（武漢科思瑞迪科技有限公司，湖北武漢 430223）

鑄造行業(yè)是我國機械制造業(yè)的重要基礎產(chǎn)業(yè)。21 世紀以來，我國鑄造行業(yè)總產(chǎn)量一直居于世界首位。據(jù)中國鑄造協(xié)會發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2013～2019年，我國鑄件產(chǎn)量整體呈現(xiàn)波動變化態(tài)勢，但總產(chǎn)量依然呈擴張態(tài)勢，2019 年的鑄件總產(chǎn)量約為48 750 000 t，比2018 年的49 350 000 t 略有下滑，但作為主導產(chǎn)品的鋼鐵鑄件產(chǎn)量與2018 年基本持平，約為40 850 000 t，約占總產(chǎn)量的88.4%，其中鑄鐵件的產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的75.7%.

鋼鐵鑄件的主要熔煉原料通常為鑄造生鐵和廢鋼。隨著鑄造行業(yè)熔煉工藝和熔煉設備的不斷改進，以及我國環(huán)保政策的持續(xù)高壓實施，感應熔煉工藝逐漸增多，企業(yè)廢鋼用量也相應增加。廢鋼中通常含有Zn、Pb、Cr、Mn、Ti、Al、B 等微量殘余元素，可能給鑄件材質(zhì)帶來不良影響。另一方面，隨著我國鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能及環(huán)保政策的進一步收緊、以及短流程電爐煉鋼產(chǎn)能比例的提高和轉(zhuǎn)爐高比例廢鋼的應用，廢鋼的需求量會持續(xù)增加，尤其在鋼鐵冶煉的“限產(chǎn)季”，傳統(tǒng)長流程鋼鐵冶煉企業(yè)為了追求產(chǎn)量平衡，會進一步增加廢鋼的用量，從而導致鑄造生鐵和廢鋼的價格一直居于高位，這也推動了鑄鐵行業(yè)原料成本的提升。

隨著世界優(yōu)質(zhì)廢鋼資源的日益減少，積極探索質(zhì)優(yōu)價廉的可替代原料和綠色環(huán)保的熔煉工藝，對于鋼鐵鑄造行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，具有重要意義。

1 直接還原鐵及其特性

直接還原鐵（DRI：Direct reduced iron）是將天然礦石（粉）或人造團塊在低于熔化溫度情況下還原得到的固態(tài)金屬鐵[1]，在鋼鐵冶煉行業(yè)具有廣泛的用途，通常被用作電弧爐和中頻爐煉鋼的優(yōu)質(zhì)原料[2～5]，亦可作為轉(zhuǎn)爐煉鋼的冷卻劑和高爐煉鐵的爐料[1～7]。

直接還原鐵是一種優(yōu)質(zhì)的含鐵原料，可以替代鑄造生鐵和廢鋼，作為生產(chǎn)鋼鐵鑄造件的熔煉原料。直接還原鐵替代鑄造生鐵和廢鋼用于電爐熔煉，具有以下優(yōu)點：

