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1、熔融还原炼铁技术摘要 随着社会经济的发展，高炉炼铁资源短缺与环境负荷日益加重的局面已经充分显现，开发新技术逐步取代传统技术将迫在眉睫，这其中以熔融还原炼铁技术为主要开发对象。国际钢铁界始终没有停止对熔融还原炼铁技术开发的脚步，本文对现有HIsmelt、COREX和FINEX熔融还原工艺及设备进行了分析研究和综合评价，指出了开发新熔融还原技术的原则，介绍了克服高炉炼铁及COREX、HIsmelt熔融还原法存在的缺点的LSM炼铁工艺。我们应针对目前存在的问题，开发新的熔融还原炼铁技术。关键词 熔融还原；COREX；FINEX；HIsmelt；LSMSMELTING REDUCTION IRONMA
2、KING TECHNOLOGYABSTRACT With the economic society developing, it fully shows that the resources shortage and environment of blast furnace ironmaking load have aggravated day by day. It is very urgent to exploit new technology to replace the traditional. The smelting reduction ironmaking technology i
3、s one of the main research fields. International Iron and Steel sector has not stopped for smelting reduction ironmaking technology development pace. The development for the smelting reduction ironmaking technology was never stopped in the world. This thesis just generates under this background.This
4、 paper analyzes and makes comprehensive evaluation of the existing HIsmelt, COREX and FINEX reduction process and equipment, points out that the principle of developing new smelting reduction technology, introduces LSM ironmaking process ,which overcomes existing shortcomings of blast furnace ironma
5、king and COREX, HIsmelt smelting reduction method.We should be aiming at the existing problems, develop new smelting reduction ironmaking technology.KEY WORDS smelting reduction,COREX,FINEX,HIsmelt,LSM1. 前言高炉炼铁方法从使用焦炭算起已有三百多年的历史，第二次世界大战后的 50年来，钢铁冶金技术获得了重大发展。如今大型高炉的容积已超过4000m3，而且机械化、自动化日臻完善。自20世纪 60
6、年代后期，炼焦煤特别是低硫焦煤日益短缺，加上环境要求不断提高、基建投资费用巨大，致使在发达国家年产百万吨以下而采用传统高炉流程的钢铁企业在经济上常处于困境。特别是二十世纪 90 年代以来，可持续发展对环境提出越来越高的要求，钢铁市场竞争愈演愈烈，各国不断强化新工艺的研究，非高炉炼铁技术研发空前活跃，新的煤基熔融还原炼铁法不断涌现，使钢铁企业有更多的选择余地。近二十年来，在自然资源日趋紧张与环境负荷日益加重的形势下，国际钢铁界始终没有停止对熔融还原炼铁技术开发的脚步，经过反复探索和不断努力，先后出现了许多有代表性的技术路线。目前，除20世纪80年代末奥钢联开发并实现工业化的COREX 熔融还原炼
7、铁技术外，澳大利亚的 HIsmelt 技术和韩国与奥钢联联合开发的FINEX 技术也已接近工业化水平，这些技术极有可能成为未来钢铁工业实现可持续发展的引领技术。钢铁工业正在掀起一场以熔融还原炼铁1近终形连铸为主的缩短流程的工艺变革，如图1所示2。熔融还原是以纯氧、原煤和原矿为原料炼铁的一种工艺，它拓宽了钢铁冶金用的煤种，省去炼焦甚至烧结和球团工序，使冶炼速度加快几倍，这降低了投资、节省了能源、改善了环境、增强了生产灵活性。我国是当今世界钢铁大国，国内钢铁工业的迅速发展已经成为国民经济快速发展的重要支撑条件。但是，客观分析国内钢铁工业发展现状，资源短缺与环境负荷日益加重的局面已经充分显现，开发新
8、技术逐步取代传统技术将迫在眉睫；此外，国内钢铁企业普遍采用的先进技术大多来自国外公司，这种局面势必造成先进技术长期受制于人，自主开发的激情长期受到抑制，难以形成自主开发与产业化的良性互动和创新机制的建立，这是制约我国钢铁工业可持续发展更大的隐患。因此，国家把开发熔融还原炼铁新技术明确列入国家中长期科学与技术发展规划纲要中，成为我国钢铁工业未来 515年在相关重大技术开发方面的重要导向。图1 钢铁生产的技术变革2. 熔融还原典型工艺到目前为止开发出的熔融还原法约有 36 种之多，熔融还原工艺按其原理可分为一步法和二步法：一步法有 Ausmelt 和 Romelt；二步法包含预还原和终还原两段，其
