直接还原技术的新发展
2002-09-03 00:00 来源： 我的钢铁 作者：mysteel
摘 要 直接还原铁作为电炉炼钢的高质量代用品，正在迅速增长。但随着直接还原技术的发展和原料、能源条件新变化，当前直接还原技术向前发展的主导趋势是扩大能源范围，煤作一次能源，加快煤的气化技术的发展研究；充分利用粉矿和精矿，充分发挥比表面大的优势，发展新的流化床技术：提高产品质量和稳定性，减少生产环节、简化工艺、提高能量利用率，开创直接还原新局面。
1、前言
下一个10年，废钢供应量，尤其是高质量电炉废钢的供应将是缺乏的。尤其是发展中国家，可能发生严重短缺，这将导致直接还原铁需求的增加。直接还原铁可作为电炉炼钢的高质量代用品，已成为增长着的、有生命力及竞争能力的角色。
2、直接还原现状
1970年世界直接还原铁的产量为79万t；2000年世界还原铁产量到4320万t，预测2005年将增为6000万t，到2010年将增至7500万t，但对还原铁的需求短缺也将从2002年的400万t增加到2005年的2000万t。
从地区看，直接还原的发展与资源条件密切相关：一是优质铁矿；二是廉价和丰富的能源。20世纪80年代前，发达国家曾试图发展直接还原，但由于原料和加工费高，限制了在这些国家的发展，而南美地区有丰富的天然气和铁矿源得到快速发展；20世纪90年代，中近东、东南亚地区发展最快；另一原因是直接还原装置单机产能较小、生产灵活，符合发展国家的经济实力和对钢铁的快速增长；另外，发展DR采用短流程工艺，经济效益显著。近些年，发达国家的短流程钢厂激增，也进一步促进了对直接还原铁需求的增长。
从工艺看，可分为气基直接还原和煤基直接还原两类；在发展过程中，无论产能还是产量的增长都是气基直接还原法为主，气基还原铁超过90％，占主导地位的是Midrex法和HYL法；煤基还原铁产量约10％，以SL/RN回转窑法为代表。
在当前直接还原生产领域，直接还原工艺主要是4种。气基竖炉法：Midrex法、HYL法或HYLⅢ法；气基流化床法；Foir法；煤基回转窑法。
各种方法都在不断地得到提高和改进，生产过程，产品质量。原燃料消耗、生产效率、生产成本等都有很大的进步。
(1)气基竖炉法是成熟的主导工艺。容易控制、产品质量好、能耗低、环境污染轻、生产率高和生产成本低。单机生产能力已扩大到120万t/a(Midrex)和100万t/a(HYLⅢ)，开发和采用热压块和电炉热装技术；增设CO2脱除措施和提高过程―控制技术将进一步降低能耗，提高产率和降低生产成本。但气基竖炉法离不开天然气，发展会受到资源限制；要求高品位球团和块矿混合炉料，下一世纪将面临原料块矿的短缺。
(2)气基流化床(FIOR)法直接使用铁精矿和粉矿，省去球团造块，降低投资和成本，也利于环保。但也需要天然气体能源，生产能耗高于竖炉法。
(3)煤基回转窑工艺已成熟，工艺简单、生产费用低、产品质量稳定。在缺乏天然气却有丰富非焦煤的国家得到了快速发展。但单机产能偏小(最大为15-22万t/a)、能耗较高，产品含碳不易调节，建设投资较大。
随着直接还原技术的发展和原料、能源条件的新变化，今后直接还原技术向前发展的主导趋势是：
①天然气资源减少和价格上涨，应优先作为燃料和化工原料，因此，扩大能源范围，煤作一次能源，加快煤的气化技术是发展直接还原的重要研究方向；
②随着高品位块矿资源的减少，充分利用粉矿和精矿，减少加工程序，充分发挥比表面大的优势，加速发展流化床技术；
③提高产品质量和稳定性，增大产品控碳能力；减少生产环节，简化工艺、提高能量利用率，必须开创直接还原新局面。
3、开发中的新工艺
近期开发或进行工业化试验的几种主要的直接还原工艺和方法有：COREX-MIDREX联合工艺、Finmet法、Circofer或Circored法、炭化铁(ICH)法、Fastmet法及Comet法。
3.1 COREX-MIDREX联合工艺
1985年开发了使用替代燃料的MIDREX工艺，在巴西Ipntinga的USMINAS建设了用焦炉煤气的80万t/a Midrex竖炉。但使用焦炉煤气必须脱硫到10mg/m3(<7X10-6)，方可达到工艺要求。另一个替用燃料方向，是商业化的煤气化用于直接还原工艺。
