直接还原铁技术现状

冶金管理２００６年第８
期
直接还原铁是铁矿在固态条件下直接还原为铁，可以用来作为冶炼优质钢、特殊钢的纯净原料，也可作为铸造、铁合金、粉末冶金等工艺的含铁原料。

这种工艺不用焦炭炼铁，原料也是使用冷压球团不用烧结矿，所以是一种优质、低耗、低污染的炼铁新工艺，也是全世界钢铁冶金的前沿技术之一。

直接还原炼铁工艺有气基法和煤基法两种，按主体设备可分为竖炉法、回转窑法、转底炉法、反应罐法、罐式炉法和流化床法等。

目前，世界上９０％以上的直接还原铁是用气基法生产出来的。

但是天然气资源有限、价高，使生产量增长不快。

用煤作还原剂在技术上也已过关，可以用块矿、球团矿或粉矿作铁原料（如竖炉、流化床、转底炉和回转窑等）。

但是，因为要求原燃料条件高（矿石含铁品位要大于６６％，含ＳｉＯ２＋
Ａｌ２Ｏ３杂质要小于３％，煤中灰分要低等），规模小，设备寿命
低，生产成本高和某些技术问题等原因，致使直接还原铁生产在全世界没有得到迅速发展。

因此，高炉炼铁生产工艺在较长时间内仍将占有主导地位。

一、直接还原铁的质量要求
直接还原铁是电炉冶炼优质钢种的好原料，所以要求的质量高（包括化学成分和物理性能），且希望其产品质量均匀、稳定。

１．化学成分。

直接还原铁的含铁量应＞９０％，金属化率要＞９０％。

含ＳｉＯ２每升高１％，要多加２％的石灰，渣量增加３０ｋｇ／
ｔ，电炉多耗电１８．５ｋＷｈ。

所以，要求直接还原铁所用原料含铁品位要高：赤铁矿应＞６６．５％，磁铁矿＞６７．５％，脉石（ＳｉＯ２＋
Ａｌ２Ｏ３）量＜３％～５％。

直接还原铁的金属化率每提高１％，可以
节约能耗８～１０度电／ｔ。

直接还原铁含Ｃ＜０．３％，Ｐ＜０．０３％，Ｓ＜
０．０３％，Ｐｂ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ等有害元素是微量。

２．物理性能。

回转窑、
竖炉、旋转床等工艺生产的直接还原铁是以球团矿为原料，要求粒度在５～３０ｍｍ。

隧道窑工艺生产的还原铁大多数是瓦片状或棒状，长度为２５０～３８０ｍｍ，堆密度在１．７～２．０ｔ／ｍ３。

生产过程中产生的３～５ｍｍ磁性粉料，必须进行压块，才能用于炼钢。

强度取决于生产工艺方法、原料性能和还原温度，改进原料性能和提高温度有利于提高产品强度，产品强度一般＞５００Ｎ／ｃｍ３。

二、直接还原铁生产工艺技术介绍
１．竖炉法
气基竖炉法ＭＩＤＲＥＸ、ＨＹＬ法在直接还原铁生产中占有绝对优势，该工艺技术成熟，设备可靠，单位投资少，生产率高（容积利用系数可达８～１２ｔ／ｍ３・ｄ），单炉产量大（最高达１８０万ｔ／年），成本低。

经过不断改进，其生产技术不断完善，实现规模化生产。

（１）ＭＩＤＲＥＸ技术。

Ｍｉｄｒｅｘ法标准流程由还原气制备和还原竖炉两部分组成。

还原气制备：将净化后含ＣＯ与Ｈ２约７０％的炉顶气加压送入混合室，与当量天然气混合送入换热器预热，后进入
１１００℃左右有镍基催化剂的反应管进行催化裂化反应，转化
成ＣＯ２４％～３６％、Ｈ２６０％～７０％、ＣＨ４３％～６％和８７０℃的还原气。

后从风口区吹入竖炉。

竖炉断面呈圆形，分为预热段、还原段和冷却段。

选用
直接还原铁技术现状
□王维兴宋淑琴
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期产品化学成分（％）
工艺／成分ＴＦｅηＦｅＳｉＯ２Ａｌ２Ｏ３ＣａＯＭｇＯＣＰＳ
Ｍｉｄｒｅｘ９１－９３９２－９５２．０－５．５０．５－１．５０．２－１．６０．３－１．１０．７－２．５０．０７０．０１－０．０３
表１
块矿和球团矿原料，从炉顶加料管装入，被上升的热还原气
干燥、预热、还原。

