几种非高炉炼铁技术现状及其发展

世界金属导报/2010年/6月/15日/第010版

原料炼铁

几种非高炉炼铁技术现状及其发展

王定武

1概述

从20世纪70年代以来，熔融还原炼铁技术开始得到重视和发展，所有熔融还原工艺的目标都是用非焦煤还原铁矿(首选粉矿、低品位铁矿)制造生铁，经过许多国家多年的努力，熔融还原炼铁工艺已开始进行商业化生产，并取得显著成绩和进步。

?Finex

韩国浦项公司和西门子奥钢联合作开发的Finex熔融还原炼铁工艺已经成熟地用于工业化生产，并正在连续运转且初步显示其明显的优越性。

?ITmk3

日本神户制钢开发、由神户制钢和美国动力钢公司合资建立的ITmk3炼铁厂顺利运营，已逐步达到设计产能，预期在2010年中期该厂产能达到50万t/a。

?COREX

奥钢联开发的COREX熔融还原炼铁工艺已有四座工业化生产装置在连续运转，其中产能最高的COREX C-3000装置在上海宝钢集团进行生产。

?Hismelt

Hismelt工艺经两级中试开发后已建成80万t/a工厂，小时产能已达到设计能力的75%～80%，有进一步发展的潜力。

在上述四种进入商业化生产的非高炉炼铁工艺中，以Finex工艺较优越，已经具备替代1000m3～2000m3级高炉的条件，浦项公司将在Finex工艺大型化方面进一步开发。

2 Finex工艺

Finex工艺是在COREX工艺基础上经过创新和改进发展起来的，其主要特点是:

①用铁矿粉经多级流态化床反应器进行还原，浦项对反应器结构和气流分布进行改选，将多级还原反应器的温度降低，将铁矿粉还原度降至60%～70%，解决了反应器易粘结不能连续作业的问题。

②流态化床出来的部分还原的铁矿粉压成密度较实的矿饼后破碎，再加入熔融气化炉。

③将煤粉与结合剂混合后压成煤球和热压铁装入熔融气化炉中，同时向气化炉直接喷射煤粉。

④用熔融气化炉煤气作为多级流态化床反应器的还原剂，为减少煤耗，将部分自流态化床反应器排出煤气返回作还原剂使用。为提升这部分煤气还原能力，在煤气管网中增加CO2变压吸附装置，还原煤气中的CO2质量分数由约33%降至约15%。

图1是浦项150万t Finex厂外景。

浦项公司经过小型试验及半工业性试验后先将已投产的COREX C-2000装置改造为60万t/a 的Finex示范装置，并于2003年6月投产。在示范装置取得成功的基础上，于2007年建成投产一套年产铁水150万t工业化的生产设施。到2008年底，两座装置生产量均达到设计能力，2008年4月～9月150万t/a装置运行指标如表1。

特别要提到的是现在Finex 示范装置已不使用小块焦，150万t/a 装置目前尚使用大约50kg/t 铁小块焦。

Finex 工艺显示出以下优越性:

①用粉矿及非焦煤粉为原燃料，使用很少小块焦，可不建烧结、球团及焦化设施，缩短了流程，减少了投资，降低了成本，节约了紧缺的焦煤资源。

②浦项公司以韩国浦项的价格为基础，以建设年产300万t 炼铁系统为目标，认为Finex 的建设投资比高炉流程节省20%，由于各地区价格基础不同，需根据具体情况进行分析比较。 ③环境状况大为改善，如果将高炉流程系统(高炉、烧结、焦化)定为100%，那么Finex 流程SO 2排放量为3%，NO 2为1%，粉尘为28%，CO 2第一阶段目标为93%，CO 2脱除后为55%。 据浦项公司介绍，它们在印度和越南新建合资钢铁联合企业中，均将采用Finex 工艺建设炼铁厂。

3 ITmk3炼铁工艺

神户制钢命名ITmk3的原意是将其视作第三代炼铁技术，第一代为高炉炼铁，第二代为包括Midrex 等工艺在内的气基直接还原技术。

在ITmk3工艺中，用铁矿粉和煤粉制成复合生球装入转底炉中加热到1350℃～1500℃的高温，复合球团迅速还原成铁，并部分熔化使得铁从球团内生成的液态渣中分离出来。铁粒含铁96%～98%，碳2.5%～4.3%，硅2.0%，锰0.1%，硫和磷为0.05%～0.06%。铁粒可直接装入电炉或转炉中使用。

