煤基直接还原铁与“两步法”铁水熔炼新工艺在铸造行业的应用

（武汉科思瑞迪科技有限公司，湖北武汉 430223）

铸造行业是我国机械制造业的重要基础产业。21 世纪以来，我国铸造行业总产量一直居于世界首位。据中国铸造协会发布的数据显示，2013～2019年，我国铸件产量整体呈现波动变化态势，但总产量依然呈扩张态势，2019 年的铸件总产量约为48 750 000 t，比2018 年的49 350 000 t 略有下滑，但作为主导产品的钢铁铸件产量与2018 年基本持平，约为40 850 000 t，约占总产量的88.4%，其中铸铁件的产量约占总产量的75.7%.

钢铁铸件的主要熔炼原料通常为铸造生铁和废钢。随着铸造行业熔炼工艺和熔炼设备的不断改进，以及我国环保政策的持续高压实施，感应熔炼工艺逐渐增多，企业废钢用量也相应增加。废钢中通常含有Zn、Pb、Cr、Mn、Ti、Al、B 等微量残余元素，可能给铸件材质带来不良影响。另一方面，随着我国钢铁行业产能及环保政策的进一步收紧、以及短流程电炉炼钢产能比例的提高和转炉高比例废钢的应用，废钢的需求量会持续增加，尤其在钢铁冶炼的“限产季”，传统长流程钢铁冶炼企业为了追求产量平衡，会进一步增加废钢的用量，从而导致铸造生铁和废钢的价格一直居于高位，这也推动了铸铁行业原料成本的提升。

随着世界优质废钢资源的日益减少，积极探索质优价廉的可替代原料和绿色环保的熔炼工艺，对于钢铁铸造行业的可持续发展，具有重要意义。

1 直接还原铁及其特性

直接还原铁（DRI：Direct reduced iron）是将天然矿石（粉）或人造团块在低于熔化温度情况下还原得到的固态金属铁[1]，在钢铁冶炼行业具有广泛的用途，通常被用作电弧炉和中频炉炼钢的优质原料[2～5]，亦可作为转炉炼钢的冷却剂和高炉炼铁的炉料[1～7]。

直接还原铁是一种优质的含铁原料，可以替代铸造生铁和废钢，作为生产钢铁铸造件的熔炼原料。直接还原铁替代铸造生铁和废钢用于电炉熔炼，具有以下优点：

1）直接还原铁的有害残留元素极低[8]（见图1），在电炉熔炼中加入直接还原铁，有利于降低铸件中的残余元素含量，提高铸件产品的成品率和力学性能；

2）直接还原铁的成本较低，可以全部替代废钢或配合使用更高比例的低品质废钢，从而降低电炉熔炼的原料成本；

3）直接还原铁的化学成分均匀、稳定，有助于电炉熔炼工艺的过程控制和终点控制。

直接还原铁的典型成分和熔分后的铁水成分如表1 和表2 所示。

图1 直接还原铁和废钢中的残余有害元素含量

2 COSRED 煤基直接还原新工艺

表1 直接还原铁主要成分（质量分数，%）

表2 直接还原铁电炉熔分后的铁水成分（质量分数，%）

图2 COSRED 煤基直接还原新工艺设备流程

直接还原炼铁工艺根据使用还原剂的不同，可分为两大类：使用气体还原剂的气基直接还原法和使用固体还原剂的煤基直接还原法。气基直接还原工艺通常需要大量廉价的天然气作为支撑，而我国由于天然气资源较少、煤炭资源丰富，因此适宜发展以固体煤炭作为还原剂的煤基直接还原工艺。目前应用较广泛的煤基直接还原工艺是回转窑法，该工艺的产品质量通常不稳定，而且能源消耗过高，在我国并未得到普及应用。此外，由于回转窑的窑体内部很容易发生“结圈”故障，导致设备作业率通常偏低，这也制约了该工艺的推广。

