1.技术背景  

高炉炼铁工艺技术，主要依赖于焦炭；炼焦煤是焦炭主要原料，炼焦煤仅占煤贮量的25.4%。煤炭资源总量达50592亿t，尚有保有储量10025亿t，经济可开储量1450亿t。其中焦煤的保有储量为2549亿t，可开储量662亿t。主焦煤、肥煤分别占炼焦煤保有储量的23.5%和18%，在炼焦配煤中需用量分别为45%～55%及20%～25%。因此，优质主焦煤和肥煤，将处于供求紧张状态。按我国的现有焦煤资源及炼铁产能测算，焦煤仅占煤炭贮量的5%～10%，但开采量却达到煤炭生产的30%～50%，而且还存在地域上分布不均匀的问题，按我国现有焦煤资源进行测算，高炉炼铁生产将仅能维持到本世纪末。因此研究和开发以不使用或少量使用昂贵冶金焦炭生产金属铁产品的非高炉炼铁技术得到关注，也是我国钢铁工业可持续发展的重要任务。

Hlsmelt工艺的开发经历了较长的时间，是一种典型的铁浴熔融还原，从1981年开始研发，经历了初期的试验炉试验以及两个阶段的试验厂阶段（分别为10000吨/年的SSPP和100000吨/年HRDF），一直到在西澳大利亚的奎那那地区兴建了设计80万吨的世界首家工业化试验工厂。工厂于2003年1月动工建设，2005年4月建成并开始热调试，从2005年11月开始了为期3年的达产运行：2006年底实现50%，2007年实现80%，2008年实现85%。期间主要问题大多由外围设备引起，在这些问题得以解决后生产率逐步上升。2008年12月，由于受世界金融危机影响，生铁市场低迷，HIsmelt奎那那示范厂2008年年底停产检修，等待市场复苏。下面对HIsmelt技术各个阶段的发展情况进行详细描述。

1.1.HIsmelt技术早期的雏形（1981-1984）  

1981年，澳大利亚CRA公司和德国克劳克纳（Klockner）公司合作，在德国马克斯冶金工厂（Maxhutte）的60 t OBM转炉上进行试验。这是一种使用焦炭或煤作为能源，用一部分废钢作为原料的顶底复合吹炼转炉，为期2年的二次燃烧试验，研究了底吹率、煤种、二次燃烧气体性质和流体动力学特性，对二次燃烧率及其传热效率的影响。通过试验获得了在最佳条件下，适当使用氧气时，二次燃烧率为40%，二次燃烧传热效率达90%；而使用1200℃热空气时，二次燃烧率可达60%。因此，肯定了二次燃烧的作用和可控性，证明了利用OBM转炉进行熔融还原的可行性，在此基础上完成了熔融还原的概念设计。

  图1 60tOBM试验炉

1.2.10tSSPP半工业化试验研究（1984-1990）  

初期HIsmelt试验炉成功运行后，1984年在德国马克斯冶金工厂（Maxhutte）建立了10 t的小规模熔融还原半工业试验厂（SSPP即Small Scale PilotPlant），从1984年开始至1990年，SSPP进行了为期6年的熔融还原试验，研究了熔融还原的具体工艺参数，结果表明这种熔融还原法有其优越性。此间，德国克劳克纳（Klockner）公司因财政原因退出该项目，由澳大利亚CRA公司投资继续研究。

SSPP试验的目的，在于为研究开发工业规模的熔融还原装置（HRDF）提供设计参数。从1984年到1990年历经6年的试验共进行了219天，研究了降低燃耗，原燃料成分、粒度的影响，终还原反应器的容积对还原过程及二次燃烧传热效率的影响，高温煤气除尘、铁矿粉的预热和还原、排出煤气的净化和炉尘的回收等问题。

通过对SSPP进行系统的研究，HIsmelt的研究者们得出以下结论：

（1）采用底喷煤粉有利于对熔池的搅动。煤粉在铁浴中的爆裂，底吹气流速度、煤粉中碳的溶解速度以及煤粉的性能对工艺过程有重要影响。尽管如此，HIsmelt法对各种性质的煤都能适应。

（2）采用高挥发分的煤时，通过降低二次燃烧率和提高矿粉的预还原度可以实现低燃料消耗，二次燃烧率低时产生的煤气有助于提高矿粉的预还原度。

（3）底喷煤粉能实现碳的最快溶解和最佳的回收。就碳的溶解和对熔池进行必要的搅动而言，底喷炉料工艺是获得最高冶炼强度的有效措施。通过调节对熔池的喷吹强度和熔池的搅动程度可以控制终还原炉内的二次燃烧率和二次燃烧传热效率。

