一  奎那那HIsmelt工廠的建設(shè)意義

2005年，西澳大利亞奎那那HIsmelt工廠建成投產(chǎn)，作為世界上第一座工業(yè)化的海斯梅特工廠，代表了冶金領(lǐng)域的一個(gè)革命性進(jìn)步，為全球社會(huì)帶來(lái)了重要的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。該項(xiàng)目由Aker Kvaerner和Clough公司負(fù)責(zé)，與HIsmelt公司合作開發(fā)，耗資超過(guò)4億美元，是澳大利亞乃至全球鋼鐵領(lǐng)域一項(xiàng)創(chuàng)新性工程。

圖1-1 奎那那HIsmelt工廠

奎那那HIsmelt工廠的建設(shè)是希望在可控和安全的大規(guī)模工廠生產(chǎn)情況下發(fā)現(xiàn)問題，在進(jìn)行大規(guī)模商業(yè)化推廣之前使該技術(shù)日臻完善。在奎那那HIsmelt工廠建設(shè)和運(yùn)行期間，項(xiàng)目建設(shè)者進(jìn)行了大量的開拓性和創(chuàng)新性的工作，充分利用前期中試設(shè)施建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，借鑒其他先進(jìn)成熟的技術(shù)，選用知名設(shè)備供應(yīng)商，都將為HIsmelt工業(yè)化工廠的建設(shè)提供強(qiáng)有力的支撐。

圖1-2 經(jīng)濟(jì)觀察報(bào)特別報(bào)道（2007年6月）

作為一項(xiàng)顛覆百年高爐冶金技術(shù)的熔融還原冶金技術(shù)，能夠大幅度促進(jìn)鋼鐵行業(yè)的節(jié)能減排，促進(jìn)鋼鐵冶金工業(yè)的健康發(fā)展?？悄荋Ismelt工廠榮獲西澳洲能源業(yè)最高環(huán)保榮譽(yù)獎(jiǎng)-2008金蜥蜴獎(jiǎng)，這是對(duì)ML-HIsmelt技術(shù)在低排放、高環(huán)保的冶金新技術(shù)開發(fā)過(guò)程所做工作的肯定和鼓勵(lì)。在奎那那HIsmelt工廠運(yùn)行期間，吸引了各國(guó)政府機(jī)構(gòu)和鋼鐵企業(yè)的廣泛關(guān)注，我國(guó)多位國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人和寶鋼、首鋼等三十余大型鋼鐵企業(yè)先后到訪，萊鋼、淮鋼等簽訂技術(shù)合作協(xié)議。ML-HIsmelt工藝技術(shù)的價(jià)值，主要體現(xiàn)在節(jié)能環(huán)保先進(jìn)性和原料適用性，對(duì)于我國(guó)鋼鐵領(lǐng)域節(jié)能減排和開發(fā)儲(chǔ)量豐富的高磷鐵礦具有重要意義。

二  奎那那HIsmelt工廠的建設(shè)運(yùn)行

工廠從2003年1月開工建設(shè)，一直到2005年4月建成投產(chǎn)。工廠的設(shè)計(jì)、采購(gòu)和管理由Aker Kvaerner和Clough公司組成的聯(lián)合體負(fù)責(zé)，基于聯(lián)合體多年來(lái)與HIsmelt合作及其具備的技術(shù)訣竅，Clough公司具備的施工管理經(jīng)驗(yàn)將為項(xiàng)目建設(shè)提供有力支撐。奎那那HIsmelt工廠于2004年5月開始最初的設(shè)備冷調(diào)試，最早開始區(qū)域?yàn)槟ッ汉透稍镌O(shè)施，該系統(tǒng)由錘式磨煤機(jī)和噴吹系統(tǒng)組成，用于為反應(yīng)提供噴吹煤；2004年9月到12月期間對(duì)煙氣脫硫、熱風(fēng)爐、原料處理、預(yù)熱器、污水處理和廢熱回收系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。

      圖2-1 磨煤和干燥設(shè)施     

 圖2-2 礦粉預(yù)熱器

2005年2月，奧托昆普公司對(duì)礦粉預(yù)熱器進(jìn)行熱調(diào)試；與此同時(shí)，HIsmelt操作團(tuán)隊(duì)正式接管奎那那工廠。操作團(tuán)隊(duì)于5月份開始熔融還原爐生產(chǎn)及系統(tǒng)調(diào)試，對(duì)生產(chǎn)操作及煤氣回收系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。

