直接還原鐵是鐵礦在固態條件下直接還原為鐵，可以用來作為冶煉優質鋼、特殊鋼的純凈原料，也可作為鑄造、鐵合金、粉末冶金等工藝的含鐵原料。這種工藝是不用焦碳煉鐵，原料也是使用冷壓球團不用燒結礦，所以是一種優質、低耗、低污染的煉鐵新工藝，也是全世界鋼鐵冶金的前沿技術之一。
直接還原煉鐵工藝有氣基法和煤基法兩種，按主體設備可分為豎爐法、回轉窯法、轉底爐法、反應罐法、罐式爐法和流化床法等。目前，世界上90%以上的直接還原鐵產量是用氣基法生產出來的。但是天然氣資源有限、價高，使生產量增長不快。用煤作還原劑在技術上也已過關，可以用塊礦，球團礦或粉礦作鐵原料（如豎爐、流化床、轉底爐和回轉窯等）。但是，因為要求原燃料條件高（礦石品位要大于66%，含SiO2+Al2O3雜質要小于3%，煤中灰分要低等），規模小，設備壽命低，生產成本高和某些技術問題等原因，致使直接還原鐵生產在全世界沒有得到迅速發展。因此，高爐煉鐵生產工藝將在較長時間內仍將占有主導地位。
1． 直接還原鐵的質量要求
直接還原鐵是電爐冶煉優質鋼種的好原料，所以要求的質量要高（包括化學成份和物理性能），且希望其產品質量要均勻、穩定。
1．1 化學成份
直接還原鐵的含鐵量應大于90%，金屬化率要＞90%。含SiO2每升高1%，要多加2%的石灰，渣量增加30Kg/t，電爐多耗電18.5kwh。所以，要求直接還原鐵所用原料含鐵品位要高：赤鐵礦應＞66.5%，磁鐵礦＞67.5%，脈石（SiO2+Al2O3）量＜3%～5%。直接還原鐵的金屬化率每提高1%，可以節約能耗8～10度電/t。直接還原鐵含C＜0.3%，P＜0.03%，S＜0.03%，Pb、Sn、As、Sb、Bi等有害元素是微量。
1．2 物理性能
回轉窯、豎爐、旋轉床等工藝生產的直接還原鐵是以球團礦為原料，要求粒度在5～30mm。隧道窯工藝生產的還原鐵大多數是瓦片狀或棒狀，長度為250～380mm，堆密度在1.7～2.0t/m³。
生產過程中產生的3～5mm磁性粉料，必須進行壓塊，才能用于煉鋼。強度：取決于生產工藝方法、原料性能和還原溫度。改進原料性能和提高溫度有利于提高產品強度。產品強度一般＞500N/cm²。
2． 直接還原鐵產生工藝技術介紹
2．1 豎爐法
氣基豎爐法MIDREX、HYL法直接還原鐵產生中占有絕對優勢，該工藝技術成熟、設備可*，單位投資少，生產率高（容積利用系數可達8～12t/m³·d），單爐產量大（最高達180萬t/年）等優點。經過不斷改進，其生產技術不斷完善，實現規模化生產。
（1） MIDREX技術
Midrex法標準流程由還原氣制備和還原豎爐兩部分組成。
還原氣制備：將凈化后含CO與H2約70%的爐頂氣加壓送入混合室，與當量天然氣混合送入換熱器預熱，后進入1100℃左右有鎳基催化劑的反應管進行催化裂化反應，轉化成CO24%～36%、H260%～70%、CH43%～6%和870℃的還原氣。后從風口區吹入豎爐。
豎爐斷面呈圓形，分為預熱段、還原段和冷卻段。選用塊礦和球團礦原料，從爐頂加料管裝入，被上升的熱還原氣干燥、預熱、還原。隨著溫度升高，還原反映加速，爐料在800℃以上的還原段停留4～6小時。新海綿鐵進入冷卻段完成終還原和滲碳反應，同時被自下而上通入的冷卻氣冷卻至＜100℃。還原鐵的排出速度用出鐵器調節。產品典型成分如下：
