直接還原是指不用高爐而將鐵礦石在固態(tài)還原成海棉鐵的生產(chǎn)過程, 在煉鐵工藝中它是最原始的一種, 在后來漫長的煉鐵生產(chǎn)歷史中被高爐等工藝所取代。但對這一工藝的研究始終沒有中斷, 從上世紀(jì)初開始直接還原工藝又重新引起冶金工作者的關(guān)注。隨著焦煤資源的不斷減少和煉焦污染無法滿足環(huán)保要求的日益提高以及煤化工競爭不過石油化工, 致使人們想擺脫對高爐系統(tǒng)的依賴, 特別是超高功率電爐冶煉——爐外精煉——連鑄這一具有強勁競爭能力的短流程工藝迅速發(fā)展之后, 為降低廢鋼對鋼質(zhì)的污染或解決廢鋼資源的不足, 直接還原工藝的工業(yè)應(yīng)用因此又成為冶金工業(yè)發(fā)展的一個新的熱點。

2　國外直接還原工藝的發(fā)展?fàn)顩r

國外從1800年到1980年先后共提出過80多種直接工藝, 但投入工業(yè)生產(chǎn)的卻不多, 現(xiàn)在工業(yè)運用的直接還原工藝有五個類型共13 種方法。 其中氣基還原工藝發(fā)展最快, 在海棉鐵產(chǎn)量中占93%左右。這并不意味著煤基還原工藝不成熟, 而主要原因在于天然氣的大量開發(fā)利用, 特別是高效率轉(zhuǎn)化法的采用, 為氣基還原提供了來源豐富、價格便宜的氣源, 促使著氣基還原以更快的速度發(fā)展。

直接還原工藝在工業(yè)中應(yīng)用增速較快是始于50年代末, 1970年海棉鐵實際產(chǎn)量達(dá)到70萬噸/年, (設(shè)計產(chǎn)量150萬噸/年) 隨著生產(chǎn)工藝的不斷完善,  到1995年實際產(chǎn)量達(dá)到3070萬噸/年(設(shè)計產(chǎn)量4060萬噸/年) 預(yù)計到2000年時生產(chǎn)能力可達(dá)4900萬噸/年以上。目前生產(chǎn)廠主要集中在委內(nèi)瑞粒、墨西哥、印度、伊朗、沙特、獨聯(lián)體、印尼、阿根廷、南非等發(fā)展中國家。其中印度的發(fā)展速度最引人注目, 90年代前不到20萬噸/年, 而到1996年可突破500萬噸/年的生產(chǎn)能力。 上述國家海綿鐵增長迅速的原因一是社會對鋼的需求增長, 二是容易獲得生產(chǎn)海綿鐵所需的還原劑和高品位鐵礦石。相比之下美國等西方發(fā)達(dá)國家在海綿鐵工業(yè)生產(chǎn)方面發(fā)展較慢, 其主要原因是這些國家鋼產(chǎn)量發(fā)展余地小而廢鋼資源非常豐富, 從而確保了電爐煉鋼原料的廉價供應(yīng)。另一方面是人工費昂貴等因素的存在, 使海綿鐵生產(chǎn)成本高出廢鋼30美元左右。盡管如此, 由于海綿鐵是一種潔凈原料、有害元素含量遠(yuǎn)低于鋼中的含量, 這對那些需深加工的鋼材產(chǎn)品來說顯得尤為重要, 因此發(fā)達(dá)國家還得依靠進(jìn)口補充自己海綿鐵生產(chǎn)量的不足。 特別是海綿鐵需求量較大的美國1994年進(jìn)口了91萬噸。

盡管海綿鐵在生產(chǎn)總量上與高爐流程產(chǎn)鐵量相比仍很低, 但其發(fā)展速度卻很快, 特別是近幾年來增長率保持在15%左右, 可見直接還原是極具競爭能力的生產(chǎn)工藝, 隨著工藝裝備不斷完善和可更廣泛地采用原燃料的新工藝開發(fā)應(yīng)用, 直接還原將會逐步取代高爐煉鐵的統(tǒng)治地位。

