直接还原法炼铁技术的发展历程及其应用前景
２００８年第２期
总第１４６期
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引言
由于传统的高炉炼铁方式投资大、能耗高、流程长、污染较严重，而我国焦煤短缺、价格昂贵，同时，人们的环保意识不断增强，在这种情况下，传统的高炉炼铁发展受到了很大的限制。为了克服高炉炼铁的种种缺点，人们研究开发了多种非高炉炼铁法，这些方法包括直接还原法和熔融还原法。直接还原铁（ＤＲＩ－Ｄｉｒｅｃｔ
ＲｅｄｕｃｅｄＩｒｏｎ）是铁矿在固态条件下直接还原为铁。ＤＲＩ由于其成分稳定，有害元素含量低，特别是不易氧化的金属夹杂元素少，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。由于直接还原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，直接还原炼铁法已逐步得到工业化应用。
２直接还原生产工艺的发展历程
早在１７７０年，英国就出现了第一个直接还原法专
利，之后出现过数百种直接还原方案，但真正实现工业化是从２０世纪５０年代开始的。１９６８年美国ＭｉｄｌａｎｄＲｏｓｓ
（米德兰）公司开发的Ｍｉｄｒｅｘ直接还原法获得成功，直接还原开始迅速发展，产量稳步上升，由１９７０年的７９万ｔ增加到２００３年的４６００万ｔ。２００６年全球直接还原铁产量为５９８０万ｔ，据预测，到２０１０年，该数字将为１０７００万ｔ。
随着产量的增加，直接还原冶炼工艺也不断推陈出新。据统计，当前世界上的直接还原冶炼工艺有４０多种，而应用于工业生产的就达到了２０种之多。在众多的冶炼工艺中，按照主体能源的不同，我们可将其分为气基直接还原、煤基直接还原和电热直接还原三大类。其中，电热直接还原以电力为主要能源，因为要消耗大量的电力，目前多已停产。而另两类方法是直接还原铁生产的主要方法，现介绍如下。
２．１气基直接还原
气基直接还原法是一种以气体（主要指天然气）做
还原剂的直接还原工艺。其主要优点是：生产效率高、
能耗低、操作容易，是直接还原铁生产最主要的方法，约占ＤＲＩ总产量的９０％以上。但因受地理分布的局限，该方法主要分布在中东、南美等天然气资源丰富的地区。气基直接还原代表工艺有Ｍｉｄｒｅｘ竖炉法（米德兰竖炉法）、ＨＹＬ反应灌法、
流态化法等。２．１．１Ｍｉｄｒｅｘ竖炉法
Ｍｉｄｒｅｘ竖炉法是气基直接还原铁生产技术的主导工艺，该工艺由ＭｉｄｌａｎｄＲｏｓｓ公司开发，目前已发展成为占直接还原铁市场６０％以上的主要方法，其工艺流程如图１所示。还原气使用天然气经催化裂化制取，裂化剂采用炉顶煤气。球团或块矿在竖炉内被天然气还原，生成ＤＲＩ。由于该工艺要求有充裕的天然气，且生产指标较高，因此在我国天然气富裕的地区可适当发展。见图１。
２．１．２ＨＹＬ反应罐法
ＨＹＬ反应罐流程采用ＫＥＬＬＯＧ蒸汽转化制气技术，其工艺流程如图２所示。
原料天然气首先用活性炭脱硫，然后与过量水蒸汽混合，在８５０℃下进行催化裂化反应。反应罐组由４个反应罐组成。罐顶设有装料口，罐底设有卸料口。反应罐之间有一套复杂的还原气管路相连接。还原气排出冷却管后，首先经过冷却脱水，然后进入还原气预热器进行加热。高温还原气通入主还原罐，将经过预热和预还原的矿石还原成海绵铁。ＨＹＬ反应罐流程使用块矿炉料，以球团矿和天然块矿为佳。
２．２煤基直接还原
煤基直接还原法是指以固体（煤炭等）做还原剂的
