郭會良  玄振法    紀召毅    李翠  周光燕

（山東泰山鋼鐵集團有限公司  山東濟南 271100）

摘要：文章主要介紹了高爐煉鐵與非高爐煉鐵的主要區別，同時對非高爐煉鐵的主要工藝，進行了說明，包括直接還原法和熔融還原法，重點對回轉窯工藝、豎爐工藝、COREX工藝、FINEX工藝進行了詳細的介紹，指出，非高爐煉鐵技術資源利用效率、環境友好性、產業發展潛力等方面具有廣闊的發展前景。

關鍵詞：非高爐煉鐵；現狀；工藝；直接還原

1 前言

鋼鐵工業是國民經濟的支柱產業，是國家生存和發展的物質保障，是衡量國家經濟水平和綜合國力的重要標志。中國的鋼鐵工業在世界上一直扮演著重要的角色，產量突破10億噸，占世界產能的50%以上。鋼鐵工業是制造業31個門類中碳排放大戶，是落實“碳達峰”和“碳中和”目標的重要責任主體。目前，鋼鐵行業所需的能源有70%以上來自煤炭釋放的能量，而如此巨大的能源所產生的碳排放量占全球的7%左右。中國鋼鐵行業全年碳排放量已達18億噸，占全國碳排放總量的15%，占全國工業碳排放量的20%，可見綠色制造是鋼鐵工業生存和發展的必選之路。

近幾年，國家和行業出臺了一系列的文件和政策，在碳排放方面制定了嚴格的標準，如在2025年之前，鋼鐵行業必須有30%的產能在工序能耗達到標桿水平，取締所有能效基準水平以下的企業。

2 非高爐煉鐵的定義

煉鐵工藝主要分為兩個方面，一種是高爐冶煉，另一種是非高爐冶煉^[1]。高爐冶煉是現階段最常用的冶煉方法，即在高爐內完成還原過程，原材料為焦炭、燒結礦、球團礦、塊礦等，最終生成合格的鐵水。非高爐冶煉是除高爐冶煉之外的其他冶煉方法，根據工藝特征可分為直接還原法和熔融還原法^[2,3]。

直接還原法是在較低的溫度下將原材料還原成海綿鐵的過程，此溫度一般低于原材料的熔化溫度，其特點是溫度低，滲碳效果差，因此碳含量較低。熔融還原法是指不借助高爐而生產液態鐵水的生產方法，也是目前煉鐵的主要發展方向之一。

圖1 主要煉鐵工藝

圖1為現階段煉鐵的主要工藝，高爐煉鐵是從原材料A點經過高爐后到達B，產生鐵水，經過滲碳和鐵水包（魚雷罐車）的運輸達到C，經過轉爐生成鋼液D，脫氧后為成品鋼液E。直接還原是將含鐵原料在還原氣氛下生成海綿鐵，也有直接經過電爐生產鋼液的短流程，熔融還原是在高溫下變成鐵水或鋼液，再經過脫氧生成合格的鋼液。

現階段，非高爐煉鐵之所以發展迅速，主要有以下三方面的原因，其一能源的限制，非高爐煉鐵獨特的還原方式使其擺脫了對焦炭的依賴，可以用天然氣、石油、電能等方式代替，而煉焦煤在世界范圍內儲量較少，限制了高爐煉鐵的發展。其二是隨著鋼鐵工業的發展，氧氣轉爐和電爐煉鋼完全取代平爐，廢鋼消耗量迅速增加，廢鋼供應量日感緊張，非高爐生產的海綿鐵、粒鐵等是廢鋼的極好代用品。其三是省去煉焦設備，總的基建費用比高爐煉鐵法少，雖然非高爐煉鐵法的生產效率遠趕不上高爐，但對缺乏焦煤資源的國家和地區，用于中小型企業生產，前途是光明的。