（4）稳定喷煤和喷矿的速度是稳定二次燃烧率的必要条件。因此，对喷煤和喷矿的计量是很重要的。

（5）铁浴的温度和含碳量直接影响终还原炉内的二次燃烧率。此外，铁浴的深度对二次燃烧率也有影响。

1.3.HRDF试验研究（1991-1996）  

在为期6年的SSPP试验成功后，1989年澳大利亚CRA公司和美国Midrex公司合资，各出一半资金组建了HIsmelt公司，继续开发该熔融还原技术，并正式命名为HIsmelt。1989年12月HIsmelt公司投资1亿美元，历时两年多，至1991年建立完成了HIsmelt流程的研究开发装置—HRDF。HRDF的设计能力为年产铁水10万t，是SSPP的8倍。该装置于1992年11月开始冷态试验，其后热态试验于1993年10月出第一炉铁，同年11月宣布HRDF正式建成。图为HRDF在西澳大利亚地区的工厂布置图。

  图2 西澳大利亚HRDF工厂布置图

HRDF第一期工程的第一次试验生产从1993年10月开始延续了12个月，以5 t/h的产量证实了SSPP的放大结果令人满意。HRDF卧式炉试验装置的生产从1993年10月持续到1996年8月。虽然工艺规模的扩大得到了成功验证，但是卧式炉设计复杂,对进一步商业化造成了困难。为克服卧式炉的不足，合资公司决定开发出了水冷管结构的立式炉。

通过HRDF实验工厂为期五年的中试研究，发现并确定了HIsmelt技术流程具有以下特点：

（1）采用铁浴熔池作为铁矿石快速还原和煤快速熔化的强化反应平台。铁浴作为热反应和化学反应缓冲器，可以消除喷入冶炼物料的气体量及温度的波动，在反应器顶部空间燃烧的传递过程中，铁浴反应有关键作用。

（2）采用底喷煤技术，以最大限度将碳回收到铁浴，释放煤中挥发分和产生铁浴搅动，有助于高效传热、矿石快速还原与渣充分混合以确保低FeO值。

（3）热风操作限制了溅入反应器顶部空间的铁水接触的氧化物的浓度和停留时间，有助于同时达到高PC（二次燃烧率）和高THE。惰性N2为不反应的显热传递提供了场所，并限制二次燃烧火焰温度减少耐材损坏。

（4）采用循环流化床对细粉矿进行预还原、预热和生产高压蒸汽，回收烟气中的化学潜热和显热。热烟气接触到流化床中大量矿石后会迅速冷却，而且烟气中夹带液相不会引起冷却表面污染问题。

（5）能源回收系统是熔融还原必不可少部分。在热风炉中利用煤气燃烧预热空气；其余煤气显热和化学潜热用于原料准备、生产蒸汽和其他用途。

1.4.ISRV试验研究（1996-1999）  

ISRV初始熔融还原炉的工程设计于1996年完成。主要的改进包括固定的立式熔融还原炉体、设置在上部的炉料喷枪、简单的热风喷枪、用于连续出铁的外置出铁炉以及用以克服耐材侵蚀的水冷管结构等。

图3  ISRV炉试验工艺流程

1996年初始熔融还原炉建成，1997年上半年对立式炉进行了调试开始试车，随后的生产一直持续到1999年5月份。与卧式炉相比，立式熔融还原炉在耐材损耗、可靠性、作业率、产量和设计简化等方面都有很大的改进。

实验结果表明立式熔融还原炉从产能、产率、可靠性、连续运行时间等各项指标均远高于卧式，且工艺设备更加简单，试验结果完全达到预期，符合工业化扩大工厂的要求。该技术基于将铁矿粉和煤直接喷入炉内熔池，实现下部铁水区的还原和上部区域的二次燃烧（采用富氧热风），核心是上部二次燃烧区与下部熔炼区之间的热传导。立式熔融还原炉的生产指标证明了熔融还原炼铁技术的可行性、工程概念的合理性以及工厂技术的简便性，为建设大规模商业化工厂提供了可能。

1.5.工业化试验工厂（2000-2008）  

为开发利用奎那那地区拥有的大量高磷铁矿石资源，提高澳大利亚铁矿石的利用率，由澳大利亚力拓集团（60%）、美国纽柯钢铁（25%）、日本三菱公司（10%）和中国首钢（5%）进行了世界首家HIsmelt工业化工厂的建设。

图4 奎那那HIsmelt工厂图

工厂于2003年1月动工建设，2005年4月开始热调试，从2005年11月开始了为期3年的达产运行：2006年底实现50%，2007年实现80%，2008年实现85%。2008年12月，由于受世界金融危机影响市场低迷，奎那那HIsmelt示范厂2008年年底停炉检修。

奎那那HIsmelt工厂的实践，验证了HIsmelt工艺大规模商业化应用的可行性，从生产工艺、过程控制、装备稳定性等方面检验了该工艺的可靠性。实践表明，该工艺具有以下特点：