    現(xiàn)有的這些直接還原工藝都有一個共同特點,  這就是達(dá)到了不用焦炭,  降低對環(huán)境污染的目的, 最具有代表性的工藝情況見表1。

2.1　M idrex 法

    M idrex 法是技術(shù)上最成熟、工業(yè)應(yīng)用最廣泛的直接還原法。工藝流程見圖1。

     還原氣體是用催化轉(zhuǎn)化法由天然氣和豎爐爐頂氣的混合氣體在轉(zhuǎn)化器中轉(zhuǎn)化而成的, 轉(zhuǎn)化溫度約為920℃, 轉(zhuǎn)化后的還原氣體含90～92%的氫氣和一氧化碳, 進(jìn)入豎爐在850℃左右對原料進(jìn)行還原。熱交換器回收了轉(zhuǎn)化器燃燒廢氣的顯熱, 并將天然氣和爐頂氣混合氣體加熱到540℃左右。 原料由爐頂入爐, 上部為還原區(qū), 下部為冷卻區(qū), 冷卻區(qū)設(shè)有閉路循環(huán)氣體冷卻系統(tǒng), 若向冷卻氣體中補充天然氣的話, 可使產(chǎn)品含碳量增加到2%左右。為提高產(chǎn)品抗氧化能力, 以便儲存和外運, 該工藝于1984年在馬來西亞的沙巴廠首次增設(shè)了處理能力為60萬噸/年的熱壓裝置, 將產(chǎn)品制成直接還原鐵熱壓塊, 由于熱壓是在800℃左右溫度時進(jìn)行的, 所以豎爐可取消冷卻區(qū), 而將還原區(qū)直接與熱壓塊的給料系統(tǒng)相聯(lián)。

     M idrex 法對原料的要求見表2, 該工藝已使用過20多種氧化球團(tuán)礦和塊礦, 其配比由70%塊礦加30% 球團(tuán)礦到100% 的球團(tuán)礦不等, 實踐表明配一定的塊礦可使還原反應(yīng)在更高的溫度下進(jìn)行而無粘結(jié)現(xiàn)象發(fā)生, 但當(dāng)塊礦比例達(dá)到30%以上時, 還原氣體的分布就受到影響, 從而降低產(chǎn)量, 因此塊礦配比通常都在25～30%。

    該公司介紹以煤或石油制造的氣體只要還原勢能達(dá)到要求, 也可以作還原劑使用。但由于導(dǎo)致投資和成本的上升, 所以在已投產(chǎn)的裝置中均使用天然氣做還原劑, 還原氣成份見表3。

2. 2　SL/RN 法

    SL/RN法是“二步法”煤基回轉(zhuǎn)窯工藝, 在這類工藝中它是技術(shù)最成熟應(yīng)用最廣泛的工藝。工藝流程見圖2。 它是由塊礦和球團(tuán)加入一定比例的脫硫劑在回轉(zhuǎn)窯內(nèi), 經(jīng)加熱和還原生產(chǎn)出海綿鐵, 然后在回轉(zhuǎn)冷卻器中進(jìn)行冷卻, 經(jīng)篩分和磁選分離出海綿鐵和過剩炭以及廢棄物。窯內(nèi)所產(chǎn)生的高溫廢氣從窯頭(進(jìn)料端) 排出, 在后燃燒室燃燒后再利用。

    對原料要求見表4。通?；剞D(zhuǎn)窯對粉礦很敏感, 因粉礦容易導(dǎo)致結(jié)圈問題, 但該工藝還是允許加入一定比例的粉礦, 這說明它能較好地控制窯身長度方向的溫度和氣氛。在對煤的要求方面適應(yīng)性較廣, 幾乎任何類型的煤都能使用, 即使當(dāng)揮發(fā)分不足時, 也可用燃燒氣體或油加的補充, 粒度范圍要求在5～40mm。 產(chǎn)品的硫主要來源于煤中, 盡管添加脫硫劑可以降低硫含量, 但通常都希望硫盡可能低一些, 實際中控制在0.6%以下。

由于回轉(zhuǎn)窯設(shè)計受到機(jī)械方面的制約, 所以生產(chǎn)規(guī)模不大, 建在加拿大鋼鐵公司的SL/RN 回轉(zhuǎn)窯, 窯長126m, 直徑6m。 這是最大規(guī)模的。 所以擴(kuò)大規(guī)模往往就得依靠數(shù)量的增加。

2.3　FDR 法

建在委內(nèi)瑞拉Sivensa廠的這套流化床裝置也是世界上唯一使用100%粉礦的工業(yè)生產(chǎn)裝置。 它采用多段式穩(wěn)態(tài)流動床系統(tǒng)。 在經(jīng)歷了十幾年的努力后該裝置才獲得了穩(wěn)定生產(chǎn), 但作業(yè)率仍不理想, 能耗也較高, 僅適合氣源和勞動力都很便宜的地區(qū)(流程圖從略)

