山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司（簡稱山冶設(shè)計(jì)），作為國內(nèi)唯一擁有商業(yè)化HIsmelt熔融還原煉鐵工廠工程設(shè)計(jì)業(yè)績的工程技術(shù)公司，伴隨著中國高爐煉鐵技術(shù)新世紀(jì)極大進(jìn)步，在國內(nèi)生鐵產(chǎn)量穩(wěn)居世界首位及高爐向大型化、現(xiàn)代化、高效化發(fā)展趨勢以及煉鐵技術(shù)創(chuàng)新和裝備升級成就突出的背景下，山冶設(shè)計(jì)的煉鐵技術(shù)水平也實(shí)現(xiàn)了飛躍式發(fā)展，先進(jìn)低碳技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，助力山冶設(shè)計(jì)煉鐵工程業(yè)績遍布國內(nèi)外，高爐容積從200立方米到5000立方米。驕人成績的背后，得益于山冶設(shè)計(jì)持續(xù)不斷的創(chuàng)新突破，秉持理論與實(shí)踐相結(jié)合的原則，踐行以問題為導(dǎo)向的理念，在解決問題中積累經(jīng)驗(yàn)、提高能力，研究開發(fā)更加綠色、智能、環(huán)保、高效的特色煉鐵技術(shù)，在提升自身實(shí)力的同時，更好地服務(wù)客戶，助推行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，為鋼鐵行業(yè)節(jié)能降耗做出了突出貢獻(xiàn)。

　　山冶設(shè)計(jì)是國內(nèi)較早具備高爐煉鐵大型化、高端化、現(xiàn)代化的國際技術(shù)公司，對煉鐵技術(shù)更綠色、更智能、更低碳的研究從來沒有停止過腳步。煉鐵工序作為鋼鐵生產(chǎn)過程中資源、能源和成本控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其CO2排放量約占鋼鐵生產(chǎn)全流程總排放量的70%，是鋼鐵領(lǐng)域節(jié)能減排和轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。現(xiàn)有主流鋼鐵冶煉工藝流程有“高爐+轉(zhuǎn)爐”長流程和電爐短流程，隨著非高爐冶煉技術(shù)的發(fā)展，“HIsmelt煉鐵+電爐或轉(zhuǎn)爐”以及“豎爐+電爐”流程也得到應(yīng)用。高爐工藝經(jīng)過百余年的發(fā)展和實(shí)踐，技術(shù)日臻成熟，由于焦炭特殊的骨架作用難以顯著降低焦炭的消耗，通過設(shè)備升級和操作優(yōu)化可以少量降低冶煉過程能源消耗；HIsmelt工藝過程不使用焦炭，產(chǎn)品純凈度高，生產(chǎn)的鐵水可以直接用于現(xiàn)有轉(zhuǎn)爐或電爐煉鋼過程，目前在山東、河北、山西等地逐漸得到企業(yè)認(rèn)可并開始實(shí)踐應(yīng)用，且隨著氫冶金和預(yù)還原技術(shù)的進(jìn)步減排潛力巨大；豎爐工藝目前在河北、廣東等地逐步應(yīng)用，產(chǎn)品海綿鐵用于電爐冶煉，不使用煤粉和焦炭，但受制于現(xiàn)階段還原氣源的供應(yīng)來自焦?fàn)t煤氣、減排效果還不夠顯著，隨著未來綠電和大規(guī)模制氫技術(shù)的發(fā)展，相信會有更多的應(yīng)用和減排潛力。

