我国HIsmelt工厂运行情况及工艺改进方向

曹朝真,  孟玉杰,  梅丛华,  章启夫,  李  勇,  毛庆武

（北京首钢国际工程技术有限公司；北京市冶金三维仿真设计工程技术研究中心）

1  前言

2005年，HIsmelt工艺首座商业化示范厂（首钢入股5%）在澳大利亚建成，首次将HIsmelt技术推向工业化应用，此后合营厂进行了连续化试生产，2008年12月，合营厂受全球金融危机影响宣布关停。3年多的工业生产实践充分证明了HIsmelt技术的工艺可行性，但同时也暴露出炉缸耐材侵蚀较快、流化床故障率高、工厂作业率较低等工艺和设备问题，受合营厂关停的影响，此后一段时间HIsmelt技术的工业化进程遇到了较大的阻碍。

2016年，首钢国际工程公司作为HIsmelt技术的授权工程师（AE），承担了山东墨龙我国首座HIsmelt工业化工厂的设计工作，该项目的设计建设过程，充分吸收了澳大利亚示范厂的实践经验和教训，以及近年来HIsmelt技术的创新成果，是在原有基础上一次系统优化和升级^[1]。工厂投产以来，各项技术指标稳步提升，制约HIsmelt技术发展的耐材侵蚀等核心技术问题得到了较好的解决，目前主要技术指标已全面超越澳大利亚工厂。我国HIsmelt工业化工厂的成功稳定运行体现了HIsmelt技术的最新工业化成果，必将对熔融还原炼铁技术的发展起到显著的促进和引领作用。

2 HIsmelt工厂生产情况

       2.1HIsmelt工厂生产指标

图1  HIsmelt工厂俯瞰图

Fig.1HIsmelt plant inChina 

我国首座HIsmelt工厂于2016年8月建成并开始热试，至2020年6月共进行了多次热试车，热试车期间最长连续运行时间为157天，单日最大产量为1930t，单月最大产量为5.3万t，通过3年多时间的连续运行，较好的掌握了铁浴法冶炼的操作规律。从2017年9月开始，工厂运行趋于稳定，设备故障率显著降低，截止目前共生产铁水超过120万t，2018年实际生产天数292天，达到年设计作业率的92.2%，最大月产量达到设计产能的80%。 

表1  HIsmelt工厂生产指标

Table1 HIsmelt plant production indexes

       2.2SRV炉耐材侵蚀情况

       由于HIsmelt工艺采用较高的二次燃烧率，炉渣中FeO含量较高，熔融还原炉工作衬耐材，尤其是渣线部位的耐材侵蚀问题，一直是制约铁浴法熔融还原工艺发展的核心技术问题，在Kwinana厂生产过程中就多次因炉缸耐材侵蚀而被迫更换炉衬^[2]。

在国内HIsmelt工厂的设计过程中对该问题给予了充分的重视，从炉缸砌筑结构、耐材材质、耐材冷却等多个方面进行了设计优化。一方面在炉缸渣线区域采用铜冷却壁替代了耐材，通过冷却后形成的渣皮实现对冷却壁的保护，从而彻底避免了渣线部位耐材的过快侵蚀问题；此外，在铜冷却壁下部靠近渣层部位，使用抗渣铁侵蚀性能优异的Al₂O₃-Cr₂O₃质材料来代替原有的MgO-Cr₂O₃质耐材，使耐材的冲刷和渣侵能力得到了显著提升。

通过3年来的多次热试和连续生产的检验，炉缸耐材的侵蚀情况如图2所示。炉缸耐材整体情况良好，渣区铜冷却壁保持完整，生产期间未出现任何问题；渣区铜冷却壁下部的工作衬耐材，除超出冷却壁前端的部分耐材被侵蚀掉以外，整体保持完好，未出现局部过度侵蚀情况，根据内衬实际侵蚀情况测算，内衬的使用寿命有望达到5年以上。

图2  SRV炉耐材侵蚀情况

Fig.2  Refractory situation of SRV

         2.3存在的主要问题

Kwinana工厂                                 国内工厂

从HIsmelt工厂生产故障分布图可以看到，在Kwinana工厂生产过程中按照故障频率统计，影响工厂作业率的因素主要包括矿粉预热系统、出渣口、公辅系统故障等，而按照故障的影响程度分析则主要为矿粉预热、炉缸耐材和公辅系统问题，其中矿粉预热系统故障对工厂运行影响最大。

在国内HIsmelt工厂生产过程中，由于采取了一系列的设计优化，使得原有问题得到了较大的改善，主题工艺设备运行稳定，试生产期间出现的问题主要以外围设备故障为主，造成HIsmelt工厂停产的原因基本全部集中在水冷烟道的漏水问题上，目前通过对水冷烟道进行改造以及采取调整水量等措施，已经基本解决了水冷烟道的设备稳定性问题；此外，在生产过程中曾出现一次泡沫渣事故，主要是由于操作经验不足和矿煤喷吹系统的计量误差引起的，随着操作水平的提高和引入自动控制模型，已经较好的解决了该问题；单体设备中，利旧渣口的使用寿命问题给生产操作带来了一定的影响，目前通过改进和更换渣口水冷外套，整体寿命得到了显著的提升。

