山東省冶金設計院股份有限公司（簡稱山冶設計），作為國內唯一擁有商業化HIsmelt熔融還原煉鐵工廠工程設計業績的工程技術公司，伴隨著中國高爐煉鐵技術新世紀極大進步，在國內生鐵產量穩居世界首位及高爐向大型化、現代化、高效化發展趨勢以及煉鐵技術創新和裝備升級成就突出的背景下，山冶設計的煉鐵技術水平也實現了飛躍式發展，先進低碳技術的開發應用，助力山冶設計煉鐵工程業績遍布國內外，高爐容積從200立方米到5000立方米。驕人成績的背后，得益于山冶設計持續不斷的創新突破，秉持理論與實踐相結合的原則，踐行以問題為導向的理念，在解決問題中積累經驗、提高能力，研究開發更加綠色、智能、環保、高效的特色煉鐵技術，在提升自身實力的同時，更好地服務客戶，助推行業技術進步，為鋼鐵行業節能降耗做出了突出貢獻。

　　山冶設計是國內較早具備高爐煉鐵大型化、高端化、現代化的國際技術公司，對煉鐵技術更綠色、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過程中資源、能源和成本控制的關鍵環節，其CO2排放量約占鋼鐵生產全流程總排放量的70%，是鋼鐵領域節能減排和轉型升級的關鍵環節?，F有主流鋼鐵冶煉工藝流程有“高爐+轉爐”長流程和電爐短流程，隨著非高爐冶煉技術的發展，“HIsmelt煉鐵+電爐或轉爐”以及“豎爐+電爐”流程也得到應用。高爐工藝經過百余年的發展和實踐，技術日臻成熟，由于焦炭特殊的骨架作用難以顯著降低焦炭的消耗，通過設備升級和操作優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，產品純凈度高，生產的鐵水可以直接用于現有轉爐或電爐煉鋼過程，目前在山東、河北、山西等地逐漸得到企業認可并開始實踐應用，且隨著氫冶金和預還原技術的進步減排潛力巨大；豎爐工藝目前在河北、廣東等地逐步應用，產品海綿鐵用于電爐冶煉，不使用煤粉和焦炭，但受制于現階段還原氣源的供應來自焦爐煤氣、減排效果還不夠顯著，隨著未來綠電和大規模制氫技術的發展，相信會有更多的應用和減排潛力。

　　我國在鐵礦石方面對外依存度高，高價鐵礦石大幅侵蝕了我國鋼鐵行業的利潤。國內應積極尋求其他鐵礦石和廢鋼等資源的替代，提升國內礦山企業競爭力，大幅降低對國外進口鐵精礦的依賴，才能保障我國鋼鐵工業長期發展的原料供應。傳統高爐煉鐵以焦炭作為主要燃料及還原劑，使用燒結礦、球團、塊礦等作為主要原料，工藝流程長、原燃料要求高，正面臨環保、能源以及原料資源制約等方面壓力，是制約我國鋼鐵工業可持續發展的瓶頸。為減輕高爐工藝對焦煤資源的依賴以及長流程帶來的環保和排放壓力，20世紀60年代以來，世界多國進行了廣泛的非高爐煉鐵新工藝的研究開發工作，相繼開發了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海綿鐵，其含碳量較低（<2%）且含脈石雜質較多，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、利用鐵礦粉生產高溫鐵水的煉鐵工藝，產品可以替代高爐煉鐵用于轉爐及電爐煉鋼，以其非焦冶煉、環境友好等優勢成為研究的熱點。

HIsmelt熔融還原技術流程匹配圖

　　熔融還原技術主要以HIsmelt、Corex、Finex等為代表，具有工藝流程短、原料適用性強的特點，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、內蒙古等地投產應用。山東HIsmelt工廠自2017年投產以來，通過不斷優化和升級，已累計生產超過230萬噸鐵水，連續作業天數達到185天，月最高產量達到5.7萬噸，工藝可行性和設備穩定性已得到檢驗。

典型HIsmelt工藝流程

　　氣基豎爐工藝利用氫氣、焦爐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域發展較快，我國受制于天然氣、高品位鐵礦粉資源不足影響，氣基豎爐工藝發展一直處于停滯狀態，但是近兩年來在“雙碳”背景下行業內提出利用氫基豎爐工藝達到減排目的，在河北、廣州、山西等地陸續得到應用。目前，我國豎爐還是以焦爐煤氣、天然氣改質為主，受制于氣源影響應用范圍有限；如未來能夠突破大規模綠色制氫技術的壁壘，實現低成本氫氣的生產、儲存和運輸，氫氣豎爐才會得到規?；瘧?。