1）直接還原鐵的有害殘留元素極低[8]（見圖1），在電爐熔煉中加入直接還原鐵，有利于降低鑄件中的殘余元素含量，提高鑄件產(chǎn)品的成品率和力學性能；

2）直接還原鐵的成本較低，可以全部替代廢鋼或配合使用更高比例的低品質(zhì)廢鋼，從而降低電爐熔煉的原料成本；

3）直接還原鐵的化學成分均勻、穩(wěn)定，有助于電爐熔煉工藝的過程控制和終點控制。

直接還原鐵的典型成分和熔分后的鐵水成分如表1 和表2 所示。

圖1 直接還原鐵和廢鋼中的殘余有害元素含量

2 COSRED 煤基直接還原新工藝

表1 直接還原鐵主要成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

表2 直接還原鐵電爐熔分后的鐵水成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

圖2 COSRED 煤基直接還原新工藝設備流程

直接還原煉鐵工藝根據(jù)使用還原劑的不同，可分為兩大類：使用氣體還原劑的氣基直接還原法和使用固體還原劑的煤基直接還原法。氣基直接還原工藝通常需要大量廉價的天然氣作為支撐，而我國由于天然氣資源較少、煤炭資源豐富，因此適宜發(fā)展以固體煤炭作為還原劑的煤基直接還原工藝。目前應用較廣泛的煤基直接還原工藝是回轉(zhuǎn)窯法，該工藝的產(chǎn)品質(zhì)量通常不穩(wěn)定，而且能源消耗過高，在我國并未得到普及應用。此外，由于回轉(zhuǎn)窯的窯體內(nèi)部很容易發(fā)生“結(jié)圈”故障，導致設備作業(yè)率通常偏低，這也制約了該工藝的推廣。

COSRED 煤基豎爐直接還原新工藝是武漢科思瑞迪科技有限公司基于多年的直接還原鐵的生產(chǎn)經(jīng)驗，于2005 年發(fā)明的新型直接還原技術(shù)。經(jīng)過科思瑞迪研發(fā)人員十多年的不懈努力和反復摸索、改進和迭代，先后進行了小型工業(yè)試驗、中型工業(yè)試驗和大型工業(yè)試驗的開發(fā)實踐，最終實現(xiàn)了裝備的工業(yè)化運行。COSRED 煤基豎爐直接還原工藝成功地解決了回轉(zhuǎn)窯直接還原工藝的“結(jié)圈”頑疾，能夠穩(wěn)定的生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的直接還原鐵產(chǎn)品。

2.1 COSRED 煤基直接還原新工藝的基本流程

圖2 所示為COSRED 煤基直接還原新工藝的流程示意圖。COSRED 煤基直接還原新工藝采用冷固球團作為爐料，首先將釩鈦磁鐵精礦粉與少量粘結(jié)劑混合后，壓制成冷固球團并在低溫下烘干使其達到一定強度；烘干后的球團按照一定比例與煤顆粒進行混合，從爐頂加入豎爐還原室；氣體燃料通過燃燒器在豎爐燃燒室內(nèi)燃燒，燃燒產(chǎn)生的熱量通過導熱材料對還原室的爐料進行間接隔焰加熱；還原室內(nèi)的混合爐料從還原室頂部下移的過程中被加熱至還原溫度，球團被還原成海綿鐵后進入還原室下部的冷卻裝置，經(jīng)冷卻降溫后排出豎爐。還原后的混合料經(jīng)過磁選或篩分處理后，最終獲得海綿鐵產(chǎn)品，磁選或篩分剩余的煤顆粒作為還原劑循環(huán)使用。

2.2 COSRED 煤基直接還原新工藝的主要技術(shù)經(jīng)濟指標

COSRED 煤基直接還原新工藝的主要技術(shù)經(jīng)濟指標，見表3.

2.3 COSRED 煤基直接還原新工藝的技術(shù)特點

COSRED 煤基直接還原新工藝的自動化程度較高，生產(chǎn)操作簡單可靠；爐內(nèi)物料運行順暢，生產(chǎn)穩(wěn)定順行，設備作業(yè)率高；所生產(chǎn)的直接還原鐵產(chǎn)品金屬化率能夠穩(wěn)定的達到90%以上，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，是廢鋼的優(yōu)質(zhì)替代品。

表3 主要技術(shù)經(jīng)濟指標

將COSRED 煤基直接還原技術(shù)與鑄造工藝進行銜接，能夠達到以下突出優(yōu)勢：

1）鑄造鐵源穩(wěn)定：COSRED 直接還原新工藝生產(chǎn)的直接還原鐵加入電爐進行熔煉，能夠獲得高品質(zhì)的鑄造鐵液，很好地解決了鑄造企業(yè)純凈鐵液和優(yōu)質(zhì)廢鋼的來源問題；

