新型直接還原海綿鐵“DH裝備”論壇

王東海

摘要：本文所介紹的，是為了滿足我國鋼鐵領域的發展需要，研制開發的新型“非高爐”煉鐵工藝。主要內容是改變了傳統的煉鐵模式，縮短了煉鐵工藝流程，達到鋼鐵工業降低能耗，清潔生產，與環境友好的現代化生產裝備，新型“DH-DRI”裝備。

關鍵詞：海綿鐵；非高爐煉鐵產物；“DH-DRI”裝備

1.直接還原海綿鐵DH裝備的發明起源

DH裝備是現代化新型“非高爐煉鐵”裝備。研發背景是在國家改革開放的相關政策；《鋼鐵工業“十一五”發展規劃》、《產業結構調整指導目錄2005年本》、《國家中長期科學和發展規劃綱要（2006-2020年）》提出了優先支持研發或探索冶金關鍵技術裝備。加快積極研究和開發“直接還原非高爐煉鐵”工程化關鍵技術裝備的鼓舞下，展開了直接還原鐵實質性的研究和開發。

DH裝備歷經十年的風風雨雨，途經重重困難，經過無數次探索和實驗，攻堅克難闖難關，勢如破竹地把難點攻破，最終獲得了圓滿成功，扎實落地。總耗資三千八百四十六萬余元。直到2014年先后獲得“非職務發明”授權，十二項國家專利，其中一項發明專利；十一項實用新型專利，還有十六項正在申報中。

裝備起名是選用發明人的名子命名，全稱為“東海直接還原海綿鐵裝備”。DH是東海名子的漢語字頭縮寫，簡稱“DH裝備”。該裝備屬于鋼鐵冶金前沿技術，是新型“直接還原鐵”生產裝備。產品“海綿鐵”它的產出是在低溫的條件下直接還原所得到的固態金屬鐵，形似海綿而得名，世界統稱海綿鐵，英文縮寫“DRI”。本文以下簡稱“DH-DRI”生產裝備。

2.海綿鐵產品介紹

“海綿鐵”（DRI）也叫直接還原鐵它是“非高爐煉鐵”產物。它與“高爐煉鐵”產物“面包鐵”是同一類產品，都是煉鋼原料。“海綿鐵”（DRI）是冶金工業的高級爐料。它的生成，是鐵氧化物（精鐵礦）在低溫的條件下直接還原所獲得的固態金屬鐵，它是單質純鐵。所以是冶煉精鋼、特種鋼的必備爐料，也可做煉鋼中的稀釋劑。

3.DH裝備技術論壇

新型“DH-DRI”生產裝備的基本原理，仍屬豎爐流化床，但與豎爐流化床的工藝流程是完全不同的兩回事。新型生產裝備的主要創新特點體現在以下幾個方面：一、主體設備優化；二、主體結構優化；三、主題能源優化；四、爐料結構優化；五、生產過程實施網絡管理優化；六、描述作業過程網絡管理。以下將優化結構分別作一描述。

3.1主體設備優化

“DH-DRI”的主體設備優化描述，采用耐高溫防滲碳的金屬管制成豎直的爐體，爐體上下呈等徑圓筒狀，形成一個豎直還原通道，上方是進料口，下方是出料口。外設真空金屬爐壁，采用防腐耐高溫金屬材料制成，爐壁與爐體之間構成燃燒室，下設煤氣輸送及點火裝置。爐壁上裝有電加熱元件。該爐體與任何廠家的爐體相比，是完全不相同的，內設有螺旋式爐料推進裝置，是將靜態爐料轉變成動態爐料，不需要爐罐，直接入爐還原，減去了爐罐費用。

3.2主體結構優化

優化主體結構描述，主體結構是有主體設備并聯群組合成；實際是由數個單元爐并聯在一起組成龐大的主體結構，構成生產規模（一個單元爐年產約3萬噸）。優化的主要特點在于三個系統；由煤氣站統一供熱；由運料系統統一供料；出料統一運送。外設三個分支機構；一是煤氣站；二是還原劑廢渣活化煤質顆粒活性炭；三是海綿鐵熱值發電廠。整個生產結構相互依賴，相互利用，形成一個循環作業產業鏈，構成一個龐大自動化生產格局。

主體結構裝配描述；主體結構的爐體上方設有尾氣回收裝置與氣體洗滌塔聯通；尾氣回收裝置上方設置有高位料倉與進料倉聯通；料倉上配置有自動上料裝置，與上料系統聯通；爐體下方連接配置有水冷卻系統（無壓式熱傳導鍋爐），與配置的分支機構發電廠相連；水冷卻系統下方的爐料出口設有自動分選裝置。自動分選裝置配置有兩路輸送系統；一路將產品送入庫房；一路將還原劑廢渣送入配置的分支機構，活化煤質活性炭車間。

