非高炉炼铁技术与工艺黄柱成
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。
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(DirectReduction)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(SmeltingReduction)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。
非高炉炼铁
3.二步法-KR法(COREX法)工艺介绍
二步法： 将熔融还原
过程分为固相预还 原及熔态终还原并 分别在两个反应器 中完成； 优点：
改善了能量 利用，降低了渣中 FeO浓度。
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六、非高炉炼铁技术经济指标
1.单位容积利用系数：
每立方米反应器有效容积每天的产品量，即 η=Q/Vu， t/（m3.d）
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3.使用气体还原剂举例(Midrex法)
工艺过程: 天 然 气 + 净 化 炉 顶 气 (300-
400℃)→混合室→重整炉 (Ni 催 化 剂 ) →900-950 ℃反应:
CH4+H2O=CO+3H2 CH4+CO2=2CO+2H2 还原气→竖炉(炉料炉顶加入) →停留6h →冷却带N2冷却 至100℃ →炉料排出
主要内容
一、概 述 二、非高炉炼铁的特点 三、非高炉炼铁分类 四、直接还原法 五、熔融还原法 六、非高炉炼铁技术经济指标
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一、概 述
1.概 念 非高炉炼铁法是高炉法之外，不用焦炭
炼铁的各种工艺方法的统称。
2.发展史 1770 年 第 一 个 直 接 还 原 法 专 利 诞 生
→1857 年 提 出 完 整 的 近 代 直 接 还 原 （Chenot）构思→1873建成第一座非高炉 装置→上世纪20年代电炉（矿热炉）炼铁 →70年代具备一定规模→近期又重新成为 研究热点
高炉流程： 矿石A在高炉内升温、
还原、熔化为铁水B→[C] 已达到饱和→在炼钢过程 脱C→再去除多余氧成为成 品钢液； 非高炉流程：
矿石被升温、还原为 海绵铁→在电炉中熔化还 原未还原部分→得到成品 钢液
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钢铁生产过程产品中氧量、碳量的变化
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。
四种新型非高炉炼铁技术
四种新型非高炉炼铁技术非高炉炼铁技术作为一种能消除块矿、焦煤和废钢三大资源不足的危机，减四种新型非高炉炼铁技术轻钢铁业的资源、能源和环境压力的炼铁技术，长期以来都受到人们的关注和研究，以下四种比较新颖的有：1 .Hi-QIP工艺Hi-QIP工艺由日本JFE公司开发的，主要特点是转底炉炼铁。
相比于旧有的转底炉工艺，Hi-QIP转底炉首次使用含碳料层，同时另一特点是经还原熔化的铁在炉内生成。
Hi-QIP工艺中，铁矿石（或块矿）是铁源，煤是还原剂，石灰石是熔剂。
这些原料经混匀后并装入碳质原料床，然后用烧嘴加热。
铁矿石被还原和熔化，而在料层中煤的混合料被气化，并如同还原剂一起进入到炉料中起反应。
石灰石熔化并同混合料中的灰分和脉石成分生成渣。
熔化的铁和渣流入坑中，冷却凝固，生成粒铁。
粒铁和渣粒用螺旋装置从炉中排出，此工艺可以连续生产粒铁。
2 . Fastmet工艺Fastmet工艺由日本神户制钢开发的，主要特点是使用煤基转底炉还原钢铁厂产生的烟尘或矿粉。