　　我國在鐵礦石方面對外依存度高，高價(jià)鐵礦石大幅侵蝕了我國鋼鐵行業(yè)的利潤。國內(nèi)應(yīng)積極尋求其他鐵礦石和廢鋼等資源的替代，提升國內(nèi)礦山企業(yè)競爭力，大幅降低對國外進(jìn)口鐵精礦的依賴，才能保障我國鋼鐵工業(yè)長期發(fā)展的原料供應(yīng)。傳統(tǒng)高爐煉鐵以焦炭作為主要燃料及還原劑，使用燒結(jié)礦、球團(tuán)、塊礦等作為主要原料，工藝流程長、原燃料要求高，正面臨環(huán)保、能源以及原料資源制約等方面壓力，是制約我國鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。為減輕高爐工藝對焦煤資源的依賴以及長流程帶來的環(huán)保和排放壓力，20世紀(jì)60年代以來，世界多國進(jìn)行了廣泛的非高爐煉鐵新工藝的研究開發(fā)工作，相繼開發(fā)了Corex、Finex和HIsmelt等多種非高爐煉鐵工藝。直接還原與熔融還原是非高爐冶煉的兩大課題，其中直接還原在低于熔化溫度下還原生產(chǎn)海綿鐵，其含碳量較低（<2%）且含脈石雜質(zhì)較多，作為廢鋼代用品用于電爐煉鋼；熔融還原是使用非焦煤為主要能源、利用鐵礦粉生產(chǎn)高溫鐵水的煉鐵工藝，產(chǎn)品可以替代高爐煉鐵用于轉(zhuǎn)爐及電爐煉鋼，以其非焦冶煉、環(huán)境友好等優(yōu)勢成為研究的熱點(diǎn)。

HIsmelt熔融還原技術(shù)流程匹配圖

　　熔融還原技術(shù)主要以HIsmelt、Corex、Finex等為代表，具有工藝流程短、原料適用性強(qiáng)的特點(diǎn)，其中HIsmlet工藝擺脫對焦煤資源的依賴，全部使用煤粉作為燃料來源，原料適用范圍廣，目前已在山東、內(nèi)蒙古等地投產(chǎn)應(yīng)用。山東HIsmelt工廠自2017年投產(chǎn)以來，通過不斷優(yōu)化和升級，已累計(jì)生產(chǎn)超過230萬噸鐵水，連續(xù)作業(yè)天數(shù)達(dá)到185天，月最高產(chǎn)量達(dá)到5.7萬噸，工藝可行性和設(shè)備穩(wěn)定性已得到檢驗(yàn)。

典型HIsmelt工藝流程

　　氣基豎爐工藝?yán)脷錃狻⒔範(fàn)t煤氣或天然氣等作為熱源和還原劑，利用鐵精粉等高品位礦粉作為原料，生產(chǎn)海綿鐵用于電爐煉鋼。該工藝在中東、歐美等天然氣資源豐富的區(qū)域發(fā)展較快，我國受制于天然氣、高品位鐵礦粉資源不足影響，氣基豎爐工藝發(fā)展一直處于停滯狀態(tài)，但是近兩年來在“雙碳”背景下行業(yè)內(nèi)提出利用氫基豎爐工藝達(dá)到減排目的，在河北、廣州、山西等地陸續(xù)得到應(yīng)用。目前，我國豎爐還是以焦?fàn)t煤氣、天然氣改質(zhì)為主，受制于氣源影響應(yīng)用范圍有限；如未來能夠突破大規(guī)模綠色制氫技術(shù)的壁壘，實(shí)現(xiàn)低成本氫氣的生產(chǎn)、儲存和運(yùn)輸，氫氣豎爐才會得到規(guī)模化應(yīng)用。

　　HIsmelt熔融還原工藝作為已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的非高爐煉鐵技術(shù)之一，是當(dāng)今冶金領(lǐng)域前沿技術(shù)，屬于典型非焦熔融還原煉鐵工藝。其主要生產(chǎn)過程是：冶煉所需的鐵礦粉、煤和熔劑等爐料在原料場堆存后，以皮帶運(yùn)輸方式經(jīng)原燃料輸送系統(tǒng)輸送到礦粉預(yù)處理系統(tǒng)、煤粉制備系統(tǒng)，鐵礦粉在預(yù)處理系統(tǒng)（回轉(zhuǎn)窯或流化床）完成鐵礦粉的預(yù)熱或預(yù)還原，被加熱的鐵礦粉經(jīng)過熱礦輸送機(jī)進(jìn)入熱礦噴吹系統(tǒng)；原煤進(jìn)入煤粉制備系統(tǒng)，經(jīng)過干燥破碎后進(jìn)入煤粉噴吹系統(tǒng)，被加熱的熱礦粉（粒度<8毫米）和破碎后的煤粉（粒度<3毫米）分別經(jīng)過各自的噴吹、輸送管線、水冷噴槍進(jìn)入到熔融還原爐（SRV）內(nèi)，其中煤粉噴入熔池中后，煤開始裂解，碳元素溶于鐵水中，煤粉中脈石開始熔化并形成熔渣。鐵氧化物進(jìn)入熔池中與碳反應(yīng)生成鐵單質(zhì)。

