粒铁法炼铁技术现状及应用前景

张伟，王再义，王相力

(鞍钢股份有限公司)

摘 要：简述了国内外几种粒铁法炼铁技术的进展，包括日本神户制钢公司ITmk3技术、JFE公司HI—Qip技术以及国内相关技术概况，重点介绍了相关技术的特点和原理。通过与高炉炼铁工艺对比和分析，论述了粒铁技术在材料选择、反应时间、成本投资及节能环保等方面具有的优势，并结合我国资源情况对粒铁技术的应用前景进行了分析和展望。

关 键 词：炼铁；粒铁；转底炉；含碳球团

非高炉炼铁作为全世界钢铁行业的前沿技术，是未来技术发展的重要方向，冶金工作者通过深入的研究和开发，形成了众多直接还原、熔融还原技术。迄今为止，已有数十种非高炉炼铁工艺实现了工业化生产。如普遍关注的Corex、Finex、Midrex、HYL／Energiron等。在发展规模上目前仍以直接还原工艺为主，2010年全球非高炉炼铁总量约7737万t，其中约7037万t都为直接还原铁(DRI／HBI)产量。

众多直接还原技术中，气基竖炉法占据主导地位，仅Midrex和HYL／Energiron两种气基法生产的直接还原铁就占总量的74％左右，而煤基法因原料适应性强、操作灵活也受到很多国家的重视。我国因天然气资源匮乏、煤炭资源丰富，更为关注煤基直接还原以及煤制气—竖炉法的发展，如煤基法中的转底炉、回转窑等工艺，其中转底炉法在处理钢厂含Fe、Zn粉尘方面效果明显，一度成为直接还原发展的热点。而基于转底炉法的ITmk3等粒铁生产技术，能使金属化球团还原时进一步熔化并渣铁分离，在短时间内生产出成分如生铁的高纯粒铁，此类技术突破了直接还原工艺范畴，能够根本改变DRI对原料品位苛求的状况，而且可以使用一般粉矿与非焦煤做原料，近年来倍受瞩目。

1 粒铁法炼铁技术概况

1．1 神户制钢公司ITmk3技术

ITmk3(Ironmaking Technology Mark Three)技术由神户制钢开发，已经实现了工业化生产，又称作“第三代炼铁技术”。其基础研究始于1996年，2000年前后在加古川厂完成了3000t规模的中试，2001—2004年在美国完成2．5万t规模示范运行，2010年初首座50万t商业工厂投产。

ITmk3工艺流程与设备配置与Fastmet／Fast—melt转底炉直接还原工艺非常相似，事实上也正是从其演变而来。神户制钢于20世纪80年代收购Midrex公司后，对后者开发的Fastmet技术进一步改进，最终发展为粒铁生产工艺。ITmk3工艺与Fastmet／Fastmelt工艺的核心设备都是转底炉，都能使用粉矿与粉煤制成含碳球团作为原料。所不同的是，Fastmet工艺产品为DRI，产品中含有脉石，其质量依赖于原料品位，而煤灰分等杂质也进入产品，故不受炼钢欢迎，为此需要用埋弧炉熔化DRI使渣铁分离来获得炼钢铁水(即Fastmelt法)。而ITmk3工艺只需一步在转底炉就能实现渣铁熔分，获得粒铁产品。

ITmk3工序整体可划分为四大部分：原料处理部分、还原熔分部分、渣铁分离部分、废气处理部分。原料一般是将矿粉和煤粉配料混匀，使用造，压球机等设备制成含碳球团，团块。矿粉可以使用一般磁铁矿与赤铁矿，并可使用较低品位矿，甚至选矿厂的尾矿粉，但处理低品位矿会增加能耗，煤粉可以使用发电用普通煤或石油焦及其他的含碳原料，选择范围也很广泛。制好的含碳球团，团块在转底炉中随炉床旋转一周即完成全部反应过程，在1350～1450℃条件下含碳球团／团块发生还原、渗碳及熔融反应，渣铁熔化并各自聚集，整个过程只需十几分钟，熔化聚集起来的渣和铁冷却后经排料装置排出，获得粒径为5～25mm粒铁产品，粒铁与渣能干净的分离。反应过程中产生的高温烟气用热交换器预热助燃空气后除尘排出。

