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熔融还原炼铁技术

熔融还原炼铁技术

摘要随着社会经济的发展，高炉炼铁资源短缺与环境负荷日益加重的局面已经充分显现，开发新技术逐步取代传统技术将迫在眉睫，这其中以熔融还原炼铁技术为主要开发对象。

国际钢铁界始终没有停止对熔融还原炼铁技术开发的脚步，本文对现有HIsmelt、COREX和FINEX熔融还原工艺及设备进行了分析研究和综合评价，指出了开发新熔融还原技术的原则，介绍了克服高炉炼铁及COREX、HIsmelt熔融还原法存在的缺点的LSM炼铁工艺。

我们应针对目前存在的问题，开发新的熔融还原炼铁技术。

关键词熔融还原；COREX；FINEX；HIsmelt；LSM

SMELTINGREDUCTIONIRONMAKINGTECHNOLOGY

ABSTRACTWiththeeconomicsocietydeveloping,itfullyshowsthattheresourcesshortageandenvironmentofblastfurnaceironmakingloadhaveaggravateddaybyday.Itisveryurgenttoexploitnewtechnologytoreplacethetraditional.Thesmeltingreductionironmakingtechnologyisoneofthemainresearchfields.InternationalIronandSteelsectorhasnotstoppedforsmeltingreductionironmakingtechnologydevelopmentpace.Thedevelopmentforthesmeltingreductionironmakingtechnologywasneverstoppedintheworld.Thisthesisjustgeneratesunderthisbackground.ThispaperanalyzesandmakesprehensiveevaluationoftheexistingHIsmelt,COREXandFINEXreductionprocessandequipment,pointsoutthattheprincipleofdevelopingnewsmeltingreductiontechnology,introducesLSMironmakingprocess,whichoveresexistingshortingsofblastfurnaceironmakingandCOREX,HIsmeltsmeltingreductionmethod.Weshouldbeaimingattheexistingproblems,developnewsmeltingreductionironmakingtechnology.

KEYWORDSsmeltingreduction,COREX,FINEX,HIsmelt,LSM

1.前言

高炉炼铁方法从使用焦炭算起已有三百多年的历史，第二次世界大战后的50年来，钢铁冶金技术获得了重大发展。

如今大型高炉的容积已超过4000m3，而且机械化、自动化日臻完善。

自20世纪60年代后期，炼焦煤特别是低硫焦煤日益短缺，加上环境要求不断提高、基建投资费用巨大，致使在发达国家年产百万吨以下而采用传统高炉流程的钢铁企业在经济上常处于困境。

特别是二十世纪90年代以来，可持续发展对环境提出越来越高的要求，钢铁市场竞争愈演愈烈，各国不断强化新工艺的研究，非高炉炼铁技术研发空前活跃，新的煤基熔融还原炼铁法不断涌现，使钢铁企业有更多的选择余地。

近二十年来，在自然资源日趋紧X与环境负荷日益加重的形势下，国际钢铁界始终没有停止对熔融还原炼铁技术开发的脚步，经过反复探索和不断努力，先后出现了许多有代表性的技术路线。

目前，除20世纪80年代末奥钢联开发并实现工业化的COREX熔融还原炼铁技术外，澳大利亚的HIsmelt技术和韩国与奥钢联联合开发的FINEX技术也已接近工业化水平，这些技术极有可能成为未来钢铁工业实现可持续发展的引领技术。

钢铁工业正在掀起一场以熔融还原炼铁[1]近终形连铸为主的缩短流程的工艺变革，如图1所示[2]。

熔融还原是以纯氧、原煤和原矿为原料炼铁的一种工艺，它拓宽了钢铁冶金用的煤种，省去炼焦甚至烧结和球团工序，使冶炼速度加快几倍，这降低了投资、节省了能源、改善了环境、增强了生产灵活性。