（1）采用高速物料喷枪进行固体料喷吹，反应容器中铁水熔池的捕获能力很强，即使超细粉也可以使用。

（2）炉渣中“与生俱来”的亚铁含量（5%-6%），铁水含碳约4%，形成了独特的脱磷特性，80%-90%的磷进入炉渣。

（3）煤需要磨碎后喷吹进入炉内，故对煤的原始形态没有特殊要求。

上述特点使得HIsmelt工艺可以处理低品位的原料，即在高炉工艺中不能使用的经济原料，HIsmelt工艺对原燃料具有广阔的适用性。

由于这是第一个完全工业化设计的HIsmelt工厂，设备、工艺、技术、人员等都是全新开发设计，不可避免的会发生各种各样的状况，而由于至2008年金融危机蔓延前一直没有达到预期的设计目标，西方各企业联合体决定关闭西澳工厂。

2.技术发展  

2.1.我公司HIsmelt技术的发展历程（2002年至2012年）  

2002年首钢集团和世界级的知名企业—澳大利亚的力拓集团(60%)、美国的纽柯集团(25%)和日本的三菱公司(10%)共同出资在Kwinana建设一座直径6.0m、年产800,000吨铁水的HIsmelt工厂。首钢作为HIsmelt工艺Kwinana厂的拥有者之一，首钢同时拥有HIsmelt工艺使用许可，而且是HIsmelt工艺技术的唯一中国国内许可工程师（Accredited Engineers）。北京首钢国际工程技术有限公司作为中国国内唯一授权的HIsmelt工艺技术的AE，参与了HIsmelt工艺技术资料、设计文件的审查工作，进行了HIsmelt工艺技术的消化工作。

2003年1月Kwinana合营厂开始建设，2004年下半年开始设备调试，2005年9月进行试生产。在此期间，我公司派从事HIsmelt工艺及技术的研发、设计和推广应用工作的专家，参与到首钢总公司HIsmelt工艺研究与跟踪团队中，多次组织专业技术人员参加HIsmelt的授权工程师培训和Kwinana厂的生产调试工作，派有专家长期在澳参与HIsmelt技术掌握。对Kwinana厂建设施工、冷态及热态调试、开炉生产全过程进行了全面的跟踪掌握。经过培训与多年的跟踪学习，首钢已经具备了HIsmelt核心设备SRV的设计能力和设计资质，具备了独立设计HIsmelt工厂的实力。

2004-2008年首钢持续参与该项目的管理工作，主要进行技术和工程建设及国内的应用推广工作。首钢工程在设计和研究工作中的不断积累，使得公司成为国内掌握HIsmelt工艺技术最全面最为完整的设计院。而国内外有大量的客户关注此项技术，国内有意向建设HIsmelt工厂的大型钢铁厂不在少数。首钢与Hatch公司于2004年2月签署MOU，双方先后合作完成了国内多个HIsmelt项目的高阶段设计和推介工作，共同开发国内HIsmelt市场。并于2005年9月，开始了针对Kwinana 8.4米直径熔融还原炉(K8)和首钢曹妃甸熔融还原项目(C8)的开发计划，Hatch公司与首钢HIsmelt技术跟踪研发团队就C8项目工作进行了深入的交流，根据双方的不同特点，集中双方优势，共同完成了C8项目的研究与工程化工作。

重要的是在此期间首钢对熔融还原关键技术的研究与开发做了非常深入的工作，对比了当时世界上所有的非高炉炼铁技术，总结了HIsmelt工艺的特点，并制定了未来技术的研究发展方向。HIsmelt技术是专门为处理粉矿而开发的，以经破碎后的煤粉为还原剂，可以直接使用烟煤和无烟煤，只对矿粉进行少量的预处理，而且可以直接使用粉矿及部分使用钢铁厂废料，如轧钢皮、除尘灰等，这使得它在对铁矿石质量要求方面更具灵活性。同时还具有以下特点：

①　单体生产效率高。在HIsmelt流程中燃料全部从铁浴中喷入，而且燃料中的炭迅速溶解，被铁液中的溶解碳所还原，比固体碳还原氧化亚铁的速度高出1-2个数量级。喷入煤粉在铁浴中的爆裂和分解，加强了对熔池的搅拌，加强了熔池中渣铁的混合，进一步提高熔池中氧化亚铁的还原速度。

②　铁浴中碳回收率高。直接向铁浴中喷吹煤粉可以提高碳的回收率，而且可以使煤粉挥发分中的碳氢化合物裂解产生碳，大大降低了燃料的利用率和冶炼强度。

③　二次燃烧率高。将煤粉直接喷入铁液，可最大限度地降低散入炉气中的碳量，避免碳和炉气中的氧或二氧化碳的反应，从而有利于提高二次燃烧率。采用热风操作可以限制气相中的氧浓度，进一步提高二次燃烧率。

