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）。

2．3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，脱除水份。

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Z n、Pb的富集造成的负面影响。

目前的山西翼城，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。

2．4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℃，在参与还原反应，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：
▪ 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%。

▪ 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。

3．直接还原铁发展现状
3．1 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1 各种直接还原铁生产所占比例单位：%
年MIDREX HYLⅢHYLⅠFinmet 其他煤基其他气基
2003 64.60 18.40 1.30 5.20 10.20 0.40
2004 64.10 18.90 1.90 2.90 12.10 0.10
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，特立尼达和多哥236万吨，中国为43万吨。

3．2 中国情况
2005年中国生产直接还原铁为约50吨，而生产能为比产量要高出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，其总生产能力约60万吨。

总体上讲，规模小，生产成本高，缺少高品质的原料。

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）天津直按还原铁厂生产实践
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。

该厂是采用DRC法煤基直接还原生产工艺：两条φ5X80ｍ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，进行混均，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（注意温度控制在不要使脉石熔融，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、煤的成份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
该公司直按还原铁年生产能力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。

▪ 铁精矿水份严格控制在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，水份控制在7.5%左右，粒度6～1 6mm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10～14 KPa。

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6 5%～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能力2.5万吨。