2）經(jīng)濟效益明顯：COSRED 直接還原新工藝生產(chǎn)的直接還原鐵，在考慮各種因素后，其生產(chǎn)成本比當前優(yōu)質(zhì)廢鋼的價格每噸產(chǎn)品低400～600 元，有利于降低企業(yè)的原料成本，帶來可觀的經(jīng)濟效益；

3）產(chǎn)能規(guī)模靈活：COSRED 直接還原新工藝的生產(chǎn)規(guī)模可根據(jù)鑄造企業(yè)的需要靈活配置，產(chǎn)量匹配度優(yōu)于高爐工藝；

4）生產(chǎn)節(jié)奏可控：COSRED 直接還原工新藝生產(chǎn)的海綿鐵可以長時間儲存，可根據(jù)鑄造工藝需求進行熔煉，熔煉節(jié)奏與澆注節(jié)奏靈活可控；

5）節(jié)能降耗：COSRED 直接還原新工藝充分回收利用自身工藝生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱余能，節(jié)能降耗效果明顯；

6）環(huán)境友好：COSRED 直接還原新工藝的氮氧化物、硫氧化物及粉塵排放量均達標排放，環(huán)境除塵灰作為原料返回配料系統(tǒng)再次利用，工藝過程無工業(yè)廢水和二次固體廢棄物產(chǎn)生，環(huán)保效果突出。

2.4 COSRED 煤基直接還原新工藝的應用

目前，緬甸和越南已分別建成投產(chǎn)年產(chǎn)50 000 t和100 000 t 直接還原鐵的COSRED 煤基直接還原工藝生產(chǎn)線。在國內(nèi)，武漢科思瑞迪科技有限公司在宜昌建設有1 條年產(chǎn)10 000 t 直接還原鐵的COSRED 煤基直接還原工藝的工試生產(chǎn)線。工試生產(chǎn)線建成后，分別對河砂礦、普通鐵精粉、鐵鱗固廢、赤鐵塊礦、釩鈦磁鐵礦、高釩鐵精粉、含鋅除塵灰等多種含鐵原料的還原特性進行了大量的生產(chǎn)測試，均取得了圓滿成功，這為COSRED 煤基豎爐直接還原技術(shù)的推廣積累了大量寶貴的生產(chǎn)經(jīng)驗和工藝參數(shù)。

本公司工試基地所生產(chǎn)的直接還原鐵亦在國內(nèi)外進行了銷售。其中，專門以鐵鱗（氧化鐵皮）固廢為原料生產(chǎn)了一批直接還原鐵冷壓塊（見圖3），銷往土耳其某鋼鐵公司作為中頻爐煉鋼的爐料。以鐵鱗固廢為原料所生產(chǎn)的直接還原鐵冷壓塊的理化參數(shù)如表4 所示。

圖3 COSRED 直接還原鐵冷壓塊

表4 直接還原鐵冷壓塊的主要理化參數(shù)

工業(yè)試驗的穩(wěn)定運行，高度驗證了COSRED 煤基直接還原新工藝的技術(shù)可行、裝備可靠、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、金屬化率高。無論是產(chǎn)品質(zhì)量還是裝備可靠性，均優(yōu)于回轉(zhuǎn)窯和其它煤基直接還原工藝。

2.5 COSRED“兩步法”鐵水熔煉新工藝

COSRED“兩步法”鐵水熔煉工藝是將COSRED煤基直接還原工藝生產(chǎn)的直接還原鐵裝入熔分爐內(nèi)做進一步的熔煉處理，最終實現(xiàn)渣鐵分離，獲得鐵水。COSRED“兩步法”鐵水熔煉新工藝的基本流程見圖4 所示。

COSRED 煤基直接還原爐生產(chǎn)出的直接還原鐵冷卻至600 ℃～700 ℃熱裝進入熔分爐，同時將煤塊和溶劑裝入熔分爐，通過熱風爐向熔分爐內(nèi)送入1 000 ℃的熱風，并且向熔分爐中噴入煤粉；將熔分爐中產(chǎn)生的高溫煤氣經(jīng)過熱量回收和煤氣凈化后，用作還原爐中燃燒室的燃料和熱風爐的燃料；直接還原鐵在熔分爐內(nèi)進行高溫熔煉，最終實現(xiàn)渣鐵分離，得到溫度1 450 ℃～1 550 ℃的合格鐵水，作為鑄造用鐵液原料。

