ML-HIsmelt技术在澳大利亚奎纳纳工厂的应用情况
墨龙集团的ML-HIsmelt技术作为目前世界范围内唯一直接使用煤粉和铁矿粉进行冶炼的熔融还原炼铁新技术，原料适用性强，摆脱烧结、焦化等污染严重工序，生产高品质的洁净铁水，具有超低排放的环保优势，为钢铁行业的转型升级提供了新的技术路线。经过奎那那HIsmelt工厂的建设和运行，为ML-HIsmelt技术的大规模推广应用提供丰富的经验。
一 奎那那HIsmelt工厂的基本情况
西澳大利亚奎那那HIsmelt工厂作为世界上第一座工业化的HIsmelt工厂，由澳大利亚力拓集团、美国纽柯钢铁、日本三菱和中国首钢投资建设，项目总投资超过4亿美元，项目于2003年1月开工建设，2005年5月开始熔融还原炉的生产和系统调试。奎那那HIsmelt核心工厂占地250m×300m，存储区域占地600m×100m（可以存储7-9万吨矿粉或煤粉），关键设备来自德国、美国和日本等先进装备制造地区。
图1-1 奎那那HIsmelt工厂整体图
图1-2 奎那那HIsmelt工厂效果图
二 奎那那HIsmelt工厂的主要工艺流程
ML-HIsmelt技术是一个系统性生产的过程，从原料场、原料预热、煤粉研磨、矿粉喷吹到核心SRV炉的冶炼、出铁和出渣操作，任何环节出现问题，生产过程将进入休风或闷炉状态。SRV炉操作灵活，可以通过操作诀窍维持炉内数十小时保持高温状态，保证了足够的设备维护时间，并可以在短时间进入正常生产状态。ML-HIsmelt工艺使用的原料包括铁矿粉、煤、白云石（其它含MgO原料）、石灰，在SRV炉中铁氧化物和溶剂反应生成铁水、CO和炉渣。
Fe2O3+3C+Flux→2Fe+3CO+Slag
图2-1 奎那那HIsmelt工厂的工艺流程图
2.1煤和石灰处理与喷吹系统
该系统包括煤粉分配、输送和喷吹；石灰分配、输送和喷吹。
①煤粉分配、输送和喷吹：料场的煤被输送到磨煤系统进行破碎和干燥，经过研磨和干燥后送至干煤储料仓。煤粉靠重力从干煤仓经中间罐进入喷煤管线，使用氮气载气经煤粉从喷吹系统喷入SRV炉中。
②石灰分配、输送和喷吹：石灰通过气动方式进入石灰仓和中间罐系统。喷吹系统使用氮气载气将石灰送入石灰和煤组合输送管线，固体料喷枪将煤和石灰喷入SRV中。
图2-2 煤粉预处理系统
2.2热矿系统
该系统包括：矿粉预热器系统、热矿喷吹系统、热矿输送和喷吹系统。
①矿粉预热器系统：皮带机将来自料场的矿石和白云石混合料送至预热器，将矿石和预热器加热到850℃。矿粉预热器所需热量来源：连接状态下主要来自熔融还原炉气化烟道的高温（1000℃）低热值（2.8MJ/m3）的工艺煤气；在断开状态下主要来自天然气或其他可燃气体。加热后的矿石输送到热矿分配系统。
②热矿分配系统：矿粉在重力作用下经热矿中间罐进入热矿输送管线。
③热矿输送和喷吹系统：使用氮气载气方式将热矿粉从热矿喷吹系统输送到熔融还原炉中。通过固体料喷枪将预热的矿粉通过热矿输送管线喷入熔融还原炉。
图2-3 矿粉预处理系统
2.3铁水处理
奎那那HIsmelt工厂所在地Perth位于澳大利亚西端，被称为世界上最孤独的城市，虽靠近铁矿石主产区，但缺乏配套的下游产业链，工厂生产的铁水主要经铸造后外运。HIsmelt铁水质量与高炉相比具有显著优势，铁水中P含量达到0.02%左右，即使使用磷含量较高的矿石原料， P脱除率可达到80%-90%。虽然HIsmelt铁水中S含量较高，但经过成熟的脱硫技术和设备处理，S含量不会成为影响铁水质量的因素，铁水可以直接用于铸造高纯生铁。
图2-4 铁水处理流程
