非焦煤煉鐵工藝及裝備的未來(1)——熔融還原工藝及裝備的前景研究(下)

郭漢杰 李 林

(1:北京科技大學冶金與生態工程學院 北京100083;2:北京市重點實驗室高端金屬材料特種熔煉與制備中心 北京100083)

1 HIsmelt工藝和裝備發展及展望

1)HIsmelt煤基熔融還原煉鐵技術，是20世紀80年代初由德國Klockner公司和澳大利亞CRA公司合作開發的熔融還原法，后來一直由澳大利亞CRA公司和美國Midrex公司共同組建的HIsmelt公司繼續研發。

2)將該技術單獨討論目有:

(1)這可能是迄今為止人類在針對煤基直接還原鐵技術投入最大，但還沒有取得完全成功的案例。據悉，自1982年該項目啟動到2008年在澳大利亞Kwinana合營廠停止運行，該項目共花費10億美元之多，雖然前景尚不明朗，但其行為是非常悲壯和值得尊重的。

(2)歷時26年、花費巨資換來的不僅僅是停業，必須要看到實驗者在探尋煤基直接還原規律的過程中所經歷的挫折，由此換來的寶貴實踐經驗。這個革命性工藝的偉大意義在于冶煉高磷礦的同時得到無硅錳、低磷、相對高溫的鐵水，而這樣的鐵水在用于后續煉鋼流程時，可以把目前雙轉爐改為單轉爐而不影響煉鋼功能，不僅投資大幅縮減，而且使煉鋼流程大大縮短，從而大幅降低煉鋼成本。這不僅僅是用10億美元的實驗結果供后續研究者吸取，其先驅者所奉獻的意義已經遠遠超過其經濟代價。

3)目前首先受益的是歐洲ULCOS計劃中HIsarna技術的開發，這是建立在HIsmelt花費10億美元的基礎上換來的，也踩在了巨人的肩膀上，若ULCOS計劃成功，將不僅是HIsmelt生命力的延續，更真正體現人類集體智慧的成功。

所以有必要把HIsmelt到目前所取得成就和暫時的失敗教訓同時展現出來，供同行參考借鑒。

4)HIsmelt工藝屬于一步法熔融還原技術。由初期臥式鐵浴爐發展為豎式熔融還原爐SRV(Smelting reduction vessel)。結合高爐煉鐵和現代氧氣轉爐煉鋼技術，用少量N2將粉狀熔劑和非焦煤粉在SRV中下部直接噴入鐵浴池內;由于熔池內溶解碳在高溫下快速將氧化鐵還原成Fe;鐵浴內還原所需的熱量，由1200℃的富氧35%的熱風帶入的物理熱和其與CO二次燃燒產生的化學熱，通過三種途徑進入鐵浴:噴嘴的氣流運動與熔融渣鐵的對流傳熱;高溫煙氣熱輻射傳熱;由于氣流沖擊濺起的熔融反應物吸收熱量后落下并帶入鐵浴與熔融系統。這些熱量供給礦粉熔化、還原和造渣過程所需。

鐵礦石進入SRV前，首先通過流化床，吸收SRV出逸的尚有少量還原性的高溫煤氣，預加熱、預還原后，最后得以達到冶煉液態鐵水的目的［1］。

5)與目前較成熟熔融還原技術相比，Corex法更多依靠間接還原工藝，保留高爐煉鐵工藝特點;Finex技術把Corex預還原豎爐變成多級流化床反應器，并對還原氣進行改良，可完全使用粉礦;這兩種熔融還原工藝可以說是對高爐的改良，Finex 改良更深［2，3］。而 HIsmelt雖然利用高爐熱風爐的概念和裝備，但原理則完全擺脫高爐煉鐵工藝概念，把還原和供熱分開，是煉鐵技術的革命，可有效解決困擾高爐工藝的料柱透氣性問題，是真正意義的熔融還原［3－7］。

2 HIsmelt主體設備和工藝

2.1 HIsmelt主體設備

HIsmelt主體設備和工藝形成的核心是熔融還原爐(SRV)，結構見圖1。其主要組成和功能如下:

1)主體設備外殼由上部水冷爐殼和下部砌筑耐材的爐缸組成;

2)用下傾斜式水冷噴槍將煤和部分礦粉高速噴入熔池，噴入的煤粉經加熱、脫除揮發份后熔入鐵水，使鐵水中碳質量分數維持在約4%。噴入的礦粉與富碳鐵水接觸后還原熔煉;SRV下部保持低氧位促使還原進行，通過動力學平衡使渣中FeO質量分數維持在5% ～6%［8］。

圖1 HIsmelt熔融還原爐(SRV)