2.4　HYL 法

HYL 法在固定床中是唯一有影響的工藝, 它在處理原料方面比較靈活, 可以接受含硫礦石, 由于它是分批作業(yè), 因此質(zhì)量不穩(wěn)定, 金屬化率波動在73%～95%之間, 另外由于燃料消耗大導(dǎo)致成本高, 再新建的可能性不大(流程圖從略)。

2.5　COREX 法

    該工藝的最大特點是將煤制氣和DRI熔化結(jié)合在一個被稱之為熔融氣化爐內(nèi), 見圖3。煤和氧氣在熔融氣化爐內(nèi)發(fā)生反應(yīng)所產(chǎn)生的煤氣經(jīng)處理后進(jìn)入豎爐作還原劑, 而豎爐還原出的DRI 又進(jìn)入熔融氣化爐內(nèi)熔化, 從而使產(chǎn)品變成鐵水供電爐或轉(zhuǎn)爐煉鋼。另一個特點是該系統(tǒng)一次能源消耗大, (煤1183kg/tDRI, 氧氣640m³/tDRI)同時也產(chǎn)生大量的過剩煤氣, (剩余量2000m³/t鐵, 熱值7000Kj/m³ ) 因此能否有效地利用這些煤氣是選擇該裝置的重要因素之一。由此產(chǎn)生了利用過剩煤氣的幾種方案, 一是用于后部加熱爐, 但仍有80%以上的剩余; 二是建氣基還原裝置, 將剩余氣處理后作還原劑; 三是發(fā)電, 電能供氧氣廠, 而氧氣供COREX/BOF流程用。

    據(jù)奧鋼聯(lián)介紹COREX流程建設(shè)費用比高爐流程低20%。 但氣體綜合利用和氧化球團(tuán)設(shè)施的投資未計入。成本指標(biāo)比高爐流程低20%～35%, 但原燃料價格的不同會有較大差別。 原料可以用塊礦, 球團(tuán)礦和燒結(jié)礦,表5。燃料要求見表6.

  1987年12月在南非ISCOR公司投產(chǎn)的這套C1000型裝置設(shè)計產(chǎn)量30萬噸/年, 而在四年后就達(dá)到34萬噸/年,  超設(shè)計能力13%。目前該工藝已引起人們的廣泛關(guān)注, 奧鋼聯(lián)更是對它充滿信心, 甚至認(rèn)為今后鐵水的增長均將由COREX工藝來實現(xiàn)。 繼C₁₀₀₀型之后又開發(fā)出C₂₀₀₀型, 其設(shè)計產(chǎn)量為60萬噸/年(用塊礦), 若全部用氧化球團(tuán)可達(dá)80萬噸/年, 已購買C₂₀₀₀型裝置的有浦項、韓寶和印度的京德勒公司, 美國杰尼瓦鋼鐵公司投資2.8～3億美元在美國猶他州建設(shè)一套C₃₀₀₀型COREX煉鐵——發(fā)電聯(lián)合裝置, 其年產(chǎn)量達(dá)100萬噸/年, 預(yù)計到21世紀(jì)初, 全世界將陸續(xù)建成10套COREX煉鐵裝置。

值得說明的是不少文章將Corex 法稱為熔融還原, 其實它是先在固態(tài)還原而后熔化成鐵水, 從還原的實質(zhì)看它應(yīng)是直接還原工藝

上述幾種工藝若從建設(shè)規(guī)模上考慮, M idrex 和COREX 適合大型企業(yè), 而其它幾種工藝適全于中小型企業(yè)。若從還原劑資源上考慮, 氣源豐富適合用M idren 等氣基工藝, 而煤源豐富適合用SL/RN 等煤基工藝, 但固COREX工藝的運用, 又為煤源豐富的國家開避了使用氣基工藝道路。通常情況原料費用占成本的比例為55%～70%, 而低成本生產(chǎn)始終是企業(yè)的主要需求, 因此人們都寄希望通過使用廉價的礦粉來大幅度降低成本, 這一希望一旦在工業(yè)中得以實現(xiàn), 無疑將使直接還原工藝的發(fā)展推向一個新的階段。所以許多公司都在致力于開發(fā)工作。如:?？松菊龜M推出FDRII 型裝, Lurgi 公司正在開發(fā)中的Circofer (煤基) 和Circored(氣基)工藝等。 目的都是想搶奪前景廣闊的市場。 所以直接還原的發(fā)展方向是降低現(xiàn)工藝投資和生產(chǎn)成本以及開發(fā)粉礦不經(jīng)造球或低成本造球的工藝。