HIsmelt技术的前世今生 ——新技术在中国如何从“0”到“1”

　　力拓矿业集团

　　HIsmelt直接熔融还原技术于2017年底正式由澳洲技术拥有方力拓集团（下文简称外方）转让给山东一家民营企业（下文简称中方），从1980年的基础研发至2018年，历时近40年，这40年恰逢中国改革开放，也是中国民营经济从无到有的发展时期，外方在该项技术上倾注了大量的心血和金钱，终于在市场和战略变迁的迫使下，彻底放弃该技术。

　　2016年，中国首座HIsmelt工厂在山东寿光建成并试车，前后经过近10次反复启动试车伴随着持续的工艺优化与设备改造，于2017年初步实现稳定顺行。

　　作为亲历项目的设计、建设、试车、运行、直至技术转让的全程参与者，作为该技术的忠实粉丝，作为一名热爱新技术的工程师，始终觉得应该说点什么，为这段故事留下一段记忆。同时也让有心者了解，一项大型技术从基础研发到产业化需要付出的诸多艰辛。

　　需要说明的是，本文不是专业性文章，文中不涉及对任何公司和个人的褒贬，而是从宏观的视觉阐述一项由外方开发但没有做好的技术是如何在中国实施成功的。

　　据国内外公认的文献记载，最早的高炉雏形源于中国汉代，中国人在汉朝使用黏土在树藤和土块的支撑下搭成了炉子，并现在下部安装了鼓风系统，最早炼出了铁水。欧洲人逐步发展出了熟铁炉，风箱炉。1840年以前，世界上钢铁绝大多数都由木炭作为还原剂进行熔炼，每千克生铁需要消耗40千克木材。随着第一次工业革命的爆发，人类对钢铁的需求成指数级增长，而炼铁则对森林进行了大规模的砍伐（“大炼钢铁”时期，全国森林覆盖面积下降约3个百分点），造成了生态系统的急剧恶化。19世纪30年代，欧洲开始试验焦炭，1940年后，焦炭开始大量运用于高炉，焦炭的发热量高，力学性能好，可以作为骨架支撑矿石，为大规模炼铁技术的实现打下了基础。高炉高度由1830年的14.6米直线升高至1840年的24.4米，直径增加了1米，体积增加到250m?，大型高炉技术正式登上历史舞台。如今已经建成的高炉炉容达最高已达6000m?。

　　钢铁产能已经成为衡量一个国家工业化水平的重要指标，翻看工业化的历史就能发现，世界发展的中心从欧洲的英德，美国，日韩，中国，到正在如火如荼的印度，无不有高炉炼铁高大的身影在背后支撑。

　　根据高炉的技术需求，人类广泛采用粉矿造块+焦炭+高炉的技术路线进行生产，高炉炼铁的重大缺陷就是环保，以及高品质矿石原料来源的偏向性。

　　粉矿造块和炼焦均是污染物和温室气体排放大户，据中国官方机构的统计，每年炼铁炼钢行业二氧化硫和氮氧化物排放量两百万吨以上，烟尘排放量则接近四百万吨；焦化工序排放总量还要加上一百万吨。高炉工艺生产的每吨钢二氧化碳排放量约为2.5吨。这还不包括无组织排放的。

　　看看北京周围频发的雾霾，每次北京有重要外事活动时，周边钢厂限产就能明白传统钢铁工艺对环境的影响有多大。

　　原料上，高品质的铁矿石资源绝大多数都分布在澳大利亚西部、巴西、遥远的非洲。而高炉技术不能高效冶炼的高磷矿、高铝矿和钒钛矿却在地球上有广泛分布，且储量惊人。同样，优质的炼焦煤在近两百年开采后，逐渐趋向于贫乏。原材物料的稀缺性也就成为各国大力研究非高炉冶金技术的内生动力之一。