ITmk3工艺具有以下特点:

①10分钟内就可以生产出

高纯粒铁，流程很短。

②炼铁原料可采用铁矿粉矿和非焦煤粉，不需要烧结(或球团)和焦化等设施。

③由于能源利用效率高，较高炉流程可减排二氧化碳20%。

④生产设备操作简单，生产调整灵活。

⑤粒铁密度高、不易氧化、易于运输和操作。

该工艺的研究工作开始于1986年，后在加古川厂内建成一座04m，产能为3000t/a的转底炉进行中间试验。2002年神户制钢和其他合作方在美国锡尔弗贝建成一个25000t/a示范厂，并顺利经营。由于示范厂生产的粒铁在美国动力钢公司使用良好，2008年美国动力钢公司和神户制钢合资在美国明尼苏达州霍伊特湖建立ITmk3炼铁厂，生产出的粒铁用于炼钢，2009年逐步达到设计产能，预计2010年中期该厂产能达到50万t/a。神户制钢称已经获得投资许可，将在越南义安省黄梅工业区投资1000亿日元(约合10多亿美元)建设一个合资钢铁厂，新钢厂将采用ITmk3炼铁工艺生产块铁用于炼钢。

4 COREX和COREX/DR工艺

COREX炼铁工艺已作为工业化生产装置应用于印度Jindal、南非Saldanha和中国宝钢。实际生产中，印度Jindal公司两座C-2000及南非Saldanha一座C-2000装置经过多年运行均已达到和超过原设计生产能力，铁水质量和高炉铁水相似，均能适应炼钢要求。中国宝钢已投产的C-3000装置是目前全球生产能力最大的一座。C-3000装置于2007年11月投产，月平均日产量及铁水质量均可达到原设计要求。

通过国内外COREX工艺生产实践可以看出:

①与传统高炉工艺相比，COREX工艺最大的特点是可少用焦炭，C-2000装置的焦比一般为燃料比的10%～15%。宝钢C-3000装置因炉容量加大，且投产时间较短，目前仍需焦200kg/t铁水，但对焦炭粒度及质量的要求较大型高炉低。此外，南非将粉煤压制成粒度35mm左右冷固结煤球入炉(强度可达200kg/个以上)。经过在COREX生产中用煤球代替焦炭进行试用，其焦比可由原来的15%降至1%。

②COREX工艺仍需使用块状含铁原料。印度和南非当地有适用的块状铁矿石(南非COREX 装置的炉料结构是60%～80%南非块矿，20%～40%球团。印度COREX装置的炉料结构是40%印度块矿，60%球团)，因而降低了运营成本。此外，印度Jindal COREX装置曾将粒度小于6 3mm 的铁矿粉经过加煤管路直接装入气化炉，创造了用铁矿粉料取代14%总含铁炉料的纪录。

③采用COREX工艺，在钢铁企业内可少建或不建焦化、烧结设施，对环境保护有利。与高炉流程相比，向大气排放的硫化物、氮氧化物、二氧化碳均很大程度地减少。

COREX装置生产中出现的主要问题是:

①还原竖炉中的炉料发生粘结，从炉壁开始愈粘愈厚，最后还原铁完全漏不下去，而不得不停炉清空。

②仍需块状含铁原料。

③离不开小块焦，对煤的要求严格。

④燃料比高，比高炉流程高出近一倍(500kg/t铁水)。

韩国浦项公司在建成投产一座COREX C-2000装置后，为解决前述问题，创造性的采取一系列改进措施，用多级流态化床反应器代替还原竖炉，既解决竖炉粘结问题，又可不使用块状含铁原料，并采取了减少燃料消耗措施，形成了Finex流程。

南非Saldanha厂利用COREX炉气作为直接还原铁竖炉还原剂，形成COREX/DR流程。COREX/DR流程由一座COREX C-2000，一座Midrex-800、120t CONARC转电炉、ISP薄板坯连铸连轧生产线等组成，设计年产能力80万tDRI，65万t铁水和125万t热轧板。扣除COREX 输出煤气能源收益后，吨铁水消耗标煤为550kg，一吨煤可生成一吨铁水和一吨DRI，大大改善了COREX装置煤耗高的状况。