奎那那HIsmelt工廠充分借鑒SSPP試點(diǎn)、HRDF中試和ISRV中試的探索經(jīng)驗(yàn)，在工藝流程上借鑒多項(xiàng)先進(jìn)成熟技術(shù)，保證了該裝備流程的工藝可行性和設(shè)備可操作性，其最佳作業(yè)指標(biāo)如表2-1所示，但仍然還存在一些尚待改進(jìn)之處。

表2-1  HIsmelt最佳作業(yè)指標(biāo)

主要的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)在于：

（1）鐵水在出鐵前爐（第1次開爐裝鐵水）中發(fā)生凍結(jié)，導(dǎo)致重新貫通出鐵前爐和還原爐爐體之間的連通管。如果出鐵前爐不能正常工作，則無(wú)法在保證安全的前提下進(jìn)行冶煉。在制定了相應(yīng)的對(duì)策之后，后期沒有出現(xiàn)過(guò)類似情況。

（2）2007年3月，還原爐內(nèi)出現(xiàn)了碳平衡失控的狀況，導(dǎo)致出現(xiàn)了泡沫渣現(xiàn)象（部分原因是爐渣溫度較低加之礦石噴吹過(guò)量）。這種情況在被發(fā)現(xiàn)前持續(xù)了6h，在此期間爐內(nèi)鐵水大部分被熔煉成了半鋼，造成在水冷壁上結(jié)瘤約200-300 mm厚，并在冷卻的作用下對(duì)管路形成了相當(dāng)大的應(yīng)力，出現(xiàn)水管破裂。有鑒于此，工廠停爐清除了結(jié)瘤并更換了部分水冷壁。操作團(tuán)隊(duì)開發(fā)了相應(yīng)的軟件識(shí)別系統(tǒng)，強(qiáng)化了對(duì)操作人員的培訓(xùn)，設(shè)置了在線爐塵含碳量反饋系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，以確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)還原爐中是否發(fā)生碳的虧損。

（3）2007年12月，由于耐材熱面機(jī)械應(yīng)力和侵蝕原因，導(dǎo)致還原爐發(fā)生鐵水燒出事故。事故得以安全處理，并且顯示爐體設(shè)備周圍的安全系統(tǒng)工作正常。事故的核心原因是未能及時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵區(qū)域耐材的狀態(tài)，由此導(dǎo)致爐殼的熱態(tài)行為。具體的對(duì)策除了加強(qiáng)操作人員培訓(xùn)外，有選擇地在渣線銅水箱區(qū)域和其他關(guān)鍵區(qū)域設(shè)置了永久性爐殼溫度測(cè)量裝置。

三  奎那那HIsmelt工廠的工藝研究

ML-HIsmelt的工藝特點(diǎn)使其可以處理低品位的原料，即可以使用在高爐流程中基本不能使用的經(jīng)濟(jì)原料。經(jīng)過(guò)80萬(wàn)噸奎那那HIsmelt工廠的工業(yè)實(shí)踐，證明了ML-HIsmelt工藝在工業(yè)化生產(chǎn)中的可靠性。采用高速噴槍進(jìn)行固體料噴吹，即使超細(xì)粉也可以使用，具有很強(qiáng)的原料適用性；加上獨(dú)特的爐內(nèi)環(huán)境，保證了80%-90%的磷進(jìn)入爐渣中。正是廣闊的原料適用性和很強(qiáng)的脫磷能力，使得ML-HIsmelt工藝的具有很高的應(yīng)用價(jià)值和推廣空間。

      圖3-1建設(shè)中奎那那工廠           

圖3-2 奎那那工廠出鐵

（1）HIsmelt工藝的二次燃燒率較高，通常在60%～70%之間。用冷鐵礦粉作原料，使用無(wú)煙煤時(shí)每噸鐵耗煤量約為800～1200kg。

（2）從試驗(yàn)結(jié)果看，該工藝對(duì)高磷粉礦（含磷量為0.12%）有較好的脫磷效果，脫磷效率平均達(dá)85%～95%。

（3）HIsmelt工藝可以直接使用含鐵工業(yè)廢料，將其與礦粉混合噴入，無(wú)需進(jìn)行原料造塊，與使用粉礦作業(yè)相似，其鐵回收率超過(guò)97%。廢物里的鋅、鉛析出到爐塵中，并可以回收利用。

（4）該工藝對(duì)不同揮發(fā)分的煤有較好的適應(yīng)性。使用揮發(fā)分含量較高的煤時(shí)，因氣化和裂化作用能耗較高。該工藝對(duì)煤的原始幾何形態(tài)沒有什么特殊要求，煤經(jīng)磨碎后噴吹入爐。