煤粉過程行為

鐵礦粉過程行為

　　SRV生產(chǎn)的鐵水經(jīng)過前置爐排出，進(jìn)入鐵水罐，后經(jīng)鐵水倒運(yùn)裝置依次經(jīng)過鐵水脫硫、鑄鐵機(jī)生產(chǎn)高純生鐵或進(jìn)入煉鋼工序。冶煉產(chǎn)生的熔渣經(jīng)渣口排出，進(jìn)入水渣粒化系統(tǒng)。SRV生產(chǎn)的大量高溫煤氣經(jīng)煤氣室排出，依次進(jìn)入高溫汽化冷卻煙道、高溫旋風(fēng)除塵器，進(jìn)行降溫及初除塵，降溫后的半凈煤氣再進(jìn)入余熱鍋爐，進(jìn)一步回收煤氣顯熱，降溫后的煤氣溫度約200℃，進(jìn)入煤氣凈化系統(tǒng)。煤氣凈化后并入管網(wǎng)供下游用戶使用，煙道和余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽用于發(fā)電。

　　煤粉在載氣N2作用下通過物料噴槍進(jìn)入SRV中，煤粉中的碳在高溫下熔解進(jìn)入鐵水中，煤粉中揮發(fā)分裂解隨上升的氣流進(jìn)入上部空間。礦粉、熔劑等固態(tài)爐料隨著高速載氣噴吹進(jìn)入熔池內(nèi)部，爐料中的金屬氧化物被碳還原生成金屬單質(zhì)和CO(g)。相比于固態(tài)碳，溶解碳還原鐵氧化物的效率高出1～2個數(shù)量級。礦粉的直接還原速度不受反應(yīng)區(qū)工作狀態(tài)和熔渣中FeO含量影響，故SRV單體生產(chǎn)效率比其他熔融還原方法高。

　　鐵水熔池中反應(yīng)產(chǎn)生的CO(g)、煤中揮發(fā)分裂解產(chǎn)生的H2和噴吹N2形成混合氣，與上部讓熱風(fēng)噴槍送來的富氧熱風(fēng)（約1200℃，40%O2）相遇產(chǎn)生劇烈燃燒反應(yīng)（即二次燃燒過程），還原性CO、H2等與爐內(nèi)的氧氣反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳和水蒸氣，同時放出大量的熱量。這些熱量被傳遞給爐內(nèi)的還原反應(yīng)，維持熔融還原爐的高溫狀態(tài)。

　　混合氣在浮力作用下帶動周邊鐵水和熔渣從中間向上運(yùn)動形成“涌泉”。由于熔池內(nèi)的氣體攪拌和頂部熱風(fēng)噴槍的射流，SRV中二次燃燒所產(chǎn)生的熱能，通過熱傳導(dǎo)和熱輻射方式傳給“涌泉”中的鐵水和熔渣，隨著被加熱的渣鐵回落到鐵水熔池，為冶煉提供所需的熱能。

　　流程優(yōu)勢。HIsmelt熔融還原流程，相比傳統(tǒng)高爐流程省去了焦化、燒結(jié)、球團(tuán)工藝，極大地縮短了工藝流程；相比豎爐工藝，HIsmelt過程不受高品位礦粉和還原氣短缺影響，適用性更強(qiáng)，且SRV能源轉(zhuǎn)換功能可以為其他工序提供煤氣保障。

