新型直接还原海绵铁“DH装备”论坛

王东海

摘要：本文所介绍的，是为了满足我国钢铁领域的发展需要，研制开发的新型“非高炉”炼铁工艺。主要内容是改变了传统的炼铁模式，缩短了炼铁工艺流程，达到钢铁工业降低能耗，清洁生产，与环境友好的现代化生产装备，新型“DH-DRI”装备。

关键词：海绵铁；非高炉炼铁产物；“DH-DRI”装备

1.直接还原海绵铁DH装备的发明起源

DH装备是现代化新型“非高炉炼铁”装备。研发背景是在国家改革开放的相关政策；《钢铁工业“十一五”发展规划》、《产业结构调整指导目录2005年本》、《国家中长期科学和发展规划纲要（2006-2020年）》提出了优先支持研发或探索冶金关键技术装备。加快积极研究和开发“直接还原非高炉炼铁”工程化关键技术装备的鼓舞下，展开了直接还原铁实质性的研究和开发。

DH装备历经十年的风风雨雨，途经重重困难，经过无数次探索和实验，攻坚克难闯难关，势如破竹地把难点攻破，最终获得了圆满成功，扎实落地。总耗资三千八百四十六万余元。直到2014年先后获得“非职务发明”授权，十二项国家专利，其中一项发明专利；十一项实用新型专利，还有十六项正在申报中。

装备起名是选用发明人的名子命名，全称为“东海直接还原海绵铁装备”。DH是东海名子的汉语字头缩写，简称“DH装备”。该装备属于钢铁冶金前沿技术，是新型“直接还原铁”生产装备。产品“海绵铁”它的产出是在低温的条件下直接还原所得到的固态金属铁，形似海绵而得名，世界统称海绵铁，英文缩写“DRI”。本文以下简称“DH-DRI”生产装备。

2.海绵铁产品介绍

“海绵铁”（DRI）也叫直接还原铁它是“非高炉炼铁”产物。它与“高炉炼铁”产物“面包铁”是同一类产品，都是炼钢原料。“海绵铁”（DRI）是冶金工业的高级炉料。它的生成，是铁氧化物（精铁矿）在低温的条件下直接还原所获得的固态金属铁，它是单质纯铁。所以是冶炼精钢、特种钢的必备炉料，也可做炼钢中的稀释剂。

3.DH装备技术论坛

新型“DH-DRI”生产装备的基本原理，仍属竖炉流化床，但与竖炉流化床的工艺流程是完全不同的两回事。新型生产装备的主要创新特点体现在以下几个方面：一、主体设备优化；二、主体结构优化；三、主题能源优化；四、炉料结构优化；五、生产过程实施网络管理优化；六、描述作业过程网络管理。以下将优化结构分别作一描述。

3.1主体设备优化

“DH-DRI”的主体设备优化描述，采用耐高温防渗碳的金属管制成竖直的炉体，炉体上下呈等径圆筒状，形成一个竖直还原通道，上方是进料口，下方是出料口。外设真空金属炉壁，采用防腐耐高温金属材料制成，炉壁与炉体之间构成燃烧室，下设煤气输送及点火装置。炉壁上装有电加热元件。该炉体与任何厂家的炉体相比，是完全不相同的，内设有螺旋式炉料推进装置，是将静态炉料转变成动态炉料，不需要炉罐，直接入炉还原，减去了炉罐费用。

3.2主体结构优化

优化主体结构描述，主体结构是有主体设备并联群组合成；实际是由数个单元炉并联在一起组成庞大的主体结构，构成生产规模（一个单元炉年产约3万吨）。优化的主要特点在于三个系统；由煤气站统一供热；由运料系统统一供料；出料统一运送。外设三个分支机构；一是煤气站；二是还原剂废渣活化煤质颗粒活性炭；三是海绵铁热值发电厂。整个生产结构相互依赖，相互利用，形成一个循环作业产业链，构成一个庞大自动化生产格局。

主体结构装配描述；主体结构的炉体上方设有尾气回收装置与气体洗涤塔联通；尾气回收装置上方设置有高位料仓与进料仓联通；料仓上配置有自动上料装置，与上料系统联通；炉体下方连接配置有水冷却系统（无压式热传导锅炉），与配置的分支机构发电厂相连；水冷却系统下方的炉料出口设有自动分选装置。自动分选装置配置有两路输送系统；一路将产品送入库房；一路将还原剂废渣送入配置的分支机构，活化煤质活性炭车间。

