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基本信息
| 外文名 | Direct reduction ironmaking method |
| 時(shí)間 | 18世紀(jì)末 |
| 特點(diǎn) | 碳、硅含量低，成分類似鋼 |
| 學(xué)科 | 冶金工程 |
| 定義 |
簡介
在低于礦石熔化溫度下，通過固態(tài)還原，把鐵礦石煉制成鐵的工藝過程。這種鐵保留了失氧時(shí)形成的大量微氣孔，在顯微鏡下觀察形似海綿，所以也稱為海綿鐵；用球團(tuán)礦制成的海綿鐵也稱為金屬化球團(tuán)。直接還原鐵的特點(diǎn)是碳、硅含量低，成分類似鋼，實(shí)際上也代替廢鋼使用于煉鋼。習(xí)慣上把鐵礦石在高爐中先還原冶煉成含碳高的生鐵。而后在煉鋼爐內(nèi)氧化，降低含碳量并精煉成鋼，這項(xiàng)傳統(tǒng)工藝，稱作間接煉鋼方法；而把煉制海綿鐵的工藝稱作直接還原法，或稱直接煉鐵（鋼）法。
直接還原原理與早期的煉鐵法（見塊煉鐵）基本相同。高爐法取代原始煉鐵法后，生產(chǎn)效率大幅度提高，是鋼鐵冶金技術(shù)的重大進(jìn)步。但隨著鋼鐵工業(yè)大規(guī)模發(fā)展，適合高爐使用的冶金焦的供應(yīng)日趨緊張。為了擺脫冶金焦的羈絆，18世紀(jì)末提出了直接還原法的設(shè)想。20世紀(jì)60年代，直接還原法得到發(fā)展，其原因是：①50～70年代，石油及天然氣大量開發(fā)，為發(fā)展直接還原法提供了方便的能源。②電爐煉鋼迅速發(fā)展，海綿鐵能代替供應(yīng)緊缺的優(yōu)質(zhì)廢鋼，用作電爐原料，開辟了海綿鐵的廣闊市場。③選礦技術(shù)提高，能提供高品位精礦，使脈石含量可以降得很低，簡化了直接還原工藝。1980年全世界直接還原煉鐵生產(chǎn)量為713萬噸，占全世界生鐵產(chǎn)量的1.4%。最大的直接還原工廠規(guī)模達(dá)到年產(chǎn)百萬噸，在鋼鐵工業(yè)中已占有一定的位置。
海綿鐵中能氧化發(fā)熱的元素如硅、碳、錳的含量很少，不能用于轉(zhuǎn)爐煉鋼，但適用于電弧爐煉鋼。這樣就形成一個(gè)直接還原爐－電爐的鋼鐵生產(chǎn)新流程。經(jīng)過電爐內(nèi)的簡單熔化過程，從海綿鐵中分離出少量脈石，就煉成了鋼，免除了氧化、精煉及脫氧操作，使新流程具有作業(yè)程序少和能耗低的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是：①成熟的直接還原法需用天然氣作能源，而用煤炭作能源的直接還原法尚不完善，70年代后期，石油供應(yīng)不足，天然氣短缺，都限制了直接還原法的發(fā)展。②直接還原爐－電爐煉鋼流程，生產(chǎn)一噸鋼的電耗不少于600千瓦?時(shí)，不適于電力短缺地區(qū)使用。③海綿鐵的活性大、易氧化，長途運(yùn)輸和長期保存困難。目前，只有一些中小型鋼鐵廠采用此法。
方法
現(xiàn)在達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)水平或仍在繼續(xù)試驗(yàn)的直接還原方法約有二十余種，主要分為兩類：
按工藝設(shè)備來分，有三種類型，包括豎爐法、反應(yīng)罐法和流態(tài)化法。作為還原劑的煤氣先加熱到一定溫度（約900℃）,并同時(shí)作為熱載體，供還原反應(yīng)所需的熱量。要求煤氣中H2、CO含量高,CO2、H2O含量低；CH4在還原過程中分解離析的碳要影響操作，含量不得超過3%。用天然氣轉(zhuǎn)化制造這樣的煤氣最方便；也可用石油（原油或重油）制造，但價(jià)格較高。用煤炭氣化制造還原氣，是正在研究的課題。
