提高铁合金工艺技术水平推动铁合金工业科学发展

□陈洪飞 彭 锋

提高铁合金工艺技术水平推动铁合金工业科学发展

□陈洪飞 彭 锋

近年来，我国铁合金产业发展迅速，但是生产铁合金的工艺技术和装备仍需不断升级进步，以便降低资源、能源消耗，保护环境，发展循环经济，实现“三废”综合利用。当前，需要重点研究电厂粉煤灰生产硅铝铁技术、铬铁冶炼新技术、镍铁生产技术和镍铁水直接冶炼不锈钢技术。

铁合金；硅铝铁；铬铁；镍铁

铁合金是钢铁和机械工业必不可少的辅助原料，没有优质的铁合金就没有优质的钢材。因此，要保障钢铁工业的健康发展就必须重视铁合金工业的科学发展。

进入21世纪以来，我国铁合金行业发展迅猛，产能超出市场的需求。但是，许多新建设的项目仍然采用国外20世纪七八十年代的生产工艺，缺乏创新，工艺技术和装备水平仍然比较落后。

为遏制铁合金行业的低水平重复建设和盲目发展，促进产业结构升级，按照调整结构、有效竞争、降低消耗、保护环境和安全生产的原则，国家发改委自2004年底起出台了铁合金准入制度，后来又多次进行了修改。2008年，世界金融危机对我国铁合金进出口产生严重影响，2009年起，我国铁合金工业技术落后、资源浪费、能耗偏高、污染严重、效益低下的局面发生了重要逆转，由铁合金净出口国转变为净进口国（见表1、图1），进口品种主要为高碳铬铁和镍铁。2013年，我国共进口高碳铬铁183.6万吨、镍铁19.5万吨。这一变化要求铁合金工业必须加快技术进步步伐，降低能源、资源消耗，保护环境，发展循环经济，实现“三废”综合利用。只有这样才能逐步达到世界先进水平，提高铁合金行业的国际竞争力。

表1 2005—2013年我国铁合金生产及进出口量单位/万吨

图1 2005—2013年我国铁合金生产及进出口量

冶金工业规划研究院（以下简称规划院）于1972年4月由国务院批准成立，是专门从事冶金工业发展规划及战略研究的国家首批甲级工程咨询机构。建院以来，规划院完成了数千个政府产业发展政策及专题研究、行业和企业规划、工程技术咨询等项目，这其中包括大量铁合金行业、企业规划咨询和专题研究工作。近十几年来，规划院通过率先引进乌克兰RKEF镍铁生产工艺和GOR转炉冶炼不锈钢等技术，极大地推动了我国火法冶炼镍铁和镍铁深加工直接冶炼不锈钢等方面的技术进步，并且指导相关企业利用这些先进技术建设了一批镍铁和不锈钢优秀项目，帮助其获得了良好的经济效益。

目前，铁合金行业加快淘汰落后产能步伐，引进消化国外先进工艺技术设备，强化自主研发，提高行业整体发展水平。开发应用新技术、进一步节能减排、降低成本、治理污染、提高效益，成为铁合金行业科学发展的当务之急。为此，规划院进一步加大了在铁合金行业的工作力度，专门成立了铁合金产业发展研究中心，与乌克兰国立冶金大学、钛冶金设计研究院、国家冶金科学院等研究机构合作，针对我国铁合金工业现状，结合对乌克兰铁合金技术的考察情况，初步确立了以下几项铁合金工艺技术研究课题。

一、利用电厂粉煤灰生产硅铝铁技术

1.粉煤灰是生产硅铝铁的资源

我国内蒙、山西等地区有堆积如山的电厂粉煤灰，对环境造成了严重污染，其主要化学成份是二氧化硅和三氧化二铝，是生产炼钢脱氧剂硅铝铁的资源。国内的科研院所和电力企业在这方面做了大量的开发和研究工作，但是目前还没有开发出成熟的技术，也没有建成较大规模的硅铝铁生产厂。

实际上，针对利用高铝粉煤灰的问题，早在1991年初，在北京召开的全国粉煤灰综合利用会议上，国家计委负责人曾提出：粉煤灰利用要向冶金、有色等方面开拓，如从粉煤灰中提取氧化铝，利用粉煤灰炼制炼钢脱氧剂等。

