HIsmelt熔融还原炼铁：直炼液态铁水的颠覆性技术路径

HIsmelt炼铁工艺

HIsmelt是简洁创新的空气基直接熔融还原技术，利用铁矿粉或任意合格铁质原料，以煤为还原剂兼能源，在熔融铁水浴中实现冶炼。核心原料：铁矿粉、煤、熔剂(石灰石/白云石)。

HIsmelt意为「高强度熔融」。它是从铁矿石直炼液态铁水的直接熔融还原工艺。工艺针对铁矿粉最小化预处理，大幅拓宽适用矿质范围：可用非焦煤、含杂质显著的铁矿粉。主产品液态铁水(铁水)可送转炉炼钢或铸造机铸造生铁；副产品为渣与炉顶煤气。

驱动力：(i)利用廉价丰富非焦煤/未烧结矿；(ii)经济规模更小；(iii)资本/运营成本竞争力强；(iv)淘汰焦炉/烧结/球团厂减环保压力；(v)操作灵活。HIsmelt原料适应性极广：炼钢厂废料、高磷矿均可；粒度<6mm(常规烧结配矿)至80%<40μm(球团配矿)无需调整铁收率；焦粉至38%挥发分非焦煤均适用。

工艺核心特征

HIsmelt工艺简洁可靠。核心机制：在金属浴中以溶解碳还原熔融含铁原料。通过高速喷吹煤粉入浴部分燃烧，并将浴面析出气体后燃烧热量经富氧热风回传浴内。热风富氧(至30% O₂)成功提升炉强度与产能。整体反应与传热机制提供充足能量维持还原与冶炼。

工艺在耐火砌筑炉底、水冷上壳的垂直熔融还原炉(SRV)加压运行(图1)。耐火炉底盛载铁水浴与液态渣，厚渣层覆盖金属浴面。铁矿粉、煤、熔剂直喷入SRV熔体。煤接触铁水溶解碳，与含铁氧化物反应生成CO；煤快速热解析出氢气。

图1 HIsmelt熔融还原炉结构

CO、氢气、氮气载气高速逸出带动渣铁混合物喷涌上空。1200℃热风经水冷枪吹入顶部空间，与CO/氢气后燃烧。加热后的金属渣回落入浴，为铁矿直接熔融提供能量。喷射渣覆盖水冷壁板，降低散热损失。

炉顶煤气经膜式管罩初步冷却，显热与化学热用于金属原料/熔剂预热/预还原/煅烧，经洗涤净化后作热风炉燃料或联合循环发电。炉配前炉连续出铁，维持最佳浴面高度，无需外部渣铁分离即得洁净铁水流；渣周期性经水冷缺口排放。

HIsmelt独有特征区别于其他直接熔融还原：

• 以金属浴为主反应介质。其他工艺常顶部装料，渣层中焦炭(含少量金属)冶炼。溶解碳比渣中焦炭更易获取还原性(后者需中间气相CO)。即HIsmelt以更活性碳形式实现显著更快冶炼速率。
• 熔体剧烈混合。直接喷吹入浴产生大体积「深部」气体，驱动强浮力上羽流，液体剧烈翻动(数吨/秒量级)。温度梯度<20-30℃，准等温熔体。剧烈翻动促进顶部空间向浴面传热，避免液滴过热。对炉缘耐火砖显著利好：好混合→低FeO、均匀低温暴露。
• 高速喷枪固体喷射→高捕获效率，超细颗粒直用。
• 渣中「天然」5-6% FeO配合金属浴4% C，创造强磷分配条件：80-90%磷入渣(图2)。
• 煤粉细磨喷吹→煤性能与颗粒形态几乎无关。

图2 SRV与HRDF炉磷分配条件对比

工艺发展历程

源于底吹氧转炉(OBM)与Klöckner Werke马克许特厂联合吹炼钢演进。CRA(现力拓)1981年与Klöckner合资追踪炼钢/熔融还原技术。60t OBM转炉试验验证熔融还原原理。建成1.2万吨/年小型试验厂(SSPP)于马克许特，采用水平旋转SRV、底部喷吹喷嘴喷煤/熔剂/铁矿。1984-1990运行验证技术可行性。

后续在西澳Kwinana建成HIsmelt研发设施(HRDF)，设计产能10万吨/年。1991开工，目标演示工艺与核心装备工程放大、提供商业评价数据。原始Kwinana SRV为SSPP水平旋转炉90°放大。1993.10-1996.8运行，工艺放大成功但水平炉工程复杂制约商业化。

1996年完成水冷垂直炉设计工程(图2)。核心改进：固定垂直炉、顶部固料喷射、简化热风枪、前炉连续出铁、水冷壁板解决耐火磨损。HRDF垂直炉1997上半年投产至1999.5运行，在耐火寿命、可靠性、可用性、产能、设计简易性全维度突破，满足商业化放大所有关键指标。

