非焦煤炼铁工艺及装备的未来(1)——熔融还原工艺及装备的前景研究(下)

郭汉杰 李 林

(1:北京科技大学冶金与生态工程学院 北京100083;2:北京市重点实验室高端金属材料特种熔炼与制备中心 北京100083)

1 HIsmelt工艺和装备发展及展望

1)HIsmelt煤基熔融还原炼铁技术，是20世纪80年代初由德国Klockner公司和澳大利亚CRA公司合作开发的熔融还原法，后来一直由澳大利亚CRA公司和美国Midrex公司共同组建的HIsmelt公司继续研发。

2)将该技术单独讨论目有:

(1)这可能是迄今为止人类在针对煤基直接还原铁技术投入最大，但还没有取得完全成功的案例。据悉，自1982年该项目启动到2008年在澳大利亚Kwinana合营厂停止运行，该项目共花费10亿美元之多，虽然前景尚不明朗，但其行为是非常悲壮和值得尊重的。

(2)历时26年、花费巨资换来的不仅仅是停业，必须要看到实验者在探寻煤基直接还原规律的过程中所经历的挫折，由此换来的宝贵实践经验。这个革命性工艺的伟大意义在于冶炼高磷矿的同时得到无硅锰、低磷、相对高温的铁水，而这样的铁水在用于后续炼钢流程时，可以把目前双转炉改为单转炉而不影响炼钢功能，不仅投资大幅缩减，而且使炼钢流程大大缩短，从而大幅降低炼钢成本。这不仅仅是用10亿美元的实验结果供后续研究者吸取，其先驱者所奉献的意义已经远远超过其经济代价。

3)目前首先受益的是欧洲ULCOS计划中HIsarna技术的开发，这是建立在HIsmelt花费10亿美元的基础上换来的，也踩在了巨人的肩膀上，若ULCOS计划成功，将不仅是HIsmelt生命力的延续，更真正体现人类集体智慧的成功。

所以有必要把HIsmelt到目前所取得成就和暂时的失败教训同时展现出来，供同行参考借鉴。

4)HIsmelt工艺属于一步法熔融还原技术。由初期卧式铁浴炉发展为竖式熔融还原炉SRV(Smelting reduction vessel)。结合高炉炼铁和现代氧气转炉炼钢技术，用少量N2将粉状熔剂和非焦煤粉在SRV中下部直接喷入铁浴池内;由于熔池内溶解碳在高温下快速将氧化铁还原成Fe;铁浴内还原所需的热量，由1200℃的富氧35%的热风带入的物理热和其与CO二次燃烧产生的化学热，通过三种途径进入铁浴:喷嘴的气流运动与熔融渣铁的对流传热;高温烟气热辐射传热;由于气流冲击溅起的熔融反应物吸收热量后落下并带入铁浴与熔融系统。这些热量供给矿粉熔化、还原和造渣过程所需。

铁矿石进入SRV前，首先通过流化床，吸收SRV出逸的尚有少量还原性的高温煤气，预加热、预还原后，最后得以达到冶炼液态铁水的目的［1］。

5)与目前较成熟熔融还原技术相比，Corex法更多依靠间接还原工艺，保留高炉炼铁工艺特点;Finex技术把Corex预还原竖炉变成多级流化床反应器，并对还原气进行改良，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，Finex 改良更深［2，3］。而 HIsmelt虽然利用高炉热风炉的概念和装备，但原理则完全摆脱高炉炼铁工艺概念，把还原和供热分开，是炼铁技术的革命，可有效解决困扰高炉工艺的料柱透气性问题，是真正意义的熔融还原［3－7］。

2 HIsmelt主体设备和工艺

2.1 HIsmelt主体设备

HIsmelt主体设备和工艺形成的核心是熔融还原炉(SRV)，结构见图1。其主要组成和功能如下:

1)主体设备外壳由上部水冷炉壳和下部砌筑耐材的炉缸组成;

2)用下倾斜式水冷喷枪将煤和部分矿粉高速喷入熔池，喷入的煤粉经加热、脱除挥发份后熔入铁水，使铁水中碳质量分数维持在约4%。喷入的矿粉与富碳铁水接触后还原熔炼;SRV下部保持低氧位促使还原进行，通过动力学平衡使渣中FeO质量分数维持在5% ～6%［8］。