④　熔池上部反应强烈，二次燃烧传热速度快。直接喷吹引起熔池强烈的搅拌为在熔池上方形成一个理想的传热区提供了有利的条件。金属液滴就像喷泉形成的喷溅那样进入上部空间，将燃烧区的热量迅速带入熔池，极大的提高了二次燃烧热的吸收效率。

⑤　渣中氧化亚铁含量低，渣层薄，炉衬侵蚀量小。采用热风操作，减少对溅入上部炉气铁液液滴的氧化，可保证熔渣中的亚铁含量处于较低的水平，降低了对炉衬的浸蚀程度。

⑥　吨铁煤耗低。采用直接向铁液喷吹煤粉的方法，提高了煤粉中固定碳的回收率，同时能够充分回收煤粉挥发分中的碳。采用温度高达1200℃的热风操作，直接向铁浴提供的6.0-7.0GJ/t的物理热，相当于铁浴总热收入的18-20%。因此HIsmelt流程的吨铁煤耗势必较其他熔融还原法的低得多，可以降低到600-800Kg/t铁水。

⑦　对环境污染小。直接向铁熔池喷吹煤粉，煤粉挥发分在铁浴温度下充分裂解，从而将无任何碳氢化合物进入煤气，因此完全消除了煤粉挥发分中有害的碳氢化合物对环境的污染。同时煤粉中的硫也将直接被铁液和熔渣吸收，减少进入煤气的可能性，也减少了煤气中的硫氧化物的含量。

2.2.HIsmelt技术在国内外的发展现状（2012年至今）  

2012年HIsmelt公司已经与国内山东墨龙石油机械股份有限公司达成协议引进HIsmelt工艺，国内外对HIsmelt技术给予了极大的关注，工程于2013年开工建设，于2016年初建成投产，成为全球唯一的HIsmelt商业化工厂，HIsmelt熔融还原技术的开发和应用符合我国的产业政策和“十二五”规划要求，该项目的实施对我国非高炉技术的发展和工业化应用起到显著的示范和促进作用。在项目的引进过程中^[6]，首钢工程与山东墨龙在HIsmelt熔融还原工艺流程、工艺设备、操作技术以及资源能源等多方面进行了众多改进与创新。期间历经5年，投资18.5亿（其中固定资产投资11亿元，研发及改进支出6亿元）以上，经过9次热负荷试车，从设备改造、生产工艺、流程改进等多个环节进行了系统性的开发与调整。自2017年9月份正式生产，截止2021年12月份，已累计生产200万吨，当前月平均产量达到5.5万吨，在全球首次实现了HIsmelt熔融还原工艺连续商业化运行。

依托HIsmelt技术三十多年理论及中试探索基础，通过持续研发和创新，在工艺流程、工艺设备和资源能源综合利用等方面取得革命性的进步，作为首台套工业应用的HIsmelt熔融还原工艺成套核心技术装备，对技术核心设备进行开发，包括熔融还原炉冷却系统、高温烟气汽化冷却烟道、高寿命热矿喷枪、旋风除尘等进行研究与制造，实现了装备国产化率100%，形成了完整的推广产业链。该项目全面利用了工艺过程中产生的余热和烟气资源，重点进行脱除硫素等废物处理，遵循了资源循环利用和零排放节能环保的理念，实现了在全球范围内首次实现HIsmelt熔融还原技术的商业化连续运行。该项目经中国金属学会组织行业院士专家团队进行科技成果鉴定，达到国际领先水平。

墨龙HIsmel熔融还原技术通过工艺流程优化和技术创新，打通了限制工艺连续运行的关键环节。通过工艺设备的创新，显著提高装备作业率；开发了全新的操作技术，改善了工艺的可操作性；优化了资源能源利用系统，在余热利用、固废处理等方面有了显著改善，提高了资源能源循环利用率。

（1）工艺流程创新：

首次应用矿粉两级回转窑预热预还原工艺，采用SRV煤气作为燃料，整体作业率提高了30%；重新设计汽化冷却烟道-重力除尘-旋风除尘-余热锅炉-煤气洗涤-净煤气回收工艺，提高了热风温度及对发电系统的适用性，使得半焦等资源可循环利用生产高纯生铁；铁水处理系统新设计保证了出铁的连续性和安全性，调度灵活可控；设计烟气综合处理系统，SO2排放低于山东省超低排放标准50%、NOx排放低于超低排放标准90%；智能自动化控制系统“网络数据一体化”的原则，完成全面的系统自动化设计，为智能炼铁创造了条件。

