熔融还原炼铁技术分析与发展建议

赵中秋

（北京首钢铁合金有限公司，北京 100023）

许多国家都在积极开发、研究熔融还原炼铁新工艺。如奥钢联的COREX、韩国POSCO和奥钢联联合开发的FINEX、澳大利亚的HIsmelt等。我国早在上世纪60年代就开始展开熔融还原炼铁工艺的研究。作为一个钢铁大国，我国的钢铁总量、资源特点和环境压力使熔融还原工艺有着非常广阔的应用前景。我国应该在熔融还原工艺方面有长远的发展规划和相应的投入。

1 国际熔融还原技术发展

熔融还原工艺分为一步法和二步法：一步法工艺：Romelt，HIsmelt和HIsarna工艺。这些工艺几乎都没有预还原过程，不能实现理想的逆向流动，而且由于压力有限，要求气体量要大，设备的容积要大。两步法工艺：这些工艺生产金属化率达100%的海绵铁，然后在一个独立的熔化炉里或一个整合的熔融段将海绵铁熔化。这些工艺中以Fastmelt，ITmk3和以前的KR工艺较典型。采用的是逆向流动操作。

熔融还原技术更趋于采用二步法：预还原装置主要是竖炉、流化床、转底炉；终还原装置有半焦填充床、铁浴炉、电炉。熔融还原技术3大类型：一是以较高预还原度和半焦填充床为终还原炉相连接，低二次燃烧率的COREX、FINEX；二是低预还原度和竖式铁浴炉相连接、高二次燃烧率的HIsmelt；三是以铁碳球团通过转底炉还原，连接电弧终还原炉的Fastmelt、Itmk3技术等。

（1）工业化的COREX工艺。目前可以进行商业化生产的只有COREX，主体装置是预还原竖炉和熔融气化炉。块矿和球团加入到竖炉中，还原率到90%以上，通过螺旋排料器再进入熔融气化炉进一步还原和熔化，最终生产出合格铁水。

COREX技术缺点，生产效率偏低，对煤种有严格的限制，需要10%～20%焦炭；只能使用高品位块矿或球团矿，不能使用粉矿；铁水质量和炉龄与大型高炉比有一些差距，设备比高炉复杂。

（2）HIsmelt技术。HIsmelt工艺由德国开发并建了中间试验厂。HIsmelt反应器装的是预热的未预还原的矿石。铁水从前炉连续排出，渣是定期从炉缸上部的渣口排出；最大优点是可以直接使用粉煤、高磷矿，炉体设备比较简单，可以采用高炉的同类设备如：热风炉、煤粉喷吹等。但存在大量高温（1450℃）低热值煤气未利用、炉衬侵蚀较快等问题。

（3）FINEX技术。FINEX工艺技术由韩国浦项公司和奥钢联公司联合开发，第一座年产150万t的FINEX商业化于2007年在浦项钢铁公司开始运行。FINEX是一种直接用烧结用粉矿原料和非炼焦煤冶炼铁水的新工艺。FINEX工艺的关键技术是在流化床反应器内将粉铁矿还原成粉状DRI（直接还原铁）以及使用熔融气化炉将DRI熔融还原为铁水。FINEX工艺主要特点有：直接使用粒度＜8mm的烧结用粉铁矿；使用煤；铁水质量可以与高炉及COREX产出的铁水质量媲美。省去了焦化、烧结和球团工艺，减少了污染排放和资源及能源的消耗。

2 国内熔融还原技术发展现状

（1）2t/h的半工业联动热态试验装置-COSRI。借鉴COREX和日本DIOS两种典型技术路线的优点，COSRI工艺采用中等预还原度和低二次燃烧率的两步法熔融还原技术路线，具有以下技术特点：

以冷固结含碳球团为原料；采用液体渣-焦流动床进行终还原；熔渣中浸没喷吹煤氧制造还原煤气；熔池在强搅拌条件下实现渣铁分离。1999年在承德炼钢试验厂建成了COSRI的2t/h的半工业试验装置（见图1），进行了中试热态试验。使我国成为继德国、日本和澳大利亚后，第四个具有吨级熔融还原联动试验装置的国家。半工业试验初步证明了该工艺技术路线是合理的，在许多方面优于COREX、HIsmelt等工艺。

图1 COSRI流程示意图

（2）宝钢COREX-3000。2005年宝钢引进奥钢联COREX技术并进一步扩容为C-3000，将其设计产能从80万t扩大到150万t/年，于2007年出铁，这是世界上第一座大型的COREX炼铁炉，2011年第二座COREX-3000型COREX装置投产。

（3）20万t纯氧非高炉炼铁工业试验装置。2007年中钢研集团等单位开展了年产20万t熔融还原工业试验装置的开发和工业试验研究，命名为POSRI，在理论研究、工艺、设备设计上有了重大突破，热试阶段工艺流程顺畅，设备运转良好（见图2），但由于试验炉高热值煤气的输出问题而被迫停炉。

（4）8m3一步法熔融还原试验装置。该装置由中钢研集团设计，其氧气高炉炉缸和炉身各设一排风口，炉缸风口喷吹氧气和煤粉，炉身风口喷吹预热的焦炉煤气。试验结果表明：氧气高炉可以实现全氧大喷煤炼铁生产，吨铁喷煤量可以达到450kg；炉身喷吹180Nm3/tFe预热焦炉煤气以后，吨铁焦比降低90kg，煤比降低50kg，生产效率提高约20%；氧气高炉进行大规模工业化生产，有望大幅度降低燃料消耗。

3 我国熔融还原炼铁技术发展建议

熔融还原技术更趋于成熟，技术的趋向更加集中，而开发熔融还原目的是向传统高炉流程提出挑战，使炼铁生产更加清洁环保、降低碳排放、降低能源消耗。

我国应建立一个产学研用一体的，众多企业参加、投入的组织机构，真正研究成功一个流程并推广。

我国开发新一代的熔融炼铁工艺应该具有以下特点：（1）比传统高炉降低碳排放量30%左右；（2）还原气体具有较高的H2含量；（3）流程能耗小于高炉流程，能耗降10%左右；（4）流程煤气脱出CO2，循环利用，CO2用于食品或封存；（5）直接利用球团、块矿或粉矿；（6）不用或用少量焦炭或焦丁；（7）可以接纳钢铁厂固体粉尘直接喷吹；（8）规模在 100 万～150 万 t/年。