熔融还原炼铁法开发现状（一）
2002-11-15 00:00 来源： 我的钢铁 作者：mysteel
摘要：结合日本钢铁工业未来发展的趋势，介绍了DIOS法研究概况。熔融还原炉的特点是它能和其它直接还原法相结合构成Duplex-DIOS设备，扩大了熔融还原技术的应用。本文简要介绍了由DIOS-SRF和转底炉组合的Duples-DIOS的特征，同时还介绍了Hismelt、AusIron、ROMELT、AISI法、CCF和Cleansmelt等其它几种已出现的熔融还原技术。与其它熔融还原技术相比，DIOS更突出开发和技术应用的力度。本文还介绍了COREX的现状。COREX法是最早的熔融还原炼铁法，其它的熔融还原法都是在此基础上开发的。
1 前言
目前，占世界粗钢产量60%以上的生铁是采用高炉法生产的。高炉法已有数百年的历史，经过长时间的技术改造，最近出现了一座高炉日产1万t以上铁水的记录，因此高炉法已成为能长时间稳定大量生产的非常成熟的炼铁工艺。
但是，根据炼铁原理，装入高炉的各种原料必须是块状的，在矿山现场开采的粉状铁矿石不能直接入炉使用，需经预处理制成烧结矿或球团矿后才能入炉。另外，煤必须用焦炉进行干馏制成所谓的冶金焦，因此仅占世界煤储量105左右的炼焦煤必须和数十种煤进行配合使用。由此可知，高炉法除了高炉本身外，好要有用于原料预处理的烧结机或球团生产设备和焦炉。除这些附属设备外，还需要有热风炉来预热供给高炉的空气。而且，在这些预处理设备中，一旦铁矿石或煤被加热到1200?1400℃左右后，为使原料的粒度一致，需将它们冷却至常温。虽然已采取了各种节能措施，但从总体上来说高炉法并不是一种能效高的炼铁法。
高炉是一座大型设备。一座年产300万t以上铁水的高炉，其高度大约100m，内容积达5000m3左右。因此，高炉设备的更新需要巨大的费用（一座日产1万t级高炉的更新需要数百亿日元，与之配套焦炉的更新费用也基本相同）。另外，全世界对高炉法所不可缺少的焦炉、烧结机和球团生产设备的环保措施提出了非常严格的要求，而且由于担心炼焦煤资源的短缺，因此围绕高炉法的生产环境日益严峻。另一方面，由于替代铁源的直接还原铁（DRI）和废钢具有很强的区域性，因此对不使用高炉的煤基炼铁新技术开发的要求很迫切。
日本从1965年开始，只用10年的时间相继建了7个大型临海钢厂。同时，建设的焦炉虽然采取了许多延长焦炉寿命的措施，如开发焦炉修补技术和向高炉喷煤（PCI）以减轻焦炉负荷（降低焦比）等，但到21世纪初期这些焦炉的寿命将相继到期。另外，从实际情况来看，可装入高炉的块焦占焦炭总产量的83%左右。电炉钢的产量占粗钢产量的30%。到2010年用日本国内生产的焦炭量可生产的铁水量是6250万t，但在其后5年内，尽管PCI量从225kg/t提高到256kg/t，焦比随之从315kg/t下降289kg/t，但高炉的铁水产量将锐减到2200万t/a，粗钢产量不到3100万t/a。为抑制这期间粗钢产量的减少，依赖焦炭的大量进口是不现实的，因此开发了SCOPE-21作为新的焦炭生产方法，但如果在现有焦炉大修的前提下，全行业需要2500?3500亿日元的大修费用。
基于此因，1987年日本大型钢铁公司研究了可以省略焦炉、容易调整产量、且原燃料选择灵活性的可用替代高炉的炼铁法，并从1988年开始将DIOS（铁矿石直接熔融还原法）作为日本国家项目进行为期8年的开发研究。该项目由日煤综合利用中心和日本钢铁联盟共同进行研究，日本钢铁联盟下属的8家钢铁公司（川崎制铁、神户制钢、合同制铁、新日铁、住友金属工业、中山制钢、日新制钢和NKK）参与了研究。DIOS工艺已经有了中式报告，因此本文主要就该项目的总体概况，包括对1997年实施的验证性试验进行介绍，同时介绍了其它铁浴式熔融还原法开发的概况。
2 熔融还原法的特征