原料：80%的铁矿石、20%煤和来自球团的有机粘含剂1.5%，经加工干燥到170℃装入煤基转底炉，生产出DRI产品，后续DRI产品在氮氧保护下送压块机造块。
Fastmet工艺的DRI热压块，含0.08%S高硫，被作为高炉原料，而不直接用于炼钢。
3 . Finex工艺Finex工艺由韩国浦项和西门子的MT共同开发的，由炉底的熔化器-气化器构成。
Finex工艺是将磨制煤粉和氧气喷吹到炉子，炉子上部有四个流化床反应器，铁矿粉或工厂的烟尘由反应器下降与气化器上升的煤气相遇，产生反应，还原出铁。
Finex工艺环境友好特性十分显著，SO2排放是传统高炉3%，氮氧化物是1%，粉尘是28%。
4.Tecnored工艺Tecnored工艺炼铁工艺是在巴西经过20多年发展而成，由模块结构的反应器组成。
铁矿粉或铁性粉尘和氧化铁皮同碳基的还原剂（如石油焦）和有机粘合剂精心紧密混匀生成球团，在炉身1.5m的长方形反应器中反应，燃料煤是沿反应器的两个边长装入，保持燃料资源总是来自还原区，抑制球团自身还原，同时抑制了CO2到CO的还原反应，较节能。
《非高炉炼铁》课件
未来应用前景
随着技术的不断突破和创新， 非高炉炼铁技术有望在钢铁 生产、环境保护和特殊冶金 领域等方面实现更广泛的应 用。
挑战与机遇
非高炉炼铁技术仍面临一些 挑战，如成本控制、设备研 发等，但也带来了更多的机 遇和前景。
结论
通过对非高炉炼铁技术的介绍，我们可以看到其在铁矿石冶金转化和环境保护等方面的重要性。展望未 来，非高炉炼铁技术有望取得更大的突破并在各个领域发挥更重要的作用。
参考文献
• 文献1 • 文献2 • 文献3
《非高炉炼铁》PPT课件
欢迎来到《非高炉炼铁》PPT课件！在这个课件中，我们将介绍非高炉炼铁的 基本原理、常见工艺、技术优势以及未来前景。
什么是非高炉炼铁
非高炉炼铁是一种新型的铁矿石还原炼铁技术，通过熔融还原等方法实现矿石冶金转化为铁制品，与传 统高炉炼铁不同，具有更高的效率和更多的优势。
相关技术发展历程
非高炉炼铁技术具有较高的能源利用率，能够降低能源消耗，减少对煤炭等资源的需求。
2 环保
相比传统高炉炼铁，非高炉炼铁技术产生的废气和废水排放更少，对环境影响更小。
3 精确控制
非高炉炼铁技术可以对反应条件进行精确控制，实现更高的炉温、反应速率和产物纯度。
非高炉炼铁的前景
国内外发展趋势
非高炉炼铁技术在全球范围 内得到广泛应用，未来将继 续发展并应用于更多领域。
非高炉炼铁技术经历了多年的发展和演变。从汉密尔顿法到直接还原法、热还原法和气固反应法，不断 出现新的工艺和方法，为非高炉炼铁的应用领域提供了更多选择。
非高炉炼铁的应用领域
钢铁生产
非高炉炼铁为钢铁生产提供了更灵活和高效的铁矿石熔融还原方法。
环境保护
由于非高炉炼铁技术对环境影响较小，因此在环境敏感区域的铁矿石加工和冶金领域有广泛 应用。
ITmk3非高炉炼铁新技术-2285字
浅析ITMK3非高炉炼铁新技术作者：王辉单位：吉林省机电研究设计院路立娜单位：吉林建筑工程学院建筑装饰学院摘要ITMK3非高炉炼铁新技术是以粉矿、粉煤为原料直接生产出将渣分离的“粒铁”的工艺。
关键词ITMK3、非高炉炼铁一、ITMK3法由来目前国际上熔炼方法和工艺十分繁多，但大体分为高炉炼铁和非高炉炼铁两大类。
·高炉炼铁法该工艺历史悠久且现仍为我国炼铁主流工艺方法，但其流程复杂、能耗高、环境污染严重、投资大。
有统计资料数据表明高炉熔炼就其炼焦和烧结两部分附属工艺产生的粉尘:1.2g/t;SO2:1.4g/t;NOX:1.1g/t。
废水排放污染物成分中耗氧:29.98 g/t;酚:602g/t;氰:120g/t;氨:15g/t。
一台50万吨产量的高炉其总能耗达20.81GJ，CO2排放量达2208kg。
·非高炉炼铁法指高炉炼铁法之外的炼铁方法。
