝生產規(guī)模大型化，技術裝備日益成熟。浦項公司在FINEX工藝的研發(fā)上值得學習，成立了專門的FINEX工藝研發(fā)機構和推廣機構，專業(yè)技術人員和技術推廣人員齊備，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合在一起，并推動了流化床還原鐵礦粉工藝技術進步。在已有技術的基礎上，為滿足FINEX工藝要求，進行了創(chuàng)新性的技術改進。近年來，浦項公司在FINEX工藝上的技術進步主要體現在如下幾個方面：(1)流化床工藝設備大型化。FINEX工藝的核心技術是流化床還原技術，即通過流化床還原裝置，使熔融氣化爐產生的還原氣體對粉礦進行預還原，目前浦項公司的流化床處理鐵礦粉的能力已經能夠滿足年產200萬t熔融還原鐵水的需要，滿足對設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備垂直上料改成氣力輸送上料；流化床反應器由四級改成三級；經過優(yōu)化設計后，流化床反應器系統(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)同生產效益明顯。高爐流程中焦化工序產生的干熄焦灰及運轉焦灰，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)現浦項公司進入熔融還原煉鐵工藝領域比較早，技術研發(fā)與生產緊密結合，是典型的產學研深度融合、一體化的公司，研發(fā)工作有組織，有目標，具備一套完整的技術創(chuàng)新體系，因此，FINEX工藝技術成熟迅速，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)，年設計能力80萬t，產品為生鐵。2005年建成開始試生產。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，經過改造后于2016年年底投產運行，目前主要生產指標已明顯優(yōu)于力拓HIsmelt工廠。改造后的礦粉預熱系統(tǒng)采用兩級回轉窯預熱工藝，烘干回轉窯的出料溫度為80~100 ℃；預還原回轉窯采用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)結構調整，煉鐵工藝升級換代，淘汰落后技術，實現鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展產業(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積累。根據目前跟蹤生產情況的了解，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在世界上具有領先優(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(氧氣體積分數為39%)助燃，熱風溫度為1 100～1 200 ℃，需要配套建設熱風爐，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，研發(fā)氧氣冶煉技術，是HIsmelt工藝技術進步的方向。(3)研發(fā)一步法碳-氫熔融還原煉鐵工藝。山東墨龍的預還原回轉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)展煤基預還原回轉窯的政策條件，建議取消預還原回轉窯，只設計礦石烘干窯，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)關鍵設備國產化。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、熱風爐、出鐵場、鼓風、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)，國內均有成熟的設計和生產運行經驗。SRV爐本體和熱礦噴吹主要工藝設備有熱風噴槍、礦煤噴槍、熱礦螺旋輸送機、熱礦鏈板輸送機，關鍵設備少，設備結構相對簡單，隨著生產實踐的積累，如何使上述設備延長服役壽命，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)新的必經之路，依靠中國強大的工業(yè)體系，上述設備完全可以實現自主研發(fā)，更好地為SRV爐體服務。
2.1熔融還原煉鐵工藝參數整理
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和工藝設備進行簡要整理，結果見表1。完整的對熔融還原煉鐵技術的經濟性對比分析包括5個方面：工藝成熟性、生產成本、投資費用、環(huán)境友好性和原燃料要求。國內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
隨著歐冶爐的技術進步以及HIsmelt工藝在山東墨龍的建成投產，中國已經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成為熔融還原煉鐵技術發(fā)展的主力軍，根據最近幾年對熔融還原煉鐵技術的追蹤，建議有意向選擇熔融還原煉鐵技術的企業(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，適合高質量產品需要。(3)獨立電爐企業(yè)宜選擇HIsmelt工藝進行協(xié)同生產，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，滿足高質量產品的需求。國外獨立電爐廠生產高質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濟的工藝路線。鑒于目前HIsmelt工藝還不具備大型化生產的實踐，60~80萬t的年產鐵水量，產能規(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構，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，但目前中國生產的直接還原鐵因原料含鐵較低，產品質量難以滿足電爐生產潔凈鋼、優(yōu)質鋼的要求，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直接還原鐵工藝需要的高品質還原氣，而這需要國家政策引導和地方政府的支持。目前國內DRI資源匱乏，獨立電爐企業(yè)為冶煉高品質鋼水，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，協(xié)同效果顯著。COREX和FINEX工藝已經實現年產150萬和200萬t規(guī)模的商業(yè)化生產，與傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝協(xié)同生產，可滿足大型鋼鐵企業(yè)的生產規(guī)模要求，又能實現很好的經濟效益和社會效益。韓國浦項公司的生產實踐，寶武集團八一鋼鐵公司的生產實踐均已經證明了協(xié)同生產具有很好的生產效益。COREX和FINEX工藝具有占地少，勞動定員少，原燃料質量要求低，生產成本低、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狀正好形成互補。另外，從產品角度分析，因為COREX和FINEX工藝鐵水硅含量高，在鐵水罐內容易出現粘罐現象，給生產組織造成很大困難，同時鐵水硅高增加煉鋼工序的生產成本。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，解決了目前COREX工藝和FINEX工藝鐵水硅高帶來的生產難題，形成了很好的互補。
總結中國引進COREX工藝和HIsmelt工藝的經驗和技術創(chuàng)新，說明中國在熔融還原煉鐵工藝的技術積累上已經取得了長足進步，在此基礎上，結合FINEX工藝的生產實踐和技術創(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，是實現低碳煉鐵的一條重要途徑，隨著中國煉鐵技術的不斷進步，中國煉鐵工作者在消化、吸收引進的熔融還原煉鐵技術的基礎上，必然會推動熔融還原煉鐵技術向更深層次發(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.
