ML-HIsmelt技术的工艺研发与半工业化试验历程
一 中试装置与半工业化试验的科学意义1.1 半工业化试验的科研价值要实现大型系统装备的科技成果转化与产业化，需要建立旨在进行半工业化基础试验为目的的专业试验基地，通过必要的资金条件、装备条件与技术支持，对科技成果进行成熟化处理和工业化考验，而半工业化试验，简称中试试验，起到的就是这样的作用。中试是科技成果向生产力转化的必要环节，成果产业化的成败主要取决于中试的成败。在ML-HIsmelt技术的早期研究中，通过国际合作以及持续的资金投入，大量先进的中试装备得以研发应用，通过不断的中试过程进行基础理论探索以及工艺方向的修正与优化，使得HIsmelt技术得以以较少的科研投入，立足冶炼过程的试验模拟，获得最直接的离线工艺数据，最大限度的降低了开发成本、缩短了开发周期、规避了工业试验的风险，并提高了新技术的研发成功几率。从K-OBM可行性试验开始，到SSPP小规模试验装置和年产10万吨的HRDF半工业化试验系统设计；从卧式炉发展成为立式炉，从工艺试验装置到半工业化中试工厂，一步一个脚印，目标明晰，过程科学，最终使得HIsmelt中试各个阶段的试验得以圆满成功。ML-HIsmelt技术中试的过程探索，为未来HIsmelt技术的发展提供了大量的基础理论与实践数据支撑，为HIsmelt工业化试验的成功发挥了至关重要的作用，是ML-HIsmelt技术从理论走向实践的至关重要的一步。1.2 我国非高炉炼铁技术的基础研究与中试概况20世纪50年代开始，我国对直接还原技术进行了广泛的开发和研究。受资源条件的限制，我国当时的开发研究主要集中在煤基直接还原铁工艺（回转窑、隧道窑、转底炉、多种固定床、移动床等）。20世纪60年代，在原国家科技委支持下，我国启动了国家攀登计划项目-熔融还原技术基础研究。原冶金部组织全国熔融还原专家，开展该技术的开发研究。在该研究成果基础上，我国开展了半工业化试验，在承德建设2t/h的COSRI半工业化试验，并取得阶段性成果。20世纪70年代，我国自行设计、建设了处理钒钛磁铁矿球团的5m3气基竖炉，但因天然气资源问题被迫中止。70年代后期，我国在韶钢建成以水煤气为还原气的气基竖炉中试生产线，进行了长达3年的试验生产，后因缺乏高品位铁矿石、水煤气制气单机生产能力小等原因未能实现工业化。20世纪80年代，宝钢开展了BL法煤制气-竖炉生产直接还原铁的半工业化试验研究，但因含铁原料及制气成本问题未能进行进一步开发。1989年福州2.9×40m回转窑工业试验成功并达到较好水平，标志着中国直接还原工艺取得阶段性成果。1.3 ML-HIsmelt技术的基础研究与中试探索概况高炉炼铁技术经过三百多年的发展，由于生产技术和设备不断完善，成为最主要的炼铁装置。随着相关设备的高度标准化和国产化，使得建造高炉工厂的投资非常低，高炉是任何新型非高炉炼铁技术的最强有力的竞争对手。近年来，非高炉冶金领域进行了许多的技术开发，但大多数未能达到要求。高炉在技术和环保上存在的局限性，依靠主焦煤和烧结矿进行冶炼且无法脱磷；而熔融还原正是凭借着原料适用性和环保先进性发展而来，具有先进的理论基础与明显的后发优势。但新技术开发所具有的与生俱来的潜在风险与投资需求抑制了熔融还原技术的发展，很多新的非高炉炼铁技术因理论支持不足、资金匮乏、缺少必要的中试装置等原因，在非高炉技术发展的潮流中逐渐被淘汰。20世纪80年代，澳大利亚CRA公司和德国克劳克那公司在60tK-OBM转炉进行的熔融还原可行性试验，获得了较高的二次燃烧率和传热效率，证明了直接进行熔融还原技术的可行性；随后双方联合进行了10t半工业化的SSPP小型试验，科研人员对工艺原理、技术应用、市场需求等进行科学的探索，为该技术走向半工业化打下了坚实的根基；在此基础上，1991年双方建设完成了年产10万吨的HRDF试验装置，对该技术的生产过程控制和工艺流程设计进行研究与优化，打通了从原料到产品的主体控制环节；1996年HRDF向ISRV的转变，完成了中试研究向工业化应用的转型，为HIsmelt技术的工业化应用打下了坚实的设备基础。至此，经过20余年的理论及中试研究，ML-HIsmelt技术完成了基础工艺、过程控制和生产设备的基础理论和应用研发过程，为HIsmelt技术的推广应用打下坚实的理论和实践基础。
