直接还原铁技术

直接还原铁技术

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。这种工艺是不用焦碳炼铁，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%以上的直接还原铁产量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，高炉炼铁生产工艺将在较长时间内仍将占有主导地位。1．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，所以要求的质量要高（包括化学成份和物理性能），且希望其产品质量要均匀、稳定。

1．1 化学成份

直接还原铁的含铁量应大于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。

1．2 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/cm²。

2．直接还原铁产生工艺技术介绍

2．1 竖炉法

气基竖炉法MIDREX、HYL法直接还原铁产生中占有绝对优势，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）等优点。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CO2 4%～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，还原反映加速，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。产品典型成分如下：

产品化学成分（%）

工艺/成分Tfe ηFe SiO2 Al2O3 CaO MgO C P S

Midrex 91-93 92-95 2.0-5.5 0.5-1.5 0.2-1.6 0.3-1.1 0.7-2.5 0.07 0.01 -0.03

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＞2450 N/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10 t /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，加速还原发应；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9 0.9%、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10.43-11.2 GJ/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112kW·h，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。

2．2 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，埃及建的第三套，年能力115万吨。该工艺的优点成本低、质量好。

（1）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休床。Circored是用天然气为能源，Circofer以煤为能源。铁精矿粉是经过预热后（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）。