2004年9月，国家发改委在《关于组织实施资源综合利用关键技术国家重大产业技术开发专项的通知》中明确提出，利用粉煤灰生产高附加值铝硅系列合金，从粉煤灰提取氧化铝。而利用粉煤灰炼制炼钢脱氧剂（硅铝铁合金），至今迟迟难产，未能走出试验室，至于利用粉煤灰炼制铝硅合金也以失败告终。

粉煤灰含有大量的二氧化硅和三氧化二铝，还含有三氧化二铁、二氧化钛、氧化钙、氧化镁及碱金属氧化物。利用粉煤灰炼制铝硅铁合金，已有先例。前苏联利用页岩渣和页岩焦灰渣，炼取含铝33.36%、硅42%～46%、铁14%～18%、钙1.2%～3%、钛1.2%～2%的合金，电耗13 000kWh/t，铝回收率为75%，硅回收率为70%。利用电厂排放的粉煤灰生产类似上述合金亦当毫无问题。此外，粉煤灰还可用作炼钢脱氧剂、炼镁还原剂。

内蒙蒙西、河南焦作、山西朔州等地区，相继发现二氧化硫含量高达40%以上的粉煤灰，其A/S与高岭土相当，有的甚至高于高岭土。可炼得含铝50%以上的铝硅合金。目前，我国已经积存堆放数十亿吨的粉煤灰，占用土地近百万亩，造成环境污染。因此，寻求新途径，综合开发利用粉煤灰，是当务之急。

目前，国家推行循环经济，鼓励固体废弃物综合利用，对产品中利用粉煤灰达30%以上者，免征增值税，同时免征5年的所得税。且以粉煤灰做原料只有运输成本，这都十分有利于推动粉煤灰资源化进程。

在粉煤灰三氧化二铝含量低而三氧化二铁含量高时，可采用与铝土矿搭配生产高铝低铁（5%～10%）的铝硅铁合金，做为热法炼镁的还原剂。

2.借鉴硅铝合金的生产工艺技术

电热法制取铝硅合金，乌克兰50年来在电炉结构、电气参数和操作工艺方面进行深入科研，掌握了一套成熟技术，其通过大量试验，认为16 500kVA和22 500kVA矿热炉比较理想、炉底热量稳定，能够抑制炉底上涨，生产状态良好，其工艺技术上的成功成为当今世界首创。乌克兰扎布罗热铝厂从1964年10月启动矿热炉生产铝硅合金，4座16 500kVA三相交流矿热炉，年产铝硅合金能力8万吨，使用的原料主要是高岭土、蓝晶石和氧化铝，生产的粗铝硅合金中硅的含量为55%～60%，粗铝硅合金用纯铝稀释后，制成铸造铝硅合金，并在各工业部门应用。但苏联解体后，该工厂已经停产。

乌克兰国家冶金科学院阿夫恰茹克博士与河南永登铝业集团铝合金公司合作，建成我国第一条矿热炉直接冶炼铝硅合金的生产线。2007年9月，实施工业化试生产，并在当年实现了稳定的大工业化生产。

目前，这条生产线已经停产，停产的主要原因如下：一是电费的提高导致生产的铝硅合金成本提高；二是用来生产铝硅合金的高岭土要求有很低的铁含量，资源有限；三是由于直接用矿热炉法生产的铝硅合金中硅的含量远高于铸造用的铝硅合金的要求，所以必须采用铝液稀释铝硅合金液体，才能达到铸造用铝硅合金的要求；四是虽然这种工艺生产的铝硅合金可以达到铸造行业的标准要求，但是多年来铸造行业全部是用工业硅与电解铝勾兑铝硅合金，在铸造行业中存在对这种产品不信任的情况。

3.项目设想

生产硅铝铁合金与生产硅铝合金相比，生产工艺技术相似，由于原料要求以及产品的要求相对宽松，因此理论上没有技术问题，应该积极推进生产试验。同时，积极研究利用低铁高岭土和铝硅合金除铁技术，电热一步法生产铝硅合金。

乌克兰50年的技术可以为规划院的开发研究提供借鉴，规划院在积极与乌克兰国家冶金科学院合作的同时，也欢迎有志企业共同合作，突破这些技术的束缚，重点开发我国自有技术。据悉，新疆哈密的公司与兰州理工大学合作，自主开发该技术取得进展，并正在筹备建设生产厂。