三 奎那那HIsmelt工厂的系统组成
典型的HIsmelt工厂包括原材料区域、原料预处理系统、喷吹系统、水冷系统、热风供风系统、核心SRV炉冶炼系统、循环处理系统、余热回收系统等。
图3-1 奎那那HIsmelt工厂的系统组成
3.1原材料区域
主要用于铁矿石和原燃料的储存、输送和回收。ML-HIsmelt工艺所使用的原燃料包括铁矿石、煤粉、石灰和白云石等，所用原燃料无需经过烧结、焦化等处理，故该区域占地少、投资低。
图3-2 原燃料转运区
图3-3 工厂港口
图3-4 原料堆放
图3-5 原料储存及输送
3.2原料预处理及喷吹系统
主要为矿粉预热器和煤粉研磨和烘干。SRV炉熔炼所需原料铁矿石、煤和熔剂等在原料预处理系统经破碎、干燥、预热等处理，通过原料输送管线经固体料喷枪喷吹进入SRV炉金属熔池中。氮气作为载气将固体料流态化高速喷入金属熔池，其中预热的铁矿石和白云石通过“热矿”喷枪进入，干燥的煤和石灰通过 “冷矿”喷枪进入还原炉。
图3-6 煤粉给料喷吹系统
图3-7 热矿给料喷吹系统
图3-8 煤粉预处理设备图
图3-9 铁矿粉预处理设备图
3.3水冷系统
采用三套冷却系统对设备冷却，分别为水冷壁冷却水路、核心工厂冷却水路、设备冷却水路。水冷壁冷却水路为水冷壁提供高压冷却水（800kpa），保护熔融还原炉；核心工厂冷却水路为SRV提供低压水（1000kpa）和高压水（1500kpa），保护熔融还原炉热风喷枪和固体料喷枪等设备避免过热；设备冷却水路为核心工厂换热设备提供低压水（450kpa），还可以为辅助设备提供冷却水，包括热风炉阀门、预热器螺旋给料机、热矿喷吹系统、液压系统、气化烟道冷却水循环水泵、和煤气取样系统等。
图3-10 水冷区域
图3-11 水冷管路
图3-12 炉体冷却水路
3.4热风供风系统
冷风由蒸汽透平或电动风机提供，使用制氧厂生产的氧气对冷风进行富氧，富氧后经加热炉加热成1200℃热风，富氧热风用于在SRV中二次燃烧。
热风喷枪位于金属熔池和渣层以上的煤气区。热风喷枪将加热（1200℃）的富氧空气喷入熔融还原炉上部空间，形成环形螺旋气流。喷入的热风气流可以在上部空间最大限度实现可燃的熔池气体的高效燃烧。
图3-13 热风炉送风系统
图3-14 热风炉设备图
3.5核心SRV炉冶炼系统
SRV炉为钢制炉壳炉体，炉体为圆柱式立体炉，由下部炉体、上部炉体、炉顶和煤气室三部分组成。作为熔融还原反应发生场所，炉底及炉缸侧壁砌筑多层耐材，外置出铁炉为矩形钢壳内砌筑耐材，通过极具创新性的连通管道与SRV炉前置炉连通。
图3-15 SRV炉冶炼效果图
图3-16 SRV炉核心系统
熔炼所需原料通过设备喷吹进入铁水熔池，其中预热的铁矿石和白云石溶剂通过热矿喷枪进入还原炉，煤和石灰通过冷矿喷枪进入还原炉。铁氧化物通过喷枪进入炉内与铁水熔池中溶解炭接触发生还原反应，产生铁和CO。铁氧化物还原为吸热反应，需要不断维持反应的热量，热量主要来自燃烧区。
图3-17 出铁场
图3-18 出渣口
图3-19 产品堆放区
出铁场区域主要进行出铁、出渣及维护工作。出铁场区域设有平台和相关设备，用于维护和生产服务活动。铁水经外置炉出铁，进入铁水罐或鱼雷罐车，从出铁场运至铁水处理设备。通过渣口放出的炉渣通过渣沟进入渣处理系统。
3.6废物处理系统
奎那那HIsmelt工厂建有污泥处理设备。生产过程中产生的泥浆首先经螺旋分级，去除200um以上颗粒，固体料堆积，污水加入絮凝剂进入澄清池；污水在澄清池进行沉淀过滤，上部过滤水从上部排出，下部沉淀泥浆经带式过滤机进行脱水过滤，过滤后固体料进行堆积。
