高爐煉鐵經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)的技術(shù)發(fā)展過(guò)程，特別是近年來(lái)，在各種現(xiàn)代高新科技的支持下，高爐煉鐵技術(shù)迅速發(fā)展。世界煉鋼生鐵的供應(yīng)60%左右來(lái)自高爐，而我國(guó)幾乎100%來(lái)自高爐煉鐵。

　　熔融還原開(kāi)發(fā)的目的是避開(kāi)高爐煉鐵的缺點(diǎn)，并具有優(yōu)于高爐煉鐵的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和環(huán)境保護(hù)指標(biāo)，否則即失去了開(kāi)發(fā)的意義。因此，任何一種熔融還原方法，應(yīng)該滿足一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求：低能耗、低成本，環(huán)境友好；單位容積的生產(chǎn)率高于高爐，年產(chǎn)量低于100萬(wàn)t或更低仍然經(jīng)濟(jì)；可使用鐵礦石粉礦，無(wú)須燒結(jié)機(jī)和焦?fàn)t等用于原料塊狀化加工的設(shè)備；可全部或大部使用非焦煤為燃料，擺脫對(duì)冶金焦炭的依賴；設(shè)備的開(kāi)機(jī)、停機(jī)簡(jiǎn)單，能提高生產(chǎn)的靈活性；流程短，無(wú)須巨大的配套設(shè)備。

　　LSM工藝即是遵照上述原則開(kāi)發(fā)的一種新的熔融還原煉鐵技術(shù)。將高爐從軟熔帶以上躺倒改為水平床，演化而來(lái)了LSM工藝設(shè)備。LSM工藝吸收了日本神戶制鋼轉(zhuǎn)底爐（Fastmet、ITmk3）、日本川崎鋼鐵（HI-QIP）等國(guó)外直接快速還原先進(jìn)技術(shù)，總結(jié)分析了我國(guó)原冶金部鋼鐵研究總院、北京科技大學(xué)、東北大學(xué)、重慶大學(xué)等的試驗(yàn)研究成果，并根據(jù)我國(guó)資源特點(diǎn)開(kāi)發(fā)的一種新穎的熔融還原煉鐵方法，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。經(jīng)過(guò)半工業(yè)試驗(yàn)表明，LSM工藝既適合于新建熔融還原煉鐵廠、鑄件生產(chǎn)廠，也適用于對(duì)現(xiàn)有中、小高爐的嫁接改造，規(guī)模可大可小，是一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的非高爐煉鐵技術(shù)。

　　1、LSM工藝特點(diǎn)

　　眾所周知，在一定的溫度條件下，不需要提供任何其他還原條件，含碳球團(tuán)就可達(dá)到100%金屬化率。含碳球團(tuán)的這一還原過(guò)程類似一個(gè)沒(méi)有軟化、熔融過(guò)程的“微型高爐”。LSM煉鐵工藝采用含碳球團(tuán)為原料，摒棄了高爐、COREX以間接還原為主的鐵礦還原工藝，吸收了轉(zhuǎn)底爐快速還原工藝的特長(zhǎng)，有較高的生產(chǎn)率。

　　連續(xù)加料，連續(xù)熔分。固態(tài)預(yù)還原爐床上的爐料料層只是一個(gè)100～300mm的薄料層，因此沒(méi)有高爐生產(chǎn)的料柱透氣性問(wèn)題。經(jīng)過(guò)固態(tài)還原后的含碳球團(tuán)在達(dá)到一定程度的金屬化率后，體積縮小，溫度很高，直接、連續(xù)不斷地排入到熔分爐內(nèi)。熔分爐即是終還原爐，也是渣鐵分離的設(shè)備。熔分爐的燃料可以是焦炭、型焦，也可以是非焦煤、型煤、天然氣、煤氣或重油，完全可根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件選擇。

