非高炉炼铁知识大全共100页
非高炉炼铁 第一章 绪论
各种炼铁工艺特点
工艺 原料 反应温度 产品特点
高炉炼铁
直接还原
熔融还原
烧结矿、 球团、富 矿 富矿
铁矿石
高于熔化 温度 低于熔化 温度
高于熔化 温度
液态、C高、 脉石低 固态、C低、 脉石高
液态、C高、 脉石低
1.2 非高炉炼铁的分类
1.2.1 分类标准
产品：直接还原、熔融还原 还原剂状态：煤基、气基（直接还原） 主体能源：煤基、气基、电热 工艺模式：一段式、二段式、三段式等 设备类型：竖炉、反应罐、回转窑、流 化床等 炉料结构：净料、混料
2）直接还原铁的其它应用 氧气转炉：冷却剂 高炉：配料 炼铁炉：效果较好 铸造生铁：要求高的金属化率
1.7 非高炉炼铁的前景
1.7.1 我国资源情况 煤炭资源丰富 电力资源前景乐观 铁矿资源丰富，但品味低，难选，多金 属共生矿多 废钢资源短缺
1.7.2 我国非高炉炼铁的发展方向
20世纪20年代开始研究； 20世纪70年代试验研究： 铁浴炉，德国，英国，日本，瑞典等； COREX，奥地利，德国； 20世纪80年代工业化： 1987年，南非，COREXC1000等
1.4 非高炉炼铁法技术经济指标
生产指标：利用系数、单位容积出铁率、 作业强度 产品质量指标：产品还原度、产品金属化 率 能量利用指标：煤气利用率、能耗
教材及参考书
本课程教材： 方觉等著，非高炉炼铁工艺与理论（第一 版），冶金工业出版社，2002年1月 主要参考书： [1] 杨天钧等著 ，熔融还原（第一版）， 冶金工业出版社，1998年 [2] 秦民生主编，非高炉炼铁，冶金工业 出版社 ，1988年
非高炉炼铁
非高炉炼铁一、非高炉炼铁的发展高炉炼铁是炼铁生产的主题，经过长期的发展，它的技术已经非常成熟。
但它也存在固有的不足，即对冶金焦的强烈依赖。
但随着焦煤资源的日渐贫乏，冶金焦价格越来越高。
因此，使炼铁生产摆脱对冶金焦的依赖是开发非高炉炼铁的原动力。
经过数百年的发展，至今已形成了以直接还原和熔融还原为主的现代化非高炉炼铁工业体系。
现代化钢铁工艺流程主体由四部分构成，焦炉、造块设备（例如烧结机）、高炉和转炉。
高炉使用冶金焦为主题能源，他是由焦煤经炼焦得到。
高炉的产品是液态生铁，它经转炉冶炼成转炉钢。
熔融还原的产品相当于高炉铁水。
高炉使用冶金焦，熔融反应则使用非焦煤。
这样就使炼铁摆脱了对冶金焦的依赖。
直接还原的产品是在熔点以下还原得到固态金属铁，称为直接还原铁（DRI），又称海绵铁。
直接还原的流程可分为煤基直接还原、气基直接还原和电热直接还原三大类。
煤基直接还原以煤为主要能源，主要是使用回转炉为主体设备的流程。
气基直接还原以天然气为主题能源。
包括竖炉、反应罐和流化床流程。
电热直接还原以电力为主要能源，是使用电热竖炉直接还原流程。
熔融还原的主体能源主要分为三种：非焦煤，焦炭和电力。
熔炼设备是熔融还原流程的精华。
还原设备决定了适用原料的性质。
例如流化床可直接处理粉料，竖炉则适用于处理块状炉料。
二、重点设备分析直接还原的核心装置是一个还原单元。
占有重要地位的还原设备有竖炉，反应罐，回转炉和流化床。
熔融还原的核心装置时一个还。
原单元和一个熔炼造气单元。
最受重视的还原设备是竖炉和流化床，最重要的熔炼造气设备是煤炭流化床和铁浴炉。
竖炉是一种成熟的还原设备。
除了产量在海绵铁工业中高居榜首外，熔融还原也将它作为还原单元最实际的选择。
目前唯一的工业化二步法熔融还原流程COREX即使用竖炉还原单元。
作为还原设备，流化床的地位非常微妙。
海绵铁工业中流化床的生产能力并不大。
但他具有一个竖炉无法比拟的优点：可直接使用粉矿。
这个特点使流化床成为熔融还原中最受青睐的还原设备。
非高炉炼铁-直接还原
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直接还原技术概况
直接还原炼铁工艺分为气基和煤基直接还原两大类，其 产品是固态海绵铁，主要供电炉炼钢用。
