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摘 要：本文对现有熔融还原工艺及设备进行了分析研究和综合评价，指出了开发新熔融还原技术的原则，介绍了克服高炉炼铁及COREX、HIsmelt熔融还原法存在的缺点的LSM炼铁工艺，应针对目前存在的问题，开发新的熔融还原炼铁技术。
关键词：炼铁技术；熔融还原；HIsmelt；COREX；FINEX；LSM
中图分类号：G267 文献标识码：A 文章编号：
1 前 言
至目前，COREX工艺最先应用于工业生产，HIsmelt 工艺已建示范厂，FINEX－3000设备也已达到设计生产指标。本文通过对现有工艺、流程和设备的评价分析，取其优点，找出存在的问题，对开发适合我国国情的熔融還原炼铁新技术则十分必要。
2 熔融还原典型工艺
2.1 HIsmelt工艺
HIsmelt是典型的“一步法”熔融还原工艺，占地面积很小，直接利用粉矿、粉煤冶炼，对钢铁界的经营者有着较大的吸引力。但该工艺要想实现商业化生产，在热煤气利用、CO二次燃烧并将热量有效传递给熔池，提高设备利用率及降低炉衬成本方面还有很长的路要走。
HIsmelt熔融还原具有如下特点［2］：
1）原料来源广泛，可以全部使用粒度-6 mm以下的粉矿、粉煤，包括无法通过烧结厂回收的废弃物，物料中的C、CaO和MgO也能得到利用；对燃料煤的要求比较宽松，可大幅度减少钢铁生产的资源消耗。
2）由于HIsmelt熔融还原炉有强氧化性炉渣，有较好的脱磷效果，非常适合于冶炼高磷矿，这是区别于高炉和其他非高炉炼铁工艺的主要特点。
3）由于氧化性气氛很强，所以它产出的铁水含磷低、碳低、硫高，硅锰含量为0，不适合直接供传统炼钢流程使用。经过炉外脱硫和添加锰铁、硅铁合金或与高炉铁水兑配，可达到炼钢铁水的要求。
4）操作灵活，反应过程的启动、关闭简便易行，从而使得炼铁和炼钢作业能有效衔接，而不必限产铁水。
5）由于HIsmelt熔融还原为低压操作，大量高温含尘煤气热能难以回收利用，吨铁能耗高，因此高温低热值尾气便成为该工艺的“鸡肋”。
2.2 COREX工艺
COREX工艺演化了高炉炼铁技术，将高炉从概念的软熔带部分截分为2部分，如图1所示。
COREX的基本工艺流程为：块矿、烧结矿、球团矿或这些原料的块状混合物，通过一个封闭漏斗系统装入到预还原竖炉中，在原料下行的过程中，被逆向流动的还原气体还原成金属化率约80%～90%的直接还原铁（DRI）。螺旋卸料器将DRI从预还原竖炉中传送到熔融气化炉中，进行终还原和熔化，像普通高炉的操作一样，进行出铁和出渣。
COREX演化了高炉炼铁技术，取得了商业成功，但同时也继承了高炉炼铁的一些缺点：
1）从炼铁工艺上讲，COREX是典型的炉床法炼铁工艺，与高炉相比，COREX更多地依靠间接还原，间接还原度越高，工艺进行得越容易，因此无法摆脱料柱透气性问题的困扰。
2）为保证竖式预还原炉料柱的透气性，必须使用块矿、烧结矿、球团矿或这些原料的块状混合物，因此必须配有造块设备。而且对入炉块状原料的理化性能有很高的要求，从而提高了原料成本，使铁水成本升高。
3）从熔融气化炉抽出的高温煤气经净化后，从＞1 100 ℃降到800～850 ℃，温度损失了250 ℃左右，而且这个损失是无法弥补的，因此热效率比不上高炉。
4）虽然使用了全氧冶炼，但按炉缸面积计算的生产率仅为高炉的0.7～0.9［2］。
