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直接還原鐵技術直接還原鐵技術直接還原鐵是鐵礦在固態條件下直接還原為鐵，可以用來作為冶煉優質鋼、特殊鋼的純凈原料，也可作為鑄造、鐵合金、粉末冶金等工藝的含鐵原料。這種工藝是不用焦碳煉鐵，原料也是使用冷壓球團不用燒結礦，所以是一種優質、低耗、低污染的煉鐵新工藝，也是全世界鋼鐵冶金的前沿技術之一。 直接還原煉鐵工藝有氣基法和煤基法兩種，按主體設備可分為豎爐法、回轉窯法、轉底爐法、反應罐法、罐式爐法和流化床法等。目前，世界上90%以上的直接還原鐵產量是用氣基法生產出來的。但是天然氣資源有限、價高，使生產量增長不快。用煤作還原劑在技術上也已過關，可以用塊礦，球團礦或粉礦作鐵原料（如豎爐、流化床、轉底爐和回轉窯等）。但是，因為要求原燃料條件高（礦石品位要大于66%，含SiO2+Al2O3雜質要小于3%，煤中灰分要低等），規模小，設備壽命低，生產成本高和某些技術問題等原因，致使直接還原鐵生產在全世界沒有得到迅速發展。因此，高爐煉鐵生產工藝將在較長時間內仍將占有主導地位。 1． 直接還原鐵的質量要求 直接還原鐵是電爐冶煉優質鋼種的好原料，所以要求的質量要高（包括化學成份和物理性能），且希望其產品質量要均勻、穩定。 1．1 化學成份 直接還原鐵的含鐵量應大于90%，金屬化率要＞90%。含SiO2每升高1%，要多加2%的石灰，渣量增加30Kg/t，電爐多耗電18.5kwh。所以，要求直接還原鐵所用原料含鐵品位要高：赤鐵礦應＞66.5%，磁鐵礦＞67.5%，脈石（SiO2+Al2O3）量＜3%～5%。直接還原鐵的金屬化率每提高1%，可以節約能耗8～10度電/t。直接還原鐵含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 回轉窯、豎爐、旋轉床等工藝生產的直接還原鐵是以球團礦為原料，要求粒度在5～30mm。隧道窯工藝生產的還原鐵大多數是瓦片狀或棒狀，長度為250～380mm，堆密度在1.7～2.0t/m3。 生產過程中產生的3～5mm磁性粉料，必須進行壓塊，才能用于煉鋼。強度：取決于生產工藝方法、原料性能和還原溫度。改進原料性能和提高溫度有利于提高產品強度。產品強度一般＞500N/cm2。 2． 直接還原鐵產生工藝技術介紹 2．1 豎爐法 氣基豎爐法MIDREX、HYL法直接還原鐵產生中占有絕對優勢，該工藝技術成熟、設備可靠，單位投資少，生產率高（容積利用系數可達8～12t/m3·d），單爐產量大（最高達180萬t/年）等優點。經過不斷改進，其生產技術不斷完善，實現規�；a。 （1） MIDREX技術 Midrex法標準流程由還原氣制備和還原豎爐兩部分組成。 還原氣制備：將凈化后含CO與H2約70%的爐頂氣加壓送入混合室，與當量天然氣混合送入換熱器預熱，后進入1100℃左右有鎳基催化劑的反應管進行催化裂化反應，轉化成CO24%～36%、H260%～70%、CH43%～6%和870℃的還原氣。后從風口區吹入豎爐。 豎爐斷面呈圓形，分為預熱段、還原段和冷卻段。選用塊礦和球團礦原料，從爐頂加料管裝入，被上升的熱還原氣干燥、預熱、還原。隨著溫度升高，還原反映加速，爐料在800℃以上的還原段停留4～6小時。新海綿鐵進入冷卻段完成終還原和滲碳反應，同時被自下而上通入的冷卻氣冷卻至＜100℃。還原鐵的排出速度用出鐵器調節。產品典型成分如下： 產品化學成分（%） 工藝/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 工藝多用球團和塊礦混合爐料。球團粒度9-16mm占95%，球團冷壓強度＞2450N/球，塊礦粒度10～35mm占85%；要有高軟化溫度和中等還原性；化學成分鐵量要高，酸性脈石低（≯3%-5%），CaO＜2.5%，MgO＜1.0%，TiO＜0.15%，S＜0.008%。為放寬對礦石含硫要求，Midrex法改用凈化爐頂氣作冷卻氣。在冷卻海綿鐵的同時被熱海綿鐵脫硫，從冷卻段排出后再作為裂化劑，可容許用含硫0.02%礦石。 現今Midrex法作業指標為：產品金屬化率86%～96%，有效容積利用系數10 t/m3·d，能耗10.47GJ/t，電114kWh/t，水1.64m3/t。 Arex法是Midrex法的新改進，天然氣被氧氣（或空氣）部分氧化后送入豎爐，利用新生熱海綿鐵催化裂化，省去了還原氣重整爐。