豎爐法 在豎爐中爐料與煤氣逆向運(yùn)動，下降的爐料逐步被煤氣加熱和還原，傳熱、傳質(zhì)效率較高。豎爐法以Midrex法為代表，是當(dāng)前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的直接還原煉鐵法，其改進(jìn)的生產(chǎn)流程示意見圖1。作為原料的氧化球團(tuán)礦自爐頂加入豎爐后，依次經(jīng)過預(yù)熱、還原及冷卻三個(gè)階段。還原所得的海綿鐵，冷卻到50℃后排出爐外，以防再氧化。還原煤氣用天然氣及豎爐本身的一部分煤氣制造，先加熱到760～900℃，在豎爐還原段下部通入。爐頂煤氣回收后分別用于煤氣再生、轉(zhuǎn)化爐加熱和豎爐冷卻。此法的生產(chǎn)率很高，每噸產(chǎn)品能耗可低達(dá)2.56×106千卡，產(chǎn)品質(zhì)量好，金屬化率達(dá)92%。1980年全世界建有800萬噸/年設(shè)備能力，總年產(chǎn)量約396萬噸 (占直接還原鐵的50%)。直接還原煉鐵
其他豎爐法有 Purofer法，為聯(lián)邦德國提出。特點(diǎn)是用蓄熱式天然氣轉(zhuǎn)化爐制造還原氣，可以獲得較高的煤氣溫度。另外，豎爐不設(shè)冷卻段，海綿鐵在隔絕空氣條件下熱排料，然后進(jìn)行鈍化處理或送電爐熱裝。此法缺點(diǎn)是設(shè)備及操作較復(fù)雜?，F(xiàn)在只在伊朗建有一個(gè)生產(chǎn)工廠。Wiberg法是30年代瑞典開創(chuàng)的一種豎爐法，使用電弧供熱的煤炭氣化爐制造還原煤氣。世界各地曾建立若干小型工廠，目前都已停產(chǎn)。但瑞典又在研究用等離子體加熱的煤粉氣化爐代替電弧供熱的煤炭氣化爐，對Wiberg法進(jìn)行改造，1981年已投產(chǎn)。
中國廣東省曾進(jìn)行水煤氣豎爐的試驗(yàn)，并取得了成功，但未投入生產(chǎn)。
反應(yīng)罐法 墨西哥的HyL法 (指其第一代和第二代)是唯一的工業(yè)化反應(yīng)罐法，在反應(yīng)罐中爐料固定不動，通入熱還原煤氣依次進(jìn)行預(yù)熱、還原和冷卻，最后定期停氣，把爐料排出罐外。工藝流程見圖2。為了克服固定床還原煤氣利用不良的缺點(diǎn),HyL法采用了4個(gè)反應(yīng)罐串聯(lián)操作，還原煤氣用天然氣制造，先在換熱式轉(zhuǎn)化爐中不充分轉(zhuǎn)化。經(jīng)過每一個(gè)罐反應(yīng)后都進(jìn)行脫水、二次轉(zhuǎn)化和提溫，煤氣在1100℃的高溫下進(jìn)行還原。 HyL法使用排料桿，在停止通氣下，強(qiáng)迫排料，因此不怕爐料粘結(jié)，操作溫度較高，雖系間斷作業(yè)，生產(chǎn)率并不低。缺點(diǎn)是煤氣利用差，熱耗大(達(dá)3.4×106千卡/噸)，產(chǎn)品質(zhì)量不均。HyL海綿鐵含碳高 (1.2～2.0%)，不易再氧化。墨西哥建有用此法正式生產(chǎn)的工廠。其產(chǎn)量僅次于Midrex法，1980年產(chǎn)量為236萬噸。第三代的HyL法已放棄四個(gè)反應(yīng)罐，改用一個(gè)，接近Midrex法，于1980年投產(chǎn)。流態(tài)化法 在流化床中用煤氣還原鐵礦粉的方法。在流態(tài)化法還原中，煤氣除用作還原劑及熱載體外，還用作散料層的流化介質(zhì)。圖3示出流態(tài)化還原的一般原理。細(xì)粒礦石料層被穿過的氣流流態(tài)化并依次被加熱、還原和冷卻。還原產(chǎn)品冷卻后壓塊保存。
