北海誠德鎳業(yè)有限公司精煉分廠

　　1 直接還原鐵工藝概論

　　直接還原煉鐵是用氣體或固體還原劑將反應(yīng)裝置內(nèi)的鐵礦石固態(tài)條件下還原成金屬鐵的方法。直接還原產(chǎn)品統(tǒng)稱為直接還原鐵（Direct Reduction Iron，縮寫為 DRI），由于DRI的結(jié)構(gòu)呈海綿狀，也稱為“海綿鐵”，為了提高產(chǎn)品的抗氧化能力和體積密度，DRI熱態(tài)下擠壓成型產(chǎn)品稱為熱壓塊（HBI），DRI冷態(tài)下擠壓成型產(chǎn)品稱為DRI壓塊。直接還原鐵可以用來作為冶煉優(yōu)質(zhì)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。直接還原鐵工藝沒有焦化和燒結(jié)工藝，既低耗、低污染，又能為煉鋼提供優(yōu)質(zhì)的海綿鐵來保證產(chǎn)品的質(zhì)量，因此在國內(nèi)外有很好的發(fā)展前景。

　　直接還原是已實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的直接還原法有數(shù)10種。2008年世界直接還原鐵（DRI/HBI）的產(chǎn)量約 6845萬t，約為世界生鐵產(chǎn)量9.30億t的7.23%。直接還原鐵由于產(chǎn)品純凈、質(zhì)量穩(wěn)定、冶金特性優(yōu)良，成為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼、純凈鋼不可缺少的原料，是世界鋼鐵市場最緊俏的商品之一，直接還原是世界鋼鐵生產(chǎn)的一個不可缺少的組成部分。

　　2 直接還原鐵的工藝

　　直接還原煉鐵工藝有氣基法和煤基法兩種，按主體設(shè)備可分為豎爐法、回轉(zhuǎn)窯法、轉(zhuǎn)底爐法、反應(yīng)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(chǎn)量是用氣基法生產(chǎn)出來的。但是天然氣資源有限、價高，使生產(chǎn)量增長不快。用煤作還原劑在技術(shù)上也已過關(guān)，可以用塊礦，球團礦或粉礦作鐵原料（如豎爐、流化床、轉(zhuǎn)底爐和回轉(zhuǎn)窯等）。但是，因為要求原燃料條件高，規(guī)模小，設(shè)備壽命低，生產(chǎn)成本高和某些技術(shù)問題等原因，致使直接還原鐵生產(chǎn)在全世界沒有得到迅速發(fā)展。因此，高爐煉鐵生產(chǎn)工藝將在較長時間內(nèi)仍將占有主導(dǎo)地位。

　　2.1氣基直接還原煉鐵法

　　（1）豎爐法

　　氣基豎爐法MIDREX、HYL法直接還原鐵產(chǎn)生中占有絕對優(yōu)勢，該工藝技術(shù)成熟、設(shè)備可靠，單位投資少，生產(chǎn)率高，單爐產(chǎn)量大等優(yōu)點。經(jīng)過不斷改進，其生產(chǎn)技術(shù)不斷完善，實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

　　Midrex法標準流程由還原氣制備和還原豎爐兩部分組成。用氧化球團和塊礦作原料從爐頂加入，從豎爐中部進風(fēng)口通入熱還原氣，爐料在與熱風(fēng)的逆向運動中逐漸被熱還原氣加熱還原成海綿鐵。為防止其氧化，再用豎爐下部送入的冷卻氣冷卻到100℃以下，或經(jīng)鈍化處理，或不經(jīng)冷卻將海綿鐵在熱態(tài)下壓制成塊狀，又稱熱壓塊(HBI)。還原氣利用豎爐爐頂氣作氧化劑，采用換熱催化轉(zhuǎn)換裝置重整天然氣制得。米德萊克斯法傳熱、傳質(zhì)效率好，能耗低，產(chǎn)率高，質(zhì)量好，裝備已系列化，發(fā)展最快。

　　豎爐斷面呈圓形，分為預(yù)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(yù)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(yīng)，同時被自下而上通入的冷卻氣冷卻至100℃以下。還原鐵的排出速度用出鐵器調(diào)節(jié)。工藝多用球團和塊礦混合爐料。

