非高炉炼铁技术分为直接还原工艺和熔融还原工艺两种。70年来，中国非高炉炼铁技术走过了从无到有、从少到多、从简单到逐渐优化的历程，取得了举世瞩目的成就。如今，我国墨龙HIsmelt、COSRED（科思瑞迪）等熔融还原技术，以及CSDRI气基竖炉等非高炉炼铁装备技术水平已达到世界先进水平。
中国非高炉炼铁技术装备历程回顾
直接还原技术
我国从20世纪50年代开始对直接还原铁技术进行了广泛的开发和研究。因受资源条件的限制，我国当时的开发研究主要集中在煤基直接还原铁工艺（回转窑、隧道窑、转底炉、多种固定床、移动床等）上。
20世纪70年代，我国自行设计、建设了处理钒钛磁铁矿球团的5立方米气基竖炉，虽然在试验中获得成功，但因天然气资源问题被迫终止。20世纪70年代后期，我国在韶关钢铁厂建成以水煤气为还原气的气基竖炉工业化试验生产线，进行了长达3年的试生产，后因缺乏高品位铁矿石、水煤气制气单机生产能力过小等原因未能实现工业化生产。 20世纪80年代，宝钢开展了BL法煤制气-竖炉生产直接还原铁的半工业化试验研究。试验是成功的，但因含铁原料及制气成本问题未能进行进一步开发。1989年，福州特钢厂Æ2.9×40m回转窑工业试验成功并达到较好水平，标志着中国直接还原工艺进入工业化阶段。此后10年间，我国先后建设了天津钢管公司（1996年10月，产能30万吨/年）、山东鲁中矿山公司（1998年，产能5.0万吨/年）、吉林省桦甸老金厂矿业总公司回转窑直接还原厂（1998年，产能2.5万吨）、北京密云冶金矿山公司（1999年，产能6.2万吨/年）等6座回转窑，总产能达46.2万吨。此外，各地建成了一批产能在1万吨/年左右的隧道窑DRI/HBI生产厂，总产能达18万吨左右。其他有代表性的直接还原铁工艺还有宝钢与鲁南化学工业（集团）公司联合开发的BL气基竖炉法直接还原新工艺、北京冶金设备研究院开发的罐式炉法（PF法）、北京科技大学热能工程研究所开发的连续炉法（COF法）、长沙矿冶研究院开发的自固结球团回转窑（CRIMM法）、哈尔滨海绵铁研究所开发的斜坡法（XSHA法）等。目前，中国已建成8条回转窑直接还原铁生产线，总生产能力为80万吨/年。 马钢于2009年7月建成国内第一条处理（含锌尘泥）高炉瓦斯泥和各种固废球团转底炉直接还原工艺生产线。生球烘干、转底炉、余热回收、废气脱锌等设备由日本引进，原料处理设备由国内设计制造。目前，我国已建成用于复合矿的综合利用（四川龙蟒、攀钢研究院）、含铁粉尘利用（马钢、沙钢、日照钢铁、燕山钢铁、宝钢湛江）、生产预还原炉料（山西翼城、莱钢、天津荣程）等的转底炉10余座。 COSRED煤基竖炉工艺结合了气基竖炉和隧道窑两种工艺的优点，经过多年的实验室试验、小型工业化装备、大型工业化生产3个阶段和五代创新，以及持续不断的改进和完善，承接了国内外多个工程项目。COSRED工艺形成了一系列专利技术和关键技术，包括工艺技术、结构技术、耐材技术、控制技术、布料和排料技术、造块和干燥技术等。2017年10月投产的武汉科思瑞迪科技公司COSRED缅甸工程项目表明，COSRED工艺正在扮演着钢铁行业直接还原工艺生力军的角色。 历经10年，以“钉钉子的精神”驰而不息地进行国产化技术攻关，破解了一系列制约气基还原铁技术工程转化的技术难题之后，我国第一套30万吨/年焦炉煤气制直接还原铁工业化试验装置——中晋太行矿业有限公司直接还原铁项目（CSDRI）于2019年10月调试投产。
熔融还原技术
国内相关熔融还原及相关技术研究始于20世纪60年代。“九五”期间，在原国家科学技术委员会（现科技部）的支持下，我国启动了国家攀登计划项目——熔融还原技术基础研究。原冶金部组织了全国熔融还原专家，实行举国体制，开展了这项技术的开发研究工作。在总结单元技术研究成果的基础上，我国开展了半工业试验的研究。在当时承德冶金部试验厂建成了2吨/小时的COSRI半工业联动试验装置，先后进行了两次试验，突破了一些关键技术难题，取得了阶段性成果。