3 直接還原法

3.1 回轉窯工藝

回轉窯工藝又稱煤基回轉窯工藝，是直接還原煉鐵工藝，也是最重要的固體還原劑直接還原工藝，是指還原煤、脫硫劑、球團或塊礦組成的混合爐料在回轉窯內運動，并被燃燒的燃料加熱且產生還原反應，最終得到還原產物的過程，其流程見圖2。

目前，全球采用煤為還原劑的工藝絕大部分為煤基回轉窯工藝，極少數為煤基豎爐工藝，根據流程可分為一步法和兩步法。一步法流程較為緊湊，但是有鏈篦機，需要將混合后的爐料在鏈篦機上干燥和預熱，然后熱球直接進入回轉窯，在1050℃左右完成還原過程。二步法則在將上述兩個連續的工藝分割開來，造球后焙燒成氧化球團，與后續的還愿流程有一個間隔時間，然后冷球再進入回轉窯還原，氧化球團制備工藝和氧化球團直接還原分別在兩臺設備內獨立進行，是兩步高溫過程，故稱為二步法。

圖2 煤基回轉窯直接還原工藝

3.2 豎爐工藝

豎爐工藝是以豎爐作為反應場所，用還原性物質，如氫氣、一氧化碳、煤等作為還原劑，使含鐵原料發生還原反應，生成還原鐵的過程，根據還原性物質的不同可分為氣基豎爐工藝和煤基豎爐工藝。

圖3 Minrex工藝流程

氣基豎爐工藝是以天然氣、焦爐煤氣等作為還原劑，根據工藝不同可分為Midrex、HYL、Pered等工藝，其中Midrex工藝流程如圖3。天然氣以一定壓力進入重整爐換熱至350℃，一部分與爐頂氣混合進入對流段原料氣換熱器,對流段高溫煙氣將原料氣預熱提高溫度至580~600℃，然后送入重整爐在催化劑作用下進行甲烷轉化反應，生成合格還原氣(CO+H₂≥90%，H₂/CO=1.5~1.8)，溫度為850~950℃，進入豎爐。另一部分預熱后的天然氣作為燃料進入燒嘴進行燃燒，為重整反應提供熱源。空氣通過鼓風機加壓，經空氣預熱器與對流段煙氣換熱，將空氣預熱至 600℃，送入燒嘴。重整爐燃燒后高溫煙氣經對流段換熱，依次對助燃空氣、混合原料氣、爐頂氣進行加熱，然后通過引風機送入煙囪排出。氧化球團/塊礦通過垂直皮帶機上料至爐頂料倉，經爐料分布器進入豎爐。來自重整系統的還原氣溫度850~950℃，壓力0.15MPa，一部分進入豎爐還原區，與爐內的球團進行氣固相反應生成熱態DRI，另一部分作為再熱氣對下部爐料進行加熱。

煤基豎爐以煤炭為燃料，工藝與氣基豎爐類似，此外，主要優點是煤基豎爐能夠很好的處理鋼鐵廠的各種固廢，在脫除和回收固廢中的氧化鋅的同時，得到的直接還原鐵可以作為電爐轉爐或熔分爐的原料，該工藝的鋅回收率和金屬化率均達到>90%，這將會為鐵廠的固廢處理提供一個很有競爭力的新工藝，另外，由于鋼鐵廠的固廢處理量大，現有工藝均存在一些不足，因此，采用該工藝用來處理鋼鐵廠的各種固廢具有廣闊的應用和發展前景。

3.3 轉底爐工藝

轉底爐直接還原技術是鐵礦粉（或紅土鎳礦、釩鈦磁鐵礦、硫酸渣或冶金粉塵、除塵灰、煉鋼污泥等）經預處理后進入轉底爐內，在爐內完成還原反應的過程。其中預處理工藝包括破碎、配礦、混合攪拌、造球、干燥和預熱。根據工藝流程的不同可分為Inmetco法、DRYIRON 法、FASTMET法和ITMK3等。其中，ITMK3工藝見圖4。

