中國非高爐煉鐵70年歷程回顧和未來展望

非高爐煉鐵技術分為直接還原工藝和熔融還原工藝兩種。70年來，中國非高爐煉鐵技術走過了從無到有、從少到多、從簡單到逐漸優(yōu)化的歷程，取得了舉世矚目的成就。如今，我國墨龍HIsmelt、COSRED（科思瑞迪）等熔融還原技術，以及CSDRI氣基豎爐等非高爐煉鐵裝備技術水平已達到世界先進水平。

中國非高爐煉鐵技術裝備歷程回顧

直接還原技術

我國從20世紀50年代開始對直接還原鐵技術進行了廣泛的開發(fā)和研究。因受資源條件的限制，我國當時的開發(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、移動床等）上。

20世紀70年代，我國自行設計、建設了處理釩鈦磁鐵礦球團的5立方米氣基豎爐，雖然在試驗中獲得成功，但因天然氣資源問題被迫終止。20世紀70年代后期，我國在韶關鋼鐵廠建成以水煤氣為還原氣的氣基豎爐工業(yè)化試驗生產(chǎn)線，進行了長達3年的試生產(chǎn)，后因缺乏高品位鐵礦石、水煤氣制氣單機生產(chǎn)能力過小等原因未能實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

20世紀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)化試驗研究。試驗是成功的，但因含鐵原料及制氣成本問題未能進行進一步開發(fā)。1989年，福州特鋼廠Æ2.9×40m回轉(zhuǎn)窯工業(yè)試驗成功并達到較好水平，標志著中國直接還原工藝進入工業(yè)化階段。此后10年間，我國先后建設了天津鋼管公司（1996年10月，產(chǎn)能30萬噸/年）、山東魯中礦山公司（1998年，產(chǎn)能5.0萬噸/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2.5萬噸）、北京密云冶金礦山公司（1999年，產(chǎn)能6.2萬噸/年）等6座回轉(zhuǎn)窯，總產(chǎn)能達46.2萬噸。此外，各地建成了一批產(chǎn)能在1萬噸/年左右的隧道窯DRI/HBI生產(chǎn)廠，總產(chǎn)能達18萬噸左右。其他有代表性的直接還原鐵工藝還有寶鋼與魯南化學工業(yè)（集團）公司聯(lián)合開發(fā)的BL氣基豎爐法直接還原新工藝、北京冶金設備研究院開發(fā)的罐式爐法（PF法）、北京科技大學熱能工程研究所開發(fā)的連續(xù)爐法（COF法）、長沙礦冶研究院開發(fā)的自固結(jié)球團回轉(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80萬噸/年。

馬鋼于2009年7月建成國內(nèi)第一條處理（含鋅塵泥）高爐瓦斯泥和各種固廢球團轉(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、廢氣脫鋅等設備由日本引進，原料處理設備由國內(nèi)設計制造。目前，我國已建成用于復合礦的綜合利用（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，經(jīng)過多年的實驗室試驗、小型工業(yè)化裝備、大型工業(yè)化生產(chǎn)3個階段和五代創(chuàng)新，以及持續(xù)不斷的改進和完善，承接了國內(nèi)外多個工程項目。COSRED工藝形成了一系列專利技術和關鍵技術，包括工藝技術、結(jié)構技術、耐材技術、控制技術、布料和排料技術、造塊和干燥技術等。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”馳而不息地進行國產(chǎn)化技術攻關，破解了一系列制約氣基還原鐵技術工程轉(zhuǎn)化的技術難題之后，我國第一套30萬噸/年焦爐煤氣制直接還原鐵工業(yè)化試驗裝置——中晉太行礦業(yè)有限公司直接還原鐵項目（CSDRI）于2019年10月調(diào)試投產(chǎn)。

熔融還原技術

國內(nèi)相關熔融還原及相關技術研究始于20世紀60年代。“九五”期間，在原國家科學技術委員會（現(xiàn)科技部）的支持下，我國啟動了國家攀登計劃項目——熔融還原技術基礎研究。原冶金部組織了全國熔融還原專家，實行舉國體制，開展了這項技術的開發(fā)研究工作。在總結(jié)單元技術研究成果的基礎上，我國開展了半工業(yè)試驗的研究。在當時承德冶金部試驗廠建成了2噸/小時的COSRI半工業(yè)聯(lián)動試驗裝置，先后進行了兩次試驗，突破了一些關鍵技術難題，取得了階段性成果。

