直接还原炼铁(irｏn　making　of　directre　duction)

用气体或固体还原剂在低于矿石软化温度下，在反应装置内将铁矿石还原成金属铁的方法。其产品称直接还原铁(DRI)，这种铁保留了失氧前的外形，因失氧形成大量微孔隙，显微镜下形似海绵结构，故又称海绵铁。如用氧化球团矿(冷固球团等)生产则其产品称金属化球团。直接还原铁不含(或甚少)有色金属夹杂元素、有害元素量少，是生产优质钢和纯净钢的理想原料。

简史　人类最早获得铁的方法就是直接还原法。但原始工艺复杂，效率低，不能适应人类进步的需要，后被二步法取代，这成为钢铁冶金技术的一次飞跃。随着人们对钢铁需求的巨大增长，冶金焦供应日趋紧张。到18世纪又提出现代直接还原炼铁的设想，1865年在英国提出了第1个直接还原专利，50年后才出现了工业化的霍格纳斯法(}tbgan~s)、维伯尔(wiberg)直接还原法，20世纪60年代石油及天然气的开发，为发展直接还原提供了方便、廉价的新能源；而选矿技术的进步，可提供高品位、低脉石的纯净铁精矿；电弧炉炼钢技术的发展，开辟了新型材料市场和生产技术，它则需要优质、纯净的炼钢原料。1975年世界直接还原铁的生产能力为436万t，实际产量281万t，仅为铁总产量的O．6％。在世界粗钢生产呈现停滞的情况下，直接还原炼铁却快速发展；到1995年直接还原铁生产能力达4660万t，实际产量为3075万t，20年间分别增长10倍和10．9倍。世界上直接还原铁产量超过百万吨的国家已有11个(委内瑞拉、墨西哥、巴西、特立尼达和多巴哥、伊朗、沙特阿拉伯、印度、印度尼西亚、马来西亚、俄罗斯和加拿大等)。其中委内瑞拉的产量已达472万t。在当前要求钢铁工业投资省、见效快、效益好、低能耗和提高钢材质量、扩大钢材品种的形势下，直接还原电炉炼钢短流程迅速发展，进一步推动直接还原的发展，据预测2000年世界直接还原铁产量将达到5070～5200万t。

直接还原炼铁已有百余年历史、出现过百余种方法。现在已工业化或有工业价值的方法近40种。根据还原剂类型有使用气体还原剂的气基直接还原炼铁法和使用固体还原剂的煤基直接还原炼铁法两大类。以生产能力和实际产量而论，气基法为主导，约占90％，煤基法仅占约10％。

气基直接还原炼铁法　以天然气、油作能源，用氧化性气体(CＯ_２、H_２Ｏ)或氧作氧化剂，采用催化转化、高温裂解或部分氧化法实现碳氢化合物的分解转化，制成CＯ和H_２混合气或H_２还原气；或者用焦炭(或煤)制备还原气，在一定温度下将铁氧化物还原成金属铁。主要方法有竖炉法、罐式法、流态化法和碳化铁法。

竖炉法　以米德莱克斯(Midrex)法为代表。用氧化球团和块矿作原料从炉顶加入，从竖炉中部进风口通入热还原气，炉料在与热风的逆向运动中逐渐被热还原气加热还原成海绵铁。为防止其氧化，再用竖炉下部送入的冷却气冷却到100℃以下，或经钝化处理(见直接还原铁钝化)，或不经冷却将海绵铁在热态下压制成块状，又称热压块(ＨBI)。(见直接还原铁压块)还原气利用竖炉炉顶气作氧化剂，采用换热催化转换装置重整天然气制得。米德莱克斯法传热、传质效率好，能耗低(10．5GJ／t海绵铁)，产率高，质量好，装备已系列化，单机最大产量已达75万t／a，发展最快。1995年世界米德莱克斯法的实际产量为1986万t，占直接还原铁总产量的64．8％；普罗费尔(P、wrofel‘)法的特点是采用蓄热式催化转化天然气工艺制得氧化度低、温度高的还原气。该竖炉无冷却带，热海绵铁产品在隔绝空气条件下排入密封料罐送电炉热装、或热态压块。缺点是操作较复杂。该法只在伊朗有生产厂；维伯尔(wibet•g)直接还原法1918年在瑞典发明。以焦炭或木炭作燃料，用电阻供热气化竖炉制取还原气，经脱硫、调温后从还原竖炉底部送入，将竖炉顶部加入的铁矿石预热、还原，其中一大部分从炉子中上位置抽出送往气化炉制取还原气。产品冷却后排出炉外。该法低压作业，作业周期长、生产率低且设备未能大型化。由于采用等离子供热，用块煤代替焦炭，在生产能力扩大方面取得相当进展。70年代中国成都、韶关、佛山等地进行过天然气和以煤作燃料制备还原气的竖炉直接还原工艺试验研究。

罐式法也即希尔(HyL)法，1957年开发于墨西哥。该法作业稳定，设备可靠。推广很快。它是将铁矿石装入反应罐内．通入用天然气经水蒸气催化转化制备的还原气，依次完成预热、预还原、还原、渗碳冷却，成品从罐中卸出等工序。为克服作业不连续和还原气7]2利用差的缺点，将4个反应罐组成一组串联作业，作业温度1050～110０℃。罐式法产品质量不均匀；经多次将还原气冷却、加热，因此热耗较大，煤气利用不好。1979年HyLsa公司对HyL法进行重大改进，将4个反应罐组合成一座竖炉，将天然气重整、转化与还原气的反复冷却、加热合并，实现工艺的连续化，提高作业压力(０．4～０．6MPa)，生产热效率和生产率显著改善，产品稳定、能耗下降(10．04～11．20(w／t)，改进后称HyL一Ⅲ型。近期已陆续将HyL法改造成HyL一Ⅲ法。HyL法和HyL一Ⅲ法合计的直接还原铁产量为815万t，占总产量的26．6％。仅次于米德莱克斯法。