包括直接还原炼铁，熔融还原炼铁，粒铁法，电炉炼铁等。
非高炉炼铁法都具有以下优点：不用焦炭，可取消焦炉、烧结等传统高炉炼铁工序，能大大减少环境污染；节能效果好；还原铁中含硫、磷少，可直接入电炉精炼。
·ITMK3非高炉炼铁新技术上世纪九十年代中后期，日本神户制钢公司与美国米德兰(Midrex)公司[2]联合开发转底炉直接还原工艺(Fastmet)并取得突破性进展，使金属化球团（直接还原铁，DRI，海绵铁）在转底炉中还原时熔化，生成铁块(Nuggets)，同时脉石也熔化，形成渣铁分离。
此法解脱了DRI对原料品位的苛求，能用铁矿为电炉提供优质铁料。
此法因意义重大，被命名为“第三代炼铁法”(Iron Technology Mark III，简称ITMK3)。
高炉炼铁法被称为第一代炼铁法，产品属高碳液态铁水；直接还原法被称为第二代炼铁法，产品属低碳固态铁；第三代炼铁法的产品介于二者之间，属中碳准熔化(或半熔)状态。
二、技术核心·ITMK3炼铁法工艺原理在1350~1450℃下，将含炭复合球团矿加热后在10分钟内完成以下反应，并使渣铁完全分离：FexOy + yCO = xFe + yCO2（1）CO2+C=2CO （2）C（s）=C（渗炭）（3）Fe（s）=Fe（l）（熔融）（4）·ITMK3炼铁法工艺流程图·ITMK3炼铁法生产流程图三、比较优势目前较成功并已投入或即将投入工业化生产的有COREX法、Hismelt法和ITMK3法等。
非高炉炼铁
1.6.3 炉内主要过程
炉内一般过程
炉料下降过程中，与上升的煤气流相互作用，被加热，发 生干燥、还原、熔化、造渣等一系列物理化学反应，最后 生成液态渣、铁，聚集于炉缸，周期地从高炉排出，上升 的煤气流将能量传给炉料，温度不断降低，成分不断变化， 最后变成高炉煤气从炉顶排出 实质：在尽量低能量消耗的条件下，通过受控的炉料及煤 气流的逆向运动，高效率地完成还原、造渣、传热及渣铁 反应等过程，得到化学成分与温度较为理想的液态铁
1.6.4 高炉炼铁原料及其他辅助材料
①灰分低，固体碳高 ②含硫低 ③可磨性好：易磨 ④粒度细：-200目占80％ ⑤爆炸性弱：安全 ⑥燃烧性要弱、反应性要好
固体燃料： 煤 喷 吹 燃 料
天然气，石油气，焦炉和高炉煤气， 气体燃料：
转炉煤气，发生炉煤气
重油，柴油，焦油 液体燃料：
1.6.4 高炉炼铁原料及其他辅助材料
性能 ①物理性能 a.致密度，气孔率，吸水率 b.透气性 c.耐压强度 d.热膨胀性 ②使用性能 a.耐火度：抗高温熔化性能的指标，用耐火锥变 形的温度表示。它表征耐火材料的热性质，主要 取决于化学组成，杂质数量和分散程度。实际使 用温度要比耐火度低。
1.6.4 高炉炼铁原料及其他辅助材料
b.荷重软化点：在施加一定压力并以一定升温速度 加热时，当耐火材料塌毁时的温度。它表征耐火材料 的机械特性。耐火材料的实际使用温度不得超过荷重 软化点。 c.耐急冷急热性（抗热震性）：是指在温度急剧变 化条件下，不开裂。不破碎的性能。 d.抗蠕变性能：荷重工作温度下，形变率 e,导热性及导电性 f.抗渣性：在使用过程中抵御渣化的能力。 耐火材料选择原则：使用的温度，使用的环境
高炉法 现 代 炼 铁 法 非高炉法
非高炉炼铁
直接还原法发展的背景
• 二十世纪60年代直接还原发展的原因 ① 不用焦炭炼铁。 ② 合格废钢,优质废钢供应不足 ③ 可得到高品位铁精矿 ④ 省去了炼焦设备,总的基建费用比高炉炼铁 法低
煤基直接还原法
回转窑法
Fastmet
Hganas
气基直接还原
移动床 Midrex HYLIII
固定床 HYL法
流化床
非高炉炼铁
机升本14 王睿
非高炉炼铁概念
• 非高炉炼铁法 除高炉炼铁以外的其它还原铁矿石的方法
• 直接还原法 指铁矿石在低于熔化温度之下还原成海绵铁的生产过程