流態(tài)化還原有直接使用礦粉省去造塊的優(yōu)點(diǎn)，并且由于礦石粒度小而能加速還原。缺點(diǎn)是：因細(xì)粒礦粉甚易粘結(jié)，一般在600～700℃不高的溫度下操作，不僅還原速度不大，而且極易促成CO的析碳反應(yīng)。碳素沉析過多，則妨礙正常操作。為了克服這一困難，流態(tài)化還原多采用價(jià)格高的高氫煤氣。此外，流態(tài)化海綿鐵活性很大，極易氧化自燃，需加處理，才便于保存和運(yùn)輸。1981年中國在山東棗莊進(jìn)行半工業(yè)試驗(yàn)，后投產(chǎn)。
使用固體還原劑的直接還原法
回轉(zhuǎn)窯是最重要的使用固體還原劑（煤炭）進(jìn)行直接還原的設(shè)備。圖4示出回轉(zhuǎn)窯煉鐵的工作原理。
直接還原煉鐵
由還原劑（0～3毫米粒度的煤炭）、小塊礦石和細(xì)粒石灰石（白云石）等組成的爐料由窯尾投入，窯體稍有傾斜，在轉(zhuǎn)動時(shí)爐料逐漸向窯頭運(yùn)動。窯頭設(shè)有燒嘴，使用能產(chǎn)生火焰的燃料（煤氣、燃油或煙煤粉）。產(chǎn)生的高溫窯氣抽向窯尾，氣流與固體爐料逆向運(yùn)動，逐步把固體料加熱，料溫達(dá)到 800℃左右，開始固體碳還原析出的CO在料層上部空間燃燒；放出熱量補(bǔ)充加熱。為了保持料層中還原氣氛，爐料配加的煤炭量必須超過還原反應(yīng)的需要量。
按照出料溫度，回轉(zhuǎn)窯可以生產(chǎn)海綿鐵、粒鐵或液鐵。但以回轉(zhuǎn)窯海綿鐵法最重要?；剞D(zhuǎn)窯煉鐵的主要優(yōu)點(diǎn)是可以直接使用資源豐富的煤炭。其缺點(diǎn)是生產(chǎn)率低。最有代表性的回轉(zhuǎn)窯海綿鐵法是SL/RN和Krupp法，二者工藝流程基本相同。為了提高產(chǎn)量，減輕窯內(nèi)預(yù)熱段工作負(fù)擔(dān)，在窯前配置鏈篦機(jī)，能把入窯料加熱到 800℃。在窯內(nèi)配置隨窯體轉(zhuǎn)動的二次風(fēng)機(jī)，以強(qiáng)化還原析出CO供燃燒(70年代以來改用氧化球團(tuán)或塊礦入爐，取消了鏈篦機(jī))。還原出的海綿鐵經(jīng)過回轉(zhuǎn)冷卻筒冷卻到150℃排料。把混合的剩余碳和吸硫的石灰清除后，得到產(chǎn)品(圖5）?；剞D(zhuǎn)窯海綿鐵產(chǎn)量在1980年占直接還原鐵的15%。中國曾于40年代初在四川綦江進(jìn)行了日產(chǎn)10噸規(guī)模的海綿鐵生產(chǎn)試驗(yàn)，金屬化率可達(dá)90%以上，但因鐵礦脈石無法分離，未能正常生產(chǎn)。
直接還原煉鐵
把回轉(zhuǎn)窯的出料溫度提高到1250℃左右，固體料呈半熔化狀態(tài)，已還原的鐵滴在滾動中聚合成小的鐵粒，出窯后水淬冷卻可與脈石雜質(zhì)磁選分離，得到粒鐵。此法稱為回轉(zhuǎn)窯粒鐵法(Krupp-Renn法)，它能處理選礦困難的貧鐵礦，20世紀(jì)30年代曾在一些地區(qū)廣泛發(fā)展，但該法生產(chǎn)率很低，事故頻繁，60年代后已全部停產(chǎn)。
參考書目
Direct Reduction Technology and Economics of Production and Use，Iron and Steel Society of AIME，1980. 北京鋼鐵學(xué)院煉鐵教研室：《煉鐵學(xué)》，下冊，冶金工業(yè)出版社，北京，1960。
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這家伙太懶了，什么都沒寫！
作者
