5.1概述5.2直接復原法5.3熔融復原法§2.9

非高爐煉鐵方法簡介

一概述(1)非高爐煉鐵法定義指除高爐煉鐵以外的其它復原鐵礦石的方法。

當前非高爐煉鐵法可歸納為兩大類：直接復原法和熔融復原法。

A.直接復原法：指在低于鐵礦石熔化溫度條件下把鐵礦石復原成海綿鐵的煉鐵生產過程。直接復原所得的產品及其特點：產品為海綿鐵。這種海綿鐵未經熔化仍保持礦石外形；多孔，在顯微鏡下觀察形似海綿；成分上含碳低、不含硅錳等元素，還保持了礦石中的脈石。海綿鐵不能大規模用于轉爐煉鋼，只適于代替廢鋼作為電爐煉鋼原料。B.熔融復原法：指一切不用高爐冶煉由鐵礦石冶煉成液態生鐵的方法。熔融復原產品特點：是一種與高爐鐵水相似的高碳鐵水，適于作氧氣轉爐煉鋼的原料。(2)非高爐煉鐵法的開展近年來非高爐煉鐵法開展比較快，其原因是：A、不用焦炭煉鐵。高爐冶煉需要冶金焦，焦煤日漸短缺，價格高。非高爐煉鐵可以使用非焦煤和其它能源作燃料與復原劑。B、隨著鋼鐵工業的開展，廢鋼消耗量迅速增加，廢鋼供用量日漸緊張，非高爐生產的海綿鐵、粒鐵等是廢鋼的極好代用品。C、省去了煉焦設備，總的基建費用比高爐煉鐵法少。鋼鐵生產的傳統流程：由高爐煉鐵－轉爐煉鋼或廢鋼－電爐煉鋼。新流程：熔融復原煉鐵－轉爐煉鋼或直接復原－電爐煉鋼。目前，在我國開展直接復原存在重大障礙。新流程存在的問題：直接復原受到很多因素的限制，例如最成熟的直接復原法〔豎爐及反響罐〕都使用天然氣作一次能源，自然界中天然氣普遍短缺，而用煤碳作能源生產的海綿鐵本錢較高，產量低，生產效率也較低，還有很多技術問題等待解決。應用直接復原－電爐流程生產一噸成品鋼總計消耗電600～1000kW·h。此外，直接復原需要高品位的精礦。〔3〕非高爐煉鐵產品用途：A.作煉鋼原料。主要代替電爐廢鋼，也可用于轉爐；B.高爐原料；C.制成鐵粉。鐵粉可用于粉末冶金或用作電焊條的原料等。