3)由頂部噴槍鼓入1200℃富氧熱風(氧總體積分數35%)與熔池上部煤氣(主要成分CO)混合在上部氧化區燃燒，煤氣二次燃燒率為50%～60%［9，10］，維持爐內熱平衡所需熱量。燃燒反應熱風噴槍說明見圖2。

圖2 熱風噴槍

這一部分是HIsmelt工藝核心。首先它保持上下部氧勢梯度的同時，實現上部氧化區到下部還原區的熱傳遞;其次在SRV中，大量液態渣鐵在上下兩區間噴濺起落將上部熱量傳入下部熔池。液滴載熱除有一定比例導入冷卻壁和水冷噴槍外，剩余全部用于熔煉。

4)水冷渣口周期出渣且通過前爐連續出鐵。出鐵前置爐的設置是一項關鍵安全技術，它可使SRV熔池液面受控，以保證熔池液面和水冷噴槍間留有合適安全距離。

2.2 HIsmelt工藝流程

HIsmelt工藝由原料場、粒煤噴吹、礦粉加熱預還原、礦粉噴吹、熱風爐、熔融還原爐(SRV)、出鐵場、干渣坑、鑄鐵機、汽化冷卻、煤氣清洗 、余熱回收、煙氣脫硫、制氧站、鼓風機站、水處理等系統組成。HIsmelt的工藝流程見圖3。

圖3 HIsmelt熔融還原煉鐵工藝流程

1)下面對其工藝流程進行詳細描述:

(1)燃料系統:約6mm非焦煤粉(含水8% ～12%)通過錘式破碎機破碎到3mm，經干燥后(含水2%)儲存在干煤倉內，進入加料罐內，再通過噴吹罐系統用N2噴入熔融還原爐。

(2)礦粉和熔劑加入系統:礦粉和熔劑由料場以一定配比輸送入礦石干燥器中，采用換熱器將礦粉和熔劑加熱至600℃ ～800℃。隨后礦石通過熱礦斗提升機被送至熱礦加料系統，通過螺旋給料機送至熱礦噴槍，將約650℃的原料和熔劑通過水冷噴槍以N2作輸送介質送入熔融還原爐熔池。

(3)熱風及二次燃燒系統:空氣經熱風爐(幾乎與高爐熱風系統一樣，熱風爐燒爐以工藝產生的煤氣作燃料，如需要可以富化煤氣)加熱至1200℃。同時為提高產量，對冷風進行富氧(30%～40%)。富氧35%的1200℃熱風由還原爐頂部送入與熔池內含有CO的氣體二次燃燒。二次燃燒的熱能通過對流、輻射及爐渣噴濺產生的渣鐵混合物熱交換給熔池提供熱量。

(4)出鐵、出渣系統:最后還原完成，由SRV設渣口和鐵口各1個，出鐵、出渣。鐵水通過外置出鐵前置爐以1450℃ ～1500℃連續排出，鐵水隨后送至脫硫站進行脫硫，采用鑄鐵機鑄鐵塊。爐渣每隔2～3h通過渣口定期排出，出渣溫度為1450℃ ～1500℃。

2)HIsmelt設5個噴槍:一根水冷熱風噴槍，噴煤槍和噴礦槍各2根。

3)爐體設備:SRV內徑為6m，本體高約12m，爐內壓力為0.08～0.1MPa，從上至下分為3個區，見圖4。

(1)上部空間區:反應氣體與煤揮發分裂解產生的氣體在熔池上方與富氧熱風發生二次燃燒反應;

(2)過渡區:熱量從上部空間區返回熔池區，維持還原反應，爐渣噴濺對水冷管進行保護;

(3)熔池區:金屬熔池中的熔解C(也有未溶解的，但與熔融的渣混合在一起的)與礦石接觸發生反應，生成鐵和CO氣體。煤中的C熔解，替代還原反應中消耗的C。煤中揮發分汽化，煤中灰分和礦石中的脈石形成爐渣。

4)煤氣通過熔融還原爐氣化煙罩從1450℃降至1000℃。熔融還原爐產生的煤氣在汽化煙道內進行冷卻，然后通過煤氣洗滌，最后供給鍋爐和熱風爐進行燃燒。鍋爐燃燒產生的廢氣在排放前，要在常規煙氣脫硫站脫除SO2。鍋爐產生的蒸汽用于驅動蒸汽透平機，帶動鼓風機、制氧廠空壓機和發電廠。發電廠可為全廠提供所需電能，另有5%富裕電量送到當地電網。

圖4 SRV內各區域反應說明

2.3 HIsmelt工藝的特點及意義

1)概括起來，HIsmelt熔融還原工藝具有如下特點:

