李志涛，李子亮，高强健，魏国*

（东北大学材料与冶金学院，110819）

摘  要  目前，在各种炼铁工艺中，高炉炼铁占据绝对优势地位，并且在近期，这种优势地位仍难以撼动。但高炉的发展也出现一些制约因素，如焦煤的短缺和CO2的排放限制。非高炉炼铁技术的发展为解决这些问题提供了可能。其中熔融还原炼铁技术目前获得很大发展，在某些指标上已经达到甚至超过了高炉。钢铁行业始终没有停止对熔融还原炼铁技术的开发研究，本文对现有COREX、FINEX 和HIsarna 熔融还原工艺进行了介绍，分别从能耗、环保、经济性等方面进行了简要分析。

关键词  熔融还原；COREX；FINEX； HIsarna

近二十年来，在自然资源日趋紧张与环境负荷日益加重的形势下，钢铁行业始终没有停止对熔融还原炼铁技术开发的脚步，经过反复探索和不断努力，先后出现了许多有代表性的技术路线，如在我国宝钢建成并投产的COREX 工艺，浦项与奥钢联联合开发的FINEX 流程和塔塔钢铁集团欧洲公司正在试验的HIsarna工艺[1]。这些技术很有可能成为未来钢铁工业实现可持续发展的引领技术。

我国钢铁生产主要是以高炉—转炉流程为主，使用的主要能源是焦炭，其生产流程长、必须依赖焦煤资源、污染物排放大是致命的弱点，这已经成为我国钢铁工业可持续发展的瓶颈，而且日益凸显。解决我国钢铁生产能耗高和环境负荷大的重要措施之一就是从根本上改变传统的高炉炼铁方式，摆脱或减少对焦煤的依赖，取消焦化和烧结工序。近十年来，钢铁工业的迅猛发展对铁矿石产生了巨大需求，而与此同时铁矿石的价格也增长较大，一些能够处理劣质矿石的新工艺也日渐受到重视，熔融还原炼铁技术正是这样一种能够从根本上改变传统炼铁工艺的炼铁新技术[2]。为了更好地发展熔融还原流程，有必要更加全面地掌握熔融还原发展现状。

典型熔融还原工艺

1. COREX 工艺

COREX 技术研究始于20世纪70 年代末，由奥钢联和西德杜塞道尔科富（Korf）工程公司联合开发，我国宝钢于2005 年引进了COREX-3000 技术，建成我国第一座熔融还原炼铁厂，并于2007年11 月投产。

由于是COREX-3000 型的首座生产装置，其设计、装置配备的合理性未得到充分验证，对原燃料条件缺乏成熟经验，生产每吨铁水仍需使用部分焦炭，产能、能耗、作业率、铁水成本等未达到预期目标。2011 年投产的2#COREX 炉，在吸取第一套COREX 装置生产经验和教训基础上，在工艺上采取了增加竖炉AGD（Air Gas Distribution）管、扩大DRI下降管孔径以及改进粉尘反吹系统等措施，生产指标得到了明显的改善[2,3]。

由于国内钢铁形势严峻且COREX 炉在上海生产原料的运输成本较高，COREX 1 号炉于2011年7月停产，2 号炉2012 年9 月停产，1 号COREX 炉于2012 年7 月整体搬迁至新疆八钢，在充分消化、吸收COREX 前期设计、制造、施工和生产操作、运营维护和技术改造经验的基础上，对COREX 炉一些方面进行了优化，其中：

1) 改进上料系统，结合八钢冬季生产的特点，垂直皮带加设暖风加热炉并将炉顶水平皮带封闭；

2) 在宝钢2#COREX 基础上对AGD 管道进行进一步优化：设一根AGD 管，按与煤气入口成90°方向布置并取消竖炉80 个围管清灰孔。另外，将围管煤气孔尺寸缩小为230×170(mm)，提高了围管前段的鼓风动能。

3) 为预防煤气管道出现爆鸣事故，根据宝钢实践经验并结合高炉炉顶的放散工艺，在顶煤气上升管道最高点加装一高位放散阀到118m平台[5]。

COREX 工艺至今只有三十多年的历史，不同于技术已经成熟的高炉，在生产工艺上还有很多地方需要不断改进和优化。由于新疆煤炭、铁矿石资源相对丰富，成本较低，而且随着焦炭资源越来越紧缺，从长远看，COREX 熔融还原新技术的优势会逐渐显现出来。