轉底爐是該工藝的主要設備，主要部件是固定的環形外殼和可轉動的料床或爐底，原材料平鋪在爐底上，爐底可繞軌道在環形外殼內做圓周運動，內部安裝加熱裝置，實現內部氣氛的調節。

圖4 ITMK3工藝流程圖

現階段，轉底爐工藝多數用來處理鋼鐵固廢，如含鐵塵泥等，可實現固廢的高效利用，提取出的含鐵部分可返回高爐、電爐等，鋅粉則是鋅冶煉廠的理想原料，副產蒸汽在廠內循環使用或發電。

3.4 隧道窯工藝

隧道窯工藝經過多年的發展已經成為極為重要的直接還原方法，該方法是在具有一定長度的窯體內完成，形如隧道，內部有還原罐體，罐體擺放于窯車上，窯體內部有軌道，窯車從一段進入，另一端排出，窯內半密閉，有加熱系統，可控制窯內氣氛，進而完成還原過程。

隧道窯工藝的主要特點是投資較少，產品的穩定性較高，主要備品配件易得，在前期受到很多企業的青睞，但是其缺點是機械化程度較低，大多數需要人力的完成，生產效率較低，但在近幾年的產業化中得到了改善，機械化程度大大提升。隧道窯工藝最常用的行業是粉末冶金的還原鐵粉，技術含量較低，投資較少，多用于小規模生產。

4 熔融還原法

4.1 COREX工藝

COREX工藝簡稱KR法，主要原料是燒結礦和球團礦，與高爐類似，配加少量塊礦，燃料主要為低品質煤粉，熔劑主要是石灰石、自云石和硅石。還原過程分兩部分，預還原和終還原，分別在豎爐和熔融氣化爐中完成，見圖5。

圖5 COREX工藝流程圖

含鐵原料從預還原豎爐頂部加入，在其下降的過程中與還原氣體接觸，完成加熱和預還原過程，金屬化率可達到70%以上，然后通過熱裝熱送進入二次還原爐，即熔融氣化爐，高溫還原下生成鐵水和煤氣，煤氣可作為流程的還原氣體、熱源等，也可用于發電、供熱等。

4.2 FINEX工藝

FINEX工藝是基于 COREX工藝進行的技術創新，主要的工藝優化是 FINEX工藝采用多級流化床反應器代替了COREX工藝的預還原豎爐。FINEX工藝的流程不斷進行迭代完善，工藝流程見圖6。

原材料依次經過R3、R2和R1反應器，反應器的溫度依次升高，最高可達750℃，在反應器內初步完成還原反應，金屬化率達到70%以上，然后經壓塊工藝生成熱壓塊，與燃料、還原劑一同進入熔融氣化爐，生成合格的鐵水。

該過程可實現煙氣的綜合利用，熔融氣化爐的高溫煙氣依次通過R1、R2和R3反應器，與物料的運動方向相反，最后經煙氣處理裝置除去大部分的CO₂，然后再次回到流化床反應器內繼續反應。

圖6 FINEX工藝流程圖

4.3 HIsmelt工藝

HIsmelt ^[4]是一步法熔融還原的冶金工藝，流程圖見圖7。該工藝直接利用經預熱處理的粉狀含鐵原料和粒煤，通過固體噴槍把礦粉和粒煤噴入熔池，富氧熱風從頂噴槍噴入還原爐（SRV），熔池中還原反應產生的 CO 氣體在熔池上部燃燒，為熔池提供熱量。SRV 爐內生產的鐵水經前置爐流出，通過鐵溝、擺動溜嘴進入鐵水罐。產生的液態渣從排渣口流出，然后進入渣處理工藝。SRV副產1500℃左右的高溫煤氣，可用于返回爐內或用于發電。