为了开发我国自主知识产权的熔融还原技术，2007年10月15日，五矿营口中板有限责任公司、中冶京诚工程技术有限公司和中国钢研科技集团公司三方签订合作协议，开展了年产20万吨二步法熔融还原工业试验装置的开发和工业试验研究。从流程开发、设计、建设到生产试验，经历了3年多时间，取得了很多重要的科研成果，发现了一些工艺流程和设备上存在的不足，为进一步的开发工作积累了宝贵经验。
宝钢集团在2007年引进了两套大型COREX 3000炼铁生产装置，在上海罗泾建成熔融还原炼铁厂，分别于2007年11月和2010年投产。投产后，COREX工艺运行不畅。宝钢集团于2011年决定先搬迁1座COREX 3000炉到在原、燃料（球团矿、原料煤）供应方面较有优势的八一钢铁公司，并结合罗泾的生产实践和八钢资源状况综合分析，在COREX 3000的基础上，结合高炉炼铁原理和成熟的技术进行了31项技术优化改造，于2015年7月19日顺利出铁，并成功实现了工业化生产。 山东墨龙公司在2012年将澳大利亚奎那那HISmelt工厂整体搬迁，并优化改进工艺流程，对原矿粉预热系统、矿粉喷吹系统、SRV炉高温煤气系统、公辅动力系统等进行了创新。山东墨龙公司HIsmelt熔融还原炼铁项目从2014年10月开始建设，于2016年8月建成投产，先后经历10多次停开炉探索实践，工作人员对生产、设备维护操作逐步熟悉，操作稳定性和能耗也都有了质的提高。当前，搬迁后的工厂日最高产量达到1930吨，月产量达到51914吨，设备不间断作业可达157天，各项生产指标均超过澳大利亚原工厂，产品高纯铸造生铁含磷量低（平均在0.015%~0.03%），含硅、锰及五害元素（铅、锡、砷、锑、铋）含量非常低，脱硫后满足高端铸造产品的需求。
中国非高炉炼铁未来展望
非高炉炼铁技术是实现钢铁工业低碳炼铁的必然趋势。目前，焦煤资源呈现全球性短缺趋势，供应紧张和价格高涨已成为制约传统钢铁工业发展的重要因素；环保政策日益严格，环保投资不断提高，钢铁工业发展承受的环境保护压力逐渐加大。据了解，为实现超低排放改造，铁前环保投资需增加200元/吨左右（铁前环保成本占全工序成本的70%左右）。同时，高炉产生大量返矿、返焦和粉尘等固废，需实现固废资源综合利用。此外，未来人力成本越来越高，需减员以提高劳动生产率。 而直接还原-电炉短流程生产工艺具有产能高、低碳排放的特点。据悉，高功率电炉冶炼时在炉料中添加30%~50%的直接还原铁，可提高生产率10%~25%，且与传统长流程相比，可减少二氧化碳排放40%~65%、减少二氧化硫排放约30%。气基直接还原单套设备产能可达250万吨/年，钢材的物理性能明显提高。 近年来，我国废钢铁产业发展较快，钢企每年使用废钢量已达2亿吨左右，预计“十三五”期间有望达到3亿吨/年，这势必将拉动与之配套的直接还原铁产业的发展。与此同时，直接还原-电炉短流程（或直接还原与大型铸钢的对接）生产工艺将为大型钢铁联合企业的转型升级提供技术和生产经验方面的有力支持。在钢铁流程优化和高质量发展的挑战和机遇下，中国钢铁工业应充分发挥国内煤炭资源和焦炉煤气等丰富的比较优势，在煤制气或焦炉煤气生产直接还原铁技术上实现创新突破。美国大力发展直接还原铁对我国钢铁工业非高炉炼铁技术创新发展具有重大启示和借鉴意义。 从全球范围来看，钢铁产业的空间布局主要是3种形式：一是靠近资源产地的资源依托型，二是临近运输港口尤其是大型海港的临海临港型，三是接近产品消费市场的市场邻近型。国外直接还原铁厂基本布局在电炉厂附近，实现热装热送，降低能耗和生产成本。 中国钢企面临环保政策趋严和大宗物料产品清洁运输的要求，在废钢资源上占优势的钢企可考虑配套建设具有一定经济规模的直接还原铁厂。对于采用进口粉矿资源（尤其是高磷矿、钒钛矿等）的钢企来说，也可考虑采用熔融还原和高炉混合的生产流程。长流程与短流程的融合将成为中国特色钢铁工业的未来发展方式。 此外，中国钢企还要注重提高非高炉炼铁智能制造水平，重视人工智能在非高炉炼铁过程的决策与管理、过程控制、质量检测、智慧物流等方面的开发及应用。
来源：中国冶金报