2. FINEX 工艺

FINEX 是由浦项与奥钢联(VAI)在COREX 基础上经过18年开发而成的熔融还原工艺。它使用廉价的粉状铁矿石和烟煤作为原料，不但节省了大量的投资和生产成本，同时减少了污染物排放量。浦项与2014年7 月10 日关闭了其年产60 万吨的FINEX 示范厂，在其服役的18 年7 个月的时间里，共生产了1200万吨铁水。在第一座FINEX 示范厂取得成功的基础上，浦项开始着手建造大型化FINEX装置，目前第二座和第三座FINEX厂已商业化运营。第二座年产铁水150万吨FINEX设备于2007年建成投产，第三座年产铁水200 吨工厂于2011 年6 月开建，并于2014 年1 月点火运营。浦项在第一座FINEX 炉身冷却后对其进行检测，研究煤和铁矿石的反应机理，以及这些低品位矿石和煤生产铁水和炉渣的过程，从而促进FINEX 技术进步，提升第二座和第三座FINEX 设备的生产能力[6,7]。

据浦项介绍，第二套FINEX 设备作为世界首座FINEX 商业化工厂，其生产运营情况可与传统高炉相媲美。150万t FINEX 与浦项4 号高炉操作指标比较见表2。

在煤耗方面:通过采用二氧化碳去除和煤粉喷吹工艺，煤耗降至720kg/t，最好的指标在2008年3月，燃料比为710kg/t，其中焦炭消耗为70kg/t，煤粉喷吹比为120~150kg/t。流化床反应器的一半尾气通过二氧化碳去除工艺循环到反应器中，从而可以为流化床反应器提供30%的还原气体，降低耗煤量[9]。

在成本方面，浦项公司以韩国浦项的价格为基础，将年产生铁300万吨高炉流程与FINEX 流程(两套150万吨FINEX 装置，包括各流程本身的全系统以及制氧机，发电站等)进行投资对比，认为FINEX的建设投资比高炉流程节省20%。同时，对两种流程的生产成本也根据浦项的实际情况进行了对比计算，认为FINEX生产成本低15%。

第三座FINEX 装置改进措施：年产200 万t 铁水的第三座FINEX 工厂设计融合了第二座FINEX厂的生产运营经验和研发成果。为了提升产能，增大了流化床反应器和熔融气化炉的直径，同时降低了反应装置的整体高度。第二座FINEX厂为了获得85%含Fe 品位的DRI，配备了4 级反应器，浦项通过大量的生产操作试验，发现DRI最佳还原度为65%，因此，第三套FINEX 设备去除了1级反应器。此外，为了提升反应器铁矿粉供给效率，采用气力输送系统替代垂直皮带输送机系统。通过采用上述措施，设备高度显著降低，从121m 降至77m[8]。

FINEX 工艺相对于高炉炼铁而言，其工艺简单，原料成本低廉，在工厂建造成本和生产成本两方面都具有优势。FINEX 商业化工厂的操作运营结果显示了该工艺的可靠性，可以预计，FINEX将来具有很大的提升空间。

3. HIsarna工艺

HIsarna技术是力拓集团HIsmelt技术和艾默伊登厂开发的Isarna技术的结合，代表了一种新的、更具效率潜力的炼铁方法，该技术开发的初衷就是为了减少炼铁过程中的碳排放，HIsarna 技术试验的成功对于ULCOS 项目(超低二氧化碳排放)而言是一个重大成就。

HIsarna工艺可以直接使用粉矿和粉煤，只需将干燥和磨碎作为预处理手段而不需要炼焦和烧结过程。

HIsarna 采用了HIsmelt工艺的熔池熔炼技术和在旋风炉中进行预还原的方法，这种旋风炉技术借鉴了CCF旋风转炉熔融还原技术。与还原竖炉和流化床等预处理方法不同的是，旋风炉直接与熔炉相连，熔炉的气体不经过冷却和净化就进入旋风炉，其燃烧产生的化学能和自身所带物理热均被吸收，这种预处理技术使得多个步骤只在一个反应器中进行。在熔池气体二次燃烧率较高的情况下，一般还原度在20%~25%，这是由于旋风炉中温度比竖炉和流化床高，反应进行的程度不同。竖炉和流化床由于粘结和软化的问题，无法进行更高温度的操作[10]。

