非高爐煉鐵技術(shù)分為直接還原工藝和熔融還原工藝兩種。70年來(lái)，中國(guó)非高爐煉鐵技術(shù)走過(guò)了從無(wú)到有、從少到多、從簡(jiǎn)單到逐漸優(yōu)化的歷程，取得了舉世矚目的成就。如今，我國(guó)歐冶爐、墨龍HIsmelt、COSRED（科思瑞迪）等熔融還原技術(shù)，以及CSDRI氣基豎爐等非高爐煉鐵裝備技術(shù)水平已達(dá)到世界先進(jìn)水平。
中國(guó)非高爐煉鐵技術(shù)裝備歷程回顧
1
我國(guó)從20世紀(jì)50年代開始對(duì)直接還原鐵技術(shù)進(jìn)行了廣泛的開發(fā)和研究。因受資源條件的限制，我國(guó)當(dāng)時(shí)的開發(fā)研究主要集中在煤基直接還原鐵工藝（回轉(zhuǎn)窯、隧道窯、轉(zhuǎn)底爐、多種固定床、移動(dòng)床等）上。
20世紀(jì)70年代，我國(guó)自行設(shè)計(jì)、建設(shè)了處理釩鈦磁鐵礦球團(tuán)的5立方米氣基豎爐，雖然在試驗(yàn)中獲得成功，但因天然氣資源問(wèn)題被迫終止。20世紀(jì)70年代后期，我國(guó)在韶關(guān)鋼鐵廠建成以水煤氣為還原氣的氣基豎爐工業(yè)化試驗(yàn)生產(chǎn)線，進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)3年的試生產(chǎn)，后因缺乏高品位鐵礦石、水煤氣制氣單機(jī)生產(chǎn)能力過(guò)小等原因未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
20世紀(jì)80年代，寶鋼開展了BL法煤制氣-豎爐生產(chǎn)直接還原鐵的半工業(yè)化試驗(yàn)研究。試驗(yàn)是成功的，但因含鐵原料及制氣成本問(wèn)題未能進(jìn)行進(jìn)一步開發(fā)。1989年，福州特鋼廠?2.9×40m回轉(zhuǎn)窯工業(yè)試驗(yàn)成功并達(dá)到較好水平，標(biāo)志著中國(guó)直接還原工藝進(jìn)入工業(yè)化階段。
此后10年間，我國(guó)先后建設(shè)了天津鋼管公司（1996年10月，產(chǎn)能30萬(wàn)噸/年）、山東魯中礦山公司（1998年，產(chǎn)能5.0萬(wàn)噸/年）、吉林省樺甸老金廠礦業(yè)總公司回轉(zhuǎn)窯直接還原廠（1998年，產(chǎn)能2.5萬(wàn)噸）、北京密云冶金礦山公司（1999年，產(chǎn)能6.2萬(wàn)噸/年）等6座回轉(zhuǎn)窯，總產(chǎn)能達(dá)46.2萬(wàn)噸。此外，各地建成了一批產(chǎn)能在1萬(wàn)噸/年左右的隧道窯DRI/HBI生產(chǎn)廠，總產(chǎn)能達(dá)18萬(wàn)噸左右。其他有代表性的直接還原鐵工藝還有寶鋼與魯南化學(xué)工業(yè)（集團(tuán)）公司聯(lián)合開發(fā)的BL氣基豎爐法直接還原新工藝、北京冶金設(shè)備研究院開發(fā)的罐式爐法（PF法）、北京科技大學(xué)熱能工程研究所開發(fā)的連續(xù)爐法（COF法）、長(zhǎng)沙礦冶研究院開發(fā)的自固結(jié)球團(tuán)回轉(zhuǎn)窯（CRIMM法）、哈爾濱海綿鐵研究所開發(fā)的斜坡法（XSHA法）等。目前，中國(guó)已建成8條回轉(zhuǎn)窯直接還原鐵生產(chǎn)線，總生產(chǎn)能力為80萬(wàn)噸/年。
馬鋼于2009年7月建成國(guó)內(nèi)第一條處理（含鋅塵泥）高爐瓦斯泥和各種固廢球團(tuán)轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝生產(chǎn)線。生球烘干、轉(zhuǎn)底爐、余熱回收、廢氣脫鋅等設(shè)備由日本引進(jìn)，原料處理設(shè)備由國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)制造。目前，我國(guó)已建成用于復(fù)合礦的綜合利用（四川龍蟒、攀鋼研究院）、含鐵粉塵利用（馬鋼、沙鋼、日照鋼鐵、燕山鋼鐵、寶鋼湛江）、生產(chǎn)預(yù)還原爐料（山西翼城、萊鋼、天津榮程）等的轉(zhuǎn)底爐10余座。
COSRED煤基豎爐工藝結(jié)合了氣基豎爐和隧道窯兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、小型工業(yè)化裝備、大型工業(yè)化生產(chǎn)3個(gè)階段和五代創(chuàng)新，以及持續(xù)不斷的改進(jìn)和完善，承接了國(guó)內(nèi)外多個(gè)工程項(xiàng)目。COSRED工藝形成了一系列專利技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)，包括工藝技術(shù)、結(jié)構(gòu)技術(shù)、耐材技術(shù)、控制技術(shù)、布料和排料技術(shù)、造塊和干燥技術(shù)等。2017年10月投產(chǎn)的武漢科思瑞迪科技公司COSRED緬甸工程項(xiàng)目表明，COSRED工藝正在扮演著鋼鐵行業(yè)直接還原工藝生力軍的角色。
