新型直接還原海綿鐵“DH裝備”論壇

王東海

摘要：本文所介紹的，是為了滿足我國(guó)鋼鐵領(lǐng)域的發(fā)展需要，研制開(kāi)發(fā)的新型“非高爐”煉鐵工藝。主要內(nèi)容是改變了傳統(tǒng)的煉鐵模式，縮短了煉鐵工藝流程，達(dá)到鋼鐵工業(yè)降低能耗，清潔生產(chǎn)，與環(huán)境友好的現(xiàn)代化生產(chǎn)裝備，新型“DH-DRI”裝備。

關(guān)鍵詞：海綿鐵；非高爐煉鐵產(chǎn)物；“DH-DRI”裝備

1.直接還原海綿鐵DH裝備的發(fā)明起源

DH裝備是現(xiàn)代化新型“非高爐煉鐵”裝備。研發(fā)背景是在國(guó)家改革開(kāi)放的相關(guān)政策；《鋼鐵工業(yè)“十一五”發(fā)展規(guī)劃》、《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄2005年本》、《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》提出了優(yōu)先支持研發(fā)或探索冶金關(guān)鍵技術(shù)裝備。加快積極研究和開(kāi)發(fā)“直接還原非高爐煉鐵”工程化關(guān)鍵技術(shù)裝備的鼓舞下，展開(kāi)了直接還原鐵實(shí)質(zhì)性的研究和開(kāi)發(fā)。

DH裝備歷經(jīng)十年的風(fēng)風(fēng)雨雨，途經(jīng)重重困難，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次探索和實(shí)驗(yàn)，攻堅(jiān)克難闖難關(guān)，勢(shì)如破竹地把難點(diǎn)攻破，最終獲得了圓滿成功，扎實(shí)落地?？偤馁Y三千八百四十六萬(wàn)余元。直到2014年先后獲得“非職務(wù)發(fā)明”授權(quán)，十二項(xiàng)國(guó)家專利，其中一項(xiàng)發(fā)明專利；十一項(xiàng)實(shí)用新型專利，還有十六項(xiàng)正在申報(bào)中。

裝備起名是選用發(fā)明人的名子命名，全稱為“東海直接還原海綿鐵裝備”。DH是東海名子的漢語(yǔ)字頭縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱“DH裝備”。該裝備屬于鋼鐵冶金前沿技術(shù)，是新型“直接還原鐵”生產(chǎn)裝備。產(chǎn)品“海綿鐵”它的產(chǎn)出是在低溫的條件下直接還原所得到的固態(tài)金屬鐵，形似海綿而得名，世界統(tǒng)稱海綿鐵，英文縮寫(xiě)“DRI”。本文以下簡(jiǎn)稱“DH-DRI”生產(chǎn)裝備。

2.海綿鐵產(chǎn)品介紹

“海綿鐵”（DRI）也叫直接還原鐵它是“非高爐煉鐵”產(chǎn)物。它與“高爐煉鐵”產(chǎn)物“面包鐵”是同一類產(chǎn)品，都是煉鋼原料?！昂＞d鐵”（DRI）是冶金工業(yè)的高級(jí)爐料。它的生成，是鐵氧化物（精鐵礦）在低溫的條件下直接還原所獲得的固態(tài)金屬鐵，它是單質(zhì)純鐵。所以是冶煉精鋼、特種鋼的必備爐料，也可做煉鋼中的稀釋劑。

3.DH裝備技術(shù)論壇

新型“DH-DRI”生產(chǎn)裝備的基本原理，仍屬豎爐流化床，但與豎爐流化床的工藝流程是完全不同的兩回事。新型生產(chǎn)裝備的主要?jiǎng)?chuàng)新特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一、主體設(shè)備優(yōu)化；二、主體結(jié)構(gòu)優(yōu)化；三、主題能源優(yōu)化；四、爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化；五、生產(chǎn)過(guò)程實(shí)施網(wǎng)絡(luò)管理優(yōu)化；六、描述作業(yè)過(guò)程網(wǎng)絡(luò)管理。以下將優(yōu)化結(jié)構(gòu)分別作一描述。