图1 HIsmelt熔融还原炉(SRV)

3)由顶部喷枪鼓入1200℃富氧热风(氧总体积分数35%)与熔池上部煤气(主要成分CO)混合在上部氧化区燃烧，煤气二次燃烧率为50%～60%［9，10］，维持炉内热平衡所需热量。燃烧反应热风喷枪说明见图2。

图2 热风喷枪

这一部分是HIsmelt工艺核心。首先它保持上下部氧势梯度的同时，实现上部氧化区到下部还原区的热传递;其次在SRV中，大量液态渣铁在上下两区间喷溅起落将上部热量传入下部熔池。液滴载热除有一定比例导入冷却壁和水冷喷枪外，剩余全部用于熔炼。

4)水冷渣口周期出渣且通过前炉连续出铁。出铁前置炉的设置是一项关键安全技术，它可使SRV熔池液面受控，以保证熔池液面和水冷喷枪间留有合适安全距离。

2.2 HIsmelt工艺流程

HIsmelt工艺由原料场、粒煤喷吹、矿粉加热预还原、矿粉喷吹、热风炉、熔融还原炉(SRV)、出铁场、干渣坑、铸铁机、汽化冷却、煤气清洗 、余热回收、烟气脱硫、制氧站、鼓风机站、水处理等系统组成。HIsmelt的工艺流程见图3。

图3 HIsmelt熔融还原炼铁工艺流程

1)下面对其工艺流程进行详细描述:

(1)燃料系统:约6mm非焦煤粉(含水8% ～12%)通过锤式破碎机破碎到3mm，经干燥后(含水2%)储存在干煤仓内，进入加料罐内，再通过喷吹罐系统用N2喷入熔融还原炉。

(2)矿粉和熔剂加入系统:矿粉和熔剂由料场以一定配比输送入矿石干燥器中，采用换热器将矿粉和熔剂加热至600℃ ～800℃。随后矿石通过热矿斗提升机被送至热矿加料系统，通过螺旋给料机送至热矿喷枪，将约650℃的原料和熔剂通过水冷喷枪以N2作输送介质送入熔融还原炉熔池。

(3)热风及二次燃烧系统:空气经热风炉(几乎与高炉热风系统一样，热风炉烧炉以工艺产生的煤气作燃料，如需要可以富化煤气)加热至1200℃。同时为提高产量，对冷风进行富氧(30%～40%)。富氧35%的1200℃热风由还原炉顶部送入与熔池内含有CO的气体二次燃烧。二次燃烧的热能通过对流、辐射及炉渣喷溅产生的渣铁混合物热交换给熔池提供热量。

(4)出铁、出渣系统:最后还原完成，由SRV设渣口和铁口各1个，出铁、出渣。铁水通过外置出铁前置炉以1450℃ ～1500℃连续排出，铁水随后送至脱硫站进行脱硫，采用铸铁机铸铁块。炉渣每隔2～3h通过渣口定期排出，出渣温度为1450℃ ～1500℃。

2)HIsmelt设5个喷枪:一根水冷热风喷枪，喷煤枪和喷矿枪各2根。

3)炉体设备:SRV内径为6m，本体高约12m，炉内压力为0.08～0.1MPa，从上至下分为3个区，见图4。

(1)上部空间区:反应气体与煤挥发分裂解产生的气体在熔池上方与富氧热风发生二次燃烧反应;

(2)过渡区:热量从上部空间区返回熔池区，维持还原反应，炉渣喷溅对水冷管进行保护;

(3)熔池区:金属熔池中的熔解C(也有未溶解的，但与熔融的渣混合在一起的)与矿石接触发生反应，生成铁和CO气体。煤中的C熔解，替代还原反应中消耗的C。煤中挥发分汽化，煤中灰分和矿石中的脉石形成炉渣。

4)煤气通过熔融还原炉气化烟罩从1450℃降至1000℃。熔融还原炉产生的煤气在汽化烟道内进行冷却，然后通过煤气洗涤，最后供给锅炉和热风炉进行燃烧。锅炉燃烧产生的废气在排放前，要在常规烟气脱硫站脱除SO2。锅炉产生的蒸汽用于驱动蒸汽透平机，带动鼓风机、制氧厂空压机和发电厂。发电厂可为全厂提供所需电能，另有5%富裕电量送到当地电网。

