賈利軍，湯彥玲

（山東省冶金設(shè)計院股份有限公司，山東 濟南 250101）

作為一個鋼鐵大國，中國的鋼鐵產(chǎn)量近30年以來穩(wěn)居世界第一。目前中國和全世界的鋼鐵生產(chǎn)依然大多保持著傳統(tǒng)的高爐-轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)流程。對于高爐而言，焦炭、燒結(jié)礦是必不可少的原料，而燒結(jié)、煉焦工藝產(chǎn)生的二惡英、硫化物、氮化物等污染物會極大地污染環(huán)境，不利于我國的生態(tài)文明建設(shè)，同時傳統(tǒng)高爐煉鐵流程因受到焦煤資源、優(yōu)質(zhì)鐵礦資源的日益減少的影響，不適合我國鋼鐵行業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略需求。

非高爐煉鐵因可以不用或者少用焦炭和燒結(jié)礦，大大降低因焦化、燒結(jié)帶來的二惡英、呋喃、焦油和酚的污染排放，同時不受焦煤資源的制約，近年來得到了行業(yè)極大關(guān)注，被認(rèn)為是實現(xiàn)節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展的最佳選擇。

非高爐煉鐵主要包括直接還原和熔融還原兩種工藝，直接還原煉鐵以豎爐直接還原工藝為主導(dǎo)，利用富含還原劑的氣體作為還原劑和熱載體，來對球團礦進行直接還原，生成產(chǎn)物為海綿鐵。我國天然氣資源短缺是限制我國直接還原煉鐵技術(shù)發(fā)展的瓶頸。國內(nèi)山西中晉冶金科技有限公司與中國石油大學(xué)合作開發(fā)了用于氣基豎爐直接還原工藝的還原氣制備技術(shù)，很大程度上解決了我國天然氣不足的問題，此項目命名為CSDRI。同樣，MIDREX、HYL-III等國外技術(shù)同樣也是氣基直接還原煉鐵技術(shù)[1]。

熔融還原煉鐵工藝以非焦煤為能源，在高溫熔態(tài)下進行鐵氧化物還原，渣鐵完全分離后得到鐵水。其目的是以煤代焦和直接用粉礦煉鐵，使煉鐵流程簡化，污染減少，已經(jīng)受到許多國家的重視。幾年來，國內(nèi)在熔融還原工藝的引進、消化吸收、創(chuàng)新方面做了大量的工作，截止目前已有兩座熔融還原煉鐵工廠在運行，分別運用寶鋼八一鋼鐵歐冶爐工藝和墨龍HIsmelt熔融還原工藝（以下簡稱ML-HIsmelt）。本文著重就ML-HIsmelt煉鐵工藝的技術(shù)流程特點、工藝創(chuàng)新以及運行現(xiàn)狀進行了闡述，同時介紹了當(dāng)前存在的問題及改進措施。

1 HIsmelt工藝流程簡介

HIsmelt煉鐵工藝（見圖1）是已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的熔融還原煉鐵技術(shù)之一，屬于當(dāng)今冶金領(lǐng)域前沿技術(shù)，是典型非焦熔融還原煉鐵工藝。其工藝流程如下：生產(chǎn)所需的鐵礦粉、煤和熔劑等爐料在原料場堆存后，經(jīng)原燃料輸送系統(tǒng)輸送到礦粉預(yù)熱預(yù)還原系統(tǒng)及煤粉制備系統(tǒng)，在礦粉預(yù)熱預(yù)還原內(nèi)完成鐵礦粉的預(yù)熱預(yù)還原，被加熱的鐵礦粉經(jīng)過熱礦輸送機進入熱礦噴吹系統(tǒng)；原煤進入煤粉制備系統(tǒng)后，經(jīng)過干燥破碎后進入煤粉噴吹系統(tǒng)，被加熱的熱礦粉和破碎后的煤粉分別經(jīng)過各自的輸送管道、水冷噴槍噴吹到熔融還原爐（簡稱SRV爐）內(nèi)，其中煤粉噴入融池中后，煤開始裂解，碳元素溶于鐵水中，礦石開始熔化并形成熔渣。鐵水熔池中由于劇烈反應(yīng)產(chǎn)生大量氣體，在熔池中具有強烈的攪拌作用。由于熔池內(nèi)的氣體攪拌和頂部熱風(fēng)噴槍的射流，大量渣鐵混合物被噴濺到熔池上部，形成過渡區(qū)，過渡區(qū)是發(fā)生還原反應(yīng)及熱傳遞的重要區(qū)域，對過渡區(qū)的控制是冶煉操作的核心部分。

