Hlsmelt熔融还原炼铁工艺.docx

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Hlsmelt熔融还原炼铁工艺

非高炉炼铁工艺—Hlsmelt熔融还原炼铁工艺

由澳大利亚的力拓矿业集团开发的HIsmelt熔融还原炼铁工艺，采用了铁矿粉及钢厂废料和非炼焦煤直接熔融的还原技术生产高质量的铁产品，可直接用于炼钢或铸成生铁。

还可以循环使用热能，以达到降低成本和减少污染的目的。

从不断优化高炉炼铁和开发新型非高炉炼铁工艺考虑，可对炼铁生产实现节能减排和保护环境起到积极的作用。

HIsmelt熔融还原炼铁工艺作为适应钢铁工业发展的需要而开发的熔融还原炼铁的生产工艺，可为炼铁生产提供了一种新的选择。

  钢铁生产工艺包括传统的高炉—氧气顶吹转炉的长流程和基于电弧炉的短流程。

近年来，受环保等方面因素的影响，短流程工艺受到越来越多的关注。

1996年以来，世界范围内有大量短流程优质扁平材生产厂投产。

这些短流程钢厂仅承担较低的折旧费用，还能利用废钢来削减生产成本。

因此，短流程钢厂的热轧生产成本要比钢铁联合企业的低。

推动这种趋势发展的主要原因有以下几个方面：

高炉生产对原料的规格要求较严格，原料预加工（焦化、球团和烧结厂）使高炉生产成为环境污染的主要排放源，新建或改造高炉的投资额巨大，世界范围内的焦炉普遍呈老化状态，也需要大量投资。