图4 SRV内各区域反应说明

2.3 HIsmelt工艺的特点及意义

1)概括起来，HIsmelt熔融还原工艺具有如下特点:

(1)原料来源广泛，可全部使用粒度低于6mm的粉矿、粉煤，包括无法通过烧结厂回收的废弃物，物料中C、CaO和MgO能够利用;对燃料煤要求较宽松，可大幅减少钢铁生产过程资源消耗［11，12］。

(2)由于HIsmelt的SRV产生强氧化性炉渣，有较好脱磷效果，铁水中几乎不含硅，非常适合冶炼高磷矿，这是区别于其他炼铁工艺的主要特点。

(3)直接使用非焦煤粉和铁矿粉，取消烧结与造块工艺，原料成本大幅下降。钢铁工业主要污染物和有害气体主要来源于烧结和焦化工艺，因此，HIsmelt工艺可大幅降低环境污染［13，14］。

(4)由于强氧化性气氛，产出铁水含磷低、碳低、硫高、硅锰含量为零，若直接供给传统炼钢流程使用需要实验确定，主要是没有硅锰的氧化，炼钢的热量够不够，需要根据与其配套的装备进行评估。如果不够，可在炉外脱硫时添加锰铁、硅铁合金或与高炉铁水兑配，可达到炼钢铁水要求［15，16］。

(5)设备占地面积小，操作灵活，反应过程启闭简便，使得炼铁和炼钢作业能有效衔接，而不必限产铁水。

(6)由于粉矿预还原度低，炉渣含FeO高，炉衬腐蚀快，一代炉龄仅12～18个月［17］。

(7)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，目前吨铁能耗较高，因此高温低热值尾气利用是该工艺有待解决的问题［18，19］。

(8)铁浴中碳回收率高;二次燃烧率高;熔池搅拌强烈，利于加快还原反应;铁液成分及温度可以快速均匀化。

(9)使用高速喷枪喷吹固态物料，意味熔池对物料捕集率很高，以致超细粉可直接使用。

(10)煤是磨细喷入的，其特性不取决于煤粒形态。这些操作特点可使HIsmelt工艺使用高炉很难甚至不能使用的低品位原料［20］。

表1 不同工艺铁水化学成分比较表

2)基于HIsmelt工艺特点，其产品具有一定的特点，表1列出高炉、HIsmelt及Corex工艺生产铁水化学成分的对比。可以看出，通过对不同工艺生产铁水的化学成分进行比较发现，经HIsmelt工艺生产的铁水主要有以下3个特点:

(1)硅含量几乎为零:钢厂可利用HIsmelt生产的铁水不含硅这一特点进行低硅铁水操作，可减少炼钢的造渣量，并降低造渣剂消耗量，这是一项革命性成果。但同时需要炼钢工艺配合，比如炼钢热能是否够用等问题。事实上，人们一直追求提高氧气转炉生产率，对高炉铁水进行脱硅处理。

(2)磷含量低:HIsmelt工艺中，即使使用高磷铁矿粉(磷含量0.12%)进行生产，铁水中磷含量也很低。这主要是由于在相对较低的还原性气氛下，铁矿中的磷大部分被氧化转变成炉渣，使铁水中磷含量低于0.04%。与此形成鲜明对比的是，高炉和Corex工艺中，铁矿石中的磷均完全进入到铁水中，给后续炼钢生产带来脱磷的麻烦。因此，高磷矿一般不适用于高炉和Corex工艺。

(3)硫含量较高:HIsmelt工艺生产铁水的硫含量高于高炉和Corex工艺，这主要是由于其降低还原性引起的。但现有成熟铁水脱硫技术能有效处理HIsmelt工艺生产的铁水中的硫，且不会产生多余费用。

3)由HIsmelt工艺特点，可以看出其对目前现有钢铁企业而言，具有更加灵活、方便的应用，由此产生两个方面的意义:

(1)对联合钢铁企业的意义

在HIsmelt工艺技术的开发阶段，该工艺与传统高炉流程可同时共存，且形成良好的互补关系。高炉冶炼存在问题的高磷铁矿、钒钛磁铁矿、工业固体废弃物等都可以作为HIsmelt原料。两种冶炼流程若同时共存，不仅可大幅减轻高炉流程冶炼的巨大负荷，而且充分利用现有资源，实现资源综合利用。中国可以借助原料方面的低成本优势，实现利润尽可能最大化，从而打造企业核心竞争力。联合钢厂的HIsmelt工艺在设备上可以利用在用公辅设施，大幅节约投资［21－23］。