　　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。

　?。?）罐式法

　　它是將鐵礦石裝入反應(yīng)罐內(nèi),通入用天然氣經(jīng)水蒸氣催化轉(zhuǎn)化制備的還原氣，依次完成預(yù)熱、預(yù)還原、還原、滲碳冷卻，成品從罐中卸出等工序。為克服作業(yè)不連續(xù)和還原氣利用差的缺點，將4個反應(yīng)罐組成一組串聯(lián)作業(yè)，作業(yè)溫度1050～1100℃。罐式法產(chǎn)品質(zhì)量不均勻，經(jīng)多次將還原氣冷卻、加熱系統(tǒng)熱效率低，能耗偏高。

　　因此對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(zhuǎn)化與氣體加熱合一，4個罐式反應(yīng)爐組合成連續(xù)式豎爐，稱HYL-Ⅲ豎爐法。生產(chǎn)熱效率和生產(chǎn)率顯著改善，產(chǎn)品穩(wěn)定、能耗下降。

　?。?）流態(tài)化法

　　該法用天然氣(或石油)與蒸汽催化轉(zhuǎn)化或部分氧化法制備含CO+H2+N2的混合氣，經(jīng)脫除CO2后與凈化循環(huán)氣混合作還原氣。還原氣被加熱到840℃，由下而上逆向通過四段流化床。鐵礦粉在重力作用下順序進入預(yù)熱、預(yù)還原、還原各流化床，還原后海綿鐵粉通過壓塊機進料筒送入壓塊機壓塊。流態(tài)化法不需造塊、充分利用粉礦比表面積大、還原快的優(yōu)點，獲得設(shè)備的高生產(chǎn)率。但其產(chǎn)品活性大、不穩(wěn)定，必須鈍化或壓塊處理，且總能耗偏高。[1]

　　2.2煤基直接還原煉鐵法

　?。?）回轉(zhuǎn)窯法

　　該法用非焦煤作還原劑送入稍有傾斜的回轉(zhuǎn)窯內(nèi)、從窯頭和窯身多點送入空氣，用以助燃從窯頭噴入和窯尾加入的還原煤中所釋放的揮發(fā)分及還原反應(yīng)產(chǎn)生的C0和碳，獲取反應(yīng)需要的950～1100℃高溫和熱量，將從窯尾加入的鐵礦石還原成海綿鐵，經(jīng)冷卻、篩分、磁選得到直接還原鐵，磁性粉末須壓塊使用。立足于資源豐富、分布廣的非焦煤，在缺乏天然氣資源的地區(qū)發(fā)展很快。

　　（2）轉(zhuǎn)底爐法

　　將鐵礦粉、鋼鐵廠含鐵粉塵、煤粉和粘結(jié)劑按一定比例混合，壓制成含碳球團礦，送入烘干機內(nèi)進行烘干，脫除水份。將干燥的含碳球團均勻地鋪在轉(zhuǎn)底爐上，在高溫1200～1400℃下球團礦內(nèi)氧化鐵與碳反應(yīng)，放出CO，在爐膛內(nèi)燃燒成CO2，并形成高溫廢氣（在1000℃以上）。

　　將廢氣收引出預(yù)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。實現(xiàn)快速還原生產(chǎn)得金屬化球團，卸出后直接熱裝電爐或熱壓塊。轉(zhuǎn)底爐的高溫氣體由燃燒器來提供（使用煤氣加熱）。從節(jié)能角度看，能源利用效率較高。

　　轉(zhuǎn)底爐可以處理含Zn、Pb高粉塵，可以避免配入燒結(jié)礦中后，在高爐冶煉過程中Zn、Pb的富集造成的負面影響。

　　（3）固定床法

　　以高品位鐵礦為原料，粉焦作還原劑，采用隧道窯直接還原(罐式)法生產(chǎn)高金屬化直接還原鐵作特殊鋼原料。經(jīng)過改進，已實現(xiàn)機械化，降低了勞動強度，提高了產(chǎn)率。成為世界上生產(chǎn)粉末冶金還原鐵粉的基本方法。該法作業(yè)周期長、生產(chǎn)率較低，能耗偏高。
 

　　3 直接還原鐵發(fā)展的動力與阻礙

　　推動直接還原工藝技術(shù)發(fā)展的客觀原因有：

　?、偈澜缍鄶?shù)國家焦煤資源貧乏，但擁有優(yōu)質(zhì)豐富的鐵礦與天然氣和非焦煤資源，可以因地制宜來發(fā)展直接還原鐵來解決生鐵資源問題。

　?、谟捎陔姞t短流程生產(chǎn)的興起，廢鋼的需求越來越大，而發(fā)展中國家由于廢鋼量不足，客觀需要發(fā)展直接還原鐵來補充。與廢鋼相比，使用直接還原鐵的好處有：直接還原鐵有害元素少，可連續(xù)裝料，成渣快，促進脫氣，減少鋼中夾雜物，縮短冶煉周期等特點。

