山东省冶金设计院股份有限公司（简称山冶设计），作为国内唯一拥有商业化HIsmelt熔融还原炼铁工厂工程设计业绩的工程技术公司，伴随着中国高炉炼铁技术新世纪极大进步，在国内生铁产量稳居世界首位及高炉向大型化、现代化、高效化发展趋势以及炼铁技术创新和装备升级成就突出的背景下，山冶设计的炼铁技术水平也实现了飞跃式发展，先进低碳技术的开发应用，助力山冶设计炼铁工程业绩遍布国内外，高炉容积从200立方米到5000立方米。骄人成绩的背后，得益于山冶设计持续不断的创新突破，秉持理论与实践相结合的原则，践行以问题为导向的理念，在解决问题中积累经验、提高能力，研究开发更加绿色、智能、环保、高效的特色炼铁技术，在提升自身实力的同时，更好地服务客户，助推行业技术进步，为钢铁行业节能降耗做出了突出贡献。

　　山冶设计是国内较早具备高炉炼铁大型化、高端化、现代化的国际技术公司，对炼铁技术更绿色、更智能、更低碳的研究从来没有停止过脚步。炼铁工序作为钢铁生产过程中资源、能源和成本控制的关键环节，其CO2排放量约占钢铁生产全流程总排放量的70%，是钢铁领域节能减排和转型升级的关键环节。现有主流钢铁冶炼工艺流程有“高炉+转炉”长流程和电炉短流程，随着非高炉冶炼技术的发展，“HIsmelt炼铁+电炉或转炉”以及“竖炉+电炉”流程也得到应用。高炉工艺经过百余年的发展和实践，技术日臻成熟，由于焦炭特殊的骨架作用难以显著降低焦炭的消耗，通过设备升级和操作优化可以少量降低冶炼过程能源消耗；HIsmelt工艺过程不使用焦炭，产品纯净度高，生产的铁水可以直接用于现有转炉或电炉炼钢过程，目前在山东、河北、山西等地逐渐得到企业认可并开始实践应用，且随着氢冶金和预还原技术的进步减排潜力巨大；竖炉工艺目前在河北、广东等地逐步应用，产品海绵铁用于电炉冶炼，不使用煤粉和焦炭，但受制于现阶段还原气源的供应来自焦炉煤气、减排效果还不够显著，随着未来绿电和大规模制氢技术的发展，相信会有更多的应用和减排潜力。

　　我国在铁矿石方面对外依存度高，高价铁矿石大幅侵蚀了我国钢铁行业的利润。国内应积极寻求其他铁矿石和废钢等资源的替代，提升国内矿山企业竞争力，大幅降低对国外进口铁精矿的依赖，才能保障我国钢铁工业长期发展的原料供应。传统高炉炼铁以焦炭作为主要燃料及还原剂，使用烧结矿、球团、块矿等作为主要原料，工艺流程长、原燃料要求高，正面临环保、能源以及原料资源制约等方面压力，是制约我国钢铁工业可持续发展的瓶颈。为减轻高炉工艺对焦煤资源的依赖以及长流程带来的环保和排放压力，20世纪60年代以来，世界多国进行了广泛的非高炉炼铁新工艺的研究开发工作，相继开发了Corex、Finex和HIsmelt等多种非高炉炼铁工艺。直接还原与熔融还原是非高炉冶炼的两大课题，其中直接还原在低于熔化温度下还原生产海绵铁，其含碳量较低（<2%）且含脉石杂质较多，作为废钢代用品用于电炉炼钢；熔融还原是使用非焦煤为主要能源、利用铁矿粉生产高温铁水的炼铁工艺，产品可以替代高炉炼铁用于转炉及电炉炼钢，以其非焦冶炼、环境友好等优势成为研究的热点。

HIsmelt熔融还原技术流程匹配图

　　熔融还原技术主要以HIsmelt、Corex、Finex等为代表，具有工艺流程短、原料适用性强的特点，其中HIsmlet工艺摆脱对焦煤资源的依赖，全部使用煤粉作为燃料来源，原料适用范围广，目前已在山东、内蒙古等地投产应用。山东HIsmelt工厂自2017年投产以来，通过不断优化和升级，已累计生产超过230万吨铁水，连续作业天数达到185天，月最高产量达到5.7万吨，工艺可行性和设备稳定性已得到检验。