(2)对短流程炼钢的意义

电炉炼钢的炉料中可添加30%～50%铁水。HIsmelt工艺生产的铁水可作为生铁、直接还原铁和高品位废钢的优质替代品，在炉料中具有极高的使用价值［24］。由于不用脱硅、脱磷，对于双转炉系统炼钢，可以节省一个转炉直接脱碳。它可提高生产率、缩短冶炼周期、减少吨钢能耗;降低成品钢残余夹杂含量，产品质量更加稳定;减少造渣剂消耗及吨钢耐材消耗。HIsmelt简易的开停炉、停产等特点对于电炉炼钢至关重要。HIsmelt可以使炼铁及炼钢工序有效结合，无需为保存和处理多余铁水额外建设配套设施［25，26］。

3 HIsmelt工艺冶炼高磷矿原理

1)近年中国钢铁行业发展迅猛，已然成为世界钢铁大国，但由于国内铁矿石储量少，且大部分为品位低、含磷高、难于用高炉冶炼的矿石。所以，中国每年超过50%的矿石依赖从巴西、澳大利亚、南非等国进口，原料受制于人，因此进口矿价格波动大，很长一段时间曾大幅攀升［27，28］。为平抑进口铁矿价格和降低成本，国内钢企已纷纷寻求国内铁矿资源。国内高磷铁矿资源超过50亿t，占中国铁矿资源总量约10%，因其难选难炼的特点，一直作为“呆矿”未得到开发利用。HIsmelt工艺最大特点是可以处理高炉难以使用的高磷铁矿。在进口矿价格波动大的前提下，大规模开发利用国内高磷铁矿的时机已经成熟［29，30］。

2)HIsmelt工艺产出铁水之所以不含硅、锰，含磷低，与SRV中炉气组成、富氧量、CO/CO2相对较低，熔池温度(T)、炉渣组成(如氧化性、碱度等)有很大关系。根据热力学中提高脱磷效率的“三高一低”原则，几乎都满足HIsmelt工艺为达到良好脱磷效果的条件。其熔池温度偏低，渣中FeO含量较高，碱度较高，搅拌性非常好。即SRV中同时兼有高炉还原铁氧化物和转炉氧化脱Si、脱P的条件，其热力学条件恰好介于高炉的还原后期和转炉冶炼的氧化反应的前期。铁液中P含量少，主要由于原料中的硅还没有还原，就还原顺序上，还没有轮到磷的还原，所以磷的氧化物基本未被还原。少量还原可以用P在渣—铁两相间的平衡，可用磷分配比(Lp)指标进行分析，该指标是对炉渣脱磷能力评估的一个量化指标。而衡量一个渣系脱P能力的另一指标是磷酸盐容量(Cp0－)，可与其相互换算。在高磷铁矿石熔融还原过程中，铁浴—熔渣—气氛间主要发生以下反应，见式(1)至式(6)。

磷酸盐容量定义如式(7)所示:

式中 K1～K6—反应式(1)到(6)的平衡常数;(%)—溶解于渣中质量百分浓度;

PP2—与熔铁中的磷达到平衡时的磷蒸气分压;

PO2—渣铁界面上的氧分压;

α—将磷酸根的浓度单位由摩尔分数到质量百分数的转换系数;

aO2-—渣中氧离子活度;

由式(7)知，磷酸盐容量与渣中氧离子活度和磷酸根活度系数有关，取决于渣的成分。磷容量同时还是温度的函数。

通过一系列推导，得到两个磷分配比关系式(8)与式(9)

式中 α、β、δ—转换系数。

经分析发现，当熔池温度一定、铁液成分稳定时，磷分配比仅与炉渣中氧离子活度a3/2O2－(实际上就是碱性氧化物CaO等有关的活度)、炉渣中磷酸盐的活度系数－和气氛中CO/CO2分压比有关。因此，炉渣脱磷能力只看这3个参数就足够，它们是试验研究HIsmelt工艺冶炼高磷铁矿并制定相关工艺制度的理论基础。