COREX工艺的成功，为缺乏焦煤资源的国家和地区提供了环境污染少，将煤气化的新思路。特别是南非Saldanha公司COREX-2000装置全面投产运行，将工艺过程煤气净化处理后，得到CO为35％，H2为50％和CH4为4.7％的高还原性煤气用可作为MIDREX直接还原的还原剂，能将工艺能量45％的高值煤气得以最佳利用。已证明每生产1t铁水可同时生产1t海绵铁，既降低COREX铁水生产成本，增强COREX的竞争力；又为电炉提供COREX法铁水和MIDREX法直接还原铁优质原料。由于生产时间短，有害元素少，有效提高了炼钢效率，成功地开发了无焦炉、无高炉的清洁生产的钢铁新工艺。
3.2 Finmet法
1991年VAI公司和FIOR公司决定在FIOR法成功的基础上开发Finmet工艺。主要改进：用废气预热替代矿粉预热床；改进旋流器；采用双列流化反应床；采用高CO/C02比还原气等，Finmet法保留了流化床优势、实现能量闭路、提高煤气还原势，增大反应器能力，使产能增加、能耗和成本降低。
将天然气送入重整炉催化重整，新还原气与经清洗、除尘后的还原尾气混合，清除CO2,再加热到850℃后分送双列还原反应床。原料铁粉粒度<12.7mm，在流化床干燥器内被加热到100℃，然后送到压力11X105Pa的料斗内，先进入第1反应器被加热到550℃和被煤气还原。在重力作用下由高流向低位，进入阶梯串联的，温度为550-880℃，压力(11-13)X105Pa的2-4级还原反应流化床。还原气与料流一向相反。碳化反应在最后反应器内完成，90％的碳以Fe3C形式存在，产品含碳可在0.5％-3.0％范围调整。最后压制成5g/cm3的热压块(HBI)。由于直接使用粉矿，无须造块处理，为低成本运行打下了基础。
1996年澳大利亚布罗肯希尔钢公司(BHP)在西澳皮尔巴拉地区黑德兰港建设的第一套Finmet工业设备，已于1999年2月生产出热压铁，年产250万t热压铁。目前以每吨100美元售价销往亚洲市场。第二套250万t/a的Finmet工业设备正在西澳建设，预计生产成本下降20％，生产能力加倍。
3.3 Circored和Circofer法
Circored法和Circofer法同是德国鲁奇公司开发。前者是气基流化床还原法，后者为煤基流化床还原法。核心设备包括一座预还原循环流化床(CFB)和一座终还原鼓泡流化床(FB)。
循环流化床(CFB)的气体流速为普通流化床的10倍以上，由气体带出的颗粒料通过旋风除尘器，返回到流化床反应器中；终还原采用鼓泡流化床，可使固气间逆流原则最为有效，提高煤气利用率，降低成本。Circored法采用天然气催化裂解制取高氢还原气。氢还原为吸热反应，入炉矿粉和还原气都要预热，铁矿粉预热到900℃进入循环流化床参与反应，由于动力学条件的改善，630℃即可反应，矿粉在循环流化床被还原到金属化率65％左右，再进入鼓泡流化床还原到金属化率93％以上，还原铁粉压制成热压块。还原尾气经净化、增氢返回利用。
以粒度<10mm，灰熔点不低于1050℃的粉煤作能源；用1.0-0.3mm粉矿作原料。粉矿用废气加热器预热到800℃，用辅助给料系统将粉煤进入1000℃的气化器内。通过喷氧使煤挥发分和残碳燃烧生成热过程气，并将预热料带人快速循环流化床(CFB)完成高温(≤950℃)预还原，气体速度4-6m/s，使还原气与物料的传质、传热条件最佳化，缩短还原时间，预还原金属化率可达70％，关键是正确分配剩余量比例，使氧化区与还原区分离：用高碳还原剂，解决物料粘结和再氧化；循环碳的布杜尔反应改善了煤气利用率。CFB的热废气经净化、换热、脱CO2，增H2后进入鼓泡硫化床(FB)终还原，金属化率可达93％。为确保产品的低脉石、低硫，压块前可先热磁分选。热压块产品成分为TFe为90.4％，MF为83.2％，C为2.0％，脉石为4.4％，S为0.025％。
工艺的优点：以流化床为主体设备，直接使用廉价的1.0-0.3mm粉矿，目前正在研究<0.08mm细粉料利用；以煤作一次能源，能量闭路，能源消耗低，环境污染小；单位容积产量高，投资少，产品好。
