DOI:10.14186/j.cnki.1671－6620.2026.04.004
中图分类号:TF557
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粉末流程非高炉炼铁技术的认识与展望
现代高炉炼铁技术发展至今，已经实现了大型化、高效化、现代化和长寿化，高炉生产效率和能源消耗得到了显著提升. 高炉炼铁由于无法完全摆脱对焦炭的依赖，而且铁矿粉必须经过造块工序进行前置处理，使得高炉炼铁流程长、工序多、总体能耗高、污染排放大.长期以来，人们一直在研究、探索能否将天然的铁矿粉、煤粉不经过前置预处理而直接进行炼铁，进而取消焦化、烧结、球团等铁前工序，缩短工艺流程，降低工程投资，减少运行成本和环境污染.20 世纪80 年代以来，基于粉末流程的各种非高炉炼铁工艺相继问世，并进行了工业试验和商业化运行[1-3].
在全球“碳达峰”“碳中和”的发展形势下，降低炼铁过程的碳素消耗和CO2 排放，已成为全球普遍关注的热点和焦点.在未来绿电、绿氢供给充沛的条件下，炼铁工艺流程将如何发展演化，是全球冶金工作者普遍关注的问题.从未来发展前景看，21 世纪中叶，炼铁技术将呈现出新的发展格局.从绿色低碳发展、降低生产成本的视野出发，除了氢基竖炉炼铁、高炉碳氢耦合冶炼等工艺以外[4]，可以预测，未来基于粉末流程的非高炉炼铁技术将在一定程度上取得工业化应用和推广.
1 高炉炼铁工艺发展演化
经过漫长的演变和进化，人类从自然造物、听天由命的蒙昧时代，逐渐进入人工造物、天工开物的文明时代.数千年前，人类从石器时代，迈入青铜器时代，尔后又进入铁器时代[5].直至现代，钢铁仍然是经济社会发展的重要基础材料、结构材料和功能材料.甚至从一定意义上讲，钢铁仍然是首选材料，具有不可替代性和不可比拟的经济适用性[6].
高炉炼铁大约有2 000 年的发展演化历史，目前是世界上工艺最成熟、生产效率最高、单体装置最大、能耗和成本最低的炼铁工艺装置，在未来一定时期内仍将占据重要地位.高炉炼铁流程经过第一次工业革命以后，发生了巨大的工艺变革[7].重要的里程碑在1709 年，英国工程师亚伯拉罕∙达比开创了焦炭炼铁法，把用于高炉冶炼的燃料从木炭变成焦炭.由于焦炭热值更高，冶金性能更优，高炉产量大幅度提升，进而推动了工业革命的发展.一些历史学家甚至认为，焦炭炼铁技术的应用是第一次工业革命的肇始.焦炭的应用与普及，使高炉炼铁的燃料摆脱了生物质的木炭或天然的煤炭.焦炭的制备实质上是煤炭的改质和改性工艺，也是将煤炭进行预处理、重新造块的工艺，炼焦工艺使焦炭的理化性能比天然煤炭更加优良，更加适用于高炉冶金过程.
20 世纪初，为了提高高炉生产效能、降低能耗，面临天然块矿资源匮乏的难题，铁矿粉造块工艺相继问世.将铁矿粉通过烧结或球团工艺制备成人造矿石，也是高炉炼铁工艺在演化进程中的功能解析优化.炼铁系统衍生出烧结、球团等铁矿粉造块和矿物加工工序，使得现代高炉的原料、燃料都需要经过前置预处理，现代高炉炼铁已成为原料和燃料必须经过人工造块以后再进行冶炼的工艺流程[8].
由此可见，现代高炉炼铁工艺的物理本质是：铁矿石和煤炭等经过原料、燃料人工造块和预处理后，以焦炭作为发热剂、还原剂、渗碳剂和料柱骨架，采用高温富氧鼓风技术，在高炉冶金反应器内，将直接还原和间接还原协同耦合，将预还原和终还原集成一体并实现渣－铁熔融分离，生产出液态高温铁水、副产炉渣和冶金煤气的连续化生产工艺.迄今为止，在所有炼铁工艺流程中，高炉炼铁工艺生产效能最大，连续化程度最高，生产效率最高，技术成熟可靠，能源消耗低，设备寿命长.
