钢铁是人类社会最重要的结构材料，也是产量最大、覆盖面最广的功能材料。在可预见的未来，钢材仍将是一种非常重要且不可替代的材料。近年来，随着中国经济的快速稳定增长，钢铁工业取得了前所未有的发展。2005年，中国粗钢产量超过3亿吨，其中大部分来自高炉& mdash转炉工艺。经过数百年的发展，高炉技术已日趋成熟。即便如此，高炉工艺也存在一些问题:工艺流程复杂、能耗高、环境污染严重、投资巨大。此外，鼓风炉工艺强烈依赖冶金焦炭。但从已探明的世界煤炭储量来看，炼焦煤仅占煤炭总储量的5%，且分布很不均匀。因此，高炉炼铁的发展面临着焦煤短缺的困难。为了解决这一难题，许多非高炉炼铁技术应运而生并迅速发展。非高炉炼铁技术按其工艺特点、产品类型和用途可分为熔融还原和直接还原。熔融还原法以非炼焦煤为能源，在高温熔融状态下还原氧化铁，使渣铁完全分离，得到类似高炉的含碳铁水。直接还原法是以气体燃料、液体燃料或非炼焦煤为能源，在铁矿石(或含铁团块)的软化温度以下还原，获得金属铁的方法。该产品具有多孔的低密度海绵结构，称为直接还原铁(DRI)或海绵铁。熔融-熔融还原法是20世纪20年代提出的。20世纪50年代发展起来的熔融还原法大多假设整个熔炼过程在一个反应器中完成，称为一步法。而还原反应产生的CO的燃烧热不能迅速传递到吸热的还原反应区，迫使冶炼停止而失败。自20世纪70年代以来，两步法原理被广泛采用:整个冶炼过程分为固体预还原和熔融终还原两步，分别在两个反应器中完成。其中最重要的COREX方法是在奥地利和德国政府的资金支持下，由KORF和VOEST-ALPINE共同开发的，目前已经进入工业应用阶段。还有其他熔融还原工艺在研究阶段，如HISMELT、FINEX、DIOS、AISI、COIN等。下面简单介绍几种广泛关注的工艺。

1 COREX

多年来，COREX工艺是唯一工业化的熔融还原工艺。目前有几套COREX设备在运行，中国上海宝钢引进的一套COREX-3000正在建设中。COREX工艺流程是矿石的还原和熔化在两个炉内进行，分别用预还原竖炉和熔化气化炉还原和熔化铁矿石。COREX预还原竖炉采用高架结构，熔融气化炉产生的高温还原气体送入预还原竖炉，逆流通过下降的矿层。从还原竖炉排出的预还原矿的还原率约为95%，料温为800 ~ 900℃。熔化气化炉的任务是熔化预还原矿石并产生还原气体。COREX法的优点是:以非炼焦煤为能源，摆脱了高炉炼铁对优质冶金焦的依赖；对原料和燃料适应性强，生产的铁水可用于氧气转炉炼钢；生产灵活，必要时可生产高热值煤气，解决钢铁企业煤气平衡问题；直接使用煤和氧气，不需要焦炉和热风炉等设备，减少污染，减少资金投入，比高炉降低生产成本30%以上。但是COREX也有一些缺点，对矿石质量要求严格。必须使用粒度中等均匀的块矿原料，如球团矿、天然块矿、烧结矿等，不能使用含磷量高的矿石。此外，COREX要求使用块煤，这也是一个潜在的问题。

现在采煤已经机械化，原煤中含粉量高，块煤在储运过程中不可避免的会产生粉末。因此，COREX需要解决煤粉的利用问题。COREX煤(吨铁约1000kg)的消耗远高于高炉工艺，其最终能耗和运行成本很大程度上取决于尾气的综合利用。

2 FINEX

由于COREX使用粒度为8 ~ 30 mm的块矿，大量廉价的粉矿无法直接使用，浦项钢铁公司和奥钢联联合开发了1 ~ 10 mm粉矿的FINEX工艺，FINEX的特点是采用多级流化床反应器代替COREX竖炉还原铁矿石。在流化床反应器中，由熔化气化炉提供的热还原气体用于还原带有添加剂的铁粉矿石。采用适当的气流速度以减少流化状态下的负担。因此，不存在炉料的透气性问题，所有铁粉矿都可以作为原料。目前，韩国浦项制铁公司的FINEX演示装置已于2003年5月底投产，预计近期将投入工业生产。

FINEX工艺是两种成熟工艺的结合，即流化床工艺和COREX熔化气化炉工艺。其特点是:①不需要焦化厂和烧结厂，节省设备投资，减少环境污染；②粉铁矿和普通煤可作为炼铁原料。从生产成本来看，粉矿价格比块矿低20%左右，普通煤比焦煤低25%左右，所以其原料成本相对较低。同时，FINEX工艺也存在一些不足。FINEX方案固定投资较高，比高炉方案总投资高20%左右。燃料和动力成本也比高炉高。为了降低FINEX的成本，必须进一步降低每吨铁的煤耗。FINEX可以选择性的处理矿粉，要求矿粉粒度在1 ~ 10 mm，由于FINEX采用流化床工艺，会有粉体粘结的问题，导致其运转率

