4月20日，天津奧沃冶金技術(shù)咨詢有限公司經(jīng)理陶江善攜企業(yè)代表一行三人，到山東墨龍集團(tuán)下屬山東懋龍機(jī)械制造有限公司參觀考察HISMELT熔融還原工廠，并與山東墨龍公司技術(shù)人員進(jìn)行溝通交流。HIsmelt直接熔融還原技術(shù)于2017年底正式由澳洲技術(shù)擁有方力拓集團(tuán)(下文簡(jiǎn)稱外方)轉(zhuǎn)讓給山東一家民營(yíng)企業(yè)(下文簡(jiǎn)稱中方)，從1980年的基礎(chǔ)研發(fā)至2018年，歷時(shí)近40年，這40年恰逢中國(guó)改革開放，也是中國(guó)民營(yíng)經(jīng)濟(jì)從無到有的發(fā)展時(shí)期，外方在該項(xiàng)技術(shù)上傾注了大量的心血和金錢，終于在市場(chǎng)和戰(zhàn)略變遷的迫使下，徹底放棄該技術(shù)。
2016年，中國(guó)首座HIsmelt工廠在山東壽光建成并試車，前后經(jīng)過近10次反復(fù)啟動(dòng)試車伴隨著持續(xù)的工藝優(yōu)化與設(shè)備改造，于2017年初步實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定順行。
作為親歷項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建設(shè)、試車、運(yùn)行、直至技術(shù)轉(zhuǎn)讓的全程參與者，作為該技術(shù)的忠實(shí)粉絲，作為一名熱愛新技術(shù)的工程師，始終覺得應(yīng)該說點(diǎn)什么，為這段故事留下一段記憶。同時(shí)也讓有心者了解，一項(xiàng)大型技術(shù)從基礎(chǔ)研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化需要付出的諸多艱辛。
需要說明的是，本文不是專業(yè)性文章，文中不涉及對(duì)任何公司和個(gè)人的褒貶，而是從宏觀的視覺闡述一項(xiàng)由外方開發(fā)但沒有做好的技術(shù)是如何在中國(guó)實(shí)施成功的。
據(jù)國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的文獻(xiàn)記載，最早的高爐雛形源于中國(guó)漢代，中國(guó)人在漢朝使用黏土在樹藤和土塊的支撐下搭成了爐子，并現(xiàn)在下部安裝了鼓風(fēng)系統(tǒng)，最早煉出了鐵水。歐洲人逐步發(fā)展出了熟鐵爐，風(fēng)箱爐。1840年以前，世界上鋼鐵絕大多數(shù)都由木炭作為還原劑進(jìn)行熔煉，每千克生鐵需要消耗40千克木材。隨著第一次工業(yè)革命的爆發(fā)，人類對(duì)鋼鐵的需求成指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，而煉鐵則對(duì)森林進(jìn)行了大規(guī)模的砍伐(“大煉鋼鐵”時(shí)期，全國(guó)森林覆蓋面積下降約3個(gè)百分點(diǎn))，造成了生態(tài)系統(tǒng)的急劇惡化。19世紀(jì)30年代，歐洲開始試驗(yàn)焦炭，1940年后，焦炭開始大量運(yùn)用于高爐，焦炭的發(fā)熱量高，力學(xué)性能好，可以作為骨架支撐礦石，為大規(guī)模煉鐵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)打下了基礎(chǔ)。高爐高度由1830年的14.6米直線升高至1840年的24.4米，直徑增加了1米，體積增加到250m³，大型高爐技術(shù)正式登上歷史舞臺(tái)。如今已經(jīng)建成的高爐爐容達(dá)最高已達(dá)6000m³。
鋼鐵產(chǎn)能已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)化水平的重要指標(biāo)，翻看工業(yè)化的歷史就能發(fā)現(xiàn)，世界發(fā)展的中心從歐洲的英德，美國(guó)，日韓，中國(guó)，到正在如火如荼的印度，無不有高爐煉鐵高大的身影在背后支撐。
根據(jù)高爐的技術(shù)需求，人類廣泛采用粉礦造塊+焦炭+高爐的技術(shù)路線進(jìn)行生產(chǎn)，高爐煉鐵的重大缺陷就是環(huán)保，以及高品質(zhì)礦石原料來源的偏向性。
粉礦造塊和煉焦均是污染物和溫室氣體排放大戶，據(jù)中國(guó)官方機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)，每年煉鐵煉鋼行業(yè)二氧化硫和氮氧化物排放量?jī)砂偃f噸以上，煙塵排放量則接近四百萬噸;焦化工序排放總量還要加上一百萬噸。高爐工藝生產(chǎn)的每噸鋼二氧化碳排放量約為2.5噸。這還不包括無組織排放的。