　　HIsmelt熔融還原工藝作為已實現工業化生產的非高爐煉鐵技術之一，是當今冶金領域前沿技術，屬于典型非焦熔融還原煉鐵工藝。其主要生產過程是：冶煉所需的鐵礦粉、煤和熔劑等爐料在原料場堆存后，以皮帶運輸方式經原燃料輸送系統輸送到礦粉預處理系統、煤粉制備系統，鐵礦粉在預處理系統（回轉窯或流化床）完成鐵礦粉的預熱或預還原，被加熱的鐵礦粉經過熱礦輸送機進入熱礦噴吹系統；原煤進入煤粉制備系統，經過干燥破碎后進入煤粉噴吹系統，被加熱的熱礦粉（粒度<8毫米）和破碎后的煤粉（粒度<3毫米）分別經過各自的噴吹、輸送管線、水冷噴槍進入到熔融還原爐（SRV）內，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。鐵氧化物進入熔池中與碳反應生成鐵單質。

煤粉過程行為

鐵礦粉過程行為

　　SRV生產的鐵水經過前置爐排出，進入鐵水罐，后經鐵水倒運裝置依次經過鐵水脫硫、鑄鐵機生產高純生鐵或進入煉鋼工序。冶煉產生的熔渣經渣口排出，進入水渣?；到y。SRV生產的大量高溫煤氣經煤氣室排出，依次進入高溫汽化冷卻煙道、高溫旋風除塵器，進行降溫及初除塵，降溫后的半凈煤氣再進入余熱鍋爐，進一步回收煤氣顯熱，降溫后的煤氣溫度約200℃，進入煤氣凈化系統。煤氣凈化后并入管網供下游用戶使用，煙道和余熱鍋爐產生的蒸汽用于發電。

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

　　鐵水熔池中反應產生的CO(g)、煤中揮發分裂解產生的H2和噴吹N2形成混合氣，與上部讓熱風噴槍送來的富氧熱風（約1200℃，40%O2）相遇產生劇烈燃燒反應（即二次燃燒過程），還原性CO、H2等與爐內的氧氣反應，產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的還原反應，維持熔融還原爐的高溫狀態。

　　混合氣在浮力作用下帶動周邊鐵水和熔渣從中間向上運動形成“涌泉”。由于熔池內的氣體攪拌和頂部熱風噴槍的射流，SRV中二次燃燒所產生的熱能，通過熱傳導和熱輻射方式傳給“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。

　　流程優勢。HIsmelt熔融還原流程，相比傳統高爐流程省去了焦化、燒結、球團工藝，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，且SRV能源轉換功能可以為其他工序提供煤氣保障。

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

　　產品質量優勢。HIsmelt工藝生產的鐵水純凈度高、鐵水可用于高純生鐵的生產，有害元素含量極低；HIsmelt生產的鐵水P含量低、有害元素含量極低，是煉鋼生產高品質純凈鋼的優質原料；同時，也可以避免因全廢鋼電爐原料帶入的有害元素對產品質量的影響。

HIsmelt壽光工廠

　　HIsmelt技術工業化應用以來，以其技術優勢吸引著世界各國廣泛關注。2005年，HIsmelt技術首座試驗工廠在澳大利亞奎那那地區建成。該工廠運行了3年多的時間，生產出約38萬噸的產品，證明了HIsmelt技術的工藝可行性，但同時也暴露出爐缸耐材侵蝕較快、流化床故障率高、工廠作業率低等工藝和設備問題。2012年，山東墨龍簽訂技術許可協議引進該技術，并于2013年開始了HIsmelt壽光工廠的設計工作。因工廠借鑒吸收HIsmelt奎那那工廠的經驗，對工藝流程、生產設備、操作技術等進行了優化升級，將“流化床+SRV”流程改為“回轉窯+SRV”流程，工廠于2016年底建成投產，在設備穩定性和連續作業率方面得到顯著提升。2017年，山東墨龍收購了力拓集團HIsmelt技術在全球范圍內的商標、專利、技術秘密等相關知識產權，成為HIsmelt熔融還原技術在全球范圍內的唯一擁有方。截至目前，壽光工廠已生產超過230萬噸高純鐵水，主要應用于高鐵、核電、風電、石油裝備、機床等高端裝備制造領域。

　　HIsmelt壽光工廠作為實現商業化應用的非高爐煉鐵企業，在煉鐵發展歷史中具有重要的意義。該工廠經歷10多次的開停爐探索，隨著技術人員對工藝流程和技術操作的逐步優化，以及對故障設備的檢修更換、操作規程的進一步修改完善，從作業率、操作穩定性以及能耗指標方面都有很大的提高，當前日最高產量超過2045噸，連續生產天數185天，月最高產量達到5.7萬噸。

　　為了提高工廠作業率，HIsmelt壽光工廠在工藝流程、核心裝備、操作技術和生產工藝等方面進行了大量優化。其主要包括：工藝流程方面，采用回轉窯預處理工藝替代原有多級流化床工藝，改進后技術成熟穩定、設備故障率低，提高了HIsmelt工藝整體作業率水平；核心裝備方面，強化汽化冷卻煙道的冷卻能力，降低高溫旋風除塵及余熱鍋爐設施的熱負荷，大幅降低了高溫煤氣的含塵量和提高氣體對流換熱系數，提升高溫煤氣的顯熱回收效率；操作技術方面，采用柔性、連續兩種出鐵制度的操作模式，提高了對下游工序銜接的適應性和靈活性；生產工藝方面，對噴吹系統的整體壓力、流量及控制系統等進行優化，增強物料輸送能力，減少外圍設備對工藝生產的影響。