(1)原料來源廣泛，可全部使用粒度低于6mm的粉礦、粉煤，包括無法通過燒結廠回收的廢棄物，物料中C、CaO和MgO能夠利用;對燃料煤要求較寬松，可大幅減少鋼鐵生產過程資源消耗［11，12］。

(2)由于HIsmelt的SRV產生強氧化性爐渣，有較好脫磷效果，鐵水中幾乎不含硅，非常適合冶煉高磷礦，這是區別于其他煉鐵工藝的主要特點。

(3)直接使用非焦煤粉和鐵礦粉，取消燒結與造塊工藝，原料成本大幅下降。鋼鐵工業主要污染物和有害氣體主要來源于燒結和焦化工藝，因此，HIsmelt工藝可大幅降低環境污染［13，14］。

(4)由于強氧化性氣氛，產出鐵水含磷低、碳低、硫高、硅錳含量為零，若直接供給傳統煉鋼流程使用需要實驗確定，主要是沒有硅錳的氧化，煉鋼的熱量夠不夠，需要根據與其配套的裝備進行評估。如果不夠，可在爐外脫硫時添加錳鐵、硅鐵合金或與高爐鐵水兌配，可達到煉鋼鐵水要求［15，16］。

(5)設備占地面積小，操作靈活，反應過程啟閉簡便，使得煉鐵和煉鋼作業能有效銜接，而不必限產鐵水。

(6)由于粉礦預還原度低，爐渣含FeO高，爐襯腐蝕快，一代爐齡僅12～18個月［17］。

(7)由于HIsmelt熔融還原為低壓操作，大量高溫含塵煤氣熱能難以回收利用，目前噸鐵能耗較高，因此高溫低熱值尾氣利用是該工藝有待解決的問題［18，19］。

(8)鐵浴中碳回收率高;二次燃燒率高;熔池攪拌強烈，利于加快還原反應;鐵液成分及溫度可以快速均勻化。

(9)使用高速噴槍噴吹固態物料，意味熔池對物料捕集率很高，以致超細粉可直接使用。

(10)煤是磨細噴入的，其特性不取決于煤粒形態。這些操作特點可使HIsmelt工藝使用高爐很難甚至不能使用的低品位原料［20］。

表1 不同工藝鐵水化學成分比較表

2)基于HIsmelt工藝特點，其產品具有一定的特點，表1列出高爐、HIsmelt及Corex工藝生產鐵水化學成分的對比。可以看出，通過對不同工藝生產鐵水的化學成分進行比較發現，經HIsmelt工藝生產的鐵水主要有以下3個特點:

(1)硅含量幾乎為零:鋼廠可利用HIsmelt生產的鐵水不含硅這一特點進行低硅鐵水操作，可減少煉鋼的造渣量，并降低造渣劑消耗量，這是一項革命性成果。但同時需要煉鋼工藝配合，比如煉鋼熱能是否夠用等問題。事實上，人們一直追求提高氧氣轉爐生產率，對高爐鐵水進行脫硅處理。

(2)磷含量低:HIsmelt工藝中，即使使用高磷鐵礦粉(磷含量0.12%)進行生產，鐵水中磷含量也很低。這主要是由于在相對較低的還原性氣氛下，鐵礦中的磷大部分被氧化轉變成爐渣，使鐵水中磷含量低于0.04%。與此形成鮮明對比的是，高爐和Corex工藝中，鐵礦石中的磷均完全進入到鐵水中，給后續煉鋼生產帶來脫磷的麻煩。因此，高磷礦一般不適用于高爐和Corex工藝。

(3)硫含量較高:HIsmelt工藝生產鐵水的硫含量高于高爐和Corex工藝，這主要是由于其降低還原性引起的。但現有成熟鐵水脫硫技術能有效處理HIsmelt工藝生產的鐵水中的硫，且不會產生多余費用。

3)由HIsmelt工藝特點，可以看出其對目前現有鋼鐵企業而言，具有更加靈活、方便的應用，由此產生兩個方面的意義:

(1)對聯合鋼鐵企業的意義

在HIsmelt工藝技術的開發階段，該工藝與傳統高爐流程可同時共存，且形成良好的互補關系。高爐冶煉存在問題的高磷鐵礦、釩鈦磁鐵礦、工業固體廢棄物等都可以作為HIsmelt原料。兩種冶煉流程若同時共存，不僅可大幅減輕高爐流程冶煉的巨大負荷，而且充分利用現有資源，實現資源綜合利用。中國可以借助原料方面的低成本優勢，實現利潤盡可能最大化，從而打造企業核心競爭力。聯合鋼廠的HIsmelt工藝在設備上可以利用在用公輔設施，大幅節約投資［21－23］。