圖1 HIsmelt工藝流程圖

生產(chǎn)的鐵水經(jīng)過前置爐排出，進入鐵水罐，然后經(jīng)鐵水倒運裝置依次經(jīng)過鐵水脫硫、鑄鐵機生產(chǎn)合格生鐵。冶煉產(chǎn)生的熔渣經(jīng)專用渣口排出，進入水渣?；到y(tǒng)。

SRV爐生產(chǎn)的大量高溫煤氣經(jīng)煤氣室導(dǎo)出，依次進入汽化冷卻煙道、高溫旋風(fēng)除塵器，進行降溫及初除塵，降溫后的半凈煤氣再進入余熱鍋爐，進一步回收煤氣顯熱，降溫后的煤氣溫度約200℃，進入煤氣凈化系統(tǒng)，完成最終凈化，進入管網(wǎng)，供下游用戶使用。汽化煙道和余熱鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽，用于發(fā)電。

2 HIsmelt熔融還原工藝主要特點

HIsmelt熔融還原工藝主要特點[2]如下：

（1）工藝流程短、工廠建設(shè)相對簡單、占地面積小。

（2）操作簡變、靈活，具有快速響應(yīng)特性。

（3）原料要求低、物料范圍廣，可使用低品質(zhì)的礦粉和非焦煤。

（4）鐵水質(zhì)量穩(wěn)定，可生產(chǎn)低硅、低磷鐵水。

（5）環(huán)保優(yōu)勢明顯，沒有二次污染物排放，取消焦?fàn)t、燒結(jié)，基本遏制二惡英、呋喃、焦油和酚等污染物的排放。

3 ML-HIsmelt工藝生產(chǎn)實踐

HIsmelt技術(shù)經(jīng)過近40年的研發(fā)和實驗室驗證、工業(yè)化生產(chǎn)，截至目前，已經(jīng)歷兩次工業(yè)化生產(chǎn)。

第一次：在澳大利亞奎那那工廠，2005～2008年；約生產(chǎn)生鐵塊388 273 t，受世界金融危機影響，HIsmelt奎那那示范廠2008年停產(chǎn)，且不再復(fù)產(chǎn)。

第二次：國內(nèi)墨龍公司于2012年確定引進HIsmelt熔融還原煉鐵技術(shù)，在原工藝流程的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化、升級，該項目于2016年6月建成投產(chǎn)，投產(chǎn)至今經(jīng)過不斷的優(yōu)化完善，累積操作經(jīng)驗，優(yōu)化生產(chǎn)指標(biāo)，先后經(jīng)歷十多次的停開爐探索實踐。通過不斷調(diào)試摸索，墨龍HIsmelt技術(shù)團隊先后解決了SRV爐熱平衡的穩(wěn)定性控制、物料噴吹的反應(yīng)性研究、熔融還原SRV爐泡沫渣控制、DCS系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制、物料的平衡反應(yīng)模擬、流體動力學(xué)優(yōu)化、熱力系統(tǒng)改進、礦粉輸送防堵塞系統(tǒng)升級、磨煤系統(tǒng)改造升級、還原劑噴吹系統(tǒng)邏輯優(yōu)化、噴槍結(jié)構(gòu)優(yōu)化及煙氣循環(huán)系統(tǒng)改造等一系列影響工藝連續(xù)性與技術(shù)穩(wěn)定性的關(guān)鍵難題。在此基礎(chǔ)上，依托墨龍集團的裝備制造技術(shù)優(yōu)勢對核心設(shè)備進行了優(yōu)化設(shè)計與重新加工制造。

隨著工作人員對工藝流程和生產(chǎn)操作的逐步熟悉，以及對故障設(shè)備的檢修更換、工藝規(guī)程的進一步修改完善，ML-HIsmelt工藝無論從作業(yè)率、操作穩(wěn)定性以及能耗指標(biāo)方面都有了質(zhì)的提高。截至目前共計產(chǎn)出約150萬t鐵水，當(dāng)前日最高產(chǎn)量達到2 026 t、月產(chǎn)量達到55 214 t，設(shè)備不間斷作業(yè)已達到157 d，其各項生產(chǎn)指標(biāo)均超過澳大利亞奎那那的HIsmelt工廠，過去2020年全年實際作業(yè)305 d，產(chǎn)能約53萬t。