產品化學成分（%）
工藝/成分 Tfe ηFe SiO2 Al2O3 CaO MgO C P S
Midrex 91-93 92-95 2.0-5.5 0.5-1.5 0.2-1.6 0.3-1.1 0.7-2.5 0.07 0.01
-0.03
工藝多用球團和塊礦混合爐料。球團粒度9-16mm占95%，球團冷壓強度＞2450N/球，塊礦粒度10～35mm占85%；要有高軟化溫度和中等還原性；化學成分鐵量要高，酸性脈石低（≯3%-5%），CaO＜2.5%，MgO＜1.0%，TiO＜0.15%，S＜0.008%。為放寬對礦石含硫要求，Midrex法改用凈化爐頂氣作冷卻氣。在冷卻海綿鐵的同時被熱海綿鐵脫硫，從冷卻段排出后再作為裂化劑，可容許用含硫0.02%礦石。
現今Midrex法作業指標為：產品金屬化率86%～96%，有效容積利用系數10
t/m³·d，能耗10.47GJ/t，電114kWh/t，水1.64m³/t。
Arex法是Midrex法的新改進，天然氣被氧氣（或空氣）部分氧化后送入豎爐，利用新生熱海綿鐵催化裂化，省去了還原氣重整爐。改進后噸鐵電耗可降低50Kwh。
（2） HYL（罐式）法與HYL-Ⅲ（豎爐）法。
HYL法由4座罐式反應爐和1座還原氣重整爐構成。該工藝作業穩定、設備可*。產品含碳2%左右，不易再氧化，不發生爐料粘結；只因還原氣要反復冷卻、加熱，系統熱效率低，能耗偏高，氣體消耗為20.93GJ/t；1975年后再沒建新廠。
對HYL罐式法作出改革，保留原還原制備工藝，但將還原氣重整轉化與氣體加熱合一；4個罐式反應爐改為連續式豎爐，稱HYL-Ⅲ豎爐法。
該工藝采用高氫還原氣，高還原溫度（900-960℃）和0.4-0.6MPa高壓作業。改善還原動力學，加速還原發應；含硫氣不通過重整爐，延長了催化劑和催化管使用壽命；還原和冷卻作業分別控制，能對產品金屬化率和含碳量進行大范圍調節，產品平均金屬化率90.9%、控制碳量1.5%-3.0%，質量穩定；配置CO2吸收塔，選擇性地脫除還原氣中H2O和CO2，提高還原氣利用率；重整爐產生高壓蒸汽發電。最低生產能耗為10.43-11.2
GJ/t，電耗90kWh/t。HYL（罐式）法已逐漸被HYL-Ⅲ（豎爐）法取代，合計產量占世界總產量的25%左右。
該法的新改進是天然氣進入反應器直接裂解，生產高碳（3.8%）DRI產品。最近又推出HYL-Hytemp生產系統。將熱還原鐵（650℃）氣力輸送到電爐車間，噴入電爐。冶煉時間縮短，電極和耐火材料消耗降低，金屬收率提高。噸鋼電耗降低112kW·h，電極消耗降低0.55kg，冶煉時間縮短16min，產率提高16%，噸鋼成本可降低4.6美元。
2．2 氣基流化工藝
（1）F1NMEF工藝
該工藝使用<12mm粒度礦粉（脈石<3%，低硅高鐵），在流化床上干燥，被加熱到100℃，送入反應器結構頂端的閉鎖料斗系統中，加壓1.1MPa后，通過4個串聯液化床反應器，鐵粉在重力作用下從上方反應器向下流動，與作為還原劑的重整天然氣逆向而行。產品含鐵92%，金屬化率92%~95%，含碳0.5%~3.0%，以FeC形式存在。現世界上已有三套這種裝置，1999年奧鋼聯建第一套，第二套在西澳BNP公司，能力250萬噸/年，埃及建的第三套，年能力115萬噸。該工藝的優點成本低、質量好。
