炼铁新技术作业

当前非传统高炉炼铁技术的发展及研究现状1学号：
1)北京科技大学冶金生态与工程学院, 北京100083
✉, E-mail:3902@
摘要首先分析了传统高炉炼铁技术发展面临的困扰和障碍，然后叙述了目前非高炉炼铁技术中的直接还原和熔融还原技术，综述了非高炉炼铁技术发展的现状。

着重介绍了走向工业生产和即将进入工业生产的Corex 工艺和Finex 技术的优缺点和存在问题。

最后叙述了高炉炼铁新技术中的氧气高炉，着重介绍了国内外氧气高炉的工业化试验情况。

关键词炼铁技术;高炉;直接还原;熔融还原;氧气高炉;工业化实验
The current untraditional blast furnace ironmaking technology
development and research status
Sxxxxxxei1
1)School of of metallurgical and ecological engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China
✉SxxN xei, E-mail:3xxx0802@
ABSTRACT Firstly, analyzes the problems and barriers to developing the traditional blast furnace ironmaking technology, then introduced the direct reduction and smelting reduction technology in currentnon-blast-furnace iron making technology, summarizes the present situation of the non-blast-furnace iron making technology development.Focus on the advantages and disadvantages and the existing problems of Corex process and of Finex technology whichapplied or will be applied to industrial production. Finally describes the oxygen blast furnace of new technology ofblast furnace ironmaking, focus onthe industrial test stage of oxygen blast furnace at home and abroad.
KEY WORDS ironmaking technology; blast furnace; direct reduction; smelting reduction;oxygen blast furnace; industrialization experiment
1传统高炉发展面临的困扰和障碍
(1) 必须使用焦炭为主要燃料
高炉炼铁必须使用焦炭。

焦炭不仅是高炉还原剂和热量的主要来源，而且是炉内维持料柱的骨架。

大量的冶金焦是现代高炉炼铁不可或缺的燃料。

①焦煤的资源越来越少。

焦煤的供应即使像我国这样富有焦煤资源的国家，其供应也越来越紧张和困难。

特别是焦炭价格成倍上升，导致了生铁成本的大幅上升。

这已成为远离焦煤产地的钢铁企业发展的瓶颈。

由于资源是不可再生的，从长远的角度看，这种状况是不可能逆转的。

同时也应为后代多留一些，不能用之竭尽。

②为保证高炉炼铁焦炭的来源还必须配有相应的建设焦炉生产设施。

不但其投资费用相当昂贵，而且现代焦炉生产焦炭的工艺仍对人类的生态和环境造成了很大的污染，很难从根本上克服。

所以，在发达国家已是明令禁止新建和严格控制生产。

在我国大量使用焦炭，大规模的建设焦炉生产焦炭，对环境所造成污染，也已到了不能容忍的程度。

(2) 必须以一定粒级的块状铁矿石入炉冶炼
高炉采用竖炉鼓风冶炼技术，块状的焦炭和块矿石组成透气的料柱，并通过风口燃烧
产生的煤气流和炉料的逆向对流运动来进行高效的热交换和快速升温及加快化学反应。