（5）在整個(gè)試驗(yàn)期內(nèi)，生產(chǎn)的鐵水質(zhì)量較為穩(wěn)定，與高爐工藝相比其鐵水含硫高。該工藝可以對(duì)鐵水的溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，也可對(duì)成渣條件進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到最佳的生產(chǎn)率、提高鐵水質(zhì)量、減少耐火材料消耗。

（6）耐火材料損耗率較低，預(yù)計(jì)反應(yīng)爐連續(xù)生產(chǎn)的使用壽命可達(dá)到1年以上。此外固體料噴槍磨損率很低，反應(yīng)爐自啟用以來(lái)，未出現(xiàn)噴槍水冷系統(tǒng)漏水現(xiàn)象。

（7）由于不使用焦炭及燒結(jié)礦，同時(shí)還能利用鋼鐵廠廢料，HIsmelt工藝具有較好的環(huán)保效益，CO₂排放量與同等規(guī)模的高爐比減少20%。

四  奎那那HIsmelt工廠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

澳大利亞80萬(wàn)噸奎那那HIsmelt工廠的生產(chǎn)實(shí)踐，檢驗(yàn)了該技術(shù)的工藝可行性和生產(chǎn)可操作性，為該技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。受經(jīng)濟(jì)危機(jī)影響，該工廠于2008年12月底暫時(shí)停產(chǎn)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)并根據(jù)經(jīng)濟(jì)情況適時(shí)重啟。

（1）單體生產(chǎn)效率高

在HIsmelt流程中，燃料中的碳迅速溶解，這樣進(jìn)入熔池的氧化亞鐵主要被鐵液中的溶解碳所還原。由于溶解碳還原氧化亞鐵的速度比固體碳還原氧化亞鐵的速度高出1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，其還原速度比其他熔融還原方法快。加上噴入煤粉在鐵浴中的爆裂和分解，加強(qiáng)了對(duì)熔池的攪拌，這種攪拌效果比單純底吹氮?dú)獾男Ч玫枚?，加?qiáng)了熔池中渣鐵的混合，進(jìn)一步提高熔池中氧化亞鐵的還原速度。此外，浸入式噴吹鐵礦粉或用頂吹將礦粉噴入攪拌區(qū)，可保證噴入礦粉快速和熔池中的碳反應(yīng)，此時(shí)反應(yīng)產(chǎn)生的一氧化碳?xì)怏w又進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)熔池的攪拌。礦粉和鐵浴中溶解碳的直接還原過(guò)程，有利于限制渣中的氧化亞鐵含量。鐵浴中礦粉的直接還原速度，并不受限于反應(yīng)區(qū)的工作狀態(tài)和熔渣中的氧化亞鐵的含量，故而HIsmelt流程的單體生產(chǎn)效率較其他熔融還原流程的高。

（2）鐵浴中碳的回收率高

向鐵浴底吹煤粉可以提高碳的回收率，向熔融反應(yīng)器中浸入式噴煤不僅可以回收煤中的固定碳，而且可以使煤粉揮發(fā)分中的碳?xì)浠衔锪呀猱a(chǎn)生碳。碳的回收率是一項(xiàng)重要參數(shù)，因?yàn)槲慈芙庠阼F浴中的碳可能和爐氣中的氧或二氧化碳反應(yīng)，降低二次燃燒率；同時(shí)未溶解在鐵浴中的碳還會(huì)隨爐氣逸出爐外，這將大大降低燃料的利用率和冶煉強(qiáng)度。

（3）二次燃燒率高

由于在HIsmelt流程中煤粉很快被鐵液所溶解，可最大限度地降低散入爐氣中的碳量，避免碳和爐氣中的氧或二氧化碳的反應(yīng)，從而有利于提高二次燃燒率。此外，采用熱風(fēng)操作可以限制氣相中的氧濃度，縮短濺入氣相中的鐵液液滴和氧的接觸時(shí)間，從而進(jìn)一步提高二次燃燒率。

（4）熔池上部反應(yīng)強(qiáng)烈，二次燃燒傳熱速度快

底部噴吹引起熔池強(qiáng)烈的攪拌和產(chǎn)生的大量液滴在熔池上方形成一個(gè)理想的傳熱區(qū)。金屬液滴像噴泉形成的噴濺那樣進(jìn)入上部空間，將燃燒區(qū)的熱量迅速帶入熔池，如圖4-1所示。

