直接還原鐵技術(shù)

直接還原鐵是鐵礦在固態(tài)條件下直接還原為鐵，可以用來(lái)作為冶煉優(yōu)質(zhì)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(tuán)不用燒結(jié)礦，所以是一種優(yōu)質(zhì)、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(shù)之一。

直接還原煉鐵工藝有氣基法和煤基法兩種，按主體設(shè)備可分為豎爐法、回轉(zhuǎn)窯法、轉(zhuǎn)底爐法、反應(yīng)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(chǎn)量是用氣基法生產(chǎn)出來(lái)的。但是天然氣資源有限、價(jià)高，使生產(chǎn)量增長(zhǎng)不快。用煤作還原劑在技術(shù)上也已過(guò)關(guān)，可以用塊礦，球團(tuán)礦或粉礦作鐵原料（如豎爐、流化床、轉(zhuǎn)底爐和回轉(zhuǎn)窯等）。但是，因?yàn)橐�求原燃料條件高（礦石品位要大于66%，含SiO2+Al2O3雜質(zhì)要小于3%，煤中灰分要低等），規(guī)模小，設(shè)備壽命低，生產(chǎn)成本高和某些技術(shù)問(wèn)題等原因，致使直接還原鐵生產(chǎn)在全世界沒(méi)有得到迅速發(fā)展。因此，高爐煉鐵生產(chǎn)工藝將在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍將占有主導(dǎo)地位。

1． 直接還原鐵的質(zhì)量要求

直接還原鐵是電爐冶煉優(yōu)質(zhì)鋼種的好原料，所以要求的質(zhì)量要高（包括化學(xué)成份和物理性能），且希望其產(chǎn)品質(zhì)量要均勻、穩(wěn)定。

1．1      化學(xué)成份

直接還原鐵的含鐵量應(yīng)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(yīng)＞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(jié)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(zhuǎn)窯、豎爐、旋轉(zhuǎn)床等工藝生產(chǎn)的直接還原鐵是以球團(tuán)礦為原料，要求粒度在5～30mm。隧道窯工藝生產(chǎn)的還原鐵大多數(shù)是瓦片狀或棒狀，長(zhǎng)度為250～380mm，堆密度在1.7～2.0t/m3。

生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的3～5mm磁性粉料，必須進(jìn)行壓塊，才能用于煉鋼。強(qiáng)度：取決于生產(chǎn)工藝方法、原料性能和還原溫度。改進(jìn)原料性能和提高溫度有利于提高產(chǎn)品強(qiáng)度。產(chǎn)品強(qiáng)度一般＞500N/cm2。

2． 直接還原鐵產(chǎn)生工藝技術(shù)介紹

2．1      豎爐法

氣基豎爐法MIDREX、HYL法直接還原鐵產(chǎn)生中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，該工藝技術(shù)成熟、設(shè)備可靠，單位投資少，生產(chǎn)率高（容積利用系數(shù)可達(dá)8～12t/m3·d），單爐產(chǎn)量大（最高達(dá)180萬(wàn)t/年）等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，其生產(chǎn)技術(shù)不斷完善，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。

（1）    MIDREX技術(shù)

    Midrex法標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)量天然氣混合送入換熱器預(yù)熱，后進(jìn)入1100℃左右有鎳基催化劑的反應(yīng)管進(jìn)行催化裂化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成CO24%～36%、H260%～70%、CH43%～6%和870℃的還原氣。后從風(fēng)口區(qū)吹入豎爐。

豎爐斷面呈圓形，分為預(yù)熱段、還原段和冷卻段。選用塊礦和球團(tuán)礦原料，從爐頂加料管裝入，被上升的熱還原氣干燥、預(yù)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(shí)。新海綿鐵進(jìn)入冷卻段完成終還原和滲碳反應(yīng)，同時(shí)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(diào)節(jié)。產(chǎn)品典型成分如下：