典型HIsmelt工艺流程

　　气基竖炉工艺利用氢气、焦炉煤气或天然气等作为热源和还原剂，利用铁精粉等高品位矿粉作为原料，生产海绵铁用于电炉炼钢。该工艺在中东、欧美等天然气资源丰富的区域发展较快，我国受制于天然气、高品位铁矿粉资源不足影响，气基竖炉工艺发展一直处于停滞状态，但是近两年来在“双碳”背景下行业内提出利用氢基竖炉工艺达到减排目的，在河北、广州、山西等地陆续得到应用。目前，我国竖炉还是以焦炉煤气、天然气改质为主，受制于气源影响应用范围有限；如未来能够突破大规模绿色制氢技术的壁垒，实现低成本氢气的生产、储存和运输，氢气竖炉才会得到规模化应用。

　　HIsmelt熔融还原工艺作为已实现工业化生产的非高炉炼铁技术之一，是当今冶金领域前沿技术，属于典型非焦熔融还原炼铁工艺。其主要生产过程是：冶炼所需的铁矿粉、煤和熔剂等炉料在原料场堆存后，以皮带运输方式经原燃料输送系统输送到矿粉预处理系统、煤粉制备系统，铁矿粉在预处理系统（回转窑或流化床）完成铁矿粉的预热或预还原，被加热的铁矿粉经过热矿输送机进入热矿喷吹系统；原煤进入煤粉制备系统，经过干燥破碎后进入煤粉喷吹系统，被加热的热矿粉（粒度<8毫米）和破碎后的煤粉（粒度<3毫米）分别经过各自的喷吹、输送管线、水冷喷枪进入到熔融还原炉（SRV）内，其中煤粉喷入熔池中后，煤开始裂解，碳元素溶于铁水中，煤粉中脉石开始熔化并形成熔渣。铁氧化物进入熔池中与碳反应生成铁单质。

煤粉过程行为

铁矿粉过程行为

　　SRV生产的铁水经过前置炉排出，进入铁水罐，后经铁水倒运装置依次经过铁水脱硫、铸铁机生产高纯生铁或进入炼钢工序。冶炼产生的熔渣经渣口排出，进入水渣粒化系统。SRV生产的大量高温煤气经煤气室排出，依次进入高温汽化冷却烟道、高温旋风除尘器，进行降温及初除尘，降温后的半净煤气再进入余热锅炉，进一步回收煤气显热，降温后的煤气温度约200℃，进入煤气净化系统。煤气净化后并入管网供下游用户使用，烟道和余热锅炉产生的蒸汽用于发电。

　　煤粉在载气N2作用下通过物料喷枪进入SRV中，煤粉中的碳在高温下熔解进入铁水中，煤粉中挥发分裂解随上升的气流进入上部空间。矿粉、熔剂等固态炉料随着高速载气喷吹进入熔池内部，炉料中的金属氧化物被碳还原生成金属单质和CO(g)。相比于固态碳，溶解碳还原铁氧化物的效率高出1～2个数量级。矿粉的直接还原速度不受反应区工作状态和熔渣中FeO含量影响，故SRV单体生产效率比其他熔融还原方法高。

　　铁水熔池中反应产生的CO(g)、煤中挥发分裂解产生的H2和喷吹N2形成混合气，与上部让热风喷枪送来的富氧热风（约1200℃，40%O2）相遇产生剧烈燃烧反应（即二次燃烧过程），还原性CO、H2等与炉内的氧气反应，产生二氧化碳和水蒸气，同时放出大量的热量。这些热量被传递给炉内的还原反应，维持熔融还原炉的高温状态。

　　混合气在浮力作用下带动周边铁水和熔渣从中间向上运动形成“涌泉”。由于熔池内的气体搅拌和顶部热风喷枪的射流，SRV中二次燃烧所产生的热能，通过热传导和热辐射方式传给“涌泉”中的铁水和熔渣，随着被加热的渣铁回落到铁水熔池，为冶炼提供所需的热能。

　　流程优势。HIsmelt熔融还原流程，相比传统高炉流程省去了焦化、烧结、球团工艺，极大地缩短了工艺流程；相比竖炉工艺，HIsmelt过程不受高品位矿粉和还原气短缺影响，适用性更强，且SRV能源转换功能可以为其他工序提供煤气保障。