2.3 FINEX工艺
FINEX工艺采用多级流化床将铁矿粉还原来代替COREX的竖式还原炉，然后利用COREX的熔融气化炉进一步熔化、深度还原和渣铁分离。FINEX工艺特点为：
1）FINEX工艺的原料由块矿、球团矿改为粉矿（平均粒度在1～3 mm，最大粒度＜8 mm），粉矿资源丰富。价格低廉的铁粉矿和一般烟煤，为该工艺的发展赋予新的活力。
2）FINEX炉顶煤气全部循环使用。浦项认为FINEX比高炉制造成本下降15%，宣称总体投资是高炉流程的80%。
3）FINEX流程的SOx、NOx、粉尘的排放量与高炉流程相比，只有6%、4%和21%，并且没有焦化含酚、氰等污水的排放，是一种清洁生产工艺。
4）铁水质量与高炉、COREX炉相当。冶金界最关心的是该工艺的原料、能耗和生产成本。高炉生铁成本中原料占60%左右，而FINEX只占45%左右。高炉成本中燃料和动力占30%，扣除煤气回收约为28%。而FINEX燃料和动力因使用大量氧气约占55%，扣除煤气回收仍占约41%，其中氧气每吨铁消耗约500 m3，其费用为成本的20%。
3 综合分析评价
1）从工艺角度看，COREX更多依靠间接还原工艺，保留着高炉炼铁工艺的特点；FINEX则把CO-REX的预还原竖炉改变成多极流化床反应器，可完全使用粉矿；这两种熔融还原工艺可以说是对高炉的“改良”，只是FINEX的改良深度更深一些。而HIsmelt则完全摆脱了高炉炼铁工艺概念，是炼铁技术的一种“革命”，可有效解决困扰高炉工艺的料柱透气性问题，是真正意义上的熔融还原技术。
2）在原燃料资源的取用上，COREX可以使用非焦煤，优于高炉，但还须使用块矿和球团及部分焦炭。FINEX不仅可用非炼焦煤，而且摆脱了对块状原料的依靠，这一点优于高炉和COREX，只是还需要块煤和粉煤造块。HIsmelt则原燃料全部粉状化，且对原燃料性质无特殊要求，资源面最宽，便于就地取材，并且可使用高磷矿石。
3）在流程设备上，COREX还需要球团、块矿等造块设备和部分焦炭；FINEX使用粉矿和粉煤造块，可以不建烧结、球团、炼焦厂；HIsmelt完全免除了烧结、球团、炼焦厂投资，也不需要煤造块。但3种工艺均需配套庞大的制氧设备和较大的自备电厂。
4）在生产成本上，FINEX和HIsmelt原料成本相对较低，COREX和FINEX氧气成本较高。燃料消耗前 2 种高于 HIsmelt，因此生铁成本 COREX 最高，HIsmelt最低，但3种均高于高炉。
4 开发熔融还原新技术
4.1 开发熔融还原新技术应遵循的原则
熔融还原开发的目的是避开高炉炼铁的缺点，并具有优于高炉炼铁的技术经济指标和环境保护指标，否则即失去了开发的意义。因此，任何一种熔融还原方法，应该满足一定的技术经济要求：
1）低能耗、低成本，环境友好。
2）单位容积的生产率高于高炉，年产量低于100万t或更低，方法仍然经济。
3）可使用粉矿，无须烧结机和焦炉等用于原料块状化加工的设备。
4）可全部或大部使用非焦煤为燃料，摆脱对冶金焦炭的依赖。
5）设备的开机、停机简单，能提高生产的灵活性。
6）流程短，无须巨大的配套设备。
遵照上述原则，国内开发了一种新的熔融还原炼铁技术——LSM工艺。COREX将高炉从软熔带以上移走，构造成了竖式预还原炉，而LSM工艺则将高炉从软熔带以上躺倒构造成为水平预还原炉床，演化而来的LSM工艺设备如图2所示