3  影响HIsmelt工厂达产的主要因素分析

随着设备运行和生产节奏的逐步稳定，国内HIsmelt工厂的作业率不断提高，产能目前基本稳定在1900t/d左右，约为设计产能的80%，影响产能进一步提高的因素主要包括以下几个方面：

      3.1矿粉预热预还原效果

为了提高矿粉预热预还原系统的稳定性和处理效果，国内HIsmelt工厂采用两级回转窑工艺取代了Kwinana厂的流化床工艺，矿粉设计预热温度为850℃，预还原度为20%，试生产期间回转窑总体运行效果良好，但由于是处理粉矿，与块状物料相比，窑内物料更易出现粘结，因此对回转窑内的温度和气氛控制提出了更高的要求，生产中需要根据原料特性的变化调整操作参数；此外，随着运行时间的延长，受窑体耐材脱落影响，被迫降低回转窑操作温度，这些都给矿粉的预热和预还原效果带来了不利影响。

从图4中的理论计算结果可以看出，在预热温度为850℃时，矿粉预还原率从0提高至20%，产量约增加10.05%，在预还原率为0时，预热温度从400℃提高至850℃，SRV炉产量约提高3.7%，可见矿粉的预还原度对SRV炉产量影响显著，而提高矿粉的预热温度则有利于增加熔池的供热强度，提高能量利用效率，后续HIsmelt工厂仍需在矿粉预处理效果方面有所提升。   

3.2工厂作业率

提高HIsmelt工厂的作业率是实现工厂达产的前提。随着工厂运行情况的改善，目前国内HIsmelt工厂的年作业率已由原来的40%～50%提高至80%以上，后续随着煤气和回转窑系统等改造的完成，工厂的连续的生产时间将至少达到一年以上，这将为工厂年度作业率的提升创造有利条件。

     3.3原料制备及喷吹能力

由于HIsmelt工艺采用粒煤喷吹，本次国内HIsmelt工厂的煤粉制备为利旧Kwinana厂原有设备，采用锤式磨制取粒煤，设计制粉及喷吹能力为92t/h，可以制备无烟煤、烟煤或混合煤，设计正常喷吹量为68t/h。矿粉预热预还原采用重新设计的两级回转窑工艺，设计矿粉预处理能力为230t/h，设有2条矿粉喷吹管线，每条管线最大喷吹量为120t/h，采用N₂作为载气将矿粉送入SRV炉内。实际生产过程一方面由于采用设备为利旧设备，煤粉锤式磨的出力不足，故障率较高，需要频繁检修维护；矿粉喷吹方面受工厂氮气供应量不足的影响，矿粉喷吹量基本维持在130-140t/h，后续随着相关改造工作的完成，喷吹量将得到显著提升，上述原因制约了HIsmelt工厂的产能的提高。

4 HIsmelt工艺的改进方向

国内HIsmelt工厂的建成和成功运行，将HIsmelt工艺的工业化程度向前推进了一大步，工艺和操作稳定性显著提高，以熔融还原炉及其附属设备为主的核心工艺设备，经过两代工厂的长期检验，运行情况良好，完全可以满足工厂稳定生产运行的需要，炉缸耐材寿命问题得到了较好的解决，在实现工厂长期稳定顺行的基础上，HIsmelt工艺最大的工艺优势应该是由其良好的原料适应性而带来的，在资源综合利用、环保清洁和低原料成本等方面的显著优势，围绕目前HIsmelt工厂运行中的问题以及HIsmelt工艺的技术潜力，下一步HIsmelt工艺的优化方向应主要包括以下几个方面：

      4.1降低生产成本

澳大利亚HIsmelt工厂3年多的生产实践，验证了工业规模下HIsmelt技术的工艺可行性，同时开展了以提高工艺和设备稳定性为主要目标的工业化探索，为HIsmelt技术工业化进程的推进积累了宝贵经验。国内HIsmelt工厂投产以来，在工艺稳定性提升方面取得了长足的进步，在此基础上，在生产成本方面达到了与高炉相当的水平，初步展现了HIsmelt工艺的技术竞争力。在掌握HIsmelt生产操作规律，实现稳定顺行的前提下，未来HIsmelt工厂在直接使用低品质廉价粉矿和粉煤降低生产成本方面，仍具有较大的技术潜力，如通过配矿配煤，进一步扩大原料的适用范围，配用部分低成本的复合矿或兰炭粉，探索合理的经济炉料结构，拓宽操作边界，充分发挥铁浴法工艺的技术优势，提升HIsmelt工厂的技术竞争力。