　　钢铁业界从上世纪70年代开始重视非高炉炼铁，旨在扩大原材料使用范围，降低钢铁行业污染排放，Corex、Finex、Midrex、HIsmelt等等层出不穷，但是在运行过程中都遇到各自的困难。均没有能够得到大规模的接受和推广。其中的HIsmelt熔融还原技术是完全舍弃焦化厂和烧结厂，直接用铁矿粉和煤粉炼铁，能够极大简化炼铁流程，降低污染及温室气体排放的最简单工艺，HIsmelt是力拓倾力打造的最先进矿石冶炼技术。力拓集团在西澳大利亚地区拥有巨量的高磷矿石储量，这也是其潜心从基础研发开始，36年不间断投入的主要原因。

　　1981年，CRA矿业公司（力拓集团前身）对德国Kl?ckner Werke的底吹氧气转炉工艺OBM产生浓厚兴趣，认为该工艺能够直接用于直接炼铁。

　　1982年，CRA与德国Kl?ckner Werke成立合资公司共同开发研究，并在60吨的OBM转炉上进行了实验，结果表明通过煤粉喷吹和二次燃烧，该工艺能够直接熔融还原铁矿粉。双方决定在德国巴伐利亚州建设产能12000吨的小型中试厂SSPP。

　　SSPP在1984年至1990年进行了长期运行测试，1987年CRA开始全权负责SSPP。

　　1989年至1994年，CRA与Midrex开始研发新一代的HIsmelt工艺即HRDF。

　　1992年HRDF卧式炉建成并冷试车，设计产能为100000吨，经历6次炉役后改造为立式炉。

　　1996年立式炉建成，1997年开始试车，实验结果表明立式炉从产能、产率、可靠性、连续运行时间等各项指标均远高于卧式，且工艺设备更加简单，试验结果过完全达到预期，符合工业化扩大工厂的要求。

　　2002年力拓集团与世界几家有实力的钢铁公司成立合资公司，开始筹建年产80万吨的示范性工厂。2004年示范性工厂建成，2005年开始试生产，断断续续的运行至2008年金融危机。期间经历了耐材重砌、引入渣区冷却器、矿粉/煤粉喷枪改进、渣口升级、热风喷枪升级、烟气脱硫扩大升级一系列从无到有的摸索改进。2008年关闭前，熔融还原炉及其附件的改造设计完成并能稳定，导致生产中断的问题都集中到外围附属设备，如矿粉预热。而在这些反复启动、关闭、调试、维修的过程中，力拓的工程师和技术人员积累了大量的经验教训，为日后新工厂的建设和运行打下了坚实的基础。

　　西澳HIsmelt运营期间正置中国钢铁高速发展期，吸引了时任中国国家主席、总理、人大委员长，以及宝钢首钢等35家大型钢铁集团的广泛关注，很多公司都签订了合作协议，一旦成功，将会在中国大范围的推广。由于这是第一个工厂，设备、工艺、技术、人员等等都是全新设计，不可避免的会发生各种各样的状况，始终没有达到预期的运营效果。2008年金融危机蔓延，中国用户的耐心也消耗殆尽，力拓集团和合作方决定西澳关闭工厂。连大企业都搞不定，中国人心里就自然认为该技术已经失败。

　　历史再次证明，真理往往掌握在少数人手里，2012年山东寿光一个中型民企企业家通过非直接渠道了解到了该技术，由于该企业没有高炉，上游的炼钢原料都从周围高炉企业采购。建设一个年产能不大的生铁生产工厂正好配合其下游炼钢轧钢的车间产能消耗，也就是顺势而为的事情了。2012年该企业向澳大利亚现场派驻工程师，将部分有价值的设备拆迁回山东，2013年开始同设计院合作设计，2014年开始建设，2016年初建成，1-5月完成单体调试。2016年6月进行首次装铁水试车。