单元炉的组合主张在30-50座炉以上，主要为了应用“海绵铁热值”发电的足够能量，确保发电厂正常运行，否则便形不成最理想的循环作业体系。

3.3主体能源优化

主体能源采用气能、电能两用加热法。初期采用煤制气作主体能源，加热还原通道，生产海绵铁。而后有海绵铁载热介质，通过热交换产出的热能做发电能源驱动发电机组发电。长期运行，由生产过程中产出的电力，加热还原通道，由电热流程生产海绵铁。

根据实绩经验表明，电力加热法生产海绵铁。优点：加热温度控制精确，无噪音无排放，温度分布均衡，便以调整。缺点：电加热元件价格比较昂贵，有一定的使用寿命，到期更换安装比较麻烦，需要停机更换。电力用于其它生产创造的附加值高于生产海绵铁。主张最好不采用电加热直接还原方式。企业可根据实际情况自行选择。

3.4炉料结构优化

炉料结构优化，采用（67%/TFe）铁矿精粉为最低标准，制成铁球；煤质还原剂（含碳量50%）制成煤球；而后将球烘干。铁球和煤球按照适应的一定比例混合。形成干式“混合炉料”直接入炉还原，不需要装炉罐。

3.5生产过程实施网络管理优化

主体结构网络管理的特征，是在每一个生产环节中都配置了自动化运行生产系统，而且产品比较单一，主产线仅有非高炉炼铁，产物海绵铁（DRI）。煤制气、物料制球、余热发电、煤质还原剂废渣活化成煤质颗粒活性炭，其都是主体结构的分支机构，它们都配置了自动化生产系统，并且都是单制程，既能集成统一管理，又能分散制程。在架构MES网络管理系统中都具备网络互联及网络共享。

3.6描述作业过程网络管理

“DH-DRI”装备具体架构MES管理生产过程中，必然要采集生产过程的实施数据，汇集到MES系统中，实时动态调度：需要MES承担起覆盖质量设计、产品制造一体化的计划编制功能；对突发事件的实时调度功能；合同、物料、设备状态的实时监控和追踪功能；生产实绩、实际成本等数据的实时处理功能。MES收集在线产生的过程数据，建立物料的实时数据库，这些数据应该进入管理层的数据库和决策层数据库。MES是ERP及PCS间的信息纽带，与ERP系统及PCS系统要有良好的集成性，做到无缝连接及高度的数据共享。这就是新型DH-DRI技术装备优化网络管理的特征，在同行业中是唯一全面实施网络管理技术的功能装备。

4.DH-DRI装备产业聚焦

我国是发展中大国，又是世界上第一大钢铁生产国，而又是世界上第一大钢铁消费国。随着我国钢铁产业结构的调整，钢铁工业也在技术升级、产品升级，达到世界领先水平。

5.DH-DRI装备直接还原关键技术描述

“DH-DRI”技术，还原的基本原理不变，属于革新的竖炉形式，整个生产设备和生产结构进行了全面的革新改造。现将“竖炉流化床”和“DH-DRI”装备这两种装备做一对比。

以FINMET流化床直接还原流程为例，它是由奥钢联与委内瑞拉FIOR公司联合开发的，在澳大利亚BHP DRI公司投产。它的主体设备分别有4个流化床单体炉。它的还原是在4个串联起来的流化床中完成。粉矿的流向与还原气相反，首先依次通入第一、第二、第三个流化床，完成预热和预还原。最后通入第四个流化床来完成整个还原过程。“DRI”金属化率保持在90%左右。炉体标准以大型化标准设计，相应延长了热缩核时间，同时增加还原时间。生产过程中易出现黏结夹带问题。相应炉体设计也比较复杂。

“DH-DRI”装备关键技术在于主体设备，采用耐高温防渗碳金属管制成的细长还原通道，通道内设置有炉料螺旋推进装置。炉料自上而下移动，途径不等温度梯度，进行不等的热力学反应和化学反应，来完成直接还原流程。该工艺技术改变了整个还原形势；由静态炉料转变成动态炉料，增强了还原气氛，提高了还原速度。