3 HISMELT

他的HISMELT(高强度熔炼)技术是由克洛克纳和德国CRA公司联合开发的。该工艺可以直接使用粉矿和煤粉进行冶炼。可以将煤粉喷入铁浴炉的熔池中，将1200℃的富氧热空气吹入炉顶，使炉内产生的气体进行二次燃烧，产生的热量可以满足熔池反应的需要，最终还原炉产生的还原气体可以作为还原剂进入预还原系统。HISMELT工艺可以直接将铁矿粉吹入熔融还原炉。目前已经完成中试，正在向产业化迈进。2003年2月，首钢投资的HISMELT工厂(年产80万吨)在澳大利亚Kwinana开工建设，2005年5月调试工作基本完成。

HISMLET法可以直接使用粉矿和煤粉，其熔融还原炉产生强烈的搅拌和高温，所以铁矿粉的还原速度很快。HISMELT的另一个特点是可以处理廉价的高磷铁矿粉。由于熔融还原炉二次燃烧率高，高温尾气的利用价值很低，只能用于预热粉矿。为了综合利用尾气，HISMELT计划采用添加天然气的方法，使尾气用于发电或铁矿粉预还原(还原率在30%以下)。由于熔融还原炉采用二次燃烧方式，炉内呈现氧化性气氛，严重侵蚀炉衬。炉膛压力小于1kg，使煤气得不到有效利用。另外，HISMELT采用虹吸出铁，无法保证铁水温度。

直接还原

根据还原剂的不同，可分为气基和煤基直接还原工艺。在铁的直接还原过程中，气基直接还原仍占主导地位，2004年气基DRI的产量占DRI总量的88%。MIDREX和HYL-III是最重要的基于气体的直接还原工艺。他们将天然气转化为所需的还原剂，然后在竖炉中还原块矿或球团矿。其他主要的直接还原工艺包括FIOR(FINMET)、ITMK3、FASTMET等。

1基于气体的直接还原工艺

在以气体为还原剂的直接还原工艺中，以流化床为反应器的米德雷克斯法和HYL-ⅲ法以及芬梅法和环流法得到了迅速发展。MIDREX公司成功开发了Midrex直接还原工艺。属于气基直接还原法，以天然气催化裂解得到的气体(主要成分H2和CO)为还原剂，在800 ~ 900℃还原铁矿石得到海绵铁。MIDREX法具有工艺成熟、操作简单、生产率高、热耗低、产品质量高等优点，因此在直接还原工艺中占据主导地位。然而，MIDREX也有一些局限性。首先，它需要丰富的天然气资源来保证。其次，MIDREX反应温度低，反应速度慢。炉料在还原区停留约6小时，在全炉停留约10小时。此外，MIDREX工艺要求铁矿石粒度合适且均匀，粒度过大会影响CO和H2的扩散，降低反应速度。粒径太小，透气性差，还原性气体分布不均匀。一般小于5mm的粉末含量不应超过5%。同时对铁矿石的品位要求也很高，这是海绵铁直接还原生产中普遍存在的问题，对矿石中S和Ti的含量要求非常严格。

因为使用块矿或球团矿，所以生产能力相对较低。为了提高气基竖炉的生产能力，MIDREX最近向竖炉中注入少量氧气，以提高还原气体和炉料的温度。研究表明，将物料温度从789℃提高到898℃，竖炉生产能力提高了50%。以流化床为反应器的FIOR(FINMET)工艺发展迅速，以循环流化床为反应器的环流工艺也受到广泛关注。1976年提出了FIOR法，这是一种在流化床中还原铁矿粉生产热压铁的方法。委内瑞拉用这种工艺建造的工业工厂已经运行了25年，总产量超过600万吨。1991年，FIOR法得到进一步发展，VAI和埃克森在FIOR的基础上联合开发了新的炼铁工艺FINMET。这一过程中使用的矿石粒度小于12毫米。还是四级流化床反应器(第一级流化床温度500℃，压力1.1MPa末级流化床温度800℃，压力1.4MPa)。热还原铁粉通过气流输送到热压系统，直接得到热压块铁。用于还原的气体由新生产的气体和循环气体组成。除尘后，循环气体与新鲜气体混合，然后除去CO2，预热至850℃并引入反应器。FINMET是目前唯一投产的粉矿直接还原技术。然而，FINMET过程仍然有一些缺点。其还原剂一般使用天然气(每吨HBI约15GJ)，所以只能在天然气价格低的地区推广。同时对矿石要求高，处理不了大量的低品位铁矿石。FINMET采用普通流化床工艺(FB)，气体流速慢，生产能力低(1.5 ~ 2t/(m3 & middot；d)，还容易出现粘结现象。另外，采用高压操作对设备和操作要求极高，都影响了这一工艺的进一步推广。