歷經(jīng)10年，以“釘釘子的精神”馳而不息地進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化技術(shù)攻關(guān)，破解了一系列制約氣基還原鐵技術(shù)工程轉(zhuǎn)化的技術(shù)難題之后，我國(guó)第一套30萬(wàn)噸/年焦?fàn)t煤氣制直接還原鐵工業(yè)化試驗(yàn)裝置——中晉太行礦業(yè)有限公司直接還原鐵項(xiàng)目（CSDRI）于2019年10月調(diào)試投產(chǎn)。
2
國(guó)內(nèi)相關(guān)熔融還原及相關(guān)技術(shù)研究始于20世紀(jì)60年代。“九五”期間，在原國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)（現(xiàn)科技部）的支持下，我國(guó)啟動(dòng)了國(guó)家攀登計(jì)劃項(xiàng)目——熔融還原技術(shù)基礎(chǔ)研究。原冶金部組織了全國(guó)熔融還原專家，實(shí)行舉國(guó)體制，開展了這項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)研究工作。在總結(jié)單元技術(shù)研究成果的基礎(chǔ)上，我國(guó)開展了半工業(yè)試驗(yàn)的研究。在當(dāng)時(shí)承德冶金部試驗(yàn)廠建成了2噸/小時(shí)的COSRI半工業(yè)聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)裝置，先后進(jìn)行了兩次試驗(yàn)，突破了一些關(guān)鍵技術(shù)難題，取得了階段性成果。
為了開發(fā)我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的熔融還原技術(shù)，2007年10月15日，五礦營(yíng)口中板有限責(zé)任公司、中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司和中國(guó)鋼研科技集團(tuán)公司三方簽訂合作協(xié)議，開展了年產(chǎn)20萬(wàn)噸二步法熔融還原工業(yè)試驗(yàn)裝置的開發(fā)和工業(yè)試驗(yàn)研究。從流程開發(fā)、設(shè)計(jì)、建設(shè)到生產(chǎn)試驗(yàn)，經(jīng)歷了3年多時(shí)間，取得了很多重要的科研成果，發(fā)現(xiàn)了一些工藝流程和設(shè)備上存在的不足，為進(jìn)一步的開發(fā)工作積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。
寶鋼集團(tuán)在2007年引進(jìn)了兩套大型COREX 3000煉鐵生產(chǎn)裝置，在上海羅涇建成熔融還原煉鐵廠，分別于2007年11月和2010年投產(chǎn)。投產(chǎn)后，COREX工藝運(yùn)行不暢。寶鋼集團(tuán)于2011年決定先搬遷1座COREX 3000爐到在原、燃料（球團(tuán)礦、原料煤）供應(yīng)方面較有優(yōu)勢(shì)的八一鋼鐵公司，并結(jié)合羅涇的生產(chǎn)實(shí)踐和八鋼資源狀況綜合分析，在COREX 3000的基礎(chǔ)上，結(jié)合高爐煉鐵原理和成熟的技術(shù)進(jìn)行了31項(xiàng)技術(shù)優(yōu)化改造，于2015年7月19日順利出鐵，并成功實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，命名為歐冶爐。
山東墨龍公司在2012年將澳大利亞奎那那HISmelt工廠整體搬遷，并優(yōu)化改進(jìn)工藝流程，對(duì)原礦粉預(yù)熱系統(tǒng)、礦粉噴吹系統(tǒng)、SRV爐高溫煤氣系統(tǒng)、公輔動(dòng)力系統(tǒng)等進(jìn)行了創(chuàng)新。山東墨龍公司HIsmelt熔融還原煉鐵項(xiàng)目從2014年10月開始建設(shè)，于2016年8月建成投產(chǎn)，先后經(jīng)歷10多次停開爐探索實(shí)踐，工作人員對(duì)生產(chǎn)、設(shè)備維護(hù)操作逐步熟悉，操作穩(wěn)定性和能耗也都有了質(zhì)的提高。當(dāng)前，搬遷后的工廠日最高產(chǎn)量達(dá)到1930噸，月產(chǎn)量達(dá)到51914噸，設(shè)備不間斷作業(yè)可達(dá)157天，各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)均超過(guò)澳大利亞原工廠，產(chǎn)品高純鑄造生鐵含磷量低（平均在0.015%~0.03%），含硅、錳及五害元素（鉛、錫、砷、銻、鉍）含量非常低，脫硫后滿足高端鑄造產(chǎn)品的需求。