。
4.2 LSM的特点
LSM 炼铁工艺克服了高炉炼铁，COREX、HI-smelt熔融还原法存在的缺点，具有明显的自身特点。
1）高炉、COREX工艺是以间接还原为主的生产工艺，间接还原率一般达到65%以上（COREX达到80%以上），所以高炉从加料到出铁的时间一般在6.5～7 h，最现代化的高炉也要4 以上；LSM炼铁工艺采用含碳球团为原料，摒弃了高炉、COREX以间接还原为主的铁矿还原工艺，吸收了神户ITmk3快速还原工艺的特长，从加料到出铁的时间仅在1 h之内，所以有较高的生产率。
2）原料范围广。LSM 只需将铁矿粉（氧化铁皮、硫酸渣、高炉不能使用的所谓垃圾矿及其他含铁氧化物）与还原剂、粘结剂冷压（或热压）成含碳球团即可，可不用焦炭和烧结矿，也就没有必要建焦化厂和烧结厂，因此相对高炉铁前流程短得多。
3）LSM工艺的熔分炉可以全氧或高富氧率冶炼，而高炉则不能。
4）铁矿还原工艺不同，决定了操作工艺的不同，在LSM熔分炉中燃烧1 kg固定碳所产生的热量高达27 MJ以上，而高炉只有10 MJ左右，相差2.7倍之多，可见LSM工艺更有利于节约能源，减少排放，降低消耗。
5 结 语
经过国内外冶金专家、学者多年的理论研究和试验，以含碳球团为原料的还原工艺，理论上的可行性和科学性均已得到解决。这种快速还原技术既避开了高炉、COREX以间接还原为主所遇到的透气性问题，也避开了HIsmelt工艺所遇到的尴尬。国内外对以含碳球团为原料的熔融还原技术，积累了大量的试验数据和实践经验，成为LSM工艺的技术依托。
参考文献：
［1］ 徐书刚，李子木，吕庆.HIsmelt熔融还原炼铁技术考察与分析［J］.炼铁，2007（5）：59.
［2］ 周渝生，钱晖，张友平，等.非高炉炼铁技术的发展方向和策略［N］.世界金属导报，2008-11-18（10）.
关键词：炼铁技术；熔融还原；HIsmelt；COREX；FINEX；LSM
中图分类号：G267 文献标识码：A 文章编号：
1 前 言
至目前，COREX工艺最先应用于工业生产，HIsmelt 工艺已建示范厂，FINEX－3000设备也已达到设计生产指标。本文通过对现有工艺、流程和设备的评价分析，取其优点，找出存在的问题，对开发适合我国国情的熔融還原炼铁新技术则十分必要。
2 熔融还原典型工艺
2.1 HIsmelt工艺
HIsmelt是典型的“一步法”熔融还原工艺，占地面积很小，直接利用粉矿、粉煤冶炼，对钢铁界的经营者有着较大的吸引力。但该工艺要想实现商业化生产，在热煤气利用、CO二次燃烧并将热量有效传递给熔池，提高设备利用率及降低炉衬成本方面还有很长的路要走。
HIsmelt熔融还原具有如下特点［2］：
1）原料来源广泛，可以全部使用粒度-6 mm以下的粉矿、粉煤，包括无法通过烧结厂回收的废弃物，物料中的C、CaO和MgO也能得到利用；对燃料煤的要求比较宽松，可大幅度减少钢铁生产的资源消耗。
2）由于HIsmelt熔融还原炉有强氧化性炉渣，有较好的脱磷效果，非常适合于冶炼高磷矿，这是区别于高炉和其他非高炉炼铁工艺的主要特点。
3）由于氧化性气氛很强，所以它产出的铁水含磷低、碳低、硫高，硅锰含量为0，不适合直接供传统炼钢流程使用。经过炉外脱硫和添加锰铁、硅铁合金或与高炉铁水兑配，可达到炼钢铁水的要求。