3.1主體設(shè)備優(yōu)化

“DH-DRI”的主體設(shè)備優(yōu)化描述，采用耐高溫防滲碳的金屬管制成豎直的爐體，爐體上下呈等徑圓筒狀，形成一個(gè)豎直還原通道，上方是進(jìn)料口，下方是出料口。外設(shè)真空金屬爐壁，采用防腐耐高溫金屬材料制成，爐壁與爐體之間構(gòu)成燃燒室，下設(shè)煤氣輸送及點(diǎn)火裝置。爐壁上裝有電加熱元件。該爐體與任何廠家的爐體相比，是完全不相同的，內(nèi)設(shè)有螺旋式爐料推進(jìn)裝置，是將靜態(tài)爐料轉(zhuǎn)變成動(dòng)態(tài)爐料，不需要爐罐，直接入爐還原，減去了爐罐費(fèi)用。

3.2主體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

優(yōu)化主體結(jié)構(gòu)描述，主體結(jié)構(gòu)是有主體設(shè)備并聯(lián)群組合成；實(shí)際是由數(shù)個(gè)單元爐并聯(lián)在一起組成龐大的主體結(jié)構(gòu)，構(gòu)成生產(chǎn)規(guī)模（一個(gè)單元爐年產(chǎn)約3萬(wàn)噸）。優(yōu)化的主要特點(diǎn)在于三個(gè)系統(tǒng)；由煤氣站統(tǒng)一供熱；由運(yùn)料系統(tǒng)統(tǒng)一供料；出料統(tǒng)一運(yùn)送。外設(shè)三個(gè)分支機(jī)構(gòu)；一是煤氣站；二是還原劑廢渣活化煤質(zhì)顆粒活性炭；三是海綿鐵熱值發(fā)電廠。整個(gè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)相互依賴，相互利用，形成一個(gè)循環(huán)作業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，構(gòu)成一個(gè)龐大自動(dòng)化生產(chǎn)格局。

主體結(jié)構(gòu)裝配描述；主體結(jié)構(gòu)的爐體上方設(shè)有尾氣回收裝置與氣體洗滌塔聯(lián)通；尾氣回收裝置上方設(shè)置有高位料倉(cāng)與進(jìn)料倉(cāng)聯(lián)通；料倉(cāng)上配置有自動(dòng)上料裝置，與上料系統(tǒng)聯(lián)通；爐體下方連接配置有水冷卻系統(tǒng)（無(wú)壓式熱傳導(dǎo)鍋爐），與配置的分支機(jī)構(gòu)發(fā)電廠相連；水冷卻系統(tǒng)下方的爐料出口設(shè)有自動(dòng)分選裝置。自動(dòng)分選裝置配置有兩路輸送系統(tǒng)；一路將產(chǎn)品送入庫(kù)房；一路將還原劑廢渣送入配置的分支機(jī)構(gòu)，活化煤質(zhì)活性炭車(chē)間。

單元爐的組合主張?jiān)?0-50座爐以上，主要為了應(yīng)用“海綿鐵熱值”發(fā)電的足夠能量，確保發(fā)電廠正常運(yùn)行，否則便形不成最理想的循環(huán)作業(yè)體系。

3.3主體能源優(yōu)化

主體能源采用氣能、電能兩用加熱法。初期采用煤制氣作主體能源，加熱還原通道，生產(chǎn)海綿鐵。而后有海綿鐵載熱介質(zhì)，通過(guò)熱交換產(chǎn)出的熱能做發(fā)電能源驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。長(zhǎng)期運(yùn)行，由生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)出的電力，加熱還原通道，由電熱流程生產(chǎn)海綿鐵。

