1. 唐山奧特斯科技有限公司 2. 東北大學 材料與冶金學院

　　1 前言

　　世界范圍內(nèi)的直接還原工藝發(fā)展過程中，國內(nèi)外的冶金工作者進行了大量新工藝的研究與開發(fā)工作，目前投入生產(chǎn)的直接還原工藝主要有氣基豎爐、煤基轉(zhuǎn)底爐、回轉(zhuǎn)窯、隧道窯等。其中，每種工藝都各有利弊，不同生產(chǎn)企業(yè)主要是根據(jù)當?shù)氐牡V石種類、能源情況、環(huán)保政策等客觀因素，因地制宜的選取不同工藝來滿足自己的生產(chǎn)需求[1]。

　　車底爐高溫高料層直接還原工藝就是在這種背景條件下開發(fā)的一種新型直接還原工藝。該工藝首先是20世紀末期，由加拿大籍華裔冶金學家Weikao Lu教授提出的。其主要目的是在焦炭資源短缺的條件下能夠大規(guī)模的高效生產(chǎn)低碳的優(yōu)質(zhì)鐵水，或者處理某些特殊礦石和含鐵粉塵。唐山奧特斯科技有限公司汪壽平、高波文、汪翔宇等人設(shè)計并正付諸實施的OTS工藝中的還原設(shè)備——“往復式車底爐”可適應高溫高料層工藝的要求在相關(guān)領(lǐng)域已達成共識。核心技術(shù)和核心裝備兩者的有機結(jié)合，將極大地加快車底爐高溫高料層工藝的工業(yè)化進程。

　　2 工藝簡介

　　高溫高料層直接還原，即將直接還原分為還原室和氧化室兩個彼此相互獨立的部分(圖1)[2]。還原過程主要由以下四部分組成：

　　(1)還原室：碳還原鐵礦石，生成金屬鐵和CO氣體，消耗熱量;

　　(2)CO氣體從還原室傳遞到氧化室;

　　(3)氧化室：CO完全燃燒(氧化)生成CO2，釋放熱量;

　　(4)熱量從氧化室傳遞到還原室。

　　該工藝的操作特點即“高溫”和“高料層”。在能源利用方面，先利用C的化學能，作為還原劑還原鐵礦石，生成CO;再利用其熱能，CO完全燃燒成CO2產(chǎn)生高溫，作為熱源為礦石的還原和加熱提供熱量，同時由于高料層的存在可防止直接還原鐵DRI被CO2再氧化。從而有效地提高了燃料利用率，降低燃耗。

　　圖2所示為高溫高料層工藝示意圖[3, 4]。該工藝的兩點關(guān)鍵問題是：1)傳熱，即熱量由上層球團傳遞到下層球團，從球團表面?zhèn)鬟f到球團內(nèi)部;2)DRI再氧化，防止DRI被氧化室的CO2和O2再氧化。正是由于同時采取了“高溫”和“高料層”的操作特點，可有效解決這兩個關(guān)鍵問題，從而實現(xiàn)“既燃料利用率高又金屬化率高”。

　　3 理論依據(jù)

　　3.1 高溫操作——加快傳熱，提高反應速度

　　所謂高溫，即讓還原室產(chǎn)生的CO在氧化室完全燃燒，生成CO2。高溫操作具有如下四個優(yōu)點：

　　(1)提高燃料利用率，降低燃耗。

　　(2)有利于輻射傳熱。周知，球團與爐壁相對靜止的直接還原工藝中，熱量傳遞以輻射傳熱為主，而輻射傳熱量與溫度的四次方成正比。因此，提高溫度可大大提高熱輻射傳遞給爐料的熱量。

　　(3)加快球團收縮。前期研究表明[5]，熱量傳輸是整個工藝過程(包括質(zhì)量傳輸和熱量傳輸)的限制性環(huán)節(jié)。還原初期，上層球團很容易接受熱輻射傳遞的熱量，但下層球團難以直接獲得輻射傳熱。高溫條件下，有利于第一層球團還原后體積收縮，料層空隙度增大，則有利于對第二層球團的輻射傳熱。依次類推……，因此高溫可加快球團收縮，從而有利于給下層球團進行輻射加熱。還原后期底層球團所需要的熱量來自傳導和輻射傳熱的共同作用，此時上層球團的良好還原和收縮使DRI具有優(yōu)良的導熱性能。

　　(4)高溫有利于加快還原反應速度，提高生產(chǎn)效率。同時有利于鐵顆粒的長大，尤其適合于特殊礦石的冶煉。

　　3.2 高料層操作——防止DRI再氧化，提高金屬化率和生產(chǎn)效率

　　傳統(tǒng)的球團與爐壁相對靜止的直接還原工藝由于傳熱方式以輻射傳熱為主，球團層數(shù)超過2層以后，輻射傳熱難以將熱量傳遞給2層以下的球團，因此生產(chǎn)工藝中的實際料層多數(shù)僅為1層或2層(圖3)。

 
圖3 矮料層的直接還原示意圖

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