二、铬铁冶炼新技术的研究和应用

1.我国铬铁行业现状

铬铁是生产不锈钢和其他特殊钢必不可少的辅助原料，约80%的铬铁用于不锈钢生产，因此，铬铁工业直接受不锈钢工业的影响。

目前，我国的铬铁冶炼技术普遍比较落后，基本是利用敞口式电炉（有的有半密闭罩，只是为了收集烟气），每吨铬铁冶炼电力消耗大都在3 500kWh以上（铁合金准入条件要求：高碳铬铁不高于3 200kWh/t），有的小电炉甚至高达4 000kWh/t以上。严重的电力浪费和资源短缺，造成了我国铬铁生产企业成本高、效益差。

我国有近百家的铬铁生产企业，但是其装备水平都不很高。在铬铁生产十分落后的局面下，近年来一批大型铬铁生产项目开始筹划。但是由于没有自己独特的先进工艺和技术，新建设的大型项目基本上都在引进国外20世纪的技术，且投资巨大。受到巨额投资限制和技术引进中诸多困难的影响，多个项目进展不理想，已经投产的大型生产厂效益也不好。

目前，我国引进的铬铁生产技术主要有两种：一种是河北黄骅采用日本昭和电工技术建设年产40万吨的铬铁项目，虽然项目已经立项很久，但是进展不理想；另一种是以山西太钢万邦炉料有限公司30万吨铬铁项目为代表的引进OUTOTEC公司的铬矿粉造球、焙烧、矿热炉炉顶料仓预热工艺。

受到原料供应、巨额投资、没有自主工艺技术的限制，有些已经批准的项目不能按计划工期投产。因此，我国铬铁生产落后的局面短时间内难以根本改变。

我国铬铁生产，所需的铬矿以进口为主，物料成本高。2013年，进口铬矿1 209.2万吨，占我国铬矿消费总量的95%以上，而我国自产铬矿占比不及5%。目前，从哈萨克进口铬矿及国内铬矿利用日益困难，因此，在沿海建设大型的现代化铬铁厂，有利于我国对国外铬矿的利用。近年来，沿海在建的一批铬铁项目将具有物流优势。目前，我国现有的铬铁厂为了利用电力价格优势，多数分布在内蒙、山西、湖南、四川等电力资源丰富之地。

在铬铁冶炼的工艺进步方面可以借鉴镍铁发展的经验。在过去的几年内，先进的、低成本的RKEF镍铁冶炼工艺迅速取代了高能耗、高污染的小高炉工艺；在激烈的市场竞争中，冷料入炉的小型镍铁矿热电炉工艺也将很快被RKEF工艺取代。

2.世界铬铁技术的进展

不锈钢冶炼工艺的进步，使得含碳量6%～9%、含铬量50%～55%的低价炉料级铬铁迅速成为市场的主流产品。

随着优质铬矿的块矿越来越少，资源日趋紧张，铬矿价格也越来越高，目前，铬铁冶炼技术开发的主要任务之一就是致力于粉矿利用技术开发。预还原球团、烧结球团和压球等粉矿预处理工艺技术投入生产。

目前，世界上开发了多种新的冶炼工艺技术和铬粉矿的处理技术。但是，经分析研究，真正有可能为我们所借鉴的工艺只有两种：一种是奥托昆普公司开发的烧结球团预热工艺；另外一种是日本昭和电工公司发明的SRC法。两种工艺都立足于利用粉矿细磨后加入粘结剂，制成球团，再进入矿热炉冶炼。

芬兰奥托昆普公司采用过回转窑烧结球团、竖炉烧结球团、钢带式烧结机烧结球团，但是球团中不含炭，所以在烧结过程中不存在预还原反应。烧结球团和焦炭、硅石配料送电炉炉顶预热后，直接进入封闭电炉冶炼铬铁。由于没有炉料的预还原进程，炉料进入炉顶料仓的温度比较低，矿热炉炉顶的预热装置建设导致厂房高度很高，这种工艺虽然成熟，但是在投资、能耗和成本方面会比SRC法高，生产效率也会低些。实际上，不加炭的氧化性铬粉矿球团的生产在我国早已经成功应用于工业生产，球团冷却后加入到6 300KVA的小炉子，生产炉料级的铬铁，效果很好。外热式竖炉烧结球团工艺也曾经在辽阳厂的铬铁生产中使用多年。继续这种工艺的研发，实现大型密闭炉的生产，生产指标就将接近于芬兰奥托昆普公司的技术。