(2)對短流程煉鋼的意義

電爐煉鋼的爐料中可添加30%～50%鐵水。HIsmelt工藝生產的鐵水可作為生鐵、直接還原鐵和高品位廢鋼的優質替代品，在爐料中具有極高的使用價值［24］。由于不用脫硅、脫磷，對于雙轉爐系統煉鋼，可以節省一個轉爐直接脫碳。它可提高生產率、縮短冶煉周期、減少噸鋼能耗;降低成品鋼殘余夾雜含量，產品質量更加穩定;減少造渣劑消耗及噸鋼耐材消耗。HIsmelt簡易的開停爐、停產等特點對于電爐煉鋼至關重要。HIsmelt可以使煉鐵及煉鋼工序有效結合，無需為保存和處理多余鐵水額外建設配套設施［25，26］。

3 HIsmelt工藝冶煉高磷礦原理

1)近年中國鋼鐵行業發展迅猛，已然成為世界鋼鐵大國，但由于國內鐵礦石儲量少，且大部分為品位低、含磷高、難于用高爐冶煉的礦石。所以，中國每年超過50%的礦石依賴從巴西、澳大利亞、南非等國進口，原料受制于人，因此進口礦價格波動大，很長一段時間曾大幅攀升［27，28］。為平抑進口鐵礦價格和降低成本，國內鋼企已紛紛尋求國內鐵礦資源。國內高磷鐵礦資源超過50億t，占中國鐵礦資源總量約10%，因其難選難煉的特點，一直作為“呆礦”未得到開發利用。HIsmelt工藝最大特點是可以處理高爐難以使用的高磷鐵礦。在進口礦價格波動大的前提下，大規模開發利用國內高磷鐵礦的時機已經成熟［29，30］。

2)HIsmelt工藝產出鐵水之所以不含硅、錳，含磷低，與SRV中爐氣組成、富氧量、CO/CO2相對較低，熔池溫度(T)、爐渣組成(如氧化性、堿度等)有很大關系。根據熱力學中提高脫磷效率的“三高一低”原則，幾乎都滿足HIsmelt工藝為達到良好脫磷效果的條件。其熔池溫度偏低，渣中FeO含量較高，堿度較高，攪拌性非常好。即SRV中同時兼有高爐還原鐵氧化物和轉爐氧化脫Si、脫P的條件，其熱力學條件恰好介于高爐的還原后期和轉爐冶煉的氧化反應的前期。鐵液中P含量少，主要由于原料中的硅還沒有還原，就還原順序上，還沒有輪到磷的還原，所以磷的氧化物基本未被還原。少量還原可以用P在渣—鐵兩相間的平衡，可用磷分配比(Lp)指標進行分析，該指標是對爐渣脫磷能力評估的一個量化指標。而衡量一個渣系脫P能力的另一指標是磷酸鹽容量(Cp0－)，可與其相互換算。在高磷鐵礦石熔融還原過程中，鐵浴—熔渣—氣氛間主要發生以下反應，見式(1)至式(6)。

磷酸鹽容量定義如式(7)所示:

式中 K1～K6—反應式(1)到(6)的平衡常數;(%)—溶解于渣中質量百分濃度;

PP2—與熔鐵中的磷達到平衡時的磷蒸氣分壓;

PO2—渣鐵界面上的氧分壓;

α—將磷酸根的濃度單位由摩爾分數到質量百分數的轉換系數;

aO2-—渣中氧離子活度;

由式(7)知，磷酸鹽容量與渣中氧離子活度和磷酸根活度系數有關，取決于渣的成分。磷容量同時還是溫度的函數。

通過一系列推導，得到兩個磷分配比關系式(8)與式(9)

式中 α、β、δ—轉換系數。

經分析發現，當熔池溫度一定、鐵液成分穩定時，磷分配比僅與爐渣中氧離子活度a3/2O2－(實際上就是堿性氧化物CaO等有關的活度)、爐渣中磷酸鹽的活度系數－和氣氛中CO/CO2分壓比有關。因此，爐渣脫磷能力只看這3個參數就足夠，它們是試驗研究HIsmelt工藝冶煉高磷鐵礦并制定相關工藝制度的理論基礎。

以上是在SRV中影響脫磷的所有反應，實際上這些反應可以綜合起來，形成三個主要反應式，如(10)是其中一個，其他兩個是(3)和(4)。

由等溫方程式ΔrG?=－RTInK?可以計算得，不同溫度下平衡常數和氧分壓分別為0.21、0.31、0.41、0.51 的情況下 CO2/CO 分壓的比值，如表2所示。

3)研究時只要清楚這3個反應就可以，它們承擔了SRV中所有的功能:

