---非高炉炼铁现状趋势方向 周渝生

1.1 非高炉炼铁主题

高炉炼铁已经发展了几百年，目前在高产、低耗、长寿、效率、优质包括节能、环保等许多方面都有长足的进步，是目前世界上炼铁界占绝对统治地位的炼铁工艺。

但高炉炼铁工艺的进步并不能完全克服它与生俱来的固有的缺点，这就是它对优质冶金焦和人造块矿的强烈的依赖。正因为如此，决定了它的流程比较长即从炼焦、烧结或球团最终到高炉的长流程；决定了它的能耗比较高即需要经过冷态—热态—冷态—热态的反复的转换；也决定了它的污染比较严重，炼焦和烧结一直是冶金工厂中污染排放大户。

更严峻的是主焦煤的资源极为有限而且分布地域不均匀，仅占我国煤资源产储量的25%左右。尽管我国是煤资源的大国，但是随着我国钢铁产量的飞跃发展（目前的产能已经达到 4.7亿吨/年）据有关方面的预测我国的炼焦煤资源只够使用30年。30年后炼焦煤匮乏的将来我们如何生产钢铁？这一问题已经明明白白的摆在我们的面前！

2010年我国的粗钢产量已达到62665万吨，其中约有三分之一是能耗高、污染大的小高炉生产的，对环境造成严重的破坏，国家《钢铁产业发展政策》严格地规定了新建钢厂和现有钢厂淘汰落后的标准规范。另一方面又明确规定“支持企业跟踪、研究、开发和采用直接还原、熔融还原等钢铁生产流程前沿技术”。这一政策为非高炉炼铁技术的发展开拓了广阔的空间。

开发非高炉炼铁技术的主要目的就是要摆脱对冶金焦的依赖，扩大利用非炼焦煤的使用比例并推进冶金能源、资源的高效循环利用，它的目标还在于扩大直接使用低成本难选的低品质（含有过高的氧化硅、氧化镁、氧化铝、磷或硫中的一种或二种杂质）天然块矿或粉矿炼铁。这样可以使原料资源可利用的选择范围进一步拓宽，工艺流程大为缩短，生产成本更有竞争力，投资和污染大幅度降低，是一种清洁的炼铁技术，对钢铁工业的可持续发展具有十分重要的意义。

目前我国的经济发展正面临着以科学的发展观，走循环经济可持续发展道路的转型期。钢铁行业既是我国主导的基础工业又是能耗和污染的大户，而非高炉炼铁技术的诸多优点正是我国钢铁行业调整结构、降低能耗和污染的重要技术。随着宝钢引进COREX技术，韩国POSCO开发Finex技术的强劲势头，国内钢铁界正在形成一股开发、研究、发展、引进非高炉炼铁技术的热潮，并逐渐形成十分强劲的技术需求。

1.1.1直接还原技术的现状与差距

迄今为止，国际上商业化实绩较突出和有一定国际影响的直接还原工艺包括：MIDREX、HYL-Ⅲ、FINMET、FASTMET、RN等。但就还原剂的种类而言，可以分为气基直接还原和煤基直接还原。按生产装置的类型来分类，可以分为：竖炉法、流化床法、回转窑法、转底炉法和隧道窑法。世界上气基直接还原主要在天然气储量丰富、价格低廉的地区得到应用和发展。由于我国天然气价格昂贵气基直接还原一直没有得到发展，首钢正在策划在焦炉煤气富裕的产焦地区建设50万吨/年焦炉煤气HYL-Ⅲ-ZR零重整的气基直接还原装置，但大多数地区因为缺乏还原煤气，只能考虑如何用煤来进行铁矿石的直接还原。由于直接用煤的煤基直接还原回转窑工艺，生产规模较小，而且容易结圈。所以，用煤制气连接气基直接还原工艺受到人们的青睐，宝钢研究院1999年结题的BL法生产直接还原铁工艺就是这一类型技术开发的尝试。随着COREX技术的发展，作为COREX煤气的应用，经过适当的变换后与气基直接还原工艺相连接，生产直接还原铁技术也有新的发展，如南非撒旦那的COREX-Midrex直接还原联合流程。印度JINDAL公司正在奥里萨邦设计建设60万吨/年用鲁奇煤制气--竖炉直接还原工艺生产直接还原铁工程。为了推进含铁固体废物再利用，新日铁先后在君津制铁所和広畑制铁所各