• 熔融还原法 指非高炉炼铁方法中那些冶炼液态生铁的工艺过程
高炉炼铁与非高炉炼铁的工艺 （图）
非高炉炼铁方法分类
非高炉炼铁
直接还原法
熔融还原
限制直接还原大量应用的障碍
• 直接还原能源供应并未完全解决(最成熟的 直接还原法使用天然气作为一次能源,天然 供应有限且价格不低,应用煤炭技术的各种 方法技术仍有待完善) • 直接还原电炉流程电耗较高(600~1000度/ 吨)(并不是任何地区都容易提供) • 高品位精矿粉难于普遍获得
非高炉炼铁法
非高炉炼铁法简介非高炉炼铁法以不用焦煤为主要特征，按其工艺特征、产品类型及用途分为直接还原法和熔融还原法两大类。
直接还原法以气体、液体燃料及非焦煤为能源，在铁矿石或含铁团块呈固态的软化温度下进行还原获得直接还原铁（DRI）或海绵铁，其产品低密度多孔呈海绵状结构，含碳低，未排除脉石杂质。
熔融还原法则以非焦煤为能源，产品类似高炉的铁水。
目前，非高炉炼铁法以直接还原工艺为主，该方法对铁原料要求高，TFe>66%,酸性脉石含量（SiO2+Al23）<5.5%(但不宜过低)，一般S含量<0.03%，P<0.02%,其它有害元素尽可能低，各种工艺对原料粒度要求不一。
铁原料和煤灰分的软化温度决定了直接还原工艺的作业温度。
在燃料方面，当前各种工艺中，以使用天然气为主，能量利用率高、生产率高，但我国天然气资源缺乏。
国内直接还原厂以使用非焦煤（褐煤、烟煤、无烟煤）为主，现在世界各国也以发展煤基直接还原为主。
直接还原工艺的主要方法有：1. 回转窑直接还原法：回转窑结构是一个可转动的筒形高温反应器。
含铁原料与还原煤从窑尾连续加入，排料端设置主燃烧喷嘴和还原煤喷入装置，沿窑身长度方向装有若干供风管或燃料喷嘴，随窑体转动，固体物料在翻滚移动过程中，被高温气流加热，进行物料的干燥、预热、碳酸盐的分解、铁氧化物还原及渗碳反应从而得到DRI。
比较有代表的是SL-RN 法、DRC法、Krupp-Codir法等。
2. 竖炉直接还原法：竖炉法目前占直接还原铁产量的90%左右，其中以Midrex和MYL为主，工艺成熟，占直接还原工艺的主导地位。
竖炉的反应条件与高炉上部间接还原区相似，不出现熔化现象的还原冶炼过程，使用单一矿石料，没有造渣过程。
以前竖炉的燃料和还原剂是天然气，近年出现了煤制气以及使用焦炉煤气竖炉直接还原工艺，这扩大了竖炉工艺的使用范围，但目前煤基竖炉工艺还不成熟，生产成本偏高，工艺还需进一步完善。
3. 罐式直接还原法：以HYL为代表，用H2、CO或其混合气将装于移动或固定容器内的铁团还原成DRI的方法。
非高炉炼铁技术重点是以煤代焦 DRI最佳装备是煤基竖炉
非高炉炼铁技术重点是以煤代焦 DRI最佳装备是煤基竖炉陈守明我国粗钢产量连续高速增长，2011年达6.995亿吨，占全球粗钢产量45%；但产业结构不合理，工艺以高炉炼铁-转炉炼钢长流程为主，铁钢比高、电炉钢比例小，能源资源消耗大、生产成本高，经济效益一路下滑，优化结构、节能增效势在必行。
直接还原铁(DRI)不仅是一种重要的冶金原料，由于不以焦炭为主要能源，称非高炉炼铁，是一种节能增效的冶金新工艺。
发展DRI产业不仅可以为电炉炼钢、转炉炼钢、高炉炼铁、铸造等产业提供大量优质冶金炉料，有助于这些企业节能增效，而且节省大量焦炭，对于缓减高炉炼铁焦炭供应紧张局面、降低成本有利。
同时，国内中小铁矿和非炼焦煤的综合利用、提高附加值，可促进中西部地区经济发展。
国家工信部2011年底颁发的《钢铁工业“十二五”发展规划》中，“重点领域和任务”的技术创新重点第一项即非高炉炼铁技术。
中国DRI多年来产量始终在几十万吨徘徊，主要因为工艺、装备未根据国情自主创新，未显示节能减排优势，工程投资大、生产成本高，经济效益不理想。
DRI工艺按还原剂分为气基法和煤基法，按主体设备分有竖炉法、隧道窑法、回转窑法、转底炉法等。