我国是当今世界钢铁大国，国内钢铁工业的迅速发展已经成为国民经济快速发展的重要支撑条件。

但是，客观分析国内钢铁工业发展现状，资源短缺与环境负荷日益加重的局面已经充分显现，开发新技术逐步取代传统技术将迫在眉睫；此外，国内钢铁企业普遍采用的先进技术大多来自国外公司，这种局面势必造成先进技术长期受制于人，自主开发的激情长期受到抑制，难以形成自主开发与产业化的良性互动和创新机制的建立，这是制约我国钢铁工业可持续发展更大的隐患。

因此，国家把开发熔融还原炼铁新技术明确列入国家中长期科学与技术发展规划纲要中，成为我国钢铁工业未来5~15年在相关重大技术开发方面的重要导向。

图1钢铁生产的技术变革

2.熔融还原典型工艺

到目前为止开发出的熔融还原法约有36种之多，熔融还原工艺按其原理可分为一步法和二步法：

一步法有Ausmelt和Romelt；二步法包含预还原和终还原两段，其中预还原分为竖炉法COREX和流化床法DIOS，终还原分为熔融气化炉FINEX和铁浴反应炉HIsmelt。

熔融还原发展历程大致可分为3代[3]：

第1代工艺。

从20世纪20年代开始，当时主要使用一个反应器（转炉或回转窑），称为一步法，原料使用的是精矿和煤粉。

当时所做的几种实验，虽然没有成功，但是暴露出的问题对以后的发展有一定的指导作用。

首先，二次燃烧率过高，渣中FeO含量高，对炉衬的侵蚀相当严重，没有找到合适的耐火材料，并且二次燃烧所放出的热量，很难传递到底部的铁浴熔池中，过程难于控制，但精矿向熔池传递由二次燃烧产生的部分热量，在今天也是有意义的。

第2代工艺。

有代表性的是瑞典20世纪70年代开发的用电做热源的熔融还原法，它克服了由二次燃烧空间到还原空间传递热量的困难。

一些方法是用终还原产生的废气进行二步法的矿石预还原。

已进行半工业试验的方法是Elred法、Inred法和等离子熔炼法，但用电还原铁矿石，多数情况下是不经济的，因而第2代未能推广。

第3代工艺。

特点是放弃电能，立足于煤和氧气的“无焦炭工艺”，而第2代工艺原有的预还原和终还原二步法在大多数情况下仍然保留。

下面简要介绍几种典型的熔融还原工艺：

2.1COREX工艺

COREX技术的研究始于20世纪70年代末，由奥钢联和西德杜塞道尔科富（Korf）工程公司联合开发[4]，它是一种用煤和球团矿（块矿）生产铁水的新炼铁工艺，COREX装置是由上部还原竖炉和下部熔融气化炉组成。

块煤通过密封罐和螺旋加料机加到熔化气化炉的上部，氧气自炉缸上部鼓入，燃烧焦产出高温煤气，并和上部硫化床小粒焦进行反应，再与煤干馏裂解气体汇合生成CO+H2（95%）+CO2（3%）的高温优质还原气体[5-6]，还原气体出熔融气化炉后冷却到850℃进行除尘，再进入上部竖炉还原铁矿石、块矿（球团矿或烧结矿），铁矿石被加热后还原成金属化率为92%的海绵铁，在熔融气化炉内进一步还原、熔化、渗碳，熔剂石灰石、白云石随铁矿石一起加入竖炉，加热分解，并在熔融气化炉内进一步分解、造渣、脱磷、脱硫，铁水和炉渣的性质类似高炉，最后自出铁口一起排出。

