周渝生，洪益成

　　鋼鐵研究總院

　　1.熔融還原煉鐵工藝技術發(fā)展過程及經(jīng)驗教訓

　　熔融還原是指非高爐煉鐵方法中那些主要以非焦煤為燃料、不用冶金焦炭或僅使用少量焦炭生產(chǎn)高質(zhì)量液態(tài)熱鐵水，環(huán)境污染極小的工藝過程。熔融還原煉鐵工藝是當代冶金工業(yè)非常關注的前沿研究開發(fā)課題之一。

　　1.1.一步法熔融還原

　　從1924年德國赫施鋼鐵公司提出在轉(zhuǎn)爐中使用碳和氧氣還原鐵礦石的熔融還原煉鐵方法，至今已經(jīng)92年，全世界先后提出了近百種熔融還原煉鐵的專利，早期的研究大多希望采用貌似簡單的鐵浴一步煉鐵法，但是，由于難以克服在熔煉過程中爐襯的快速嚴重侵蝕和能耗過高等原因，幾乎全部研究開發(fā)工作均陸續(xù)以失敗告終。

　　瑞典埃克托普教授在1960年代提出“熔融還原”的理論，其基本概念是，在鐵氧化物熔融狀態(tài)下,其全部還原都依靠C+O2→CO2反應的熱量來完成，生成的CO完全燃燒成CO2，產(chǎn)生的熱量全部用于系統(tǒng)熱平衡的需要。這樣，可以達到最低理論碳耗321kg/t鐵，在這個系統(tǒng)中碳是唯一的能源。 但是“還原煉鐵過程中碳100%完全燃燒、碳是唯一的能源”都是不可能、不現(xiàn)實的。所以，也不可能達到“321kg/t鐵”的最低碳耗。目前最先進的大型高爐煉鐵流程，其全流程的噸鐵能耗也超過540kgce/t鐵水。

　　從50年代后期開始，歐美各國先期研究開發(fā)的熔融還原大多也是在一個反應器中一步完成全部熔煉過程，被稱為“一步法”，例如Dored法、Retored法、CIP法、Eketorp—Vallak法、Wiberg法、Bruner法、Johnsson法等,也包括近幾年結(jié)束研究的澳大利亞高強度熔融還原法(HIsmelt)。這些方法最終都失敗了，失敗的主要原因如下：

　?、?ldquo;一步法”在同一反應器中同時進行的鐵礦石的還原反應和煤炭的完全燃燒反應，彼此無法分開，將熔融還原過程中產(chǎn)生CO用氧完全燃燒，產(chǎn)生的熱量高效地傳遞給熔池十分困難，氧化鐵和炭質(zhì)還原劑之間反應的傳熱和傳質(zhì)過程也分不開,還原出的金屬鐵難免被再氧化,因此爐渣含亞鐵高,鐵收得率低,煉鐵工藝的經(jīng)濟性差。

　?、?ldquo;一步法”冶煉過程中鐵礦石首先熔融然后進行碳熱還原，必然產(chǎn)生高(FeO)渣對爐襯有非常嚴重、快速的侵蝕作用，不僅更新耐材的成本高，每年必需停爐大修及經(jīng)常性的爐襯維修作業(yè)使煉鐵反應器的作業(yè)率低下,不能滿足鋼鐵企業(yè)大規(guī)模、穩(wěn)定、連續(xù)生產(chǎn)鋼材的鐵水需求。

　?、?ldquo;一步法”熔融還原產(chǎn)出的大量1500℃以上含塵高溫煤氣難于用于氧化鐵還原工藝本身(工程實現(xiàn)的難度很大)，熱能回收利用效率低，使產(chǎn)品的能耗成本很高。

　　90年代以來，可持續(xù)發(fā)展對環(huán)境提出越來越高的要求，鋼鐵市場競爭激烈，高爐煉鐵流程的競爭力不斷提高，各國不斷強化新工藝的研究，非高爐煉鐵技術研發(fā)空前活躍，新的煤基熔融還原煉鐵法不斷涌現(xiàn)。為了解決“一步法”存在的爐襯侵蝕快、大量含塵的高溫煤氣的能量難以回收利用，能耗成本居高不下的難題。80年代以來國內(nèi)外研究開發(fā)的熔融還原大多數(shù)是“二步法”，所謂“二步法”就是將還原過程分解為固體狀態(tài)氧化鐵的預還原和熔融狀態(tài)的終還原兩段，分別在兩個反應器中進行，既充分利用終還熱煤氣的顯熱和化學能，同時又降低渣中(FeO)含量，以減輕對爐村的侵蝕。