直接还原方法。该方法较气基法存在生产效率低、生产规模小、容易出现结圈结瘤的缺点，然而它主要用廉价的非焦煤为还原剂，有效地避免了气基法的不足。目前主要分布在天然气资源缺乏，但拥有优质的铁矿资源和丰富煤炭资源的地区，如南非、印度、新西兰等地。
我国天然气资源非常有限，但煤炭资源
（尤其是非焦煤）却很丰富。因此，煤基法直接还原铁工艺是我国
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新技术讲座
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发在竖炉中９００℃下以天然气代替焦炭为还原剂对球团块加热和生产直接还原铁（ＤＲＩ）的技术，由于它的设备远比高炉简单而规模小，且不用资源少而价格昂贵的焦炭，产品又供特殊钢电炉厂用优质原料，因此在产天然气的地区开始推广应用，以代替高炉炼铁法，称之为Ｍｉｄｒｅｘ。
神户制钢在参与此法的推广中，于１９８３年并购了ＭｉｄｌａｎｄＲｏｓｓ公司并主导了在全球的推广工作，充分发挥了其钢铁生产的技术经验，通过对还原气体吹氧提温以提高生产效率，并采取热装法直接装入电炉，既有利于降低电耗，又可简化流程，从而加速了推广应用，到２００３年已达３５００万ｔ。
为了在没有天然气的地区推广直接还原炼铁法，神户和ＭｉｄｌａｎｄＲｏｓｓ公司又陆续成功开发了用普通煤
的首选工艺。目前在国内实施的工艺主要有：隧道窑工艺、回转窑工艺和倒焰窑工艺等，其中机械化、自动化程度较高的ＦＡＳＴＭＥＴ（法斯特梅铁）法和冷固结球团回转窑法都是先进、可靠、经济的工艺。ＦＡＳＴＭＥＴ流程的发展史见表１。
美国ＭｉｄｌａｎｄＲｏｓｓ公司于上世纪７０年代成功开
图２ＨＹＬ反应罐法工艺流程６０
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项目Ｔ－ＦｅＭ－ＦｅＦｅＯＣＳ
Ｚｎ
干燥球团块
５８．７０１７．１０３６．６０１１．９００．１７０．７５ＤＲＩ
８３．２０
７４．２０７．４０
３．３０
０．２３０．０５
表３干燥后球团块和ＤＲＩ的化学成分％年代
生产情况
２０世纪６０年代ＭｉｄｌａｎｄＲｏｓｓ（Ｍｉｄｒｅｘ＝ＭＩＤｌａｎｄＲｏｓｓＥｘｐｒｅｉｍｅｎｔａｌ）开发了ＨＥＡＴＦＡＳＴ流程；从１９６５年到１９６６年，２ｔ／ｈ的
实验厂在明尼苏达州的Ｃｏｏｌｅｙ建成并投入运营
１９９０年Ｍｉｄｒｅｘ开始研发ＦＡＳＴＭＥＴ流程
１９９２年ＦＡＳＴＭＥＴ实验性厂在Ｍｉｄｒｅｘ技术中心建成，２．７５ｍＲＨＦ①，１６０ｋｇ／ｈ；１９９２年至１９９４年共做了１００多次试验。１９９５年８．５ｍＲＨＦ，２．５ｔ／ｈ的Ｋａｋｏｇａｗａ示范性工厂在ＫＳＬ＇ｓＫａｋｏｇａｗａ钢铁厂建成，并在１９９５年到１９９８进行了持续
的开发型运营。
１９９８年Ｍｉｄｒｅｘ技术中心安装电炼铁炉；直接与ＦＡＳＴＭＥＴ实验性车间的ＲＨＦ相配套，每小时生产１５０ｋｇ？铁水；这
个示范性的ＦＡＳＴＭＥＬＴ流程成为成功地通过纯氧化铁和钢铁厂废弃物生产出了高炉级质量的铁水２０００年
第一座商业性ＦＡＳＴＭＥＴ工厂（ＰＤＰＲ）在新日铁公司的Ｈｉｒｏｂａｔａ厂建成；２１．５ｍ的ＲＨＦ；１９．２万ｔ转炉污泥和粉尘／年的处理能力；１４万ｔ热ＤＲＩ和２２５０ｔ／ａ粗氧化锌的生产能力。
２０００年３月２１日：第一批产品２０００年４月：连续操作
２０００年７月：达产试验结束，操作移交给新日铁
２０００年７月：连续操作达一年，典型的金属化率９１．９％，锌回收率９４％，热ＤＲＩ的送料温度大于１０００℃，全
的作用率大于９０％。