根據(jù)實(shí)績(jī)經(jīng)驗(yàn)表明，電力加熱法生產(chǎn)海綿鐵。優(yōu)點(diǎn)：加熱溫度控制精確，無(wú)噪音無(wú)排放，溫度分布均衡，便以調(diào)整。缺點(diǎn)：電加熱元件價(jià)格比較昂貴，有一定的使用壽命，到期更換安裝比較麻煩，需要停機(jī)更換。電力用于其它生產(chǎn)創(chuàng)造的附加值高于生產(chǎn)海綿鐵。主張最好不采用電加熱直接還原方式。企業(yè)可根據(jù)實(shí)際情況自行選擇。

3.4爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化

爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用（67%/TFe）鐵礦精粉為最低標(biāo)準(zhǔn)，制成鐵球；煤質(zhì)還原劑（含碳量50%）制成煤球；而后將球烘干。鐵球和煤球按照適應(yīng)的一定比例混合。形成干式“混合爐料”直接入爐還原，不需要裝爐罐。

3.5生產(chǎn)過(guò)程實(shí)施網(wǎng)絡(luò)管理優(yōu)化

主體結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)管理的特征，是在每一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中都配置了自動(dòng)化運(yùn)行生產(chǎn)系統(tǒng)，而且產(chǎn)品比較單一，主產(chǎn)線僅有非高爐煉鐵，產(chǎn)物海綿鐵（DRI）。煤制氣、物料制球、余熱發(fā)電、煤質(zhì)還原劑廢渣活化成煤質(zhì)顆?；钚蕴?，其都是主體結(jié)構(gòu)的分支機(jī)構(gòu)，它們都配置了自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)，并且都是單制程，既能集成統(tǒng)一管理，又能分散制程。在架構(gòu)MES網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)中都具備網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)及網(wǎng)絡(luò)共享。

3.6描述作業(yè)過(guò)程網(wǎng)絡(luò)管理

“DH-DRI”裝備具體架構(gòu)MES管理生產(chǎn)過(guò)程中，必然要采集生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)施數(shù)據(jù)，匯集到MES系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度：需要MES承擔(dān)起覆蓋質(zhì)量設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造一體化的計(jì)劃編制功能；對(duì)突發(fā)事件的實(shí)時(shí)調(diào)度功能；合同、物料、設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和追蹤功能；生產(chǎn)實(shí)績(jī)、實(shí)際成本等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理功能。MES收集在線產(chǎn)生的過(guò)程數(shù)據(jù)，建立物料的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，這些數(shù)據(jù)應(yīng)該進(jìn)入管理層的數(shù)據(jù)庫(kù)和決策層數(shù)據(jù)庫(kù)。MES是ERP及PCS間的信息紐帶，與ERP系統(tǒng)及PCS系統(tǒng)要有良好的集成性，做到無(wú)縫連接及高度的數(shù)據(jù)共享。這就是新型DH-DRI技術(shù)裝備優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)管理的特征，在同行業(yè)中是唯一全面實(shí)施網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的功能裝備。

4.DH-DRI裝備產(chǎn)業(yè)聚焦

我國(guó)是發(fā)展中大國(guó)，又是世界上第一大鋼鐵生產(chǎn)國(guó)，而又是世界上第一大鋼鐵消費(fèi)國(guó)。隨著我國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，鋼鐵工業(yè)也在技術(shù)升級(jí)、產(chǎn)品升級(jí)，達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

5.DH-DRI裝備直接還原關(guān)鍵技術(shù)描述

“DH-DRI”技術(shù)，還原的基本原理不變，屬于革新的豎爐形式，整個(gè)生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的革新改造?，F(xiàn)將“豎爐流化床”和“DH-DRI”裝備這兩種裝備做一對(duì)比。