　　HIsmelt工艺每次启动的时候，需要首先将炉体加热到一定温度，往炉内灌注几百吨高温铁水预热，再往里面喷入原料开始反应。由于炉体大，耐材厚，预热需要用天然气燃烧烘烤5-7天，烘烤完成后，如果受热不均匀，灌入铁水后很可能会迅速冷却凝固，必须停炉将凝固的铁挖出来，若此，则启动失败，烘炉和铁水的几百万等于打水漂了。

　　第一次启动灌入铁水后，还原炉烟罩循环水泵（利旧设备）突然故障调停，没有循环水冷却的烟罩，是不能生产的，在无数次尝试都不能启动的情况下，中方和外方商定，启动失败，将铁水放出。但由于铁水温度过低，流动性降低，已经不能够通过放尽口流出了。最终只能等冷却后，用切割机切割，人工搬动出来，该过程历时接近一个月；

　　第二次启动，灌铁水一切正常，在即将进入正常生产时，突然全厂停电，制氧厂需要长时间恢复，再20小时后决定放出铁水。第二次启动宣告失败；

　　第三次启动在烘炉期间，由于炉内渣没有清理干净，渣融化后在铁口冷却堵塞铁口，在多次试图用氧枪融化不能成功后，停炉排堵重新生产。

　　第四次启动，终于正常启动并生产。

　　2016年启动至今，中方项目部经历了斗式提升机堵塞，磨煤系统故障，喷煤线堵塞，喷枪漏水，烟罩漏水等等一些列设备问题，最后均一一解决。2017年突破连续生产三个月，2018年实现了连续生产四个月，生产成本持平高炉，部分月份低于高炉。

　　综合两年多的生产运行状态，HIsmelt在中方项目上出现的问题均为设备不稳定导致的，最核心的熔融还原炉及其附属喷枪均正常。

　　工厂是连续生产的过程，从原料场，原料预热，煤粉喷吹，矿粉喷吹，铁口，铁钩渣沟，后面的烟气处…任何环节设备出现故障，工厂必须停下进入保持状态。进入保持状态后，就是与时间赛跑的过程，停炉时间太长，炉体易冷却，甚至炼成钢或者出现泡沫渣。因此工厂对设备的稳定性有很高的要求，出问题后现场能够快速响应，在有限时间内将设备回复正常。这点其实是项目成功的最关键因素。

　　中国山东寿光与澳大利亚珀斯

　　珀斯Perth位于澳大利亚的西端，被誉为世界上最孤独的城市，力拓选择珀斯为HIsmelt的基地，因为珀斯靠近力拓铁矿石的主产区，同时澳大利亚政府在政策上也鼎立支持澳洲公司往下游高技术高附加值的产业链扩展。HIsmelt系统的关键设备原产地为德国，美国，日本，中国…世界各地，西澳大利亚的主要产品为矿石和能源。

　　山东寿光位于青岛西北方向约200公里，周围是淄博，烟台，潍坊，济南，莱芜…毗邻长三角和环渤海经济带。主要产品钢铁，机械加工，化工，电子…几乎涵盖了制造业的全产业链。

　　对比珀斯和寿光，不难发现寿光周围就是造业基地，遍布钢铁冶炼和机械加工厂，临近的淄博更是因生产各种泵而闻名。且中方项目公司自身，也有很强的机械加工和生产能力。

　　寿光的交通四通八达，高铁直达临近的潍坊，物流配送系统极其发达，设计院、供应商、相关技术人员能够在接到通知后12小时内赶到现场（现场可以通过控制确保12小时内铁水保持高温）。

　　经典的例子是第一次启动时，强制循环高温水泵突然停止工作，而这台泵是原澳大利亚工厂拆回来的设备，产于德国，由于年久失修，其工作能力不能达到设定的要求，如果从原厂采购，需要等待很长时间才能够得到产品，但项目紧急，需要尽快安装好准备第二次启动。中方经理迅速在周围进行寻找替代品，最后在附近的淄博找到了同等型号的产品，确保在一月之内迅速安装并调试完毕。试想如果这件事情发生在珀斯，仅是从供应商处运送到西澳的海运时间就需要一月左右。