建设了有3座转底炉，韩国浦项、台湾中钢也在建设回收钢铁厂含铁固体废弃物的转底炉。神户钢铁公司开发了一种转底炉一步法生产粒铁的方法Itmk3，其产品质量与高炉生铁相当。神户钢铁公司称Itmk3为第三代炼铁方法。第一代炼铁方法定义为高炉炼铁法，第二代则是包括Midrex技术在内的气基直接还原法。Itmk3是以铁矿粉和非焦煤为原料制成含碳球团。在转底炉内，加热到1350~1450C的温度范围，球团被迅速还原成金属珠状铁粒，并部分熔化，使得铁能干净地与球团内产生的液态渣分离。冷粒铁可以用船运输，而热粒铁可直接装入电炉或者转炉代替使用。据报道，目前转底炉一步法生产粒铁的方法Itmk3已经在美国建成工业示范装置，但尚未商业化。

我国直接还原铁工艺技术的应用与发展非常迟缓的，主要是一些回转窑，总体产量规模很小，2010年总产量不到100万吨。除了天津大无缝引进的15万吨/年×2回转窑、新疆富蕴的15万吨/年×2回转窑及密云、喀左的6万吨/年回转窑以外,大多是装备水平低、能耗高、产品质量差的隧道窑罐式法，无法满足日益发展的电炉炼钢的需要。用煤还原的转底炉技术也逐渐引起国人的重视，以无害化处理钢铁厂含锌铅粉尘转底炉工艺仅近近几年得到了快速发展。2006年4月我国第一座7万吨金属化球团的转底炉炼铁新工艺的转底炉在山西翼城建成，用块煤移动床制煤气做加热燃料。龙蟒集团在攀枝花建成投产了处理6万吨/年的钒钛磁铁矿-电炉熔分获得含钒铁水和富钛渣的新工艺流程，马鞍山钢铁公司投资约2.8亿元引进新日铁技术建成了年处理含锌铅粉尘20万t的转底炉，日照钢铁集团与钢铁研究总院合作开发，2010年建成了年处理含锌铅含铁固体废弃物40万吨粉尘的2×20万t的转底炉生产线，产出金属化球团32.4万吨DRI，目前在正常生产，所生产的金属化球团平均金属化率在65~80%，其转底炉工艺生产的直接还原铁产品完全代替原来的烧结矿用作转炉作冷却剂使用。焦炉煤气与HYLⅢ竖炉的嫁接目前一直在策划中，还没有建成一座生产工厂。应当说直接还原铁工艺在我国还是比较落后的。

（3）发展思路和研究内容：

1、气基竖炉法是直接还原最成熟的主导工艺，要以此为发展我国的直接还原新工艺的重点；

但我国是天然气紧缺而昂贵煤的产储量又十分丰富的国家，所以以煤制气连接气基竖炉是我们的发展的主要方向。当年BL法是当时技术水平下的一种尝试，但后来由于生产成本较高的制约，没有进一步走向工业应用。随着当前煤制气技术和竖炉技术的进步，构建低成本运行的煤制气与气基竖炉新的嫁接成为新的发展亮点。

2、随着COREX工艺开始在宝钢应用，COREX冶金煤气的转换和与气基竖炉连接（不同于南

非Midrex流程）的新工艺有了工业性需求，尤其是投资成本低、还原效率高、生产成本低是研究的方向。

3、转底炉技术已经在我国进入工业应用阶段，关注转底炉技术的应用，跟踪研究它所存在的

薄弱环节，对其进行完善性的研究，也是企业研究院的任务之一。在此基础上进一步思考我们过去研究过的“直底炉”工艺，比较转底炉和直底炉的优劣，有无使直底炉进一步完善和应用的可能性。