（2）工艺设备创新：

设计开发SRV渣区冷却器，有效抑制了SRV炉高FeO含量炉渣对耐火材料的侵蚀；研究开发全新的耐火材料，耐材寿命由0.5年提高到5年；对冷却烟道进行了结构和工艺参数优化，降低烟道故障率；通过研究开发耐磨保温铸管，并对喷吹系统重新模拟与设计，使得喷枪寿命达到国外产品寿命2倍以上，喷吹成本降低20%；对除尘系统进行开发，烟气处理效率达到85%；开发余热锅炉系统，提高使用寿命等。

（3）操作技术创新

研发了矿煤混喷技术，通过十字喷枪的管路设计，将矿粉与煤粉在喷枪中混合后再喷入炉内，使得入炉后的矿粉可以与还原剂煤粉充分的接触，降低吨铁耗煤量约10kg；开发了柔性间断出铁技术，相对原HIsmelt出铁技术，提高了生产过程的抗波动性和稳定运行率，在将出铁时间缩短15分钟，降低了铁水包内铁水的温降20-50℃；将SRV炉的操作状态分为休风、焖炉、保持、正常四个生产状态，并优化状态之间切换，缩短不同状态切换时间，提高了生产效率和稳定性。

（4）资源能源利用创新：

设计开发了SRV炉的烟气回收系统，以每小时5.5万度发电量将烟气热量予以回收，除自用外，电力上网率可达40%；设计增加细粉喷吹系统，实现厂区产生的粉尘全部回用喷入SRV炉中，粉尘喷吹量约占矿粉喷吹量的10%左右；优化的熔渣处理流程能将炉渣中约70-90%的金属铁回收，提高了HIsmelt工艺铁素收得率；通过设备改造和系统优化，实现燃气锅炉及动力系统相互独立，系统的稳定性和作业率得到极大提高，为SRV系统整体作业率的提高提供了保障。

3.技术的市场需求  

3.1.政策支持  

2019年10月，国家发展改革委修订发布《产业结构调整指导目录（2019年本）》，其中：非高炉炼铁技术、冶金固体废弃物综合利用先进工艺技术、铸造用高纯生铁生产工艺与装备均属于第一类鼓励类，坚持推动制造业高质量发展^[7]。

2020年12月，工业和信息化部编制《关于推动钢铁工业高质量发展的指导意见（征求意见稿）》，支持建设钢铁低碳冶金创新联盟，加强对非高炉炼铁等技术的研发应用力度；推进钒钛磁铁矿综合开发利用，强化国内矿产资源的基础保障能力；非高炉炼铁等前沿技术取得突破进展^[8]。

2021年4月，工业和信息化部印发《钢铁行业产能置换实施办法》，鼓励行业绿色低碳发展和工艺技术创新，新建氢冶金、HIsmelt等非高炉炼铁项目给与等量置换支持政策^[9]。

3.2.灵活的短流程铁前工艺  

我国是世界上第一产钢大国，2021年全国粗钢产量10.3279亿吨，全球粗钢产量为19.505亿吨，2021年全球直接还原铁产量为1.192亿吨（其中气基竖炉占产量的74.4%），近年来全球熔融还原炼铁总产量仅约800万吨，我国熔融还原炼铁达产总产量约为300万吨每年，与高炉炼铁工艺相比，非高炉炼铁工艺发展迟缓，与我国钢铁生产大国的地位极不适应。

现代高炉发展了600多年才趋于成熟，走向大型化和现代化；熔融还原炼铁工艺开发的历程仅70年，其中COREX工艺诞生25年，才达到年产近100万吨的规模，而HIsmelt工艺的第一座年产80万吨的工业化工厂-懋隆厂目前才刚开始运行5年。熔融还原炼铁技术目前还处于技术成长期，还有很大的发展空间。

4.技术储备  

4.1.熔融还原炉内衬长寿研究  

如何提高炉衬寿命，是长期以来一直困扰铁浴法熔融还原炼铁技术发展的最大的技术难题，为了使SRV炉炉缸耐材寿命能够满足长期稳定工业化生产的需要，提出了延长炉衬寿命的几个措施^[10]。

1）优化砌筑结构，改善耐材质量

2）加强炉缸监测，强化冷却

3）提高矿粉预还原度，提高生产效率

4）提高工厂作业率

4.2.熔融还原炉渣口设备长寿研究  

熔融还原炉由于其工艺本身前置出铁的原因仍然必须采用渣口的形式出渣，但渣口寿命短，维修更换都对正常的生产运行造成影响，喷吹环节和出渣铁的节奏也被设备维修打乱。熔融还原炉的操作手段、出渣的熔渣成分、温度、流出速度和渣口的冷却形式、冷却强度都与设备寿命有非常大的关系，本课题通过对渣口的使用环境和冷却条件进行了数值模拟，在此基础上提出了渣口设备的优化措施，并进行了设备试制和现场使用。