看看北京周圍頻發(fā)的霧霾，每次北京有重要外事活動(dòng)時(shí)，周邊鋼廠限產(chǎn)就能明白傳統(tǒng)鋼鐵工藝對(duì)環(huán)境的影響有多大。
原料上，高品質(zhì)的鐵礦石資源絕大多數(shù)都分布在澳大利亞西部、巴西、遙遠(yuǎn)的非洲。而高爐技術(shù)不能高效冶煉的高磷礦、高鋁礦和釩鈦礦卻在地球上有廣泛分布，且儲(chǔ)量驚人。同樣，優(yōu)質(zhì)的煉焦煤在近兩百年開采后，逐漸趨向于貧乏。原材物料的稀缺性也就成為各國(guó)大力研究非高爐冶金技術(shù)的內(nèi)生動(dòng)力之一。
鋼鐵業(yè)界從上世紀(jì)70年代開始重視非高爐煉鐵，旨在擴(kuò)大原材料使用范圍，降低鋼鐵行業(yè)污染排放，Corex、Finex、Midrex、HIsmelt等等層出不窮，但是在運(yùn)行過程中都遇到各自的困難。均沒有能夠得到大規(guī)模的接受和推廣。其中的HIsmelt熔融還原技術(shù)是完全舍棄焦化廠和燒結(jié)廠，直接用鐵礦粉和煤粉煉鐵，能夠極大簡(jiǎn)化煉鐵流程，降低污染及溫室氣體排放的最簡(jiǎn)單工藝，HIsmelt是力拓傾力打造的最先進(jìn)礦石冶煉技術(shù)。力拓集團(tuán)在西澳大利亞地區(qū)擁有巨量的高磷礦石儲(chǔ)量，這也是其潛心從基礎(chǔ)研發(fā)開始，36年不間斷投入的主要原因。
1981年，CRA礦業(yè)公司(力拓集團(tuán)前身)對(duì)德國(guó)Klöckner Werke的底吹氧氣轉(zhuǎn)爐工藝OBM產(chǎn)生濃厚興趣，認(rèn)為該工藝能夠直接用于直接煉鐵。
1982年，CRA與德國(guó)Klöckner Werke成立合資公司共同開發(fā)研究，并在60噸的OBM轉(zhuǎn)爐上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明通過煤粉噴吹和二次燃燒，該工藝能夠直接熔融還原鐵礦粉。雙方?jīng)Q定在德國(guó)巴伐利亞州建設(shè)產(chǎn)能12000噸的小型中試廠SSPP。
SSPP在1984年至1990年進(jìn)行了長(zhǎng)期運(yùn)行測(cè)試，1987年CRA開始全權(quán)負(fù)責(zé)SSPP。
1989年至1994年，CRA與Midrex開始研發(fā)新一代的HIsmelt工藝即HRDF。
1992年HRDF臥式爐建成并冷試車，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為100000噸，經(jīng)歷6次爐役后改造為立式爐。
1996年立式爐建成，1997年開始試車，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明立式爐從產(chǎn)能、產(chǎn)率、可靠性、連續(xù)運(yùn)行時(shí)間等各項(xiàng)指標(biāo)均遠(yuǎn)高于臥式，且工藝設(shè)備更加簡(jiǎn)單，試驗(yàn)結(jié)果過完全達(dá)到預(yù)期，符合工業(yè)化擴(kuò)大工廠的要求。
2002年力拓集團(tuán)與世界幾家有實(shí)力的鋼鐵公司成立合資公司，開始籌建年產(chǎn)80萬噸的示范性工廠。2004年示范性工廠建成，2005年開始試生產(chǎn)，斷斷續(xù)續(xù)的運(yùn)行至2008年金融危機(jī)。期間經(jīng)歷了耐材重砌、引入渣區(qū)冷卻器、礦粉/煤粉噴槍改進(jìn)、渣口升級(jí)、熱風(fēng)噴槍升級(jí)、煙氣脫硫擴(kuò)大升級(jí)一系列從無到有的摸索改進(jìn)。2008年關(guān)閉前，熔融還原爐及其附件的改造設(shè)計(jì)完成并能穩(wěn)定，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷的問題都集中到外圍附屬設(shè)備，如礦粉預(yù)熱。而在這些反復(fù)啟動(dòng)、關(guān)閉、調(diào)試、維修的過程中，力拓的工程師和技術(shù)人員積累了大量的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為日后新工廠的建設(shè)和運(yùn)行打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