排出还原竖炉的炉顶煤气经过清洗后与未进入还原竖炉的富余煤气混合成为干净的中等热值煤气加以利用，如图2是COREX熔融还原炼铁工艺流程示意图。

经过多年的论证，我国宝钢率先引进了2套COREX技术和设备，其中1台于2007年11月投产。

从韩国浦项、我国宝钢COREX投产运行的情况看，尽管该工艺能连续稳定生产，但也暴露了一些问题。

COREX演化了高炉炼铁技术，取得了商业成功，但同时也继承了高炉炼铁的一些缺点：

（1）从炼铁工艺上讲，COREX是典型的炉床法炼铁工艺，与高炉相比，COREX更多地依靠间接还原，间接还原度越高，工艺进行得越容易，因此无法摆脱料柱透气性问题的困扰。

（2）为保证竖式预还原炉料柱的透气性，必须使用块矿、烧结矿、球团矿或这些原料的块状混合物，因此必须配有造块设备。

而且对入炉块状原料的理化性能有很高的要求，从而提高了原料成本，使铁水成本升高。

（3）COREX的实践证明，要依靠焦炭床来保护炉缸，稳定生产，就无法摆脱对焦炭的依赖（焦比>10%~20%），尤其是大型化后（如宝钢C-3000），焦比会超过200kg/t。

（4）从熔融气化炉抽出的高温煤气经净化后，从>1100℃降到800～850℃，温度损失了250℃左右，而且这个损失是无法弥补的，因此热效率比不上高炉。

（5）虽然使用了全氧冶炼，但按炉缸面积计算得出的生产率仅为高炉的0.7~0.9[7]。

（6）竖炉预还原炉料的金属化率波动大。

（7）操作影响因素多，在炉体中部的高温区使用了很多排料布料活动部件，使设备维修成本及热损失增加，个别设备还不够成熟，设备利用率降低，工厂设备压力加大。

（8）在高炉冶炼条件下，采用富氧喷吹有一定的限度，传统高炉更不能采用全氧冶炼。

COREX工艺虽然采用全氧冶炼，但其生产率并不高，根本原因在于，虽然全氧熔炼速率很快，但受到上部竖炉铁矿还原速率的限制，对于一定产能的COREX熔融还原工艺，要求下部熔融气化炉的操作必须与上部的竖炉铁矿还原情况相匹配，才能达到较好的综合技术经济指标[8]。

尽管COREX工艺还原存在着一些不足，甚至有些冶金专家称其为“半截子”革命，卢维高教授更说它是个“怪胎”[9]，但毕竟COREX法是目前世界上唯一大规模经济运行的熔融还原炼铁生产装置，因此是容易受到冶金界青睐的清洁炼铁技术。