產(chǎn)品化學(xué)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(tuán)和塊礦混合爐料。球團(tuán)粒度9-16mm占95%，球團(tuán)冷壓強(qiáng)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(xué)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(duì)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(shí)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(xiàn)今Midrex法作業(yè)指標(biāo)為：產(chǎn)品金屬化率86%～96%，有效容積利用系數(shù)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(jìn)，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(jìn)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(yīng)爐和1座還原氣重整爐構(gòu)成。該工藝作業(yè)穩(wěn)定、設(shè)備可靠。產(chǎn)品含碳2%左右，不易再氧化，不發(fā)生爐料粘結(jié)；只因還原氣要反復(fù)冷卻、加熱，系統(tǒng)熱效率低，能耗偏高，氣體消耗為20.93GJ/t；1975年后再?zèng)]建新廠。

            對(duì)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(zhuǎn)化與氣體加熱合一；4個(gè)罐式反應(yīng)爐改為連續(xù)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(yè)。改善還原動(dòng)力學(xué)，加速還原發(fā)應(yīng)；含硫氣不通過(guò)重整爐，延長(zhǎng)了催化劑和催化管使用壽命；還原和冷卻作業(yè)分別控制，能對(duì)產(chǎn)品金屬化率和含碳量進(jìn)行大范圍調(diào)節(jié)，產(chǎn)品平均金屬化率90.9%、控制碳量1.5%-3.0%，質(zhì)量穩(wěn)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(chǎn)生高壓蒸汽發(fā)電。最低生產(chǎn)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(jì)產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的25%左右。

            該法的新改進(jìn)是天然氣進(jìn)入反應(yīng)器直接裂解，生產(chǎn)高碳（3.8%）DRI產(chǎn)品。最近又推出HYL-Hytemp生產(chǎn)系統(tǒng)。將熱還原鐵（650℃）氣力輸送到電爐車間，噴入電爐。冶煉時(shí)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(shí)間縮短16min，產(chǎn)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(yīng)器結(jié)構(gòu)頂端的閉鎖料斗系統(tǒng)中，加壓1.1MPa后，通過(guò)4個(gè)串聯(lián)液化床反應(yīng)器，鐵粉在重力作用下從上方反應(yīng)器向下流動(dòng)，與作為還原劑的重整天然氣逆向而行。產(chǎn)品含鐵92%，金屬化率92%~95%，含碳0.5%~3.0%，以FeC形式存在�，F(xiàn)世界上已有三套這種裝置，1999年奧鋼聯(lián)建第一套，第二套在西澳BNP公司，能力250萬(wàn)噸/年，埃及建的第三套，年能力115萬(wàn)噸。該工藝的優(yōu)點(diǎn)成本低、質(zhì)量好。

（1）  Circored和Circofer工藝

兩種工藝核心設(shè)備都包括一座循環(huán)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(jīng)過(guò)預(yù)熱后（約900℃）進(jìn)入循環(huán)流化床參加反應(yīng)，使動(dòng)力學(xué)條件得到改善，在4個(gè)大氣壓條件下，鐵礦與氫在630℃時(shí)可被還原（在氣體環(huán)路中加入部分氫）。

2．3轉(zhuǎn)底爐法

        將鐵礦粉、鋼鐵廠含鐵粉塵、煤粉和粘結(jié)劑按一定比例混合，壓制成含碳球團(tuán)礦，送入烘干機(jī)內(nèi)進(jìn)行烘干，脫除水份。將干燥的含碳球團(tuán)均勻地鋪在轉(zhuǎn)底爐上（只鋪一層），在高溫1200～1400℃下球團(tuán)礦內(nèi)氧化鐵與碳反應(yīng)，放出CO，在爐膛內(nèi)燃燒成CO2，并形成高溫廢氣（在1000℃以上）。一般反應(yīng)只要20分鐘左右。

        將廢氣收引出預(yù)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(tuán)。這時(shí)廢氣溫度在100℃左右。從節(jié)能角度看，能源利用效率較高。轉(zhuǎn)底爐的高溫氣體由燃燒器來(lái)提供（使用煤氣加熱）。