然而，高炉炼铁工艺最主要的技术缺陷，就是不能完全摆脱对焦炭的依赖，而且铁矿粉必须经过前置造块和预处理.由于铁前工序复杂多样、流程长、界面多、能耗高、污染物排放大，因此，原料和燃料全部采用未经过前置预处理的粉末流程而直接生产出熔融铁水，将是未来具有发展前景的工艺流程.
2 HIsmelt 熔融还原工艺
2.1 技术起源及发展
HIsmelt(high intensity smelting)熔融还原工艺(下文中简称为HIsmelt 工艺)是20 世纪末期由德国Klockner 与CRA 公司联合开发，该项技术研发始于德国Maxhütte 厂60 t 底吹氧气转炉试验[9].历经卧式熔融还原炉小型试验、2.7 m 竖式熔融还原炉到6 m 竖式熔融还原炉3 个阶段改进，历时20 年完成工业化验证和生产试运行[10].HIsmelt 工艺的技术核心是将矿粉和煤粉喷吹到熔融还原炉(SRV)铁水熔池中，利用SRV 顶部1 200 ℃富氧热风，实现炉顶煤气二次燃烧并释放热量，通过“涌泉效应”与液滴之间产生热交换，将热量传递到熔池中，使煤气二次燃烧产生的热量满足熔池反应需求；SRV 生成的还原性气体具有一定的温度和热值，一般作为燃料用于加热热风炉和燃气发电.HIsmelt 工艺的核心技术原理是粉末流程的铁浴法熔融还原，核心技术装备是竖式熔融还原炉.
2002 年，力拓集团联合美国纽柯公司、日本三菱公司和中国首钢集团开展工程化试验研究.2004 年底，在澳大利亚奎那那建成炉缸内径6 m、年产80 万t 的HIsmelt 生产装置. 2005—2006 年开始进行工业生产试验.首钢作为该项技术的拥有者和合营公司的股东之一，也成为获得全球授权许可的工程公司(AE)，首钢技术团队为此开展了长达20 余年的跟踪和研究工作[11].
2012 年，原山东墨龙公司引进澳大利亚奎那那厂的HIsmelt 工艺装置，联合多家单位围绕工程设计建设和生产运行进行了许多工艺改进和技术优化，首钢工程技术公司承担了该项目熔融还原炉本体及附属设备的工程设计[12].项目搬迁再建后，于2016 年建成，实现连续工业化生产，目前已成为全球唯一实现连续工业化生产，矿粉和煤粉不用造块，采用全粉末流程直接冶炼出铁水的熔融还原工艺[13].图1 为HIsmelt 工艺流程图，图2为HIsmelt 熔融还原能量流演变示意图.
图1 HIsmelt 工艺流程图
Fig. 1 Flow diagram of HIsmelt process
图2 HIsmelt 熔融还原能量流演变示意图
Fig. 2 Schematic diagram of energy flow evolution in HIsmelt process
2.2 技术原理及工艺特征
HIsmelt 工艺属于典型的“铁浴法”熔融还原工艺，采用将物料“深喷”入熔池的方式.其工艺技术原理如下：首先，铁矿粉通过喷枪直接进入熔池中，被快速加热并熔化，煤粉通过喷枪喷入熔池，与铁水接触，直接溶解在铁水中并和铁水发生渗碳反应；其次，熔池在载气射流冲击的作用下产生强烈的搅拌，形成所谓“涌泉效应”，将液态渣铁液滴溅起后，通过在上部高温区加热，然后滴落到熔池的方式，将熔融还原炉煤气二次燃烧产生的高温热量源源不断地传递给炉缸熔池，从而可以实现在高二次燃烧率的情况下，获得较高的热量传输效率，这是整个工艺过程得以实现的技术关键.目前，HIsmelt 工艺与高炉工艺相比，在能量利用效率方面仍存在一定的差距，表现为工艺工序能耗仍然较高.对HIsmelt 工厂的能源效率进行分析研究，进一步优化其能源效率，对于提高HIsmelt 工艺的技术竞争力具有重要意义.HIsmelt 工艺具有以下主要技术特征：
(1)全粉末流程.完全摆脱了铁矿粉造块、焦化等原燃料前置处理工序，有效降低了全流程能源消耗和过程污染物排放.