4、气基流化床还原技术是直接利用粉矿的核心技术，要重点研究多级流化床的设备构成和操

控技术。

5、研究冶金煤气制氢和富氢煤气还原技术，走向氢还原的时代，使冶金工作者的梦想转变为

现实也是我们需要思考的内容。

1.1.2熔融还原技术的现状趋势及存在问题

早在20世纪20年代世界上已经开始对熔融还原技术的研究，早期的研究大多采用一步法，由于难以克服在熔炼过程中高（FeO）熔渣对炉衬的严重侵蚀和能耗过高等原因，都以失败告终。

20世纪70年代世界第二次能源危机激发了对煤基熔融还原技术的研发，经过十多年的研究探索，提出的熔融还原方法先后有数十种之多，但大多经过实验室试验、小试和中试规模后相继停止。大家比较熟悉的有如美国的AISI在中试规模后于1993年停止、日本的DIOS在中试规模后于1995年停止、澳大利亚的AUSIRON在中试规模后于2003年停止等等。但也有一些技术脱颖而出，逐渐走向应用甚至实现了商业化生产，其中主要有：

1、COREX技术

在1989年11月在南非普列陀利亚兴建第一座COREX－1000熔融还原炼铁炉以来，紧接着1995年、1998年、1999年和2001年相继在南非、印度、中国建成投产4座COREX-2000和2座COREX－3000熔融还原炼铁炉，COREX炉经过十多年的生产，不断改进，其稳定性有较大的提高，这4座COREX-2000炉均达到和超过设计生产能力。2007年11月宝钢罗泾工程建成投产了世界上第一座COREX－3000熔融还原炼铁炉，，第二座COREX－3000也于2011年3月28日投产。尽管目前COREX－3000还存在一些设计缺陷和不足，引进COREX－3000使我国煤基熔融还原技术炼铁生产煤比达到了9000kg/t，焦比已经达到150kg/t，达到了目前熔融还原炼铁的国际先进水平。目前COREX工艺仍然是具有大规模生产性应用实绩的独领风骚的熔融还原技术。

2、Finex工艺

韩国POSCO的Finex示范装置以4级粉矿流化床还原的Finmet工艺取代COREX工艺中的还原竖炉，金属化率70%的预还原产品700℃热压成压块铁HCI再热装入COREX的熔融气化炉，克服了COREX炉不能使用粉矿的缺点。POSCO从1992起开始进行实验室规模的流化床还原的基础性研究，在1995年引进的COREX-2000旁边建设60万吨/年规模的Finex示范性工厂，Finex 示范工厂于2003年6月投产。2004年8月POSCO决定建造150万吨/年Finex以取代其原有的中型高炉，于2007年4月投产。最近POSCO在印度奥里萨邦和韩国投资建设2座200万吨/年的Finex炉，其发展势头令人瞩目。但POSCO对该技术严格保密，只公布了他们成功的业绩，对其未报道的可能或已经遇到的技术问题，如FINEX 生产示范装置生产的稳定性或设备利用率还不高，迄今为止最长连续运行时间仅93天，譬如流化床的产能问题、流化床的粘结和失流问题，热压成型机的作业率问题等还是不明朗。但大型化的Finex熔融还原工艺以粉矿取代块矿和球团，以煤压块替代大部分块煤和焦炭是对COREX最重要的发展。

3、进入示范性工厂试验的HIsmelt

HIsmelt工艺经过20多年的研究开发2005年5月在西澳建成了第一座示范性工厂，经过一年多的试运行，目前刚刚达到设计能力的40％，现在计划进行3年的爬坡，逐步达到设计能力。HIsmelt工艺最大的优点是可以完全直接使用粉煤，而且可以使用高炉不宜使用的高磷粉矿，炉体设备比较简单，外围设备除了粉矿预热装置外几乎可以搬用高炉的同类设备如：热风炉、煤粉喷吹等，所以投资也就比较容易降得下来，因此国内不少厂家看好这一技术，准备在适当的时候引进。但它也存在一些令人担心的问题如：由于二次燃烧率比较高，大量高温（1450℃）低压、低热值煤气难以用作燃料或还原气；渣中的（FeO）含量较高使炉衬侵蚀速度快、炉龄很短等。当然还有一些问题如生产的稳定性、作业率、能源平衡和利用率等还有待于生产实践的证明。