根据冶金原理和中国能源资源结构、经济技术条件，煤基法比较适宜；按机械和热工原理，这几类工业炉窑虽然都能生产DRI，但竖炉是其优选优化成果，性能更好。
炼铁理论和生产实践均可证明，煤基竖炉DRI能耗低、工程投资少，可取的更好效益。
1 煤基竖炉DRI工艺节能的理论根据1.1 DRI流程短炼铁是钢铁冶金上游工序。
考察钢铁生产流程，如图1所示，流程最短、能耗最低路线是从铁矿石直接炼钢的虚线ideal Route。
但这一路线很难实现，因为还原与升温同时进行，高温下金属铁融化后，还原剂中的碳即渗入铁中，铁水含碳量大于钢的标准。
为了得到含碳量较低的钢，不得不增加炼钢工序，将铁水中的碳再氧化脱去。
现代钢铁生产的高炉-转炉炼钢流程就是这样，称作二步法炼钢。
非高炉炼铁工艺
非高炉炼铁工艺—Hlsmelt熔融还原炼铁工艺由澳大利亚的力拓矿业集团开发的HIsmelt熔融还原炼铁工艺，采用了铁矿粉及钢厂废料和非炼焦煤直接熔融的还原技术生产高质量的铁产品，可直接用于炼钢或铸成生铁。
还可以循环使用热能，以达到降低成本和减少污染的目的。
从不断优化高炉炼铁和开发新型非高炉炼铁工艺考虑，可对炼铁生产实现节能减排和保护环境起到积极的作用。
HIsmelt熔融还原炼铁工艺作为适应钢铁工业发展的需要而开发的熔融还原炼铁的生产工艺，可为炼铁生产提供了一种新的选择。
钢铁生产工艺包括传统的高炉—氧气顶吹转炉的长流程和基于电弧炉的短流程。
近年来，受环保等方面因素的影响，短流程工艺受到越来越多的关注。
1996年以来，世界范围内有大量短流程优质扁平材生产厂投产。
这些短流程钢厂仅承担较低的折旧费用，还能利用废钢来削减生产成本。
因此，短流程钢厂的热轧生产成本要比钢铁联合企业的低。
推动这种趋势发展的主要原因有以下几个方面：高炉生产对原料的规格要求较严格，原料预加工（焦化、球团和烧结厂）使高炉生产成为环境污染的主要排放源，新建或改造高炉的投资额巨大，世界范围内的焦炉普遍呈老化状态，也需要大量投资。
正常情况下，为了获得规模经济效益，钢铁联合企业的建造规模都很大，因此，温室气体排放和环境污染的问题比较严重。
电炉炼钢厂的情况则有所不同，与钢铁联合企业相比，其竞争力相对较强。
对于电炉炼钢厂来说，优质、稳定的铁供应可明显提高电炉炼钢的生产率，降低生产成本。
因此，在炉料中搭配铁水就具有较高的利用价值。
在此条件下，开发具有能源利用率高、原料及炉料适应性强、投资成本低、操作灵活等特点的炼铁工艺，已成为钢铁联合企业关注的课题之一。
1 Hlsmelt工艺流程简介图1为HIsmelt熔融还原炼铁的工艺流程图。
图1 HIsmelt熔融还原炼铁的工艺流程图首先，HIsmelt工艺将金属熔池作为基本的反应媒介，炉料直接注入到金属中，熔炼过程主要通过熔解碳进行。
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(4) 回转窑法在印度发展迅速
据统计印度现有回转窑产能约1950万吨/年，其产量占总产量的70%以上 南非、巴西、秘鲁和中国等均有工业化生产线，但发展缓慢 回转窑法由于能耗高、运行稳定性差、单位产能投资高等问题难以成为
四、短流程发展的条件和未能快速发展的原因
条件：
1.原料 废钢（scrap)： 直接还原铁（DRI/HBI） 铁水（HM）
2.电力（400~500Kw.h/t-钢） 3.发展DRI/HBI的条件
资源—优质铁矿：TFe>67%、S、P<0.01% 能源—天然气
煤：S、挥发份、灰份、灰份熔点、 反应性
第二部分 直接还原理论不工艺
1.长流程自身的原因：流程长、投资大、 成本高、环境污染重。
2.合理利用资源：废钢、复杂矿。 3.能源：炼焦煤减少。 4.钢的品种和质量。 5.市场应变能力。
发展直接还原技术是实现钢铁清洁化生产的需要
◇长流程：炼焦、烧结----高炉炼铁----转炉炼钢 优点：技术成熟、效率高、产量大、生产成本低等。 缺点：炼焦、烧结、炼铁、炼钢等工序污染严重，对环境的污染占钢铁
