以等離子體作為熱源的熔融還原煉鐵方法。1980～1981年，瑞典的SKF公司將一座年產(chǎn)2.5萬(wàn)t海綿鐵的維伯爾直接還原法的裝置改造為Plasmared(等離子體還原)裝置，用等離子體作為熱源生產(chǎn)直接還原鐵在工業(yè)上得到實(shí)現(xiàn)。開(kāi)始使用的還原劑是液化石油氣，1982年改造后可使用水煤漿。與此同時(shí)，其他等離子體熔融還原法也在不少?lài)?guó)家得到試驗(yàn)和開(kāi)發(fā)。
等離子體加熱原理 等離子是固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)之外的物質(zhì)第4態(tài)，是分布于中性粒子氣體中的電子與離子的混合物，本身電性中和，可導(dǎo)電。等離子體是用直流或交流電在兩個(gè)或更多個(gè)電極間放電獲得的。用高頻電場(chǎng)放電也可獲得功率不大的等離子體。氣體電離成電子和離子時(shí)吸收電能，而當(dāng)其復(fù)合時(shí)則放出熱能。它是一種新的電熱能源，從冶金工程用大功率發(fā)生器看，可以說(shuō)是一種氣體電弧。等離子體電熱轉(zhuǎn)換所用的裝罱是等離子發(fā)生器，其原理見(jiàn)圖。
冶煉特點(diǎn) 采用等離子體冶煉具有以下特征：
(1)能量高度集中。冶金用等離子體的焓值常在12000～45000kJ／m3，其能量集中程度遠(yuǎn)高于高爐熱風(fēng)，故可產(chǎn)生高溫。常規(guī)工業(yè)加熱，溫度達(dá)到2000℃已近極限，而在等離子火炬中，溫度可達(dá)很高，例如4000℃。
(2)氧勢(shì)可調(diào)。等離子體加熱，可以采用不同的等離子體工作氣體或工藝氣體，工作氣氛的氧勢(shì)隨工作氣體發(fā)生變化，因此采用不同的工作氣體，就可達(dá)到調(diào)整氧勢(shì)的目的。如采用H2、CO形成還原性火焰，采用Ar2N2形成中性火焰，而采用空氣或O2。即形成氧化性火焰。
(3)有較高的電熱轉(zhuǎn)換效率和可控性能。常用等離子體發(fā)生器用直流電，因此功率因數(shù)高，網(wǎng)絡(luò)損失小，傳熱過(guò)程不僅依靠輻射也依靠高速氣體的對(duì)流，電熱效率較高。這一電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)易于調(diào)整參數(shù)，穩(wěn)定的電弧設(shè)備也比較簡(jiǎn)單。
冶煉工藝 熔融還原煉鐵工藝實(shí)際上是以煤粉為主要能源。有效地以煤作為熱源和還原劑只有兩條出路，即采用氧煤強(qiáng)化法或電煤強(qiáng)化法。采用等離子體加熱可將電能有效地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，加速煤的燃燒和氣化，從而將等離子體技術(shù)用于鐵礦石的直接還原和熔融還原工藝是可行的。SKF公司的等離子熔融還原技術(shù)有PLASMARED、PLASMASMELT、PLASMADUST和PLASMACHROME等4種工藝。
PLASMARED工藝 此工藝中，等離子發(fā)生器安裝在等離子氣化爐上，用于煤制氣過(guò)程。煤或其他燃料與氧化劑(例如水或氧氣)反應(yīng)，生成直接還原氣，主要成分為H2和CO。高溫還原氣經(jīng)脫硫裝置，用白云石脫硫后提供給豎爐直接還原使用。氣化爐內(nèi)煤氣化所需熱量大部分依靠碳氧燃燒反應(yīng)放熱，少部分由等離子發(fā)生器供給，以維持適當(dāng)?shù)臍饣瘻囟?，從而保證完全氣化，并很好地控制還原氣的質(zhì)量和爐渣溫度。同時(shí)，為使煤氣化過(guò)程中不生成碳黑，必須添加一些水蒸汽作為氧化劑和改善還原氣質(zhì)量。所需的額外熱量很容易由等離子發(fā)生器提供。等離子體產(chǎn)生的高溫，保證煤氣化過(guò)程中灰分的熔化，形成的液態(tài)渣能順利從氣化爐中排出。采用等離子發(fā)生器使氣化反應(yīng)速度顯著加快，并能更好地控制氣化反應(yīng)和成渣反應(yīng)。從理論上說(shuō)該方法對(duì)煤的等級(jí)、灰分含量和灰分熔化溫度沒(méi)有限制。租煤氣中的CO2和H2O在焦炭填充床氣化爐中與碳反應(yīng)，降低煤氣的氧化度，不生成碳黑。還原氣離開(kāi)氣化爐爐頂時(shí)的溫度約為950℃，CO2含量≤3％。