为此，炉料不但必须是块状，而且还要有均匀的粒度组成，才能有良好的透气性，以维持生产的连续和顺利进行。

随着钢铁工业规模发展越来越大，铁矿石的需求量也越来越多，但高品位的富铁块矿的产量却是越来越少。

当前和将来世界上大量生产的是粉矿和经过精选的细精矿。

因而适应高炉用的炉料，必须将这些粉矿和精矿进行造块加工，即进行烧结矿和球团矿的生产。

同样需要建设大规模的工厂，而这些设施的投资也是相当高的。

随着现代化生产的装备水平的提高和实现精料，铁前的原料场及加工设施和烧结(或球团) 厂、焦化厂以及高炉炼铁系统的总投资是十分庞大的。

这样使新建钢铁企业的效益起点规模越来越高。

专家测算其效益起点规模应在300 万t/ a 以上。

(3) 越来越高的环保要求，使高炉炼铁技术的发展越来越难以满足现代钢铁企业对环境的污染主要是在高炉及铁前的原燃料加工，特别是焦化和烧结。

粉尘、有害气体(SO2、N x O y ) 、CO2和污水的排水都给环境造成严重的污染。

总之，必须使用焦炭(煤) 作主要的能源；庞大的投资额和越来越严的环保要求是高炉炼铁技术发展所面临的极大的困扰和难以跨越的障碍。

2 非高炉炼铁技术发展的现状
目前非高炉炼铁技术主要有直接还原和熔融还原技术。

2.1 直接还原
主要分为气基(用天然气作为还原剂) 的竖炉直接还原和煤基(用煤作还原剂) 的回转窑和转底炉的直接还原两大类。

①气基竖炉直接还原。

以Midrex 和HYL 为代表的生产技术在世界直接还原铁的生产领域取得了极大成功。

年产量已达4 000 万t 左右，而且在富产天然气的地区呈现快速增长的势头。

这一生产技术和电炉炼钢相结合(并采用气力输送) ，有人称为目前最节能、最环保的钢铁生产流程。

但是此类技术的应用受到了是否生产天然气的严格的地域性限制，同时还受到天然气价格不断上升的严重威胁。

寻找和采用新的还原气来源已成为这一技术发展的方向。

②煤基的回转窑还原铁生产技术。

不管是采用球团矿(块矿) 的“二步法”和采用铁精矿为原料的“一步法”直接还原都取得了成功。

但是，这一技术的问题是生产规模较小(一般单窑规模不超过20 万t/ a) ；不能生产热压块适于长途海运的以及仍有一定程度的环境污染。

该类技术在一定的地域、国家和地区(如南非、印度、中国) 得到了一定的发展。

用煤为主的转底炉(RHF) 技术，以Fastmelt 和Redmelt 为代表，近年来在世界上发展迅速起来，我国也有研究和开发。

该技术虽已趋于成熟，但仍有不少工业应用技术需进一步改进。

这一技术的生产规模也不可能太大。

目前一般用于钢铁厂粉尘的回收和处理(脱除和回收Sn ，Zn) ，以及和电炉炼钢相结合，实现直接还原铁的生产和电炉熔分、炼钢相结合的钢铁冶炼短流程工艺。

随着废钢越来越多，电力供应充足，电炉炼钢比例的增长，这种钢铁生产技术在中、小型钢厂的建设中有较好的发展前景。

2.2熔融还原
作为一种可以直接使用煤粉和铁矿粉，而且在以熔融还原(还原速度快) 为主要特点的炼铁工艺，对冶金学家来说是一种长期追求的理想工艺。

熔融还原的研究自20 世纪40 年代就已开始，而且方法很多，如：Hismelt 、CIOS、DIOS、AISI 法等。

该类技术共同的技术特点有：采用纯氧鼓风；铁浴煤气(向炉缸中吹入煤粉生成煤气) ；流化床传热升温和还原，高温高压、还原煤气的净化和有效利用等。

理论研究的成果很多，实验室研究和小型工业试验较多，但进行工业性试验的仅有Hismelt 等少数。

熔融还原应用于工业生产尚有许多问题需解决，如各种耐高温同时又耐磨的材料和设备
(包括喷枪、阀门等) ；高温煤气的除尘、回收和再利用；流化床对原料的粒度的严格要求；以及在较小规模时，投资较省和获得较好和稳定的技术经济指标等问题需要进一步研究解决和开发。

因而融熔还原作为一项炼铁的新技术真正的进入工业性大规模生产还要走较长的路。

2.3 成熟和基本成熟的非高炉炼铁技术
新的炼铁技术除了上面所提到的直接还原和熔融还原两大类外，当前已成熟和基本成熟的炼铁技术的新技术，是Corex 和Finex 法。