產生的凈煤氣作為燃料供煤粉制備煙氣爐、礦粉預熱系統、熱風爐及燃氣鍋爐系統使用。相對傳統的高爐煉鐵工藝，HIsmelt 熔融還原煉鐵工藝省去了燒結及焦化兩個環節，在同樣產能下節省了大量的投資運行成本及能源物料消耗，且這種工藝在生產過程中產生的大量蒸汽及富余煤氣均可以用于發電、化工等，使其生產系統的能源利用效率很高。

圖7  HIsmelt工藝流程圖

HIsmett 熔融還原工廠于 2017 年在中國成功實現了連續商業化運行。作為短流程冶金工藝，該技術完全擺脫對優質礦石和焦煤資源的依賴，直接使用粉狀的普通含鐵物料和非焦煤粉進行冶煉并極大地降低了 SO₂、NOx等污染物的排放,其主要產品高純生鐵廣泛用于風電核電、高鐵、高端裝備制造等行業領域，并在開發我國儲量豐富的高磷礦和釩鈦!礦資源、冶金固廢綜合利用及節能減排等方面具有廣闊的發展前景。

4.4 COSRED工藝

COSRED工藝研究的較早，主要流程是含鐵原料和粘結劑經過配料、混勻、壓塊和烘干后，與還原劑和混合形成混合料，混合料通過運輸裝置運至還原爐的頂部，通過布料裝置將混合料裝入還原爐中，混合料在下行過程中，經過預還原和冷卻后排出。溫合料的排出溫度為650~700℃，經過篩分、磁選后得到金屬化率達到75%以上的金屬化球團。溫度為600~650℃的金屬化球團在熱裝進入熔分爐，得到合格的鐵水。鐵水運往轉爐或鑄鐵機，同時爐渣從熔分爐中排出，經過處理后作為水泥廠的原料。

該工藝雖然在理論上能簡化煉鐵步驟，降低鐵水成本，具有較好的環保優勢，但是目前沒有完整的生產實例，雖然還原爐和熔分爐這兩大關鍵設備各自都有較好的生產指標，但是組合式的COSRED工藝還在研究中。

5 發展前景

非高爐煉鐵在我國具有良好的發展前景，主要由于其有眾多優勢，具體有以下幾點。

（1）資源利用效率提升

非高爐煉鐵技術能夠利用低品位的鐵礦石和廢棄物資源進行冶煉，有效提高了鐵礦的利用效率^[5]，減少了資源的浪費。

（2）環境友好性

非高爐煉鐵技術相較于傳統高爐煉鐵技術，具有更低的能耗和排放量，能夠降低大氣污染物的排放，減少環境污染的程度，符合環保要求。

（3）促進鋼鐵行業的可持續展

非高爐煉鐵技術的應用可以降低我國鋼鐵行業對進口鐵礦石的依賴，減少對外部資源的依賴性，從而提高我國鋼鐵行業的競爭力和可持續發展能力。

（4）推動煤炭清潔利用

非高爐煉鐵技術能夠煤炭轉化為煤氣或煤焦油等副產品，提高煤炭利用效率，促進煤炭的清潔利用，減少煤炭資源的浪和環境影響。

（5）產業發展潛力巨大

盡管非高爐煉鐵技術在我國仍處于發展階段，但隨著技術的不斷進步和成本的降低，這一領域具有巨大的產業發展潛力，將為相關產業帶來新的機遇和市場空間。

然而，實現非高爐煉鐵技術的大規模應用還面臨些挑戰，如技術成熟度、經濟可行性和市場接受度等。加強技術研發、降低投資本、改善政策環境等是實現非高爐煉鐵技術發展的關鍵。只有在政府、企業和科研機構的共同努力下，推動非高爐煉鐵技術的發展與應用，才能實現其潛力和價值的最大化。

綜上所述，我國非高爐煉鐵技術資源利用效率、環境友好性、產業發展潛力等方面具有廣闊的發展前景。推動我國非高爐煉鐵技術突破和應用，將為我國鋼鐵產業的可持續發展和資源利用效率提升做出積極貢獻。

參考文獻：

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