SRC法，在磨矿时加入了焦粉，在圆盘造球机上造球，球团在链篦机（或竖窑中）干燥和预热，再送至回转窑进行预还原，还原率可以达到60%。高温预还原球团与焦炭、硅石和白云石配料，送入封闭电炉冶炼成铬铁。这种工艺类似于我国正在生产的镍铁RKEF工艺，主要区别在于：矿粉需要细磨后制成球，再经过干燥后入回转窑，其重点要保证球的热强度；回转窑的工作温度将达到1 200～1400℃，注意防止窑的粘结；在出窑的过程中防止被还原出来的铬金属被二次氧化。

采用这种工艺的日本周南电工的18MVA电炉，生产含铬56.7%的高碳铬铁时电力消耗为1 920～2 100kWh/t，大约是我国目前电炉电力消耗的1/2。采用这种类似工艺的前苏联西伯利亚电钢厂的16.5MVA电炉冶炼高铬含量（含铬69.28%）的铬铁也取得了成功，平均电力消耗指标为3 049 kWh/t（折合成为含铬为60%的基准吨时），昼夜最低电耗指标为2 300 kWh/t。南非采用这种工艺的电炉虽然还存在诸多问题，但生产也基本正常。

在节电、利用低价铬粉矿、提高铬的收得率3个方面，这种30多年前就已经用于工业生产的技术值得借鉴。由于科学技术的飞速发展和外部条件的变化，我们不应该完全套用这些技术，而是应该结合我国国情，与国外研究院所共同合作开发出比SRC更先进的“铬铁预还原—高温入密闭式矿热炉”的冶炼技术。正如国内镍铁生产采用的RKEF工艺中有许多我国独立开发的技术应用于生产一样。

冷压球团技术、转底炉预还原技术、熔融还原技术、回转窑预还原和顶底复合吹氧转炉熔融还原技术、乌克兰国立冶金大学采用GOR转炉直接生产铬铁水的技术（采用土耳其粉矿）都有其发展前景和优势。

3.开发铬铁现代化冶炼工艺技术

瞄准最先进的粉矿制球（压球和滚动造球两种工艺）—回转窑预还原—配料后热装入矿热炉—大型现代化全封闭的矿热炉冶炼工艺，进行技术开发。打破日本昭和电工技术垄断，开发新技术，取得成就。在技术开发过程中，与国外的研究院所合作，汲取其几十年来在铬铁冶炼领域的经验，可先建设一套小型的“矿粉和焦粉的细磨—干燥和造球—球的烘干—回转窑烧结和预还原—热装入电炉冶炼”的工业试验生产线，并聘请曾经操作过类似生产线的技术专家和操作人员共同进行试生产。在技术上取得突破后，建设大型的、现代化的铬铁生产工厂。

目前，规划院正在跟踪乌克兰国立冶金大学利用现有冶炼不锈钢的小型GOR转炉开展熔融还原技术开发项目的进展，并正积极物色感兴趣的企业投入少量的费用，与之共同开发这种新技术。

三、进一步推广完善镍铁生产技术

1.继续推广红土镍矿冶炼镍铁RKEF技术

利用国外氧化镍矿资源，借鉴国际上成熟先进、节能环保的火法冶炼镍铁技术，开发适合我国国情的红土镍矿高效利用技术，建设现代化镍铁厂，是受国家政策支持、市场潜力大的好项目，也是我国镍工业发展的必然趋势。基于此，规划院早在2005年就专门进行了这方面的研究，认为国家政策支持低品位红土镍矿高效利用技术的开发，为我国镍铁业的发展创造了机遇。国内小高炉镍铁工艺和“烧结机-矿热炉”镍铁工艺都存在高能耗、高污染、质量差的问题，正在被逐渐淘汰。RKEF工艺广泛用于镍铁冶炼，技术成熟、节能环保，是国际上镍铁生产的最主要方法。规划院与国外生产及科研机构合作，研究中国特定的原料条件和能源结构，突破配料模型、回转窑以煤粉为燃料的焙烧和还原、底吹氧气转炉冶炼等关键技术，开发出适合我国国情的RKEF工艺，目前已在许多企业建成投产，并取得成功，对我国镍铁行业的发展做出了贡献。实践证明，尽管镍价处于历史上的低位，但是由于采用先进的镍铁冶炼工艺，充分利用设备和建筑材料低价时期的优势，已经投产的几座现代化的镍铁厂，仍有很好的经济效益。目前，我国镍铁厂的主要任务就是在基本完成小高炉镍铁的淘汰任务以后，尽快淘汰冷装料的、25MVA以下的镍铁矿热炉。