工藝所用含鐵料為塊礦、球團(tuán)礦。產(chǎn)品為直接還原鐵，金屬化率93％，含碳量保持在1.5％。焦炭或木炭耗量通常為供給的總碳量的7％～10％。耗電量低于氣化爐總輸入能量的20％。工藝總能耗8．8GJ／t。等離子發(fā)生器裝置功率6MW，效率可保持在86％～90％的范圍，電極壽命超過(guò)400h。
PLASMASMELT工藝 此工藝以?xún)杉?jí)流化床為預(yù)還原裝置，焦炭填充床豎爐為終還原裝置。精礦或礦粉在兩級(jí)流化床中進(jìn)行預(yù)還原，所用的還原氣來(lái)自終還原爐。礦石的終還原、熔化和渣鐵分離在焦炭填充床中完成，產(chǎn)品為鐵水。礦石進(jìn)入預(yù)還原之前，采用流化床進(jìn)行預(yù)熱、干燥。預(yù)還原兩級(jí)流化床彼此重疊布置，含鐵原料是磁鐵精礦或赤鐵精礦，還原氣成分為：68％CO，29％H2以及少量的其它氣體。根據(jù)鐵礦粒度和還原性，預(yù)還原裝置的處理能力為700～1200kg／h，鐵礦的粒度最大可達(dá)2mm。還原度通常為50％～60％(相當(dāng)于金屬化率25％～40％)，由于還原度較低，流化床操作比較簡(jiǎn)單。預(yù)還原爐料與煤粉一起被吹進(jìn)裝滿(mǎn)焦炭的、裝備有等離子發(fā)生器的豎爐。終還原在焦炭填充床中進(jìn)行，渣鐵熔化、分離，出渣出鐵與高爐相似。終還原產(chǎn)生的煤氣送到流化床供預(yù)還原使用。
在裝備有一套1．5MW等離子發(fā)生器的中間試驗(yàn)裝置上進(jìn)行了多次試驗(yàn)，證明該法的技術(shù)可行性。特別是對(duì)該法的熔融還原部分(裝備等離子發(fā)生器的豎爐)已進(jìn)行了充分研究。與高爐煉鐵相比，該工藝可以在電價(jià)不高地區(qū)(如瑞典)經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行較小規(guī)模的生產(chǎn)。
PLASMADUST工藝 該方法是plasmasmelt工藝終還原部分的變型，用于從各種氧化物廢料(例如集塵器粉塵)中回收金屬。細(xì)粒狀的氧化物廢料與煤粉一起用工作氣體噴入焦炭填充床豎爐，該豎爐裝備有等離子發(fā)生器，設(shè)備工作原理與plasmasmeltlt法基本相同。用該方法處理有色金屬?gòu)U料具有很高的回收率。這些金屬的氧化物在充滿(mǎn)焦炭的豎爐里被還原，還原出的金屬揮發(fā)并隨煤氣一起從豎爐爐頂排出，然后這些金屬在爐外用一個(gè)常規(guī)的冷凝器收集起來(lái)。用含有大量鋅、鉛氧化物做為原料冶煉時(shí)，其鋅、鉛和鐵的回收率可達(dá)96％。處理冶煉不銹鋼的爐塵時(shí)，生產(chǎn)的合金鐵水幾乎全部回收了爐塵中的鉻、鎳和銅。
PLASMACHROME工藝 該方法也屬plasmasmelt工藝終還原部分的變型，生產(chǎn)鉻鐵。把鉻精礦或礦粉與煤粉一起直接吹進(jìn)豎爐進(jìn)行熔融還原，制得高碳鉻鐵或含鉻料。該方法冶煉鉻鐵有3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)直接使用鉻精礦或粉礦冶煉而不經(jīng)過(guò)造塊，可以顯著降低成本；(2)以煤以替冶金焦作為主要的還原劑；(3)冶煉過(guò)程控制比較簡(jiǎn)單。
展望 等離子體熔融還原是一種高效的電煤熔融還原方法。從研究開(kāi)發(fā)的多種工藝特點(diǎn)看，在處理難熔和難還原金屬及工業(yè)廢棄物方面有很大的優(yōu)勢(shì)，瑞典現(xiàn)在仍然用該類(lèi)裝置從氧化物廢料中回收金屬；小規(guī)模生產(chǎn)靈活性?xún)?yōu)于高爐。隨著電力工業(yè)的加速發(fā)展和電價(jià)降低，等離子體熔融還原在中國(guó)的發(fā)展前景廣闊。