气基直接还原是用天然气经裂化产出的H2和CO作为还 原剂在竖炉、固定床罐式炉或流化床内将铁矿石中的氧化 铁还原成海绵铁。主要有Midrex法和HYL法。
煤基直接还原是用煤作还原剂在回转窑或转底炉内将矿 石中的氧化铁还原。
生产块矿矿山 Aguas Claras
Alegria Bailadila Bellary Hospet Brumadinho
Caue Cerro Bolivar
Conceica Corumba CVRD
El Pao Esperanza
Ferteco Feijao
表10 Midrex工厂曾使用的商品块矿石
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MIDREX工艺过程
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MIDREX流程图
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2 Midrex直接还原工艺的原燃料
2.1 Midrex用燃料与还原剂
Midrex属于气基直接还原流程，还原气使用天然气经催化 裂化制取，裂化剂采用炉顶煤气。炉顶煤气含CO与H2约70%。 经洗涤后，约60%～70%加压送入混合室与当量天然气混合 均匀。混合气首先进入一个换热器进行预热。换热器热源是 转化炉尾气。预热后的混合气送入转化炉中的镍质催化反应 管组，进行催化裂化反应，转化成还原气。还原气含 (CO+H2)95%左右，温度为850～900℃。
>2500
小于500N/个/wt%
<5.0
<2.0
23
对于Midrex工艺直接还原来说，含铁原料的高温特性，如还原 速率、还原粉化性能、粘结趋势和高温还原强度等，对整个竖炉 生产的顺行以及技术经济指标都非常关键。表8列出了Midrex工 艺对球团矿和块矿高温冶金性能的要求。
非高炉炼铁知识大全
提纲
第一部分 钢铁生产及短流程炼钢概论 第二部分 直接还原理论与工艺 第三部分 熔融还原理论与工艺
第一部分 钢铁生产及短流程炼钢概 论
一、什么是短流程
1.世界钢铁工业发展概况 起步阶段 时 间：1865年前后 工 艺：空气侧吹转炉炼钢法（1865年 英国贝赛麦） 代表国家：英国 中 国：公元前2世纪采用类似侧吹转炉 炼钢法—李约瑟
废钢资源优势
（1）、废钢铁是再生资源，可无限循环利用。 从钢材→制品→使用→报废→回炉炼钢，每830年一个轮回，无限循环使用 （2）、废钢铁是一种载能资源，用废钢铁炼钢 可以大量节约能源。废钢直接炼钢比矿石炼铁 后再炼钢可节能60%，节水40% （3）废钢铁是一种环保资源，废钢直接炼钢比 铁矿石炼铁炼钢可减少排放废气86%，废水76% 和废渣97%，有利于清洁生产和排废减量
钢水1t 图6. 废钢—电炉流程示意图
什么是短流程（续）
2. 钢铁生产方法及流程（续） 五种流程（续） 粉矿
1.237t 石灰石0.096t 543kg煤 (493kW•h熔化用电） (109kW•h脱硫和辅助 设备用电） 137kW•h制氧用电 404m3氧气 铁 燃料0.010t 废钢0.263t
粉矿
区域3
图11 按还原剂和铁矿石种类分直接还原工艺
直接还原生产及技术现状(续)
1.国外现状(续) 技术现状(续) 按炉型分： •竖炉 •回转窑 •转底炉 •流化床等
直接还原生产及技术现状(续)
1.国外现状(续) 技术现状(续) 按含铁料粒度分： •块矿/球团 •粉矿
表1 不同直接还原工艺的主要特点比较
型式 竖炉 竖炉(间歇) 竖炉 多层流化床 回转窑 还 800 800~900 700~800 1100~1200 原 温度/℃ 800~900 炉 还原率/% 92~96 85 92~94 93 90 熔炼炉 废气处理 电炉 电炉 循环使用 TFe:88 C:2.2 脉石:4.3 电炉 电炉 电炉