        轉(zhuǎn)底爐可以處理含Zn、Pb高粉塵，可以避免配入燒結(jié)礦中后，在高爐冶煉過(guò)程中Zn、Pb的富集造成的負(fù)面影響。

        目前的山西翼城，河南鞏義已有外徑為16.3米的轉(zhuǎn)底爐，年產(chǎn)量在7萬(wàn)噸，金屬化率達(dá)85%，每噸鐵投資為182元。

2．4開發(fā)利用焦?fàn)t煤氣，對(duì)含碳球團(tuán)在豎爐內(nèi)進(jìn)行直接還原。焦?fàn)t煤氣含55%左右的氫。在化學(xué)反應(yīng)中，氫對(duì)氧化鐵的還原率是最高的。目前，首鋼準(zhǔn)備開展這方面的工作。焦?fàn)t煤氣要進(jìn)行裂解，提高H2的含量，并要預(yù)熱到930～950℃，在參與還原反應(yīng)，反應(yīng)后氣體要脫除CO2，再循環(huán)利用。

用氫作還原劑存在的主要技術(shù)問(wèn)題：

▪ H2還原鐵的其它氧化物都是吸熱反應(yīng)，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(yù)還原會(huì)導(dǎo)致物料的粉結(jié)。采取分段供應(yīng)富氫和非富氫供氣制度。

3． 直接還原鐵發(fā)展現(xiàn)狀

3．1      全世界直接還原鐵發(fā)展比較快，2003年產(chǎn)量為4960萬(wàn)噸，2004年為5460萬(wàn)噸，2005年約為6000萬(wàn)噸。年增長(zhǎng)率在10%以上。在直接還原鐵生產(chǎn)工藝中，氣基直接還原占92%。

表1  各種直接還原鐵生產(chǎn)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(nèi)瑞拉產(chǎn)量783萬(wàn)噸，印度937萬(wàn)噸，墨西哥654萬(wàn)噸，伊朗641萬(wàn)噸，俄羅斯314萬(wàn)噸，沙特341萬(wàn)噸，特立尼達(dá)和多哥236萬(wàn)噸，中國(guó)為43萬(wàn)噸。

3．2      中國(guó)情況

2005年中國(guó)生產(chǎn)直接還原鐵為約50噸，而生產(chǎn)能為比產(chǎn)量要高出20%。主要是技術(shù)、原料、成本等因素影響。

      全國(guó)現(xiàn)有30多個(gè)直接還原鐵企業(yè)，其總生產(chǎn)能力約60萬(wàn)噸�？傮w上講，規(guī)模小，生產(chǎn)成本高，缺少高品質(zhì)的原料。多數(shù)企業(yè)用隧道窯反應(yīng)罐法，生產(chǎn)工藝落后，能耗高，環(huán)境污染嚴(yán)重。

（1）                    天津直按還原鐵廠生產(chǎn)實(shí)踐

        2004年產(chǎn)直接還原鐵33.2萬(wàn)噸，2005年約產(chǎn)34萬(wàn)噸，設(shè)備作業(yè)率在98%以上。

        該廠是采用DRC法煤基直接還原生產(chǎn)工藝：兩條φ5X80ｍ回轉(zhuǎn)窯----冷卻筒----產(chǎn)品分選----成品。

        使用巴西球團(tuán)礦（含鐵品位68%，SiO2+Al2O3約為2%）適宜配入煤和石灰石，進(jìn)行混均，從回轉(zhuǎn)窯給料端加入。窯體是傾斜安裝，慢速旋轉(zhuǎn)，使?fàn)t料朝卸料端運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，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(jié)圈）。煤作為熱源和還原劑，一部分隨鐵礦石同時(shí)加入，另一部分從窯的卸料端噴入窯內(nèi)。供煤所燃燒的空氣，通過(guò)沿窯長(zhǎng)度方向安裝在窯殼上不同位置的風(fēng)機(jī)由軸向吹入窯內(nèi)。熱的還原產(chǎn)品經(jīng)過(guò)冷卻筒冷卻，然后篩分、磁選及風(fēng)選，分離出非磁性物，得到成品。來(lái)自窯內(nèi)的煙氣經(jīng)余熱鍋爐回收余熱（產(chǎn)生蒸汽），廢氣經(jīng)布袋除塵，用廢氣風(fēng)機(jī)送入煙囪。