２００１年在ＫＳＬ加古川钢厂的第二个商业化ＦＡＳＴＭＥＴ工厂，８．５ｍ的ＲＨＦ；１．４万ｔ转炉污尘、电炉尘和轧钢废料／年的处理能力；废燃料油；产品是１．４万ｔＤＲＩ和１４００ｔ／ａ粗氧化锌的生产能力。
２００１年５月：工厂开工。
工艺名称还原剂还原温度／℃
还原时间／ｈ
铁的状态和含铁量／％适用处高炉炼铁法焦炭
１５５０８铁水，含Ｆｅ９６
临海、煤矿产地
直接还原法
Ｍｉｄｒｅｘ法天然气９００６ＤＲＩ，８５天然气产地代高炉Ｆａｓｔｍｅｔ法煤１３５０１０ｍｉｎ
ＤＲＩ，７８炼铁粉尘制球团Ｆａｓｔｍｅｌｔ法煤１３５０～１５５０１铁水，９６代替高炉供应铁水ＩＴＭＫ３法
煤
１４５０
１０ｍｉｎ
粒铁，９７
在铁、煤矿产业建厂
表２高炉炼铁法和各种直接还原炼铁法的比较
表１ＦＡＳＴＭＥＴ流程的发展史
为还原剂生产直接还原铁的Ｆａｓｔｍｅｔ法和产出铁水的Ｆａｓｔｍｅｌｔ法以及用粉煤和粉矿直接生产出粒铁的
ＩＴＭＫ３法。各种方法的特征对照如表２。
以下对后三种方法介绍如下。
２．２．１ＦＡＳＴＭＥＴ（法斯特梅铁）／ＦＡＳＴＭＥＬＴ（法斯特梅尔铁）流程概况
ＦＡＳＴＭＥＴ流程将氧化铁球团矿炉料、
粉矿和钢铁厂废料转变为有用的金属铁，使用煤粉或其它的含碳材料作为还原剂。最终产物直接还原铁可以被热压成块，作为热态ＤＲＩ被送入中转容器；如果需要冷的
ＤＲＩ，也可将它进行冷却，或者直接送入电化铁炉（ＥＩＦ）以炼出ＦＡＳＴＩＲＯＮ液态铁。表３是直接还原铁块与干燥后球团块的化学成分对照。图３是ＦＡＳＴ－
ＭＥＴ／ＦＡＳＴＭＥＬＴ流程的流程图。
在操作过程中，如果原料是矿石，精矿粉和煤粉在装入ＲＨＦ炉之前要制成球团并经过干燥，在ＲＨＦ
炉中炉料被铺成一层。当这些原料是钢铁厂废料，则它们首先应被压块。压块可以提供更多的灵活性，并减少对这些原料的碾磨需求，而且不必对生压块进行干燥。这些压块在ＲＨＦ中也是铺成一层。
随着炉膛的旋转，这些压块被ＲＨＦ中１３００℃以上的温度通过辐射加热，铁氧化物被还原成金属铁，铁氧化物的还原过程基本上是在固体状态下由固定
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碳则会固溶到金属铁中形成碳化铁（Ｆｅ３Ｃ）。
钢铁厂废料中的锌氧化物、铅氧化物和其它具有挥发性的金属氧化物也将在此过程中被还原成金属单质或被蒸发。这些金属蒸汽在从烟道出炉之前又将被烟气氧化。
炉料在炉内的停留时间在６￣１０ｍｉｎ。停留时间的不同取决于物料的种类、压块的尺寸大小，以及其它因素。在这段停留时间里，８５％￣９５％的铁氧化物会被还原成金属铁。ＦＡＳＴＭＥＴ流程中的快速还原速度归功于高的还原温度，高的热交换速度，以及矿块中的碳与铁氧化物之间的紧密接触。
其烟气在出炉前已经完全燃烧，含氧量大约为２％。而热交换器可将烟气的热量用于预热ＲＨＦ的燃烧器的助燃空气和干燥原材料。
烟气从炉顶排出，经过有耐火材料内衬的上升管进入烟道。烟气上升管与ＲＨＦ炉的燃烧区之间的相对位置由对冶炼和还原动力学的分析来决定，并用ＣＦＤ②计算进行检验。在烟气管道中注入空气起冷却作用，并将烟气中的Ｈ２和ＣＯ等可燃气体燃烧掉。
通过对到初冷区喷雾化水，可以将烟气从高于１４００℃冷却到１０００℃以减小ＮＯＸ的生成，并提供换热器可接受的合适的入口气体温度。
从初冷区出来的烟气流经助燃空气和干燥空气预热器，在这里烟气中的热量被用于预热转底烧嘴和转动干燥器的助燃空气。
烟气对助燃空气预热后进入二次冷却区。通过喷雾化水，在二次冷却区将烟气温度从８００℃降到１２０℃，以保证得到布袋过滤除尘器可接受的入口气体温度。
然后烟气流入脉冲喷射式布袋过滤除尘器，在这里，粗氧化锌被收集起来，然而烟气通过引风机经烟囱被排入大气中。