图3-20 废物处理工艺
3.7辅助设施
辅助设施包括余热回收、涡轮发电、烟气脱硫、空压机及制氧设备等。工厂建有自己的制氧站，HIsmelt为制氧站提供蒸汽；含硫烟气从锅炉及其他装置进入烟气脱硫装置，经脱硫后烟气输送到储存区。煤气可以用于煤气发电。
图3-21 制氧站
图3-22 烟气脱硫
图3-23 冷凝器
图3-24 余热回收
图3-25 布袋除尘器
四 智能化工厂实践
基于ML-HIsmelt技术的专有性和独特性，ML-HIsmelt将建设成为一个从工厂硬件到软件的系统化生态系统，工厂与工厂之间的数据实现互联互通共享，通过统一的数据平台进行计算分析，任何工厂生产效率的提高都能够分享给兄弟工厂。这些现场数据的积累分析将会使ML-HIsmelt技术不断进步与发展。
图4-1 工厂控制系统
依托先进的设计理念以及广泛的国际科研院校间合作，在21世纪初期，HIsmelt工厂已经具备智能工厂的控制逻辑并得以在奎纳纳工厂得以实现。Yokagawa Centum CS3000用于跟踪和控制工厂设备及工艺系统。DCS采用的测量和控制元件包括：变送器和传感器、控制器模块和计算模块、报警功能、逻辑和顺序操作、短期趋势。通过压力传感器、温度传感器、流量传感器及其他形式的变送信号，将工艺变量从现场发送到分配系统。分配控制系统内的控制器模块和计算模块依据输入的工艺变量和其他参数，对最终的控制参数进行调整，包括阀门、变速驱动和压力调节等。HIsmelt工厂作为一个智能化工厂的样板，在当时为众多国际冶金企业提供了自动化变革思路，掀起了一股智能化改造的浪潮。
图4-2 智能工厂模型
图4-3 智能控制模型
ML-HIsmelt工厂在提供自动化与人工智能设计和运行思路的同时，HIsmelt工程师团队同时非常注重大数据中心的建设与发展，奎纳纳工厂数据中心为历史模块和外部区域提供界面，如实验室信息管理系统和局域网用户。当需要生产报表、工艺趋势和冶金数据等参数时，操作人员可以在电脑前通过局域网访问数据中心，从历史模块获得所需数据。
ML-HIsmelt集群化的发展也将对现行原料供应体系提出挑战，高磷铁矿和钢铁厂废弃物正在被现场使用，喷吹煤粉已经证明能够用于生产，钒钛磁铁矿冶炼已经进行了阶段性试验并取得理想效果，其他有色金属提取的生产试验也将逐步开展。ML-HIsmelt工厂将能够逐步脱离对现行标准下优质铁矿石的依赖并为冶金行业的发展提供新的思路。
五 奎那那工厂建设的意义
西澳奎那那HIsmelt工厂的建设，是ML-HIsmelt技术经过二十年余年的理论研究与中试工厂试验摸索的成果和结晶。从德国到澳大利亚，从KOBM可行性实验到SSPP等的三个阶段的中试研究探索，依托国际顶尖科研院所、技术公司与设计团队，借鉴国际先进的智能化控制技术和成熟的装备制造技术，最终建设完成了一座崭新的HIsmelt工厂。奎那那工厂不仅是熔融还原炼铁技术的创新，也是工业化生产智能化工厂建设的进步与起源之一。工厂的建设是全球冶金工作者合作的结果，同时离不开各大企业与团队资金、技术的不间断投入和支持，他们共同携作，最终为一座大型新技术工厂的顺利运行提供了坚实的保障。
长风破浪会有时，直挂云帆济沧海。ML-HIsmelt技术以其在节能环保的先进性和原燃料的广泛适用性，经过奎那那HIsmelt工厂的实践与探索，ML-HIsmelt技术不断完善和发展，终有一天ML-HIsmelt技术将成为与城市和谐共生的绿色、低碳炼铁技术的代表之作，并引领世界冶金技术新革命。
本文作者：张冠琪 魏召强 王林顺