　　原燃料優(yōu)勢。在原燃料適應(yīng)性方面，既可以直接使用普通粉礦和粉煤用于生產(chǎn)鐵水，又可以充當(dāng)廢鋼冶煉的稀釋劑，為高品質(zhì)鋼鐵生產(chǎn)提供保障；另外，HIsmelt+電爐流程工藝匹配性好,可以靈活調(diào)整煉鋼過程鐵水比例，又可以發(fā)揮SRV能源轉(zhuǎn)換功能為下游提供電力及煤氣供應(yīng)，在推動資源綜合利用方面將會取得新的突破。

　　產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)勢。HIsmelt工藝生產(chǎn)的鐵水純凈度高、鐵水可用于高純生鐵的生產(chǎn)，有害元素含量極低；HIsmelt生產(chǎn)的鐵水P含量低、有害元素含量極低，是煉鋼生產(chǎn)高品質(zhì)純凈鋼的優(yōu)質(zhì)原料；同時，也可以避免因全廢鋼電爐原料帶入的有害元素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

HIsmelt壽光工廠

　　HIsmelt技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用以來，以其技術(shù)優(yōu)勢吸引著世界各國廣泛關(guān)注。2005年，HIsmelt技術(shù)首座試驗(yàn)工廠在澳大利亞奎那那地區(qū)建成。該工廠運(yùn)行了3年多的時間，生產(chǎn)出約38萬噸的產(chǎn)品，證明了HIsmelt技術(shù)的工藝可行性，但同時也暴露出爐缸耐材侵蝕較快、流化床故障率高、工廠作業(yè)率低等工藝和設(shè)備問題。2012年，山東墨龍簽訂技術(shù)許可協(xié)議引進(jìn)該技術(shù)，并于2013年開始了HIsmelt壽光工廠的設(shè)計(jì)工作。因工廠借鑒吸收HIsmelt奎那那工廠的經(jīng)驗(yàn)，對工藝流程、生產(chǎn)設(shè)備、操作技術(shù)等進(jìn)行了優(yōu)化升級，將“流化床+SRV”流程改為“回轉(zhuǎn)窯+SRV”流程，工廠于2016年底建成投產(chǎn)，在設(shè)備穩(wěn)定性和連續(xù)作業(yè)率方面得到顯著提升。2017年，山東墨龍收購了力拓集團(tuán)HIsmelt技術(shù)在全球范圍內(nèi)的商標(biāo)、專利、技術(shù)秘密等相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)，成為HIsmelt熔融還原技術(shù)在全球范圍內(nèi)的唯一擁有方。截至目前，壽光工廠已生產(chǎn)超過230萬噸高純鐵水，主要應(yīng)用于高鐵、核電、風(fēng)電、石油裝備、機(jī)床等高端裝備制造領(lǐng)域。

　　HIsmelt壽光工廠作為實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的非高爐煉鐵企業(yè)，在煉鐵發(fā)展歷史中具有重要的意義。該工廠經(jīng)歷10多次的開停爐探索，隨著技術(shù)人員對工藝流程和技術(shù)操作的逐步優(yōu)化，以及對故障設(shè)備的檢修更換、操作規(guī)程的進(jìn)一步修改完善，從作業(yè)率、操作穩(wěn)定性以及能耗指標(biāo)方面都有很大的提高，當(dāng)前日最高產(chǎn)量超過2045噸，連續(xù)生產(chǎn)天數(shù)185天，月最高產(chǎn)量達(dá)到5.7萬噸。

　　為了提高工廠作業(yè)率，HIsmelt壽光工廠在工藝流程、核心裝備、操作技術(shù)和生產(chǎn)工藝等方面進(jìn)行了大量優(yōu)化。其主要包括：工藝流程方面，采用回轉(zhuǎn)窯預(yù)處理工藝替代原有多級流化床工藝，改進(jìn)后技術(shù)成熟穩(wěn)定、設(shè)備故障率低，提高了HIsmelt工藝整體作業(yè)率水平；核心裝備方面，強(qiáng)化汽化冷卻煙道的冷卻能力，降低高溫旋風(fēng)除塵及余熱鍋爐設(shè)施的熱負(fù)荷，大幅降低了高溫煤氣的含塵量和提高氣體對流換熱系數(shù)，提升高溫煤氣的顯熱回收效率；操作技術(shù)方面，采用柔性、連續(xù)兩種出鐵制度的操作模式，提高了對下游工序銜接的適應(yīng)性和靈活性；生產(chǎn)工藝方面，對噴吹系統(tǒng)的整體壓力、流量及控制系統(tǒng)等進(jìn)行優(yōu)化，增強(qiáng)物料輸送能力，減少外圍設(shè)備對工藝生產(chǎn)的影響。