（1） Circored和Circofer工藝
兩種工藝核心設備都包括一座循環液化床和一座普通流休床。Circored是用天然氣為能源，Circofer以煤為能源。鐵精礦粉是經過預熱后（約900℃）進入循環流化床參加反應，使動力學條件得到改善，在4個大氣壓條件下，鐵礦與氫在630℃時可被還原（在氣體環路中加入部分氫）。
2．3轉底爐法
將鐵礦粉、鋼鐵廠含鐵粉塵、煤粉和粘結劑按一定比例混合，壓制成含碳球團礦，送入烘干機內進行烘干，脫除水份。將干燥的含碳球團均勻地鋪在轉底爐上（只鋪一層），在高溫1200～1400℃下球團礦內氧化鐵與碳反應，放出CO，在爐膛內燃燒成CO2，并形成高溫廢氣（在1000℃以上）。一般反應只要20分鐘左右。
將廢氣收引出預熱煤氣（400℃）和助燃空氣（900℃），低溫廢氣從蓄熱室和換熱器引出，再去烘干生球團。這時廢氣溫度在100℃左右。從節能角度看，能源利用效率較高。轉底爐的高溫氣體由燃燒器來提供（使用煤氣加熱）。
轉底爐可以處理含Zn、Pb高粉塵，可以避免配入燒結礦中后，在高爐冶煉過程中Zn、Pb的富集造成的負面影響。
目前的山西翼城，河南鞏義已有外徑為16.3米的轉底爐，年產量在7萬噸，金屬化率達85%，每噸鐵投資為182元。
2．4開發利用焦爐煤氣，對含碳球團在豎爐內進行直接還原。焦爐煤氣含55%左右的氫。在化學反應中，氫對氧化鐵的還原率是最高的。目前，首鋼準備開展這方面的工作。焦爐煤氣要進行裂解，提高H2的含量，并要預熱到930～950℃，在參與還原反應，反應后氣體要脫除CO2，再循環利用。
用氫作還原劑存在的主要技術問題：
▪ H2還原鐵的其它氧化物都是吸熱反應，需要充足的熱。在滿足還原和供熱的煤氣的最佳H2含量為32.05%。
▪ 富氫預還原會導致物料的粉結。采取分段供應富氫和非富氫供氣制度。
3． 直接還原鐵發展現狀
3．1
全世界直接還原鐵發展比較快，2003年產量為4960萬噸，2004年為5460萬噸，2005年約為6000萬噸。年增長率在10%以上。在直接還原鐵生產工藝中，氣基直接還原占92%。
表1 各種直接還原鐵生產所占比例 單位：%
年 MIDREX HYLⅢ HYLⅠ Finmet 其他煤基 其他氣基
2003 64.60 18.40 1.30 5.20 10.20 0.40
2004 64.10 18.90 1.90 2.90 12.10 0.10 2004年委內瑞拉產量783萬噸，印度937萬噸，墨西哥654萬噸，伊朗641萬噸，俄羅斯314萬噸，沙特341萬噸，特立尼達和多哥236萬噸，中國為43萬噸。
3．2 中國情況
2005年中國生產直接還原鐵為約50噸，而生產能為比產量要高出20%。主要是技術、原料、成本等因素影響。
全國現有30多個直接還原鐵企業，其總生產能力約60萬噸。總體上講，規模小，生產成本高，缺少高品質的原料。多數企業用隧道窯反應罐法，生產工藝落后，能耗高，環境污染嚴重。
（1） 天津直按還原鐵廠生產實踐
2004年產直接還原鐵33.2萬噸，2005年約產34萬噸，設備作業率在98%以上。
該廠是采用DRC法煤基直接還原生產工藝：兩條φ5X80ｍ回轉窯----冷卻筒----產品分選----成品。