　　1.2.二步法熔融還原

　　"二步法"的預還原裝置多為流化床、豎爐、轉(zhuǎn)底爐或回轉(zhuǎn)窯。豎爐的優(yōu)點是工藝成熟、還原率高、操作簡單，缺點是必須用塊礦或球團礦，預還原到70%-90%金屬化率需要6-8h。流化床可以直接使用鐵精礦粉或爐塵，反應速度比較快，缺點是設備復雜龐大、順行控制的難度大。"二步法"利用終還原反應器產(chǎn)生的熱煤氣(主要成分為CO和部分H2)作預還原段的還原氣或燃料，預還原后的物料可連續(xù)熱送到終還原反應器，在高溫熔融還原狀態(tài)下進行終還原、滲碳、熔化、過熱、渣鐵分離，最終熔煉出與高爐生鐵類似的優(yōu)質(zhì)鐵水。終還原熔分爐有鐵浴型、豎爐填充床型、電爐型等幾種基本形式。"二步法"已成為目前研發(fā)的主流。

　　二步法熔融還原系統(tǒng)(如COREX法)一般由預還原、終還原和能量轉(zhuǎn)化等工藝單元組成。礦石加入預還原單元，煤可以部分加入預還原及高溫熔融終還原單元，氧氣用來使煤氣化和燃燒供熱。從這兩個單元輸出的剩余煤氣可用于生產(chǎn)DRI、發(fā)電或用作鋼廠燃料、化工原料等。

　　1.2.1.低還原度、高二次燃燒率二步法熔融還原流程的經(jīng)驗教訓

　　80年代以來歐美日等發(fā)達國家曾經(jīng)轟轟烈烈地開發(fā)低預還原度含鐵原料-高二次燃燒率二步法熔融還原工藝，如美國的AISI-DOE法，日本的DIOS法，俄國的ROMELT法，歐洲的CCF法(旋風轉(zhuǎn)爐法),澳洲的AUSMELT法都是根據(jù)一種“高二次燃燒率(Post Combustion Rate)與高傳熱效率”理論，將高還原勢環(huán)境下才能完成的鐵礦石碳熱還原過程，和高氧化勢環(huán)境下才能實現(xiàn)的高二次燃燒率(PCR-即CO在爐內(nèi)燃燒生成CO2的比例)供熱，集成到一個反應器中實現(xiàn)集約化高效煉鐵，認為這種方法可以大量節(jié)省燃料，又可快速反應實現(xiàn)熔融還原。但是在這種理論指導下開發(fā)的上述熔融還原煉鐵新工藝迄今尚無一種成功地進行工藝生產(chǎn)，相反，在美國的AISI-DOE項目、日本的DIOS項目各自花費了1 億多美元研發(fā)費用開展大規(guī)模工業(yè)試驗并終止研究項目以后，都得出了比較一致的結(jié)論，即低預還原度的含鐵原料結(jié)合高二次燃燒率反應工藝的工業(yè)試驗結(jié)果表明，這一類熔融還原煉鐵工藝的噸鐵煤耗難于達到1000kg以下，由于1500℃渣中(FeO)高，對耐火材料侵蝕速度很快(0.1-1.0mm/h)，爐襯壽命過短，最終由于能耗居高不下，設備作業(yè)率低下,難以經(jīng)濟地生產(chǎn)鐵水而終止了試驗研究。

　　美國鋼鐵協(xié)會-能源部的AISI-DOE熔融還原直接煉鋼法。1987年一批著名的美國煉鋼煉鐵專家組成的一個專家委員會為美國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展方向作規(guī)劃，其成員來自各個鋼鐵企業(yè)的專家和大學的著名教授如R.J.Fruehan等，E.Aucrust為該委員會的主席，在1987年參觀交流考察了日本、歐洲開發(fā)的幾種非高爐煉鐵工藝后，該委員會向能源部提交了一份AISI-DOE熔融還原-直接煉鋼開發(fā)計劃并獲得了資助。AISI工業(yè)試驗的設備是匹茲堡USS公司中間試驗廠的一座15t鐵浴熔煉爐，使用煤、氧及預先在HYLSA豎爐中預還原成FeO的球團礦(預還原度25%-30%)，鐵浴熔煉爐煉出的鐵水經(jīng)過鋼包精煉處理直接煉鋼(工藝流程示意圖見圖1.)，還計劃將直接使用粉礦作為目標。計劃中包括在大學和鋼廠的實驗室中開展的支持性研究，以及開展大容量鐵浴爐二次燃燒試驗等。預定1993年初完成項目后建造年產(chǎn)35萬噸的示范工廠兼實用爐直接煉鋼。但是，AISI在經(jīng)過中試規(guī)模試驗后，發(fā)現(xiàn)有難以解決的工程技術問題，于1993年終止了項目。

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