〔4〕非高爐煉鐵的方法及分類Ａ、按所得產品進行分類：直接復原法和熔融復原法兩大類。Ｂ、按復原裝置進行分類：固定床法、回轉爐法、豎爐法和流化床法等。Ｃ、按復原劑進行分類：固體復原劑法、氣體復原劑法等。Ｄ、按生產方式分類：預復原法、直接煉鋼法、熔融復原法、原子能煉鐵法等。直接復原煉鐵法已有百余年的歷史，先后提出各種不同的工藝方法400余種，但是真正成為工業生產方法的只有少數幾種，而且是到20世紀60年代才有重大突破，這是因為：〔1〕冶金焦的價格大幅度上漲，而石油、天然氣大量開發使用，特別是高效率天然氣轉化法的應用，提供了直接復原煉鐵法需要的復原煤氣，解決能源的來源和價格問題。〔2〕電爐煉鋼迅速開展，超高功率新技術的應用使電爐煉鋼得到高速開展，合格的廢鋼供給缺乏，大大擴展了直接復原鐵的需求。5.2直接復原法〔3〕廢鋼〔多數是從社會收集的廢鋼〕中往往含有某些對鋼性能不利的有色金屬，如銅、錫、砷、鉛等，無論用氧化熔煉或復原熔煉都無法去除它們。而隨著廢鋼的循環利用，它們在鋼中的含量會越積越多。因而需要參加直接復原鐵來稀釋它們。〔4〕選礦技術的提高，擴大了直接復原煉鐵法的礦石資源。原來只能使用雜質少且品位高的天然富礦，現在高品位鐵精礦粉制造的球團礦，其脈石含量可以降低到不需要在復原生產中脫除，使直接復原技術簡化，而且產量提高。直接復原技術根據復原劑不同可分為氣基直接復原和煤基直接復原。直接復原鐵生產大多采用天然氣為能源，其產量占總產量的90%以上。氣基直接復原設備對環境污染小、耗水量少、噪音小、產生的CO2也比用煤作復原劑少得多，所以具有很強的競爭力和開展潛力。煤基直接復原法生產的直接復原鐵占總產量的比例小，產量逐年增長，但增長緩慢。一氣基直接復原技術①Midrex法Midrex法是氣基直接復原鐵生產技術的主導工藝，該工藝由MidlandRoss公司開發，目前已開展成為占直接復原鐵市場60％以上的主要方法，其工藝流程如圖1所示。復原氣使用天然氣經催化裂化制取，裂化劑采用爐頂煤氣。球團或塊礦在豎爐內被天然氣復原，生成DRI。由于該工藝要求有充裕的天然氣，且生產指標較高，因此在天然氣富裕的地區可適當開展。圖1Midrex法工藝流程在豎爐中爐料與煤氣逆向運動，下降的爐料逐步被煤氣加熱復原，傳熱、傳質效率高。由于工藝較成熟，是當前開展最快的一種直接復原生產海綿鐵的方法。它由供料系統、復原豎爐、煙氣處理、天然氣重整爐組成。復原反響器系逆流移動床—豎爐。它分成上下兩局部，上部進行復原，下部進行冷卻。氧化球團礦自爐頂參加豎爐后，依次經過預熱、復原及冷卻，復原得到海綿鐵，冷卻至50℃左右排出爐外。復原煤氣用天然氣及豎爐爐頂煤氣在換熱器經催化劑裂化而得。優點：生產率很高，能耗較低〔約為7.88×105kJ/t；其產量約占直接復原法產量的55％以上。天然氣進入轉化爐內，在鎳基觸媒的催化下，通過天然氣裂化反響將其轉化成煤氣和氫氣。CH4＋H2O→CO＋3H2(天然氣裂化反響)復原氣入爐時溫度為750～900℃，送入距豎爐頂部2/3處的復原帶。爐料在爐內停留約6小時，含鐵礦石被CO和H2復原，被復原的海綿鐵的金屬鐵含量在92%以上。然后海綿鐵進入下部沒有磚襯的冷卻帶，用專門的冷卻氣或爐頂氣冷卻，冷卻到30℃時排出爐外，可保證海綿鐵在大氣中不再氧化，細碎的產品可壓制成塊存放，供電爐熔煉使用。直接復原后的廢氣中仍含有大量的CO和H2〔約占70%〕，通過洗滌器從新返回到重整爐，然后進入豎爐循環使用。反響方程式為；Fe2O3＋3H2→2Fe＋3H2OFe2O3＋3CO→2Fe＋3CO2Midrex法具有工藝成熟、操作簡單、生產率高、熱耗低、產品質量高等優點，因此在直接復原工藝中占統治地位。但是Midrex也存在一定的局限性，首先是它要求有豐富的天然氣資源作保障；其次Midrex的反響溫度低，反響速度較慢，爐料在復原帶大約停留6h，在整個爐內停留時間在10h左右。

另外Midrex法要求鐵礦石粒度適宜且均勻，粒度過大會影響CO和H2的擴散使反響速度降低；粒度過小，透氣性差，復原氣分布不均勻，一般小于5mm粉末的含量不能大于5％。同時對于鐵礦石的品位要求也高，這是直接復原生產海綿鐵的通病，對于礦石中的S和Ti的含量要求很嚴。

由于使用塊礦或球團，生產能力相對較低，為了提高氣基豎爐流程的生產能力，Midrex最近在豎爐中吹入少量氧氣來提高復原氣體及爐料的溫度研究說明：將料溫從789℃提高到898℃，豎爐的生產能力提高了50％。②HYL法和HYL-III法