HIsarna工艺可以使用含磷和钛较高的铁矿石，这一点和HIsmelt类似，另外，HIsarna还有以下优势：

（1）减少CO2排放20%，若结合碳捕获和封存技术(CCS)，可减少80%；

（2）不使用焦炭，免去了烧结流程，减少了排放；

（3）可以使用一些高炉不能使用的低质矿石。

HIsarna在节能环保方面较高炉具有明显优势，见下表：

HIsarna 在应对资源劣化、减少投资、提升设备效率、节能环保等方面优势明显，在不采用CCS 技术

的条件下，也可应对中短期内节能减排方面的压力，为炼铁技术开发中短期规划和产业升级提供了较理想的解决方案。因此，无论在效益、投资还是节能环保上，HIsarna 工艺都死一种值得期待和开发的熔融还原炼铁新技术。

展望

虽然在炼铁方面高炉仍占主体地位，并且对焦炭的依赖有所减轻，近期也不可能出现对高炉形成挑战的炼铁新工艺，但从长远看，熔融还原炼铁工艺仍充满希望。焦煤的短缺已经很大程度上制约了高炉的发展。低碳经济为钢铁工业提供了新的发展机遇，钢铁企业在完成节能减排任务的同时，抓住机遇、实现环保技术产业化，把握产业发展规律，就能在调整和转变的大趋势中占得先机。从环保看，COREX、FINEX、HIsarna 三种熔融还原工艺都不使用或者较少使用焦炭，COREX 使用一部分块矿和球团矿，FINEX 和HIsarna直接使用粉矿，省去了烧结工序。因而这三种技术对环保很有益，非常有利于减排CO2。

对于HIsarna和FINEX，虽然理论生产成本低，而且可使用特殊矿种作为生产原料，但在实际应用中，设备利用率、燃料比，热煤气利用率等钢铁界比较关注的焦点问题情况尚不清楚，要在中国实现工业化生产还有很长的路要走；COREX 的工业化生产也因为原料和生产条件等因素一直不能达到设计要求。因此开发一种设备简单、流程短、投资少、成本低、环境友好的非高炉炼铁技术，虽然还有一段很长的路要走，但借鉴高炉炼铁的经验和现有熔融还原技术的实践，在我国专家学者研究的基础上，早日实现这一愿望还是非常有希望的。

参考文献

[1] 郭培民,赵沛,庞建明等. 熔融还原炼铁技术分析[J].钢铁钒钛,2009,30(3):1-9.

[2] 何奕波,李承志,魏国等.熔融还原炼铁法在中国的发展及技术创新[C]. 2012 年非高炉炼铁学术年会论文集.2012:44-48

[3] 朱仁良,朱锦明__________,宋文刚等.宝钢COREX-3000 运行现状及发展前景[J].宝钢技术,2011,(6):12-17.

[4] 林金嘉,宋文刚,夏文尧等.宝钢COREX-3000 的生产技术进步和改进方向[C].第五届宝钢学术年会论文集.2013:1-8

[5] 杨成波,邹庆峰.八钢COREX 主要工艺技术改进[J].新疆钢铁,2014(2).

[6] 王定武.熔融还原炼铁技术的新发展[J].中国冶金,2003,(5):34-37.

[7] 周渝生. 煤基熔融还原炼铁新工艺开发现状评述[J].钢铁,2005,40(11):1-8.

[8] 王宇翔. Finex 炼铁工艺新进展[N]. 世界金属导报,2014-07-29B01.

[9] 胡俊鸽,周文涛,郭艳玲等.先进非高炉炼铁工艺技术经济分析[J].鞍钢技术,2012,(3):7-13.

[10] K.Meijer·C.Teerhuis·M.Ouwehand·M.Quwehand·J.van der Stel. Developments in Alternative Ironmaking[J].Trans Indian Inst

Met,2013, 66(5-6):475-481

[11] 张二雷.典型熔融还原工艺的发展现状及综合评述[C].第十四届全国大高炉炼铁学术年会论文集.2013:662-667