5 Hismelt炼铁工艺

在两级中间试验基础上，在西澳大利亚奎纳纳建成了第一座年产能力80万t的Hismelt工厂。该工厂由澳大利亚力拓公司(持股60%)、美国纽柯公司(持股25%)、日本三菱(持股10%)和中国首钢(持股5%)合资建设。其工艺特征是:向熔池内直接喷吹铁矿粉和煤粉(非焦煤)形成熔炼炉下部的熔炼和上部鼓入富氧热风形成的二次燃烧，喷入的煤粉经加热脱除挥发份后，溶入铁水，使铁水

中的碳质量分数维持在4%左右，喷入的矿粉与富碳铁水接触后进行熔炼，熔炉下部保持低氧位促使还原进行。通过动力学平衡使渣中FeO质量分数维持在5%～6%。通过大量的液态渣铁在上下两区的喷溅起落将上部热量传入下部熔池。

Hismelt工艺的特点是:

①可以全部使用粉状铁矿和非焦煤粉，不需建烧结、球团、焦化等设施。投资少，成本低，对环境污染少。

②具有脱磷能力，可使用高磷铁矿粉。

奎纳纳厂于2005年4月建成，并开始热试。第一次热试未取得理想效果，铁水在前炉冻结。这次事故源自汽化冷却烟道上的蒸汽系统故障，此问题解决后，可以稳定运行，但作业率不高，其原因是:

①铁矿预热器内衬耐材存在问题，经更换后，作业率从2006年的50%以下提高到2008年的90%以上。

②蒸汽系统是由工艺过程产生的蒸汽供应，通过对控制系统改进和变更操作，作业率从2006年的70%以下提高到2008年的90%以上。

③废气脱硫装置规模小，除雾能力不足。

④操作经验不足，炉衬寿命低。

经过三年的摸索改进，到2008年底，小时产量已稳步增长到75t～80t的水平(设计能力为100t/h)。煤耗在向达到700kg/t目标前进。

由于金融危机，2009年开始停产维护，现已制订新的复产计划，其目标是将作业率提高并稳定在较高水平。

6几点意见

①高炉炼铁工艺已有百余年历史，经过多次改进，已是高度成熟的生产流程。而熔融还原炼铁从第一座商业化工厂出现至今仅约20年，因此不能因为目前存在若干问题而加以忽视。由于其具有不用焦煤、不需铁矿造块、环保性能优越等方面的优势，因此应该持积极认真、实事求是的态度努力进行研究开发和技术改进工作，使熔融还原炼铁流程日趋成熟，逐步大型化，使炼铁生产出现革命性变化。

②在前述四种开始进行商业化生产的非高炉炼铁工艺中，采用粉矿和非焦粉煤的三种工艺更具有吸引力，这三种中以Finex工艺最为成熟，已有商业化生产装置连续生产，并已达到设计生产能力，只是已投入生产的150万t/a Finex装置只相当于1000m3～2000m3级高炉的生产能力，在大型化等方面还需进一步开发。

③Hismelt炼铁工艺的80万t/a工厂已建成并投产多年，虽目前持续生产还存在不少问题，但具有进一步发展的技术潜力，待今后恢复生产后，会取得经验继续进行开发工作。

④ITmk3工艺是通过将铁矿粉和煤粉制成球团后进行的。我国曾长期进行过碳化球团炼铁的研发工作，虽然还没有取得成功，但也积累了不少经验教训，建议密切关注美国50万t/a ITmk3厂的进展，吸收其经验继续在我国进行研发工作。

⑤关于COREX工艺，我国已有宝钢C-3000装置在进行生产，取得了宝贵的经验教训。除对现有装置中进行技术改进，如改进原料结构及还原竖炉温度制度以延长竖炉寿命、研发用煤压块减少焦炭使用数量等措施外，浦项公司在COREX工艺基础上创新出Finex工艺的精神值得学习，以我们自己的聪明才智开发出新的工艺，也应成为我们努力的目标。

此外，在建设第二套COREX C-3000装置时建议采用COREC/DR流程，同时建设Midrex装置，以充分利用COREX炉优质煤气，减少燃料消耗，并考虑建设CONARC转电炉。一旦COREX 装置检修时，可采用直接还原铁和废钢进行生产，如果采用转炉，COREX装置检修时，全厂就要停产。