新一代Midrex钢铁生产工艺

新一代Midrex钢铁生产工艺

李友佳王薇

(首钢技术研究院科技信息所)

1概述

目前，全世界有十几种直接还原法实现了工业生产，共有百余家直接还原铁生产厂。Midrex 法近几年产量虽然有所下降，但仍然是最主要的直接还原铁生产工艺。2004年Midrex直接还原法所生产的直接还原铁产量占世界直接还原铁总产量的64.1％，HYL-III工艺所生产的直接还原铁产量占18.9％，其他工艺包括气基和煤基工艺约占17％。

2 Midrex工艺原料

Midrex工艺属于直接还原炼铁法，是成熟的气基工业生产方法，它主要应用于盛产石油或天然气的国家。把石油或天然气通过转化器变成还原气体，用此气体还原矿石，其工艺流程如图1所示。

图1 Midrex法DRI生产工艺流程

Midrex—Ross公司是竖炉技术和矿石加工用化学气体行业的先驱，Midrex就是该公司于60年代开发的直接还原铁工艺。自1969年以来，Midrex公司消耗了27Mt块矿和118Mt球团矿，并且成功地采用了100％球团、100％块矿以及球团与块矿的混合矿进行生产。

Midrex工艺允许厂家灵活地选择铁矿矿源。正在生产的Midrex厂已大批量采用了46种铁矿，其中球团矿20种，天然铁矿石26种。实际上，由于工业生产和实际应用方面的原因，大多数厂家都限制它们的矿源数，仅采用几种。统计表明，1991年Midrex直接还原厂所用原料中球团矿占78％，而块矿只占20％。

另外，对适合于Midrex直接还原工艺及其炼钢的铁氧化物原料的选择还应从化学和物理特性

以及还原特性几方面加以考虑。铁氧化物原料化学成分的重要性通常取决于最终使用者而非直接还原工艺。随着三十多年来直接还原技术的进步，铁氧化物原料的化学成分对Midrex工艺来说已变得不太重要了。然而化学成分对其后的DRI炼钢工艺却非常重要。

在直接还原工艺中，就原料而论，唯一的主要化学变化是从铁氧化物中脱氧，没有熔炼或精炼发生，基本上氧化铁原料中的所有杂质和脉石都存留在还原产品中。因此，所用原料含铁量应尽可能高，脉石含量应尽可能低，这样的原料才能受到炼钢厂的欢迎。表1示出直接还原品级氧化球团和块矿的推荐化学成分。

表1 氧化球团和块矿的化学成分（％）

这些特性主要是考虑炼钢工艺的需要而定的,只有最大S含量和最高TiO2含量是特别针对直接还原而定的。另外,除了铁、硅、铝以外，还必须考虑原料中的另外一些成分。如：（1）磷：推荐以0.03％作为P含量极限，但具体含P量标准随所产钢的牌号和所采用的炼钢技术而定。用含P量为0.05％的原料生产的HBI的实践表明，当该原料用量达40％时生产棒、线材是可行的。

（2）钒：含钒量过高可能对生产一定牌号的钢带来困难，故其具体标准应由各DRI用户来确定。

其实，在Midrex工艺中，一种铁氧化物原料的物理性能和还原特性要比其化学特性还要重要，必须予以重视。如：粒度。Midrex工艺多用球团矿和块矿混合炉料。球团矿粒度9～16mm的占95%，块矿10～35mm的占85%。球团中-5mm粒级限制在3％以内，块矿中-5mm粒级限制在5％以内。此外，应将-3mm粒级降至最低，因为该粒级不能用于直接还原工艺，通常予以筛除。但实际上，在采用廉价铁矿生产时产生的粉末量很高，为了尽可能地减少氧化铁粉末损失影响到的综合经济效益，我们还是要考虑粉末利用的问题。一般通过往炉料中配入适量氧化铁粉末以及将还原产品粉末压块，可使粉末损失降至最低。