这种方法是吸收了成熟的高炉炼铁和直接还原、熔融还原的技术而产生的。

特别是克服和解决了在工业生产中的问题，体现和保证了生产的可行性和可靠性，而且获得了较好的技术经济指标而稳步和正在稳步走入工业生产。

① Corex 炼铁工艺。

20 世纪80 年代以来，奥钢联经过近十年的研究和工业性试验，投入了工业生产，在南非伊斯科尔钢公司取得了30 万t/ a 规模，C1000 炉型的成功。

经过不断改进，目前在全世界已有4 套装置在运行，效果十分良好。

还有不少国家(包括我国) 和地区在拟建Corex 炉。

与高炉炼铁工艺相比，它明显具有多方面的优势。

这一工艺的不足之处是，仍需要用块状原料。

特别是铁原料，必须采用块矿、烧结矿和球团矿。

另外，Corex 炉排出的煤气是基本不含氮和其他有害气体，虽然热值不高，但是经过脱除CO2以后是一种优质的还原气。

这种煤气是否能得到合理和有效的利用是一个十分重要的问题。

如仅作燃气用，不能充分发挥其功效，因而其经济性较差。

最好的方法是作为还原剂用于竖炉直接还原，并组成联合装置，既生产铁水，又生产优质直接还原铁，充分发挥其功能获得最佳的经济效益。

这种工艺和工业生产装置也已在南非ISCOR 获得成功。

另外，Corex 炉虽然必须用块状铁矿，但使用球团矿比使用烧结矿在产量的增长上(高达20 %) 十分明显，因而可不专门配备建设烧结厂。

但是使用进口球团矿价格较贵，因而应尽可能吃自产球团矿以降低原料成本。

Corex 炉的生产成本和高炉的生产成本相比，主要和焦炭与煤的价格差的大小和煤气利用是否有效有关。

在焦炭价格大幅上涨和煤气利用充分有效的情况下，Corex 炉生产的综合成本会比高炉的综合成本低许多。

② Finex 炼铁工艺。

Finex 技术是浦项和奥钢联共同开发。

这一技术的特点是将成熟的Corex 的技术和Fior 技术流化床直接还原及热压块技术组合起来，并解决了在工业生产中必须解决众多的技术后发展起来的。

到2003 年5 月，60 万t/ a 的示范工程投入运行基本成功，2004 年，该装置将生产100万t/ a 铁水。

2005 年7 月动工建设150 万t/ a 的Finex 工厂，并规划在今后Finex 将逐步取代炉龄到期的其他高炉。

③分析和比较。

Corex 和Finex 炼铁技术铁矿石的还原85 %～90 %是由CO 和H2 在直接还原炉中完成的，但是它又继承了高炉炼铁的特点，同时又吸收了熔融还原的一些技术如纯氧鼓风、熔态还原等。

所以有人也称Corex 为熔融还原。

应该说，它们是一种在吸收了成熟的直接还原、高炉炼铁技术和熔融还原的特点上发展起来的一种炼铁新技术。

Corex 和Finex 和传统的高炉炼铁相比具有明显的优越性：不用焦炭适应我国焦煤资源日趋紧张的资源形势，同时消除了炼焦过程产生的污染，为降低钢铁厂的投资提供了可能；不建烧结机，减少了高炉炼铁生产的污染，降低钢铁厂对环境污染；也为降低炼铁系统庞大的投资创造了条件；由于不建焦化和烧结工厂，使炼铁系统的生产流程大为缩短，这样必然降低炼铁系统投资，缩小占地面积。

同时采用相对廉价和较易获得的煤作燃料，必然会导致铁水生产综合成本的降低和污染量的大幅下降(如粉尘、SO2，CO2、NO x以及污水中COD ，酸、硫化物，氯、氰、氨等) 。