　　原燃料优势。在原燃料适应性方面，既可以直接使用普通粉矿和粉煤用于生产铁水，又可以充当废钢冶炼的稀释剂，为高品质钢铁生产提供保障；另外，HIsmelt+电炉流程工艺匹配性好,可以灵活调整炼钢过程铁水比例，又可以发挥SRV能源转换功能为下游提供电力及煤气供应，在推动资源综合利用方面将会取得新的突破。

　　产品质量优势。HIsmelt工艺生产的铁水纯净度高、铁水可用于高纯生铁的生产，有害元素含量极低；HIsmelt生产的铁水P含量低、有害元素含量极低，是炼钢生产高品质纯净钢的优质原料；同时，也可以避免因全废钢电炉原料带入的有害元素对产品质量的影响。

HIsmelt寿光工厂

　　HIsmelt技术工业化应用以来，以其技术优势吸引着世界各国广泛关注。2005年，HIsmelt技术首座试验工厂在澳大利亚奎那那地区建成。该工厂运行了3年多的时间，生产出约38万吨的产品，证明了HIsmelt技术的工艺可行性，但同时也暴露出炉缸耐材侵蚀较快、流化床故障率高、工厂作业率低等工艺和设备问题。2012年，山东墨龙签订技术许可协议引进该技术，并于2013年开始了HIsmelt寿光工厂的设计工作。因工厂借鉴吸收HIsmelt奎那那工厂的经验，对工艺流程、生产设备、操作技术等进行了优化升级，将“流化床+SRV”流程改为“回转窑+SRV”流程，工厂于2016年底建成投产，在设备稳定性和连续作业率方面得到显著提升。2017年，山东墨龙收购了力拓集团HIsmelt技术在全球范围内的商标、专利、技术秘密等相关知识产权，成为HIsmelt熔融还原技术在全球范围内的唯一拥有方。截至目前，寿光工厂已生产超过230万吨高纯铁水，主要应用于高铁、核电、风电、石油装备、机床等高端装备制造领域。

　　HIsmelt寿光工厂作为实现商业化应用的非高炉炼铁企业，在炼铁发展历史中具有重要的意义。该工厂经历10多次的开停炉探索，随着技术人员对工艺流程和技术操作的逐步优化，以及对故障设备的检修更换、操作规程的进一步修改完善，从作业率、操作稳定性以及能耗指标方面都有很大的提高，当前日最高产量超过2045吨，连续生产天数185天，月最高产量达到5.7万吨。

　　为了提高工厂作业率，HIsmelt寿光工厂在工艺流程、核心装备、操作技术和生产工艺等方面进行了大量优化。其主要包括：工艺流程方面，采用回转窑预处理工艺替代原有多级流化床工艺，改进后技术成熟稳定、设备故障率低，提高了HIsmelt工艺整体作业率水平；核心装备方面，强化汽化冷却烟道的冷却能力，降低高温旋风除尘及余热锅炉设施的热负荷，大幅降低了高温煤气的含尘量和提高气体对流换热系数，提升高温煤气的显热回收效率；操作技术方面，采用柔性、连续两种出铁制度的操作模式，提高了对下游工序衔接的适应性和灵活性；生产工艺方面，对喷吹系统的整体压力、流量及控制系统等进行优化，增强物料输送能力，减少外围设备对工艺生产的影响。

　　作为HIsmelt技术授权工程设计单位，山冶设计持续跟进工厂的运行情况并进行系列的优化升级，依托设计院在钢铁冶金设计领域先进的设计理念和雄厚的技术沉淀，不断将先进的技术装备植入HIsmelt工厂的设计中。在工艺方面，山冶设计开发新一代流化床预还原技术装备，充分利用SRV过程产生的高温煤气资源，实现能源的循环利用和产量的提升，破解循环流程床作业率低和回转窑预还原困难的难题；在流程方面，山冶设计推动HIsmelt铁水在炼钢生产中的应用，采用“HIsmelt+电炉”工艺流程，解决了废钢资源不足和有害元素残留较多问题，是目前阶段电炉炼钢的有力支持和保障；在装备方面，为适应氢冶金的发展趋势，探索氢气、生物质等清洁能源在SRV应用的可行性，山冶设计开发氢冶金技术装备，基于HIsmelt熔池冶炼的特点，相较于高炉内炉料结构更加灵活，不需要考虑炉料顺行的因素，在氢冶金开发方面更具有优势。