(2)铁浴法熔融还原.高温状态下，铁矿粉与煤粉喷射进入熔池渣层中，快速反应实现铁矿粉的熔融和还原.微小的铁矿粉颗粒进入熔渣界面，通过传热过程快速熔化为液态，与进入熔渣层中的煤粉或溶解在铁水中的碳接触，发生还原反应(1)和(2)，从而生成铁水与一氧化碳.
(3)动量传输产生的“涌泉效应”成为传热过程的关键环节.气体射流和喷射形成渣铁液滴，在气－液－固(粉体)多相态体系中强化搅拌，促进传输过程，依靠辐射传热和高温气体与液滴之间的对流传热，将SRV 上部高温热量传递到液面和熔池中.这个工艺过程是将动量传输与热量传输集成耦合的过程，与此同时，液滴中未被完全还原的FeO 在与液面上方高浓度CO、H2 接触过程中，也可能会发生传质过程，被气相还原剂还原，如式(3)和(4)所示.
(4)熔融还原炉上部二次燃烧释放热量，是整个熔融反应器的热源.熔融还原炉顶部设有热风喷枪(HAB)，从还原炉顶部向下喷吹温度为1 200 ℃的高温富氧热风，与直接还原过程中生成的CO、煤粉气化产生的H2 发生二次燃烧，并释放出高温热量.矿粉、煤粉喷枪的射流和旋流搅动，使熔池表面的液态渣铁形成微小液滴向上运动，由于载气的喷吹动能及其在液相中的射流作用，产生液滴向上翻涌升腾的现象，即所谓“涌泉效应”，液滴进入熔融还原炉上部高温区间，以辐射和对流传热的方式快速进行热量传递，并实现界面反应.“涌泉效应”是HIsmelt 工艺独有的特征，其技术核心思想是通过动量传输的方式来强化和改善熔融还原过程的热量传输和质量传输，如图3 所示.
图3 HIsmelt 工艺的“涌泉效应”
Fig. 3 “ Fountain effect” of HIsmelt process
(5)熔池内的碳素溶解反应和元素氧化－还原基于界面反应模型，以渣－铁界面反应(液－液反应)和气流－液滴反应(气液反应)为主，固相反应条件并不充分.
深入研究HIsmelt 工艺过程和反应机理，可以发现，其工艺本质属于碳素直接还原.铁矿粉的加热、熔融和还原是通过一系列快速工艺过程瞬间完成的.实现这种还原工艺的基础前提是，在高温熔融的工艺条件下，将煤粉直接喷入熔池，使其快速进入熔渣和铁水中，煤粉在快速加热条件下脱气并形成半焦，半焦溶解到熔渣和铁水中，成为熔融状态的还原剂.该还原剂与熔融的铁矿粉或铁氧化物在高温液相条件下快速发生直接还原反应，将其还原成铁水并生成CO，如式(1)和(2)所示.
冶金学定义的直接还原反应，是直接消耗碳素将铁氧化物还原成铁的反应.由于直接还原反应消耗大量的热量，因此，温度越高，越有利于直接还原反应的进行.而在HIsmelt 工艺过程中，间接还原反应条件并不充分，粉体和气流交互作用、接触及停留时间较短，反应过程的热力学和动力学条件均不充分.在HIsmelt 工艺最初研发阶段，铁矿粉的预还原为气－固间接还原(用还原性气体H2、CO 还原铁矿粉)，原设计在前置预还原装置中完成，但由于尾气温度低、还原势(CO＋H2 的体积分数)低，因而矿粉金属化率很低(10% ~15%)，仅对矿粉进行了预热，通过提高矿粉输入的物理热量来补偿熔池热量损失和温度下降.由此可见，HIsmelt 工艺的本构特征是碳素物质(还原剂)以高温熔池为载体，工艺过程以铁氧化物直接还原为主.HIsmelt 工艺过程反应机理和过程解析如图4 所示.