ML-HIsmelt技术依托德国克劳克纳在70年代和80年代开发的顶底吹炼技术及在底喷煤方面积累的经验，利用高底吹氧和喷煤率使大量铁液溅入OBM上部空间，为顶吹氧创造了高传热和传质效率的理想环境，将足够高的热量传回铁浴改善工艺热效率。相比较相似的Corex技术和霍戈文技术，需要用两个阶段来达到合适的热效率，即熔融气化器来熔炼高金属化率的直接还原铁和严格控制烟气与铁浴达到平衡；日本DIOS技术和美国AISI技术利用深渣浴埋入式燃烧技术，控制铁浴搅拌和喷吹深度可实现传热和传质之间的适当平衡。正是依靠前期实践经验，ML-HIsmelt技术研发人员清晰的认识到在此情况下热平衡和化学反应平衡的局限性，通过进一步研发与改进，使得HIsmelt技术能将足够高的热量传回铁浴熔池进而改善工艺热效率，这也成为后期HIsmelt技术的主要工艺特点之一。SSPP试验研究了有关炼钢工艺的实用范围和熔融还原工艺的各种要求条件。在试验过程中，弄清楚了铁浴炉和炉顶的气体连续空间中各种反应过程中的机理和限定条件。通过对反应器、工艺和流程进行了创新和改造，采用高顶、底吹率操作达到了类似炼钢转炉的高PC和高THE条件。SSPP作为工艺研究和构想的设计方案，研究了最低煤耗、原料适用性、反应器容量、烟气热量利用、烟气净化回收、操作及出铁方法等。非高炉炼铁技术是实现钢铁工业低碳、环保冶金的必然趋势。目前，焦煤、主流矿资源呈现全球性短缺趋势，环保政策日趋严格，钢铁工业发展承受的资源短缺和环保压力逐渐增加。随着钢铁行业超低排放政策的实现，铁前环保投资增加200元/吨，且钢铁生产过程产生的冶金固废综合利用势在必行，都将为非高炉炼铁技术的发展创造机会，采用熔融还原与高炉混合的生产流程，长流程与短流程融合也将成为中国特色冶金工业的发展方式之一。二 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（HIsmelt Research andDevelopment Facility）。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2-1为HRDF在西澳大利亚地区的工厂布置图。
图2-1 HRDF西澳大利亚工厂布置图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。图2-2为HRDF工厂的工艺流程图。
图2-2 HRDF西澳大利亚工艺流程图通过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介质。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的部分。在热风炉中利用烟气燃烧预热空气；其余烟气显热和化学潜热用于原料准备、生产蒸汽和其他用途。三 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。1996年初始熔融还原炉建成，1997 年上半年对立式熔融还原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。初始熔融还原炉试验工艺流程如图3-2所示。
图3-2 ISRV炉试验工艺流程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。