随着温度升高，还原反应加速，炉料在
８００℃以上的还原段停留４～６小时。

新海绵铁进入冷却段完
成终还原和渗碳反应，同时被自下而上通入的冷却气冷却
至＜１００℃。

还原铁的排出速度用出铁器调节。

产品典型成分
如表１。

工艺多用球团和块矿混合炉料。

球团粒度９－１６ｍｍ占
９５％，球团冷压强度＞２４５０Ｎ／球，块矿粒度１０～３５ｍｍ占８５％；
要有高软化温度和中等还原性；化学成分铁量要高，酸性脉
石低（≯３％－５％），ＣａＯ＜２．５％，ＭｇＯ＜１．０％，ＴｉＯ＜０．１５％，Ｓ＜
０．００８％。

为放宽对矿石含硫要求，Ｍｉｄｒｅｘ法改用净化炉顶气
作冷却气。

在冷却海绵铁的同时被热海绵铁脱硫，从冷却段
排出后再作为裂化剂，可容许用含硫０．０２％矿石。

现今Ｍｉｄｒｅｘ法作业指标为：产品金属化率８６％～９６％，有
效容积利用系数１０ｔ／ｍ３・ｄ，能耗１０．４７ＧＪ／ｔ，电１１４ｋＷｈ／ｔ，水
１．６４ｍ３／ｔ。

Ａｒｅｘ法是Ｍｉｄｒｅｘ法的新改进，天然气被氧气（或空气）部
分氧化后送入竖炉，利用新生热海绵铁催化裂化，省去了还
原气重整炉。

改进后吨铁电耗可降低５０ｋＷｈ。

（２）ＨＹＬ（罐式）法与ＨＹＬ－Ⅲ（竖炉）法。

ＨＹＬ法由４座罐
式反应炉和１座还原气重整炉构成。

该工艺作业稳定、设备
可靠。

产品含碳２％左右，不易再氧化，不发生炉料粘结；只因
还原气要反复冷却、加热，系统热效率低，能耗偏高，气体消
耗为２０．９３ＧＪ／ｔ；１９７５年后再没建新厂。

对ＨＹＬ罐式法作出改革，保留原还原制备工艺，但将还
原气重整转化与气体加热合一；４个罐式反应炉改为连续式
竖炉，称ＨＹＬ－Ⅲ竖炉法。

该工艺采用高氢还原气，高还原温
度（９００－９６０℃）和０．４－０．６ＭＰａ高压作业。

改善还原动力学，加
速还原反应；含硫气不通过重整炉，延长了催化剂和催化管
使用寿命；还原和冷却作业分别控制，能对产品金属化率和
含碳量进行大范围调节，产品平均金属化率９０．９％、控制碳量
１．５％－３．０％，质量稳定；配置ＣＯ２吸收塔，选择性地脱除还原
气中Ｈ２Ｏ和ＣＯ２，提高还原气利用率；重整炉产生高压蒸汽发
电。

最低生产能耗为１０．４３－１１．２ＧＪ／ｔ，电耗９０ｋＷｈ／ｔ。

ＨＹＬ（罐
式）法已逐渐被ＨＹＬ－Ⅲ（竖炉）法取代，合计产量占世界总产
量的２５％左右。

该法的新改进是天然气进入反应器直接裂解，生产高碳
（３．８％）ＤＲＩ产品。

最近又推出ＨＹＬ－Ｈｙｔｅｍｐ生产系统。

将热还原铁（６５０℃）气力输送到电炉车间，喷入电炉。

冶炼时间缩短，电极和耐火材料消耗降低，金属收率提高。

吨钢电耗降低１１２ｋＷｈ，电极消耗降低０．５５ｋｇ，冶炼时
间缩短１６ｍｉｎ，产率提高１６％，吨钢成本可降低４．６美元。

２．气基流化工艺
（１）Ｆ１ＮＭＥＦ工艺。

该工艺使用＜１２ｍｍ粒度矿粉（脉石＜
３％，低硅高铁），在流化床上干燥，被加热到１００℃，送入反应
器结构顶端的闭锁料斗系统中，加压１．１ＭＰａ后，通过４个串
联液化床反应器，铁粉在重力作用下从上方反应器向下流
动，与作为还原剂的重整天然气逆向而行。