图4 HIsmelt 工艺过程反应机理和过程解析
Fig. 4 Reaction mechanism and process analysis HIsmelt process
由于HIsmelt 工艺以碳素直接还原为主，SRV 上部为热风喷枪喷射出的高温富氧气体，整个熔融反应器中大部分区域处于高氧势环境，硅、磷等元素的还原反应受到抑制，即便有部分硅、磷等元素通过直接还原进入铁水中，由于熔池上方具有较高的氧势，加之熔池搅拌产生的“涌泉效应”，反应动力学条件较为充分，铁水中的硅、磷等元素也会很快被氧化脱除[14-15].这也是当时力拓集团为了处理高磷铁矿而进行项目研发的初衷.
HIsmelt 工艺的造渣制度和高炉也有很大区别.现代高炉的熔剂基本都是通过造块过程直接添加在烧结矿或球团矿中，正常高炉冶炼过程中不再额外添加熔剂，这样有利于提高炉料综合冶金性能，降低高炉燃料比.由于HIsmelt 工艺使用的是天然的铁矿粉，铁矿粉中主要含有酸性脉石成分(如SiO2、Al2O3 等)，因此，冶炼过程中需要向熔池喷加碱性熔剂(如石灰石粉、白云石粉等).碱性熔剂的喷加，一方面是与铁矿粉中酸性脉石成分结合，生成低熔点的硅酸盐、铝酸盐，从而降低渣相的熔点，减少炉渣耗热以及对温度的影响；另一方面是为了使炉渣具有适宜的碱度，以脱除[S]、[P]等有害元素.与此同时，碱性熔剂的喷加还可以改善炉渣的黏度和流动性，降低炉渣中金属铁的夹杂量，较好地实现渣－铁分离.尽管如此，与高炉炼铁工艺相比，HIsmelt 工艺生产出的铁水中，[S]含量依然偏高，炉渣中除了FeO 含量要普遍高于高炉工艺之外，金属铁的含量也高于高炉工艺.图5 展示了2006 年11 月—2007 年1 月，澳大利亚奎那那厂HIsmelt 工艺试生产期间铁水成分的变化情况，图6 展示了其间炉渣碱度和炉渣中FeO 含量的变化.
图5 HIsmelt 工艺试生产期间铁水成分的变化
Fig. 5 Variation of hot metal composition during HIsmelt trial production
图6 HIsmelt 工艺试生产期间炉渣碱度和FeO 含量的变化
Fig. 6 Variations of slag basicity and FeO content during HIsmelt trial production
2.3 工业化试验与生产运行
HIsmelt 工艺试验装置于2004 年底在澳大利亚奎那那试验厂建成，2005 年开始陆续进行了多次工业性试验. 2006 年12 月开展工业试验，40 天连续运行，产铁3 万t，平均日产铁水750 t；单周产铁最高纪录达到7 000 t，平均日产铁量达到1 000 t，验证了生产的可行性和连续性.同时，对烟气处理系统的容量进行扩大，并对其他一些方面进行了改进，以提高设备的适用性和可靠性.
2016 年，原山东墨龙公司引进澳大利亚奎那那试验厂的HIsmelt 生产装置，经过设计优化、搬迁改造和工艺完善，于2016 年底建成并投产运行[16]. 2020 年，HIsmelt 工艺生产趋于稳定和常态化运行，年运行时间达到308 d，年产量达到53 万t.山东鲁丽集团接管墨龙公司以后，将其更名为懋隆公司，2025 年9 月工厂复产后，月产量达到6.35 万t，每小时喷矿量达到170 t，综合煤耗降至吨铁710 kg.在使用多种冶金固废降本的情况下，最高日产量达到2 305 t，刷新多项历史最高纪录.热风温度从950 ℃提高到1 230 ℃，煤气日发电量从95 kW∙h提高到115 kW ∙h.表1 中列出了HIsmelt 工艺投产以来的主要技术指标.