ML-HIsmelt技術(shù)自投產(chǎn)以來的典型操作參數(shù)見表1。

表1 ML-HIsmelt典型操作參數(shù)

通過兩次生產(chǎn)指標(biāo)的對比可以看出，引進后的技術(shù)指標(biāo)均超過原澳大利亞工廠生產(chǎn)指標(biāo)，究其原因可以從兩方面考慮：（1）ML-HIsmelt工廠設(shè)計是基于原澳大利亞工廠設(shè)計生產(chǎn)實踐經(jīng)驗低基礎(chǔ)上完成的，使得工藝流程更加完善、設(shè)備配置及選型更加合理；（2）隨著ML-HIsmelt工藝技術(shù)在國內(nèi)的深入發(fā)展，以及從業(yè)人員對HIsmelt工藝技術(shù)更加熟悉，操作經(jīng)驗的逐步積累優(yōu)化，對工藝操作參數(shù)的選取以及優(yōu)化控制變得更加成熟。

通過生產(chǎn)實踐檢驗，ML-HIsmelt工藝的優(yōu)越性得到充分體現(xiàn)，無論是原、燃料選取的靈活性適應(yīng)性、較低的冶煉成本、操作簡單靈活、環(huán)境友好型還是鐵水質(zhì)量的穩(wěn)定和優(yōu)質(zhì)等優(yōu)點均得到了很好的驗證，也更進一步說明HIsmelt技術(shù)是可行的。

4 存在的問題及改進方法

雖然，通過國內(nèi)外兩套設(shè)備的實踐運行證實了ML-HIsmelt工藝本身的可行性及優(yōu)越性，但是要想取代傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝還有很長的路要走。

就國內(nèi)工廠而言，因為前期設(shè)計、設(shè)備選型等問題，存在系統(tǒng)作業(yè)率偏低、設(shè)備故障率高、產(chǎn)能達不到設(shè)計指標(biāo)等現(xiàn)象，實際年產(chǎn)約60萬t，僅達設(shè)計產(chǎn)能的約80%。其不達產(chǎn)的原因主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）設(shè)備故障率偏高。

第一，利舊設(shè)備故障率高。現(xiàn)有墨龍HIsmelt生產(chǎn)工廠為搬遷工廠，工廠中部分設(shè)備由原國外工廠利舊而來，因利舊設(shè)備老化以及原廠長時間的停產(chǎn)導(dǎo)致設(shè)備性能降低，是導(dǎo)致新工廠運行不穩(wěn)定的主要原因，其主要體現(xiàn)在噴煤制備及噴吹系統(tǒng)、鑄鐵機系統(tǒng)，截止目前所有利舊設(shè)備幾乎全部更新?lián)Q代，故障率明顯降低。

第二，新設(shè)備的故障問題。設(shè)計初期HIsmelt工藝的流程進行了優(yōu)化，但對優(yōu)化后部分工序缺乏準(zhǔn)確的設(shè)計資料，以及對優(yōu)化工藝本身不熟悉，導(dǎo)致設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選型等方面不合理，引起設(shè)備故障，比較典型就是開爐初期汽化冷卻煙道漏水以及回轉(zhuǎn)窯耐材脫落等現(xiàn)象。隨著生產(chǎn)的逐步深入，通過對事故的不斷總結(jié)分析，進行了不斷的改進完善，截止現(xiàn)在問題已得到妥善解決。

（2）主要工序不達標(biāo)是目前導(dǎo)致產(chǎn)能不達標(biāo)的主要原因，最主要體現(xiàn)在熱風(fēng)溫度和回轉(zhuǎn)窯預(yù)熱預(yù)還原兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

熱風(fēng)溫度的影響：ML-HIsmelt熔融還原工藝富氧熱風(fēng)功能類似傳統(tǒng)高爐，主要為爐內(nèi)提供熱量及氧化劑，其溫度越高對產(chǎn)能提升越有利，原設(shè)計溫度≥1 200℃，但實際運行溫度始終在1 000℃左右，較設(shè)計值偏差較大，經(jīng)理論計算在其他條件不變的情況下，熱風(fēng)溫度每提高100℃，鐵水產(chǎn)量可增加3.9 t/h，因此可以通過提高熱風(fēng)溫度從而提高HIsmelt的設(shè)計產(chǎn)能。熱風(fēng)爐屬于傳統(tǒng)高爐成熟設(shè)施，其提高風(fēng)溫的措施可借鑒高爐工藝的方法進行優(yōu)化調(diào)整。