以FINMET流化床直接還原流程為例，它是由奧鋼聯(lián)與委內(nèi)瑞拉FIOR公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的，在澳大利亞BHP DRI公司投產(chǎn)。它的主體設(shè)備分別有4個(gè)流化床單體爐。它的還原是在4個(gè)串聯(lián)起來(lái)的流化床中完成。粉礦的流向與還原氣相反，首先依次通入第一、第二、第三個(gè)流化床，完成預(yù)熱和預(yù)還原。最后通入第四個(gè)流化床來(lái)完成整個(gè)還原過(guò)程?！癉RI”金屬化率保持在90%左右。爐體標(biāo)準(zhǔn)以大型化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，相應(yīng)延長(zhǎng)了熱縮核時(shí)間，同時(shí)增加還原時(shí)間。生產(chǎn)過(guò)程中易出現(xiàn)黏結(jié)夾帶問(wèn)題。相應(yīng)爐體設(shè)計(jì)也比較復(fù)雜。

“DH-DRI”裝備關(guān)鍵技術(shù)在于主體設(shè)備，采用耐高溫防滲碳金屬管制成的細(xì)長(zhǎng)還原通道，通道內(nèi)設(shè)置有爐料螺旋推進(jìn)裝置。爐料自上而下移動(dòng)，途徑不等溫度梯度，進(jìn)行不等的熱力學(xué)反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)，來(lái)完成直接還原流程。該工藝技術(shù)改變了整個(gè)還原形勢(shì)；由靜態(tài)爐料轉(zhuǎn)變成動(dòng)態(tài)爐料，增強(qiáng)了還原氣氛，提高了還原速度。

“DH-DRI”生產(chǎn)裝備運(yùn)行包括如下步驟：

5.1首先采用煤氣發(fā)生爐，利用煤制氣方法生產(chǎn)“DRI”。其結(jié)果是將碳?xì)浠衔铮–、H、O）經(jīng)過(guò)脫硫凈化和水洗滌后，將燃?xì)廨斔偷截Q爐端的燃?xì)廨斔脱b置中，由點(diǎn)火裝置點(diǎn)燃，加熱還原爐體，為外熱式煤氣加熱法。

5.2還原海綿鐵的生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程是在不停的運(yùn)行，還原的海綿鐵也在不停地進(jìn)入水冷卻區(qū)段冷卻（熱傳導(dǎo)鍋爐）。將海綿鐵內(nèi)的熱質(zhì)交換傳出，被水吸收，生成飽和蒸汽析出，做汽輪發(fā)電機(jī)組能源，產(chǎn)出的電力輸送到廠內(nèi)自備電站，再送入各個(gè)生產(chǎn)區(qū)配電室，用于電加熱生產(chǎn)“DRI”。

5.3“DH-DRI”生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中相互利用因素，為連續(xù)運(yùn)行，是還原產(chǎn)物攜帶自身熱質(zhì)，在冷卻區(qū)段內(nèi)進(jìn)行不停的向下移動(dòng)，熱質(zhì)也在進(jìn)行著不休止的熱質(zhì)轉(zhuǎn)換，致使“DRI”降至常溫出爐。熱量被水吸收轉(zhuǎn)換成熱能量，能夠保持足夠的能源，持續(xù)持久發(fā)電，用于海綿鐵（DRI）生產(chǎn)。

5.4“DH-DRI”生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程管理，采用MES技術(shù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)“DH-DRI”企業(yè)，實(shí)施信息化集成軟件管理系統(tǒng)。建立操作生產(chǎn)作業(yè)指揮平臺(tái)實(shí)施執(zhí)行管理。MES系統(tǒng)主要涵蓋全產(chǎn)線生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程。還涵蓋著爐體溫度、上料系統(tǒng)、出料系統(tǒng)、配料系統(tǒng)、控水系統(tǒng)等。其中主要包括生產(chǎn)計(jì)劃管理、物流管理、庫(kù)房管理、財(cái)務(wù)管理等。以數(shù)學(xué)形式編入數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)接口與計(jì)算機(jī)緊密連接集成執(zhí)行生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境。