3.4 碳化铁法(ICH法)
该法以天然气作为还原和析碳反应气源。在矿石预热系统，将0.1-1mm粉矿干燥并预热到700℃进人流化床反应器。在550-600℃和300kPa下，铁矿粉与含氢、甲烷、一氧化碳和水蒸气的热还原气接触，Fe2O3被H2和CO还原成Fe；Fe与CH4和CO分解C反应生成Fe2C，一旦生成碳化铁，便排出炉外。炉料在反应床内停约12-16h。
Fe3C产品含93.3％铁、6.7％碳，脉石<3％，磷、硫低。化学性好，不自燃，不易破碎，贮存简便。与DRI、HBI相比：原料准备简单，不需造块，流化床可实现连续化；物料和能量闭路，能量充分利用；环境好、污染轻。据报道，生产成本为97.01美元，而DRI为126.28美元。可见，无论从产品性能还是生产成本，碳化铁法都有较大优势。每吨产品须消耗富CH4天然气336m3/t。
碳化铁被认为是21世纪优质炼钢原料。其优点：①FeC喷入钢水，不添加其他碳源，为电炉提供化学热，节省炼钢能耗，增加用氧量，生产率得到提高；②可连续喷吹加料，形成泡沫渣，降低钢中夹杂元素，氮含量明显下降；③泡沫渣作为可提高热效率、增加电弧稳定性、降低噪音、提高铁收得率；④FeC热态喷入钢水，提供显热，降低冶炼电耗及相关成本。
3.5 Fastmet法与Inmetco法
20世纪60年代，Midrex公司开发用转底炉焙烧含碳球团进行直接还原的Heat Fast法(后称Fastmet法)。与Fastmet法基本相同，后在美国埃尔伍德建立了25X103t/a的金属回收厂，回收镍粉尘，效果良好。
将煤粉与铁精粉混匀制成球团，干燥后以1-3球层铺放在转底炉床面，随着炉床转动，在静态下被加热到1250-1350℃。由于煤粉与铁氧化物紧密接触，铁氧化物迅速被碳还原成DRI。900-1000℃下从转底炉卸出，作电炉热装炉料；也可冷却或生产热压块(HBl)。球团矿在炉底停留8-30min，这取决于原料特性、料层高及其他因素。
从转底炉废气经过再燃烧热交换器，预热燃烧助燃空气，废气用于干燥球团。生产水循环使用，粉尘被回收再利用。
Fastmet法典型DRI工艺技术特点：①用转底炉运载炉料，并在高温敞焰下加热实现快速还原；②选用原料广泛，对炉料强度要求不高；③煤作还原剂摆脱了对天然气的依赖；④转底炉需要的热量可由天然气、丙烷或燃油燃烧提供，也可考虑用粉煤作燃料。实践表明，它是一种有强大竞争力的煤基海绵铁生产方法，在世界范围内受到重视。
值得注意的是，用Fastmet法和Inmetco法生产的还原铁含有较高的脉石和硫，目前尚无经济有效的办法加以分离。
德国曼内斯曼.德马格公司获得Inmetco技术推广许可后，在基础研究和工程化方面都做了大量工作和多方面改进。例如，球团装料防止结块和不均；高温段燃烧采用扁烧嘴，均匀温度分布；防止局部过热和控制炉膛气氛：改摩擦传动代替齿轮条传动，提高设备运行可靠性；卸料系统开发出新的金属收集和运输装备；高温废气通过换热生产高压蒸汽，低温废气预热助燃空气；废气和物料余热被回收和利用，实现高能量利用率(>80％)；实现污染排放量最小化(废气中SOx<50mg/m3，NOx<200mg/m3)，无液态废物。改进后的转底炉技术和埋弧电炉技术结合形成了Redsmelt方法。可满足年产几十万t产品的要求。
在美国印第安纳州Iron Dynamics公司(Steel Dynamics公司的子公司)建成年产60万t还原铁的生产线。该生产线的转底炉直径50m，环宽7m。转底炉生产的热还原铁直接进入埋弧电炉，生产铁水供Steel Dynamics公司的电炉使用。1999年4月投入试运行，1999年12月恢复生产。
神户制钢与Midrex公司合作，于1995年8月在神户钢铁公司加古川厂建成一座直径8.7m，环宽1.25m，产能2.5 t/h的Fastmet示范试验装置。该转底炉用于处理回收的冶金粉尘和含铁废料，回收处理产能1.4万t。