　　鼓風(fēng)順流焙燒預(yù)還原，防止含碳球團(tuán)再氧化。由于含碳球團(tuán)具有很強(qiáng)的自還原能力，所以其還原速度很快。但隨著溫度升高，當(dāng)氧化速度大于還原速度時(shí)，球團(tuán)金屬化率開(kāi)始下降，再氧化速度加快。采用鼓風(fēng)方式焙燒含碳球團(tuán)是LSM工藝的關(guān)鍵技術(shù)之一，可有效避免球團(tuán)再氧化。

　　熔分爐的結(jié)構(gòu)與高爐爐缸的結(jié)構(gòu)有些相似，但LSM的熔分爐與高爐、COREX、FINEX的熔融氣化爐的作用明顯不同，LSM的熔分爐沒(méi)有造（還原）氣任務(wù)，只是一個(gè)含碳球團(tuán)的終還原爐，渣鐵熔化爐和渣鐵分離裝置。任務(wù)不同，其操作要求和操作方法也不同。

　　LSM工藝解決了長(zhǎng)期預(yù)還原爐與終還原爐生產(chǎn)能力不匹配的問(wèn)題。

　　LSM工藝既具有“一步法”熔融還原碳的直接還原反應(yīng)速度快的特點(diǎn)，又具有“二步法”熔融還原預(yù)還原金屬化率高的特點(diǎn)，獨(dú)特之處在于，預(yù)還原后的高溫爐料直接送入熔分爐進(jìn)行渣鐵分離。預(yù)還原與終還原沒(méi)有明顯的分界點(diǎn)，也就是說(shuō)，固態(tài)預(yù)還原金屬化率可以控制在一個(gè)較大的范圍內(nèi)，而不必刻意要求固態(tài)預(yù)還原溫度和金屬化率，因此也被稱為“一步半”熔融還原煉鐵法。一般情況下，LSM工藝預(yù)還原金屬化率較高（＞90%），因而可大大降低熔分爐的操作溫度和提高含碳球團(tuán)在熔分爐內(nèi)的熔化速度，較靈活地解決預(yù)還原與終還原、渣鐵分離生產(chǎn)能力的匹配，從而提高生產(chǎn)率。

　　2、原料及產(chǎn)品

　　LSM采用含碳鐵氧化物球團(tuán)生產(chǎn)鐵水，原料來(lái)源廣泛。其主要生產(chǎn)原料包括：含鐵氧化物（鐵精礦粉、硫酸渣、鐵鱗及工廠含鐵廢棄物等），一般全鐵含量應(yīng)TFe≥63%；還原劑（煤粉、焦粉、焦油等），一般固定碳含量應(yīng)大于75%，且灰分越少越好；熔劑和粘結(jié)劑。原料可根據(jù)當(dāng)?shù)刭Y源情況和產(chǎn)品選擇，對(duì)于粉礦品位達(dá)不到要求的，可采取進(jìn)一步富集品位或混配料的方法解決。

　　采用合格的鐵精礦粉作原料，噸鐵主要物料消耗見(jiàn)表1。

　　表1：LSM工藝主要物料噸鐵（C4%）消耗

　　3、LSM工藝流程

　　按照設(shè)計(jì)要求的比例（重量比）將含鐵氧化物、還原劑（煤粉或焦粉等）、熔劑和粘結(jié)劑經(jīng)高強(qiáng)度攪拌混勻，對(duì)輥成型機(jī)或圓盤造球機(jī)制成含碳鐵氧化物球團(tuán)，經(jīng)干燥后再將含碳球團(tuán)送入水平固態(tài)預(yù)還原爐床進(jìn)行預(yù)還原。同時(shí)從固態(tài)還原區(qū)的下部送入（富氧）熱風(fēng)，爐床上的高溫層向下延伸，從而對(duì)整個(gè)料層實(shí)現(xiàn)順流式還原焙燒。在焙燒層中，還原反應(yīng)生成的CO在球團(tuán)周圍燃燒放熱以加熱球團(tuán)，最大限度地縮短了傳熱距離。而爐料的上方有來(lái)自熔分區(qū)的含有大量CO的高溫煤氣在固態(tài)還原區(qū)進(jìn)行二次燃燒，為固態(tài)還原區(qū)提供一部分物理熱和化學(xué)熱。經(jīng)過(guò)固態(tài)還原后的含碳球團(tuán)在達(dá)到一定程度的金屬化率后，體積縮小，溫度很高，直接、連續(xù)不斷地排入到熔分爐內(nèi)。預(yù)還原后的含碳球團(tuán)在熔分爐內(nèi)進(jìn)一步還原— 滲碳— 熔化，渣鐵過(guò)熱與分離。

