熔融還原煉鐵技術分析與發展建議

趙中秋

（北京首鋼鐵合金有限公司，北京 100023）

許多國家都在積極開發、研究熔融還原煉鐵新工藝。如奧鋼聯的COREX、韓國POSCO和奧鋼聯聯合開發的FINEX、澳大利亞的HIsmelt等。我國早在上世紀60年代就開始展開熔融還原煉鐵工藝的研究。作為一個鋼鐵大國，我國的鋼鐵總量、資源特點和環境壓力使熔融還原工藝有著非常廣闊的應用前景。我國應該在熔融還原工藝方面有長遠的發展規劃和相應的投入。

1 國際熔融還原技術發展

熔融還原工藝分為一步法和二步法：一步法工藝：Romelt，HIsmelt和HIsarna工藝。這些工藝幾乎都沒有預還原過程，不能實現理想的逆向流動，而且由于壓力有限，要求氣體量要大，設備的容積要大。兩步法工藝：這些工藝生產金屬化率達100%的海綿鐵，然后在一個獨立的熔化爐里或一個整合的熔融段將海綿鐵熔化。這些工藝中以Fastmelt，ITmk3和以前的KR工藝較典型。采用的是逆向流動操作。

熔融還原技術更趨于采用二步法：預還原裝置主要是豎爐、流化床、轉底爐；終還原裝置有半焦填充床、鐵浴爐、電爐。熔融還原技術3大類型：一是以較高預還原度和半焦填充床為終還原爐相連接，低二次燃燒率的COREX、FINEX；二是低預還原度和豎式鐵浴爐相連接、高二次燃燒率的HIsmelt；三是以鐵碳球團通過轉底爐還原，連接電弧終還原爐的Fastmelt、Itmk3技術等。

（1）工業化的COREX工藝。目前可以進行商業化生產的只有COREX，主體裝置是預還原豎爐和熔融氣化爐。塊礦和球團加入到豎爐中，還原率到90%以上，通過螺旋排料器再進入熔融氣化爐進一步還原和熔化，最終生產出合格鐵水。

COREX技術缺點，生產效率偏低，對煤種有嚴格的限制，需要10%～20%焦炭；只能使用高品位塊礦或球團礦，不能使用粉礦；鐵水質量和爐齡與大型高爐比有一些差距，設備比高爐復雜。

（2）HIsmelt技術。HIsmelt工藝由德國開發并建了中間試驗廠。HIsmelt反應器裝的是預熱的未預還原的礦石。鐵水從前爐連續排出，渣是定期從爐缸上部的渣口排出；最大優點是可以直接使用粉煤、高磷礦，爐體設備比較簡單，可以采用高爐的同類設備如：熱風爐、煤粉噴吹等。但存在大量高溫（1450℃）低熱值煤氣未利用、爐襯侵蝕較快等問題。

（3）FINEX技術。FINEX工藝技術由韓國浦項公司和奧鋼聯公司聯合開發，第一座年產150萬t的FINEX商業化于2007年在浦項鋼鐵公司開始運行。FINEX是一種直接用燒結用粉礦原料和非煉焦煤冶煉鐵水的新工藝。FINEX工藝的關鍵技術是在流化床反應器內將粉鐵礦還原成粉狀DRI（直接還原鐵）以及使用熔融氣化爐將DRI熔融還原為鐵水。FINEX工藝主要特點有：直接使用粒度＜8mm的燒結用粉鐵礦；使用煤；鐵水質量可以與高爐及COREX產出的鐵水質量媲美。省去了焦化、燒結和球團工藝，減少了污染排放和資源及能源的消耗。

2 國內熔融還原技術發展現狀

（1）2t/h的半工業聯動熱態試驗裝置-COSRI。借鑒COREX和日本DIOS兩種典型技術路線的優點，COSRI工藝采用中等預還原度和低二次燃燒率的兩步法熔融還原技術路線，具有以下技術特點：

以冷固結含碳球團為原料；采用液體渣-焦流動床進行終還原；熔渣中浸沒噴吹煤氧制造還原煤氣；熔池在強攪拌條件下實現渣鐵分離。1999年在承德煉鋼試驗廠建成了COSRI的2t/h的半工業試驗裝置（見圖1），進行了中試熱態試驗。使我國成為繼德國、日本和澳大利亞后，第四個具有噸級熔融還原聯動試驗裝置的國家。半工業試驗初步證明了該工藝技術路線是合理的，在許多方面優于COREX、HIsmelt等工藝。

圖1 COSRI流程示意圖

（2）寶鋼COREX-3000。2005年寶鋼引進奧鋼聯COREX技術并進一步擴容為C-3000，將其設計產能從80萬t擴大到150萬t/年，于2007年出鐵，這是世界上第一座大型的COREX煉鐵爐，2011年第二座COREX-3000型COREX裝置投產。

（3）20萬t純氧非高爐煉鐵工業試驗裝置。2007年中鋼研集團等單位開展了年產20萬t熔融還原工業試驗裝置的開發和工業試驗研究，命名為POSRI，在理論研究、工藝、設備設計上有了重大突破，熱試階段工藝流程順暢，設備運轉良好（見圖2），但由于試驗爐高熱值煤氣的輸出問題而被迫停爐。

（4）8m3一步法熔融還原試驗裝置。該裝置由中鋼研集團設計，其氧氣高爐爐缸和爐身各設一排風口，爐缸風口噴吹氧氣和煤粉，爐身風口噴吹預熱的焦爐煤氣。試驗結果表明：氧氣高爐可以實現全氧大噴煤煉鐵生產，噸鐵噴煤量可以達到450kg；爐身噴吹180Nm3/tFe預熱焦爐煤氣以后，噸鐵焦比降低90kg，煤比降低50kg，生產效率提高約20%；氧氣高爐進行大規模工業化生產，有望大幅度降低燃料消耗。

3 我國熔融還原煉鐵技術發展建議

熔融還原技術更趨于成熟，技術的趨向更加集中，而開發熔融還原目的是向傳統高爐流程提出挑戰，使煉鐵生產更加清潔環保、降低碳排放、降低能源消耗。

我國應建立一個產學研用一體的，眾多企業參加、投入的組織機構，真正研究成功一個流程并推廣。

我國開發新一代的熔融煉鐵工藝應該具有以下特點：（1）比傳統高爐降低碳排放量30%左右；（2）還原氣體具有較高的H2含量；（3）流程能耗小于高爐流程，能耗降10%左右；（4）流程煤氣脫出CO2，循環利用，CO2用于食品或封存；（5）直接利用球團、塊礦或粉礦；（6）不用或用少量焦炭或焦丁；（7）可以接納鋼鐵廠固體粉塵直接噴吹；（8）規模在 100 萬～150 萬 t/年。