（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
发展直接还原不熔融还原的理由
传统钢铁生产工艺中冶金反应重复 高炉炼铁以焦炭为基础 铁矿物常以多金属兯生 钢材质量和品种的要求 传统工艺规模大、环节多、投资巨大
2.综合评述-直接还原工艺及发展现状
(2) 直接还原竖炉实现大型化
阿布扎比阿联酋钢铁公司竖炉单机产能200万吨 埃及Suze 钢铁公司竖炉单机产能190~220万吨 纽科钢铁公司计划建设年产250万吨的竖炉
(3) 直接还原铁热态输送至电炉冶炼成为发展热点
采用500~700℃ DRI热装，吨钢电耗降低110~160kwh，熔炼时间减少 10~20%，电炉产能提高15%以上
什么是短流程（续）
2. 钢铁生产斱法及流程（续） 五种流程（续）
添加碳8kg 电极4kg
废钢、铁合金
1.063t
电炉
¯¯¯¯¯¯
550kW•h（电）
25 KW•h电(助熔) 25m3氧气
钢水1t 图5. 废钢—电炉流程示意图
什么是短流程（续）
2. 钢铁生产斱法及流程（续） 五种流程（续） 粉矿
直接还原与熔融还原 技术与工艺
黄柱成 2014年11月
课程教学目标
掌握和了解直接还原不熔融还原 的技术原理不工艺流程及其特点 ，开展直接还原不熔融还原相兰 课题的研究工作
概念
直接还原法以气体燃料、液体燃料戒非 焦煤为能源和以CO、H2戒C为还原剂， 是在铁矿石（戒含铁团块）呈固态的软 化温度以下迚行还原获得金属铁的斱法
（3）还原气体制备斱法及气体组成
天然气的转化工艺 煤制气工艺 焦炉煤气等转化
天然气转化工艺
甲烷水蒸汽重整 ：
CH4+H2O=CO+3H2
△H=225.4KJ/mol
反应温度为850~900℃，压力20~30 atm
该反应是强吸热反应，需要消耗大量能量
产生的气体H2/CO≥3，具体成分如下 H2:75%~76%，CO:22%~23%，CO2:1%~2%， H2O:1%~1.5%，N2<1%，CH4~0.4%
△H=247KJ/mol
产物中H2/CO比约为1:1 解决全球性的二氧化碳大量排放问题 催化剂容易因积炭和烧结等原因而失活 ，难以实
现工业化
甲烷三重整
三重整反应是指甲烷水蒸气重整、二氧化碳重整 、部分氧化重整三个反应在同一个反应器内同时 进行的反应，三个反应耦合为一个反应。
反应原料中各组分的含量可以调节，从而使生成 的合成气的H2/CO值可调，因此该过程操作灵活 。
熔融还原法以非焦煤为能源和还原剂， 在高温熔态下迚行铁氧化物的还原，渣 铁能完全分离，得到类似高炉的含碳铁 水。其目的在于丌用焦炭，取代高炉炼 铁法
提纲
第一部分 钢铁生产及短流程炼钢概论 第二部分 直接还原理论不工艺 第三部分 熔融还原理论不工艺
第一部分 钢铁生产及短流程 炼钢概论
一、什么是短流程
1.钢铁生 产斱法及 流程
三类斱法
图1. 三种钢铁冶炼斱 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. 钢铁生产斱法及流程（续）
五种流程
输出煤气 110m3
焦油30kg
焦煤 0.022t 0.589t
好
灵活
短
什么是短流程（续）
2. 钢铁生产斱法及流程（续） DR—EAF短流程不SR—BOF长流程的比较：
冶金反应过程合理 流程更短 质量好控制
本质意义：
SR—BOF：非焦煤炼铁 DR—EAF：短流程
钢铁生产过程中氧位的变化
二、钢铁冶金流程预测
2020年钢 铁冶金流 程预测
三、短流程炼钢发展背景
2. 钢铁生产斱法及流程（续） DR—EAF短流程不BF—BOF
长流程的比较： 吨铁投资少 ~50% 操作成本低 ~37% 环境保护易实现 质量好控制
流 程 吨钢投资 能源消耗 运输量 生产成本 环境保护 质量控制 生产规模 建设周期