　　4、LSM工藝的設(shè)備特點(diǎn)

　　4.1 主要配套設(shè)備及建設(shè)投資

　　LSM工藝的配套設(shè)備與高爐煉鐵熔煉設(shè)備基本相同，需要配備爐前出鐵場(chǎng)設(shè)備、熱風(fēng)設(shè)備、除塵設(shè)備及鐵前配料設(shè)備和運(yùn)輸設(shè)備，但卻甩掉了燒結(jié)廠、焦化廠，從而大大縮短了工藝流程。LSM熔融還原工藝采用的核心設(shè)備是固態(tài)還原爐及與之相連的熔分爐。

　　1）固態(tài)預(yù)還原采用水平振動(dòng)床

　　水平固態(tài)預(yù)還原爐是LSM工藝的關(guān)鍵設(shè)備之一。LSM工藝沒(méi)有采用國(guó)內(nèi)外普遍看好的豎爐或轉(zhuǎn)底爐，而是采用了水平振動(dòng)爐床。沒(méi)有采用豎爐的原因是，豎爐不僅有料柱透氣性問(wèn)題，需要塊礦或球團(tuán)礦，同時(shí)避開(kāi)了含碳球團(tuán)的高溫強(qiáng)度問(wèn)題；沒(méi)有采用轉(zhuǎn)底爐的原因是，轉(zhuǎn)底爐結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，維修困難，一次性投資較高。

　　振動(dòng)床水平布置，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。振動(dòng)床上由預(yù)熱段和鼓風(fēng)焙燒段組成，焙燒段下裝配有鼓風(fēng)裝置。該設(shè)備借鑒了目前使用冶金設(shè)備的成熟技術(shù)，工作時(shí)振動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)固態(tài)還原爐通道內(nèi)的料槽產(chǎn)生水平振動(dòng)，靠慣性作用力迫使含碳球團(tuán)在料槽內(nèi)前進(jìn)。

　　2） 熔分爐

　　LSM熔分爐與高爐爐缸的結(jié)構(gòu)相似，完全可以將高爐爐缸碳磚結(jié)合冷卻壁技術(shù)，陶瓷杯技術(shù)應(yīng)用到LSM工藝的熔分爐上。在特殊條件下，還可以在線更換熔分爐的爐缸部分，可大大提高設(shè)備的利用率。同時(shí)，熔分爐的供風(fēng)裝置較高爐進(jìn)行了改進(jìn)，可以使用全氧或富氧、或單純熱風(fēng)冶煉。

　　LSM工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，流程短，配套設(shè)備少，投資少，一次性投資僅為高爐的75%。表2列出了幾種煉鐵流程噸鐵投資比較。

　　表2：各種煉鐵流程投資比較

　　4.2 控制、操作容易

　　生產(chǎn)工藝控制比較容易。一般”二步法”熔融還原工藝對(duì)含碳球團(tuán)的預(yù)還原金屬化率均有比較嚴(yán)格的要求，而LSM工藝卻沒(méi)有。雖然含碳球團(tuán)經(jīng)固態(tài)還原爐預(yù)熱、焙燒后，含碳球團(tuán)金屬化率最低可達(dá)到90%以上，因LSM工藝對(duì)預(yù)還原金屬化率沒(méi)有嚴(yán)格的要求，甚至較低的預(yù)還原金屬化率也可照常生產(chǎn)。熔煉過(guò)程的啟動(dòng)、關(guān)閉簡(jiǎn)便易行，特別是采用積木結(jié)構(gòu)進(jìn)行大規(guī)模組織生產(chǎn)時(shí)，可以隨時(shí)關(guān)閉其中任一套單體，進(jìn)行檢修，更換附件，調(diào)整生產(chǎn)節(jié)奏等，從而使煉鐵和煉鋼作業(yè)有效銜接，而不必鐵水限產(chǎn)。