非高炉炼铁技术概述
非高炉炼铁技术概述摘要：随着焦煤资源日益减少，高炉炼铁技术发展受到限制，非高炉炼铁成为了日益关注的冶炼技术。
文章阐述了非高炉炼铁技术的发展现状、分类，工艺流程及特点，同时展望了其未来的发展前景。
关键词：非高炉炼铁直接还原熔融还原非焦煤一、引言目前，生铁主要来源于高炉冶炼产品，高炉炼铁技术成熟，具有工艺简单，产量高，生产效率大等优点。
但其必须依赖焦煤，而且其流程长，污染大，设备复杂。
因此，世界各国学者逐渐着手研究和改进非高炉炼铁技术。
二、非高炉炼铁工艺非高炉炼铁是指以铁矿石为原料并使用高炉以外的冶炼技术生产铁产品的方法。
在当今焦煤资源缺乏，非焦煤资源丰富的情况下，非高炉炼铁以非焦煤为能源，不但环保，而且省去了烧结、球团等工序，缩短了流程。
因此非高炉炼铁一直被认为是一种环保节能、投资小、生产成本低的生产工艺。
非高炉炼铁可分为直接还原炼铁工艺和熔融还原炼铁工艺两种。
1.直接还原炼铁工艺直接还原炼铁工艺是一种以天然气、煤气、非焦煤粉为能源和还原剂，在铁矿石软化温度下，将铁矿石中铁氧化物还原成铁的生产工艺。
据统计直接还原冶炼工艺多达40余种，大部分已经实现了大规模工业化生产[1]。
目前，直接还原炼铁工艺主要有气基直接还原、煤基直接还原两大类。
1.1气基直接还原气基直接还原是指用CO或H2等还原气体作还原剂还原铁矿石的炼铁方法。
具有生产效率高、容积利用率高、热效率高、能耗低、操作容易等优点，是DRI（directly reduced iron）生产最主要的方法，约占DRI总产量的90%以上[2]。
气基直接还原代表工艺有HYL反应罐法、Midrex-竖炉法、流化床法等[3]。
HYL反应罐法是由墨西哥希尔萨（HojalataYLamina，HYLSA）公司于20世纪50年代初开发的，其工业化标志着现代化直接还原的开始。
HYL反应罐法具有作业稳定，设备可靠等优点，但其作业不连续，还原气利用差，能耗高及产品质量不均匀。
非高炉炼铁
MgO-CaO质耐火材料工程实例
• 含活性氧化钙耐火材料是生产洁净钢的理 想材料 工程或工业化生产如何实现？ 工业化最大的问题是解决活性氧化钙的水 化问题
MgO-CaO质耐火材料工程实例
• B.耐火氧化物与钢中硫含量关系: 钢液冷凝时硫会浓聚于晶粒边界，加热钢 锭时，会在晶粒边界熔化，造成钢的热脆。 钢液中硫含量越低，说明钢中硫化物洁净 度（Sulphide cleanliness)越高。 [S]+(O)=(S2-)+［O] 或[S]+(CaO)=(CaS)+［O] 式中，[]表示金属熔体相；( )表示熔渣相
2.4国内外熔融还原用耐火材料的研究现状 和发展方向
• 国内外研究者对熔融还原用耐火材料的研究主要在Al2O3-C、 MgO-C和MgO-Cr2O3砖方面，就蚀损速度而言MgO-Cr2O3砖约 为的Al2O3-C砖的 1/2，C含量为10%的MgO-C砖比Al2O3-C砖小 1/5。其结果总结为：（1）COREX融熔还原气化炉中的流化 燃烧区和风口区作业条件最为苛刻，所用含炭耐火材料效果 不理想。推存选材为Sialon结合碳化硅砖和Sialon结合刚玉砖。 （2）铁浴终还原炉技术尚未完全成熟，所用炉衬为改进型 Al2O3-C砖和MgO-C砖。渣型的不同对耐火材料的使用效果影 响较大。（3）含炭耐火材料有好的抗渣性及热震稳定性， 但存在易氧化的问题。抗渣性及抗冲刷性好的镁铬砖其热震 稳定性不好，易剥落。
MgO-CaO质耐火材料工程实例
• 则是溶解在钢液中的脱氧剂M与溶于钢液中的氧 化反应生成脱氧产物MxOy。如果MxOy不上浮， 也会成为钢中夹杂物。 Al、Si、Cr、Zr在铁液中溶解度都很大；而Mg与 Ca由于在高温下以气态存在，在Fe液中溶解度很 小。耐火氧化物中的金属元素在钢液中的含量与 钢液中平衡氧的活度之间关系如图所示。
6-非高炉炼铁
6 非高炉炼铁6.l 概述非高炉炼铁法是高炉炼铁法之外，不用焦炭炼铁的各种工艺方法的总称。