單元爐的組合主張在30-50座爐以上，主要為了應用“海綿鐵熱值”發電的足夠能量，確保發電廠正常運行，否則便形不成最理想的循環作業體系。

3.3主體能源優化

主體能源采用氣能、電能兩用加熱法。初期采用煤制氣作主體能源，加熱還原通道，生產海綿鐵。而后有海綿鐵載熱介質，通過熱交換產出的熱能做發電能源驅動發電機組發電。長期運行，由生產過程中產出的電力，加熱還原通道，由電熱流程生產海綿鐵。

根據實績經驗表明，電力加熱法生產海綿鐵。優點：加熱溫度控制精確，無噪音無排放，溫度分布均衡，便以調整。缺點：電加熱元件價格比較昂貴，有一定的使用壽命，到期更換安裝比較麻煩，需要停機更換。電力用于其它生產創造的附加值高于生產海綿鐵。主張最好不采用電加熱直接還原方式。企業可根據實際情況自行選擇。

3.4爐料結構優化

爐料結構優化，采用（67%/TFe）鐵礦精粉為最低標準，制成鐵球；煤質還原劑（含碳量50%）制成煤球；而后將球烘干。鐵球和煤球按照適應的一定比例混合。形成干式“混合爐料”直接入爐還原，不需要裝爐罐。

3.5生產過程實施網絡管理優化

主體結構網絡管理的特征，是在每一個生產環節中都配置了自動化運行生產系統，而且產品比較單一，主產線僅有非高爐煉鐵，產物海綿鐵（DRI）。煤制氣、物料制球、余熱發電、煤質還原劑廢渣活化成煤質顆粒活性炭，其都是主體結構的分支機構，它們都配置了自動化生產系統，并且都是單制程，既能集成統一管理，又能分散制程。在架構MES網絡管理系統中都具備網絡互聯及網絡共享。

3.6描述作業過程網絡管理

“DH-DRI”裝備具體架構MES管理生產過程中，必然要采集生產過程的實施數據，匯集到MES系統中，實時動態調度：需要MES承擔起覆蓋質量設計、產品制造一體化的計劃編制功能；對突發事件的實時調度功能；合同、物料、設備狀態的實時監控和追蹤功能；生產實績、實際成本等數據的實時處理功能。MES收集在線產生的過程數據，建立物料的實時數據庫，這些數據應該進入管理層的數據庫和決策層數據庫。MES是ERP及PCS間的信息紐帶，與ERP系統及PCS系統要有良好的集成性，做到無縫連接及高度的數據共享。這就是新型DH-DRI技術裝備優化網絡管理的特征，在同行業中是唯一全面實施網絡管理技術的功能裝備。

4.DH-DRI裝備產業聚焦

我國是發展中大國，又是世界上第一大鋼鐵生產國，而又是世界上第一大鋼鐵消費國。隨著我國鋼鐵產業結構的調整，鋼鐵工業也在技術升級、產品升級，達到世界領先水平。

5.DH-DRI裝備直接還原關鍵技術描述

“DH-DRI”技術，還原的基本原理不變，屬于革新的豎爐形式，整個生產設備和生產結構進行了全面的革新改造。現將“豎爐流化床”和“DH-DRI”裝備這兩種裝備做一對比。

以FINMET流化床直接還原流程為例，它是由奧鋼聯與委內瑞拉FIOR公司聯合開發的，在澳大利亞BHP DRI公司投產。它的主體設備分別有4個流化床單體爐。它的還原是在4個串聯起來的流化床中完成。粉礦的流向與還原氣相反，首先依次通入第一、第二、第三個流化床，完成預熱和預還原。最后通入第四個流化床來完成整個還原過程。“DRI”金屬化率保持在90%左右。爐體標準以大型化標準設計，相應延長了熱縮核時間，同時增加還原時間。生產過程中易出現黏結夾帶問題。相應爐體設計也比較復雜。

“DH-DRI”裝備關鍵技術在于主體設備，采用耐高溫防滲碳金屬管制成的細長還原通道，通道內設置有爐料螺旋推進裝置。爐料自上而下移動，途徑不等溫度梯度，進行不等的熱力學反應和化學反應，來完成直接還原流程。該工藝技術改變了整個還原形勢；由靜態爐料轉變成動態爐料，增強了還原氣氛，提高了還原速度。