产品含铁９２％，金
属化率９２％—９５％，含碳０．５％—３．０％，以ＦｅＣ形式存在。

现世
界上已有三套这种装置，１９９９年奥钢联建第一套；第二套在
西澳ＢＮＰ公司，能力２５０万吨／年；埃及建第三套，年能力１１５
万吨。

该工艺的优点是成本低、质量好。

（２）Ｃｉｒｃｏｒｅｄ和Ｃｉｒｃｏｆｅｒ工艺。

两种工艺核心设备都包括
一座循环液化床和一座普通流化床。

Ｃｉｒｃｏｒｅｄ是用天然气为
能源，Ｃｉｒｃｏｆｅｒ以煤为能源。

铁精矿粉经过预热后（约９００℃）
进入循环流化床参加反应，使动力学条件得到改善，在４个
大气压条件下，铁矿与氢在６３０℃时可被还原（在气体环路中
加入部分氢）。

３．转底炉法
将铁矿粉、钢铁厂含铁粉尘、煤粉和粘结剂按一定比例
混合，压制成含碳球团矿，送入烘干机内进行烘干，脱除水
分。

将干燥的含碳球团均匀地铺在转底炉上（只铺一层），在
高温１２００～１４００℃下球团矿内氧化铁与碳反应，放出ＣＯ，在炉
膛内燃烧成ＣＯ２，并形成高温废气（在１０００℃以上）。

一般反应
只要２０分钟左右。

将废气收引出预热煤气（４００℃）和助燃空气（９００℃），低
温废气从蓄热室和换热器引出，再去烘干生球团。

这时废气
温度在１００℃左右。

从节能角度看，能源利用效率较高。

转底
炉的高温气体由燃烧器来提供（使用煤气加热）。

转底炉可以处理含Ｚｎ、Ｐｂ高粉尘，可以避免配入烧结矿
中后，在高炉冶炼过程中Ｚｎ、Ｐｂ的富集造成的负面影响。

目
前山西翼城、河南巩义已有外径为１６．３米的转底炉，年产量
在７万吨，金属化率达８５％，每吨铁投资为１８２元。

４．开发利用焦炉煤气，对含碳球团在竖炉内进行直接还
原
焦炉煤气含５５％左右的氢。

在化学反应中，氢对氧化铁
的还原率是最高的。

目前，首钢准备开展这方面的工作。

焦炉
煤气要进行裂解，提高Ｈ２的含量，并要预热到９３０～９５０℃，再
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参与还原反应，反应后气体要脱除ＣＯ２，再循环利用。

用氢作还原剂存在的主要技术问题：一是Ｈ２还原铁的其它氧化物都是吸热反应，需要充足的热。

在满足还原和供热的煤气的最佳Ｈ２含量为３２．０５％。

二是富氢预还原会导致物料的粉结。

采取分段供应富氢和非富氢供气制度。

三、直接还原铁发展现状
１．全世界直接还原铁发展比较快
２００３年产量为４９６０万吨，２００４年为５４６０万吨，２００５年
约为６０００万吨。

年增长率在１０％以上。

在直接还原铁生产工艺中，气基直接还原占９２％。

表２各种直接还原铁生产所占比例
单位：％
年
ＭＩＤＲＥＸＨＹＬⅢＨＹＬⅠＦｉｎｍｅｔ其他煤基其他气基
２００３６４．６０１８．４０１．３０５．２０１０．２００．４０２００４６４．１０１８．９０１．９０２．９０１２．１００．１０
２００４年委内瑞拉产量７８３万吨，印度９３７万吨，墨西哥６５４万吨，伊朗６４１万吨，俄罗斯３１４万吨，沙特３４１万吨，特
立尼达和多巴哥２３６万吨，中国为４３万吨。