　　作為HIsmelt技術授權工程設計單位，山冶設計持續跟進工廠的運行情況并進行系列的優化升級，依托設計院在鋼鐵冶金設計領域先進的設計理念和雄厚的技術沉淀，不斷將先進的技術裝備植入HIsmelt工廠的設計中。在工藝方面，山冶設計開發新一代流化床預還原技術裝備，充分利用SRV過程產生的高溫煤氣資源，實現能源的循環利用和產量的提升，破解循環流程床作業率低和回轉窯預還原困難的難題；在流程方面，山冶設計推動HIsmelt鐵水在煉鋼生產中的應用，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，為適應氫冶金的發展趨勢，探索氫氣、生物質等清潔能源在SRV應用的可行性，山冶設計開發氫冶金技術裝備，基于HIsmelt熔池冶煉的特點，相較于高爐內爐料結構更加靈活，不需要考慮爐料順行的因素，在氫冶金開發方面更具有優勢。

高爐與HIsmelt對比圖

　　山冶設計作為全球唯一商業化的HIsmelt熔融還原煉鐵工廠的規劃咨詢、設計單位，2012年，參與山東墨龍HIsmelt熔融還原煉鐵技術引進、消化、吸收、再創新全過程工作。在項目方案設計階段/建設過程中，山冶設計組建強有力的技術服務團隊，全程參與項目技術方案優化改進以及建設全過程，深入了解HIsmelt工廠建設過程中的重點難點以及核心設備安裝中的技術要領等；同時參與項目調試、試運行工作，為HIsmelt熔融還原工廠的順利投產提供全過程、全方位的技術支持。

　　自國內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，受到國內外同行的高度關注，山冶設計作為HIsmelt工藝授權的工程技術服務公司，通過既有的市場推廣途徑，進行了廣泛的行業推廣，通過參加學術交流會等方式，使得HIsmelt技術因原燃料適應性、環保、節能以及生產高質量產品的優勢得到了業內專業人士的高度認可。

　　截至目前，山冶設計已為國內外鋼鐵企業開展了關于HIsmelt熔融還原工程技術服務。其中，已經落地實施項目有河北邢鋼科技有限公司，正在開展項目前期準備工作的企業有山西泫氏實業集團，同時包括國外阿爾及利亞鋼鐵公司的高磷礦冶煉項目等。

　　根據河北省工信廳公示產能置換公告（2021年12月），邢臺鋼鐵有限責任公司于威縣城東工業區新建55萬噸/年HIsmelt熔融還原爐5座，建設產能165萬噸/年，享受非高爐等量置換比例。該項目規劃分兩期建設，一期完成2座SRV爐建設，二期完成第3座SRV爐建設。該項目于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，晉城工信局發布山西泫氏制鐵有限公司產能置換公告：山西泫氏實業集團退出318立方米高爐1座、228立方米高爐1座，合計退出年產能59.16萬噸，由山西泫氏制鐵在高平市經濟技術開發區建設1座產能58萬噸/年的HIsmelt熔融還原爐。目前，山冶設計已完成該項目可行性研究報告的編制，正在開展環評/能評等項目前期報批手續，預計2027年初投產。

　　HIsmelt熔融還原技術作為山冶設計孕育推廣的新型煉鐵技術，是已實現工業化生產的熔融還原煉鐵技術之一，是典型非焦熔融還原煉鐵工藝，經實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、產品質量好、環保低耗等優勢，而且有利于節約寶貴的冶金焦煤資源，減少環境污染和降低CO2排放，同時具有復合難選鐵礦、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勢。

　　河北邢鋼科技與山西泫氏鑄造經過多方論證，最后選擇HIsmelt熔融還原煉鐵技術，是對HIsmelt技術優越性認可的體現，同時也是HIsmelt熔融還原煉鐵技術正式進入聯合鋼鐵企業與鑄造生鐵生產企業的典型案例。這兩個項目是山冶設計聯合鋼鐵企業開啟“HIsmelt+電爐”的新型短流程工藝應用的典范，也是適合我國國情的低碳冶金技術路徑，更是實現小高爐鑄造企業高質量轉型及生產高品質鑄造產品的發展方向。相信在山冶設計及多方參與者的共同努力下，HIsmelt熔融還原煉鐵技術將在邢鋼轉型升級搬遷改造項目以及山西泫氏鑄造項目中得到更大的進步與突破，為企業發展注入新的活力。HIsmelt熔融還原煉鐵技術的不斷推廣，也將為鋼鐵企業低碳發展開創新模式，助力鋼鐵企業加快實現碳中和、碳達峰目標。（賈利軍 高峰）

（圖片均由山冶設計提供）