西澳HIsmelt運(yùn)營(yíng)期間正置中國(guó)鋼鐵高速發(fā)展期，吸引了時(shí)任中國(guó)國(guó)家主席、總理、人大委員長(zhǎng)，以及寶鋼首鋼等35家大型鋼鐵集團(tuán)的廣泛關(guān)注，很多公司都簽訂了合作協(xié)議，一旦成功，將會(huì)在中國(guó)大范圍的推廣。由于這是第一個(gè)工廠，設(shè)備、工藝、技術(shù)、人員等等都是全新設(shè)計(jì)，不可避免的會(huì)發(fā)生各種各樣的狀況，始終沒有達(dá)到預(yù)期的運(yùn)營(yíng)效果。2008年金融危機(jī)蔓延，中國(guó)用戶的耐心也消耗殆盡，力拓集團(tuán)和合作方?jīng)Q定西澳關(guān)閉工廠。連大企業(yè)都搞不定，中國(guó)人心里就自然認(rèn)為該技術(shù)已經(jīng)失敗。
歷史再次證明，真理往往掌握在少數(shù)人手里，2012年山東壽光一個(gè)中型民企企業(yè)家通過非直接渠道了解到了該技術(shù)，由于該企業(yè)沒有高爐，上游的煉鋼原料都從周圍高爐企業(yè)采購。建設(shè)一個(gè)年產(chǎn)能不大的生鐵生產(chǎn)工廠正好配合其下游煉鋼軋鋼的車間產(chǎn)能消耗，也就是順勢(shì)而為的事情了。2012年該企業(yè)向澳大利亞現(xiàn)場(chǎng)派駐工程師，將部分有價(jià)值的設(shè)備拆遷回山東，2013年開始同設(shè)計(jì)院合作設(shè)計(jì)，2014年開始建設(shè)，2016年初建成，1-5月完成單體調(diào)試。2016年6月進(jìn)行首次裝鐵水試車。
HIsmelt工藝每次啟動(dòng)的時(shí)候，需要首先將爐體加熱到一定溫度，往爐內(nèi)灌注幾百噸高溫鐵水預(yù)熱，再往里面噴入原料開始反應(yīng)。由于爐體大，耐材厚，預(yù)熱需要用天然氣燃燒烘烤5-7天，烘烤完成后，如果受熱不均勻，灌入鐵水后很可能會(huì)迅速冷卻凝固，必須停爐將凝固的鐵挖出來，若此，則啟動(dòng)失敗，烘爐和鐵水的幾百萬等于打水漂了。
第一次啟動(dòng)灌入鐵水后，還原爐煙罩循環(huán)水泵(利舊設(shè)備)突然故障調(diào)停，沒有循環(huán)水冷卻的煙罩，是不能生產(chǎn)的，在無數(shù)次嘗試都不能啟動(dòng)的情況下，中方和外方商定，啟動(dòng)失敗，將鐵水放出。但由于鐵水溫度過低，流動(dòng)性降低，已經(jīng)不能夠通過放盡口流出了。最終只能等冷卻后，用切割機(jī)切割，人工搬動(dòng)出來，該過程歷時(shí)接近一個(gè)月;
第二次啟動(dòng)，灌鐵水一切正常，在即將進(jìn)入正常生產(chǎn)時(shí)，突然全廠停電，制氧廠需要長(zhǎng)時(shí)間恢復(fù)，再20小時(shí)后決定放出鐵水。第二次啟動(dòng)宣告失敗;
第三次啟動(dòng)在烘爐期間，由于爐內(nèi)渣沒有清理干凈，渣融化后在鐵口冷卻堵塞鐵口，在多次試圖用氧槍融化不能成功后，停爐排堵重新生產(chǎn)。
第四次啟動(dòng)，終于正常啟動(dòng)并生產(chǎn)。
2016年啟動(dòng)至今，中方項(xiàng)目部經(jīng)歷了斗式提升機(jī)堵塞，磨煤系統(tǒng)故障，噴煤線堵塞，噴槍漏水，煙罩漏水等等一些列設(shè)備問題，最后均一一解決。2017年突破連續(xù)生產(chǎn)三個(gè)月，2018年實(shí)現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)四個(gè)月，生產(chǎn)成本持平高爐，部分月份低于高爐。
綜合兩年多的生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)，HIsmelt在中方項(xiàng)目上出現(xiàn)的問題均為設(shè)備不穩(wěn)定導(dǎo)致的，最核心的熔融還原爐及其附屬噴槍均正常。
工廠是連續(xù)生產(chǎn)的過程，從原料場(chǎng)，原料預(yù)熱，煤粉噴吹，礦粉噴吹，鐵口，鐵鉤渣溝，后面的煙氣處…任何環(huán)節(jié)設(shè)備出現(xiàn)故障，工廠必須停下進(jìn)入保持狀態(tài)。進(jìn)入保持狀態(tài)后，就是與時(shí)間賽跑的過程，停爐時(shí)間太長(zhǎng)，爐體易冷卻，甚至煉成鋼或者出現(xiàn)泡沫渣。因此工廠對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性有很高的要求，出問題后現(xiàn)場(chǎng)能夠快速響應(yīng)，在有限時(shí)間內(nèi)將設(shè)備回復(fù)正常。這點(diǎn)其實(shí)是項(xiàng)目成功的最關(guān)鍵因素。