ＦＡＳＴＭＥＴ车间在处理钢铁厂废料时，一般不需要控制ＳＯ２，因为绝大部分ＳＯ２将会与烟气中的金属氧化物反应或被其吸收掉。喷石灰可以被用于进一步控制ＳＯ２。对ＮＯＸ的控制则是通过使用低ＮＯＸ燃烧器和严格控制燃料与气体的比值与燃烧温度来实现的。ＲＨＦ炉内的高温和长停留时间可以破坏二恶英与呋喃的生成。对烟气冷却速度的控制可以减少二恶英与呋喃的再生成。粉尘通过布袋过滤除尘器从烟气中被分离出来。而粗氧化锌通过布袋过滤除尘器回收并储存到仓筒中。这些粗氧化锌然后被用卡车或火车从仓筒运到买主那里。
直接还原铁的金属化率（金属形式的铁占全铁的百分比）是可以调整的。通过调整矿块的含碳量就可以得到目标ＤＲＩ的含碳量。其产品化学成分的不同取决于使用的矿料、还原剂和粘结剂的化学成分。２．２．２ＩＴＭＫ３法
日本神户制钢与美国米德兰（Ｍｉｄｒｅｘ）公司联合开发转底炉（ＲＨＦ）直接还原新工艺（Ｆａｓｔｍｅｔ），在２０世纪
图３ＦＡＳＴＭＥＴ／ＦＡＳＴＭＥＬＴ的流程图６２
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图４冷固结球团直接还原工艺流程
９０年代中后期取得了突破性进展，使金属化球团（直接还原铁，ＤＲＩ，海绵铁）在转底炉中还原时熔化，生成铁块（Ｎｕｇｇｅｔｓ），同时脉石也熔化，形成渣铁分离。此法的成功，将解脱ＤＲＩ对原料品位的苛求，能用品位较低的铁矿为电炉提供优质铁料。因此意义重大，被命名为“第三代炼铁法”（Ｉｔｍｋ３）。他们把高炉称为第一代炼铁法，产品属高碳液态铁水；把直接还原称为第二代炼铁法，产品属低碳固态铁；第三代炼铁法的产品介于二者之间，属中碳准熔化（或半熔）状态，它与以往的炼铁法完全不同，使用的是碳铁复合技术。
神钢于１９９６年在试验中发现上述奇异现象后即开展了系统试验研究，经在加古川厂中试对工艺思路验证后，在美国会同有关方于２００４年共同进行了２．５万ｔ／ａ的工试，现正计划合资建设第一套５０万ｔ／ａ实用化设备，计划将于２００８年投产。
２．２．２．１工艺原理
在１３５０℃～１４５０℃下，将含碳复合球团矿加热后便产生以下反应：
Ｆｅｘ＋ｙＣＯ→ｘＦｅ＋ｙＣＯ２（１）ＣＯ２＋Ｃ＝２ＣＯ（２）Ｃ
（ｓ）＝Ｃ（渗碳）（３）Ｆｅ
（ｓ）＝Ｆｅ（ｌ）（熔融）（４）
上述反应在１０ｍｉｎ内完成，并使渣铁完全分离。
２．２．２．２工艺流程
（１）采用铁矿粉和煤粉制成含碳复合球团；
（２）把球团加入环形炉内，在１３５０℃～１４５０℃下进行加热、还原、熔融、分离出铁和渣；
（３）在炉内将熔融铁凝聚成粒状，冷却后和渣分别排出。
２．２．２．３
今后应用展望
ＩＴＭＫ法不用焦炭和块矿，可用普通煤和低品位矿等高炉不便应用的劣质原料，且工艺设备简单，因此灵活性大而投资低（５０万ｔ／ａ设备估计为１５０亿日元），符合合理利用资源和环境友好的战略方针，预计今后将很快应用。另和该法类似但以褐煤作为还原剂的“ＵＢＣ”法，已由神钢主持在印尼小试，并计划于
２０１０年中试，其发展前景相当广阔。２．２．３
冷固结球团回转窑法
由原中南工业大学与鲁中冶金矿山公司共同研制开发的冷固结球团回转窑法是一项新工艺、新技术，是煤基回转窑法还原工艺的一次革命。其主要工艺流程如图４所示。该工艺包括：配料、
润磨、强力混合、造球、低温干燥固结、回转窑还原、冷却、筛分、磁选、窑尾废气余热发电等环节。
该工艺的主要优点是：流程短、投资省、能耗少、成本低。此外，生球的低温干燥固结取代了高温焙烧作业，减少了耐高温设备，提高了设备的作业率，有利于回转窑的连续稳定生产。
磁选
水