4.3.细粒度矿粉预热工艺研究  

图6含碳预制粒铁精粉预热工艺方案

上述焙烧装置可以采用回转窑、带式焙烧机等，可以在现有流程中增加预制粒设施，从而实现对细粒度铁精粉的处理。

4.4.高温煤气烟罩流场优化管系布置分析  

在HIsmelt工艺中采用烟道式汽化冷却装置用于高温段煤气余热回收，汽化冷却烟道出口煤气温度一般控制在750-900℃，由于SRV煤气具有温度高、温度波动大、粉尘含量高等特点，因此，对汽化冷却烟道提出了较高的工艺要求，在国内HIsmelt工厂热试初期，就多次出现了汽化冷却烟道水冷管破裂问题，导致被迫停炉检修。为了分析上述问题存在的原因，针对SRV炉煤气的工艺特点，运用数值仿真软件，对汽化冷却烟道内煤气流的流动及换热过程进行了模拟，为优化汽化冷却烟道方案提供了设计依据，有利于进一步提升HIsmelt工厂运行的可靠性。

4.5.煤气湿法改为干法除尘工艺的研究  

HIsmelt工艺煤气净化除尘采用湿法的环缝洗涤工艺，生产过程中暴露出如环缝设备局部磨损、排水漏斗格栅积灰、排水阀门磨损等问题。而干法除尘工艺相较于湿法除尘工艺具有投资省、节水节电、节能环保等优点，目前无论是新建和改建的高炉，煤气采用干法除尘已经成为绝对主流，几乎没有再使用湿法除尘的高炉。借鉴高炉研发干法除尘的经验和教训，研究在HIsmelt工艺流程的SRV煤气使用干法除尘的可行性。

4.6.高炉改造成HIsmelt熔融还原炉的可行性分析  

以某钢厂1080m3高炉为例进行HIsmelt熔融还原炉改造的可行性分析，某钢厂1080m3高炉，产能90万吨/年，其高炉系统包括喷煤制粉系统、上料系统、炉顶系统、高炉本体系统、热风炉系统、出铁场系统、渣处理系统、粗煤气系统等；HIsmelt工厂，6mSRV炉，设计产能80万吨/年，主要由矿粉预热预还原系统、煤粉制备系统、矿煤喷吹系统、SRV 炉本体系统、烟气处理系统、渣铁处理系统、热风炉系统等系统组成；高炉部分系统可以进行改造后应用于HIsmelt工厂。需新建的设施有矿粉预热预还原及热矿输送、喷吹设备设施、SRV炉本体、铁水脱硫、烟气脱硫。

4.7.钒钛矿的工业试验研究以及泡沫渣的控制  

钒钛磁铁矿是一种典型的多金属伴生矿，具有极高的综合利用价值，但由于其贫、细、散、杂的特殊性，给其冶炼带来了一定困难，目前，对于钒钛磁铁矿的冶炼主要以高炉流程为主。在高炉冶炼钒钛矿生产过程中，在高炉内的高还原势和高温条件下，钛的氧化物会被部分还原并生成高熔点的TiN和TiC,这些高熔点的物质会引起炉渣变稠，严重时造成出渣和渣铁分离困难；此外，由于还原反应生成更多气体以及钒钛渣的发泡特性，造成高炉冶炼钒钛矿易出现泡沫渣，使高炉下部透气性恶化，从而影响正常生产。因此开展了钒钛磁铁矿在HIsmelt熔融还原炉内的生产试验。

4.8.知识产权和应用业绩  

4.8.1.知识产权  

4.8.2.应用业绩  

图7山东墨龙熔融还原炼铁项目现场照片 1

图8山东墨龙熔融还原炼铁项目现场照片 2

5.技术发展方向和目标  

国家有发展非高炉炼铁技术的鼓励政策，钢铁企业有转型发展的需求。低碳绿色发展是钢铁工业实现转型升级战略发展核心内容和关键，也是实现钢铁强国的战略目标。HIsmelt技术发展除了本身工艺的节能降耗、长寿稳定优化外，还应瞄准钢铁工业结构性的战略调整方针，开发降碳环保新工艺，在处理国内难选难冶炼矿和含铁废弃物方向做新的尝试。

5.1.HIsmelt工艺的优化方向  

在降低煤耗方面^[11]，喷入熔池的煤粉主要消耗途径为作为还原剂参与反应，其次为熔池提供热源和铁水中溶解碳，其余为熔渣带走和未燃烧的碳，目前生产操作吨铁喷煤量最低可达到750kg/t铁。由熔融还原炉内的物料平衡和热平衡计算分析，影响煤粉消耗的主要因素为，铁矿石的预还原温度和预还原度、煤粉的种类和反应性、炉内二次燃烧与传热效率。因此降低煤耗应采取综合性措施，除提高入炉矿粉预热预还原效果外，还应降低出炉煤气耗热，以及出炉煤气和熔渣带走的残余碳。并探索通过改变操作参数和方式提高煤粉利用效率，已设计热风喷枪多枪位变化提高炉内二次燃烧率，调整炉内压力的变化提高炉内二次燃烧率，调整排渣制度来改变渣层厚度加强炉内传热，未来还将探索更多降低煤耗的措施。