ITmk3商业厂粒铁成分与高炉生铁相似。其粒铁碳含量比高炉生铁低1％以上，熔渣组成与高炉渣基本相同。粒铁产品纯度高，不含渣，具有适宜的碳含量，不存在再氧化、粉化等问题，便于运输和入炉，熔解性能良好，因而比废钢、DRI等具有更加优良的品质。

1．2 JFE钢铁公司Hi—QIP技术

Hi—QIP(High Quality Iron Pebble Process)技术由日本JFE钢铁公司开发。从1996年开始基础研究，2001年开始作为日本NEDO的资助项目进一步开发，2002—2004年完成了15／t规模的中试。

铁矿、煤、灰石等原料全部使用粉料，布料时先在炉床上铺设一层约30mm厚的含碳粉料，在该料层表面均匀压坑，杯状坑洞差不多棒球大小，其上再铺设铁矿粉、煤粉及其他原料的混料层，经1500℃加热混料层完成还原反应并熔融，熔化的铁与渣流入含碳粉料层的凹坑中，最后经冷却装置将粒铁与粒渣排出，产品为20～40mm的围棋子状粒铁，全部反应时间需10～20min。粒铁与渣的典型成分粒铁中P和Mn含量比高炉铁水低，而S含量高，渣中的FeO含量也比高炉渣高。

该技术的最大特点是在炉床上预先铺设一层用含碳粉料，该层物料具有三大作用：本身可作为炉床耐火材料防止熔融的渣铁与炉床直接接触；杯状凹坑可作为铸模，便于熔化的铁与渣聚集形成粒状产品；最后还可起到辅助还原剂的作用，确保铁矿粉充分还原，中试证明该工艺能够在较高生产率下连续生产。

1．3 国内相关技术进展

国外此类技术经过多年发展，目前已逐渐成熟并实现商业化，而国内在本领域尚处于实验室阶段，据文献报道北京科技大学、武汉科技大学、东北大学等都曾开展相关研究。

北京科技大学提出的转底炉煤基热风熔融炼铁法，又称CHARP(Coal Hot Air Rotary Hearth Furnace Process)法。该方法也是基于转底炉直接还原工艺，其产品命名为珠铁。1997年北科大在进行含碳球团直接还原试验过程中发现珠铁析出的现象，由此开展了很多基础研究工作，该工艺将含碳复合球团在1350～1450℃的温度下还原、熔化，渣铁分离，最终得到成分如生铁、不含脉石的珠状产品。整体看该技术与ITmk3工艺非常相近。武汉科技大学提出的高碱度内配煤含铁团块高温自还原法，又称Wcomet法，该方法特点是通过配料使含碳团块中渣相(或脉石)达到较高的二元碱度(2．0左右)，在1350℃温度以上团块完成自还原过程，被还原的金属铁进一步渗碳、熔化并聚集成粒。而渣相通过固相反应大量生成正硅酸钙(2CaO·SiO2)，该物质是一种结构不稳定的矿物，其冷却过程中会发生相变而体积膨胀粉化，从而使渣铁实现自然分离，最终得到致密的金属铁粒和渣粉。该法不同之处在于，渣相因为碱度较高在反应过程中一直保持固相。在冷却时发生自然粉化使渣铁容易分离。

此外还有不少单位进行了探索性研究，鞍钢技术人员也曾借鉴相关工艺开展过大量试验，在实验室使用铁矿粉、含铁尘泥等原料制成含碳球团，再于1350～1400℃条件下焙烧制得粒铁。实验室制得粒铁与粒渣。所得粒铁尺寸在5～40mm范围内。渣铁各自熔化凝聚成粒且容易分离，目前已能通过控制原料配比获得硫含量低于0．04％的高品质粒铁。考虑对反应条件和粒铁成分进一步优化的基础上放大试验规模。