　　5、LSM的優(yōu)越性

　　LSM煉鐵工藝克服了高爐煉鐵，COREX、Hismelt熔融還原法所存在的缺點(diǎn)，具有明顯的自身優(yōu)越性。下面重點(diǎn)說(shuō)明一下高爐煉鐵與LSM煉鐵的相同與不同。LSM煉鐵設(shè)備與高爐煉鐵設(shè)備和操作有許多相似的地方，因此與高爐配套的設(shè)備稍加改造后，即可用于LSM工藝生產(chǎn)。

　　高爐的原料場(chǎng)，運(yùn)輸存貯設(shè)備、鐵前配料系統(tǒng)（但需增加強(qiáng)力攪拌和含碳球團(tuán)制備設(shè)備），出鐵場(chǎng)全部設(shè)備，除塵系統(tǒng)等均可直接用于LSM工藝生產(chǎn)。高爐的熱風(fēng)裝置和鼓風(fēng)系統(tǒng)，稍加改造后即可使用。

　　雖然LSM的熔分爐類似于高爐爐缸，但與高爐相比卻有如下的不同：

　　原料不同：為保證高爐內(nèi)料柱的透氣性，保證爐內(nèi)煤氣有較均勻的上升通道，高爐必須使用塊礦，所以必須配套建設(shè)造塊廠如燒結(jié)廠、球團(tuán)廠等，必須使用具有一定冶金強(qiáng)度的焦炭，造成高爐煉鐵流程很長(zhǎng)；而LSM只需將鐵精粉與還原劑、粘結(jié)劑冷壓（或熱壓）成含碳球團(tuán)即可，可不用焦炭和燒結(jié)礦，也就沒(méi)有必要建焦化廠和燒結(jié)廠，因此相對(duì)高爐鐵前流程短得多。

　　加料方式不同：高爐采用礦槽配料、斜橋、料車卷?yè)P(yáng)分批上料，上料系統(tǒng)龐大；而LSM采用Z型皮帶機(jī)或吊車上料，而料倉(cāng)對(duì)預(yù)還原爐則是連續(xù)加料，加料系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單。

　　爐內(nèi)型線不同：LSM熔分爐的內(nèi)型線類似酒瓶，爐內(nèi)布風(fēng)均勻，有利于爐內(nèi)氣流分布；而高爐內(nèi)型線豎長(zhǎng)，煤氣上升時(shí)分布不均，容易形成“管道”。

　　爐內(nèi)料柱：一般小型高爐的有效高度Hu/爐腰直徑D比，即Hu/D約為3.7～4.5，中型高爐Hu/D約為2.9～3.5，爐內(nèi)料柱較高。當(dāng)爐料不好或操作不當(dāng)時(shí)，料柱透氣性變差，爐內(nèi)容易結(jié)瘤、棚料，進(jìn)而使高爐長(zhǎng)時(shí)間難以順行；而LSM工藝的熔分爐的Hu/D≤2.0，因而料柱很短，幾乎不存在料柱透氣性、結(jié)瘤和棚料問(wèn)題。