高炉法是将铁矿石和焦炭从高炉上部交替装入，形成层状原料层，从炉下部吹入大约1200℃的高温空气使焦炭燃烧，利用燃烧产生的还原煤气从原料层穿过，对矿石进行还原，经过大约6?8h后炼成铁水。
铁浴式熔融还原法是将铁矿石添加到1500℃左右的铁水或熔渣中，在熔融状态下利用铁水中的溶解碳对铁矿石进行瞬时还原生产铁水的工艺。还原所需的碳可以用煤弥补，所需的热量（具体地说，就是矿石和副原料在渣中的熔化热和熔化的维氏体（FeO）在Fe中的还原反应热等）可以用煤或还原反应后产生的一氧化碳完全燃烧至二氧化碳的比例（二次燃烧率）和二次燃烧后产生的热能量在熔融还原放应的利用率（吸收效率）越高，越能减少所需的煤量。另外，在预还原炉（PRF）中利用熔融还原反应（SRF）产生的煤气对铁矿石进行预热，并在预还原之后把铁矿石装入熔融还原炉，由此能提高整个热效率。
根据铁矿石是在熔融状态下被还原这一熔融还原法的原理，可以得出下列特征。因此，自1980年以后国际上的一些研究机构也在积极开发能够弥补高炉法缺陷的熔融还原法。
（a）无须考虑铁矿石类种，能将廉价而且储藏量大的普通煤作为燃料使用；
（b）无须烧结机和焦炉等用于原料块状化加工的设备；
（c）无须巨大的设备；
（d）设备的开机、停机简单，能提高生产的灵活性；
（e）能容易控制发生的能量。
3 DIOS开发的概况
3.1 共同研究项目
从1988年开始的最初3年，作为DIOS的基础研究，是对预还原炉、熔融还原炉以及这些炉子在连接上的主要诸课题进行试验研究，弄清应开发工艺的要点和规模扩大后的特性，取得了各项超过高炉法的研究目标值。根据基础研究的成果，在NKK京浜制铁所建了中式设备，从1993年10月到1996年1月进行了共计10个炉役的验证性试验操作。在试验的同时，对DIOS实用化所需的各种条件，如原燃料的储备和运送、铁水预处理、渣处理以及产生的煤气在制铁所内作为燃料再利用等课程进行了研究，明确了把DIOS作为替代高炉的炼铁法导入时应具备的条件。
根据试验结果，作为替代日本国内大型高炉的前提，对DIOS商用设备进行了方案性设计和经济性评价，1993年3月完成了所有研究。在完成共同研究后，在日本钢铁联盟内设立了DIOS推进委员会，开展了以研究成果的维护、管理和商用化为主的各种工作。作为其中一种工作是由NKK对商用设备的耐用性进行验证性试验，验证了商用设备的各项性能。
3.2 DIOS中试设备的试验
3.2.1 设备概况
DIOS中试设备由铁矿石的预热炉（PRF-1）、预还原炉（PRF-2）及熔融还原炉这3座基本炉子和原料运送设备、出铁出渣设备和包括煤气重整装置和整个系统压力调整装置在内的煤气处理设备构成。设备的生产能力为日产500t。试验操作生产的铁水在京浜制铁所的转炉上精炼成钢水，所发生的煤气作为发电用燃料供给发电厂。
熔融还原炉装有顶吹氧枪和搅拌用的氮气底吹入。在熔融还原炉的炉底设有出铁出渣孔，生产的铁水和渣能在正常操作中排出。另外，从渣浴到上部煤气空间可以设置水冷式铜板。煤气中的烟尘能用热态旋风集尘器捕集，所有捕集到的烟尘都能在热态下与铁矿石一起再装入熔融还原炉。炉子能在不到300kPa的加压条件下操作，利用这一压力能将熔融还原炉产生的煤气导入预还原炉。
PRF-1和PRF-2都是直接使用铁矿石的沸腾失流化床炉，铁矿石的颗粒分布广，其代表性的操作温度分别为600℃和800℃。在PRF-2中，矿石以粒径0.3mm左右为界限，分别粗粒矿石和细粒矿石，它们分别从熔融还原炉的炉顶采用重力装入法装入或采用投射法装入。为把从PRF-2炉内瞬时飞散的微细矿石返回到炉内，延长还原时间，因此要求PRF-2具有循环功能。PRF-1和PRF-2分别附带装有旋风集尘器和矿石输送设备，将高温矿石由PRF-1装入PRF-2，再自动输送装入SRF。
3.2.2 使用的原燃料
