ML-HIsmelt技术在澳大利亚奎那那工厂的生产实践
熔融还原法最早在20世纪20年代提出，早期主要设想在一个反应器中完成全部熔炼过程。20世纪70年代以后非高炉炼铁技术得到钢铁业界重视，相继开发多种熔融还原工艺，旨在扩大原材料使用范围、降低钢铁行业污染排放，Corex、Finex、HIsmelt、DIOS、AISI、Midrex、COIN等非高炉炼铁技术相继出现，但是在运行过程中都遇到各自的困难，除Corex、Finex和HIsmelt进入了工业化运行阶段，其余均没有能够得到大规模的接受和推广。
ML-Hlsmelt工艺的开发经历了较长的时间，从1981年开始合作研发，经历了初期的试验炉试验以及两个阶段的试验厂阶段（分别为1万吨/年的SSPP和10万吨/年HRDF），直到在西澳大利亚的奎那那地区兴建了年产80万吨的世界首家工业化HIsmelt工厂。在此之前，澳大利亚力拓集团、美国米德里克斯（Midrex）公司、德国Klockner公司先后合作开发投入数十亿美元研发资金、历时二十余年的合作，对此技术共同开发完善，最终形成了HIsmelt技术的一系列冶金技术方法和工艺过程。作为世界上唯一完全不使用焦炭、烧结及球团工艺的冶金技术，在冶金行业节能环保、资源利用、能源拓展、流程创新等方面均具有显著的工艺优势、革命性的技术意义及行业应用前景，是目前冶金行业最重要的前沿技术之一。
一 奎那那HIsmelt工厂的建设
为开发利用奎那那地区拥有的大量高磷铁矿石资源，提高澳大利亚铁矿石的利用率，由澳大利亚力拓集团（60%）、美国纽柯钢铁（25%）、日本三菱公司（10%）和中国首钢（5%）进行了世界首家HIsmelt工业化工厂的建设。工厂于2003年1月动工建设，2005年4月开始热调试，从2005年11月开始了为期3年的达产运行：2006年底实现50%，2007年实现80%，2008年实现85%。2008年12月，由于受世界金融危机影响，生市场低迷，奎那那HIsmelt示范厂2008年年底停产。
图1-1 奎那那HIsmelt工厂图
二 奎那那HIsmelt工厂生产流程
奎那那HIsmelt示范工厂工艺流程图如2-1所示。该工艺的特点是将铁矿粉和煤通过倾角向下的水冷喷枪直接喷人还原炉内铁浴中。喷入的煤粉经过加热和裂解后熔于铁水，并且保持4%的含碳量。喷入的矿石与含碳金属铁反应而熔炼开始。熔融还原炉下部保持低氧势，使反应得以进行，还原动力学条件使得炉渣中亚铁的含量保持在5-6%。
熔池产生的气体（主要为CO）在炉内上部空间进行二次燃烧，提供热平衡所需的能量。富氧热风（含氧35%，温度1200℃）通过顶部热风喷枪鼓入炉内，燃烧反应在氧势相对较高的上部区域进行。产生煤气一般二次燃烧率约为50-60%。
图2-1 奎那那HIsmelt工厂的流程示意图
ML-HIsmelt熔融还原工艺是使用粉矿（或其他含铁原料）和非焦煤生产铁水的非高炉冶炼技术，该技术的关键是将原料和熔剂一起喷吹到铁水熔池中，随着煤中碳素的溶解，氧化铁在熔池中迅速还原。煤被迅速加热后挥发、裂解而释放出氢气，含铁料中的脉石、煤中的灰分和熔剂融合形成熔渣。所有的反应在一个熔融还原炉中进行，熔池内衬为耐火材料，炉内上部为水冷壁。
图2-2 奎那那HIsmelt厂SRV内部图
80万吨竖式熔融还原炉（SRV）结构如图2-2所示。ML-Hlsmelt工艺的核心是熔融还原炉（SRV），它是由上部水冷炉壳和下部砌耐材的炉缸组成。Hlsmelt工艺的关键是要有效的实现上部区域（氧化区）和下部区域（还原区）之间的热传导，以便保持这一氧势梯度。具体来说就是大量的液滴在两个区域之间喷溅，夹带热量。一部分热量通过水冷壁和喷枪散失，剩下的用于熔炼过程。炉渣通过水冷渣口定期排出，铁水连续经过出铁前炉流出。连续出铁主要考虑该技术的安全性，原因是要对铁水液面进行控制，确保其与水冷喷枪保持一定的距离。
三 奎那那HIsmelt工厂工艺设备
3.1 热风系统