中國(guó)非高爐煉鐵未來(lái)展望
非高爐煉鐵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)低碳煉鐵的必然趨勢(shì)。目前，焦煤資源呈現(xiàn)全球性短缺趨勢(shì)，供應(yīng)緊張和價(jià)格高漲已成為制約傳統(tǒng)鋼鐵工業(yè)發(fā)展的重要因素；環(huán)保政策日益嚴(yán)格，環(huán)保投資不斷提高，鋼鐵工業(yè)發(fā)展承受的環(huán)境保護(hù)壓力逐漸加大。據(jù)了解，為實(shí)現(xiàn)超低排放改造，鐵前環(huán)保投資需增加200元/噸左右（鐵前環(huán)保成本占全工序成本的70%左右）。同時(shí)，高爐產(chǎn)生大量返礦、返焦和粉塵等固廢，需實(shí)現(xiàn)固廢資源綜合利用。此外，未來(lái)人力成本越來(lái)越高，需減員以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。
而直接還原—電爐短流程生產(chǎn)工藝具有產(chǎn)能高、低碳排放的特點(diǎn)。據(jù)悉，高功率電爐冶煉時(shí)在爐料中添加30%~50%的直接還原鐵，可提高生產(chǎn)率10%~25%，且與傳統(tǒng)長(zhǎng)流程相比，可減少二氧化碳排放40%~65%、減少二氧化硫排放約30%。氣基直接還原單套設(shè)備產(chǎn)能可達(dá)250萬(wàn)噸/年，鋼材的物理性能明顯提高。
近年來(lái)，我國(guó)廢鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，鋼企每年使用廢鋼量已達(dá)2億噸左右，預(yù)計(jì)“十三五”期間有望達(dá)到3億噸/年，這勢(shì)必將拉動(dòng)與之配套的直接還原鐵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。與此同時(shí)，直接還原—電爐短流程（或直接還原與大型鑄鋼的對(duì)接）生產(chǎn)工藝將為大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供技術(shù)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)方面的有力支持。在鋼鐵流程優(yōu)化和高質(zhì)量發(fā)展的挑戰(zhàn)和機(jī)遇下，中國(guó)鋼鐵工業(yè)應(yīng)充分發(fā)揮國(guó)內(nèi)煤炭資源和焦?fàn)t煤氣等豐富的比較優(yōu)勢(shì)，在煤制氣或焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新突破。美國(guó)大力發(fā)展直接還原鐵對(duì)我國(guó)鋼鐵工業(yè)非高爐煉鐵技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展具有重大啟示和借鑒意義。
從全球范圍來(lái)看，鋼鐵產(chǎn)業(yè)的空間布局主要是3種形式：一是靠近資源產(chǎn)地的資源依托型，二是臨近運(yùn)輸港口尤其是大型海港的臨海臨港型，三是接近產(chǎn)品消費(fèi)市場(chǎng)的市場(chǎng)鄰近型。國(guó)外直接還原鐵廠基本布局在電爐廠附近，實(shí)現(xiàn)熱裝熱送，降低能耗和生產(chǎn)成本。
中國(guó)鋼企面臨環(huán)保政策趨嚴(yán)和大宗物料產(chǎn)品清潔運(yùn)輸?shù)囊螅趶U鋼資源上占優(yōu)勢(shì)的鋼企可考慮配套建設(shè)具有一定經(jīng)濟(jì)規(guī)模的直接還原鐵廠。對(duì)于采用進(jìn)口粉礦資源（尤其是高磷礦、釩鈦礦等）的鋼企來(lái)說(shuō)，也可考慮采用熔融還原和高爐混合的生產(chǎn)流程。長(zhǎng)流程與短流程的融合將成為中國(guó)特色鋼鐵工業(yè)的未來(lái)發(fā)展方式。
此外，中國(guó)鋼企還要注重提高非高爐煉鐵智能制造水平，重視人工智能在非高爐煉鐵過(guò)程的決策與管理、過(guò)程控制、質(zhì)量檢測(cè)、智慧物流等方面的開發(fā)及應(yīng)用。
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