2 粒铁技术的特点和应用前景

粒铁法炼铁工艺比高炉炼铁相对简单了许多，其技术特点主要体现在以下几个方面：

1)原燃料适应性广，不需要块矿和焦煤，对矿石及煤的种类选择也很灵活，可选范围非常大，普通粉矿(包括低品位矿)和普通非焦煤即可。

2)原料预处理只需造球或压块，而不需要烧结和焦化工序，从而使炼铁过程大大简化，所用设备也都是冶金行业通用熟悉的设备，投资成本低，操作相对简单。

3)反应时间迅速，从原料加入转底炉到还原熔分反应结束产出粒铁，过程只需十几分钟，生产启动、停止也很方便，可柔性作业。

4)产晶粒铁具备高炉生铁同等品质，纯度高、熔解性能良好，是比DRI更好的炼钢优质原料，而且粒铁不存在再氧化和粉化问题。装卸、运输以及入炉都非常方便。

5)相对传统炼铁，反应在低温、短时间内进行，能耗较低。此外放弃了焦化等工序，在节能环保方面也要比传统工艺更适应未来发展趋势。

虽然粒铁技术具有上述诸多优点，但不可否认也存在一些不足，因其大都基于转底炉直接还原工艺，除了辐射传热方式造成的热效率低，以及炉床利用率低等转底炉固有缺点，还需要在生产DRI的工艺基础上进一步提高炉温。以实现渣铁分离，这可能会降低炉体寿命和增加烟气热损失，有必要改进设备部件、炉衬材料并加强余热回收，因此在成本和操控水平上比生产DRI的常规转底炉要求更高。此外该技术仍需不断面对各种问题和挑战，虽然已有生产粒铁的ITmk3商业厂，但投产两年来其运行状况鲜有报道。在产能规模上，目前实现工业生产的一座ITmk3商业炉年产量只有50万t，这和年产数百万吨的高炉是无法比较的，替代高炉工艺更是不现实，这也是限制粒铁技术推广的一大因素。

我国钢铁行业长期保持世界第一的生产能力，但近年来焦煤紧缺、环境污染等日益成为制约传统高炉工艺发展的瓶颈，未来要实现进一步节能减排、低碳炼铁的发展目标，开发或引进能耗低、环保压力小的非高炉工艺是一个重要途径，粒铁技术也是可考虑的一种工艺路线。因我国非焦煤资源丰富，高品位铁矿资源缺乏。并有许多含铁复合矿、难选矿、特殊矿，粒铁技术对原燃料要求灵活，对一般的粉矿、低品位矿和非焦煤都适用，比较适合中国资源、能源条件，尤其适合在矿山附近建厂，可直接生产高纯粒铁，产品直接供炼钢工序，实现短流程炼钢，这比生产氧化球团或DRI更具效益，粒铁的性能要优于废钢和DRI，进而有助于提高炼钢生产率和产品质量。此外粒铁已去除脉石等杂质，运输量也可大幅减小，而且省掉了焦化等污染工序，总成本降低的同时，环保和CO2排放问题也将得到有效改善。据了解，我国近几年在煤基转底炉直接还原方面发展迅速，国内已建成转底炉10余座，包括用于复合矿的综合利用(四川龙蟒、攀钢)，含铁粉尘利用(马钢、沙钢)，生产预还原炉料(山西翼城、莱钢、天津荣程)等，钢铁研究总院、北京神雾公司等在此领域也积累了很多经验，结合当前的科研技术力量，完全可以进一步发展形成适合我国资源结构的粒铁技术，这对我国钢铁行业的未来发展具有重要意义。

3 结语

随着炼焦煤资源的快速匮乏、环境问题的进一步加剧，非高炉炼铁已成为未来技术发展的重要方向，基于煤基转底炉直接还原工艺的粒铁技术，虽然在产能规模上无法与高炉相比，但其流程短、投资省、反应快速、环境压力小，尤其是能够使用一般粉矿和非焦煤制成含碳球团为原料，而产晶粒铁是与高炉生铁相当的优质炼钢原料，因而该工艺具有很强的适应性和发展潜力。鉴于我国的资源、能源条件和发展需要，我们非常有必要继续关注和开展该领域的研究，为我国钢铁工业实现可持续发展进行技术储备。