4、以转底炉为预还原炉的熔融还原技术也在发展

最近，以粉矿、粉煤混合造球通过转底炉预还原，连接电炉熔化-电炉或转炉炼钢的技术也在

悄然兴起。Fastmelt技术、美国Dynamics公司的IDI技术和美国Midrex公司与德国合作开发的REDSMELT技术都取得成功应用，IDI的50万吨/年转底炉连接电炉炼钢流程一直在生产。

纵观世界上熔融还原技术的发展经过了百花齐放的高潮，目前研发工作的广度有所收缩但经过大浪淘沙考验后的熔融还原技术更趋于成熟、理性，技术发展的方向更加集中，这就是主要采用二步法：预还原装置主要是竖炉、流化床、转底炉；终还原装置主要有半焦填充床、铁浴炉、电炉，主要形成3大类型：一是以高预还原度预还原和半焦填充床为终还原炉相连接，低二次燃烧率的COREX、Finex；二是低预还原度预还原粉矿和铁浴熔融还原炉相连接、高二次燃烧率的HIsmelt；三是以含碳铁矿球团通过转底炉预还原，连接终还原电弧炉的Fastmelt、IDI、REDSMELT技术等。

（2）现状与差距：

我国的熔融还原技术的研发起步应当说不算晚。1984年在原冶金部的支持下东北大学开始了实验室规模的流化床预还原—竖炉熔融还原法的研究，经过2年多的时间研究了16项课题，做了13次实验室微型竖炉热模拟试验，最终炼出了合格生铁，可是这一工作到5kg的实验室装置试验为止没有继续进行下去，1987年完成了结题报告后就偃旗息鼓了。

在国家科委攀登计划的支持下，1999年钢铁总院在承德炼钢试验厂建成了名为COSRI的氧煤熔融还原炼铁装置，进行中试热态试验。设备连续运行了10天，其中连续无故障运行82小时，平均每天产铁1.5吨/日，但这一项目因经费缺乏同样也没能继续进行产业化开发，而成为一份仅供参考的历史资料。

随着国家《钢铁产业发展政策》的出台，我国加快走向循环经济，鼓励熔融还原技术在我国的应用，特别是宝钢罗泾工程引进了COREX－3000熔融还原技术装置，激发了我国冶金界和科技界对熔融还原技术研究的热情。

（3）发展思路及研究内容

在熔融还原技术研究方面我们不应从零开始，应在前人成功的基础上，发展或开发我国自己的熔融还原技术，大致有：

1、围绕宝钢引进的COREX－3000，提高其竞争力所开展的科研工作，主要有：COREX －3000达产达标，配煤配矿、粉煤压块、煤粉喷吹、冷固结球团、炮泥和相应的操作技术以及关键设备的国产化研究等

2、以流化床研究为突破口，准备开发研究以流化床作为预还原炉，以富氢煤气作为还原介质并连接相应的终还原炉的大中型熔融还原炼铁新流程研究，

3、跟踪和研究HIsmelt技术，由于该项技术具有的优势，我们必须了解它，以便必要时引进和发展该项技术。

4、基于氢冶金的熔融还原炼铁新工艺开发; (中国钢铁工业协会)

（1）长寿高能量密度终还原反应装置的开发（含耐材开发）

（2）利用熔融还原炼铁过程副产煤气能量转换技术的开发（制氢或合成醇醚类产品）（3）开发富氢还原含铁物料（粉矿）的工艺技术

（4）喷吹系统技术的开发(熔池喷吹富氢还原气体强化还原技术)

（5）粉矿预热还原及输送技术和热矿粉喷吹技术；

（6）冶炼中粉尘等固体废物的循环回收技术开发

（7）基于氢冶金熔融还原炼铁过程模型与仿真技术开发

李维国、周渝生060730修改

2006－7－11