首家商业化Fastmet厂将于2000年在新日铁公司广佃厂投产，可处理含铁粉尘和铁屑19万t。由神户制钢负责设计、制造、安装和建设，总投资20亿日元。同年，君津厂用Immetco法建成年处理能力18万t的直接还原生产线。
MaumeeR＆B公司的专利技术已命名为DRylron法，1997年在AmeriSteel公司建成一座直径16m转底炉，回收冶金粉尘、氧化铁皮和含铁废料，还原后入电炉。DRylron法简化了原料准备，用压块代替造球，不需要将原料磨得很细和加入较多水分，含碳铁氧化物压块后不经干燥直接入炉焙烧。RougeSteel公司也建成直径20m的转底炉。
3.6 COMET工艺
比利时钢铁能源研究中心(DRM)提出在转底炉炉底上将铁矿粉和还原剂分层布料的Comect法。先在100kg/h级试验装置进行实验，作出模型和原料最佳化试验。1996年12月在卢森堡和比利时联合建造了能力为1.5 t/h级试验装置进行工业试验。试验认为，该方法能获得高金属化率、低硫海绵铁，技术上是可行的。
COMEF工艺流程的优点是用碎煤作燃料、粉矿作原料。矿粉、碎煤和熟石灰与石灰石混合物(用于脱硫)，按石灰层-铁粉矿层-煤层的顺序以层交替辅助放在转底炉炉底。从燃料烧嘴吹入燃料遇热空气燃烧为工艺提供热量，在炉体转动过程中将原料快速升温到1200℃，煤粒开始燃烧，燃气中的CO2、水气再与碳反应生成CO和H2，还原铁氧化物，并逐渐融结。
世界上煤炭资源丰富，煤价低，作还原剂可有效降低成本，因此COMET工艺是合理的。近期，卢森堡阿尔贝德公司宣布，比利时马里蒂姆公司已将COMET工艺用于实际生产。
但是，此方法生产率低，难以满足大规模生产要求。1998年初SIDMAR钢铁厂继续在此装置进行试验，取得新突破，提出了SIDCOMET法，其特点是，铁矿粉和还原剂混合装料，不分层；装料点在转底炉的内侧，靠机械装置翻移炉料并推向炉底外侧出料；热还原铁直接装入熔分电炉生产铁水。
4、我国直接还原技术的未来
国际上电炉钢比例不断增加，电炉-连铸-连轧短流程生产线由于其投资省，生产效率高；生产成本低，发展迅猛，受到国际钢铁界瞩目。我国电炉炼钢由于电价高，废钢资源少等原因，发展缓慢以致萎缩，为了满足电炉炼钢需要，每年还得进口大量废钢。特别是优质钢和特殊钢的生产，需要成分稳定，纯净度高，杂质元素含量低的优质废钢。直接还原铁成分稳定、纯净度高、含杂质元素低，是电炉炼钢的理想铁源，作为生产优质钢的稀释剂，有着突出作用。
随着我国钢铁工业的发展和电价合理化，电炉钢比例必将增加，优质废钢的供应将是发展电炉钢的一个制约性因素，因此，发展直接还原，提供更多优质，低价的电炉原料，将是冶金工厂的一项艰巨任务。
20世纪50年代，我国就开始了直接还原技术的开发工作，70年代又掀起了新的直接还原技术研究的高潮。1989年福州40m回砖窑工业试验成功并达到较好水平，推动了我国直接还原的发展。基于我国资源特点，先后在辽宁喀左，天津钢管公司，山东鲁中公司和北京密云建成不同规模和不同类型的煤基回转窑装置，总生产能力达44万t/a。同时，还开发或建设了斜坡炉(XSH-A)法、台车连续炉(COFC)法、转底炉法、BL气基竖炉法等；建成了一批隧道窑直接还原生产厂，产能达15-20万t，到2000年还原铁产量大约12-18万t。总的来看，我国直接还原还有较大差距：生产规模小、工艺技术和装备落后、产量低、质量差、成本高等。因此，发展我国直接还原还需要进行大量卓有成效的工作。
对我国直接还原的展望如下。
(1)当前，世界还原铁生产主要以气基为主，但由于我国天然气资源较少，又是化工原料，发展气基有困难，只能在油、气产区能把天然气用于直接还原铁的生产。然而，我国煤资源丰富，因此，开发煤基直接还原技术仍是解决我国优质废钢不足的重要途径。
(2)我国缺乏高品位铁矿，因此发展直接还原应以高品位、低脉石，低残余元素和有害元素的细精矿为主原料。所以在大型或较大型矿山建设氧化球团供应基地，是推动国内发展直接还原的重要条件。
(3)加速产品结构调整、扩大优质钢生产，提高钢材自给和市场竞争力，必须加快短流程的发展，也为发展直接还原工业开辟了广阔市场。