HYL法采用KELLOG蒸汽轉化制氣技術，其工藝流程如圖2所示。原料天然氣首先用活性炭脫硫，然后與過量水蒸汽混合，在85％下進行催化裂化反響。反響罐組由4個反響罐組成。罐頂設有裝料口，罐底設有卸料口。反響罐之間有一套復雜的復原氣管路相連接。圖2HYL法工藝流程復原氣排出冷卻管后，首先經過冷卻脫水，然后進入復原氣預熱器進行加熱。高溫復原氣通入主復原罐，將經過預熱和預復原的礦石復原成海綿鐵。HYL法使用塊礦爐料，以球團礦和天然塊礦為佳。由于豎爐工藝原理被普遍接受，1979年，HYLSA將一套HYL法裝置改造成連續性豎爐，并定名為HYL-III。目前，HYL-III流程應用范圍僅次于Midrex流程，是第二大直接復原煉鐵流程，其工藝流程如圖3所示。HYL-Ⅲ工藝的根本原理是在固定床用復原氣體來復原鐵礦石。通過的復原氣碳氫化合物(天然氣或焦爐煤氣)，是經過不完全燃燒及復原反響器內金屬鐵的催化作用在現場重整而生成的。圖3HYL-III法工藝流程該工藝流程包括以下特點：復原氣體的不完全燃燒；反響爐復原區域底部的煤氣重整；反響氣體成分可調。依據墨西哥HYL公司開發的HYL—ZR技術，即煤氣自重整技術，HYL法可以直接將煤和水蒸汽制成的煤氣為氣源。這種方法為我國開展以煤為能源的氣基豎爐直接復原提供了條件，目前已有企業方案建設煤制氣——豎爐直接復原鐵廠(鞍山海城東四型鋼公司)，規劃建設規模為60萬tDRI／年。二煤基直接復原技術目前，世界煤基直接復原鐵采用的主流工藝是回轉窯。用于生產煉鋼原料的煤基回轉窯可分為①德國魯奇法(SL／RN)，②印度阿卡爾法(AccAR)，③德國克虜伯法(Krupp—Codir)，④印度西爾法(Sil1)，⑤英國戴維法(DRC)，⑥印度梯第爾法(TDR)。代表性方法：回轉窯法。主要產品：海綿鐵。固體復原劑法所使用的燃料：固體煤粉