表3-1 竖式炉试验情况初始熔融还原炉试验共计进行132天，最长试验周期持续38天，生产铁水超过2.2万吨，各试验期主要研究内容：（1）1997年2月-12月：主要验证竖式熔融还原炉工艺的可行性，对使用不同的原料（赤铁矿、褐铁矿、40%和72%还原率等）对提高熔融还原炉生产能力的影响。（2）1998年3月-9月：改善ISRV炉工作性能，降低水冷热损耗并提供二次燃烧率，考察了炉内压力和提高富氧对工艺操作的影响；对比了中等挥发分、低挥发分煤种对冶炼过程的影响。（3）1998年12月-1999年6月：试验耐火材料消耗及钢铁厂工业含铁粉尘料的使用情况，测试其对主要工艺参数和过程控制的影响情况；研究了多种煤及使用混合煤、焦煤的不同消耗情况。
图3-3 ISRV炉生产能力与富氧率、矿粉还原率的关系工艺流程的核心是熔融还原炉。铁矿粉经流化床设备预热还原后，由喷枪喷入熔融还原炉；煤粉和溶剂也由喷枪喷入；富氧的（体积分数30%-35%）高温热风（1200℃）从炉顶喷入。熔融还原炉内发生反应产生大量气体，使熔池剧烈沸腾。铁水通过虹吸排出，炉渣从水冷渣口排出。炉顶煤气从1450℃冷却至1000℃过程中产生的蒸汽用于发电。大约50%煤气送入循环流化床，其余煤气和从流化床出来的煤气，经过除尘器净化后，用于发电和热风炉燃烧。经过近三年的热试，明确了该工艺具有以下特点与优势：（1）操作简便、生产效率高：煤与矿石、熔剂等通过多组喷枪直接喷入铁浴中，使煤粉中碳迅速溶入铁液，并于铁浴中FeO发生反应，产生的气体（H2、CO）与喷吹载气、未熔解的矿、煤粉等在铁浴中形成“涌泉”，对铁浴形成强烈的搅拌，加快喷吹物料的熔解和还原反应的进行。溶解碳还原速度比固体碳还原FeO速度高1-2个数量级，铁浴中FeO还原速度不受限于反应区的工作状态和铁浴中FeO含量，故HIsmelt工艺的生产效率较其他熔融还原工艺要高。（2）碳回收率高、环境污染小：直接向铁浴中喷入煤粉，不仅可以直接溶解煤粉中固定碳，而且可以使煤粉中碳氢化合物在铁浴中裂解，产生的碳直接溶解在铁浴中，提高碳的回收效率。煤粉挥发分中碳的回收率比通常方法获得的数据高10%-30%，煤中挥发分在铁浴中裂解，消除了煤粉挥发分中有害碳氢化合物对环境的污染，根据数据测算，较高炉工艺每吨铁水中CO2排放量可降低20%。（3）二次燃烧率高、传热速度快：直接喷吹引起熔池强烈的搅拌并产生大量液滴，为熔池上方形成理想的传热区创造了条件。喷吹煤粉进入铁浴很快被溶解，可最大限度降低散入炉气中的碳量，提高二次燃烧率；旋流喷吹热风，可以有效地对熔池进行搅拌，将二次燃烧热量传入铁浴中。SSPP和HRDF试验表明：其二次燃烧率可以稳定控制在60%左右，而日本DIOS半工业试验二次燃烧率只能控制在30%-50%，美国AISI的半工业试验二次燃烧率只能控制在40%。（4）吨铁煤耗低：铁浴中喷入的煤粉形成“涌泉”，促使铁浴强烈搅拌，依靠辐射热和对流将二次燃烧产生的热量传到铁浴中，补偿矿石冶炼、造渣等反应吸收的热量，将二次燃烧的热量迅速传入铁浴，直接向熔池提供熔池总热量的10%-15%的物理热。根据SSPP和HRDF试验结果和考虑预还原的操作，测算吨铁煤耗采用低挥发分煤可降至600kg/t，采用高挥发分煤可降至800kg/t。四 SSPP和HRDF的操作指标概述在SSPP和HRDF的试验中，所用的矿粉主要是澳大利亚铁矿，在SSPP试验中使用的熔剂是马克斯冶金工厂（Maxhutte）的石灰，而在HRDF试验中使用的石灰是澳大利亚自产的。在SSPP试验和HRDF试验期间，研究了不同挥发分的煤对该熔融还原过程的影响，具有代表性的煤粉的成分如图4-1所示。图4-2列出了在矿粉未预热、未预还原情况下，SSPP及HRDF的试验所获得的有代表性的操作结果。与其试验结果相对应的原燃料条件分别如图4-3、图4-4和图4-5。
图4-1各种煤的化学成分/%研究对褐煤、高挥发分高硫蒸汽煤等各种煤进行了试验。试验结论：底吹风速、煤的碎裂、铁浴扰动、煤溶解、风口保护控制和煤的性能对工艺状况有重要影响，ML-HIsmelt技术可以使用多种类型的煤，该技术对各种煤的性能具有适用性。
图4-2SSPP和HRDF操作结果