　?、酆＞d鐵可直接生產(chǎn)電工純鐵、鐵氧體及工業(yè)鐵料，有利于電爐生產(chǎn)特種優(yōu)質(zhì)鋼，提高產(chǎn)品附加值。

　　④直接還原-電爐-連鑄-軋制為主的短流程生產(chǎn)投資規(guī)模小、設(shè)周期短、投資省、生產(chǎn)靈活，便于按市場調(diào)整產(chǎn)品的種類與數(shù)量。為資金和技術(shù)缺乏的發(fā)展中國家提供可代替?zhèn)鹘y(tǒng)資金和技術(shù)密集的高爐-轉(zhuǎn)爐長流程生產(chǎn)。

　　直接還原工藝技術(shù)發(fā)展的阻礙主要有:

　?、?鋼與直接還原鐵互為替代品，廢鋼供給充足的話，價格就會下滑，從而市場份額會擴大，不利于直接還原鐵的發(fā)展。

　　② 能源的供給狀況南美、中東和非洲地區(qū)天然氣豐富且廢鋼短缺昂貴，氣基直接還原鐵技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展迅速。東南亞和南亞地區(qū)缺乏焦煤且廢鋼短缺，但易于獲得用來直接還原鐵的非焦煤資源，因此煤基直接還原技術(shù)在這些地方發(fā)展迅速。[2]

　　4 直接還原鐵的展望

　　從直接還原鐵的需求與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來看：

　?。?）直接還原鐵工藝技術(shù)是鋼鐵技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。廢鋼+DRI-電爐為主的短流程生產(chǎn)工藝是鋼鐵生產(chǎn)節(jié)能減排的重要發(fā)展方向。

　?。?）煤制氣-豎爐是直接還原發(fā)展的熱點。廢鋼的質(zhì)量差、廢鋼中有害元素的累積對電爐煉鋼的質(zhì)量危害太大，需要直接還原鐵來冶煉優(yōu)質(zhì)鋼、純凈鋼。因此，直接還原鐵的需求旺盛，發(fā)展前景良好。

　?。?）直接還原鐵技術(shù)是鋼鐵工業(yè)資源綜合利用的有效手段。高爐煉鐵對原材料要求苛刻，適用于高爐煉鐵的鐵資源有限，且分布不均衡，國內(nèi)可利用的鐵礦資源遠不能滿足鋼鐵工業(yè)的發(fā)展需求，加上國際鐵資源的壟斷，國際市場鐵礦資源居高不下，影響了國內(nèi)鋼鐵工業(yè)的發(fā)展。但自然界存在大量高爐不能直接利用的鐵資源，利用直接還原技術(shù)可獲得鋼鐵生產(chǎn)的各種合金元素，如低品位的紅土鎳礦、含鈦鐵礦、釩鈦磁鐵礦等。[3]

　　現(xiàn)有的工業(yè)化的直接還原技術(shù)是依據(jù)一定的資源、設(shè)備、技術(shù)條件為基礎(chǔ)來開發(fā)的，但這些技術(shù)不能完全適合我國的條件。從國外引進的技術(shù)受到知識產(chǎn)權(quán)與技術(shù)供應(yīng)商的制約，國內(nèi)的直接還原技術(shù)有限。因此，開發(fā)適應(yīng)我國的資源、設(shè)備、條件技術(shù)、有自主產(chǎn)權(quán)的直接還原技術(shù)是我國直接還原發(fā)展的當務(wù)之急。

　　參考文獻

　　[1].中國冶金百科全書總編輯委員會《鋼鐵冶金》卷編輯委員會,冶金工業(yè)出版社《中國冶金百科全書》編輯部 編.中國冶金百科全書·鋼鐵冶金.北京：冶金工業(yè)出版社.2001.第711-713頁.

　　[2].全紅直接還原煉鐵工藝技術(shù)綜述[J]云南冶金第36卷第2期. 2007年4月.

　　[3].趙慶杰 魏國 姜鑫等 直接還原技術(shù)現(xiàn)狀及其在中國的發(fā)展展望.[J].東北大學(xué) 鋼鐵冶金研究所 遼寧 沈陽110819.