图2COREX熔融还原炼铁工艺流程示意图

2.2FINEX法

FINEX[10]是由浦项与澳钢联（VAI）在COREX基础上开发的、直接使用矿粉（<8mm）和煤粉炼出铁水的工艺。

在FINEX工艺中，铁矿粉在三级或者四级流化床反应装置中预热和还原，如图3所示。

流化床上部反应器主要用作预热段，后几级反应器是铁矿粉的逐级还原装置，可以把铁矿粉逐级还原为直接还原粉。

之后，直接还原粉或者直接装入熔融气化炉，或者经热态压实后以热压实铁的形式装入熔融气化炉中。

在熔融气化炉中，装入的直接还原粉和热压实铁被还原成金属铁并熔融。

FINEX过程产生的煤气是高热值煤气，可以进一步用作直接还原粉的生产或者发电等。

图3FINEX流程图

FINEX工艺克服了高炉、COREX炉、直接还原竖炉的一些缺点，其特点为：

（1）FINEX工艺的原料由块矿、球团矿改为粉矿（平均粒度在1~3mm，最大粒度<8mm），粉矿资源丰富。

价格低廉的铁粉矿和一般烟煤，为该工艺的发展赋予新的活力。

（2）FINEX炉顶煤气全部循环使用。

浦项认为FINEX比高炉制造成本下降15%，宣称总体投资是高炉流程的80%。

（3）FINEX流程的SOx、NOx、粉尘的排放量与高炉流程相比，只有6%、4%和21%，并且没有焦化含酚、氰等污水的排放，是一种清洁生产工艺，因此环境友好。

（4）铁水质量与高炉、COREX炉相当。

冶金界最关心的是该工艺的原料、能耗和生产成本。

高炉生铁成本中原料占60%左右，而FINEX只占45%左右。

高炉成本中燃料和动力占30%，扣除煤气回收约为28%。

而FINEX燃料和动力因使用大量氧气约占55%，扣除煤气回收仍占约41%，其中氧气每吨铁消耗约500m3，其费用为成本的20%。

有专家估算，在国内情况下，FINEX与大型高炉相比（如1座3800m3高炉与2座年产150万t铁的FINEX），高炉比FINEX生铁成本低12.5%[11]。

2.3HIsmelt法

HIsmelt[12-13]法是澳大利亚CRA公司与德国KloecknerWerke公司合作开发的，HIsmelt流程采用循环流化床预还原炉和铁浴式熔融还原炉[14]。

预还原炉使铁矿石只还原到浮氏体，旋风除尘器收集后，以热态吹入铁浴中。

预还原炉排出的煤气用于空气的预热。

HIsmelt熔融还原炉的工艺原理是用喷枪向铁浴熔融还原炉溶渣层内喷吹0~6mm铁矿粉、熔剂和煤粉；富氧的高温热风从炉顶喷入，与熔池里逸出的CO、H2进行二次燃烧，释放出热能在强烈的渣铁喷溅搅动中完成热传递，熔化喷入的固体原料。

HIsmelt熔融还原炉在100kPa的压力下工作，铁水经虹吸排出至感应保温加盖的前炉，定期从渣口出渣。

如图4为HIsmelt的熔融还原炉图。

图4HIsmelt流程图

HIsmelt熔融还原具有如下特点：

（1）原料来源广泛，可以全部使用粒度6mm以下的粉矿、粉煤，包括无法通过烧结厂回收的废弃物，物料中的C、CaO和MgO也能得到利用；对燃料煤的要求比较宽松，可大幅度减少钢铁生产的资源消耗。

（2）由于HIsmelt熔融还原炉有强氧化性炉渣，有较好的脱磷效果，非常适合于冶炼高磷矿，这是区别于高炉和其他非高炉炼铁工艺的主要特点。

（3）由于氧化性气氛很强，所以它产出的铁水含磷低、碳低、硫高，硅锰含量为0，不适合直接供传统炼钢流程使用。

经过炉外脱硫和添加锰铁、硅铁合金或与高炉铁水兑配，可达到炼钢铁水的要求。

（4）操作灵活，反应过程的启动、关闭简便易行，从而使得炼铁和炼钢作业能有效衔接，而不必限产铁水。

（5）由于粉矿预还原度低，炉渣含FeO高，炉衬腐蚀快，一代炉龄仅12~18个月。

（6）由于HIsmelt熔融还原为低压操作，大量高温含尘煤气热能难以回收利用，吨铁能耗高，因此高温低热值尾气便成为该工艺的“鸡肋”。

HIsmelt是典型的“一步法”熔融还原工艺，占地面积很小，直接利用粉矿、粉煤冶炼，对钢铁界的经营者有着较大的吸引力。

但该工艺要想实现商业化生产，在热煤气利用、CO二次燃烧并将热量有效传递给熔池，提高设备利用率及降低炉衬成本方面还有很长的路要走。

3.综合分析评价

（1）从工艺角度看，COREX更多依靠间接还原工艺，保留着高炉炼铁工艺的特点；FINEX则把COREX的预还原竖炉改变成多极流化床反应器，可完全使用粉矿；这两种熔融还原工艺可以说是对高炉的“改良”，只是FINEX的改良深度更深一些[15]。