為了開發(fā)我國自主知識產(chǎn)權的熔融還原技術，2007年10月15日，五礦營口中板有限責任公司、中冶京誠工程技術有限公司和中國鋼研科技集團公司三方簽訂合作協(xié)議，開展了年產(chǎn)20萬噸二步法熔融還原工業(yè)試驗裝置的開發(fā)和工業(yè)試驗研究。從流程開發(fā)、設計、建設到生產(chǎn)試驗，經(jīng)歷了3年多時間，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備上存在的不足，為進一步的開發(fā)工作積累了寶貴經(jīng)驗。

寶鋼集團在2007年引進了兩套大型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工藝運行不暢。寶鋼集團于2011年決定先搬遷1座COREX 3000爐到在原、燃料（球團礦、原料煤）供應方面較有優(yōu)勢的八一鋼鐵公司，并結(jié)合羅涇的生產(chǎn)實踐和八鋼資源狀況綜合分析，在COREX 3000的基礎上，結(jié)合高爐煉鐵原理和成熟的技術進行了31項技術優(yōu)化改造，于2015年7月19日順利出鐵，并成功實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。

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)化改進工藝流程，對原礦粉預熱系統(tǒng)、礦粉噴吹系統(tǒng)、SRV爐高溫煤氣系統(tǒng)、公輔動力系統(tǒng)等進行了創(chuàng)新。山東墨龍公司HIsmelt熔融還原煉鐵項目從2014年10月開始建設，于2016年8月建成投產(chǎn)，先后經(jīng)歷10多次停開爐探索實踐，工作人員對生產(chǎn)、設備維護操作逐步熟悉，操作穩(wěn)定性和能耗也都有了質(zhì)的提高。當前，搬遷后的工廠日最高產(chǎn)量達到1930噸，月產(chǎn)量達到51914噸，設備不間斷作業(yè)可達157天，各項生產(chǎn)指標均超過澳大利亞原工廠，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。

中國非高爐煉鐵未來展望

非高爐煉鐵技術是實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)低碳煉鐵的必然趨勢。目前，焦煤資源呈現(xiàn)全球性短缺趨勢，供應緊張和價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)境保護壓力逐漸加大。據(jù)了解，為實現(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，高爐產(chǎn)生大量返礦、返焦和粉塵等固廢，需實現(xiàn)固廢資源綜合利用。此外，未來人力成本越來越高，需減員以提高勞動生產(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。據(jù)悉，高功率電爐冶煉時在爐料中添加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備產(chǎn)能可達250萬噸/年，鋼材的物理性能明顯提高。

近年來，我國廢鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，鋼企每年使用廢鋼量已達2億噸左右，預計“十三五”期間有望達到3億噸/年，這勢必將拉動與之配套的直接還原鐵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。與此同時，直接還原-電爐短流程（或直接還原與大型鑄鋼的對接）生產(chǎn)工藝將為大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級提供技術和生產(chǎn)經(jīng)驗方面的有力支持。在鋼鐵流程優(yōu)化和高質(zhì)量發(fā)展的挑戰(zhàn)和機遇下，中國鋼鐵工業(yè)應充分發(fā)揮國內(nèi)煤炭資源和焦爐煤氣等豐富的比較優(yōu)勢，在煤制氣或焦爐煤氣生產(chǎn)直接還原鐵技術上實現(xiàn)創(chuàng)新突破。美國大力發(fā)展直接還原鐵對我國鋼鐵工業(yè)非高爐煉鐵技術創(chuàng)新發(fā)展具有重大啟示和借鑒意義。

從全球范圍來看，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)品消費市場的市場鄰近型。國外直接還原鐵廠基本布局在電爐廠附近，實現(xiàn)熱裝熱送，降低能耗和生產(chǎn)成本。

中國鋼企面臨環(huán)保政策趨嚴和大宗物料產(chǎn)品清潔運輸?shù)囊?，在廢鋼資源上占優(yōu)勢的鋼企可考慮配套建設具有一定經(jīng)濟規(guī)模的直接還原鐵廠。對于采用進口粉礦資源（尤其是高磷礦、釩鈦礦等）的鋼企來說，也可考慮采用熔融還原和高爐混合的生產(chǎn)流程。長流程與短流程的融合將成為中國特色鋼鐵工業(yè)的未來發(fā)展方式。

此外，中國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程的決策與管理、過程控制、質(zhì)量檢測、智慧物流等方面的開發(fā)及應用。

備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。