表1 HIsmelt 工艺的主要技术指标
Table 1 Main technical indicators of HIsmelt process
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3 HIsmelt 工艺的改进与创新
3.1 提高效率降低能耗
目前，HIsmelt 工艺已经实现了工业化稳定运行，主要技术经济指标不断优化[17].未来还需要进一步提高生产运行稳定性和连续性，提高生产效能，发挥装置/设备能力，通过提高产量降低单位消耗和运行成本.值得指出的是，还需要进一步降低碳素消耗，将碳素消耗控制在吨铁750 kg 之内，可以降低CO2 排放0.6 t.如果按照过去实际生产的碳素直接消耗950 kg/t 燃料比测算，吨铁CO2 排放将达到2.37 t，比现有的高炉—转炉流程吨钢CO2 排放更高，和其他非高炉炼铁工艺相比，就失去了低碳冶炼的技术优势.
同时，应提高入炉原燃料的物理热输入，降低热量耗碳.总体上，热风输入的热量仍显不足，矿粉输入的热量更少，甚至有时还是“冷料”入炉，余热回收利用不充分，能源转换效率低，能量耗散大. SRV 尾气物理热高，经过汽化冷却烟道和蒸发冷却降温后，高温热量仍未得到充分利用.研发尾气的高温物理热回收及“宽温域”余热发电技术，进一步提升能量转换效能.SRV 尾气中的CO 和H2体积分数低，其热值尚不及高炉煤气.因此，SRV 尾气的成分需要优化、调质，通过富氧、富氢等措施改质煤气，通过脱除尾气中的CO2 实现CCUS，即实现CO2 捕集、回收、利用，以减少直接排放.
3.2 强化预热－预还原过程
目前，HIsmelt 工艺只有矿粉的预热装置.由于尾气经过净化处理后，温度和还原势都不高，不能作为还原气体对矿粉进行预还原.如果利用H2作为辅助还原剂，以绿氢、焦炉煤气、天然气、页岩气、煤层气、化工合成气等含氢气体作为工艺气，用于粉矿间接还原，工艺可行且具有其他工程成功应用的实例.
常规冶金还原过程，以气－固反应、液－固反应、液－液反应和气－气反应为主.液－固反应主要表现为铁水渗碳、碳素溶解，而固－固反应主要表现为矿石加热过程、初渣生成之前的固相反应(烧结过程属于典型的固相反应).相对而言，气－液反应动力学条件受限，气－液接触和停留时间较短，扩散传质进程受到制约，反应容易进行，只有在转炉冶炼条件下，通过氧气的高强射流和熔池搅拌，才能改善动力学条件.在液相Fe2O3、FeO 中，通过喷吹H2或CO 等还原气体，实验室条件下可以完成铁的还原，但是能否在工业化装置中稳定实现，进行气－液间接还原，则有待进一步研究探索.
为了提高SRV 炉内二次燃烧温度和尾气还原势，需要进一步提高热风富氧率，降低N2 输入，优化气－液－固－粉体－流体相的耦合反应进程，改善冶金过程热力学和动力学条件.充分利用尾气和炉渣的余热，回收热量预热煤粉、熔剂，使其温度提高到300 ℃以上甚至更高，以降低热能消耗和热量耗散.
采用氧－煤强化燃烧技术，在熔池上方设置氧－煤燃烧器.单独设置CO 和H2 喷枪，强化辐射传热过程，直接向反应区供热，加快冶金反应进程，提升反应效能，提高能量转换效率.优化SRV 炉内传热、传质过程，强化冶金反应，提高矿粉预还原度，提高熔池还原势，在熔池中直接喷入H2 作为还原剂时，补偿H2 还原所消耗的热量.