而HIsmelt则完全摆脱了高炉炼铁工艺概念，是炼铁技术的一种“革命”，可有效解决困扰高炉工艺的料柱透气性问题，是真正意义上的熔融还原技术。

（2）在原燃料资源的取用上，COREX可以使用非焦煤，优于高炉，但还须使用块矿和球团及部分焦炭。

FINEX不仅可用非炼焦煤，而且摆脱了对块状原料的依靠，这一点优于高炉和COREX，只是还需要块煤和粉煤造块。

HIsmelt则原燃料全部粉状化，且对原燃料性质无特殊要求，资源面最宽，便于就地取材并且可使用高磷矿石。

（3）在流程设备上，COREX还需要球团、块矿等造块设备和部分焦炭；FINEX使用粉矿和粉煤造块，可以不建烧结、球团、炼焦厂；HIsmelt完全免除了烧结、球团、炼焦厂投资，也不需要煤造块。

但3种工艺均需配套庞大的制氧设备和较大的自备电厂。

（4）在生产成本上，FINEX和HIsmelt原料成本相对较低，COREX和FINEX氧气成本较高。

燃料消耗前两种高于HIsmelt，因此生铁成本COREX最高，HIsmelt最低，但3种均高于高炉。

（5）从一次性投资看，COREX要高一些；FINEX投资成本会较低；HIsmelt冶炼设备相对单一，三者之中投资最低。

（6）现状与前景。

COREX工艺最成熟，已有数家投入生产，并取得很好的成绩，完全实现了商业化。

FINEX在工艺上优于COREX，但目前仍处在示X工厂试生产阶段，再经过一段时间的调整完善，将具备商业化推广价值，成为COREX的有力竞争者。

HIsmelt工艺示X工厂投产较晚，又是一种全新的工艺，估计需要一段时间改进、完善。

因其工艺优点多、投资和生产成本低，一旦成功，其竞争优势比较大。

我国首钢曾参与澳大利亚合作开发HIsmelt熔融还原技术，但由于HIsmelt的试验尚未取得明确结论，曹妃甸首钢新厂仍按传统的炼焦、烧结和高炉系统建设。

莱钢、淮钢原计划建设HIsmelt熔融还原生产装置的规划也由于上述原因，而没有采取实际行动。

沙钢等建设COREX或HIsmelt的规划或设想，还有待宝钢COREX的实践。

工艺不同，各种熔融还原方法均有自己的特点。

引进国外先进技术固然必要，因地制宜研制出适合我国国情的低成本熔融还原炼铁工艺更重要。

表1为几种熔融还原工艺概况的介绍。

表1几种熔融还原工艺概况

COREXHismeltDIOSFINEXRomelt

铁矿石块矿、球团经过筛选经过筛选<8mm铁所有的钢铁

矿的铁矿粉的铁矿粉矿粉原材料

<6mm<8mm

煤10~14mm煤粉<6mm煤块8~22mm煤粉煤块或煤粉

煤耗1100~1200650~700780~9501000~10501200~1400

金属化率%90左右10~25<2785

二次燃烧率%050~60>555

传热效率>8085>8060~70

氧耗600~700270550>540800

设备能力万吨/15080500t/d15035

年

现状已工业生产已投入工业已形成工年产150万共生产1.5

多年生产业化吨工厂已投万吨铁水

入生产

4.开发熔融还原新技术

4.1开发熔融还原新技术应遵循的原则

高炉炼铁经过了漫长的技术发展过程，特别是近年来，在各种现代高新科技的支持下，高炉炼铁技术迅速发展，其技术先进水平达到了登峰造极的地步。

世界钢铁工业，炼钢生铁的供应90%左右来自高炉，而我国几乎100%来自高炉炼铁。

熔融还原开发的目的是避开高炉炼铁的缺点，并具有优于高炉炼铁的技术经济指标和环境保护指标，否则即失去了开发的意义。

因此，任何一种熔融还原方法，应该满足一定的技术经济要求：