(1)反應式(3)的功能是在SRV上部的二次燃燒，其效率的高低完全可以用這個反應描述。決定因素有3個:溫度、O2分壓和CO2/CO分壓的比值。

表2 熱力學計算的CO二次燃燒反應的平衡常數、不同氧分壓下的CO2/CO

從計算結果看出，隨溫度增加，反應式(3)的平衡常數逐漸減小，況且減小幅度呈指數關系減小，其梯度非常之大。說明溫度對二次燃燒的影響非常大。特別當溫度到達1800℃時，二次燃燒效率很低，用空氣(氧分壓為0.21)作為氧化劑時得到的CO2/CO為4.42，說明有近20%的CO不能被燃燒。而隨氧分壓增加，這種情況有所改善，但SRV中的燃燒溫度并不能控制。因為隨二次燃燒進行，反應所放出熱量迅速增加，吹氧管口局部溫度迅速提高，有可能高于1800℃，所以在高溫下，即使增加氧分壓，核心區域的二次燃燒效率也會受到迅速升高的溫度影響而降低。

(2)反應式(10)描述的是脫磷的本質。其實這個反應也可改寫為分子式，更能說明問題，其形式為式(11)

2［P］+5［O］+3(CaO)=(3CaO·P2O5)(11)

式(11)可以看出，(CaO)相當于式(10)中的O2－，而(3CaO·P2O5)則相當于PO3－4，這是爐渣分子理論和離子理論之間的區別與聯系，二者沒有本質區別，如果理解了也只是表達方法不同而已。關于P2O5與CaO結合到底是形成3CaO·P2O5還是形成4CaO·P2O5?理論界是有分歧的，有人認為應該形成4CaO·P2O5，但4CaO·P2O5在相圖上是不穩定化合物，而3CaO·P2O5是穩定化合物，從這點來說，應該形成3CaO·P2O5。綜合以上分析，式(11)其實也可寫成:

該反應的標準自由能計算如下:

式(13)+(14)+5(15)得(12)的標準自由能為:

由式(16)和(17)得到:

4)從熱力學而言，對于這個反應的影響即所謂的“三高一低”:

(1)高氧化性。體現渣中需要高FeO，因為鐵液中磷含量與渣中FeO活度的2.5次方成反比。從另一方面，渣中高FeO，即是鐵液中高的溶解氧，而溶解氧受爐渣中(FeO)影響，也僅是反應式(4)的逆反應

其平衡常數也就是氧在鐵液和爐渣間分配比:

爐渣中FeO活度越大，必然使溶解在鐵液中的氧的濃度就越大，脫磷能力越強。

(2)高堿度。從式(18)看出，鐵液中磷含量與渣中CaO活度的1.5次方成反比，非常明確說明，冶煉過程中加入石灰的關鍵作用。注意這個CaO是自由(或過剩)的，其與渣中酸性氧化物的關系式為:

(3)高的渣流動性。這是動力學方面需要的條件，因為脫磷是渣—鋼反應，需要渣內部的CaO、FeO和鐵液內部的P都能及時地擴散到渣鐵界面，才能使反應進行。

(4)在維持渣為液態的情況下，盡量使溫度降低。溫度與平衡常數的關系如表3的計算。從表3可以看出，脫磷反應平衡常數隨溫度增加呈指數關系遞減，況且遞減幅度非常大。1200℃時，K為11次方，到1300℃即遞減為9次方，而到1500℃為6次方。從另一方面來說，式(18)可以分為兩個部分:

表3 脫磷反應溫度與平衡常數的關系

所以，不管用何種方式討論，溫度項對鐵液中磷含量的影響都是非常顯著的。如果給出渣的成分，就可以利用分子理論計算得出鐵液中磷含量的確切值。

4 HIsmelt工藝存在問題

HIsmelt工藝最近的發展歷程大致是這樣的。2003年由澳大利亞力拓、中國首鋼(5%股份)等四家建立合營公司在澳大利亞Kwinana進行工業實驗;2004年9月進行設備調試;2005年6月前進行了三次熱試車;2006年9月至2008年12月進行了20余次試生產;2008年12月18日合營廠停止運營;2010年宣布關閉合營廠。

Kwinana合營廠在三年多的時間歷經20余次開停爐試生產熱試車，其生產操作水平和設備能力有了較大的改善，平均產量已經從開始時的692t/天逐漸提高到1834t/天，設備作業率也由42%提高到86%，有較大幅度的提高;但試生產的總體結果還只是低水平運轉，歷時1179天僅生產了563天，平均作業率為47.8%，僅有7次的開停爐時間達到了40天以上，其中最長一次為2006年3月底至6月初，為期68天;煤粉消耗指標日最好值為810kg/t鐵水，月平均值1t/t鐵水，與設計指標700kg/t鐵水相比還有較大的差距。