矿粉预热－预还原是降低热量和碳素消耗的根本性技术措施，如果间接还原度接近0，仅靠直接还原反应，则耗碳量将不会降低，还会增加很多热量消耗，进而增加碳素消耗，提高CO2 排放强度.提高矿粉的预还原度是未来HIsmelt 技术的重大工艺变革.将尾气经过脱碳以后得到的CO 循环利用，作为间接还原剂，在600~800 ℃中温区间还原铁矿粉，可以提高预还原度和金属化率，对于提高HIsmelt 工艺效能意义重大.图7 为采用预还原装置的HIsmelt 工艺流程示意图.
图7 采用预还原装置的HIsmelt 工艺流程示意图
Fig. 7 Schematic diagram of HIsmelt process with pre-reduction unit
1—熔融还原反应器；2—煤气冷却装置；3—煤气净化装置；4—CO2 分离装置；5—煤粉喷枪；6—矿粉预还原装置；7—矿粉喷枪；8—煤气喷枪；9—热风喷枪；10—脱除CO2 以后的煤气管道；11—CO2 管道；12—CO2 储存装置.
3.3 氢冶金工艺的集成创新
面向未来，在绿电和绿氢等可再生能源供给充沛的条件下，全氢流化床铁矿粉还原工艺技术将有望实现工业化规模应用，可以将全氢流化床还原工艺与HIsmelt 工艺集成创新，充分发挥两种工艺的技术优势，生产高品质、 高洁净度的铁水，如图8 所示.
图8 基于全氢流化床和HIsmelt 耦合集成的炼铁工艺流程
Fig. 8 Schematic diagram of ironmaking process integrating full hydrogen-based fluidized bed with HIsmelt
将铁矿粉全氢/富氢直接还原工艺与熔融还原工艺进行耦合集成，提高矿粉的预还原度，将H2 用于铁矿粉的预还原，使两种工艺的效能得到最优化发挥，预期将获得较好的生产实践效果.其工艺特征是经过一级流化床还原反应器，将铁矿粉的预还原度提高到75%~85%.采用HIsmelt 工艺替代埋弧电炉ESF 作为熔分炉，将粉末状的金属化直接还原铁粉末，经过熔化、渗碳、造渣冶金过程，脱除有害杂质，生产出洁净铁水. HIsmelt 工艺尾气中的粉尘经过预处理制粒后循环利用，熔炼炉尾气作为气体燃料或预还原剂循环利用，这种新工艺有望获得较好的生产实践效果.
4 结语与展望
(1)HIsmelt 工艺是已稳定实现工业化应用的全粉末流程非高炉炼铁工艺，在取消原燃料前置造块、原料灵活性、短流程方面具备明显优势，通过持续的设备改进与操作创新，解决了技术可靠性、运行稳定性以及炉衬寿命等关键问题，实现了稳定生产和连续运行，生产效率、燃料消耗、铁水质量等均已达到设计水平.
(2)HIsmelt 工艺的物理本质为熔融状态的碳素直接还原，铁矿粉还原过程直接消耗碳素并吸收热量.喷枪的射流、搅拌所形成的“涌泉效应”是以液滴为载体，将二次燃烧高温区的热量传递给熔池，以此为驱动，使冶金反应得以持续进行.因此，改善热量、质量和动量传输方式，优化冶金反应器的结构和功能，进一步降低燃料消耗，是未来HIsmelt 工艺研究的重要内容.
(3)面向绿色低碳发展未来，研究应用熔融还原炉尾气脱碳后循环利用、氢基流化床预还原工艺，提高矿粉预还原度和温度，进一步改善熔融还原过程的热力学和动力学条件.研究探索将氢基粉末直接还原与HIsmelt 熔融还原耦合集成，研发出新型非高炉炼铁耦合工艺.
(4)开发针对低品位矿、复合共生矿及冶金固废(如含铁尘泥)的高效精选与细化技术，拓宽非高炉炼铁技术的原料来源.推进工艺流程创新与能源梯级利用，如SRV 尾气脱碳循环、高效余热发电、固废细粉循环利用等.积极采用智能化技术(如AI 大模型、数字孪生)，实现工艺参数的实时优化与智能决策.
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