　　另一个例子，现场的磨煤机是德国生产的，也是从澳大利亚拆过来的设备，前后已经寿命10多年的设备。第三次启动并正常运行一段时间后，磨煤机风机主轴断裂，该轴是磨煤机的核心部件之一，损坏后整个生产必须停下。中方经过多方折腾，最后的方法根据图纸自己加工一根轴。如果此事发生在西澳，大概率会决定放出炉中铁水，停止生产。

　　身处制造业中心的地域优势，能够让山东项目在运行过程中遇到的设备问题迅速解决，意外损坏的设备、备品备件能够在不至于放尽铁水的情况下迅速补齐并安装上重新启动，这些条件在最孤独的城市珀斯是不具备的。

　　运行初期最常见的问题如喷煤线堵塞，原料提升机卡死，烟罩漏水。这些问题对有丰富制造和应急经验的中方来说，都是可以通过快速反应解决的问题。

　　中方的高层也曾经感叹说：“对于新开发的项目，项目拥有方自身需有很强的维修加工能力，或者项目选择位于制造业中心！”。当然，这也不是绝对，对于以后的HIsmelt工厂，如果设备质量能够过硬，地点选择问题是可以克服的，但对于山东项目，这是必要条件。

　　中小公司与大公司

　　力拓集团总体市值近千亿美金，经过近150年历史的发展，该公司已经完全形成了集团化公司制度，以及成熟的公司文化，是一家引人注目的大众持股公司，各方面管理非常健全。

　　相对的中方公司，市值近百亿，紧跟中国改革开放浪潮一步步成长起来，2004年完成上市。是一家典型的靠企业家精神创立的地方企业。

　　对比一下中外的企业文化。外方： “安全，员工，环境，合作” ；中方文化首句：“凡企业者，聚众谋益，集群殖业者是也”。看了都能明白：外方作为国际化大型企业，首先求稳定，中方一心求发展。两个不同价值观的公司硬拉在一起，也为后来外方的离去埋下了伏笔。

　　不得不承认，外方在员工安全方面的工作已经做到了极致，从汽车安全带，常规安全服，安全帽，氧气煤气面罩，甚至细致到工牌的安全等等，要求极其严格，更让人震惊的是公司有一条制度：当员工个人判断，认为某项任务具有安全隐患时，员工可以拒绝执行该分配的任务，上级不能以此或与此相关的理由对员工进行惩罚或责备。这在中国企业几乎是不可想象的。这种对人文主义的关怀，的确值得很多中国公司学习。

　　极致的安全必然降低发展的效率，一旦有任何安全风险，必须进行风险评估，否则不准操作。这对于新建的工厂，新开发的工艺技术来说，无疑会束缚前进的步伐。

　　而中方针对现场常见的设备问题，建立了快速反应修复机制，非常有效，遇到问题，迅速在线解决，只要主设备没有到必须停下不可的程度，继续生产。HIsmelt技术绝大多数问题都是设备问题，而对于中国人来说，设备问题就不是问题，是能够解决的问题。

　　2010年前与2010年后

　　澳大利亚珀斯工厂于2008年关闭，在2008年之前，互联网还不发达，正处于起飞阶段。数据共享，视频共享，移动终端网络还没有兴起，信息的沟通主要靠电话和邮件，甚至纸质快递。工厂设计，建设，运营的实时信息均靠层层会议，纸质记录，邮件，电话传达。

　　2010年后，移动互联网迅速兴起，图片信息，数据信息能够实时传递给相关责任人和技术人员，相关人员可以在线沟通，在线会议，迅速做出判断，而现场人员则可以通过这些实时信息进行相应动作。这大大提高了沟通效率。