(4)我国水电资源丰富，电力工业发展必将会进一步推动直接还原电炉炼钢短流程的发展提供大量低价能源。
(5)吸取国外成功的研究成果，大力开发煤气化技术，积极探索立足于我国非焦煤和高品位精矿的产率高、能耗低、单机产能大的直接还原新工艺。
作者：史占彪(东北大学)
1、前言
下一个10年，废钢供应量，尤其是高质量电炉废钢的供应将是缺乏的。尤其是发展中国家，可能发生严重短缺，这将导致直接还原铁需求的增加。直接还原铁可作为电炉炼钢的高质量代用品，已成为增长着的、有生命力及竞争能力的角色。
2、直接还原现状
1970年世界直接还原铁的产量为79万t；2000年世界还原铁产量到4320万t，预测2005年将增为6000万t，到2010年将增至7500万t，但对还原铁的需求短缺也将从2002年的400万t增加到2005年的2000万t。
从地区看，直接还原的发展与资源条件密切相关：一是优质铁矿；二是廉价和丰富的能源。20世纪80年代前，发达国家曾试图发展直接还原，但由于原料和加工费高，限制了在这些国家的发展，而南美地区有丰富的天然气和铁矿源得到快速发展；20世纪90年代，中近东、东南亚地区发展最快；另一原因是直接还原装置单机产能较小、生产灵活，符合发展国家的经济实力和对钢铁的快速增长；另外，发展DR采用短流程工艺，经济效益显著。近些年，发达国家的短流程钢厂激增，也进一步促进了对直接还原铁需求的增长。
从工艺看，可分为气基直接还原和煤基直接还原两类；在发展过程中，无论产能还是产量的增长都是气基直接还原法为主，气基还原铁超过90％，占主导地位的是Midrex法和HYL法；煤基还原铁产量约10％，以SL/RN回转窑法为代表。
在当前直接还原生产领域，直接还原工艺主要是4种。气基竖炉法：Midrex法、HYL法或HYLⅢ法；气基流化床法；Foir法；煤基回转窑法。
各种方法都在不断地得到提高和改进，生产过程，产品质量。原燃料消耗、生产效率、生产成本等都有很大的进步。
(1)气基竖炉法是成熟的主导工艺。容易控制、产品质量好、能耗低、环境污染轻、生产率高和生产成本低。单机生产能力已扩大到120万t/a(Midrex)和100万t/a(HYLⅢ)，开发和采用热压块和电炉热装技术；增设CO2脱除措施和提高过程―控制技术将进一步降低能耗，提高产率和降低生产成本。但气基竖炉法离不开天然气，发展会受到资源限制；要求高品位球团和块矿混合炉料，下一世纪将面临原料块矿的短缺。
(2)气基流化床(FIOR)法直接使用铁精矿和粉矿，省去球团造块，降低投资和成本，也利于环保。但也需要天然气体能源，生产能耗高于竖炉法。
(3)煤基回转窑工艺已成熟，工艺简单、生产费用低、产品质量稳定。在缺乏天然气却有丰富非焦煤的国家得到了快速发展。但单机产能偏小(最大为15-22万t/a)、能耗较高，产品含碳不易调节，建设投资较大。
随着直接还原技术的发展和原料、能源条件的新变化，今后直接还原技术向前发展的主导趋势是：
①天然气资源减少和价格上涨，应优先作为燃料和化工原料，因此，扩大能源范围，煤作一次能源，加快煤的气化技术是发展直接还原的重要研究方向；
②随着高品位块矿资源的减少，充分利用粉矿和精矿，减少加工程序，充分发挥比表面大的优势，加速发展流化床技术；
③提高产品质量和稳定性，增大产品控碳能力；减少生产环节，简化工艺、提高能量利用率，必须开创直接还原新局面。
3、开发中的新工艺
近期开发或进行工业化试验的几种主要的直接还原工艺和方法有：COREX-MIDREX联合工艺、Finmet法、Circofer或Circored法、炭化铁(ICH)法、Fastmet法及Comet法。
3.1 COREX-MIDREX联合工艺
1985年开发了使用替代燃料的MIDREX工艺，在巴西Ipntinga的USMINAS建设了用焦炉煤气的80万t/a Midrex竖炉。但使用焦炉煤气必须脱硫到10mg/m3(<7X10-6)，方可达到工艺要求。另一个替用燃料方向，是商业化的煤气化用于直接还原工艺。