但無論如何，HIsmelt工藝從誕生到現在，歷經20余年的研究，能走到今天，已經說明其旺盛的生命力。雖然目前已經部分融入了歐洲的ULCOS計劃，其最后運行結果值得期待，但科技成果不管成功與否，都已經成為人類共同的財富。有必要把這個技術的運行問題進行總結，以便后續研究者吸取其成功的經驗，避免已經走過的彎路。

4.1 HIsmelt工藝方面缺陷

就工藝本身而言，HIsmelt有以下缺陷，有些是先天不能克服的，有些在未來長期運行中是可以逐漸克服的。概括起來，有以下幾點:

1)HIsmelt工藝不能脫硫

HIsmelt實驗廠對澳大利亞西部高磷鐵礦的冶煉試驗證實能夠將礦石中大部分磷脫除到爐渣中。鐵水中［C］為4% ±0.2%，［Si］幾乎沒有，［Mn］為0.1%，［P］為 0.1% ±0.03%，但［S］很高，為0.2% ±0.08%，在用于煉鋼前需脫硫，溫度1480±15℃。

脫磷和脫硫在鋼鐵冶煉過程永遠是一對矛盾。

通過實踐總結發現，HIsmelt工藝由于有超強的脫磷能力，所以幾乎沒有脫硫能力。HIsmelt試驗時盡管使用國外低硫鐵礦和低硫煤炭，冶煉出的鐵水中硫含量也曾高達0.28%。而中國高爐原燃料硫含量一般比國外高得多［33］。為保證冶煉穩定性、生產高效性，現代轉爐煉鋼對鐵水成分已高度標準化，國標規定特類鐵的S低于0.02%，三類鐵的S也僅放寬到0.05% ～0.07%。所以，用HIsmelt工藝和中國原燃料進行冶煉，只能得到硫超標的號外鐵，后續必須配置預處理脫硫才能裝入轉爐進行冶煉。好在目前的鐵水預處理工藝(噴吹法或KR法)非常成熟，況且噸鐵的脫硫成本都可以控制在20元人民幣以內。所以只要在鐵的冶煉過程把磷、硅控制住，即使產出高硫鐵水，也不必有太多的擔心。

2)熱傳遞效率低

HIsmelt熔融還原工藝的傳熱主要靠液滴的噴濺、回落帶回熱量來實現，其設計的二次燃燒傳熱效率為75% ～85%，本身就比超過90%傳熱效率的固定床要差。但二次燃燒率高于高爐和流化床，說明可能HIsmelt渣層對高溫氣相的對流與輻射傳熱的熱量傳遞有一定的阻礙作用，導致總體熱傳遞效率過低，必然導致煤耗過高。這個問題需要從傳熱機理上進行研究［34，35］。

3)渣中FeO高，影響鐵的回收率

HIsmelt工藝通過各2只噴槍從側面向鐵浴溶池中噴入礦粉和煤粉，還原反應發生在熔渣內，如果反應溫度低的話，渣中必然含有大量的FeO和固體Fe粒，導致部分被還原的Fe可能會隨渣進入上部區域，或者出渣時流失或者被二次氧化，還會造成渣量大，渣中FeO高，運行期間渣量曾達到460kg/t。據統計，進入渣中的有約5.0%的粒鐵和約5.0%的FeO。

實際上，傳熱效率問題和渣中含鐵高是一個問題，傳熱問題解決了，渣的溫度問題就解決了，鐵的回收問題自然就解決了。因為煤的總消耗不低，說明還原劑時是足夠的。也許未來設備長期運行，工藝穩定了，這個問題也可能不是問題。

4.2 運行過程的設備問題

合營廠在三年多的時間里，經歷了熱試車過程的20余次開停爐的試生產，其生產過程中工藝和設備問題基本上都暴露出來了，這可為未來研究提供寶貴的數據。

1)流化床預熱器的問題

Kwinana合營廠的流化床預熱器是由奧托昆普(Outokumpu)設計制造的，其知識產權屬于該公司獨有。流化床在合營廠三年多的試運行期間，主要出現以下幾個問題:供料量達不到設計要求，冷礦供料量最高達到160t/h，但最長供料時間僅有33h，熱礦供料量最高達到120t/h，與設計值180t/h還有較大差距;預熱器始終未能與SRV連接，未達到使用SRV煤氣聯合生產的程度，導致鐵礦粉進入SRV之前未被預熱和預還原，增加了煤耗。2008年5月曾進行連接，但由于SRV生產不正常，未進行試驗;磨損嚴重，2006～2007年多次試運行均出現耐火材料剝落。