中试设备使用的铁矿石是被称作烧结料的最大粒径为8mm的粉矿石，采用高炉法时可直接使用加工成烧结矿的原料。另一方面，使用的煤是通常能用作燃料的非黏结煤，对挥发份（VM）含量不同的煤种进行了试验，最高挥发份值43%。除褐煤外，大部分的煤种都能使用。但是，固定碳量相对低的煤由于会使氧和煤的单耗增大，因此这种煤的使用是否有经济效益与它们的价格和所发生能量的评价有关。（待续）
1 前言
目前，占世界粗钢产量60%以上的生铁是采用高炉法生产的。高炉法已有数百年的历史，经过长时间的技术改造，最近出现了一座高炉日产1万t以上铁水的记录，因此高炉法已成为能长时间稳定大量生产的非常成熟的炼铁工艺。
但是，根据炼铁原理，装入高炉的各种原料必须是块状的，在矿山现场开采的粉状铁矿石不能直接入炉使用，需经预处理制成烧结矿或球团矿后才能入炉。另外，煤必须用焦炉进行干馏制成所谓的冶金焦，因此仅占世界煤储量105左右的炼焦煤必须和数十种煤进行配合使用。由此可知，高炉法除了高炉本身外，好要有用于原料预处理的烧结机或球团生产设备和焦炉。除这些附属设备外，还需要有热风炉来预热供给高炉的空气。而且，在这些预处理设备中，一旦铁矿石或煤被加热到1200?1400℃左右后，为使原料的粒度一致，需将它们冷却至常温。虽然已采取了各种节能措施，但从总体上来说高炉法并不是一种能效高的炼铁法。
高炉是一座大型设备。一座年产300万t以上铁水的高炉，其高度大约100m，内容积达5000m3左右。因此，高炉设备的更新需要巨大的费用（一座日产1万t级高炉的更新需要数百亿日元，与之配套焦炉的更新费用也基本相同）。另外，全世界对高炉法所不可缺少的焦炉、烧结机和球团生产设备的环保措施提出了非常严格的要求，而且由于担心炼焦煤资源的短缺，因此围绕高炉法的生产环境日益严峻。另一方面，由于替代铁源的直接还原铁（DRI）和废钢具有很强的区域性，因此对不使用高炉的煤基炼铁新技术开发的要求很迫切。
日本从1965年开始，只用10年的时间相继建了7个大型临海钢厂。同时，建设的焦炉虽然采取了许多延长焦炉寿命的措施，如开发焦炉修补技术和向高炉喷煤（PCI）以减轻焦炉负荷（降低焦比）等，但到21世纪初期这些焦炉的寿命将相继到期。另外，从实际情况来看，可装入高炉的块焦占焦炭总产量的83%左右。电炉钢的产量占粗钢产量的30%。到2010年用日本国内生产的焦炭量可生产的铁水量是6250万t，但在其后5年内，尽管PCI量从225kg/t提高到256kg/t，焦比随之从315kg/t下降289kg/t，但高炉的铁水产量将锐减到2200万t/a，粗钢产量不到3100万t/a。为抑制这期间粗钢产量的减少，依赖焦炭的大量进口是不现实的，因此开发了SCOPE-21作为新的焦炭生产方法，但如果在现有焦炉大修的前提下，全行业需要2500?3500亿日元的大修费用。
基于此因，1987年日本大型钢铁公司研究了可以省略焦炉、容易调整产量、且原燃料选择灵活性的可用替代高炉的炼铁法，并从1988年开始将DIOS（铁矿石直接熔融还原法）作为日本国家项目进行为期8年的开发研究。该项目由日煤综合利用中心和日本钢铁联盟共同进行研究，日本钢铁联盟下属的8家钢铁公司（川崎制铁、神户制钢、合同制铁、新日铁、住友金属工业、中山制钢、日新制钢和NKK）参与了研究。DIOS工艺已经有了中式报告，因此本文主要就该项目的总体概况，包括对1997年实施的验证性试验进行介绍，同时介绍了其它铁浴式熔融还原法开发的概况。
2 熔融还原法的特征
高炉法是将铁矿石和焦炭从高炉上部交替装入，形成层状原料层，从炉下部吹入大约1200℃的高温空气使焦炭燃烧，利用燃烧产生的还原煤气从原料层穿过，对矿石进行还原，经过大约6?8h后炼成铁水。