9、中预还原分为竖炉法 COREX 和流化床法 DIOS，终还原分为熔融气化炉 FINEX 和铁浴反应炉 HIsmelt。熔融还原发展历程大致可分为 3代3：第 1 代工艺。从 20 世纪 20 年代开始，当时主要使用一个反应器（转炉或回转窑），称为一步法，原料使用的是精矿和煤粉。当时所做的几种实验，虽然没有成功，但是暴露出的问题对以后的发展有一定的指导作用。首先，二次燃烧率过高，渣中 FeO含量高，对炉衬的侵蚀相当严重，没有找到合适的耐火材料，并且二次燃烧所放出的热量，很难传递到底部的铁浴熔池中，过程难于控制，但精矿向熔池传递由二次燃烧产生的部分热量，在今天也是有意义的。第2代工艺。有代表性的是
10、瑞典20世纪70年代开发的用电做热源的熔融还原法，它克服了由二次燃烧空间到还原空间传递热量的困难。一些方法是用终还原产生的废气进行二步法的矿石预还原。已进行半工业试验的方法是 Elred法、Inred法和等离子熔炼法，但用电还原铁矿石，多数情况下是不经济的，因而第 2 代未能推广。第 3 代工艺。特点是放弃电能，立足于煤和氧气的“无焦炭工艺”，而第 2 代工艺原有的预还原和终还原二步法在大多数情况下仍然保留。下面简要介绍几种典型的熔融还原工艺：2.1 COREX工艺COREX 技术的研究始于 20 世纪 70 年代末，由奥钢联和西德杜塞道尔科富（Korf）工程公司联合开发4，它是一种用煤和球团
11、矿（块矿）生产铁水的新炼铁工艺，COREX装置是由上部还原竖炉和下部熔融气化炉组成。块煤通过密封罐和螺旋加料机加到熔化气化炉的上部，氧气自炉缸上部鼓入，燃烧焦产出高温煤气，并和上部硫化床小粒焦进行反应，再与煤干馏裂解气体汇合生成 CO+H2(95%)+CO2(3%)的高温优质还原气体5-6，还原气体出熔融气化炉后冷却到 850进行除尘，再进入上部竖炉还原铁矿石、块矿（球团矿或烧结矿），铁矿石被加热后还原成金属化率为 92%的海绵铁，在熔融气化炉内进一步还原、熔化、渗碳，熔剂石灰石、白云石随铁矿石一起加入竖炉，加热分解，并在熔融气化炉内进一步分解、造渣、脱磷、脱硫，铁水和炉渣的性质类似高炉，最后
12、自出铁口一起排出。排出还原竖炉的炉顶煤气经过清洗后与未进入还原竖炉的富余煤气混合成为干净的中等热值煤气加以利用，如图2是 COREX 熔融还原炼铁工艺流程示意图。经过多年的论证，我国宝钢率先引进了2套COREX 技术和设备，其中1台于 2007 年11月投产。从韩国浦项、我国宝钢COREX投产运行的情况看，尽管该工艺能连续稳定生产，但也暴露了一些问题。COREX演化了高炉炼铁技术，取得了商业成功，但同时也继承了高炉炼铁的一些缺点：（1）从炼铁工艺上讲，COREX是典型的炉床法炼铁工艺，与高炉相比，COREX更多地依靠间接还原，间接还原度越高，工艺进行得越容易，因此无法摆脱料柱透气性问题的困扰。
13、（2）为保证竖式预还原炉料柱的透气性，必须使用块矿、烧结矿、球团矿或这些原料的块状混合物，因此必须配有造块设备。而且对入炉块状原料的理化性能有很高的要求，从而提高了原料成本，使铁水成本升高。（3）COREX的实践证明，要依靠焦炭床来保护炉缸，稳定生产，就无法摆脱对焦炭的依赖（焦比10%20%），尤其是大型化后（如宝钢C-3000），焦比会超过200 kg/t。（4）从熔融气化炉抽出的高温煤气经净化后，从1 100 降到800850，温度损失了250左右，而且这个损失是无法弥补的，因此热效率比不上高炉。（5）虽然使用了全氧冶炼，但按炉缸面积计算得出的生产率仅为高炉的0.70.97。（6）竖炉预还
14、原炉料的金属化率波动大。（7）操作影响因素多，在炉体中部的高温区使用了很多排料布料活动部件，使设备维修成本及热损失增加，个别设备还不够成熟，设备利用率降低，工厂设备压力加大。（8）在高炉冶炼条件下，采用富氧喷吹有一定的限度，传统高炉更不能采用全氧冶炼。COREX工艺虽然采用全氧冶炼，但其生产率并不高，根本原因在于，虽然全氧熔炼速率很快，但受到上部竖炉铁矿还原速率的限制，对于一定产能的COREX熔融还原工艺，要求下部熔融气化炉的操作必须与上部的竖炉铁矿还原情况相匹配，才能达到较好的综合技术经济指标8。尽管COREX工艺还原存在着一些不足，甚至有些冶金专家称其为“半截子”革命，卢维高教授更说它是个
15、“怪胎”9，但毕竟COREX法是目前世界上唯一大规模经济运行的熔融还原炼铁生产装置，因此是容易受到冶金界青睐的清洁炼铁技术。图2 COREX熔融还原炼铁工艺流程示意图2.2 FINEX法FINEX10是由浦项与澳钢联(VAI)在COREX 基础上开发的、直接使用矿粉(8mm)和煤粉炼出铁水的工艺。在 FINEX 工艺中，铁矿粉在三级或者四级流化床反应装置中预热和还原，如图3 所示。流化床上部反应器主要用作预热段，后几级反应器是铁矿粉的逐级还原装置，可以把铁矿粉逐级还原为直接还原粉。之后，直接还原粉或者直接装入熔融气化炉，或者经热态压实后以热压实铁的形式装入熔融气化炉中。在熔融气化炉中，装入的直
16、接还原粉和热压实铁被还原成金属铁并熔融。FINEX 过程产生的煤气是高热值煤气，可以进一步用作直接还原粉的生产或者发电等。图3 FINEX流程图FINEX工艺克服了高炉、COREX炉 、直接还原竖炉的一些缺点，其特点为：（1）FINEX工艺的原料由块矿、球团矿改为粉矿（平均粒度在13mm，最大粒度8mm），粉矿资源丰富。价格低廉的铁粉矿和一般烟煤，为该工艺的发展赋予新的活力。（2）FINEX炉顶煤气全部循环使用。浦项认为FINEX比高炉制造成本下降15%，宣称总体投资是高炉流程的80%。（3）FINEX流程的SOx、NOx、粉尘的排放量与高炉流程相比，只有6%、4%和21%，并且没有焦化含酚、氰等污水的排放，是一种清洁生产工艺，因此环境友好。（4）铁水质量与高炉、COREX炉相当。冶金界最关心的是该工艺的原料、能耗和生产成本。高炉生铁成本中原料占60%左右，而FI