图4-3矿石化学成分/%
图4-4石灰化学成分/%
图4-5煤粉成分根据二次燃烧化学计算分析：煤的挥发分对PC有一定影响。通过控制喷溅熔体的相互作用，PC值达到50%以上。采用高挥发分煤进行生产，控制偏低的PC值和较高的矿石预还原度实现低煤耗。SSPP及HRDF试验的结果表明，HIsmelt的吨铁煤耗为810～990kg/t。但是这些都是单体操作的结果。从SSPP和HRDF试验过程的热平衡结果来看，从卧式终还原炉逸出的煤气中物理热很大，高达占总输入热量的40%，在这些单体操作中，矿粉是未经预热和预还原直接喷入熔池的，煤气中的物理热和其所具有的还原能未得到利用，因此煤耗较高。表4-1 HIsmelt铁水质量分析项目标准分析可能范围说明[C]4.3±0.2%3.5～4.5%易于控制[Si]--在该工艺中没有SiO2还原[Mn]0.1%0～0.2%取决于矿石含Mn量[S]0.08±0.02%0.05～0.15%需要脱硫[P]0.03±0.01%0.02～0.05%矿石P含量为0.12%反应温度1480±15℃1450～1550℃易于控制从1994年底开始，Hlsmelt的研究者进行预还原炉和终还原炉的联动研究，在联动操作时，循环流化床把矿粉预热还原成850℃的浮氏体，然后喷入熔池。在这种情况下，和以前的单体试验结果相比，可望降低煤耗200 kg/t。这样，最终的Hlsmelt流程的煤耗将降至600-800 kg/t，这和Hlsmelt原来估计的640 kg/t的综合煤耗指标很相近。五 ML-HIsmelt技术中试实践的思考ML-HIsmelt熔融还原冶金技术是现代氧气炼钢技术和高炉炼铁技术的创造性结合，它直接以铁矿粉、氧化铁皮、除尘灰等工业含铁物料为原料，使用烟煤、无烟煤或含碳粉尘等作为还原剂，以一种低能耗、短流程的方式直接冶炼及提纯金属单质。1991年至1996年HRDF耗时6年的研究试验数据证明，作为HIsmelt技术的原始理论研发装置，从SSPP放大到HRDF，HIsmelt技术的工艺实践结果逐渐接近并达到了预期的目标，使得HIsmelt技术研发团队与企业对该技术的未来前景充满信心。经过近十年数亿美元的基础研究实验，在二十世纪末，力拓集团得出关于HIsmelt技术的如下实验结论：HIsmelt工艺流程可以生产出高质量的铁水，并在对低品位、高有害元素含铁原料的处理方面具有天然优势；同时，从半工业化试验结果来看，未来HIsmelt技术在设备建设投资和生产费用上颇具竞争力，其技术潜力及产品价值远胜于高炉等传统冶金流程。冶金工业是我国在21世纪前期实现社会主义现代化国家的重要支撑。在全球范围内，随着发展中国家经济的发展以及人类社会的不断进步，对钢铁及钢铁衍生产品的需求将不断增长。在地球资源、能源和环境容量限制的条件下，依靠技术进步构建新一代冶金制造流程，研发出一种高端冶金产品的生产工艺，中国的基础工业才能不断进步发展，人类社会才能不断挑战物质世界的极限。新一代冶金制造流程应该具有绿色制造、能源转换和社会废弃物处理三大功能，方能实现基础工业与地球环境的友好相处，并在自身的发展过程中不断产生原生动力，助力科技的进步与世界的繁荣。HIsmelt技术作为从数百种创造性新技术中脱颖而出的革命性冶金工艺，必将在未来中国的社会发展过程中创造出其独有的技术价值。ML-HIsmelt技术从1991年至2000年十年间的半工业化实验过程，使得HIsmelt工艺技术路线得以确立，并为未来HIsmelt工业化试验奠定了坚实的理论基础。HRDF研究的顺利进行，解决了HIsmelt技术大规模应用的关键工艺与技术理论难题，翻阅历史过程文件，其间艰辛与困苦也却非一般科研团队、企业所能承担。耐得住寂寞、稳得住心神、经得住考验，是HIsmelt中试实验能够顺利完成的重要原因。如今HIsmelt技术知识产权尽归中国所有，这种精神也将成为未来ML-HIsmelt技术团队所将继承与弘扬的重要精神财富与历史传承。本文作者：张冠琪 魏召强 张晓峰