幾種非高爐煉鐵技術現狀及其發展

王定武

1 概述

從20世紀70年代以來，熔融還原煉鐵技術開始得到重視和發展，所有熔融還原工藝的目標都是用非焦煤還原鐵礦（首選粉礦、低品位鐵礦）制造生鐵，經過許多國家多年的努力，熔融還原煉鐵工藝開始進行商業化生產，并取得顯著成績和進步。

·Finex

韓國浦項公司和西門子奧鋼聯合作開發的Finex熔融還原煉鐵工藝已經成熟地用于工業化生產，并正在繼續運轉且初步顯示其明顯的優越性。

·Itmk3

日本神戶制鋼開發、由神戶制鋼和美國動力鋼公司合資建立的Itmk3煉鐵廠順利運營，已逐漸達到設計產能，預期在2010年中期該廠產能達到50萬t/a。

·COREX

奧鋼聯合開發的COREX熔融還原煉鐵工藝已有四座工業化生產裝置在繼續運轉，其中產能最高的COREX C—3000裝置在上海寶鋼集團進行生產。

·Hismelt

Hismelt工藝經兩級中試開發后已建成80萬t/a工廠，小時產能已達到設計能力的75%—80%，有進一步發展的潛力。

在上述四種進入商業化生產的非高爐煉鐵工藝中，以Finex工藝較優越，已經具備替代1000m³—2000m³級高爐的條件，浦項公司將在Finex工藝大型化方面進一步開發。

2 Finex 工藝

Finex工藝是在COREX工藝基礎上經過創新和改進發展起來的，其主要特點是：

①用鐵礦粉經多級流態化床反應器進行還原，浦項對反應器結構和氣流分布進行改選，將多級還原反應器的溫度降低，將鐵礦粉還原度降至60%—70%，解決了反應器易粘結不能連續作業的問題。

②流態化床出來的部分還原的鐵粉礦壓成密度較實的礦餅后破碎，再加入熔融氣化爐。

③將煤粉與結合劑混合后壓成煤球和熱壓鐵裝入熔融氣化爐中，同時向氣化爐中直接噴射煤粉。

④用熔融汽化爐煤氣作為多級流態化床反應器的還原劑，為減少煤耗，將部分自流態化床反應器排除煤氣返回作還原劑使用。為提高這部分煤氣還原能力，在煤氣管網中增加CO₂，變壓吸附裝置，還原煤氣中的CO₂質量分數由約33%降至約15%。

圖一為浦項150萬t Finex 廠景。浦項公司經過小型試驗及半工業性試驗后先將以投產的COREX C—2000裝置改造為60萬t/a的Finex示范裝置，并于2003年6月投產。在示范裝置取得成功的基礎上，于2007年建成投產一套年產鐵水150萬噸工業化生產設施。到2008年底，兩座裝置生產量均達到設計能力，2008年4月—9月150萬噸/a裝置運行指標如表一。特別要提到的是現在Finex示范裝置已不使用小塊焦，150萬噸/a裝置目前尚使用大約50kg/t鐵小塊焦。

Finex工藝顯示出以下優越性：

①用粉礦及非煤焦煤粉為原燃料，使用很少小焦塊，可不建燒結、球團及焦化設施，縮短了流程，減少了投資，降低了成本，節約了緊缺的焦煤資源。

②浦項公司以韓國浦項的價格為基礎，以建設年產300萬噸煉鐵系統為目標，認為Finex的建設投資比高爐流程節省20%，由于各地區價格基礎不同，需根據情況進行比較分析。

③環境狀況大為改善，如果將高爐流程系統（高爐、燒結、焦化）定位100%，那么Finex流程SO₂排放量為3%，NO₂排放量為1%，粉塵為28%，CO₂第一階段目標為93%，CO₂脫除后為55%。

據浦項公司介紹，他們在印度和越南新建合資鋼鐵聯合企業中，均將采用Finex工藝建設煉鐵廠。

3 Itmk3 煉鐵工藝

神戶制鋼命名Itmk3的愿意是將其視作第三代煉鐵技術，第一代為高爐煉鐵，第二代為包括Midrex等工藝在內的氣基直接還原技術。

在Itmk3工藝中，用鐵礦粉和煤粉制成復合生球裝入轉底爐中加熱到1350℃—1500℃的高溫，復合球團迅速還原成鐵，并部分融化使得鐵從球團內生成的液態渣中分離出來。鐵粒含鐵96%—98%，碳2.5%—4.3%，硅2.0%，錳0.1%，硫和磷為0.05%—0.06%。鐵�？芍苯友b入電爐或者轉爐中使用。