Circored工艺是在循环流化床(CFB)中用纯氢气还原粒径小于1毫米的铁矿粉。研究表明，在650℃下，铁矿粉还原15min，还原率可达70%。为了提高整个过程的生产效率，需要用氢气进一步还原CFB铁矿粉4h，以达到95%的金属化率。但它必须解决廉价氢气的来源问题，而且它仍然使用普通的流化床，这就导致了粉末粘结的问题。

2煤基直接还原工艺

煤基直接还原工艺的研究重点是转底炉工艺，其特点是铁矿石在转底炉内高温下的固态还原。目前已经产生了一些变体工艺，如FASTMET和ITMK3工艺。在美国能源部(200万美元)的支持下，ITMK3工艺已经完成了初步测试。该工艺可获得珠铁，其吨铁综合能耗为615kg标准煤(含12GJ煤和6GJ煤气)。转底炉的优点是可以处理低强度含碳球团，但高温尾气带走大量热量，导致能耗高。由于气体热辐射传热，转底炉只能铺2 ~ 3层球团，设备利用率低(~ 100kg/(m2 & middot；h)).

从以上比较可以看出，气基还原法具有熔炼温度低、能耗低、产品质量好的优点，但由于我国的资源特点，在我国发展起来比较困难。转底炉的特点是可以使用低强度含碳球团，但能耗高，产能低，产品质量差。低温快速还原炼铁新工艺根据对炼铁技术的深入研究和对我国具体国情的分析，钢铁研究总院提出了低温快速还原炼铁新工艺，即先将铁矿粉在高效球磨机中进行精炼活化，然后在低温还原装置中进行快速还原。通过近几年的研究，开发了超细粉末催化低温冶金新技术。该技术充分结合了超细粉体和催化剂的优点，改善了动力学条件，因此可以大大降低反应活化能，降低还原反应温度(至700℃左右)，实现低温快速反应。它是一种能耗低、污染少、资源利用率高的绿色冶金新工艺。新工艺可以利用煤气化技术生产还原气，也可以利用我国日益过剩的焦化煤气，不需要像FINMET和Circored工艺那样依赖天然气资源，符合我国的能源结构。新工艺还可以直接利用我国铁精矿粉，节省造球工序和相应的能耗。钢铁研究总院发明了多级循环流化床反应器，不仅解决了普通流化床粘结问题，而且大大提高了设备利用率(高达50t/(m3 & middot；d)此外，新型反应器还能提高还原性气体的利用率，降低工艺能耗和固定投资等。新工艺与其他炼铁工艺的比较见表1。从表1可以看出，新工艺的能耗远低于其他炼铁工艺，CO2等废气的排放也将远低于其他工艺。

表1各种炼铁工艺数据对比

目前，低温快速还原新工艺已得到国家支持，基础理论研究工作已基本完成。反应器研发和工艺研究正在进行中，有望成为新一代炼铁工艺。现在冶金行业比较重视的非高炉炼铁工艺中的COREX、FINEX、HISMELT工艺可以避免炼焦煤，从而避免了炼焦工艺对环境的污染。COREX采用竖炉-熔化气化炉的冶炼工艺，FINEX采用流化床& mdash熔融气化炉的熔炼工艺，而HISMELT采用铁浴还原，决定了这些工艺的特点和适用范围:COREX必须使用块矿，HISMELT和FINEX可以使用粉矿；成熟的竖炉气基还原工艺是COREX工艺产业化的重要保证。铁浴炉二次燃烧与炉衬侵蚀的内在矛盾决定了FINEX和HISMELT比COREX工艺实现起来要困难得多，因为粉末流化床的问题还没有完全解决。COREX和FINEX工艺产生大量高热值的还原尾气，尾气的利用方式将决定工艺的经济性，而HISMELT尾气高热值和低热值成为& ldquo鸡肋& rdquo。各种气基还原工艺都可以在较低的温度下生产海绵铁或热压块。竖炉工艺(MIDREX，HYL-III)比流化床工艺(FINMET)更成熟，因此竖炉工艺仍然主导着基于气体的还原工艺。目前气基还原工艺使用天然气资源，在国内发展难度较大。低强度含碳球团可用于底炉工艺，为煤基直接还原工艺注入新的活力，但其能耗高、生产效率低、产品质量差将制约其发展。目前，世界各国都在进行实验研究，把非高炉炼铁工艺作为钢铁工业技术革命的一项措施，试图寻求新的突破。为了跟上国际钢铁技术革命的步伐，中国也有必要加强这方面的研究和开发。基于这种情况，钢铁研究总院提出了低温快速还原新工艺，实现低温快速反应。该工艺可以利用我国日益过剩的焦化煤气或煤气化获得还原气，不依赖天然气资源；中国的铁精矿粉也可以直接利用，省去了造球过程和相应的能耗。因此，它是一种能耗低、污染少、资源利用率高的绿色冶金新工艺。目前处于研发阶段，发展前景良好。

下一篇：铜的冶炼方法及工艺流程化学题(铜的冶炼方法有哪些)

上一篇：氧化镍矿石直接生产3 0 0系列不锈钢