回轉窯煉鐵工藝過程如圖4所示。回轉窯煉鐵工作原理：將固體復原劑〔煤〕、鐵礦石和熔劑〔石灰石或白云石〕混勻后，由窯尾參加回轉窯內，由于窯體有1-4°的傾斜度，并以一定的速度旋轉，爐料那么由窯尾向窯頭運動。窯頭裝有燒嘴，噴入燃料〔煤粉、煤氣或重油〕燃燒，燃燒廢氣那么由窯尾排除，爐氣與爐料逆向運動，逐漸把固體爐料加熱，到達800℃時，開始固體碳復原，放出的CO在空間氧化區被氧化，并提供復原反響需要的熱量。圖4回轉窯煉鐵過程示意圖1-氧化區；2-中性區；3-復原區；4-窯頭；5-熔化帶；6-粒鐵帶；7-復原帶；8-預熱帶；9-窯尾；10-海綿鐵法；11-粒鐵法；12-液鐵法窯體稍有傾斜〔4%的斜度〕，窯中裝有耐火襯，在窯頭、窯中、窯尾設有耐火材料擋圈以增加爐料停留時間。煤燃燒所需要的空氣通過風管沿軸向吹入窯中，風管安裝在沿窯長方向的不同部位。煤不但是復原劑，同時還提供所需要的熱量。沿窯長方向分兩個區：預熱區-煤燃燒將原料的混合物加熱至復原溫度；復原區-煤進一步燃燒為生產海綿鐵提供熱量。通過控制向窯內吹入的空氣量和噴煤量，可以有效控制窯內的反響。直接復原法煤基回轉窯中應用最廣泛，而且最具有代表性的一種方法就是SL/RN法。SL/RN是由美國、德國、加拿大的4家創立此法的各公司名字的字首縮與而成的。圖5為SL/RN法工藝流程。圖5SL/RN法工藝流程原料〔鐵礦石、煤粒、熔劑〕從窯尾參加圓形回轉窯中。窯緩慢旋轉使礦和煤在被加熱和復原的同時向出料端移動。窯頭外設有燒嘴燃燒燃料。形成的廢氣那么由窯尾排出。爐料與爐氣呈逆向運動，在運動過程中，爐料在預熱段被加熱，使水分蒸發和石灰石分解。800℃后，煤中的固體碳開始復原鐵礦石中的氧化鐵，直到獲得海綿鐵或鐵料，而碳那么轉變成CO氣體，CO在氧化區被燃燒成CO2，放出熱量以滿足復原反響的要求，產品排出窯后進入回轉冷卻筒冷卻得到海綿鐵或粒鐵，也可熱送電爐直接煉鋼。回轉窯內反響溫度應控制在1100℃以下，經8-10h完成復原反響后出窯。回轉窯所產生的廢氣從進料端吸走，高溫廢氣可余熱利用。假設爐料在回轉窯中經過預熱和復原后，再進一步提高溫度〔1250℃〕進入粒鐵帶，金屬鐵與爐渣開始軟化，在半熔化狀態下金屬鐵由小顆粒堆集成卵狀粒鐵，爐料出爐后經水淬冷卻后很容易用磁選或重選把粒鐵與脈石分開，這就是回轉窯粒鐵法。此法由于作業率低、產量小、耐火材料消耗高等重在缺點，近年來逐漸被淘汰。但此法適應性大，是惟一能直接冶煉SO2含量高的貧鐵礦的方法。因此,按照爐料出爐溫度，回轉窯除生產海綿鐵外，還可生產粒鐵和液態鐵。最大優點：可直接用煤作燃料。缺點：爐內溫度要求嚴格控制，否那么會引起局部過熱，使礦石軟融并粘結在爐墻上，破壞正常生產。開展新工藝：轉底爐煉鐵。三轉底爐工藝轉底爐由于反響速度快、原料適應性強等特點近年來得到了快速開展。轉底爐工藝有許多種，包括Fastmet、ITmk3、Inmeto、Comet、DRyIron等。1Fastmet法和Fastmelt法該法是由美國Midrex直接復原公司與日本神戶制鋼于60年代開發的。目的是為了處理鋼廠內部的含鐵粉塵和鐵屑等。經過多年的半工業試驗和深入的可行性研究，現已完成工藝操作參數和裝置設計的最正確化。首家商業化Fastmet廠于2000年在新日鐵公司廣佃廠投產，可處理含鐵粉塵和鐵屑20萬t／a。另外，日本還有兩家Fastmet工廠，分別為20萬t/a和1.6萬t/a。日本神戶鋼鐵公司和三井金屬工業公司合資用Fastmet工藝在美國建造一座年產90萬t海綿鐵的工廠。在美國埃爾伍德建立了2.5萬t/a的金屬回收廠，回收鎳粉塵，效果良好。圖6為其工藝流程圖。圖6Fastmet法工藝流程Fastmet法技術特點：(1)用轉底爐運載爐料并在高溫敞焰下加熱實現快速復原；(2)選用原料廣泛，對爐料強度要求不高；(3)煤作復原劑擺脫了對天然氣的依賴；(4)轉底爐需要的熱量可由天然氣、丙烷或燃油燃燒提供，也可考慮用粉煤作燃料；(5)復原過程時間很短，僅僅6～12min，設備的起動與停止、產量的調整都可比較簡單地進行。另外，Midrex公司與日本神戶制鋼還開發出Fastmelt法和ITmk3法，Fastmelt法與Fastmet法根本一致，只是在后續添加一個熔爐來生產高質量的液態鐵水。Fastmelt法與Fastmet法不同點如圖7所示。圖7Fastmelt法與Fastmet法區別2ITmk3法該法的研究和改進工作由KobeStee1.Ltd于1996年開始進行。ITmk3技術也通過轉底爐，利用低廉的粉礦和噴吹的煤粉生產出粒鐵，復原時間短，僅需10min。在RHF內生產與爐渣別離的粒鐵，與爐渣一起排出的粒鐵，用磁選機等分選機選出粒鐵。生產的粒鐵具有高爐生鐵同等品質。圖7為ITmk3標準流程。