在提高煤气利用效率方面，当前HIsmelt工艺熔融还原炉煤气已设置多重热量回收设施来提高煤气能源利用效率，进一步优化的途径，一方面可通过煤气改性改质提高煤气有效还原成分，另一方面直接利用煤气的高温和还原性。在提高矿粉预热预还原效果方面，继续探索更为高效稳定矿粉预热预还原的工艺。在设备设施长寿化方面，持续优化当前关键设备，如熔融还原炉固体料喷枪、热风喷枪、煤气余热回收装置等设备的稳定长寿措施。

为了适应国家对降碳方面的要求，应考虑流程的局部优化以适应适量的富氢冶炼要求，降低排放。提高生产效率，降低能源使用强度和碳排放强度，达到助力实现碳减排、碳中和的目的。

5.2.国内外环保钢铁项目  

HIsmelt工艺为国内外钢铁项目提供了绿色环保的短流程炼铁新途径，2020年12月，邢台市威县人民政府网站发布邢钢搬迁威县项目环境影响评价公示，在邢钢转型升级搬迁项目中主要建设3套HIsmelt熔融还原装置、3座100吨电炉及特钢所必须的精炼设备，工艺技术装备将达到德国、日本、韩国等国际领先企业水平，与现有长流程工艺相比污染物排放总量减少74%以上。目前，河北省政府已批准邢钢搬迁改造方案及选址，通过转型升级搬迁改造，邢钢将建设成以短流程为特色，以“开放、智慧、绿色、灵动、融合”为标志的世界一流特钢线材标杆企业。项目拟选址于威县高新技术开发区，占地面积约2998亩，项目建成后吨钢综合能耗降低17%以上，煤炭消耗总量降低40%以上；吨钢耗新水降低到3吨以下，并且全部使用城市中水。

为了合理开发和利用资源，促进资源优势转化为经济优势。老挝政府积极引进投资者，成立老挝第一钢铁新材料有限公司，建设具有三大功能（能源转换功能、钢铁制造功能、废弃物消纳-处理再资源化功能）的新一代钢铁联合企业，形成资源型地区发展循环经济的新路径。目前，相关方正积极推进老挝地区HIsmelt项目建设准备工作，依托当地丰富的铁矿和煤炭资源，借助HIsmelt技术流程短、原料适用性强的优势，努力打造资源高效利用的新模式。

5.3.合金元素难选矿冶炼项目  

5.3.1.钒钛磁铁矿  

采用HIsmelt钒钛磁铁矿冶金工艺，将经过预热和预还原后的钒钛磁铁矿通过HIsmelt熔融还原炉的矿枪直接喷吹入炉，控制热风温度、热风含氧量、矿粉喷吹量、煤粉喷吹量以及熔剂喷吹量，控制炉渣中FeO百分比含量，从而遏制TiO₂的过还原反应，降低炉渣与铁水中碳化钛TiC、氮化钛TiN以及碳氮化钛TiCN的生成，达到优化炉渣与铁水的冶炼性能，实现全钒钛磁铁矿冶炼的目的。

5.3.2.红土镍矿尾矿  

目前常规的镍铁生产工艺主要有三种，即：回转窑-电炉法、烧结-高炉法、和回转窑粒铁法，但上述三种方法普遍存在原料适应性差、流程长、能耗大的问题，并且冶炼时单位镍铁排渣量是普通生铁的近10倍，而对镍铁渣的利用率仅有10％，造成大量炉渣堆积。HIsmelt熔融还原工艺作为已经实现了商业化运行的非高炉炼铁技术，低品位含镍矿料中的成分中物理水与结晶水的含量较大，并且具有低镍、低铁、高硅、高镁的特点，若直接使用HIsmelt工艺进行冶炼，一方面会导致更高的冶炼温度和冶炼用气，产生大量能耗，降低产能效率，另一方面会在炉中形成大量炉渣，难以实现渣铁分离和冶炼的持续进行，同时，低品位含镍矿料中含有的硫和砷难以被脱除，严重影响后续含镍铁水的质量和性能，进而很难获得高品质的含镍铁水。采用HIsmelt工艺处理此种含镍原料，可将红土镍矿与熔剂混合后进行氧化焙烧后破碎和磁选，再与半焦粉和还原剂混匀造粒后进行预热预还原处理，可去除原矿料中的脉石和非磁性物质，获得的高品位镍铁原料可直接喷吹入炉，通过控制熔渣厚度，保证炉内涌泉高度，实现熔融还原炉内顺利终还原。