使用巴西球團礦（含鐵品位68%，SiO2+Al2O3約為2%）適宜配入煤和石灰石，進行混均，從回轉窯給料端加入。窯體是傾斜安裝，慢速旋轉，使爐料朝卸料端運動，同時，礦石被加熱和還原（注意溫度控制在不要使脈石熔融，以免結圈）。煤作為熱源和還原劑，一部分隨鐵礦石同時加入，另一部分從窯的卸料端噴入窯內。供煤所燃燒的空氣，通過沿窯長度方向安裝在窯殼上不同位置的風機由軸向吹入窯內。熱的還原產品經過冷卻筒冷卻，然后篩分、磁選及風選，分離出非磁性物，得到成品。來自窯內的煙氣經余熱鍋爐回收余熱（產生蒸汽），廢氣經布袋除塵，用廢氣風機送入煙囪。
操作的技術關鍵：
▪ 保證窯內還原氣氛，控制好風量
▪ 控制好窯體內各部分的適宜溫度，不讓脈石熔融
▪ 窯的卸料端保持微正壓，20~30Ｐａ
控制直接還原鐵金屬化率在91.1%～94.6%，質量合格率在94%，是最經濟的指標。金屬化率高和低，均會造成回轉窯和電爐煉鋼指標的惡化。（煉鋼過程加入直接還原鐵比例最好控制在15%～35%，并要控制好料流加入速度32～34Kg/兆瓦▪分，以免出現鋼水的沸騰現象以及噴濺）。
影響產品金屬化率的因素是：頻繁停窯、非正常條件下生產（難以調控），窯和冷卻筒密封性不良、煤的成份波動和質量控制點選擇不當。
（2）首鋼密云冶金礦山公司煤基鏈篦機─ 回轉窯 ─ 一步法
該公司直按還原鐵年生產能力6.20萬噸，
▪ 生產工藝：配料 ─ 造球 ─ 干燥（鏈篦機）─ 回轉窯（還原）─ 冷卻 ─ 成品。
▪ 鐵精礦水份嚴格控制在5.5%～6.5%。
▪ 造球配皂土（粘結劑）0.8%～1.0%，臺時產量20±2噸。
▪ 鏈篦機帶速為0.5m/min，布料厚度100～120ｍｍ。
生球抗壓強度≧1.2Kg/個，落下強度≧5次/0.5ｍ，水份控制在7.5%左右，粒度6～16mm占85%以上。
▪ 回轉窯及熱工系統操作
窯頭噴煤總量在7.0±0.5噸/小時，精煤槍壓力控制在60KPa，細煤槍壓力控制10～14KPa。
窯尾加煤控制在800±50Kg/h，嚴禁窯尾煤量過值。
窯溫控制：窯頭箱<980℃，
1、2、3號電偶控制在1000～1040℃，短時溫度不得超過1060℃；
4、5、6號電偶控制在1000±20℃；
7、8、9號電偶控制在950～1000℃；
冷煙室溫度控制在700℃以下。
鏈篦機預熱段溫度控制在850～920℃
過渡段溫度控制在550～650℃
干燥段溫度控制在250～350℃
1、2號風箱溫度不得低于600℃
回轉窯電機轉速控制在400～440轉/分，主風機的回熱風閥門開度45%～50%，轉速800～850轉/分，回熱風機入口負壓780±20KPa，溫度310～350℃。干燥風機閥門開度65%～70%，轉速800～850轉/分。
產品質量標準的廠標是：鐵品位≧88%，S≦0.04%，金屬化率>90%。
(3)山東萊蕪魯中冶金礦山公司直接還原鐵廠用冷固球團----回轉窯工藝生產直接還原鐵，年生產能力5萬噸。后改為塊礦回轉窯法。
▪ 福建大田海綿鐵公司用sic反應罐----隧道窯法生產直能力5萬噸/年。
▪ 喀左海綿鐵廠、哈爾濱市海綿鐵廠、吉林復森海綿鐵公司、吉林樺甸海綿鐵廠等也具備了年生產能力2.5萬噸。 |