2)余熱鍋爐問題

余熱鍋爐問題主要是蒸汽壓力和溫度不穩定，這是由于生產不穩定導致還原煤氣熱值低(約2100kJ)、波動大，造成火焰不穩定。由于Kwinana合營廠處于相對獨立的現場條件，需依賴生產工藝正常運行，產生穩定條件的煤氣供給余熱鍋爐，然后產生穩定的蒸汽驅動透平機，再去推動壓縮機。鍋爐出現問題，會造成整個循環鏈斷裂，全廠停產。幾年來，合營廠整個蒸氣系統就一直沒有正常運行過，而低熱值的煤氣量、熱值不穩定，還導致低溫段形成水分凝結而腐蝕、破損，產生泄漏，被迫停止試生產。

3)爐缸耐火材料問題

由于爐渣中FeO含量高，在噴吹過程強烈的攪動下導致爐缸受爐渣反復沖刷，渣線部位的耐火材料浸蝕、破損嚴重。2006年3月份檢修更換爐襯，到6月7日停爐后，就發現爐缸耐火材料浸蝕已經相當嚴重，約有一半的磚襯被渣鐵侵蝕掉。合營廠運行三年多期間，四次更換爐缸內襯，每次更換都需要停爐一個半月左右的時間。到2008年5月，在渣線部位安裝了24塊銅冷卻壁，以提高爐襯耐火材料的壽命，獲得了較好的效果，但2008年12月合營廠停止生產，這么短的運行時間，無法驗證其效果。

4)出鐵工藝及渣鐵排放

HIsmelt采用虹吸連續出鐵，其不足是鐵水的流速低(1.5t/min)、溫降大。況且僅設計了一個虹吸出鐵口，在出現問題時，只能停產。出渣口部位多次出現漏水和滲水事故，經常損壞，壽命較短，多次進行更換，對試生產也產生了較大的影響。

5)熱風噴槍

Kwinana廠的熱風噴槍為一只豎直噴槍，噴槍爐內高度為15m，外徑為1.46m，一端設計旋流葉片，目的在于使得熱風對熔池能有較大的覆蓋面積。熱風噴槍槍體的工藝參數與二次燃燒率和傳熱效率有關。要使二次燃燒完全覆蓋SRV熔池表面，運行過程經過了非常艱苦的探索，主要遇到的問題是:對噴吹參數沒有完全摸清，致使多次燒損。出現的泡沫渣也曾將熱風噴槍出口堵死，導致生產停止;在實驗廠相對獨立的地方加工制造不方便，檢修、更換時間長，也影響了生產的正常進行。合營廠還因熱風噴槍漏水、粘結、渦旋葉片損壞、多次更換熱風噴槍。但相信，隨著生產的穩定，會逐漸得到準確的熱風噴槍位置和參數。

5 結論

1)HIsmelt工藝就其理念來說，是一個革命性的技術，因為其處理高磷礦所產生的鐵水磷含量很低，況且鐵水無硅、錳，若用于目前煉鋼普遍使用的雙轉爐流程，可以省去一個轉爐的意義不言而喻。

2)HIsmelt工藝的二次燃燒傳熱效率低的問題始終沒有徹底解決，若穩定運行后該問題沒有顯現，則該流程是最有可能取代高爐的。

3)鑒于中國資源以及能源現狀，HIsmelt工藝的引進工作一定要目標明確、科學規劃。HIsmelt工藝有其特有優勢，同時具有難于克服的局限性。若能解決好澳洲示范廠出現的一系列問題，HIsmelt工藝在中國將是可行的。

［1］N.S.Huramen.Steel Industry for Environmentally Sound and Sustainable Development［C］.International Symposium on Global Environment and Steel Industry Proceedings.Beijing，2003:50 －55.

［2］李振洪，張海濤.也談熔融還原煉鐵技術［J］.山東冶金.2009，Vol.31(4):5 －8.

［3］C.Pawlik，S.Schustre.Reduction of Iron Ore Fines with CO－rich Gases under Pressurized Fluidized Bed Conditions［J］.ISIJ International，2007，Vol.47(2):217－225.

［4］T.Harada，H.Tanaka.Future Steelmaking Model by Direct Reduction Technologies［J］. ISIJ International，2011，Vol.51(8):1301 －1307.

［5］唐恩，臧中海，喻道明，等.HIsmelt熔融還原煉鐵技術的新進展［J］.煉鐵，2010，Vol.29(2):60 －62.

［6］周渝生，錢暉，張友平，等.非高爐煉鐵技術的發展方向和策略［J］.世界鋼鐵，2009(1):1－8.