　　2015年底，项目建设进入尾声，中方催促需要加快进度，争取尽快灌注铁水生产。而磨煤机在调试过程中反复出问题。外方专家在几十米高的磨煤机顶上调试，属于设备问题，工艺专家无法解决，设备工程师身在澳洲。于是我们用将现场设备拍照，实时发送给澳大利亚负责设备的工程师，并打开微信视频让其做在线指导，该问题在一小时得到了解决。

　　为了能够更好的共享数据，让上层领导和专家能够实时看见现场运营状态，外方专门开发了移动数据共享页面，相关人员能够通过手机，笔记本在世界上任何有wifi的地方实时观察运营状态并提取数据。外方专门开发了第三级计算程序，均可通过移动互联网可以访问到现场生产数据进行计算，并对做出建议。

　　2016年9月，第三次启动成功后，中方领导和外方领导去北京出差，在回寿光的高速公路上突然接到现场运营的电话，工艺不正常，中方和外方领导正好在一起，他们通过Ipad打开现场运营数据库，并迅速做出决策。

　　信息技术的发展不能说对该项目的成功能够起到决定性的作用，但是相对于2010年之前在珀斯试验工厂的时代，移动互联网对员工之间信息共享、不同区域之间信息共享、上下层人员沟通决策、工厂调试和维护的效率、各相关人员对工厂的整体把握有极大的推动作用，大幅提高了信息流通的效率。

　　时代的进步，外围技术的革新能够让很多之前看起来失败的技术起死回生。想想最近发生的电动车革命，最早的电动车19世纪就造出来了，但是当时环境压力不大，环境意识还不完善，最终在和燃油车的竞争中处于下风。21世纪对环境恶化的重视，新材料技术的发展，互联网技术的发展，又让电动车市场起死回生。

　　这也给我们提供了一个创新的方向，寻找那些以前曾经被追逐过的技术，分析当时的技术和市场与当代差异，用现代的技术去升级之前的产品，以此打开新的一片蓝海。

　　中国员工与外国员工

　　中方由CEO、副总亲自带队，现场指挥，所有计划和想法一旦统一都能够迅速实施。在每次启动时，中方CEO基本住在现场，现场经理及技术人员甚至连续几天晚上不睡觉一个月不回家，当炉内渣融化堵塞前置炉时，中方副总更是亲自拿着氧枪现场排堵，领导带队的共同努力下使得问题一个个得到解决。中方现场员工大多都是多面手，特别是现场操作人员都是多功能化。在某个区域出现问题时，周围几个区域的操作人员迅速聚集，过来一起解决。

　　设计建设阶段，外方总会提出很多新的方案，但是由于成本和实现的复杂程度，与中方产生各种意见分歧，最后的结果往往是多方妥协，在设备选型上的妥协，为后来工厂启动后外围设备的不稳定埋下了隐患。幸运的是在核心设备，直接还原炉上都很谨慎。在砌筑耐材阶段，加拿大人工程师、日本耐材供应商常常是半夜还在炉内观察、测量，确保砌筑的精确。加拿大工程师对耐材的砌筑几乎到了吹毛求疵的程度，绝不放过每一个细节，虽然最后还没有完全达到他的要求，但基于外方在澳洲的经验，相对于澳洲的炉子，中国项目有了很大的提高。后来多次反复启动，多次炉内切割作业，耐材依然坚挺。

　　项目运营阶段，外方更加强调理论化，数字化，在计算理论的指导下来运营工厂，不断的通过计算优化调节控制来实现。中方更加注重工厂的运营稳定性，就是常说的稳定顺行。外方人员喜欢通过计算软件来了解工厂状态，不停操作，每个班次的人操作方式、操作风格均有差异，这点中方高层也敏锐的察觉到了。当外方撤出后，中方操作上做出了调整，将操作流程化、参数化，首先让工艺流程在较低产量条件下稳定，然后逐步优化，往上提升，这种方法非常实用，在工厂刚开始阶段无疑更加有效。