5.3.3.高含磷矿  

由于HIsmelt熔融还原冶炼富氧顶吹技术采用高二次燃烧率致使熔渣中亚铁含量较高，这意味着当冶炼高磷铁矿石时脱磷条件充分，适宜冶炼高磷铁矿石。HIsmelt工艺中使用高磷铁矿（磷含量0.12%）进行生产，由于在相对低的还原性气氛下，铁矿石中的磷大部分氧化进入炉渣，铁的磷含量低于0.03%；而在高炉和Corex工艺中磷大部分进入铁水中，给后续炼钢过程带来脱磷压力。使用HIsmelt工艺在冶炼高磷铁矿获得合格铁水的同时可以获得富磷渣，熔渣通过一定处理便可做为磷肥使用，为高磷铁矿的开发利用提供了全新的技术路线。HIsmelt工艺具有较强的的脱磷能力，根据对现有生产过程中脱磷85%～90%的能力计算，即使铁矿中含磷量达到0.6%～0.8%，依然能够生产出磷含量满足炼钢生铁标准的产品。

5.3.4.赤泥资源  

赤泥中TFe品位较普通矿粉偏低，Al₂O₃和TiO₂含量较高，有害成分Na₂O含量高，限制赤泥在高炉过程中的应用。赤泥属于细粒级物料，其粒度均小于2mm。HIsmelt的重要特点之一是可以使用6mm以下的含铁物料，而赤泥作为一种细粉状的物质完全符合HIsmelt工艺对原物料的使用条件，可以直接或经过富集处理后使用，本工艺可直接利用粉状含铁原料、燃料煤粉及熔剂冶炼生产铁水及炉渣。赤泥中除了铝、硅外还含有大量Fe元素，因此应用HIsmelt工艺处理冶金固废赤泥具有深远的社会意义。

5.4.冶金固废处理项目  

HIsmelt熔融还原工艺利用氧化铁皮、冶金钢渣及除尘灰等固废进行了为期两年的工业应用试验。生产所用原材料中冶金废弃物如氧化铁皮、除尘灰等用量达到总含铁物料用量的30%，总量约21.6万吨，充分验证了HIsmelt熔融还原工艺使用冶金固废的可行性，同时降低生产成本，减小了环境污染，有利于环境保护，在取得经济效益的同时，也取得了较好的社会效益，并为冶金固废处理提供了新的途径。

5.5.生物质煤冶炼项目  

可以制作成生物质固体成型燃料的农作物种类很多，其中棕榈壳作为油质生物质燃料，在热带亚热带区域大量生长，其加工过程中产生了大量棕榈废料，这些棕榈废料中不含硫磷元素，固定碳含量大于80%，挥发分小于12%，灰分小于10%，可以制作成有一定强度的颗粒物，用于代替高质量无烟煤生产铁水是非常优质的替代品，即降低了生铁中的硫磷杂质含量，减少炼钢环节的脱磷脱硫工序，还减少了污染气体SOx的排放。生物质煤作为HIsmelt工艺的喷吹还原剂在功能上是可以实现的，配合上游生物质煤加工工序提供稳定质量的生物质煤原料，可直接喷吹入熔融还原炉。资源能源短缺的压力下，HIsmelt工艺对生物质煤的使用的可行方案，既有利于环境保护，也为钢铁冶炼项目提供了新的方向。

6.结语  

相比于高炉高污染、排放高的长流程炼铁工艺，HIsmelt熔融还原工艺变革性的工艺创新，不用焦炭、烧结及球团工艺，可以直接使用矿粉直接进行冶炼，这是目前其他任何一种非高炉炼铁工艺所无法比拟的，大大简化了工艺流程，适应范围极广，故应具有很长周期的生命性。同时生产过程最大限度的降低了对环境造成的污染。历经40年的理论研究与不断的生产实践，HIsmelt熔融还原工厂于2017年在中国成功实现了连续商业化运行。

HIsmelt工艺通过优化高温煤气除尘和冷却系统设计，对冶炼过程中的余热及废气充分回收利用，实现吨铁发电量为600kWh，年节约能耗39328吨标准煤。作为短流程冶金工艺，该技术完全摆脱对优质矿石和焦煤资源的依赖，直接使用粉状的普通含铁物料和非焦煤粉进行冶炼，并极大地降低了SO2、NOX等污染物的排放，其主要产品高纯生铁广泛用于风电、核电、高铁、高端装备制造等行业领域，并在开发我国储量丰富的高磷矿和钒钛矿资源、冶金固废综合利用及节能减排等方面深入探索和工业化试验，具有广阔的发展前景。