规划院是全国最早推广RKEF工艺生产镍铁的单位，熟悉镍铁生产的各个环节，掌握了从规划、设计到施工、生产的全部技术，推广应用取得了重要进展，并将继续推进以先进的RKEF工艺取代高能耗、高污染的小型镍铁生产厂工作。

2.镍铁生产中除尘灰的再利用

由于红土镍矿中粉料比较多，所以在回转窑和其前面的干燥窑工序产生了大量的除尘灰。由于采用的工艺不同，除尘灰的量波动在原料总量的5%～15%，一座30MVA的矿热炉日用矿量为1 200t左右，除尘灰的量大约为100t，这样大量的除尘灰造成生产过程中严重的原料浪费和工作条件恶化。

为此，规划院首先从设计的角度，采取措施，保证尽可能地减少除尘灰。采取设计方面的措施后，2014年2月10日投产的装备有一座30MVA矿热炉的某镍铁厂，日产含镍12%镍铁150t时，每天的除尘灰总量下降到不超过50t（包括回转窑和烘干窑）。乌克兰帕布什镍铁厂，回转窑除尘采用特殊设计，除尘灰自动回窑，仅有少量的电除尘器产生的除尘灰需要造球处理，两座42MVA电炉，日产410t镍铁时每天需要进行造球处理的电除尘的除尘灰量大约为80t。其次，要有效地利用这些除尘灰。除尘灰是宝贵的原料，该材料的浪费不但污染环境，也会浪费资源，造成生产成本的提高。

目前，国内主要采用的处理方法是：采用烧结机处理、园盘式造球机造球、直接返回料场与原矿混合。造球技术的不成熟和返回料场时的扬尘，已经成为镍铁生产厂的一大负担。

采用“造球-烘干”工艺，将除尘灰造成球再供到回转窑中，是一条正确的工艺路线。乌克兰的造球成本计算过程是：每吨矿粉（除尘灰）加入粘结剂40kg，每吨粘结剂的价格为80美元，每吨除尘灰造成球的粘结剂的成本为3.2美元，再加上电力和人工费用，每吨成本大约为4美元，折合人民币25元，这个成本是镍铁厂完全可以接受的。这种圆筒式的造球机的设备费用为一台5万美元（造球的能力为100t/d），但是前面要为其配套料仓和混合料的装置，后面要配套球的筛分和干燥装置，估计投资在100万元人民币左右。

四、镍铁水再加工成为不锈钢

目前，国内的镍铁水普遍低硫、低磷，可以简化精炼操作，并直接冶炼成为不锈钢。我国国内的镍铁厂每年的生产规模多在8～20万吨，只有少数的几个镍铁厂向年产镍铁50万吨的规模发展。为大型镍铁厂配套建设不锈钢冶炼厂，在只冶炼300系列不锈钢时，生产规模将被局限在年产50万吨左右。同时，生产200系列不锈钢时，也难以建设经济规模的不锈钢生产厂，热轧车间多数也只能发展中宽带钢。

1.小型镍铁厂发展不锈钢冶炼

一个两台30MVA矿热炉冶炼设备组成的小型镍铁生产厂，年产含镍12%左右的镍铁10万吨。目前，国内镍铁销售中，铁不计价。每年将有88 000t铁无偿地送给不锈钢生产厂，目前，我国L10生铁含税吨价为2 450元，全年损失铁的价值为2.156亿元。目前，镍铁厂实际利润很低，损失的价值远远超过年利润。