預(yù)熱預(yù)還原的影響：對ML-HIsmelt熔融還原工藝而言，入爐礦粉溫度及還原度對SRV爐的冶煉強度有較大的影響。目前回轉(zhuǎn)窯礦粉預(yù)熱預(yù)還原系統(tǒng)的出料溫度在500℃左右，不具備還原條件，因此沒有預(yù)還原，僅相當(dāng)于熱礦入爐，較設(shè)計參數(shù)入爐溫度750℃、預(yù)還原度10%～15%偏差較大，所以嚴(yán)重影響了產(chǎn)能的發(fā)揮。因此，如何提高入爐礦粉溫度和還原度是提高ML-HIsmelt熔融還原工藝產(chǎn)能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

（3）基本設(shè)計資料問題，導(dǎo)致部分系統(tǒng)工藝流程及設(shè)備選型不合理。

國內(nèi)工廠的基礎(chǔ)設(shè)計資料均依靠理論技術(shù)數(shù)值及原澳國外工廠的操作實踐，雖然國內(nèi)外對熔融還原工藝進行了大量的理論和實驗研究，但是工廠生產(chǎn)實踐時間較短，經(jīng)驗積累不足，使得墨龍工廠建廠前的部分系統(tǒng)工藝流程與設(shè)備選型不是很合理。但是，經(jīng)過墨龍工廠近幾年的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗的總結(jié)，在新的工廠設(shè)計中會得到很好的解決。

（4）新工藝、新技術(shù)，從業(yè)人員相對較少，不具備企業(yè)間相互對標(biāo)、相互促進的條件，這也是制約其產(chǎn)能、技術(shù)指標(biāo)提升的因素之一。

相信隨著時間的推移，ML-HIsmelt相關(guān)人員對ML-HIsmelt工藝熟悉度的提高，以及工藝設(shè)備的優(yōu)化改進，ML-HIsmelt技術(shù)的產(chǎn)能、作業(yè)率都將會達到新的高度，可以實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)，尤其在新建項目中完全可以克服以上影響產(chǎn)能的因素。

在新工廠的設(shè)計中，為提高ML-HIsmelt工藝系統(tǒng)的整體運行穩(wěn)定性及作業(yè)率，降低系統(tǒng)的故障率，提高產(chǎn)能，進而降低工序能耗，成為真正的環(huán)保、低碳、節(jié)能煉鐵技術(shù)，對現(xiàn)有工藝的進一步優(yōu)化改進是非常有必要的，其工藝設(shè)計應(yīng)主要把握以下原則：

（1）通過旁備用設(shè)施或者旁路的方式，盡量使得上下游工序間既相互聯(lián)系又不相互制約，可以獨立運行，降低工序間的連鎖效應(yīng)，提升系統(tǒng)的作業(yè)率，該措施雖然會引起投資的增加，但是對提升系統(tǒng)生產(chǎn)穩(wěn)定性和作業(yè)率至關(guān)重要；

（2）針對全廠影響較大的關(guān)鍵設(shè)備，在提升設(shè)備質(zhì)量的同時，優(yōu)化檢修設(shè)施，故障時可以快速更換，避免長時間影響生產(chǎn)；

（3）對現(xiàn)有工藝路線不合理之處進一步優(yōu)化，做到物料運行流暢、工序穩(wěn)定；

（4）對當(dāng)前工廠已出現(xiàn)的故障率較高的系統(tǒng)進行分析總結(jié)，從設(shè)計、設(shè)備選型方面爭取做到最優(yōu)；

（5）通過工藝優(yōu)化，降低現(xiàn)有工廠的污染物排放，盡可能做到物料封閉傳輸、不落地，減少無組織排放，在產(chǎn)能提升的同時，達到環(huán)保清潔生產(chǎn)的目的。

5 總結(jié)

ML-HIsmelt熔融還原工藝是商業(yè)化的熔融還原煉鐵工藝之一，也是截止目前唯一不使用焦炭的熔融還原煉鐵技術(shù)，符合中國的鋼鐵工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，煉鐵工藝升級換代，淘汰落后技術(shù)，實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)業(yè)政策的戰(zhàn)略需求。隨著現(xiàn)有工業(yè)化裝置的穩(wěn)定運行、以及國內(nèi)更多的鋼鐵企業(yè)選擇ML-HIsmelt熔融還原工藝，ML-HIsmelt工藝將會越來越成熟，未來將成為我國熔融還原煉鐵工藝的發(fā)展方向。