6.DH-DRI裝備發(fā)展遠(yuǎn)景

“DH-DRI”生產(chǎn)裝備在國(guó)內(nèi)外尚屬首例。符合鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)條件。在吉林省延邊州和龍市成立了“吉林高科還原鐵有限公司”。在此期間公司要組建起六大專業(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)。一、設(shè)備制造團(tuán)隊(duì)；二、工程建設(shè)團(tuán)隊(duì)；三、設(shè)備安裝團(tuán)隊(duì)；四、ERP系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)施團(tuán)隊(duì)；五、生產(chǎn)作業(yè)團(tuán)隊(duì)，六、維修服務(wù)團(tuán)隊(duì)。形成一個(gè)具有高標(biāo)準(zhǔn)、高素質(zhì)、高文化、高智能管理隊(duì)伍。

傳統(tǒng)煉鋼工藝的前沿環(huán)節(jié)主要是高爐煉鐵。高爐煉鐵主要環(huán)節(jié)是燒結(jié)、煉焦、高爐煉鐵三大必要工序，能耗占噸鋼綜合能耗85%左右。鋼鐵領(lǐng)域是當(dāng)今社會(huì)環(huán)境的主要污染源。是治理節(jié)能減排的重點(diǎn)領(lǐng)域。

直接還原“DRI”，以非焦煤或天然氣、煤制氣代替焦炭作為煉鐵主要能源，原料用全鐵較高，生成溫度較低的球團(tuán)礦取代高溫的燒結(jié)礦，對(duì)我國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，節(jié)能減排有著重要意義。

直接還原稱作“非高爐”煉鐵。其工藝的關(guān)鍵是：資源較廣泛，價(jià)格較便宜的煤代替焦炭能源。以品位較高、生成溫度較低的礦粉和球團(tuán)礦代替了燒結(jié)礦。改進(jìn)了爐料技術(shù)，從源頭上進(jìn)行了能源改造。海綿鐵是將鐵礦石在固態(tài)狀況下直接還原為單質(zhì)鐵。比高爐生產(chǎn)鐵水溫度低，滲碳少，但因Si、AI和S、P、Mn、Mg等元素仍以氧化物形態(tài)存在，化學(xué)成分不符合鋼的要求。還須在電爐或轉(zhuǎn)爐及其它裝置進(jìn)一步熔煉，屬于二步法煉鋼。

現(xiàn)時(shí)運(yùn)行的隧道窯、回轉(zhuǎn)窯、轉(zhuǎn)底爐、煤基豎爐的能耗經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)相應(yīng)比較落后。這些難題主要原因在于基礎(chǔ)設(shè)施的落后，機(jī)械化條件差，生產(chǎn)條件和生產(chǎn)環(huán)境差。生產(chǎn)技術(shù)絕大多數(shù)還是手工燒爐，技術(shù)實(shí)施難以掌控，造成了還原質(zhì)量不穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量不可靠。強(qiáng)調(diào)追求質(zhì)量只能是增加能耗。在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，但使用價(jià)值也不樂(lè)觀，科技含量?jī)r(jià)值不大。這就是直接還原在我國(guó)發(fā)展比較緩慢的主要原因。

“DH-DRI”是通過(guò)全面了解國(guó)內(nèi)外“直接還原”工藝的性能以及技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和弊端，綜合了各個(gè)方面的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，詳細(xì)分析和研究了工藝中可應(yīng)用的成熟技術(shù)，以及其他行業(yè)可用的成熟技術(shù)。取長(zhǎng)補(bǔ)短綜合利用。打破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，以樹(shù)立綠色低碳消費(fèi)的思想理念，科學(xué)的設(shè)計(jì)研發(fā)方案。打造出一個(gè)具有中國(guó)特色的“綠色消費(fèi)直接還原”DH-DRI裝備。不久將成為我國(guó)鋼鐵工業(yè)必不可缺少的重要組成部分。