以上是在SRV中影响脱磷的所有反应，实际上这些反应可以综合起来，形成三个主要反应式，如(10)是其中一个，其他两个是(3)和(4)。

由等温方程式ΔrGØ=－RTInKØ可以计算得，不同温度下平衡常数和氧分压分别为0.21、0.31、0.41、0.51 的情况下 CO2/CO 分压的比值，如表2所示。

3)研究时只要清楚这3个反应就可以，它们承担了SRV中所有的功能:

(1)反应式(3)的功能是在SRV上部的二次燃烧，其效率的高低完全可以用这个反应描述。决定因素有3个:温度、O2分压和CO2/CO分压的比值。

表2 热力学计算的CO二次燃烧反应的平衡常数、不同氧分压下的CO2/CO

从计算结果看出，随温度增加，反应式(3)的平衡常数逐渐减小，况且减小幅度呈指数关系减小，其梯度非常之大。说明温度对二次燃烧的影响非常大。特别当温度到达1800℃时，二次燃烧效率很低，用空气(氧分压为0.21)作为氧化剂时得到的CO2/CO为4.42，说明有近20%的CO不能被燃烧。而随氧分压增加，这种情况有所改善，但SRV中的燃烧温度并不能控制。因为随二次燃烧进行，反应所放出热量迅速增加，吹氧管口局部温度迅速提高，有可能高于1800℃，所以在高温下，即使增加氧分压，核心区域的二次燃烧效率也会受到迅速升高的温度影响而降低。

(2)反应式(10)描述的是脱磷的本质。其实这个反应也可改写为分子式，更能说明问题，其形式为式(11)

2［P］+5［O］+3(CaO)=(3CaO·P2O5)(11)

式(11)可以看出，(CaO)相当于式(10)中的O2－，而(3CaO·P2O5)则相当于PO3－4，这是炉渣分子理论和离子理论之间的区别与联系，二者没有本质区别，如果理解了也只是表达方法不同而已。关于P2O5与CaO结合到底是形成3CaO·P2O5还是形成4CaO·P2O5?理论界是有分歧的，有人认为应该形成4CaO·P2O5，但4CaO·P2O5在相图上是不稳定化合物，而3CaO·P2O5是稳定化合物，从这点来说，应该形成3CaO·P2O5。综合以上分析，式(11)其实也可写成:

该反应的标准自由能计算如下:

式(13)+(14)+5(15)得(12)的标准自由能为:

由式(16)和(17)得到:

4)从热力学而言，对于这个反应的影响即所谓的“三高一低”:

(1)高氧化性。体现渣中需要高FeO，因为铁液中磷含量与渣中FeO活度的2.5次方成反比。从另一方面，渣中高FeO，即是铁液中高的溶解氧，而溶解氧受炉渣中(FeO)影响，也仅是反应式(4)的逆反应

其平衡常数也就是氧在铁液和炉渣间分配比:

炉渣中FeO活度越大，必然使溶解在铁液中的氧的浓度就越大，脱磷能力越强。

(2)高碱度。从式(18)看出，铁液中磷含量与渣中CaO活度的1.5次方成反比，非常明确说明，冶炼过程中加入石灰的关键作用。注意这个CaO是自由(或过剩)的，其与渣中酸性氧化物的关系式为:

(3)高的渣流动性。这是动力学方面需要的条件，因为脱磷是渣—钢反应，需要渣内部的CaO、FeO和铁液内部的P都能及时地扩散到渣铁界面，才能使反应进行。

(4)在维持渣为液态的情况下，尽量使温度降低。温度与平衡常数的关系如表3的计算。从表3可以看出，脱磷反应平衡常数随温度增加呈指数关系递减，况且递减幅度非常大。1200℃时，K为11次方，到1300℃即递减为9次方，而到1500℃为6次方。从另一方面来说，式(18)可以分为两个部分:

表3 脱磷反应温度与平衡常数的关系

所以，不管用何种方式讨论，温度项对铁液中磷含量的影响都是非常显著的。如果给出渣的成分，就可以利用分子理论计算得出铁液中磷含量的确切值。

4 HIsmelt工艺存在问题

HIsmelt工艺最近的发展历程大致是这样的。2003年由澳大利亚力拓、中国首钢(5%股份)等四家建立合营公司在澳大利亚Kwinana进行工业实验;2004年9月进行设备调试;2005年6月前进行了三次热试车;2006年9月至2008年12月进行了20余次试生产;2008年12月18日合营厂停止运营;2010年宣布关闭合营厂。