COREX工艺的成功，为缺乏焦煤资源的国家和地区提供了环境污染少，将煤气化的新思路。特别是南非Saldanha公司COREX-2000装置全面投产运行，将工艺过程煤气净化处理后，得到CO为35％，H2为50％和CH4为4.7％的高还原性煤气用可作为MIDREX直接还原的还原剂，能将工艺能量45％的高值煤气得以最佳利用。已证明每生产1t铁水可同时生产1t海绵铁，既降低COREX铁水生产成本，增强COREX的竞争力；又为电炉提供COREX法铁水和MIDREX法直接还原铁优质原料。由于生产时间短，有害元素少，有效提高了炼钢效率，成功地开发了无焦炉、无高炉的清洁生产的钢铁新工艺。
3.2 Finmet法
1991年VAI公司和FIOR公司决定在FIOR法成功的基础上开发Finmet工艺。主要改进：用废气预热替代矿粉预热床；改进旋流器；采用双列流化反应床；采用高CO/C02比还原气等，Finmet法保留了流化床优势、实现能量闭路、提高煤气还原势，增大反应器能力，使产能增加、能耗和成本降低。
将天然气送入重整炉催化重整，新还原气与经清洗、除尘后的还原尾气混合，清除CO2,再加热到850℃后分送双列还原反应床。原料铁粉粒度<12.7mm，在流化床干燥器内被加热到100℃，然后送到压力11X105Pa的料斗内，先进入第1反应器被加热到550℃和被煤气还原。在重力作用下由高流向低位，进入阶梯串联的，温度为550-880℃，压力(11-13)X105Pa的2-4级还原反应流化床。还原气与料流一向相反。碳化反应在最后反应器内完成，90％的碳以Fe3C形式存在，产品含碳可在0.5％-3.0％范围调整。最后压制成5g/cm3的热压块(HBI)。由于直接使用粉矿，无须造块处理，为低成本运行打下了基础。
1996年澳大利亚布罗肯希尔钢公司(BHP)在西澳皮尔巴拉地区黑德兰港建设的第一套Finmet工业设备，已于1999年2月生产出热压铁，年产250万t热压铁。目前以每吨100美元售价销往亚洲市场。第二套250万t/a的Finmet工业设备正在西澳建设，预计生产成本下降20％，生产能力加倍。
3.3 Circored和Circofer法
Circored法和Circofer法同是德国鲁奇公司开发。前者是气基流化床还原法，后者为煤基流化床还原法。核心设备包括一座预还原循环流化床(CFB)和一座终还原鼓泡流化床(FB)。
循环流化床(CFB)的气体流速为普通流化床的10倍以上，由气体带出的颗粒料通过旋风除尘器，返回到流化床反应器中；终还原采用鼓泡流化床，可使固气间逆流原则最为有效，提高煤气利用率，降低成本。Circored法采用天然气催化裂解制取高氢还原气。氢还原为吸热反应，入炉矿粉和还原气都要预热，铁矿粉预热到900℃进入循环流化床参与反应，由于动力学条件的改善，630℃即可反应，矿粉在循环流化床被还原到金属化率65％左右，再进入鼓泡流化床还原到金属化率93％以上，还原铁粉压制成热压块。还原尾气经净化、增氢返回利用。
以粒度<10mm，灰熔点不低于1050℃的粉煤作能源；用1.0-0.3mm粉矿作原料。粉矿用废气加热器预热到800℃，用辅助给料系统将粉煤进入1000℃的气化器内。通过喷氧使煤挥发分和残碳燃烧生成热过程气，并将预热料带人快速循环流化床(CFB)完成高温(≤950℃)预还原，气体速度4-6m/s，使还原气与物料的传质、传热条件最佳化，缩短还原时间，预还原金属化率可达70％，关键是正确分配剩余量比例，使氧化区与还原区分离：用高碳还原剂，解决物料粘结和再氧化；循环碳的布杜尔反应改善了煤气利用率。CFB的热废气经净化、换热、脱CO2，增H2后进入鼓泡硫化床(FB)终还原，金属化率可达93％。为确保产品的低脉石、低硫，压块前可先热磁分选。热压块产品成分为TFe为90.4％，MF为83.2％，C为2.0％，脉石为4.4％，S为0.025％。
工艺的优点：以流化床为主体设备，直接使用廉价的1.0-0.3mm粉矿，目前正在研究<0.08mm细粉料利用；以煤作一次能源，能量闭路，能源消耗低，环境污染小；单位容积产量高，投资少，产品好。
3.4 碳化铁法(ICH法)