     4.2特殊矿冶炼工业实践

HIsmelt工艺在处理特殊矿方面具有先天优势，一方面，在SRV炉冶炼过程中，炉内没有固体料柱和软熔带，无需考虑料柱的透气性，因此可以完全不使用焦炭，而且对含铁物料的冷热态强度、还原粉化等常规冶金性能没有要求；其次，其独特的炉内氧化性气氛，使渣中的氧势较高，可以实现高效脱P和足以有效抑制TiO₂还原和高熔点TiC(TiN)生成，同时不影响钒的回收和在高温下还原钛铁矿。原则上说，只要保证炉内炉渣一定的流动性，就可以实现HIsmelt炉的正常冶炼，这就使得HIsmelt工艺可以很好的处理对传统高炉工艺来说难以冶炼的钒钛矿、高磷矿、高铝矿、冶金含锌固废等多种含铁物料，极大的扩大了原料适用性。

图5中对比了高炉和HIsmelt工艺在使用钒钛矿时炉渣的粘度随温度变化情况，在1400-1450℃的范围内使用钒钛矿的HIsmelt炉渣的粘度明显低于高炉工艺，而且，冶炼钒钛矿还有利于SRV炉水冷壁的挂渣和形成冷凝渣皮保护耐材^[3,4]。

     4.3提高设备国产化率

在Kwinana工厂建设过程，从保证工艺和设备可靠性的角度出发，在设备的选购方面集中了全球知名的冶金设备供货商，大部分关键设备以进口为主，这在一定程度上提高了工程的投资，延长了备件的供货周期。在国内工厂的建设中，进行了部分设备国产化的尝试，如固体料喷枪、部分炉缸耐材、高温螺旋输送机等，为了进一步提高HIsmelt技术的市场竞争力，在未来HIsmelt工艺的推广过程中，结合大型高炉上设备成熟运行的经验，应该充分整合国内的行业资源，提高设备国产化率，缩短项目建设工期，降低工程造价。

      4.4改善能源利用率

 在HIsmelt工艺中，炉缸煤气与来自热风喷枪的1200℃富氧热风发生燃烧反应，产生大量的热量用以向熔池供热，维持炉缸内反应的持续进行，由于炉内没有固体料柱，大量高温煤气经过部分燃烧后经水冷烟罩排出炉外，煤气温度1480-1650℃，吨铁煤气量约为2200-2400Nm³/tHM，煤气携带的物理热和化学热约占到能量输入总量的40%左右，对SRV炉煤气的余热余能进行高效利用，是改善工艺能源利用效率的关键。

在现有的煤气处理工艺中，高温煤气首先经过水冷烟道降温至880℃左右，然后经高温旋风进行粗除尘，再经余热锅炉将煤气温度进一步降低至250℃左右，进入湿法除尘进行煤气净化。煤气化学能约占到煤气带走能量的80%，目前主要用于热风炉燃烧和燃气锅炉生产蒸汽。通过提高热风富氧率可以提高煤气热值，减少吨铁煤气产生量，从而减少煤气带出炉外的物理热，是提高SRV炉能量利用效率有效途径之一；除此之外，探索不同的矿粉预处理工艺，提高煤气物理热和化学热的直接利用效率也是改善能量利用有效方式。 

5  结语

       1）国内HIsmelt工厂已经实现连续化生产达到157天，炉缸耐材寿命已经超过3年，工艺和设备稳定性显著提高，新工厂的建成和成功运行是熔融还原炼铁技术工业化进程中的一次重大突破，为HIsmelt技术发展和推广应用奠定了基础。

      2）影响国内HIsmelt工厂达产的因素主要是入炉矿粉物料的品位和还原度问题，其中进一步改善对矿粉的预热和预还原效果，是提高SRV炉产量的关键因素。

      3）HIsmelt工艺的进一步改进，应该充分发挥其在资源综合利用、环保清洁和低原料成本等方面的技术潜在优势，降低生产成本，开展在钒钛矿、含锌固废利用等方面的工业化实践。

      4）HIsmelt工厂的新实践是铁浴法炼铁技术的新发展，必将对熔融还原炼铁技术的发展起到显著的引领和示范作用。

参考文献：

[1]曹朝真,张福明,毛庆武等. 我国首座HIsmelt工业装置的设计优化与技术进展[J], 炼铁，2016（5）:59-62.

[2]NeilGoodman, Rod Dry. HIsmelt炼铁工艺[J], 世界钢铁，2010（2）:1-5.

[3]Jacques Pilote, HIsmelt?, AdaptedTechnology for Ti/V-Magnetite, www. Hismelt.com.

[4]杜鹤桂. 高炉冶炼钒钛磁铁矿原理[M],北京：科学出版社，1996:25-30.

作者简介: 曹朝真，男，博士，高级工程师，北京市石景山路60号，100043,010-88298560，cczts@sina.com。

来源：《工程与技术杂志》公众号2019年9月10日

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