Itmk3工藝具有以下特點：

①10分鐘即可以生產出高純鐵粒，流程很短。

②煉鐵原料可采用鐵礦粉和非焦煤粉，不需要燒結（或球團）和焦化等設施。

③由于能源利用效率高，較高爐流程可減排二氧化碳20%。

④生產設備操作簡單，生產調節靈活。

⑤粒鐵密度高、不易氧化、易于運輸和操作。

該工藝的研究工作開始于1986年，后在加固川廠內建成一座Ø4m，產能為3000t/a示范廠，并順利經營。由于示范廠生產的粒鐵在美國動力鋼公司使用良好，2008年美國動力鋼公司和神戶制鋼合資在美國明尼蘇達州霍伊特湖建立Itmk3煉鐵廠，生產出的粒鐵用于煉鋼，2009年逐步達到設計產能，預計2010年中期該廠產能達到50萬t/a，神戶制鋼稱已經獲得投資許可，將在越南易安省黃梅工業區投資1000億日元（約10多億美元）建設一個合資鋼鐵廠，新鋼廠將采用Itmk3煉鐵工藝生產塊鐵用于煉鋼。

4 COREX和COREX/DR工藝

COREX煉鐵工藝已作為工業化生產裝置應用于印度jindal、南非Saldanha和中國寶鋼。實際生產中，印度jindal公司兩座C—2000及南非Saldanha一座C—2000裝置經過多年運行均已達到和超過原設計生產能力，鐵水質量和高爐鐵水相似，均能適應煉鐵要求。中國寶鋼已投產的C-3000裝置是目前全球生產能力最大的一座。C-3000裝置于2007年11月投產，月平均日產量及鐵水質量均可達到原設計要求。

通過國內外COREX工藝生產實踐可以看出：

①與傳統工藝高爐相比，COREX工藝最大的特點是可少用焦炭，C-2000裝置的焦比一般為燃料比的10%～15%。寶鋼C-3000裝置因爐容量加大，且投產時間較短，目前仍需焦200kg/t鐵水，但對焦炭粒度及質量的要求較大型高爐低。此外，南非將煤粉壓制成粒度35mm左右冷固結煤球入爐（強度可達200kg/t）鐵水，但對焦炭粒度及質量的要求較大型高爐低。此外，南非將煤粉壓制成粒度35mm左右冷固結煤球入爐（強度可達200kg/t個以上）。經過在COREX生產中用煤球入爐（強度可達200kg/t個以上）。經過在COREX生產中用煤球代替焦炭進行使用，其焦比可由原來的15%降至1%。

②COREX工藝仍需使用塊狀含鐵料。印度和南非當地有適用的塊狀鐵礦石（南非COREX裝置的爐料結構是60%～80%南非塊礦，20%～40%球團。印度COREX裝置的爐料結構是40%印度塊礦，60%球團),因而降低了運營成本。此外，印度jindal COREX裝置曾將粒度小于6.3mm的鐵礦粉經過加煤路直接裝入汽化爐，創造了用鐵礦粉料取代14%總含鐵爐料的記錄。

③采用COREX工藝，在鋼鐵企業內可少建或不建焦化、燒結設施，對環境保護有利。與高爐流程相比，向大氣排放的硫化物、氮氧化物、二氧化碳均很大程度地減少。

COREX裝置生產中出現的主要問題是：

①還原豎爐中的爐料發生粘結，從爐壁開始愈粘愈厚，最后還原鐵完全漏不下去，而不得不停爐清空。

②仍需塊狀含鐵原料。

③離不開小塊焦，對煤的要求嚴格。

④燃料比高，比高爐流程高出近一倍（500kg/t鐵水）

韓國浦項公司在建成投產一座COREX C-2000裝置后，為解決前述問題，創造性的采取一系列改進措施，用多級流態化床反應器代替還原豎爐，既解決豎爐粘結問題，又可不使用塊狀含鐵原料，并采取了減少燃料消耗措施，形成了Finex流程。

南非Saldanha廠利用COREX爐氣作為直接還原鐵豎爐還原劑，形成COREX爐氣作為直接還原鐵豎爐還原劑，形成COREX/DR流程。COREX/DR流程由一座COREX C-2000，一座Midrex-800、120t CONARC 轉化爐、ISP薄板坯連鑄連軋生產線等組成，設計年產能力80萬噸DRI，65萬噸鐵水和125萬噸熱軋板。扣除COREX輸出煤氣能源收益后，噸鐵水消耗標煤為550kg，一噸煤可生成一噸鐵水和一噸DRI，大大改善了COREX裝置煤耗高的狀況。