3 Midrex工艺存在的问题

Midrex直接还原工艺虽然具有工艺成熟、操作简单、生产率高、热耗低、产品质量高等优点，在直接还原工艺中占统治地位，但也存在一定的局限性，首先是它要求：

（1）具有丰富的天然气资源作保障；其次Midrex的反应温度低，反应速度较慢，炉料在还原带大约停留6h，在整个炉内停留时间约10h。

（2）Midrex工艺要求铁矿石粒度适宜且均匀，粒度过大会影响CO和H2的扩散使反应速度降低；粒度过小，透气性差，还原气分布不均匀，一般小于5mm粉末的含量不能大于5％。同时对于铁矿石的品位要求也高，这是直接还原生产海绵铁的通病，对于矿石中的S和Ti的含量要求也很严。

（3）相比较HYL－III而言，Midrex工艺重整炉处理气体体积为每吨海绵铁1810m3，体积大，造价相对较高。

（4） Midrex竖炉对铁矿的硫含量有一定限制，否则含硫炉顶气进入重整炉将造成裂解催化剂失效。

（5）炉身结构复杂

Midrex竖炉结构复杂，炉内设有冷却气体分配器和海绵铁破碎器。

4 Midrex直接还原建厂分布

Midrex工艺是Midrex—Ross公司于60年代开发的直接还原铁工艺。1969年，第一套Midrex 装置在美国的俄勒冈波特兰建成。随后，又有49套Midrex装置销到18个国家。在此期间Midrex 在技术上有了许多改进，如竖炉加大、现场重整、热回收率提高、催化剂的改进及热淬的应用等。

南非萨尔达尼亚（Saldanha）钢铁厂的Midrex法工艺于1999年1月竣工投产。Saldanha厂座落于南非萨尔达尼亚海湾，该厂主要以铁矿石、煤为原料，现已达年产125万t热轧卷的规模，并计划在此基础上将年产量再翻一番。该厂是目前世界上唯一一家集多项钢铁生产新工艺为一体，即将熔融还原、直接还原、电炉炼钢、薄板坯连铸形成一完整生产工艺线的钢铁厂。由于技术上的创新，Saldanha钢铁厂大幅度地降低了工艺的投资成本和能耗，其建厂总投资为11亿美元，预计年出口金额达2000万美元。该厂生产指标为每200万t铁矿石生产出125万t热轧卷，每吨成品钢材价格约为320美元，具有市场竞争力。表2示出Midrex生产工艺的建厂分布。

表2 世界直接还原厂及MIDREX生产工艺设备一览表（不完全）

5直接还原铁生产成本分析

目前世界直接还原铁生产具有成本优势的地区主要集中在天然气资源丰富的国家，如：委内瑞拉。由于其丰富的天然气资源，再加上低廉的运营成本，使得其直接还原铁具有广阔的市场拓展空间。通过对选择的33家直接还原铁生产厂进行的成本分析得出，2005年第一季度的平均运营成本为144美元/吨，平均总成本为160美元/吨。成本最低的直接还原铁生产厂家均在季内瑞拉，运营成本和总成本均在80美元/吨以下。拥有低价天然气、采用进口铁矿石的钢厂（如中东的一些钢厂），运营成本在180美元/吨以内。中国（以天津钢管为例）生产直接还原铁的成本最高，2005年第一季度成本为254美元/吨。由于采用进口原料，2005年天津钢管直接还原铁生产成本高达2500元/吨（折合310美元左右）。由于原燃料价格上涨，自2003年第四季度以来，世界直接还原铁基准成本平均增加了50美元/吨。

由于在某些主要生产地区天然气价格较高，导致2002年的生产成本明显高于2000年。2003年天然气价格回落，但铁矿石价格却上涨。2005年铁矿石价格涨幅71.5％，这对于需求强劲的直接还原球团矿来说，使其利润空间高于高炉球团矿，价格也高过了废钢，利润率也随之提高，2005年第一季度，其利润率高达69%。