铁浴式熔融还原法是将铁矿石添加到1500℃左右的铁水或熔渣中，在熔融状态下利用铁水中的溶解碳对铁矿石进行瞬时还原生产铁水的工艺。还原所需的碳可以用煤弥补，所需的热量（具体地说，就是矿石和副原料在渣中的熔化热和熔化的维氏体（FeO）在Fe中的还原反应热等）可以用煤或还原反应后产生的一氧化碳完全燃烧至二氧化碳的比例（二次燃烧率）和二次燃烧后产生的热能量在熔融还原放应的利用率（吸收效率）越高，越能减少所需的煤量。另外，在预还原炉（PRF）中利用熔融还原反应（SRF）产生的煤气对铁矿石进行预热，并在预还原之后把铁矿石装入熔融还原炉，由此能提高整个热效率。
根据铁矿石是在熔融状态下被还原这一熔融还原法的原理，可以得出下列特征。因此，自1980年以后国际上的一些研究机构也在积极开发能够弥补高炉法缺陷的熔融还原法。
（a）无须考虑铁矿石类种，能将廉价而且储藏量大的普通煤作为燃料使用；
（b）无须烧结机和焦炉等用于原料块状化加工的设备；
（c）无须巨大的设备；
（d）设备的开机、停机简单，能提高生产的灵活性；
（e）能容易控制发生的能量。
3 DIOS开发的概况
3.1 共同研究项目
从1988年开始的最初3年，作为DIOS的基础研究，是对预还原炉、熔融还原炉以及这些炉子在连接上的主要诸课题进行试验研究，弄清应开发工艺的要点和规模扩大后的特性，取得了各项超过高炉法的研究目标值。根据基础研究的成果，在NKK京浜制铁所建了中式设备，从1993年10月到1996年1月进行了共计10个炉役的验证性试验操作。在试验的同时，对DIOS实用化所需的各种条件，如原燃料的储备和运送、铁水预处理、渣处理以及产生的煤气在制铁所内作为燃料再利用等课程进行了研究，明确了把DIOS作为替代高炉的炼铁法导入时应具备的条件。
根据试验结果，作为替代日本国内大型高炉的前提，对DIOS商用设备进行了方案性设计和经济性评价，1993年3月完成了所有研究。在完成共同研究后，在日本钢铁联盟内设立了DIOS推进委员会，开展了以研究成果的维护、管理和商用化为主的各种工作。作为其中一种工作是由NKK对商用设备的耐用性进行验证性试验，验证了商用设备的各项性能。
3.2 DIOS中试设备的试验
3.2.1 设备概况
DIOS中试设备由铁矿石的预热炉（PRF-1）、预还原炉（PRF-2）及熔融还原炉这3座基本炉子和原料运送设备、出铁出渣设备和包括煤气重整装置和整个系统压力调整装置在内的煤气处理设备构成。设备的生产能力为日产500t。试验操作生产的铁水在京浜制铁所的转炉上精炼成钢水，所发生的煤气作为发电用燃料供给发电厂。
熔融还原炉装有顶吹氧枪和搅拌用的氮气底吹入。在熔融还原炉的炉底设有出铁出渣孔，生产的铁水和渣能在正常操作中排出。另外，从渣浴到上部煤气空间可以设置水冷式铜板。煤气中的烟尘能用热态旋风集尘器捕集，所有捕集到的烟尘都能在热态下与铁矿石一起再装入熔融还原炉。炉子能在不到300kPa的加压条件下操作，利用这一压力能将熔融还原炉产生的煤气导入预还原炉。
PRF-1和PRF-2都是直接使用铁矿石的沸腾失流化床炉，铁矿石的颗粒分布广，其代表性的操作温度分别为600℃和800℃。在PRF-2中，矿石以粒径0.3mm左右为界限，分别粗粒矿石和细粒矿石，它们分别从熔融还原炉的炉顶采用重力装入法装入或采用投射法装入。为把从PRF-2炉内瞬时飞散的微细矿石返回到炉内，延长还原时间，因此要求PRF-2具有循环功能。PRF-1和PRF-2分别附带装有旋风集尘器和矿石输送设备，将高温矿石由PRF-1装入PRF-2，再自动输送装入SRF。
3.2.2 使用的原燃料
中试设备使用的铁矿石是被称作烧结料的最大粒径为8mm的粉矿石，采用高炉法时可直接使用加工成烧结矿的原料。另一方面，使用的煤是通常能用作燃料的非黏结煤，对挥发份（VM）含量不同的煤种进行了试验，最高挥发份值43%。除褐煤外，大部分的煤种都能使用。但是，固定碳量相对低的煤由于会使氧和煤的单耗增大，因此这种煤的使用是否有经济效益与它们的价格和所发生能量的评价有关。（待续）