按工艺特征，产品类型和用途，主要分为直接还原法和熔融还原法两大类。
6.1.1直接还原法与熔融还原法直接还原（Direct Reduction）法是指不用高炉而将铁矿石炼制成海绵铁的生产过程。
直接还原铁是一种低温下固态还原的金属铁。
它未经熔化而仍保持矿石外形，但由于还原失氧形成大量气孔，在显微镜下观察形似海绵，因此也称海绵铁。
直接还原铁的含碳量低（〈2%），不含硅锰等元素，还保存了矿石中的脉石。
因此不能大规模用于转炉炼钢，只适于代替废钢作为电炉炼钢的原料。
熔融还原（Smelting Reduction）法指在熔融状态下把铁矿石还原成融态铁水的非高炉炼铁法。
它以非焦煤为能源，得到的产品是一种与高炉铁水相似的高碳生铁。
适合于作氧气转炉炼钢的原料。
近年来，非高炉炼铁法发展比较快，其原因是：(1)不用焦炭炼铁。
高炉冶炼需要高质量冶金焦，而从世界矿物燃料的总储量来看，煤炭占92%左右，而焦煤只占煤炭总储量的5%，且日渐短缺，价格越来越高。
非高炉炼铁可以使用非炼焦煤和天然气作燃料与还原剂，对缺少焦煤资源的国家和地区提供了发展钢铁工业的巨大空间。
(2)高炉炼铁要求强度好的焦炭和块状铁料。
必须有炼焦和铁矿粉造块等工艺配套，工艺环节多，经济规模大，需要大的原料基地和巨额投资。
非高炉炼铁法使用非焦煤或天然气，可使用矿块或直接使用粉矿，市场适应性强。
(3)科学技术的进步，对钢材质量和品种提出了更高的要求。
现代电炉炼钢技术为优质钢的生产提供了有效手段，但由于废钢的循环使用，杂质逐渐富集，而一些杂质元素在炼钢过程又很难去除，无法保证钢的质量，并限制了电炉法冶炼优质钢种的优势。
非高炉炼铁法能为炼钢提供成分稳定、质量纯净的优质原料，为炼钢设备潜能的发挥，提高企业的经济效益，提供了有力的支持。
(4)随着钢铁工业的发展，氧气转炉和电炉炼钢逐渐取代平炉，废钢消耗量迅速增加，废钢供用量日感紧张，非高炉生产的海绵铁、粒铁等是废钢的极好替代品。
冶金概论非高炉炼铁法
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6 h，在整个炉内停留时间在 10h左右。
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另外Midrex法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％。
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图4 回转窑炼铁过程示意图
1-氧化区；2-中性区；3-还原区；4-窑头；5-熔化带；6-粒铁带；7-还原带；8-预热 带；9-窑尾；10-海绵铁法；11-粒铁法；12-液铁法
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• 窑体稍有倾斜（4%的斜度），窑中装有耐火衬，在窑头、窑中、窑
尾设有耐火材料挡圈以增加炉料停留时间。
回转窑内反应温度应控制在1100℃以下，经8～ 10h完成还原反应后出窑。回转窑所产生的废气从进料 端吸走，高温废气可余热利用。
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若炉料在回转窑中经过预热和还原后，再进一步提高温
度（1250℃）进入粒铁带，金属铁与炉渣开始软化，在半
熔化状态下金属铁由小颗粒堆集成卵状粒铁，炉料出炉后经 水淬冷却后很容易用磁选或重选把粒铁与脉石分开，这就是 回转窑粒铁法。
原和煤基直接还原。 直接还原铁生产大多采用天然气为能源，其产量占总
产量的90%以上 。气基直接还原设备对环境污染小、耗水
量少、噪音小、产生的 CO2也比用煤作还原剂少得多， 所以具有很强的竞争力和发展潜力。
煤基直接还原法生产的直接还原铁占总产量的比例小， 产量逐年增长，但增长缓慢。