流态化法　曾开发过HＬ—铁法，Nｕ—铁法及Fior法，以Fior法为代表。1960年开发，80年代实现生产正常化。该法用天然气(或石油)与蒸汽催化转化或部分氧化法制备含ＣＯ+H_２+N_２的混合气，经脱除ＣＯ_２后与净化循环气混合作还原气。还原气被加热到840℃，由下而上逆向通过四段流化床。铁矿粉在重力作用下顺序进入预热、预还原、还原各流化床，还原后海绵铁粉通过压块机进料筒送入压块机压块。流态化法不需造块、充分利用粉矿比表面积大、还原快的优点，获得设备的高生产率。但其产品活性大、不稳定，必须钝化或压块处理，且总能耗偏高。

碳化铁法美国海森调查公司开发。将铁矿粉送入流化床内，通入主要成分为H₂和ＣH₄的热还原气，在550～600℃、0．18MPa下，进行反应：3Fe_２Ｏ₃+5H₂+2ＣH₄—2Fe₃Ｃ＋9H₂Ｏ，制得含有6％c的铁产品。产品稳定、不自燃，使用中除具有直接还原铁的优点外，产品含碳高，冶炼燃烧放热，可实现炼钢过程热量自给，降低炼钢电耗。

煤基直接还原炼铁法用非焦煤或含碳物作还原剂和热源，在不同反应器内将铁矿石固相还原成金属铁。已工业化的主要是回转窑直接还原法，其他有竖炉法、转底炉法、固定床法。近几年该法在缺乏天然气和石油的地区得到较快发展，生产能力和实际产量分别达到366万t和246万t。从世界能源储备看，发展煤基直接还原是势在必行。

回转窑法50年代开发，后因技术问题，发展一度停滞，80年代后又得到较快发展。该法用非焦煤作还原剂送入稍有倾斜的回转窑内、从窑头和窑身多点送入空气，用以助燃从窑头喷入和窑尾加入的还原煤中所释放的挥发分及还原反应产生的c0和碳，获取反应需要的950～1100℃高温和热量，将从窑尾加入的铁矿石还原成海绵铁，经冷却、筛分、磁选得到直接还原铁，磁性粉末须压块使用。立足于资源丰富、分布广的非焦煤，在缺乏天然气资源的地区发展很快。该法以ＳL—RN法为代表，其生产能力和产量分别占回转窑法的62．7％和55％以上。此外，还有ＣＯＤIR法、ＤRC法、TDR法；以及可同时用非焦煤配以天然气或油作能源的ACCAR法。前几种基本工艺相似。中国以煤炭为基本能源，非焦煤分布广泛，因此长期进行了煤基回转窑法的试验研究，1994年建成回转窑直接还原厂投入生产，1996年底已拥有35万t生产能力。

固定床法1913年在瑞典工业化。以高品位铁矿为原料，粉焦作还原剂，采用隧道窑直接还原(罐式)法(}t6ganfis)生产高金属化直接还原铁作特殊钢原料。经过改进，已实现机械化，降低了劳动强度，提高了产率。成为世界上生产粉末冶金还原铁粉的基本方法。该法作业周期长、生产率较低，能耗偏高。

竖炉法已工业化的为KM(Kinglor—Metor)法。它以非焦煤作还原剂，在外加热的碳化硅反应管内，于1050C下将铁矿石还原，冷却后磁选分离出直接还原铁。其工艺简单，生产费用低。但因反应管材质和结构限制了大型化，没能得到发展。此外米德莱克斯公司考虑到天然气储量和产地的局限性，积极开发煤基竖炉工艺，1977年电热煤基竖炉法(EDR)实验装置开始运行。竖炉采用正方形断面，沿炉高分为预热、还原、冷却三段。炉内衬对称装设耐热钢板制成的电极，靠电阻热将炉内炉料(铁矿石、还原煤和石灰石)加热并提供反应热，保证铁矿石还原反应进行。该实验证明它对原料和燃料适应性强、产品质量好、可适用于低电价地区。

转底炉法米德莱克斯(Midrex)公司开发的Fast—met法。用粉矿与煤按比例混合制成球团。经干燥后铺放在环形旋转炉底床，用粉煤(或煤气)加热到1250～1350℃，实现快速还原生产得金属化球团，卸出后直接热装电炉或热压块。该法效率高，单位投资省。年产2万t的示范设备已投入运行，还拟建年产45万t生产厂。

应用在初期，直接还原铁作为废钢代用品补充废钢的不足。随着工业技术的进步，用户对钢质和品种的要求提高，电炉钢的比重随之提高，导致废钢供应日趋紧张，尤其是生产优质钢和纯净钢所需要的原料；而控制废钢中有色金属夹杂元素和有害元素含量是改善钢质量的基础。直接还原铁不含有这些杂质元素和有害元素少，在电炉生产中配用能起到稀释有害元素和显著改善钢质作用；电炉冶炼配加直接还原铁，能形成熔化期的碳沸腾、形成泡沫渣，促进炉料熔化，降低钢中氮、氢含量、保护炉衬，缩短精炼期和冶炼时间；直接还原铁成分均匀、稳定，块度适中，能够连续加料，充分发挥电炉的电功率，减轻电网冲击，作业稳定；能提高生产率，降低能耗。是电炉生产纯净钢种不可缺少的理想原料。