奎那那HIsmelt工厂热风炉系统如图3-1所示。空气由热风炉加热到1200℃，热风炉用的燃料使用自身产生的煤气，并辅以部分天然气或其它富化煤气。该热风炉系统的理想风温为1200℃。为了提高产量，会对冷风进行富氧操作，其含氧量在30～40%之间。
图3-1 热风炉系统示意图
3.2 矿粉喷吹系统
奎那那HIsmelt厂矿粉喷吹系统如图3-2所示。矿粉在预热器中预热至约800℃，随后矿粉送至喷吹系统，并喷吹进入SRV。矿粉粒度一般在6mm左右，矿粉的来源较为宽泛，可以使用赤铁矿、磁铁矿褐铁矿或者高磷矿和工艺废料，如高炉和转炉尘灰、灰泥和轧钢铁皮等。
图3-2 矿粉喷吹系统示意图
3.3 煤气系统
奎那那HIsmelt厂煤气系统如图3-3所示。从SRV气化烟罩排出烟气温度大约为1450℃，经冷却降至大约1000℃，冷却产生的蒸汽用于发电；之后，约50%、温度为1000℃的SRV煤气送至预热器，剩余的煤气则经过除尘、冷却后，用作电厂燃料或热风炉烧炉煤气；SRV产生的煤气热值大约为2～3GJ/Nm3。
图3-3 煤气系统示意图
四 奎那那HIsmelt工厂生产实践
奎那那80万吨HIsmelt厂从2005年9月开始进行生产调试，到2008年12月停产。图4-1为随着时间推移所得到的最大小时铁水生产率。这里的最高生产率是维系了10小时或更长时间建立的稳态状态的生产率（需要注意的是，SRV炉达到稳定生产状态要比高炉快得多）。从适中生产率开始起，小时产量已稳步增长，达到最大75-80t/h的水平。
图4-1 奎那那地区HIsmelt厂区生产调试数据
奎那那HIsmelt工厂的煤比随生产率的变化如图4-2。根据图中趋势，HIsmelt工艺正朝着700kg/t的目标迈进。生产率越高，生铁质量越好。
图4-2 奎那那HIsmelt工厂煤比与生产率的关系
高生产率时，C含量低，质量分数接近4.0%；低生产率时C质量分数为4.5%。铁水中P含量远低于高炉铁水含量；虽S含量高于高炉铁水S含量，但依靠成熟的铁水包预处理技术，硫含量可以降低到炼钢所需要的水平。
奎那那HIsmelt工厂的实践，验证了ML-HIsmelt工艺大规模商业化应用的可行性，从生产工艺、过程控制、装备稳定性等方面检验了该工艺的可靠性。实践表明，该工艺具有以下特点：
（1）采用高速物料喷枪进行固体料喷吹，反应容器中铁水熔池的捕获能力很强，即使超细粉也可以使用。
（2）炉渣中“与生俱来”的亚铁含量（5%-6%），铁水含碳约4%，形成了独特的脱磷特性，80%-90%的磷进入炉渣。
（3）煤需要磨碎后喷吹进入炉内，故对煤的原始形态没有特殊要求。
上述特点使得ML-HIsmelt工艺可以处理低品位的原料，即在高炉工艺中不能使用的经济原料，ML-HIsmelt工艺对原燃料具有广阔的适用性。
五 奎那那HIsmelt工厂的经验与总结
作为一项革命性冶金技术，ML-HIsmelt技术使得炼铁过程更经济、更清洁和更灵活。相比于其他非高炉冶炼技术，该工艺具有较低的投资成本、与生俱来的脱磷能力和直接处理超细粉料的能力，使得该技术具有巨大的发展潜能。2008年受国际金融危机影响，国际生铁价格跌破300美元/吨铁，从经济角度继续运营工厂是不划算的，工厂合营各方决定停产维护。运营期间工厂核心熔炼工艺已经在设计产量的75%-80%水平得到验证，相应的煤比约800kg/吨铁。
澳大利亚HIsmelt工厂从设计建设到正常运行历时约8年，耗资逾10亿美金。在奎那那工厂运行期间，吸引了全球钢铁企业和各国政府的广泛关注，许多企业纷纷签订协议，一旦工厂达到100%的产能，将进行技术的推广合作。ML-HIsmelt工艺对中国钢铁企业最主要的优势在于省去焦炉和烧结设施冶炼高品质的高纯生铁产品，直接使用铁矿粉和低成本的煤粉可以确保具有较强竞争力的成本优势。在优质资源日益短缺和环保要求日益严格的背景下，作为唯一彻底摆脱烧结和焦化工序、且实现了工业化应用的炼铁冶金技术，必将为钢铁工业的转型升级带来新的力量。
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