   圖4-1  熔渣傳遞二次燃燒率機(jī)制

（5）噸鐵煤耗低

由于奎那那HIsmelt流程采用了直接向鐵液噴吹煤粉的方法，提高了煤粉中固定碳回收率的同時(shí)，充分回收煤粉揮發(fā)分中的碳；采用溫度高達(dá)1200℃的熱風(fēng)操作，直接向鐵浴提供大量物理熱，相當(dāng)于鐵浴總熱收入的18%～20%。因此，ML-HIsmelt流程的噸鐵煤耗勢(shì)必較其他熔融還原法低。

（6）對(duì)環(huán)境污染較小

直接向鐵熔池噴吹煤粉，煤粉揮發(fā)分在鐵浴溫度下充分裂解，消除了煤粉揮發(fā)分中有害的碳?xì)浠衔飳?duì)環(huán)境的污染。同時(shí)煤粉中的硫磺也將直接被鐵液和熔渣所吸收，減少進(jìn)入煤氣的可能性，減少了煤氣中的硫氧化物（SO_x）的含量。

五  ML-HIsmelt技術(shù)的思考與未來(lái)

任何技術(shù)的發(fā)展初期都需要對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析應(yīng)對(duì)，這些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)進(jìn)一步強(qiáng)化了工藝?yán)碚摵蛯?shí)踐基礎(chǔ)，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中積累的訣竅將為工藝的最終成功起到重要作用。ML-Hlsmelt流程具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)及它對(duì)低品位含鐵原料的處理能力，已經(jīng)可以規(guī)?；厣a(chǎn)鐵水，這一點(diǎn)已得到公認(rèn)。

熔融還原是冶金工業(yè)的最終目標(biāo)，傳統(tǒng)高爐流程面臨著技術(shù)和環(huán)境制約，尋找可替代的技術(shù)是全球冶金工作者的期盼。熔融還原技術(shù)進(jìn)行了多年的嘗試與探索，但面臨高爐技術(shù)的高成熟度、高效率和低成本優(yōu)勢(shì)，熔融還原技術(shù)的發(fā)展仍面臨一定的壓力和挑戰(zhàn)，需要冶金工作者進(jìn)行長(zhǎng)期的改進(jìn)和發(fā)展。經(jīng)過(guò)KOBM可行性實(shí)驗(yàn)，到SSPP試點(diǎn)、HRDF中試和ISRV中試試驗(yàn)，ML-HIsmelt技術(shù)完成了理論研究與工藝中試試驗(yàn)的完整歷程，奎那那80萬(wàn)噸級(jí)工業(yè)化HIsmelt工廠的建設(shè)，是對(duì)ML-HIsmelt技術(shù)的工業(yè)化檢驗(yàn)和走向成熟的必經(jīng)之路。從SSPP放大的HIsmelt工藝接近其預(yù)期的性能，其試驗(yàn)結(jié)果表明：Ml-HIsmelt流程能夠生產(chǎn)出高質(zhì)量的鐵水，同時(shí)在其設(shè)備建造投資和生產(chǎn)費(fèi)用上頗具競(jìng)爭(zhēng)性。ML-HIsmelt的研究者認(rèn)為，建造小規(guī)模的ML-HIsmelt熔融還原流程，其經(jīng)濟(jì)效益也可以同大規(guī)模的傳統(tǒng)的焦?fàn)t-高爐流程相媲美。正是對(duì)自身工藝的不斷完善和發(fā)展，才有了熔融還原冶金技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。

我國(guó)鋼鐵工業(yè)發(fā)展迅猛，粗鋼產(chǎn)量連續(xù)多年占據(jù)世界半壁江山，隨著優(yōu)質(zhì)鐵礦石資源和冶金焦的資源短缺、價(jià)格攀漲，導(dǎo)致高爐冶金成本增加。ML-HIsmelt技術(shù)基于自身工藝特點(diǎn)，直接使用廉價(jià)礦粉和豐富的非焦煤資源，大幅度降低原料成本，對(duì)高磷礦中P的脫除率達(dá)80%-90%，對(duì)開發(fā)我國(guó)儲(chǔ)量豐富的高磷鐵礦資源具有重要意義。隨著我國(guó)鋼鐵行業(yè)日益嚴(yán)格的環(huán)保政策實(shí)行，有效提高鋼鐵行業(yè)發(fā)展質(zhì)量和效益，大幅度削減大氣污染物排放，將為打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)提供強(qiáng)有力的支撐。