“DH-DRI”生產裝備運行包括如下步驟：

5.1首先采用煤氣發生爐，利用煤制氣方法生產“DRI”。其結果是將碳氫化合物（C、H、O）經過脫硫凈化和水洗滌后，將燃氣輸送到豎爐端的燃氣輸送裝置中，由點火裝置點燃，加熱還原爐體，為外熱式煤氣加熱法。

5.2還原海綿鐵的生產作業過程是在不停的運行，還原的海綿鐵也在不停地進入水冷卻區段冷卻（熱傳導鍋爐）。將海綿鐵內的熱質交換傳出，被水吸收，生成飽和蒸汽析出，做汽輪發電機組能源，產出的電力輸送到廠內自備電站，再送入各個生產區配電室，用于電加熱生產“DRI”。

5.3“DH-DRI”生產作業過程中相互利用因素，為連續運行，是還原產物攜帶自身熱質，在冷卻區段內進行不停的向下移動，熱質也在進行著不休止的熱質轉換，致使“DRI”降至常溫出爐。熱量被水吸收轉換成熱能量，能夠保持足夠的能源，持續持久發電，用于海綿鐵（DRI）生產。

5.4“DH-DRI”生產作業過程管理，采用MES技術網絡架構“DH-DRI”企業，實施信息化集成軟件管理系統。建立操作生產作業指揮平臺實施執行管理。MES系統主要涵蓋全產線生產作業過程。還涵蓋著爐體溫度、上料系統、出料系統、配料系統、控水系統等。其中主要包括生產計劃管理、物流管理、庫房管理、財務管理等。以數學形式編入數據庫，數據庫接口與計算機緊密連接集成執行生產作業環境。

6.DH-DRI裝備發展遠景

“DH-DRI”生產裝備在國內外尚屬首例。符合鋼鐵工業生產條件。在吉林省延邊州和龍市成立了“吉林高科還原鐵有限公司”。在此期間公司要組建起六大專業技術團隊。一、設備制造團隊；二、工程建設團隊；三、設備安裝團隊；四、ERP系統架構實施團隊；五、生產作業團隊，六、維修服務團隊。形成一個具有高標準、高素質、高文化、高智能管理隊伍。

傳統煉鋼工藝的前沿環節主要是高爐煉鐵。高爐煉鐵主要環節是燒結、煉焦、高爐煉鐵三大必要工序，能耗占噸鋼綜合能耗85%左右。鋼鐵領域是當今社會環境的主要污染源。是治理節能減排的重點領域。

直接還原“DRI”，以非焦煤或天然氣、煤制氣代替焦炭作為煉鐵主要能源，原料用全鐵較高，生成溫度較低的球團礦取代高溫的燒結礦，對我國鋼鐵產業結構優化，節能減排有著重要意義。

直接還原稱作“非高爐”煉鐵。其工藝的關鍵是：資源較廣泛，價格較便宜的煤代替焦炭能源。以品位較高、生成溫度較低的礦粉和球團礦代替了燒結礦。改進了爐料技術，從源頭上進行了能源改造。海綿鐵是將鐵礦石在固態狀況下直接還原為單質鐵。比高爐生產鐵水溫度低，滲碳少，但因Si、AI和S、P、Mn、Mg等元素仍以氧化物形態存在，化學成分不符合鋼的要求。還須在電爐或轉爐及其它裝置進一步熔煉，屬于二步法煉鋼。

現時運行的隧道窯、回轉窯、轉底爐、煤基豎爐的能耗經濟技術指標相應比較落后。這些難題主要原因在于基礎設施的落后，機械化條件差，生產條件和生產環境差。生產技術絕大多數還是手工燒爐，技術實施難以掌控，造成了還原質量不穩定，產品質量不可靠。強調追求質量只能是增加能耗。在原有基礎上進行改造，但使用價值也不樂觀，科技含量價值不大。這就是直接還原在我國發展比較緩慢的主要原因。

“DH-DRI”是通過全面了解國內外“直接還原”工藝的性能以及技術的優勢和弊端，綜合了各個方面的先進技術進行了優化，詳細分析和研究了工藝中可應用的成熟技術，以及其他行業可用的成熟技術。取長補短綜合利用。打破了傳統的設計思路，以樹立綠色低碳消費的思想理念，科學的設計研發方案。打造出一個具有中國特色的“綠色消費直接還原”DH-DRI裝備。不久將成為我國鋼鐵工業必不可缺少的重要組成部分。