Kwinana合营厂在三年多的时间历经20余次开停炉试生产热试车，其生产操作水平和设备能力有了较大的改善，平均产量已经从开始时的692t/天逐渐提高到1834t/天，设备作业率也由42%提高到86%，有较大幅度的提高;但试生产的总体结果还只是低水平运转，历时1179天仅生产了563天，平均作业率为47.8%，仅有7次的开停炉时间达到了40天以上，其中最长一次为2006年3月底至6月初，为期68天;煤粉消耗指标日最好值为810kg/t铁水，月平均值1t/t铁水，与设计指标700kg/t铁水相比还有较大的差距。

但无论如何，HIsmelt工艺从诞生到现在，历经20余年的研究，能走到今天，已经说明其旺盛的生命力。虽然目前已经部分融入了欧洲的ULCOS计划，其最后运行结果值得期待，但科技成果不管成功与否，都已经成为人类共同的财富。有必要把这个技术的运行问题进行总结，以便后续研究者吸取其成功的经验，避免已经走过的弯路。

4.1 HIsmelt工艺方面缺陷

就工艺本身而言，HIsmelt有以下缺陷，有些是先天不能克服的，有些在未来长期运行中是可以逐渐克服的。概括起来，有以下几点:

1)HIsmelt工艺不能脱硫

HIsmelt实验厂对澳大利亚西部高磷铁矿的冶炼试验证实能够将矿石中大部分磷脱除到炉渣中。铁水中［C］为4% ±0.2%，［Si］几乎没有，［Mn］为0.1%，［P］为 0.1% ±0.03%，但［S］很高，为0.2% ±0.08%，在用于炼钢前需脱硫，温度1480±15℃。

脱磷和脱硫在钢铁冶炼过程永远是一对矛盾。

通过实践总结发现，HIsmelt工艺由于有超强的脱磷能力，所以几乎没有脱硫能力。HIsmelt试验时尽管使用国外低硫铁矿和低硫煤炭，冶炼出的铁水中硫含量也曾高达0.28%。而中国高炉原燃料硫含量一般比国外高得多［33］。为保证冶炼稳定性、生产高效性，现代转炉炼钢对铁水成分已高度标准化，国标规定特类铁的S低于0.02%，三类铁的S也仅放宽到0.05% ～0.07%。所以，用HIsmelt工艺和中国原燃料进行冶炼，只能得到硫超标的号外铁，后续必须配置预处理脱硫才能装入转炉进行冶炼。好在目前的铁水预处理工艺(喷吹法或KR法)非常成熟，况且吨铁的脱硫成本都可以控制在20元人民币以内。所以只要在铁的冶炼过程把磷、硅控制住，即使产出高硫铁水，也不必有太多的担心。

2)热传递效率低

HIsmelt熔融还原工艺的传热主要靠液滴的喷溅、回落带回热量来实现，其设计的二次燃烧传热效率为75% ～85%，本身就比超过90%传热效率的固定床要差。但二次燃烧率高于高炉和流化床，说明可能HIsmelt渣层对高温气相的对流与辐射传热的热量传递有一定的阻碍作用，导致总体热传递效率过低，必然导致煤耗过高。这个问题需要从传热机理上进行研究［34，35］。

3)渣中FeO高，影响铁的回收率

HIsmelt工艺通过各2只喷枪从侧面向铁浴溶池中喷入矿粉和煤粉，还原反应发生在熔渣内，如果反应温度低的话，渣中必然含有大量的FeO和固体Fe粒，导致部分被还原的Fe可能会随渣进入上部区域，或者出渣时流失或者被二次氧化，还会造成渣量大，渣中FeO高，运行期间渣量曾达到460kg/t。据统计，进入渣中的有约5.0%的粒铁和约5.0%的FeO。

实际上，传热效率问题和渣中含铁高是一个问题，传热问题解决了，渣的温度问题就解决了，铁的回收问题自然就解决了。因为煤的总消耗不低，说明还原剂时是足够的。也许未来设备长期运行，工艺稳定了，这个问题也可能不是问题。