3 高炉炼铁新发展——氧气高炉
氧气高炉从20 世纪70 年代提出以来，国内外学者进行了长期系统研究。

20 世纪90 年代初，俄罗斯Tula 公司和日本NKK 公司分别进行了氧气高炉工业化试验，理论分析和试验研究结果表明：全氧鼓风和大量喷吹煤粉在工艺上是可行的，具有节约焦炭和降低燃料消
耗的优势。

但是由于当时制氧和CO2脱除等技术尚不成熟，生产成本较高，最终没有实现工业化生产。

近几年，随着人们对温室气体的关注和国际社会对CO2减排的呼声，国内外又开始了新一轮氧气高炉炼铁技术研究，企图大幅度降低炼铁生产CO2排放。

欧盟和日本分别启动了“ULCOS”项目和“COURSE50”项目，都将氧气高炉炼铁流程作为钢铁企业炼铁中长期发展方向，集中政府、企业和科研院所等单位力量进行技术攻关。

我国对氧气高炉的研究从20 世纪80 年代开始，秦民生等提出了FOBF 流程，并进行了理论分析和试验研究。

2009 年钢铁研究总院进行了全氧鼓风炼铁半工业化试验，推进了我国氧气高炉研究工作。

3.1 氧气高炉流程设计
氧气高炉有不同的工艺流程，根据煤气喷吹方式的不同，可以将氧气高炉分为炉缸喷吹循环煤气流程、炉身喷吹循环煤气流程和炉缸炉身混合喷吹循环煤气流程，其流程如图1 所示。

用纯氧代替热风，与煤粉一起从炉缸风口鼓入，由于纯氧鼓风炉缸煤气量少，炉身热量不足，为了弥补炉身热量不足和提高炉料的预还原率，对炉顶煤气进行了循环利用。

炉顶煤气除尘后，一部分煤气脱除CO2后循环利用，一部分用于将循环煤气加热到预定温度，其中炉缸喷吹方式煤气加热温度为1200℃，炉身喷吹方式煤气加热温度为900 ℃，剩余煤气向外输出。

这样不仅可以节约焦炭资源，而且提高了煤气的利用率。

图1 氧气高炉流程图
Fig.1The flow chart of oxygen blast furnace
3.2 氧气高炉的工业化试验情况
3.2.1国外氧气高炉试验情况
1986 年日本NKK 公司建立了一座容积3.94 m3，炉缸直径0.95 m，炉喉直径0.70 m，高为5.l m 的氧气高炉进行试验，试验结果表明：喷吹煤粉碳氧比为0.94 k g /m3时，生产率可以达到5.1 t/d·m3；喷吹预热循环煤气以后，降低了热流比增大了炉子各区域热量；氧气高炉气体还原反应在温度较低区域反应较快而且碳的气化反应比例很低；氧气高炉生产的铁水硅含量要比普通高炉低。

通过分析试验数据，NKK 公司预测氧气高炉进行工业化生产吨铁燃料比可以降低到530 kg。

前苏联从1985 年到1990 年期间，RPA 公司将该厂2 号高炉1088 m3，改造为Tula 氧气高炉流程，使用100% 氧气和喷吹预热还原气体先后进行了13 次试验，共生产250000 吨铁水。

1987 年和1988 年的试验生产数据与传统高炉生产指标对比可知，与传统高炉相比，喷吹脱除CO2的炉顶煤气以后，焦比大幅度降低。

试验最好结果为焦比最低达到367 kg/tHM ，氧耗251 m3/tHM ，生产量为1700 t/ d ，直接还原度从基准期的0.437 降低到实验期间的0.08～0.09。

3.2.2 欧洲ULCOS 炉顶煤气循环高炉试验情况
欧洲启动“ULCOS”项目以来，把高炉炉顶煤气循环利用(TGRBF)技术作为首要研发任务，通过炉顶煤气CO2脱除和储存技术，努力将炼铁CO2排放量降低20 % ~ 100%。