改進后噸鐵電耗可降低50Kwh。 （2） HYL（罐式）法與HYL-Ⅲ（豎爐）法。 HYL法由4座罐式反應爐和1座還原氣重整爐構成。該工藝作業穩定、設備可靠。產品含碳2%左右，不易再氧化，不發生爐料粘結；只因還原氣要反復冷卻、加熱，系統熱效率低，能耗偏高，氣體消耗為20.93GJ/t；1975年后再沒建新廠。 對HYL罐式法作出改革，保留原還原制備工藝，但將還原氣重整轉化與氣體加熱合一；4個罐式反應爐改為連續式豎爐，稱HYL-Ⅲ豎爐法。 該工藝采用高氫還原氣，高還原溫度（900-960℃）和0.4-0.6MPa高壓作業。改善還原動力學，加速還原發應；含硫氣不通過重整爐，延長了催化劑和催化管使用壽命；還原和冷卻作業分別控制，能對產品金屬化率和含碳量進行大范圍調節，產品平均金屬化率90.9%、控制碳量1.5%-3.0%，質量穩定；配置CO2吸收塔，選擇性地脫除還原氣中H2O和CO2，提高還原氣利用率；重整爐產生高壓蒸汽發電。最低生產能耗為10.43-11.2 GJ/t，電耗90kWh/t。HYL（罐式）法已逐漸被HYL-Ⅲ（豎爐）法取代，合計產量占世界總產量的25%左右。 該法的新改進是天然氣進入反應器直接裂解，生產高碳（3.8%）DRI產品。最近又推出HYL-Hytemp生產系統。將熱還原鐵（650℃）氣力輸送到電爐車間，噴入電爐。冶煉時間縮短，電極和耐火材料消耗降低，金屬收率提高。噸鋼電耗降低112kW·h，電極消耗降低0.55kg，冶煉時間縮短16min，產率提高16%，噸鋼成本可降低4.6美元。 2．2 氣基流化工藝 （1）F1NMEF工藝 該工藝使用<12mm粒度礦粉（脈石<3%，低硅高鐵），在流化床上干燥，被加熱到100℃，送入反應器結構頂端的閉鎖料斗系統中，加壓1.1MPa后，通過4個串聯液化床反應器，鐵粉在重力作用下從上方反應器向下流動，與作為還原劑的重整天然氣逆向而行。產品含鐵92%，金屬化率92%~95%，含碳0.5%~3.0%，以FeC形式存在�，F世界上已有三套這種裝置，1999年奧鋼聯建第一套，第二套在西澳BNP公司，能力250萬噸/年，埃及建的第三套，年能力115萬噸。該工藝的優點成本低、質量好。 （1） Circored和Circofer工藝 兩種工藝核心設備都包括一座循環液化床和一座普通流休床。Circored是用天然氣為能源，Circofer以煤為能源。鐵精礦粉是經過預熱后（約900℃）進入循環流化床參加反應，使動力學條件得到改善，在4個大氣壓條件下，鐵礦與氫在630℃時可被還原（在氣體環路中加入部分氫）。 2．3轉底爐法 將鐵礦粉、鋼鐵廠含鐵粉塵、煤粉和粘結劑按一定比例混合，壓制成含碳球團礦，送入烘干機內進行烘干，脫除水份。將干燥的含碳球團均勻地鋪在轉底爐上（只鋪一層），在高溫1200～1400℃下球團礦內氧化鐵與碳反應，放出CO，在爐膛內燃燒成CO2，并形成高溫廢氣（在1000℃以上）。一般反應只要20分鐘左右。 將廢氣收引出預熱煤氣（400℃）和助燃空氣（900℃），低溫廢氣從蓄熱室和換熱器引出，再去烘干生球團。這時廢氣溫度在100℃左右。從節能角度看，能源利用效率較高。轉底爐的高溫氣體由燃燒器來提供（使用煤氣加熱）。 轉底爐可以處理含Zn、Pb高粉塵，可以避免配入燒結礦中后，在高爐冶煉過程中Zn、Pb的富集造成的負面影響。 目前的山西翼城，河南鞏義已有外徑為16.3米的轉底爐，年產量在7萬噸，金屬化率達85%，每噸鐵投資為182元。 2．4開發利用焦爐煤氣，對含碳球團在豎爐內進行直接還原。焦爐煤氣含55%左右的氫。在化學反應中，氫對氧化鐵的還原率是最高的。目前，首鋼準備開展這方面的工作。焦爐煤氣要進行裂解，提高H2的含量，并要預熱到930～950℃，在參與還原反應，反應后氣體要脫除CO2，再循環利用。 用氫作還原劑存在的主要技術問題： ▪ H2還原鐵的其它氧化物都是吸熱反應，需要充足的熱。在滿足還原和供熱的煤氣的最佳H2含量為32.05%。 ▪ 富氫預還原會導致物料的粉結。采取分段供應富氫和非富氫供氣制度。 3． 直接還原鐵發展現狀 3．1 全世界直接還原鐵發展比較快，2003年產量為4960萬噸，2004年為5460萬噸，2005年約為6000萬噸。年增長率在10%以上。在直接還原鐵生產工藝中，氣基直接還原占92%。 