5 Hismelt 煉鐵工藝

在兩級中間試驗基礎上，在西澳大利亞奎納納建成了第一座年產量能力80萬噸的Hismelt工廠。該廠由澳大利亞力拓公司（持股60%）、美國三菱（持股10%）和中國首鋼（持股5%）合資建設。其工藝特征是：向熔池內直接噴吹鐵礦粉和煤粉（非焦煤）形成熔煉下部的熔煉和上部保持低氧位促使還原進行。通過動力學平衡使渣FeO質量分數維持在5%—6%。通過大量的液態渣鐵在上下兩區的噴濺起落將上部熱量傳入下部熔池。

Hismelt 工藝的特點是：

①可以全部使用粉礦鐵礦和非焦煤粉，不需建燒結、粉團、焦化等設施。投資少，成本低，對環境污染少。

②具有脫磷能力，可使用高鐵磷礦粉。

奎納納廠于2005年4月建成，并開始試熱。第一次熱試未取得理想效果，鐵水在前爐凍結。這次事故源自汽化冷卻煙道上的蒸汽系統故障，此問題解決后，可以穩定運行，但作業效率不高，其原因是：

①鐵礦預熱器內襯耐材存在問題，經更換后，作業率從2006年50%以下提高到2008年90%以上。

②蒸汽系統是由工藝過程產生的蒸汽供應，通過對控制系統改進和變更操作，作業率從2006年的70%以下提高到2008年的90%以上。

③廢氣脫硫裝置規模小，除霧能力不足。

④操作經驗不足，爐襯壽命低。

經過三年的摸索改進，到2008年底，小時產量已穩步增長到75t～80t的水平（設計能力為100t/h）。煤耗的向達到700kg/t目標前進。

由于金融危機，2009年開始停產維護，現制定新的復產計劃，其目標是將作業率提高并穩定在較高的水平。

6 幾點意見

①高爐煉鐵工藝已有百余年歷史，經過多次改進，已是高度成熟的生產流程。而熔融還原煉鐵從第一座商業化工廠出現至今僅約20年。因此不能因為目前存在若干問題而加以忽視。由于其具有不用焦煤、不需鐵礦造塊、環保性能優越等方面的優勢，因此應該持積極認真、實事求是的態度努力研究開發和技術改進工作，使熔融還原煉鐵流程日趨成熟，逐步大型化，使煉鐵生產出現革命性變化。

②在前述四種開始進行商業化生產的非高爐煉鐵工藝中，采用粉礦和非焦粉煤的三種中以Finex工藝最為成熟，已有商業化生產裝置連續生產，并達到設計生產能力，只是已投入生產的150t/a Finex裝置只相當于1000m³-2000 m³級高爐的生產能力，在大型化等方面還需要進一步開發。

③Hismelt煉鐵工藝的80萬t/a工廠已建成并投產多年，雖目前持續生產還存在不少問題，但具有進一步發展的技術潛力，待今后回復生產后，會取得經驗繼續進行開發工作。

④Itmk3工藝是通過將鐵礦粉和煤粉制成球團后進行的。我國曾長期進行過碳化球團煉鐵的研發工作，雖然還沒有取得成功，但也積累了不少經驗教訓，建議密切關注美國50萬t/a Itmk3廠的進展，吸收其經驗繼續在我國進行研發工作。

⑤關于COREX工藝，我國已有寶鋼C-3000裝置在進行生產，取得了寶貴的經驗教訓。除對現有裝置中進行技術改造，如改進原料結構及還原豎爐溫度制度以延長豎爐壽命、研發用煤壓塊減少焦炭使用數量等措施外，浦項公司在COREX工藝基礎上創新出Finex工藝的精神值得學習，以我們自己的聰明才智開發新的工藝，也應成為我們努力地目標。

此外，在建設第二套COREX C-3000裝置時建議采用COREC/DR流程，同時建設Midrex裝置，以充分利用COREX爐優質煤氣，減少燃料消耗，并考慮建設CONARC轉電爐。一旦COREX裝置檢修時，可采用直接還原鐵和廢鋼進行生產，如果采用轉爐，COREX裝置檢修時，全場就要停產。