COSRED 煤基竖炉直接还原新工艺是武汉科思瑞迪科技有限公司基于多年的直接还原铁的生产经验，于2005 年发明的新型直接还原技术。经过科思瑞迪研发人员十多年的不懈努力和反复摸索、改进和迭代，先后进行了小型工业试验、中型工业试验和大型工业试验的开发实践，最终实现了装备的工业化运行。COSRED 煤基竖炉直接还原工艺成功地解决了回转窑直接还原工艺的“结圈”顽疾，能够稳定的生产出优质的直接还原铁产品。

2.1 COSRED 煤基直接还原新工艺的基本流程

图2 所示为COSRED 煤基直接还原新工艺的流程示意图。COSRED 煤基直接还原新工艺采用冷固球团作为炉料，首先将钒钛磁铁精矿粉与少量粘结剂混合后，压制成冷固球团并在低温下烘干使其达到一定强度；烘干后的球团按照一定比例与煤颗粒进行混合，从炉顶加入竖炉还原室；气体燃料通过燃烧器在竖炉燃烧室内燃烧，燃烧产生的热量通过导热材料对还原室的炉料进行间接隔焰加热；还原室内的混合炉料从还原室顶部下移的过程中被加热至还原温度，球团被还原成海绵铁后进入还原室下部的冷却装置，经冷却降温后排出竖炉。还原后的混合料经过磁选或筛分处理后，最终获得海绵铁产品，磁选或筛分剩余的煤颗粒作为还原剂循环使用。

2.2 COSRED 煤基直接还原新工艺的主要技术经济指标

COSRED 煤基直接还原新工艺的主要技术经济指标，见表3.

2.3 COSRED 煤基直接还原新工艺的技术特点

COSRED 煤基直接还原新工艺的自动化程度较高，生产操作简单可靠；炉内物料运行顺畅，生产稳定顺行，设备作业率高；所生产的直接还原铁产品金属化率能够稳定的达到90%以上，产品质量稳定，是废钢的优质替代品。

表3 主要技术经济指标

将COSRED 煤基直接还原技术与铸造工艺进行衔接，能够达到以下突出优势：

1）铸造铁源稳定：COSRED 直接还原新工艺生产的直接还原铁加入电炉进行熔炼，能够获得高品质的铸造铁液，很好地解决了铸造企业纯净铁液和优质废钢的来源问题；

2）经济效益明显：COSRED 直接还原新工艺生产的直接还原铁，在考虑各种因素后，其生产成本比当前优质废钢的价格每吨产品低400～600 元，有利于降低企业的原料成本，带来可观的经济效益；

3）产能规模灵活：COSRED 直接还原新工艺的生产规模可根据铸造企业的需要灵活配置，产量匹配度优于高炉工艺；

4）生产节奏可控：COSRED 直接还原工新艺生产的海绵铁可以长时间储存，可根据铸造工艺需求进行熔炼，熔炼节奏与浇注节奏灵活可控；

5）节能降耗：COSRED 直接还原新工艺充分回收利用自身工艺生产过程中产生的余热余能，节能降耗效果明显；

6）环境友好：COSRED 直接还原新工艺的氮氧化物、硫氧化物及粉尘排放量均达标排放，环境除尘灰作为原料返回配料系统再次利用，工艺过程无工业废水和二次固体废弃物产生，环保效果突出。

2.4 COSRED 煤基直接还原新工艺的应用

目前，缅甸和越南已分别建成投产年产50 000 t和100 000 t 直接还原铁的COSRED 煤基直接还原工艺生产线。在国内，武汉科思瑞迪科技有限公司在宜昌建设有1 条年产10 000 t 直接还原铁的COSRED 煤基直接还原工艺的工试生产线。工试生产线建成后，分别对河砂矿、普通铁精粉、铁鳞固废、赤铁块矿、钒钛磁铁矿、高钒铁精粉、含锌除尘灰等多种含铁原料的还原特性进行了大量的生产测试，均取得了圆满成功，这为COSRED 煤基竖炉直接还原技术的推广积累了大量宝贵的生产经验和工艺参数。

本公司工试基地所生产的直接还原铁亦在国内外进行了销售。其中，专门以铁鳞（氧化铁皮）固废为原料生产了一批直接还原铁冷压块（见图3），销往土耳其某钢铁公司作为中频炉炼钢的炉料。以铁鳞固废为原料所生产的直接还原铁冷压块的理化参数如表4 所示。