该法以天然气作为还原和析碳反应气源。在矿石预热系统，将0.1-1mm粉矿干燥并预热到700℃进人流化床反应器。在550-600℃和300kPa下，铁矿粉与含氢、甲烷、一氧化碳和水蒸气的热还原气接触，Fe2O3被H2和CO还原成Fe；Fe与CH4和CO分解C反应生成Fe2C，一旦生成碳化铁，便排出炉外。炉料在反应床内停约12-16h。
Fe3C产品含93.3％铁、6.7％碳，脉石<3％，磷、硫低。化学性好，不自燃，不易破碎，贮存简便。与DRI、HBI相比：原料准备简单，不需造块，流化床可实现连续化；物料和能量闭路，能量充分利用；环境好、污染轻。据报道，生产成本为97.01美元，而DRI为126.28美元。可见，无论从产品性能还是生产成本，碳化铁法都有较大优势。每吨产品须消耗富CH4天然气336m3/t。
碳化铁被认为是21世纪优质炼钢原料。其优点：①FeC喷入钢水，不添加其他碳源，为电炉提供化学热，节省炼钢能耗，增加用氧量，生产率得到提高；②可连续喷吹加料，形成泡沫渣，降低钢中夹杂元素，氮含量明显下降；③泡沫渣作为可提高热效率、增加电弧稳定性、降低噪音、提高铁收得率；④FeC热态喷入钢水，提供显热，降低冶炼电耗及相关成本。
3.5 Fastmet法与Inmetco法
20世纪60年代，Midrex公司开发用转底炉焙烧含碳球团进行直接还原的Heat Fast法(后称Fastmet法)。与Fastmet法基本相同，后在美国埃尔伍德建立了25X103t/a的金属回收厂，回收镍粉尘，效果良好。
将煤粉与铁精粉混匀制成球团，干燥后以1-3球层铺放在转底炉床面，随着炉床转动，在静态下被加热到1250-1350℃。由于煤粉与铁氧化物紧密接触，铁氧化物迅速被碳还原成DRI。900-1000℃下从转底炉卸出，作电炉热装炉料；也可冷却或生产热压块(HBl)。球团矿在炉底停留8-30min，这取决于原料特性、料层高及其他因素。
从转底炉废气经过再燃烧热交换器，预热燃烧助燃空气，废气用于干燥球团。生产水循环使用，粉尘被回收再利用。
Fastmet法典型DRI工艺技术特点：①用转底炉运载炉料，并在高温敞焰下加热实现快速还原；②选用原料广泛，对炉料强度要求不高；③煤作还原剂摆脱了对天然气的依赖；④转底炉需要的热量可由天然气、丙烷或燃油燃烧提供，也可考虑用粉煤作燃料。实践表明，它是一种有强大竞争力的煤基海绵铁生产方法，在世界范围内受到重视。
值得注意的是，用Fastmet法和Inmetco法生产的还原铁含有较高的脉石和硫，目前尚无经济有效的办法加以分离。
德国曼内斯曼.德马格公司获得Inmetco技术推广许可后，在基础研究和工程化方面都做了大量工作和多方面改进。例如，球团装料防止结块和不均；高温段燃烧采用扁烧嘴，均匀温度分布；防止局部过热和控制炉膛气氛：改摩擦传动代替齿轮条传动，提高设备运行可靠性；卸料系统开发出新的金属收集和运输装备；高温废气通过换热生产高压蒸汽，低温废气预热助燃空气；废气和物料余热被回收和利用，实现高能量利用率(>80％)；实现污染排放量最小化(废气中SOx<50mg/m3，NOx<200mg/m3)，无液态废物。改进后的转底炉技术和埋弧电炉技术结合形成了Redsmelt方法。可满足年产几十万t产品的要求。
在美国印第安纳州Iron Dynamics公司(Steel Dynamics公司的子公司)建成年产60万t还原铁的生产线。该生产线的转底炉直径50m，环宽7m。转底炉生产的热还原铁直接进入埋弧电炉，生产铁水供Steel Dynamics公司的电炉使用。1999年4月投入试运行，1999年12月恢复生产。
神户制钢与Midrex公司合作，于1995年8月在神户钢铁公司加古川厂建成一座直径8.7m，环宽1.25m，产能2.5 t/h的Fastmet示范试验装置。该转底炉用于处理回收的冶金粉尘和含铁废料，回收处理产能1.4万t。
首家商业化Fastmet厂将于2000年在新日铁公司广佃厂投产，可处理含铁粉尘和铁屑19万t。由神户制钢负责设计、制造、安装和建设，总投资20亿日元。同年，君津厂用Immetco法建成年处理能力18万t的直接还原生产线。