　　作為HIsmelt技術(shù)授權(quán)工程設(shè)計(jì)單位，山冶設(shè)計(jì)持續(xù)跟進(jìn)工廠的運(yùn)行情況并進(jìn)行系列的優(yōu)化升級，依托設(shè)計(jì)院在鋼鐵冶金設(shè)計(jì)領(lǐng)域先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和雄厚的技術(shù)沉淀，不斷將先進(jìn)的技術(shù)裝備植入HIsmelt工廠的設(shè)計(jì)中。在工藝方面，山冶設(shè)計(jì)開發(fā)新一代流化床預(yù)還原技術(shù)裝備，充分利用SRV過程產(chǎn)生的高溫煤氣資源，實(shí)現(xiàn)能源的循環(huán)利用和產(chǎn)量的提升，破解循環(huán)流程床作業(yè)率低和回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原困難的難題；在流程方面，山冶設(shè)計(jì)推動HIsmelt鐵水在煉鋼生產(chǎn)中的應(yīng)用，采用“HIsmelt+電爐”工藝流程，解決了廢鋼資源不足和有害元素殘留較多問題，是目前階段電爐煉鋼的有力支持和保障；在裝備方面，為適應(yīng)氫冶金的發(fā)展趨勢，探索氫氣、生物質(zhì)等清潔能源在SRV應(yīng)用的可行性，山冶設(shè)計(jì)開發(fā)氫冶金技術(shù)裝備，基于HIsmelt熔池冶煉的特點(diǎn)，相較于高爐內(nèi)爐料結(jié)構(gòu)更加靈活，不需要考慮爐料順行的因素，在氫冶金開發(fā)方面更具有優(yōu)勢。

高爐與HIsmelt對比圖

　　山冶設(shè)計(jì)作為全球唯一商業(yè)化的HIsmelt熔融還原煉鐵工廠的規(guī)劃咨詢、設(shè)計(jì)單位，2012年，參與山東墨龍HIsmelt熔融還原煉鐵技術(shù)引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新全過程工作。在項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)階段/建設(shè)過程中，山冶設(shè)計(jì)組建強(qiáng)有力的技術(shù)服務(wù)團(tuán)隊(duì)，全程參與項(xiàng)目技術(shù)方案優(yōu)化改進(jìn)以及建設(shè)全過程，深入了解HIsmelt工廠建設(shè)過程中的重點(diǎn)難點(diǎn)以及核心設(shè)備安裝中的技術(shù)要領(lǐng)等；同時參與項(xiàng)目調(diào)試、試運(yùn)行工作，為HIsmelt熔融還原工廠的順利投產(chǎn)提供全過程、全方位的技術(shù)支持。

　　自國內(nèi)HIsmelt熔融還原煉鐵工廠建成以來，因其屬于真正的非焦煉鐵工藝，受到國內(nèi)外同行的高度關(guān)注，山冶設(shè)計(jì)作為HIsmelt工藝授權(quán)的工程技術(shù)服務(wù)公司，通過既有的市場推廣途徑，進(jìn)行了廣泛的行業(yè)推廣，通過參加學(xué)術(shù)交流會等方式，使得HIsmelt技術(shù)因原燃料適應(yīng)性、環(huán)保、節(jié)能以及生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品的優(yōu)勢得到了業(yè)內(nèi)專業(yè)人士的高度認(rèn)可。