4）操作灵活，反应过程的启动、关闭简便易行，从而使得炼铁和炼钢作业能有效衔接，而不必限产铁水。
5）由于HIsmelt熔融还原为低压操作，大量高温含尘煤气热能难以回收利用，吨铁能耗高，因此高温低热值尾气便成为该工艺的“鸡肋”。
2.2 COREX工艺
COREX工艺演化了高炉炼铁技术，将高炉从概念的软熔带部分截分为2部分，如图1所示。
COREX的基本工艺流程为：块矿、烧结矿、球团矿或这些原料的块状混合物，通过一个封闭漏斗系统装入到预还原竖炉中，在原料下行的过程中，被逆向流动的还原气体还原成金属化率约80%～90%的直接还原铁（DRI）。螺旋卸料器将DRI从预还原竖炉中传送到熔融气化炉中，进行终还原和熔化，像普通高炉的操作一样，进行出铁和出渣。
COREX演化了高炉炼铁技术，取得了商业成功，但同时也继承了高炉炼铁的一些缺点：
1）从炼铁工艺上讲，COREX是典型的炉床法炼铁工艺，与高炉相比，COREX更多地依靠间接还原，间接还原度越高，工艺进行得越容易，因此无法摆脱料柱透气性问题的困扰。
2）为保证竖式预还原炉料柱的透气性，必须使用块矿、烧结矿、球团矿或这些原料的块状混合物，因此必须配有造块设备。而且对入炉块状原料的理化性能有很高的要求，从而提高了原料成本，使铁水成本升高。
3）从熔融气化炉抽出的高温煤气经净化后，从＞1 100 ℃降到800～850 ℃，温度损失了250 ℃左右，而且这个损失是无法弥补的，因此热效率比不上高炉。
4）虽然使用了全氧冶炼，但按炉缸面积计算的生产率仅为高炉的0.7～0.9［2］。
2.3 FINEX工艺
FINEX工艺采用多级流化床将铁矿粉还原来代替COREX的竖式还原炉，然后利用COREX的熔融气化炉进一步熔化、深度还原和渣铁分离。FINEX工艺特点为：
1）FINEX工艺的原料由块矿、球团矿改为粉矿（平均粒度在1～3 mm，最大粒度＜8 mm），粉矿资源丰富。价格低廉的铁粉矿和一般烟煤，为该工艺的发展赋予新的活力。
2）FINEX炉顶煤气全部循环使用。浦项认为FINEX比高炉制造成本下降15%，宣称总体投资是高炉流程的80%。
3）FINEX流程的SOx、NOx、粉尘的排放量与高炉流程相比，只有6%、4%和21%，并且没有焦化含酚、氰等污水的排放，是一种清洁生产工艺。
4）铁水质量与高炉、COREX炉相当。冶金界最关心的是该工艺的原料、能耗和生产成本。高炉生铁成本中原料占60%左右，而FINEX只占45%左右。高炉成本中燃料和动力占30%，扣除煤气回收约为28%。而FINEX燃料和动力因使用大量氧气约占55%，扣除煤气回收仍占约41%，其中氧气每吨铁消耗约500 m3，其费用为成本的20%。
3 综合分析评价
1）从工艺角度看，COREX更多依靠间接还原工艺，保留着高炉炼铁工艺的特点；FINEX则把CO-REX的预还原竖炉改变成多极流化床反应器，可完全使用粉矿；这两种熔融还原工艺可以说是对高炉的“改良”，只是FINEX的改良深度更深一些。而HIsmelt则完全摆脱了高炉炼铁工艺概念，是炼铁技术的一种“革命”，可有效解决困扰高炉工艺的料柱透气性问题，是真正意义上的熔融还原技术。
2）在原燃料资源的取用上，COREX可以使用非焦煤，优于高炉，但还须使用块矿和球团及部分焦炭。FINEX不仅可用非炼焦煤，而且摆脱了对块状原料的依靠，这一点优于高炉和COREX，只是还需要块煤和粉煤造块。HIsmelt则原燃料全部粉状化，且对原燃料性质无特殊要求，资源面最宽，便于就地取材，并且可使用高磷矿石。