“DH-DRI”生产装备运行包括如下步骤：

5.1首先采用煤气发生炉，利用煤制气方法生产“DRI”。其结果是将碳氢化合物（C、H、O）经过脱硫净化和水洗涤后，将燃气输送到竖炉端的燃气输送装置中，由点火装置点燃，加热还原炉体，为外热式煤气加热法。

5.2还原海绵铁的生产作业过程是在不停的运行，还原的海绵铁也在不停地进入水冷却区段冷却（热传导锅炉）。将海绵铁内的热质交换传出，被水吸收，生成饱和蒸汽析出，做汽轮发电机组能源，产出的电力输送到厂内自备电站，再送入各个生产区配电室，用于电加热生产“DRI”。

5.3“DH-DRI”生产作业过程中相互利用因素，为连续运行，是还原产物携带自身热质，在冷却区段内进行不停的向下移动，热质也在进行着不休止的热质转换，致使“DRI”降至常温出炉。热量被水吸收转换成热能量，能够保持足够的能源，持续持久发电，用于海绵铁（DRI）生产。

5.4“DH-DRI”生产作业过程管理，采用MES技术网络架构“DH-DRI”企业，实施信息化集成软件管理系统。建立操作生产作业指挥平台实施执行管理。MES系统主要涵盖全产线生产作业过程。还涵盖着炉体温度、上料系统、出料系统、配料系统、控水系统等。其中主要包括生产计划管理、物流管理、库房管理、财务管理等。以数学形式编入数据库，数据库接口与计算机紧密连接集成执行生产作业环境。

6.DH-DRI装备发展远景

“DH-DRI”生产装备在国内外尚属首例。符合钢铁工业生产条件。在吉林省延边州和龙市成立了“吉林高科还原铁有限公司”。在此期间公司要组建起六大专业技术团队。一、设备制造团队；二、工程建设团队；三、设备安装团队；四、ERP系统架构实施团队；五、生产作业团队，六、维修服务团队。形成一个具有高标准、高素质、高文化、高智能管理队伍。

传统炼钢工艺的前沿环节主要是高炉炼铁。高炉炼铁主要环节是烧结、炼焦、高炉炼铁三大必要工序，能耗占吨钢综合能耗85%左右。钢铁领域是当今社会环境的主要污染源。是治理节能减排的重点领域。

直接还原“DRI”，以非焦煤或天然气、煤制气代替焦炭作为炼铁主要能源，原料用全铁较高，生成温度较低的球团矿取代高温的烧结矿，对我国钢铁产业结构优化，节能减排有着重要意义。

直接还原称作“非高炉”炼铁。其工艺的关键是：资源较广泛，价格较便宜的煤代替焦炭能源。以品位较高、生成温度较低的矿粉和球团矿代替了烧结矿。改进了炉料技术，从源头上进行了能源改造。海绵铁是将铁矿石在固态状况下直接还原为单质铁。比高炉生产铁水温度低，渗碳少，但因Si、AI和S、P、Mn、Mg等元素仍以氧化物形态存在，化学成分不符合钢的要求。还须在电炉或转炉及其它装置进一步熔炼，属于二步法炼钢。

现时运行的隧道窑、回转窑、转底炉、煤基竖炉的能耗经济技术指标相应比较落后。这些难题主要原因在于基础设施的落后，机械化条件差，生产条件和生产环境差。生产技术绝大多数还是手工烧炉，技术实施难以掌控，造成了还原质量不稳定，产品质量不可靠。强调追求质量只能是增加能耗。在原有基础上进行改造，但使用价值也不乐观，科技含量价值不大。这就是直接还原在我国发展比较缓慢的主要原因。

“DH-DRI”是通过全面了解国内外“直接还原”工艺的性能以及技术的优势和弊端，综合了各个方面的先进技术进行了优化，详细分析和研究了工艺中可应用的成熟技术，以及其他行业可用的成熟技术。取长补短综合利用。打破了传统的设计思路，以树立绿色低碳消费的思想理念，科学的设计研发方案。打造出一个具有中国特色的“绿色消费直接还原”DH-DRI装备。不久将成为我国钢铁工业必不可缺少的重要组成部分。