　　截至目前，山冶設(shè)計(jì)已為國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)開展了關(guān)于HIsmelt熔融還原工程技術(shù)服務(wù)。其中，已經(jīng)落地實(shí)施項(xiàng)目有河北邢鋼科技有限公司，正在開展項(xiàng)目前期準(zhǔn)備工作的企業(yè)有山西泫氏實(shí)業(yè)集團(tuán)，同時包括國外阿爾及利亞鋼鐵公司的高磷礦冶煉項(xiàng)目等。

　　根據(jù)河北省工信廳公示產(chǎn)能置換公告（2021年12月），邢臺鋼鐵有限責(zé)任公司于威縣城東工業(yè)區(qū)新建55萬噸/年HIsmelt熔融還原爐5座，建設(shè)產(chǎn)能165萬噸/年，享受非高爐等量置換比例。該項(xiàng)目規(guī)劃分兩期建設(shè)，一期完成2座SRV爐建設(shè)，二期完成第3座SRV爐建設(shè)。該項(xiàng)目于2023年12月份正式開始土建施工，目前1號SRV爐本體殼體已建成。

　　日前，晉城工信局發(fā)布山西泫氏制鐵有限公司產(chǎn)能置換公告：山西泫氏實(shí)業(yè)集團(tuán)退出318立方米高爐1座、228立方米高爐1座，合計(jì)退出年產(chǎn)能59.16萬噸，由山西泫氏制鐵在高平市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)建設(shè)1座產(chǎn)能58萬噸/年的HIsmelt熔融還原爐。目前，山冶設(shè)計(jì)已完成該項(xiàng)目可行性研究報(bào)告的編制，正在開展環(huán)評/能評等項(xiàng)目前期報(bào)批手續(xù)，預(yù)計(jì)2027年初投產(chǎn)。

　　HIsmelt熔融還原技術(shù)作為山冶設(shè)計(jì)孕育推廣的新型煉鐵技術(shù)，是已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的熔融還原煉鐵技術(shù)之一，是典型非焦熔融還原煉鐵工藝，經(jīng)實(shí)踐證明了其工藝可行性。HIsmelt工藝不僅具有流程短、操作簡便靈活、快速響應(yīng)、產(chǎn)品質(zhì)量好、環(huán)保低耗等優(yōu)勢，而且有利于節(jié)約寶貴的冶金焦煤資源，減少環(huán)境污染和降低CO2排放，同時具有復(fù)合難選鐵礦、鋼鐵廠粉塵和有色冶金含鐵渣等含鐵廢棄物的綜合利用等優(yōu)勢。

　　河北邢鋼科技與山西泫氏鑄造經(jīng)過多方論證，最后選擇HIsmelt熔融還原煉鐵技術(shù)，是對HIsmelt技術(shù)優(yōu)越性認(rèn)可的體現(xiàn)，同時也是HIsmelt熔融還原煉鐵技術(shù)正式進(jìn)入聯(lián)合鋼鐵企業(yè)與鑄造生鐵生產(chǎn)企業(yè)的典型案例。這兩個項(xiàng)目是山冶設(shè)計(jì)聯(lián)合鋼鐵企業(yè)開啟“HIsmelt+電爐”的新型短流程工藝應(yīng)用的典范，也是適合我國國情的低碳冶金技術(shù)路徑，更是實(shí)現(xiàn)小高爐鑄造企業(yè)高質(zhì)量轉(zhuǎn)型及生產(chǎn)高品質(zhì)鑄造產(chǎn)品的發(fā)展方向。相信在山冶設(shè)計(jì)及多方參與者的共同努力下，HIsmelt熔融還原煉鐵技術(shù)將在邢鋼轉(zhuǎn)型升級搬遷改造項(xiàng)目以及山西泫氏鑄造項(xiàng)目中得到更大的進(jìn)步與突破，為企業(yè)發(fā)展注入新的活力。HIsmelt熔融還原煉鐵技術(shù)的不斷推廣，也將為鋼鐵企業(yè)低碳發(fā)展開創(chuàng)新模式，助力鋼鐵企業(yè)加快實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)。（賈利軍 高峰）

（圖片均由山冶設(shè)計(jì)提供）