此工藝流程及設備配置十分類似于Fastmet工藝。有以下幾個優點：(1)復原和渣鐵別離同時進行；(2)不需要過高的加熱溫度；(3)不存在FeO對耐火材料的侵蝕；(4)爐渣可以很徹底地從金屬中別離出；(5)粉礦和低品位礦都能使用。但處理低品位礦時，生產每噸鐵的能耗增加了。特別指出，ITmk3法生產的粒鐵并不是高溫的鐵水，而是粒狀的固體鐵，適宜于輸送。所以ITmk3裝置可以放在礦山附近。在礦山附近生產粒鐵再輸送到消費地，與輸送礦石和煤炭相比較，需要輸送的重量大約減少一半，降低消耗在運輸上的能量與本錢。ITmK3工藝現已通過美國的梅薩比粒鐵中間試驗廠的裝置連續運轉試驗。神戶鋼鐵正在許多產煤國家如美國、澳大利亞和印度熱銷該技術。目前神戶鋼鐵正與印度Chowgule集團就在果阿地區合資建廠事宜包括ITmk3技術進行商討。新建廠在2007底開工，2009年投產，年產能為50萬t。烏克蘭InguletskyGOK現在正在進行ITmk3工程商業化運作。3Drylron法MaumeeR&B公司的專利技術已命名為DryIron法，它克服了通常煤基復原帶來的粉化、脈石含量高、硫高、金屬化率低等缺點。MR&E公司在美國俄亥俄州匹茲堡的試驗廠進行的大量工業試驗說明，該工藝不僅可用鐵精礦粉為原料生產質量穩定的海綿鐵或熱壓塊鐵，而且同樣適用于鋼鐵廠各類含鐵廢棄物的回收利用。Drylron法簡化了原料準備，用壓塊代替造球，不需要將原料磨得很細和參加較多水分，含碳鐵氧化物壓塊后不經枯燥直接人爐焙燒。其工藝優點如下：(1)用鐵精礦粉生產海綿鐵(DRI)或熱壓塊鐵(HBD)作原料。其產品質純潔，脈石與硫等雜質含量很低。而且與廢鋼相比，其質量均勻穩定，波動小，對于煉鋼生產極為有利。(2)回收電爐除塵灰與軋鋼鐵鱗，雜質金屬去除率高。雜質中的金屬元素：鉛、鋅、鎘等被有效去除。

(3)回收傳統鋼鐵廠廢棄物。傳統鋼鐵廠廢棄物包括轉爐除塵灰、軋鋼鐵鱗、熱軋污泥、連鑄氧化鐵皮及高爐粉塵與污泥。這些物質總體來說碳含量很高，與電爐除塵灰相比，鋅含量較低，而鉛、鎘等含量極少。處理后，其產品金屬化率高，Zn、Pb含量大幅度降低。(4)MR&E公司的低NOx控制專利技術處理尾氣，從而使其對環境的污染降至最低限度。4Comet法

1997年4月，比利時冶金研究中心(CRM)提出的Comet(coal—basedmetallization)工藝。與其它轉底爐直接復原工藝[如Inmetco和Fastmet]的區別在于完全取消了造球工藝，直接將烘干后的粉狀氧化鐵料和復原劑多層相間地布在轉底爐床上即一層復原劑、一層礦石布料。通過安裝在爐子出口處的篩分機，很容易將直接復原鐵與充裕的煤粉、石灰、煤的灰分和硫化鈣別離。生產的海綿鐵硫含量低于0.05％，脈石含量約為5％。該種的方式海綿鐵特別適合于用作電弧爐原料。Comet工藝的爐溫高，生產出直接復原鐵易于運輸和儲存。試驗室研究說明，Comet工藝生產的海綿鐵金屬化率可達90％，生產率低的損失可由不安裝造塊設備來補償而硫含量僅為0.04％～0.05％，解決了產品硫含量過高的問題。由于傳熱條件不如Inmetco和Fastmet工藝，物料將在爐內停留更長時間，影響產量。Comet法至今難于實現工業化。盧森堡PaulWurth公司已獲得將此工藝用于商業性開發的許可證，后續的工業化研究正在進行。5.3熔融復原法〔1〕熔融復原法熔融復原法：鐵礦石在高溫熔融狀態下用復原劑〔碳〕把鐵氧化物復原成金屬鐵。其產品為：液態生鐵〔屬于高碳生鐵〕。鐵水可用于轉爐煉鋼。〔2〕熔融復原用的原料、能源非煉焦煤代替昂貴的焦炭、石油或天然氣，并可直接用粉礦或塊礦進行復原。〔3〕存在的主要問題主要存在的問題：A、尚未形成一個定型的生產工藝流程。B、產品質量差，S、Si不能有效控制。C、能耗高，設備壽命短。〔4〕熔融復原工藝A、一步法主要特點：用一個反響器中完成鐵礦石的高溫復原及渣鐵熔化，復原生成的CO排出反響器，再加以回收利用。存在的問題：要求在一個反響器內同時創造復原和氧化氣氛，即既能用固體碳充分復原氧化鐵，又能使生成的CO充分燃燒成CO2的氣氛。這在目前的技術條件下是難以辦到的，因此，一步法工藝在實踐中均未獲得成功，技術難題有待于今后進一步解決。B、二步法二步法是用兩種復原方法串聯的。第一步作業是加熱鐵礦石并將鐵礦石預復原，最常用的是懸浮態和回