（1）低能耗、低成本，环境友好。

（2）单位容积的生产率高于高炉，年产量低于100万t或更低，方法仍然经济。

（3）可使用粉矿，无须烧结机和焦炉等用于原料块状化加工的设备。

（4）可全部或大部使用非焦煤为燃料，摆脱对冶金焦炭的依赖。

（5）设备的开机、停机简单，能提高生产的灵活性。

（6）流程短，无须巨大的配套设备。

遵照上述原则，国内开发了一种新的熔融还原炼铁技术—LSM工艺。

COREX将高炉从软熔带以上移走，构造成了竖式预还原炉，而LSM工艺则将高炉从软熔带以上躺倒构造成为水平预还原炉床，演化而来的LSM工艺设备如图5所示。

LSM工艺吸收了日本神户制钢转底炉（Fastmet、ITmk3），日本川琦制钢（HI-QIP）等国外直接快速还原先进技术，总结分析了我国原冶金部钢铁研究总院、科技大学、东北大学、XX大学等的试验研究成果，并根据我国资源特点开发的一种新颖的熔融还原炼铁方法，具有自主知识产权[16]。

半工业试验表明，该工艺是一种极具前途的非高炉炼铁技术。

图5由高炉到LSM熔炼炉

4.2LSM的特点

LSM炼铁工艺克服了高炉炼铁，COREX、HIsmelt熔融还原法存在的缺点，具有明显的自身特点。

（1）高炉、COREX工艺是以间接还原为主的生产工艺，间接还原率一般达到65%以上（COREX达到80%以上），所以高炉从加料到出铁的时间一般在6.5~7h，最现代化的高炉也要4h以上；LSM炼铁工艺采用含碳球团为原料，摒弃了高炉、COREX以间接还原为主的铁矿还原工艺，吸收了神户ITmk3快速还原工艺的特长，从加料到出铁的时间仅在1h之内，所以有较高的生产率。

（2）原料X围广。

LSM只需将铁矿粉（氧化铁皮、硫酸渣、高炉不能使用的所谓垃圾矿及其他含铁氧化物）与还原剂、粘结剂冷压（或热压）成含碳球团即可，可不用焦炭和烧结矿，也就没有必要建焦化厂和烧结厂，因此相对高炉铁前流程短得多。

（3）固态还原区和连接其后的熔分区设计在同一炉膛内。

固态预还原炉床上的炉料料层只是100～300mm的薄料层，因此LSM没有影响高炉生产的料柱透气性问题。

连续加料预还原，直接排入熔分炉连续熔分。

（4）特殊设计的熔分炉，有利于炉内气流分布，避免了“管道”形成；而且料柱很短，几乎不存在料柱透气性、结瘤和悬料问题。

（5）LSM工艺的熔分炉可以全氧或高富氧率冶炼，而高炉则不能。

（6）铁矿还原工艺不同，决定了操作工艺的不同，在LSM熔分炉中燃烧1kg固定碳所产生的热量高达27MJ以上，而高炉只有10MJ左右，相差2.7倍之多，可见LSM工艺更有利于节约能源，减少排放，降低消耗。

5.展望

经过国内外冶金专家、学者多年的理论研究和试验，以含碳球团为原料的还原工艺，理论上的可行性和科学性均已得到解决。

这种快速还原技术既避开了高炉、COREX以间接还原为主所遇到的透气性问题，也避开了HIsmelt工艺所遇到的尴尬。

国内外对以含碳球团为原料的熔融还原技术，积累了大量的试验数据和实践经验，成为LSM工艺的技术依托。

炼铁高炉在我国有几百上千座，但在原料准备、环保水平、劳动生产率、物料能耗、装备水平、冶炼指标等方面赶上世界先进水平的并不多。

熔融还原技术在我国虽然研究起步比较早，但与世界差距更大。

在我国开发一种设备简单、流程短、投资少、成本低、环境友好的非高炉炼铁技术，虽然还有一段很长的路要走，但借鉴高炉炼铁的经验和现有熔融还原技术的实践，在我国专家学者研究的基础上，早日实现这一愿望还是非常有希望的。

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