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３直接还原铁生产在我国的发展前景
我国是全球最大的产钢国和废钢消费国，同时是废钢资源极为短缺的国家。自２００３年起，我国产钢２．２２亿吨，比上年增长２２．３８﹪，成为全球第一个年产钢量突破２亿吨的国家，并连续十几年一直保持钢产量世界第一。２００７年全国钢产量近４．９亿吨，由此拉动的废钢消费促使废钢供应矛盾日趋突出。我国是一个铁矿资源贫乏的国家，对进口铁矿石的依存度超过５０％。同时也是一个废钢资源短缺的国家，正常状态下每年需要进口废钢１０００多万吨。我国社会废钢积蓄量约１３～１５亿吨，还未进入废钢高产期，我国废钢铁市场正处于资源偏紧的高价位运行的周期，预计这一周期将持续整个“十一五”时期。中国钢铁生产技术经济指标不断提高，企业自产废钢数量越来越少，不能满足生产发展的需要。２００６年中国钢铁行业连铸比达到９８．５７％，综合成材率达到９５．６５％，使得钢铁制造过程中废钢产出量大大降低，中国已成为世界上废钢进口的主要国家之一。根据中国国内钢材市场消费需求及钢铁工业发展情况预测，到２０１０年中国粗钢产量达将超过５亿吨水平，按电炉钢产量占钢产量的比重保持在目前水平或略高，并考虑铸造及其它方面废钢的使用量，预计废钢需求量将达到７０００万吨以上水平。今后中国国内社会回收废钢比重将上升，成为废钢来源的主要渠道，但仍将有缺口，必须依赖进口废钢保证废钢需求。
我国虽然是世界第一产钢大国和耗钢大国，但却不是钢铁强国，钢铁产品在国际市场上竞争力不强，在钢材品种和质量方面，还不能适应国民经济的发展要求，我国每年还要从国外进口钢材４千余万吨（主要是优质钢和特种钢），而海绵铁正是生产优质钢和特种钢的必备原材料之一。随着今后对钢铁产品品种和质量要求的不断提高，发展电炉短流程炼钢势在必行，而用直接还原铁（海绵铁）补充我国废钢的不足，将是必然的结果。
从世界范围来看，气基法生产海绵铁技术比较成熟，产品质量较好。但由于我国受到天然气资源和开发的限制，不适合发展气基直接还原法。我国煤炭资源丰富，尤其是非炼焦煤储量很大，为发展煤基工艺提供了条件。因此，煤基法生产直接还原铁工艺是我国的首选工艺。此外，随着近几年来我国能源战略的调整，天然气、石油资源的开拓、开发，利用煤制气或地区性丰富的焦炉煤气资源等，适当的发展气基直接还原技术也是可行的。
４结论
４．１直接还原技术自从问世以来发展迅猛，虽然在较短的一段时期内还不能与传统的高炉炼铁工艺相抗衡，但随着其工艺的逐步完善和发展，必将对钢铁工业的发展产生深远影响。２１世纪必将是铁直接还原技术快速发展的世纪。
４．２我国是一个钢铁大国，为了适应钢铁生产的需要，进一步增强我国钢铁企业在世界上的竞争力，必须加大直接还原铁（海绵铁）的研发及生产力度。４．３综上所述，气基直接还原法是海绵铁的主要生产方法，其工艺相对成熟、完善。但鉴于我国的实际情况，大力发展煤基直接还原法是我国钢铁工业的必然趋势。同时，随着国家能源战略的发展，部分地区也可适当发展气基法。
（撰稿：陆明春张学启）
（收稿２００８－３－２５责编赵实鸣）
参考文献
［１］胡俊鸽，吴美庆，毛艳丽．直接还原技术的最新发展［Ｊ］．钢铁研究，２００６，３４（２）：
［２］杨双平，冯燕波，高维成，等．直接还原技术的发展及前景［Ｊ］．甘肃冶金，２００６，（１）．
［３］朱德庆，张汉泉．冷固结球团基直接还原新工艺及其应用［Ｊ］．钢铁研究，２００３，（１）
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