高炉与HIsmelt对比图

　　山冶设计作为全球唯一商业化的HIsmelt熔融还原炼铁工厂的规划咨询、设计单位，2012年，参与山东墨龙HIsmelt熔融还原炼铁技术引进、消化、吸收、再创新全过程工作。在项目方案设计阶段/建设过程中，山冶设计组建强有力的技术服务团队，全程参与项目技术方案优化改进以及建设全过程，深入了解HIsmelt工厂建设过程中的重点难点以及核心设备安装中的技术要领等；同时参与项目调试、试运行工作，为HIsmelt熔融还原工厂的顺利投产提供全过程、全方位的技术支持。

　　自国内HIsmelt熔融还原炼铁工厂建成以来，因其属于真正的非焦炼铁工艺，受到国内外同行的高度关注，山冶设计作为HIsmelt工艺授权的工程技术服务公司，通过既有的市场推广途径，进行了广泛的行业推广，通过参加学术交流会等方式，使得HIsmelt技术因原燃料适应性、环保、节能以及生产高质量产品的优势得到了业内专业人士的高度认可。

　　截至目前，山冶设计已为国内外钢铁企业开展了关于HIsmelt熔融还原工程技术服务。其中，已经落地实施项目有河北邢钢科技有限公司，正在开展项目前期准备工作的企业有山西泫氏实业集团，同时包括国外阿尔及利亚钢铁公司的高磷矿冶炼项目等。

　　根据河北省工信厅公示产能置换公告（2021年12月），邢台钢铁有限责任公司于威县城东工业区新建55万吨/年HIsmelt熔融还原炉5座，建设产能165万吨/年，享受非高炉等量置换比例。该项目规划分两期建设，一期完成2座SRV炉建设，二期完成第3座SRV炉建设。该项目于2023年12月份正式开始土建施工，目前1号SRV炉本体壳体已建成。

　　日前，晋城工信局发布山西泫氏制铁有限公司产能置换公告：山西泫氏实业集团退出318立方米高炉1座、228立方米高炉1座，合计退出年产能59.16万吨，由山西泫氏制铁在高平市经济技术开发区建设1座产能58万吨/年的HIsmelt熔融还原炉。目前，山冶设计已完成该项目可行性研究报告的编制，正在开展环评/能评等项目前期报批手续，预计2027年初投产。

　　HIsmelt熔融还原技术作为山冶设计孕育推广的新型炼铁技术，是已实现工业化生产的熔融还原炼铁技术之一，是典型非焦熔融还原炼铁工艺，经实践证明了其工艺可行性。HIsmelt工艺不仅具有流程短、操作简便灵活、快速响应、产品质量好、环保低耗等优势，而且有利于节约宝贵的冶金焦煤资源，减少环境污染和降低CO2排放，同时具有复合难选铁矿、钢铁厂粉尘和有色冶金含铁渣等含铁废弃物的综合利用等优势。

　　河北邢钢科技与山西泫氏铸造经过多方论证，最后选择HIsmelt熔融还原炼铁技术，是对HIsmelt技术优越性认可的体现，同时也是HIsmelt熔融还原炼铁技术正式进入联合钢铁企业与铸造生铁生产企业的典型案例。这两个项目是山冶设计联合钢铁企业开启“HIsmelt+电炉”的新型短流程工艺应用的典范，也是适合我国国情的低碳冶金技术路径，更是实现小高炉铸造企业高质量转型及生产高品质铸造产品的发展方向。相信在山冶设计及多方参与者的共同努力下，HIsmelt熔融还原炼铁技术将在邢钢转型升级搬迁改造项目以及山西泫氏铸造项目中得到更大的进步与突破，为企业发展注入新的活力。HIsmelt熔融还原炼铁技术的不断推广，也将为钢铁企业低碳发展开创新模式，助力钢铁企业加快实现碳中和、碳达峰目标。（贾利军 高峰）

（图片均由山冶设计提供）