图3 COSRED 直接还原铁冷压块

表4 直接还原铁冷压块的主要理化参数

工业试验的稳定运行，高度验证了COSRED 煤基直接还原新工艺的技术可行、装备可靠、产品质量稳定、金属化率高。无论是产品质量还是装备可靠性，均优于回转窑和其它煤基直接还原工艺。

2.5 COSRED“两步法”铁水熔炼新工艺

COSRED“两步法”铁水熔炼工艺是将COSRED煤基直接还原工艺生产的直接还原铁装入熔分炉内做进一步的熔炼处理，最终实现渣铁分离，获得铁水。COSRED“两步法”铁水熔炼新工艺的基本流程见图4 所示。

COSRED 煤基直接还原炉生产出的直接还原铁冷却至600 ℃～700 ℃热装进入熔分炉，同时将煤块和溶剂装入熔分炉，通过热风炉向熔分炉内送入1 000 ℃的热风，并且向熔分炉中喷入煤粉；将熔分炉中产生的高温煤气经过热量回收和煤气净化后，用作还原炉中燃烧室的燃料和热风炉的燃料；直接还原铁在熔分炉内进行高温熔炼，最终实现渣铁分离，得到温度1 450 ℃～1 550 ℃的合格铁水，作为铸造用铁液原料。

图4 COSRED“两步法”铁水熔炼新工艺基本流程图

COSRED“两步法”铁水熔炼新工艺具有以下技术优势：

1）工艺流程的优势：与较高炉工艺流程相比，COSRED“两步法”铁水熔炼工艺大为简化（核心装备为还原炉和熔分炉），取消了烧结、氧化球团和焦化等工序，也不需要配置制氧、发电设施，整个工艺的物流运输短洁顺畅、占地小、人员少、备件少、投资省；

2）生产成本的优势：目前我国高炉实际生产铁水的不含税生产成本大多数高炉均为每吨2 250 元～2 350 元，根据分析和测算，COSRED“两步法”铁水熔炼工艺能够在高炉炼铁工艺的基础上降低12%～18%的生产成本；

3）原燃料的优势：与较高炉工艺相比，COSRED“两步法”铁水熔炼工艺不需要焦煤，亦不依赖烧结矿或高温焙烧球团矿；

4）环保及排放的优势：与较高炉工艺相比，由于取消了烧结和焦化等污染物排放大户，COSRED“两步法”铁水熔炼工艺的污染物排放总量大幅减少；

5）国家政策的优势：COSRED“两步法”铁水熔炼工艺可立足于在现有的高炉工艺的基础上，将铸造企业现有的小高炉进行技术升级改造，该工艺是国家产业政策鼓励的非高炉熔融还原工艺；

6）大量利用现有设施的优势：COSRED“两步法”铁水熔炼新工艺对现有的高炉工艺进行技术升级改造时，可充分利旧高炉炼铁车间现有的很多设施，具体包括：高炉基础、部分炉体框架、出铁场设施、渣处理设施、鼓风机站、喷煤设施、热风炉设施、除尘设施、给排水设施、铁水运输设施及主控楼土建设施等，从而大大降低工程投资，是铸造企业小高炉技术升级的最佳选择。

3 结语

1）COSRED 煤基直接还原新工艺是符合我国资源特点的、国家鼓励发展的非高炉炼铁技术，具有规模灵活可调、流程短、操作简单、能耗低、环境友好、生产成本低等优势，所生产的直接还原铁产品是一种优质的废钢替代品，将其作为钢铁铸件的优质熔炼原料，有利于缓解钢铁铸造企业的炉料采购压力，提高铸件的产品质量及经济竞争力。

2）COSRED“两步法”铁水熔炼新工艺，可将铸造企业现有的小高炉升级改造为国家产业政策鼓励的非高炉熔融还原新工艺，不仅可以保障铸造铁水的稳定供应；不需要烧结厂和焦化厂，环保大为改善；而且还能明显降低铁水熔炼成本。

3）将COSRED 的煤基直接还原新工艺和“两步法”铁水熔炼新工艺应用于铸造行业，对于促进铸造行业的可持续发展，具有重要意义。