［7］胡俊鴿.熔融還原工藝發展現狀與評析［J］.冶金信息導刊，2004(3):17－20.

［8］張家蕓.冶金物理化學［M］.北京:冶金工業出版社，2011:132－134.

［9］張殿偉，郭培民，趙沛.低溫下碳氣化反應的動力學研究［J］.鋼鐵，2007，Vol.42(6):6 －10.

［10］楊紹利，盛繼孚.鈦鐵礦熔煉鈦渣與生鐵技術［M］.北京:冶金工業出版社，2006.

［11］張壽榮.21世紀的鋼鐵工業及對我國鋼鐵工業的挑戰［J］.天津理工學院學報，2000，Vol.16(3):14 －24.

［12］楊婷.世界鋼鐵工業格局的演變［J］.冶金信息導刊，2007(5):56－58.

［13］李維國，錢暉，周渝生，等.熔融還原技術方案探討［J］.世界鋼鐵，2005(1):13 －15.

［14］方覺，郝素菊，李振國，等.非高爐煉鐵工藝與理論［M］.北京:冶金工業出版社，2003.

［15］Weikao L.An analysis of fundamental of alternative ironmaking processes［C］.the 4th International conference of iron making science and technology，Osaka，Japan，Nov.26，2006.

［16］Chatterjee Amit and RAJ Manish.Present and future of direct reduction in India and the rest of the world［J］.Ironmaking and steelmaking.2010(37):482 －487.

［17］Ben ZHANG，Xuzhong GU，and Zhancheng GUO.Relation between Stickingand Metallic Iron Precipitation on the Surface of Fe2O3Particles Reduced by CO in theFluidized Bed ［J］.ISIJ International，2011，Vol.51(9):1403－1409.

［18］張殿偉，郭培民，趙沛.現代煉鐵技術進展［J］.鋼鐵釩鈦，2006，Vol.27(2):29 －30.

［19］李林，彭劼，郭漢杰，等.鈦磁鐵礦預還原后渣鐵熔融分離影響因素試驗研究［J］.礦冶工程，2014，Vol.34:378－380.

［20］胡俊鴿，吳美慶，毛艷麗.直接還原煉鐵技術的最新發展［J］.鋼鐵研究，2006，Vol.34(2):53 －54.

［21］郭培民，趙沛，龐建明，等.熔融還原煉鐵技術分析［J］.鋼鐵釩鈦，2009，Vol.30(3):2 －4.

［22］沙永志，滕飛，曹軍.我國煉鐵工藝技術的進步［J］.煉鐵，2012，Vol.31(2):11.

［23］龐建明，郭培民，趙沛.煤基直接還原煉鐵技術分析［J］.鞍鋼技術，2011(3):3 －6.

［24］王維興，宋淑琴.直接還原鐵技術現狀［J］.冶金管理，2006(8):47－49.

［25］邱冠周，姜濤，徐經滄，等.冷固結球團直接還原［M］.長沙:中南大學出版社，2001.

［26］孫泰鵬.非高爐煉鐵工藝的發展及評述［J］.沈陽工程學院學報(自然科學版)，2007，Vol.3(1):90 －92.

［27］焦玉書，周偉.世界鐵礦資源情況及中國鐵礦石供需態勢［J］.中國冶金，2004，Vol.85(12):15 －19.

［28］張典波，萬海明，鄭江.世界鐵礦資源情況及中國鐵礦石供需態勢［J］.中國冶金，2004，Vol.79(6):26 －29.

［29］林姜多，王秀，李秋菊，等.高磷鐵礦石熔融還原中鐵浴和熔渣間磷分配行為的研究［J］.上海金屬，2012，Vol.34(5):42 －46.

［30］Li Lin，Zhang Fu-ming and Meng Xiang-long.Feasibility Study on HIsmelt Technology in China［C］.Asia Steel Conference，Beijing，2012，268.

［31］郭漢杰.冶金物理化學［M］.北京:冶金工業出版社，2006:280.

［32］陳家祥.煉鋼常用圖表數據手冊［M］.北京:冶金工業出版社，2010:663.

［33］李林，李永麒，王麗娜，等.鈦磁鐵礦球團制備與還原試驗研究［C］.2013年全國博士生學術論壇.沈陽，2013，308 －315.

［34］齊翼龍，王華，卿山，等.氧氣頂吹熔融還原煉鐵試驗研究［J］.昆明理工大學學報(理工版)，2009，Vol.34(4):15－17.

［35］李林，李永麒，郭漢杰.鈦磁鐵礦球團預還原影響因素的實驗研究［J］.礦冶工程，2014，Vol.34(3):81－82.