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B、随着钢铁工业的发展，废钢消耗量迅速增加，废钢供用量日渐紧张
非高炉炼铁知识大全剖析
热需要量
GJ/tFe
还原度95%的1吨铁（50%用C、50%用 CO还原）
1000℃的1.086吨直接还原铁和灰份的显 热
800 ℃的612kg（50%CO、50%CO2）的 废气显热
合计
3.138 0.745 0.481 4.364
还原需要的热量相当于0.107t标煤，是长流程需要量的1/5～ 1/7
固体碳竖式还原法的物料平衡
原料输入量
还原剂输入量
铁矿石1460kg(68.5%Fe、98.0%Fe2O3、 煤227kg（90%C、10%灰份） 29.5%O、2.0%脉石）
脉石30kg、铁1000kg、氧430kg
灰份23kg、碳204kg、氧0kg
直接还原过程中有408kg氧的转移
固体输出量
输出量
2. 钢铁生产 方法及流 程
三类方法
图1. 三种钢铁冶炼方 法示意图 A：高炉—转炉（BF— BOF）； B：直接还原—电炉 （DR—EAF）； C：熔融还原—转炉 （SR—BOF）
什么是短流程（续）
2. 钢铁生产方法及流程（续）
图2. Sources of Metallic Feedstock
废钢资源优势
（1）、废钢铁是再生资源，可无限循环利用。 从钢材→制品→使用→报废→回炉炼钢，每830年一个轮回，无限循环使用
（2）、废钢铁是一种载能资源，用废钢铁炼钢 可以大量节约能源。废钢直接炼钢比矿石炼铁 后再炼钢可节能60%，节水40% （3）废钢铁是一种环保资源，废钢直接炼钢比 铁矿石炼铁炼钢可减少排放废气86%，废水76% 和废渣97%，有利于清洁生产和排废减量
46m3氧气 26W•h（电）
钢水1t 图3. BF—BOF流程原料及能源流向图
第四章非高炉炼铁,第五章铁水预处理
第四章非高炉炼铁,第五章铁水预处理非高炉炼铁非高炉炼铁法：是指除高炉炼铁以外的其它还原铁矿石的方法。
可归纳为两大类：直接还原法；熔融还原法。
⑴ 直接还原法在铁矿石熔化温度下把铁矿石还原成海绵铁的炼铁生产过程，产品叫直接还原铁或海绵铁。
由于低温还原，得到的直接还原铁未能充分渗碳，因而含碳较低(2%),矿石中的脉石成分既不能熔化造渣脱除，也不能被还原，因而直接还原铁中几乎保留了铁矿石中的全部脉石杂质，实际生产中仍需要用电炉精炼成钢。
⑵ 熔融还原法一切不用高炉冶炼液态生铁的方法。
它是不用焦炭在一个容器中完成高炉炼铁过程的，基本上不改变目前传统钢铁生产的基本原理。
近年来，非高炉炼铁法发展比较快，其原因是：① 不用焦炭炼铁；② 非高炉生产的海绵铁可代替日益紧张的废钢；③ 省去了炼焦设备，总的基建费用比高炉炼铁法少。
非高炉所得还原铁的用途可分为以下三类：① 炼钢原料② 高炉原料③ 铁粉可用于粉末冶金或用作电焊条的原料等。
4.1 直接还原法⑴ 使用固体还原剂法主要设备：回转窑主要产品：海绵铁工作原理：固体还原剂(煤) 、铁矿石、溶剂混匀，由窑尾加入，窑体有1~4%的倾斜度并以一定速度旋转，炉料由窑尾向摇头运动。
窑头装有烧嘴，喷入燃料(煤粉、煤气或重油)燃烧，废气由窑尾排除，炉料与炉气逆向运动，逐渐把固体炉料加热，达到800℃时，开始固体碳还原，放出的CO 在氧化区被氧化，提供还原需要的热量。
回转窑炼铁过程示意1―氧化区；2―中性区；3―还原区；4―窑头；5―熔化带；6―粒铁带；7―还原带；8―预热带；9―窑尾；10―海绵铁法；11―粒铁法；12―液铁法炉料配加的煤炭量必须超过还原反应需要热量，以保持料层中的还原气氛。
按照炉料出炉温度，回转窑除生产海绵铁外，还可生产粒铁和液态铁。
最大的优点：可以直接使用储量丰富的煤作燃料缺点：是炉内温度要求严格控制，否则会引起局部过热。
使矿石软融并粘结在炉墙上，破坏正常生产。
⑵ 用气体还原剂直接还原法冶金还原煤气：铁矿石直接还原使用的气体还原剂。