 正常情况下，为了获得规模经济效益，钢铁联合企业的建造规模都很大，因此，温室气体排放和环境污染的问题比较严重。

电炉炼钢厂的情况则有所不同，与钢铁联合企业相比，其竞争力相对较强。

对于电炉炼钢厂来说，优质、稳定的铁供应可明显提高电炉炼钢的生产率，降低生产成本。

因此，在炉料中搭配铁水就具有较高的利用价值。

在此条件下，开发具有能源利用率高、原料及炉料适应性强、投资成本低、操作灵活等特点的炼铁工艺，已成为钢铁联合企业关注的课题之一。

1Hlsmelt工艺流程简介

   图1为HIsmelt熔融还原炼铁的工艺流程图。

图1   HIsmelt熔融还原炼铁的工艺流程图

  首先，HIsmelt工艺将金属熔池作为基本的反应媒介，炉料直接注入到金属中，熔炼过程主要通过熔解碳进行。

而其他熔融还原炼铁的生产工艺一般都采用顶装矿石和煤炭工艺，通过渣层中的碳化物（及少量金属）进行熔炼。

与渣中的碳相比，金属中的熔解碳作为还原剂的反应效率更高，其原因主要是由于渣中的碳需要转换为气相还原介质一氧化碳。

也就是说，HIsmelt工艺是通过使用更具活性的碳（溶解碳）获得了更快的熔炼速率。

  其次，HIsmelt工艺中熔体的混合度与其他工艺不同。

在HIsmelt工艺中，将炉料直接注人到金属中，产生大量的“深层”气体，这会形成一个强劲的上浮气流，导致熔液快速翻转。

计算表明，翻转的流量达到每秒数吨的级别。

在这种条件下，在液相中形成实质性温度梯度（大于20～30℃）的可能性很小，系统实质上以等温熔体的形式运转。

此外，熔体的快速翻转促进了从炉顶空间到熔池的热传递，同时杜绝了单一液滴明显过热的现象。

这对于渣区的炉膛耐火材料的保护意义重大，因为熔体的良好混合可使耐火砖仅暴露于低FeO含量及温度较低的介质中。

2 Hlsmelt工艺特点简介

图2 HIsmelt熔融还原炉模型

  图2为HIsmelt熔融还原炉的模型，作为目前全球熔融还原炼铁技术之一的Hismelt技术具有以下特点。

  在熔炼中，通过使用大范围的煤种、矿石和典型的钢厂废料（回炉料），HIsmelt工艺的适用性得到了充分证明。

试用煤种的范围广泛，使其对工艺性能的影响能够被量化。

由于汽化和挥发分裂解作用导致的热能损失，高挥发分（最高达38%）煤对HIsmelt炼铁工艺具有负面影响。

煤中氧、水分和灰分的含量对生产也有潜在影响。

试验表明，该工艺中间试验用的所有煤种均可用于实际生产，在煤种的选择上，仅需从经济方面的考虑。

  对采用各种矿石炉料还原水平的产能进行评估，包括赤铁矿、赤铁矿／针铁矿、针铁矿和直接还原铁。

对矿粉／直接还原铁混合料进行了预还原的中间试验。

此外，利用热风氧富集（最高含氧量达30%）成功地提高了熔炉的工作效率。

  回收料包括高炉和氧气转炉的粉尘、泥渣、铁鳞等。

由于回收料中的碳得到充分的利用，可使总体煤耗量大幅降低。

此外，由于炉料中铁的预还原水平较高，生产效率得到提高。

与铁矿石冶炼相比，回收料无须额外进行处理和加工。

表1示出了对高炉和HIsmelt炼铁系统的投资进行对比的研究结果。

从表1可看出，HIsmelt工艺的吨钢生产成本为180～310美元，而钢铁联合企业的典型吨钢生产成本为320～450美元。

  此外，HIsmelt工艺还具有以下特点：

原料要求的预处理量很小，熔炼前无须选矿；具有较高灵活性，能够根据钢厂的生产进行大幅度的调整；可生产质量优异且稳定的铁水；炉料的反应时间以毫秒计算，温度控制优于高炉；具有高度集成的在线工艺控制系统，设备运行和操作简单，总体设备维护量小；具有明显的环保优势。