　　由于LSM熔分爐矮胖，因而鼓風(fēng)機(jī)的出口風(fēng)壓要比高爐低一半以上，可以節(jié)約鼓風(fēng)電力。

　　LSM工藝的熔分爐可以全氧或高富氧率冶煉，而高爐則不能。

　　鐵礦還原工藝不同：高爐是以間接還原為主的生產(chǎn)設(shè)備，間接還原率一般達(dá)到65%以上，所以高爐從加料到出鐵的時(shí)間一般在6.5～7h，最現(xiàn)代化的高爐也要4h以上；而LSM熔融還原煉鐵是以鐵礦直接還原為主的冶煉設(shè)備，當(dāng)含碳球團(tuán)預(yù)還原金屬化率達(dá)到90%以上時(shí)，高溫球團(tuán)進(jìn)入熔分爐內(nèi)后幾分鐘之內(nèi)就會(huì)熔化，LSM工藝從加料到出鐵的時(shí)間僅在1h之內(nèi)。因而LSM工藝的生產(chǎn)效率大大高于高爐。

　　LSM熔分爐與高爐的操作工藝有很大區(qū)別，在LSM熔分爐中燃燒1kg固定碳所發(fā)生的熱量高達(dá)27MJ/kgC以上，而高爐只有10MJ/kgC左右，相差2.7倍之多?？梢?jiàn)與高爐冶煉相比，LSM工藝更有利于節(jié)約能源，減少排放，降低消耗。

　　6. 結(jié)論

　　經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外冶金專家、學(xué)者多年的理論研究和試驗(yàn)，以含碳球團(tuán)為原料的還原工藝，理論上的可行性和科學(xué)性均已得到解決。國(guó)內(nèi)外對(duì)以含碳球團(tuán)為原料的熔融還原技術(shù)，積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，成為L(zhǎng)SM工藝的技術(shù)為依托。Hismelt、COREX、FINEX工藝雖有其突出的優(yōu)點(diǎn)和驕人的成績(jī)，但也存有一些明顯的缺點(diǎn)。從以上論述中可以看出LSM工藝對(duì)于上述工藝的優(yōu)越性。

　　LSM煉鐵工藝具有獨(dú)特的工藝設(shè)備，適宜建設(shè)單體年產(chǎn)15～30萬(wàn)t的生產(chǎn)線。在高富氧或全氧冶煉情況下，單體設(shè)備生產(chǎn)能力可達(dá)到30～60萬(wàn)t。

　　在與現(xiàn)有煉鋼設(shè)備配套或要求達(dá)到一定的規(guī)模效益時(shí)，LSM工藝還可采用模塊結(jié)構(gòu)擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。模塊結(jié)構(gòu)的含義是共用鐵前準(zhǔn)備，并列建設(shè)單體固態(tài)預(yù)還原爐加熔分爐。這意味著LSM工藝技術(shù)生產(chǎn)組織靈活，既可在很寬的生產(chǎn)能力范圍內(nèi)發(fā)揮效益，又可分階段實(shí)施。巴西開(kāi)發(fā)的Tecnored煉鐵工藝為我們提供了這方面的經(jīng)驗(yàn)。

LSM工藝是一種設(shè)備簡(jiǎn)單，流程短，投資少，成本低，環(huán)境友好的煉鐵技術(shù)，可以用來(lái)新建煉鐵設(shè)備、也可用來(lái)嫁接改造中小高爐，使之?dāng)[脫高消耗、高污染、高成本等“三高”困擾，淘汰落后產(chǎn)能，形成嶄新的生產(chǎn)力。

        從LSM工藝上來(lái)看，在整個(gè)工藝中依然存在還原碳燃燒及CO二次燃燒，包括以前的工藝中還原煤氣等經(jīng)過(guò)還原后都會(huì)有一個(gè)相應(yīng)的氣體氛圍。而煙氣分析儀作為檢測(cè)這個(gè)氣體氛圍提供了科學(xué)的依據(jù)。德圖煙氣分析儀可以提供比較精確的測(cè)量及全面的解決方案，即便新工藝中的LSM熔分爐出口煙氣及所涉及的全氧或者富氧冶煉的可能提供更為先知冶煉工藝。作為煙氣分析儀依然可以并值得廣大鋼鐵冶煉企業(yè)的裝備，同時(shí)可以涉及環(huán)保監(jiān)測(cè)的要求。