MaumeeR＆B公司的专利技术已命名为DRylron法，1997年在AmeriSteel公司建成一座直径16m转底炉，回收冶金粉尘、氧化铁皮和含铁废料，还原后入电炉。DRylron法简化了原料准备，用压块代替造球，不需要将原料磨得很细和加入较多水分，含碳铁氧化物压块后不经干燥直接入炉焙烧。RougeSteel公司也建成直径20m的转底炉。
3.6 COMET工艺
比利时钢铁能源研究中心(DRM)提出在转底炉炉底上将铁矿粉和还原剂分层布料的Comect法。先在100kg/h级试验装置进行实验，作出模型和原料最佳化试验。1996年12月在卢森堡和比利时联合建造了能力为1.5 t/h级试验装置进行工业试验。试验认为，该方法能获得高金属化率、低硫海绵铁，技术上是可行的。
COMEF工艺流程的优点是用碎煤作燃料、粉矿作原料。矿粉、碎煤和熟石灰与石灰石混合物(用于脱硫)，按石灰层-铁粉矿层-煤层的顺序以层交替辅助放在转底炉炉底。从燃料烧嘴吹入燃料遇热空气燃烧为工艺提供热量，在炉体转动过程中将原料快速升温到1200℃，煤粒开始燃烧，燃气中的CO2、水气再与碳反应生成CO和H2，还原铁氧化物，并逐渐融结。
世界上煤炭资源丰富，煤价低，作还原剂可有效降低成本，因此COMET工艺是合理的。近期，卢森堡阿尔贝德公司宣布，比利时马里蒂姆公司已将COMET工艺用于实际生产。
但是，此方法生产率低，难以满足大规模生产要求。1998年初SIDMAR钢铁厂继续在此装置进行试验，取得新突破，提出了SIDCOMET法，其特点是，铁矿粉和还原剂混合装料，不分层；装料点在转底炉的内侧，靠机械装置翻移炉料并推向炉底外侧出料；热还原铁直接装入熔分电炉生产铁水。
4、我国直接还原技术的未来
国际上电炉钢比例不断增加，电炉-连铸-连轧短流程生产线由于其投资省，生产效率高；生产成本低，发展迅猛，受到国际钢铁界瞩目。我国电炉炼钢由于电价高，废钢资源少等原因，发展缓慢以致萎缩，为了满足电炉炼钢需要，每年还得进口大量废钢。特别是优质钢和特殊钢的生产，需要成分稳定，纯净度高，杂质元素含量低的优质废钢。直接还原铁成分稳定、纯净度高、含杂质元素低，是电炉炼钢的理想铁源，作为生产优质钢的稀释剂，有着突出作用。
随着我国钢铁工业的发展和电价合理化，电炉钢比例必将增加，优质废钢的供应将是发展电炉钢的一个制约性因素，因此，发展直接还原，提供更多优质，低价的电炉原料，将是冶金工厂的一项艰巨任务。
20世纪50年代，我国就开始了直接还原技术的开发工作，70年代又掀起了新的直接还原技术研究的高潮。1989年福州40m回砖窑工业试验成功并达到较好水平，推动了我国直接还原的发展。基于我国资源特点，先后在辽宁喀左，天津钢管公司，山东鲁中公司和北京密云建成不同规模和不同类型的煤基回转窑装置，总生产能力达44万t/a。同时，还开发或建设了斜坡炉(XSH-A)法、台车连续炉(COFC)法、转底炉法、BL气基竖炉法等；建成了一批隧道窑直接还原生产厂，产能达15-20万t，到2000年还原铁产量大约12-18万t。总的来看，我国直接还原还有较大差距：生产规模小、工艺技术和装备落后、产量低、质量差、成本高等。因此，发展我国直接还原还需要进行大量卓有成效的工作。
对我国直接还原的展望如下。
(1)当前，世界还原铁生产主要以气基为主，但由于我国天然气资源较少，又是化工原料，发展气基有困难，只能在油、气产区能把天然气用于直接还原铁的生产。然而，我国煤资源丰富，因此，开发煤基直接还原技术仍是解决我国优质废钢不足的重要途径。
(2)我国缺乏高品位铁矿，因此发展直接还原应以高品位、低脉石，低残余元素和有害元素的细精矿为主原料。所以在大型或较大型矿山建设氧化球团供应基地，是推动国内发展直接还原的重要条件。
(3)加速产品结构调整、扩大优质钢生产，提高钢材自给和市场竞争力，必须加快短流程的发展，也为发展直接还原工业开辟了广阔市场。
(4)我国水电资源丰富，电力工业发展必将会进一步推动直接还原电炉炼钢短流程的发展提供大量低价能源。
(5)吸取国外成功的研究成果，大力开发煤气化技术，积极探索立足于我国非焦煤和高品位精矿的产率高、能耗低、单机产能大的直接还原新工艺。
作者：史占彪(东北大学)