2007
年“ULCOS”项目组通过对瑞典LKAB 公司容积8.2m3的试验炉(EBF) 进行改造，分别开展了炉缸和炉身喷吹循环煤气试验。

试验炉的主要参数有：炉缸直径1.4 m ，工作高度6.0m ，炉顶压力1.5 公斤，设置3 个风口，风口直径54mm 。

TGRBF 炉顶煤气CO2脱除采用真空变压吸附技术(VPSA ) ，与膜分离法和氨溶液吸收法脱除CO2技术相比，具有脱除效率高、成本低等优点。

循环煤气加热采用Pebbleheater 进行加热，可以将煤气温度加热到1250℃。

试验焦比、煤比和循环煤气喷吹量如图2所示。

图2分别说明了风口喷吹循环煤气以及风口和炉身同时喷吹循环煤气后的冶炼参数。

由图可知，对于风口喷吹循环煤气流程，冶炼参数稳定后，吨铁焦比为360kg ，煤粉喷吹量为140kg ，风口循环煤气喷吹量约为650m3。

对于风口和炉身同时喷吹循环煤气流程，冶炼效果最好参数是吨铁焦比260kg ，煤粉喷吹量170kg ，风口喷吹循环煤气量550m3，炉身喷吹循环煤气量550m3。

由此可见，炉顶煤气循环利用以后，一次燃料消耗明显降低，人炉焦比减少20 %～30 %。

两种流程相比，风口和炉身同时喷吹流程一次燃耗更低，燃料比只有430kg ，降低了16 % ，但流程控制的难度要比风口喷吹循环煤气流程大。

图2“ULCOS”氧气高炉试验结果
Fig.2Oxygen blast furnace test results
3.2.3 我国氧气高炉试验情况
我国的炼铁工作者对氧气高炉进行了长期的理论分析和实验研究，从理论上说明全氧鼓风炼铁的可行性。

2009 年6 月，钢铁研究总院先进钢铁流程及材料国家重点实验室与五矿营钢合作在营钢建立了一座8m3氧气高炉，进行了工业化试验，迈出了我国全氧鼓风炼铁工业试验第一步，设计的氧气高炉流程如图3所示。

图3我国氧气高炉试验流程图
Fig.3Flow chart of oxygen blast furnace test in China
试验共进行了三个阶段：第一阶段试验实现了顺利出铁，设备连续运行15 天，吨铁喷煤量达到了300 kg；第二阶段试验连续运行了23 天，主要解决了氧煤喷吹装置的冷却和容易出现悬料的问题，吨铁喷煤量达到了450kg左右。

第三次试验连续运行了18 天，进行了
炉身喷吹焦炉煤气试验，吨铁焦炉煤气喷吹量为180m3，喷煤量降低到400kg，实现了预期目标。

表1各阶段试验结果
Table 1 The test results of different stages
实验阶段第一阶段第二阶段第三阶段
产量（t/h） 1.78 2.2 2.7
焦比（Kg/t）872 583 497
煤比（Kg/t）316 452 403
氧耗（m3/t）767 633 551 喷吹焦炉煤气量（m3/t）——180
焦炉煤气加热温度（℃）——900
炉顶煤气CO2/(CO+CO2) 18.8 22.3 25.9
炉缸煤气温度（℃）286 264 326
由试验结果可知，氧气高炉可以实现超量喷煤生产，吨铁喷煤量最高可以达到450 kg 炉身喷吹预热的焦炉煤气以后，焦比和煤比大幅度下降，可以降低燃料消耗。

由于氧气高炉不使用热风，炉腹煤气量减少，其生产率可比常规高炉大幅度提高，与常规高炉相比具有很大的以煤代焦潜力。

氧气高炉尽管可以降低燃料消耗，减少CO2排放，但是由于其需要消耗大量氧气和对炉顶煤气进行CO2脱碳，在当前电力价格没有优势的条件下，生产铁水的成本与高炉相比没有竞争优势，需要对一些核心技术进行攻关。

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