3）在流程设备上，COREX还需要球团、块矿等造块设备和部分焦炭；FINEX使用粉矿和粉煤造块，可以不建烧结、球团、炼焦厂；HIsmelt完全免除了烧结、球团、炼焦厂投资，也不需要煤造块。但3种工艺均需配套庞大的制氧设备和较大的自备电厂。
4）在生产成本上，FINEX和HIsmelt原料成本相对较低，COREX和FINEX氧气成本较高。燃料消耗前 2 种高于 HIsmelt，因此生铁成本 COREX 最高，HIsmelt最低，但3种均高于高炉。
4 开发熔融还原新技术
4.1 开发熔融还原新技术应遵循的原则
熔融还原开发的目的是避开高炉炼铁的缺点，并具有优于高炉炼铁的技术经济指标和环境保护指标，否则即失去了开发的意义。因此，任何一种熔融还原方法，应该满足一定的技术经济要求：
1）低能耗、低成本，环境友好。
2）单位容积的生产率高于高炉，年产量低于100万t或更低，方法仍然经济。
3）可使用粉矿，无须烧结机和焦炉等用于原料块状化加工的设备。
4）可全部或大部使用非焦煤为燃料，摆脱对冶金焦炭的依赖。
5）设备的开机、停机简单，能提高生产的灵活性。
6）流程短，无须巨大的配套设备。
遵照上述原则，国内开发了一种新的熔融还原炼铁技术——LSM工艺。COREX将高炉从软熔带以上移走，构造成了竖式预还原炉，而LSM工艺则将高炉从软熔带以上躺倒构造成为水平预还原炉床，演化而来的LSM工艺设备如图2所示
。
4.2 LSM的特点
LSM 炼铁工艺克服了高炉炼铁，COREX、HI-smelt熔融还原法存在的缺点，具有明显的自身特点。
1）高炉、COREX工艺是以间接还原为主的生产工艺，间接还原率一般达到65%以上（COREX达到80%以上），所以高炉从加料到出铁的时间一般在6.5～7 h，最现代化的高炉也要4 以上；LSM炼铁工艺采用含碳球团为原料，摒弃了高炉、COREX以间接还原为主的铁矿还原工艺，吸收了神户ITmk3快速还原工艺的特长，从加料到出铁的时间仅在1 h之内，所以有较高的生产率。
2）原料范围广。LSM 只需将铁矿粉（氧化铁皮、硫酸渣、高炉不能使用的所谓垃圾矿及其他含铁氧化物）与还原剂、粘结剂冷压（或热压）成含碳球团即可，可不用焦炭和烧结矿，也就没有必要建焦化厂和烧结厂，因此相对高炉铁前流程短得多。
3）LSM工艺的熔分炉可以全氧或高富氧率冶炼，而高炉则不能。
4）铁矿还原工艺不同，决定了操作工艺的不同，在LSM熔分炉中燃烧1 kg固定碳所产生的热量高达27 MJ以上，而高炉只有10 MJ左右，相差2.7倍之多，可见LSM工艺更有利于节约能源，减少排放，降低消耗。
5 结 语
经过国内外冶金专家、学者多年的理论研究和试验，以含碳球团为原料的还原工艺，理论上的可行性和科学性均已得到解决。这种快速还原技术既避开了高炉、COREX以间接还原为主所遇到的透气性问题，也避开了HIsmelt工艺所遇到的尴尬。国内外对以含碳球团为原料的熔融还原技术，积累了大量的试验数据和实践经验，成为LSM工艺的技术依托。
参考文献：
［1］ 徐书刚，李子木，吕庆.HIsmelt熔融还原炼铁技术考察与分析［J］.炼铁，2007（5）：59.
［2］ 周渝生，钱晖，张友平，等.非高炉炼铁技术的发展方向和策略［N］.世界金属导报，2008-11-18（10）.