  与高炉炼铁工艺相比，一座配备了矿石加热系统的HIsmelt炼铁厂有望将每吨铁水的二氧化碳排放量减少约20%，并能够有效地控制二口恶英的生成。

由于在HIsmelt工艺中可以取消焦化和烧结工序，因此较为环保。

此外，大量利用钢厂废料的潜力可进一步巩固HIsmelt工艺的环保优势。

表1   典型的Hismelt和高炉工艺的投资和生产成本

项目

产量，万吨

生产成本，美元／吨

投资，百万美元

高炉1

109

326

355

高炉2

236

373

880

高炉3

109

356

388

高炉4

243

448

1088

Hlsmelt1（冷矿）

50

310

155

Hlsmelt2（冷矿及废料）

58

259

150

Hlsmelt3（预加热）

63

286

180

Hlsmelt4（预还原）

150

191

286

Hlsmelt5（预加热）

110

181

200

表2   不同工艺生产铁水的化学成分比较表

项目

高炉

HIsmelt

Corex

C,%

4.5

4.3±0.2

4.5～4.7

Si,%

0.5±0.3

0

0.6±0.2

P,%

0.09±0.02

0.0±0.0

＜0.10

S,%

0.04±0.02

0.1±0.1

0.01±0.02

温度，℃

1430～1500

1480±15

1490～1520

3 Hlsmelt工艺的铁水质量

  除生产成本外，对不同工艺生产铁水的化学成分进行了比较。

表2列出了高炉、HIsmelt以及Corex工艺生产铁水的化学成分。

各种铁水的化学成分主要存在3方面差异。

（1）硅（Si）含量。

炼钢厂可以利用HIsmelt生产的铁水不含硅这一特点进行低硅铁水操作，可减少造渣量，并降低造渣剂的消耗量。

事实上，为了提高氧气转炉的生产率，下些钢厂通常需要对高炉生产的铁水进行脱硅处理。

（2）磷（P）含量。

在HIsmelt工艺中，可以使用高磷铁矿粉（磷含量0.12%）进行生产。

铁矿中的磷大部分被氧化转变成炉渣，使铁水中的磷含量低于0.04%。

与此形成鲜明对比的是，高炉和Corex工艺中，铁矿石中的磷含量均完全进入到铁水中，给后续的炼钢生产带来不必要的麻烦。

因此，高磷矿一般不适用于高炉和Corex工艺。

（3）硫（S）含量。

HIsmelt工艺生产铁水的硫含量高于高炉和Corex工艺。

但现有的铁水脱硫技术能有效地处理HIsmelt工艺生产的铁水，且不会产生多余的费用。

4 Hlsmelt工艺的意义

1）对于短流程钢厂的意义。

电炉炼钢厂使用的炉料中可添加30%～50％的铁水。

HIsmelt工艺生产的铁水可以作为生铁、直接还原铁和高品位废钢的优质替代品，在炉料中提供很高的使用价值。

其优点主要包括：

提高生产率，缩短炼钢周期，减少吨钢能耗；降低成品钢中的残余夹杂含量，产品质量更加稳定；有效减少造渣剂的消耗量和吨钢耐火材料的消耗量。

此外，HIsmelt工艺的开炉、停炉、停产等操作均非常简单易行，这对于电炉炼钢厂来说是至关重要的。

HIsmelt工艺可以使炼铁和炼钢工序有效地结合起来，无须为保存和处理多余铁水而额外建设昂贵、且利用率较低的配套设施。

（2）对于钢铁联合企业的意义。

对于钢铁联合企业来说，HIsmelt工艺的主要价值在于不需要焦化厂和烧结厂所带来的流程缩短。

HIsmelt工艺能使用低品位铁矿粉，无须预处理，大大增加了钢厂原料供应的灵活性，使钢铁产品的成本更具竞争力。

另外，与使用优质炼焦煤相比，使用气煤也能大幅降低生产成本。

Hismelt炼铁厂的设备大多与高炉相同，因此，HIsmelt工艺的设备也极易融人到钢铁联合企业的整体布局中。

  HIsmelt工艺可随时调整操作参数（如热风速率及氧富集水平等）和原料选择，可以高效地适应后续炼钢工艺变化带来的灵活性要求。

此外，HIsmelt工艺可轻易地开炉、停炉或停产，为钢铁联合企业的生产操作提供了极大的选择空间。

即使产能较低的HIsmelt设备也可产生经济效益，因此钢角联合企业可采用多座HIsmelt炉。

这样做可以大幅降低停产检修或生产调整所带来的负面影响。

此外，HIsmelt工艺生产的铁水可直接与高炉铁水混合使用，为氧气转炉提供准确硅含量的铁水。

在日本，“无渣炼钢”工艺被广泛采用。

高炉铁水在进入氧气转炉之前必须先进行脱硅、脱磷和脱硫处理，而使用Hismelt工艺生产的铁水可以免除脱硅处理，有效降低了处理成本。

Hismelt工艺还具有以下特点：

减少复吹，减少造渣剂的消耗量，减少耐火材料的消耗量；减少铁合金的消耗量，提高铁水收率；吹炼时间减少，生产率提高，可生产优质的高级（低磷）钢号，也可生产超洁净钢。

相关链接：

★1982～1984年期间：

（1）HIsmelt工艺最早可以追溯到最初由德国KlocknerWerke公司在其Maxhütte工厂开发的底吹氧气转炉工艺（OBM）和随后不断发展的顶底复合吹炼工艺。

（2）1981年，CRA公司（现为力拓集团，RioTinto）认识到，Klöckner的转炉技术可以用于冶炼铁矿石，而不仅仅是废钢。

因此，CRA公司与KlöcknerWerke公司组建了合资公司，共同开发炼钢和熔融还原技术。

使用60吨的OBM转炉进行的测试证明了熔融还原工艺基本原理的合理性和可行性。

★1984～1990年期间：

（1）熔融还原工艺概念测试成功后，在KlöcknerWerke公司的Maxhütte钢厂建设了一座小型试验工厂（SSPP）。

该厂设计能力年产1.2万吨，采用卧式可旋转的还原炉形式（SRV）。

煤、溶剂和铁矿石均通过炉底喷枪喷入炉内。

（2）SSPP工厂的试验生产从1984年持续到1990年，期间证明了该技术的工艺可行性。

但生产规模问题仍然没有得到解决。

（3）在此期间，合作投资方发生了变化。

1987年，Klöckner公司撤出了该项目，两年后CRA公司与Midrex公司按照50:

50的比例组成了合资公司，继续共同开发该技术。

（4）试验工厂获得成功后，合作双方认为有必要在更大的生产规模上对该工艺进行测试。

（5）双方经协商后决定，在西澳大利亚奎那那地区建设HIsmelt工艺研发的工厂设施（HRDF）。

★1991年期间：

（1）年产能10万吨的HIsmelt研发工厂设施在奎那那建成。

（2）建设HRDF研发工厂设施的目的是进一步证明规模扩大后该工艺的可行性，同时为最终的商业化生产提供操作数据。

（3）奎那那工厂最早设计的还原炉形式是直接把SSPP小型试验厂的炉型扩大，即依照可按90度角旋转的卧式炉炉型进行建设。

★1993～1996年期间：

（1）奎那那工厂卧式炉的生产从1993年10月持续到1996年8月。

（2）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，合资公司开发出了水冷管结构的立式炉。

（3）立式熔融还原炉（SRV）的工程设计于1996年完成。

主要的改进包括固定的立式炉体，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。

（4）1994年，Midrex公司撤出合资项目，CRA公司进入独自开发阶段。

★1997～1999年期间：

（1）1997年上半年对HRDF立式炉进行了调试，随后的生产一直持续到1999年5月份。

与卧式炉相比，立式炉在耐材损耗、可靠性、作业率、产量和设计简化等方面都有很大的改进。

（2）HRDF立式炉的生产指标成功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化。

（3）立式炉生产情况证明，该工艺可以进一步扩大规模，建成商业化工厂。

★2002年期间：

（1）2002年，由力拓集团（投资比例60%）、纽柯公司（投资比例25％）、三菱公司（投资比例10%）和首钢集团（投资比例5%）共同出资，成立了非法人性质的合营公司——HIsmelt公司。

其目的是建设并试验年产能80万吨的HIsmelt工厂。

该工厂位于西澳大利亚的奎那那工业区，生产生铁的设施是一座炉缸内径为6米的熔融还原炉。

★2003～2004年期间：

（1）HIsmelt工厂于2003年1月开始建设，并于2004年下半年开始调试。

★2005～2006年期间：

（1）HIsmelt奎那那工厂的铁水热调试工作于2005年第二季度开始。

（2）第一船由HIsmelt奎那那合资工厂生产的生铁产品（约4万吨）于2006年6月外运。

（3）HIsmelt公司仍在继续优化该技术，以期为市场提供产能更大、灵活性更强且生产效率更高的HIsmelt工艺技术。