　　对比中外员工，不难发现外方人员则更多体现的是专业化、专人做专事，每个人都有自己的想法和理论，力求将每件事情做到精益求精。而中方员工更加体现的是实用化，在大方向确定的情况下，将结果落实到生产实践中去，尽快实现稳定顺行。而这些都是新技术开发时间所必需的。

　　HIsmelt在力拓集团内部是一个相对较小的部门，当集团战略调整，市场压力加上中外公司的文化和价值观差异，HIsmelt自然首先成了集团总部剥离的目标对象。外方人员撤出项目后，中方聚焦整个集团公司之力，在实践经验的支撑下，将工厂运行操作得更加出色。

　　综上所述，地域的不同、大公司与小公司的比较、时代的变迁和中外文化的差异对HIsmelt技术发展的影响，其本质是生产力与生产关系这对矛盾的调和问题，不能说谁比谁更好，再深入往下写就到了主义，社会发展阶段等等，对于创新来说，没有谁比谁好，只有适合与否。生产力决定生产关系，生产关系反作用于生产力，当外方这种成熟的生产关系作用于初期HIsmelt生产力的时候，不能释放出HIsmelt技术的先进生产力，反而将其束缚，二者是相斥的，分离则是最佳的选择。而HIsmelt技术作为新技术决定了其只能在中型或小企业的生产关系下成长，全公司生产资料集聚对其开发和发展，这才是新生产力需要的土壤。

　　历史上有很多这样的例子：当柯达数码相机的发明人让将第一台原型交给高层时，得到的回答是“That’scute but don’ttell anyone about it”，最后公司被数码相机颠覆；诺基亚发明智能手机，苹果发展并最终革命。大企业产业链的完整性，决定了其很难将生产资料、物力、人力集中到新产品的发展中，大企业在整个全球行业的生态系统中起到的作用是利用强大的产业链和布局，对生产力、生产资料的进行全球化配置。

　　新技术在成长壮大到一定程度后，再由国际化大型企业进行战略性兼并，并全球化布局整合运营，即用更先进的生产关系来配置资源，这是最合理的创新路径。当前的互联网科技企业就是如此，小型公司不断涌现新的idea，承担发展的风险，到一定阶段后，Google，亚马逊，阿里等巨擎对技术进行整合并迭代，然后全球化布局，将产品服务升级后的成果分享给全世界。

　　现在的HIsmelt于未来的HIsmelt

　　HImelt技术在中国已经取得了显著成功，最新的数据显示，日产量，月产量，累积产量均创新高。2016年第一次试车至今2018年4月，停机后检查核心炉体耐材未发现破坏性损伤，简单检修后将会立即进入生产。，

　　外方在澳洲建设HIsmelt示范工厂过程中，一直贯彻数字化工厂战略，力求对工厂各区域信息互联互通，实现最大的自动化。在冶金矿山首次开发使用三级计算模型，从DCS系统每分钟提取8000多个关键数据进行计算分析，通过严格的数学模型计算优化工厂生产。人工智能、机器学习、云计算和大数据技术的进一步发展成熟，该计算模型还会进一步得到应用和扩展，并最终实现对工厂的闭环控制。工厂将实现更加自动化和无人化。

　　基于HIsmelt技术的专有性和独特性，HIsmelt将建设成为一个从工厂硬件到软件的系统化生态，当工厂数量进一步增多，工厂与工厂之间的数据相会实现互联互通共享，通过统一的数据平台进行计算分析，任何工厂生产效率的提高都能够分享给兄弟项目。这些海量数据的积累分析，HIsmelt将会不断升级换代。HIsmelt集群化的发展也将对现行原料供应体系提出挑战，高磷高铝铁矿和钢铁厂废弃物正在被现场使用，喷吹煤甚至部分动力煤粉已近证明能够用于生产，即将进行的是钒钛磁铁矿冶炼以及稀有金属提取的生产试验。钢铁行业将能够逐步脱离对现行标准下优质铁矿石的依赖并为冶金行业的发展提供新的思路。

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