２．中国情况
２００５年中国生产直接还原铁约５０万吨，而生产能力比
产量要高出２０％。

主要是技术、原料、成本等因素影响。

全国现有３０多个直接还原铁企业，总生产能力约６０万吨。

总体上讲，规模小，生产成本高，缺少高品质原料。

多数企业用隧道窑反应罐法，生产工艺落后，能耗高，环境污染严重。

（１）天津直接还原铁厂生产实践。

２００４年产直接还原铁
３３．２万吨，２００５年约产３４万吨，设备作业率在９８％以上。

该厂采用ＤＲＣ法煤基直接还原生产工艺：两条φ５×８０ｍ回转窑—冷却筒—产品分选—成品。

使用巴西球团矿（含铁品位６８％，ＳｉＯ２＋Ａｌ２Ｏ３约为２％）适宜配入煤和石灰石，进行混匀，从回转窑给料端加入。

窑体是倾斜安装，慢速旋转，使炉料朝卸料端运动，同时，矿石被加热和还原（注意温度控制不要使脉石熔融，以免结圈）。

煤作为热源和还原剂，一部分随铁矿石同时加入，另一部分从窑的卸料端喷入窑内。

供煤所燃烧的空气，通过沿窑长度方向安装在窑壳上不同位置的风机由轴向吹入窑内。

热的还原产品经过冷却筒冷却，然后筛分、磁选及风选，分离出非磁性物，得到成品。

来自窑内的烟气经余热锅炉回收余热（产生蒸汽），废气经布袋除尘，用废气风机送入烟囱。

操作的技术关键：
———保证窑内还原气氛，控制好风量；
———控制好窑体内各部分的适宜温度，不让脉石熔融；———窑的卸料端保持微正压，２０—３０Ｐａ。

控制直接还原铁金属化率在９１．１％～９４．６％，质量合格率在９４％是最经济的指标。

金属化率高和低，均会造成回转窑和电炉炼钢指标的恶化（炼钢过程加入直接还原铁比例最好控制在１５％～３５％，并要控制好料流加入速度３２～３４ｋｇ／兆瓦・分，以免出现钢水的沸腾现象以及喷溅）。

影响产品金属化率的因素是：频繁停窑、非正常条件下生产（难以调控），窑和冷却筒密封性不良、煤的成分波动和质量控制点选择不当。

（２）首钢密云冶金矿山公司煤基链篦机—回转窑—一步
法。

该公司直接还原铁年生产能力６．２０万吨。

生产工艺：配料—造球—干燥（链篦机）—回转窑（还原）—冷却—成品。

铁精矿水分严格控制在５．５％～６．５％，造球配皂土（粘结剂）０．８％
～１．０％，台时产量２０±２吨。

链篦机带速为０．５ｍ／ｍｉｎ，布料厚度１００～１２０ｍｍ。

生球抗压强度≧１．２ｋｇ／个，落下强度≧５次／０．５ｍ，水分控制在７．５％左右，粒度６～１６ｍｍ占８５％以上。

回转窑及热工系统操作：窑头喷煤总量在７．０±０．５吨／小时，精煤枪压力控制在６０ｋＰａ，细煤枪压力控制在１０～１４ｋＰａ。

窑尾加煤控制在８００±５０ｋｇ／ｈ，严禁窑尾煤量过值。

窑温控制：窑头箱＜９８０℃，１、２、３号电偶控制在１０００～
１０４０℃，短时温度不得超过１０６０℃；４、５、６号电偶控制在１０００±２０℃；７、８、９号电偶控制在９５０～１０００℃；冷烟室温度控
制在７００℃以下；链篦机预热段温度控制在８５０～９２０℃；过渡段温度控制在５５０～６５０℃；干燥段温度控制在２５０～３５０℃；１、２号风箱温度不得低于６００℃。

回转窑电机转速控制在４００～４４０转／分，主风机的回热风阀门开度４５％～５０％，转速８００～８５０转／分，回热风机入口负压
７８０±２０ｋＰａ，温度３１０～３５０℃。

干燥风机阀门开度６５％～７０％，
转速８００～８５０转／分。

产品质量标准的厂标是：铁品位≧８８％，Ｓ≦０．０４％，金属化率＞９０％。

（３）山东莱芜鲁中冶金矿山公司直接还原铁厂用冷固球团—回转窑工艺生产直接还原铁，年生产能力５万吨。

后改为块矿回转窑法。

福建大田海绵铁公司用ｓｉｃ反应罐—隧道窑法生产直还铁能力５万吨／年。

喀左海绵铁厂、哈尔滨市海绵铁厂、吉林复森海绵铁公司、吉林桦甸海绵铁厂等也具备了年生产２．５万吨的能力。

（作者单位：中国金属学会）
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