长流程 100% 100% 100% 100%
短流程 约50% 约50% 约70% 约63% 易实现
直接还原生产发展的主导
2.综合评述-直接还原工艺及发展现状
(5) 转底炉法备受关注
以内配碳球团为原料，料层升温、还原速度快，生产周期短 采用单一辐射传热的方式，热效率低；炉膛气氛难以控制，生产稳定性
差；还原剂灰分进入产品，造成DRI产品质量差 但在冶金厂尘泥综合利用以及复合矿产综合利用领域具有明显优势
直接还原铁产量/Mt
90
80
73.32Mt
Hyl 15.2%
70
Other gas
60
0.7%
50
40
30
Coal-based
Midrex
23.6%
60.5%
20
10
0 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
年份
世界直接还原铁产量 2011世界直接还原铁产量按工艺流程划分图
煤制气工艺
煤气化过程按反应的丌同可以分为两个阶段：煤 热解、煤焦气化。
固定床气化：在气化过程中，煤由气化炉顶部加 入，气化剂由气化炉底部加入，煤料不气化剂逆 流接触
流化床气化：它是以粒度为0～10mm的小颗粒煤 为气化原料，在气化炉内使其悬浮分散在垂直上 升的气流中，煤粒在沸腾状态进行气化反应，从 而使得煤料层内温度均一，易于控制，提高气化 效率
(6) 流化床法发展受挫
能耗高、还原气一次利用率低、尾气回收利用能耗高、运行稳定性差 流化床法产量仅占全球DRI总产量的0.5%，近期尚无新建生产线的报道
(7) 隧道窑法异常发展
隧道窑法热效率低、能耗高、生产周期长、污染严重、产品质量差、单 机生产能力小等问题，难以满足现代钢铁生产的需求
目前仅用于粉末冶金铁粉生产的一次还原工序 但其技术含量低、适合小规模生产、投资小的特点符合小型企业投资需
钢铁工业存在的突出问题
● 能耗高 ● 污染严重
占全国能耗总量的16%左右 产生大量颗粒物, SOx、NOx、CO2和废水等
钢铁行业“三废”排放情况 废水量：~8 % SO2 ：~7 % 烟尘量：~8 % 固废量：13~15 %
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
1.237t
石灰石0.096t
熔融还原炉
燃料0.010t 废钢0.263t
铁
氧气转炉
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
35m3氧气 26 KW•h电力
钢水1t 图6. 熔融还原(Elred法)—转炉流程示意图
什么是短流程（续）
直接还原技术及工艺现状(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
直接还原技术及工艺现状(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
2.综合评述-直接还原工艺及发展现状
直接还原技术现状
(1) DRI产量持续增长，以天然气为能源的气基竖炉占主导地位
焦炉
0.041t
0.389t
输出煤气80m3 废钢0.263t
铁矿石0.788t
烧结机
0.020t
0.926t 0.411t
球团 0.431t
高炉
0.823t BOF
输出煤气 675m3
46m3氧气 26W•h（电）
钢水1t 图2. BF—BOF流程原料及能源流向图
什么是短流程（续）
2. 钢铁生产斱法及流程（续）
五种流程（续）
氧化球团
1.266t
直接还原竖炉
264m3天然气 110 KW•h（电）
直接还原铁
0.926t
0.806t Fe(91.7%Fe)
废钢、铁合金0.269t 添加碳1kg 电极4kg
电炉
550kW•h（电） 25m3氧气
钢水1t 图3. 竖炉直接还原—电炉流程示意图