表1 各種直接還原鐵生產所占比例 單位：% 年 MIDREX HYLⅢ HYLⅠ Finmet 其他煤基 其他氣基 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年委內瑞拉產量783萬噸，印度937萬噸，墨西哥654萬噸，伊朗641萬噸，俄羅斯314萬噸，沙特341萬噸，特立尼達和多哥236萬噸，中國為43萬噸。 3．2 中國情況 2005年中國生產直接還原鐵為約50噸，而生產能為比產量要高出20%。主要是技術、原料、成本等因素影響。 全國現有30多個直接還原鐵企業，其總生產能力約60萬噸�？傮w上講，規模小，生產成本高，缺少高品質的原料。多數企業用隧道窯反應罐法，生產工藝落后，能耗高，環境污染嚴重。 （1） 天津直按還原鐵廠生產實踐 2004年產直接還原鐵33.2萬噸，2005年約產34萬噸，設備作業率在98%以上。 該廠是采用DRC法煤基直接還原生產工藝：兩條φ5X80ｍ回轉窯----冷卻筒----產品分選----成品。 使用巴西球團礦（含鐵品位68%，SiO2+Al2O3約為2%）適宜配入煤和石灰石，進行混均，從回轉窯給料端加入。窯體是傾斜安裝，慢速旋轉，使爐料朝卸料端運動，同時，礦石被加熱和還原（注意溫度控制在不要使脈石熔融，以免結圈）。煤作為熱源和還原劑，一部分隨鐵礦石同時加入，另一部分從窯的卸料端噴入窯內。供煤所燃燒的空氣，通過沿窯長度方向安裝在窯殼上不同位置的風機由軸向吹入窯內。熱的還原產品經過冷卻筒冷卻，然后篩分、磁選及風選，分離出非磁性物，得到成品。來自窯內的煙氣經余熱鍋爐回收余熱（產生蒸汽），廢氣經布袋除塵，用廢氣風機送入煙囪。 操作的技術關鍵： ▪ 保證窯內還原氣氛，控制好風量 ▪ 控制好窯體內各部分的適宜溫度，不讓脈石熔融 ▪ 窯的卸料端保持微正壓，20~30Ｐａ 控制直接還原鐵金屬化率在91.1%～94.6%，質量合格率在94%，是最經濟的指標。金屬化率高和低，均會造成回轉窯和電爐煉鋼指標的惡化。（煉鋼過程加入直接還原鐵比例最好控制在15%～35%，并要控制好料流加入速度32～34Kg/兆瓦▪分，以免出現鋼水的沸騰現象以及噴濺）。 影響產品金屬化率的因素是：頻繁停窯、非正常條件下生產（難以調控），窯和冷卻筒密封性不良、煤的成份波動和質量控制點選擇不當。 （2）首鋼密云冶金礦山公司煤基鏈篦機─ 回轉窯 ─ 一步法 該公司直按還原鐵年生產能力6.20萬噸， ▪ 生產工藝：配料 ─ 造球 ─ 干燥（鏈篦機）─ 回轉窯（還原）─ 冷卻 ─ 成品。 ▪ 鐵精礦水份嚴格控制在5.5%～6.5%。 ▪ 造球配皂土（粘結劑）0.8%～1.0%，臺時產量20±2噸。 ▪ 鏈篦機帶速為0.5m/min，布料厚度100～120ｍｍ。 生球抗壓強度≧1.2Kg/個，落下強度≧5次/0.5ｍ，水份控制在7.5%左右，粒度6～16mm占85%以上。 ▪ 回轉窯及熱工系統操作 窯頭噴煤總量在7.0±0.5噸/小時，精煤槍壓力控制在60KPa，細煤槍壓力控制10～14KPa。 窯尾加煤控制在800±50Kg/h，嚴禁窯尾煤量過值。 窯溫控制：窯頭箱<980℃， 1、2、3號電偶控制在1000～1040℃，短時溫度不得超過1060℃； 4、5、6號電偶控制在1000±20℃； 7、8、9號電偶控制在950～1000℃； 冷煙室溫度控制在700℃以下。 鏈篦機預熱段溫度控制在850～920℃ 過渡段溫度控制在550～650℃ 干燥段溫度控制在250～350℃ 1、2號風箱溫度不得低于600℃ 回轉窯電機轉速控制在400～440轉/分，主風機的回熱風閥門開度45%～50%，轉速800～850轉/分，回熱風機入口負壓780±20KPa，溫度310～350℃。干燥風機閥門開度65%～70%，轉速800～850轉/分。 產品質量標準的廠標是：鐵品位≧88%，S≦0.04%，金屬化率>90%。 (3)山東萊蕪魯中冶金礦山公司直接還原鐵廠用冷固球團----回轉窯工藝生產直接還原鐵，年生產能力5萬噸。后改為塊礦回轉窯法。 ▪ 福建大田海綿鐵公司用sic反應罐----隧道窯法生產直能力5萬噸/年。 ▪ 喀左海綿鐵廠、哈爾濱市海綿鐵廠、吉林復森海綿鐵公司、吉林樺甸海綿鐵廠等也具備了年生產能力2.5萬噸。
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