2002年力拓(60%)、Nucor(25%)、三菱(10%)、首钢(5%)合资建设80万吨/年商业厂，址Kwinana西澳，6米炉底直径SRV。2003.1开工，2004下半年冷态调试，2005.Q2热态调试。2008早期达80t铁水/小时、焦比810kg/t铁水。2008年经济环境致Kwinana厂关停，2014部分设备转移中国。新厂址山东寿光港附近，由私营龙石油机械公司拥有运营。2016投产，铁水成本低于原有小高炉。铁水罐汽运40km南至龙转炉厂。2017年龙购买HIsmelt知识产权，面向中国及海外授权。

工艺流程详解

HIsmelt工艺(图1)在~1450℃铁水浴中高速喷射固体原料(煤/铁矿/熔剂)。核心机制：溶解碳还原熔融含铁原料。高速喷枪向下倾斜喷吹煤/矿入熔体。喷入煤经加热脱挥发分溶解维持金属浴~4% C，补充还原消耗碳。喷入铁矿粉深入浴内瞬时与溶解碳反应还原冶炼，生成铁与CO。SRV下部维持低氧势保还原反应，反应动力学平衡于渣中5-6% FeO。

反应气(CO)与煤脱挥发分产物从浴深处逸出，形成以渣为主的金属渣喷泉(飞溅)。热量平衡靠上部空间反应气(主CO)燃烧提供。富氧(典型35%)1200℃热风经中央旋流枪吹入顶部空间，高效燃烧浴内析出气体生成CO₂/H₂O，按方程2CO+O₂=2CO₂、2H₂+O₂=2H₂O。理论追求完全后燃烧，实践典型50-60%。后燃烧率PC(%)=100(CO₂+H₂O)/(CO+CO₂+H₂+H₂O)。

冶炼发生于低氧势熔体区，放热发生于高氧势顶部空间。核心课题：跨氧势梯度向下传热不破坏双区氧势。CO/H₂从冶炼区逸出速率极高，激烈喷射液体形成气体透过性喷泉(飞溅)，金属渣液滴循环上部空间，热燃烧气体穿透喷泉传热给液滴，液滴回落传热入浴。液滴通过燃烧区数量极大，单程平均升温<10℃，实现不破坏氧势梯度的向下传热(顶部相对氧化、底部强还原)。

固体喷射布局保证深度穿透铁水浴，碳溶解入金属、铁矿还原，总反应3[C]Fe+Fe₂O₃=2[Fe]Fe+3CO，强吸热，需外部供热。CO+H₂提供燃料。富氧热风喷入顶部中央旋流枪燃烧生成CO₂/H₂O。

主产品铁水。前炉连续溢流出铁，无渣夹带。典型铁水温度1420-1450℃，成分：C 4.4%±0.15%、Si<0.01%、Mn<0.02%、P<0.02%±0.01%、S 0.1%±0.05%。

SRV相对氧化气氛+低温渣→90-95%磷分配入渣(图2)，赋能高磷矿利用。渣间歇缺口出渣→铁水无渣。铁水经热金属脱硫可降S<0.05%。典型流程图见图3。

图3 HIsmelt典型流程图

SRV炉顶煤气1500℃→辐射锅炉罩降至800℃→热旋风分离器初净→对流锅炉系统降至200℃。辐射/对流锅炉产饱和汽入汽包。出对流锅炉煤气淬火洗涤冷却经水喷淋循环管道作热风炉/锅炉燃料。锅炉余煤气燃烧过热饱和汽，过热汽驱动汽轮机发电满足全厂及余电上网。锅炉/热风炉尾气石灰浆脱硫后排空。

副产品：渣、炉顶煤气。渣由铁矿脉石+煤灰经石灰/白云石熔融成渣。可水淬造粒或排渣坑处理，用作水泥/路基/土壤改良原料。炉顶煤气典型后燃烧度50-60%，出炉高温、热值近似高炉煤气，净化冷却后作燃料发电。

HIsmelt高度灵活：高响应性实现原料瞬时转化为金属/渣/能量。原料速率可高效变更不影响产品质量。操作灵活性最大化产能，易维持稳态窗口。区别于高炉，HIsmelt可轻松启停待机。厂区布局见图4。

图4 HIsmelt厂区布局图

环境效益

环保红利显著：降焦/烧结/球团需求、提能效→CO₂降20%、SOx降90%、NOx降40%、二恶英/呋喃零排放。SRV工况杜绝二恶英生成。粉尘排放与单耗水大幅下降。厂内废料循环进一步护环境。

综合优势

预期优势：(i)低成本原料(免烧结/球团/炼焦)；(ii)柔性原料(宽矿种/废氧化物/高低挥发分煤)；(iii)生产灵活；(iv)优质产品；(v)最小化总能耗；(vi)工程流程简化；(vii)排放远优行业；(viii)低资本支出；(ix)低运营成本。