    操作的技術(shù)關(guān)鍵：

      ▪ 保證窯內(nèi)還原氣氛，控制好風(fēng)量

      ▪ 控制好窯體內(nèi)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(zhì)量合格率在94%，是最經(jīng)濟(jì)的指標(biāo)。金屬化率高和低，均會(huì)造成回轉(zhuǎn)窯和電爐煉鋼指標(biāo)的惡化。（煉鋼過(guò)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(xiàn)鋼水的沸騰現(xiàn)象以及噴濺）。

影響產(chǎn)品金屬化率的因素是：頻繁停窯、非正常條件下生產(chǎn)（難以調(diào)控），窯和冷卻筒密封性不良、煤的成份波動(dòng)和質(zhì)量控制點(diǎn)選擇不當(dāng)。

（2）首鋼密云冶金礦山公司煤基鏈篦機(jī)─ 回轉(zhuǎn)窯 ─ 一步法

    該公司直按還原鐵年生產(chǎn)能力6.20萬(wàn)噸，

    ▪ 生產(chǎn)工藝：配料 ─ 造球 ─ 干燥（鏈篦機(jī)）─ 回轉(zhuǎn)窯（還原）─ 冷卻 ─ 成品。

    ▪ 鐵精礦水份嚴(yán)格控制在5.5%～6.5%。

    ▪ 造球配皂土（粘結(jié)劑）0.8%～1.0%，臺(tái)時(shí)產(chǎn)量20±2噸。

    ▪ 鏈篦機(jī)帶速為0.5m/min，布料厚度100～120ｍｍ。

  生球抗壓強(qiáng)度≧1.2Kg/個(gè)，落下強(qiáng)度≧5次/0.5ｍ，水份控制在7.5%左右，粒度6～16mm占85%以上。

    ▪ 回轉(zhuǎn)窯及熱工系統(tǒng)操作

    窯頭噴煤總量在7.0±0.5噸/小時(shí)，精煤槍壓力控制在60KPa，細(xì)煤槍壓力控制10～14KPa。

    窯尾加煤控制在800±50Kg/h，嚴(yán)禁窯尾煤量過(guò)值。

    窯溫控制：窯頭箱<980℃，

            1、2、3號(hào)電偶控制在1000～1040℃，短時(shí)溫度不得超過(guò)1060℃；

            4、5、6號(hào)電偶控制在1000±20℃；

            7、8、9號(hào)電偶控制在950～1000℃；

    冷煙室溫度控制在700℃以下。

    鏈篦機(jī)預(yù)熱段溫度控制在850～920℃

          過(guò)渡段溫度控制在550～650℃

          干燥段溫度控制在250～350℃

          1、2號(hào)風(fēng)箱溫度不得低于600℃

      回轉(zhuǎn)窯電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在400～440轉(zhuǎn)/分，主風(fēng)機(jī)的回?zé)犸L(fēng)閥門開度45%～50%，轉(zhuǎn)速800～850轉(zhuǎn)/分，回?zé)犸L(fēng)機(jī)入口負(fù)壓780±20KPa，溫度310～350℃。干燥風(fēng)機(jī)閥門開度65%～70%，轉(zhuǎn)速800～850轉(zhuǎn)/分。

      產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的廠標(biāo)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(tuán)----回轉(zhuǎn)窯工藝生產(chǎn)直接還原鐵，年生產(chǎn)能力5萬(wàn)噸。后改為塊礦回轉(zhuǎn)窯法。

    ▪ 福建大田海綿鐵公司用sic反應(yīng)罐----隧道窯法生產(chǎn)直能力5萬(wàn)噸/年。

    ▪ 喀左海綿鐵廠、哈爾濱市海綿鐵廠、吉林復(fù)森海綿鐵公司、吉林樺甸海綿鐵廠等也具備了年生產(chǎn)能力2.5萬(wàn)噸。

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