4.2 运行过程的设备问题

合营厂在三年多的时间里，经历了热试车过程的20余次开停炉的试生产，其生产过程中工艺和设备问题基本上都暴露出来了，这可为未来研究提供宝贵的数据。

1)流化床预热器的问题

Kwinana合营厂的流化床预热器是由奥托昆普(Outokumpu)设计制造的，其知识产权属于该公司独有。流化床在合营厂三年多的试运行期间，主要出现以下几个问题:供料量达不到设计要求，冷矿供料量最高达到160t/h，但最长供料时间仅有33h，热矿供料量最高达到120t/h，与设计值180t/h还有较大差距;预热器始终未能与SRV连接，未达到使用SRV煤气联合生产的程度，导致铁矿粉进入SRV之前未被预热和预还原，增加了煤耗。2008年5月曾进行连接，但由于SRV生产不正常，未进行试验;磨损严重，2006～2007年多次试运行均出现耐火材料剥落。

2)余热锅炉问题

余热锅炉问题主要是蒸汽压力和温度不稳定，这是由于生产不稳定导致还原煤气热值低(约2100kJ)、波动大，造成火焰不稳定。由于Kwinana合营厂处于相对独立的现场条件，需依赖生产工艺正常运行，产生稳定条件的煤气供给余热锅炉，然后产生稳定的蒸汽驱动透平机，再去推动压缩机。锅炉出现问题，会造成整个循环链断裂，全厂停产。几年来，合营厂整个蒸气系统就一直没有正常运行过，而低热值的煤气量、热值不稳定，还导致低温段形成水分凝结而腐蚀、破损，产生泄漏，被迫停止试生产。

3)炉缸耐火材料问题

由于炉渣中FeO含量高，在喷吹过程强烈的搅动下导致炉缸受炉渣反复冲刷，渣线部位的耐火材料浸蚀、破损严重。2006年3月份检修更换炉衬，到6月7日停炉后，就发现炉缸耐火材料浸蚀已经相当严重，约有一半的砖衬被渣铁侵蚀掉。合营厂运行三年多期间，四次更换炉缸内衬，每次更换都需要停炉一个半月左右的时间。到2008年5月，在渣线部位安装了24块铜冷却壁，以提高炉衬耐火材料的寿命，获得了较好的效果，但2008年12月合营厂停止生产，这么短的运行时间，无法验证其效果。

4)出铁工艺及渣铁排放

HIsmelt采用虹吸连续出铁，其不足是铁水的流速低(1.5t/min)、温降大。况且仅设计了一个虹吸出铁口，在出现问题时，只能停产。出渣口部位多次出现漏水和渗水事故，经常损坏，寿命较短，多次进行更换，对试生产也产生了较大的影响。

5)热风喷枪

Kwinana厂的热风喷枪为一只竖直喷枪，喷枪炉内高度为15m，外径为1.46m，一端设计旋流叶片，目的在于使得热风对熔池能有较大的覆盖面积。热风喷枪枪体的工艺参数与二次燃烧率和传热效率有关。要使二次燃烧完全覆盖SRV熔池表面，运行过程经过了非常艰苦的探索，主要遇到的问题是:对喷吹参数没有完全摸清，致使多次烧损。出现的泡沫渣也曾将热风喷枪出口堵死，导致生产停止;在实验厂相对独立的地方加工制造不方便，检修、更换时间长，也影响了生产的正常进行。合营厂还因热风喷枪漏水、粘结、涡旋叶片损坏、多次更换热风喷枪。但相信，随着生产的稳定，会逐渐得到准确的热风喷枪位置和参数。

5 结论

1)HIsmelt工艺就其理念来说，是一个革命性的技术，因为其处理高磷矿所产生的铁水磷含量很低，况且铁水无硅、锰，若用于目前炼钢普遍使用的双转炉流程，可以省去一个转炉的意义不言而喻。

2)HIsmelt工艺的二次燃烧传热效率低的问题始终没有彻底解决，若稳定运行后该问题没有显现，则该流程是最有可能取代高炉的。

3)鉴于中国资源以及能源现状，HIsmelt工艺的引进工作一定要目标明确、科学规划。HIsmelt工艺有其特有优势，同时具有难于克服的局限性。若能解决好澳洲示范厂出现的一系列问题，HIsmelt工艺在中国将是可行的。

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