圖4 COSRED“兩步法”鐵水熔煉新工藝基本流程圖

COSRED“兩步法”鐵水熔煉新工藝具有以下技術(shù)優(yōu)勢：

1）工藝流程的優(yōu)勢：與較高爐工藝流程相比，COSRED“兩步法”鐵水熔煉工藝大為簡化（核心裝備為還原爐和熔分爐），取消了燒結(jié)、氧化球團和焦化等工序，也不需要配置制氧、發(fā)電設施，整個工藝的物流運輸短潔順暢、占地小、人員少、備件少、投資省；

2）生產(chǎn)成本的優(yōu)勢：目前我國高爐實際生產(chǎn)鐵水的不含稅生產(chǎn)成本大多數(shù)高爐均為每噸2 250 元～2 350 元，根據(jù)分析和測算，COSRED“兩步法”鐵水熔煉工藝能夠在高爐煉鐵工藝的基礎上降低12%～18%的生產(chǎn)成本；

3）原燃料的優(yōu)勢：與較高爐工藝相比，COSRED“兩步法”鐵水熔煉工藝不需要焦煤，亦不依賴燒結(jié)礦或高溫焙燒球團礦；

4）環(huán)保及排放的優(yōu)勢：與較高爐工藝相比，由于取消了燒結(jié)和焦化等污染物排放大戶，COSRED“兩步法”鐵水熔煉工藝的污染物排放總量大幅減少；

5）國家政策的優(yōu)勢：COSRED“兩步法”鐵水熔煉工藝可立足于在現(xiàn)有的高爐工藝的基礎上，將鑄造企業(yè)現(xiàn)有的小高爐進行技術(shù)升級改造，該工藝是國家產(chǎn)業(yè)政策鼓勵的非高爐熔融還原工藝；

6）大量利用現(xiàn)有設施的優(yōu)勢：COSRED“兩步法”鐵水熔煉新工藝對現(xiàn)有的高爐工藝進行技術(shù)升級改造時，可充分利舊高爐煉鐵車間現(xiàn)有的很多設施，具體包括：高爐基礎、部分爐體框架、出鐵場設施、渣處理設施、鼓風機站、噴煤設施、熱風爐設施、除塵設施、給排水設施、鐵水運輸設施及主控樓土建設施等，從而大大降低工程投資，是鑄造企業(yè)小高爐技術(shù)升級的最佳選擇。

3 結(jié)語

1）COSRED 煤基直接還原新工藝是符合我國資源特點的、國家鼓勵發(fā)展的非高爐煉鐵技術(shù)，具有規(guī)模靈活可調(diào)、流程短、操作簡單、能耗低、環(huán)境友好、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢，所生產(chǎn)的直接還原鐵產(chǎn)品是一種優(yōu)質(zhì)的廢鋼替代品，將其作為鋼鐵鑄件的優(yōu)質(zhì)熔煉原料，有利于緩解鋼鐵鑄造企業(yè)的爐料采購壓力，提高鑄件的產(chǎn)品質(zhì)量及經(jīng)濟競爭力。

2）COSRED“兩步法”鐵水熔煉新工藝，可將鑄造企業(yè)現(xiàn)有的小高爐升級改造為國家產(chǎn)業(yè)政策鼓勵的非高爐熔融還原新工藝，不僅可以保障鑄造鐵水的穩(wěn)定供應；不需要燒結(jié)廠和焦化廠，環(huán)保大為改善；而且還能明顯降低鐵水熔煉成本。

3）將COSRED 的煤基直接還原新工藝和“兩步法”鐵水熔煉新工藝應用于鑄造行業(yè)，對于促進鑄造行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，具有重要意義。