延伸镍铁厂的产业链，可以建设由1座酸性GOR转炉、2座碱性GOR转炉组成的小型耐蚀钢厂。其产品方向为：一是与不锈钢铸件需求企业合作，为其提供不锈钢铸件，包括阀门件和其他不锈钢铸件；二是为国内大型不锈钢件的锻造企业和周期式轧管机的钢管厂提供大型的钢锭，为国内的中板厂提供不锈钢的扁锭；三是建设连铸机，生产钢坯；四是生产精制的粒化镍铁，供应VOD炉使用，当然也允许有部分粗制的镍铁水直接浇铸成为铁锭，以现在的渠道供给不锈钢冶炼厂。

这种工厂配套建设GOR转炉的参数大致是：转炉容积15～20t；酸性转炉1座；碱性转炉2座；粗制铁水的精炼量每炉10～20t（要求有比较大的调整量）；注入粗镍铁温度为1 280～1 350℃；酸性转炉金属温度不超过1 550℃；碱性转炉金属温度不超过1 700℃（可以生产精炼镍铁，也可以直接生产不锈钢）；炉容比为0.85m3/t；酸性转炉的吹炉时间不超过40min（由于热效率好，可以加入大量的毛铁等冷料），碱性转炉不超过0。

由于镍铁水纯净，加之冶炼过程中的原料基本上都是第一次使用，不存在金属的“老化”问题（多次熔炼后的金属晶粒粗大），铸坯和铸件的质量会很好。

2.项目设想

为了长远发展，企业可以考虑建设自己的铸件生产线，如有必要可以与乌克兰工厂合作，建设新的生产厂，生产耐高温、耐高压的特殊钢专用阀门，以低成本进入市场，附加值高，效益好。但是由于不锈钢的铸件市场有限，只能根据地域条件考虑是否适合建设铸造厂。

在不宜建设铸造厂的地方，可以考虑建设同时生产不锈钢钢坯、钢锭、精制镍铁的后部工序的工厂，这原因是几种产品的冶炼工艺相似，所用的冶炼设备也基本相同。

考察的国外镍铁厂原来生产粗制镍铁，由于原料价格上涨和粗制镍铁市场竞争激烈，近年来转产用于VOD冶炼的精制镍铁，取得较好的经济效益。以精制镍铁粒化装置替代粗制镍铁的铸铁机，投资不大，工艺比较简单，收益比较好。

直接用镍铁水和铬铁水冶炼不锈钢的课题，可以作为铬铁和镍铁工厂发展的方向进行研究。规划院正在开展新一代不锈钢冶炼厂方案和工艺的设计，争取早日应用于行业实践，再一次推动不锈钢行业的技术和效益突破。

此外，2014年2月，工业和信息化部公告了第五批符合铁合金及电解金属锰行业准入条件的48家企业名单，同时布置了第六批铁合金准入公告申报工作，并对铁合金行业准入条件进行了修订（预计今年下半年发布），要在环境保护、能源评估、清洁生产、能源中心建设，以及企业生产布局（入区入园、退城进园）和总量控制等方面进一步提高要求，这对引导铁合金企业规范健康发展，遏制低水平盲目投资意义重大。规划院作为修订准入条件和铁合金准入公告管理的重要单位，也将积极配合企业和政府部门做好相关准入管理各项工作。

五、结束语

总之，我国铁合金工业发展面临着效益下滑、节能减排和低碳经济的压力，为此规划院通过设立铁合金产业发展研究中心，整合在合金矿资源、铁合金行业现状和市场研究、生产工艺和装备、新技术推广和工程项目服务以及国际交流和合作等方面的业务资源和优势，通过上述课题的研发，进一步扩大与国内外政府部门、铁合金科研机构、生产企业、权威专家的合作，强化工程技术咨询服务，推广新技术、新工艺，节能减排、循环经济、降低成本、提高效益，共同为我国铁合金工业的科学发展做出贡献。

[1]陈洪飞，彭锋.铁合金产业升级呼唤技术进步[N].中国冶金报，2013-10-29.

[2]刘晓民，姜晓东，鹿宁，等.开发中国特色红土镍矿冶炼工艺建设现代化镍铁厂[J].铁合金，2009（2）.

（作者单位：1.作者为冶金工业规划研究院副院长，北京100711；2.冶金工业规划研究院，北京100711）

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1002-1779（2014）04-0004-05