收藏词条 编辑词条 熔融还原炼铁
指在反应器中，用碳将高温熔融的铁矿石(铁氧化物)还原成金属铁的非高炉炼铁方法。它是不以焦炭为主要能源生产液态铁的方法。
熔融还原法主要采取两种形式：一步法。用一个反应器完成铁矿石的高温还原和渣铁分离的全部熔炼过程。二步法。在第1个反应器内把含铁原料(块矿、球团、粉矿)预还原，在第2个反应器内进行终还原、熔化分离出液态铁并产生还原气供给预还原用。当前的熔融还原法基本上采用二步法。开发的工艺可分为两类：(1)以熔融气化炉为特点，用该炉的还原气供预还原用，无二次燃烧的方法。(2)以铁浴反应炉为特点，一般有二次燃烧，也有无二次燃烧的方法。
简史
熔融还原的开发在于寻求一种代替常规高炉炼铁的新工艺，它的研究开发经历了3代。
第1代工艺
从20世纪20年代开始，主要是在60年代坚持试验。该工艺是在一个反应器中使用精矿和煤的一步法。如1924年德国霍施(Hoesch)钢铁公司提出的在转炉中使用碳和氧还原铁矿石，至今仍有现实意义。30年代后期丹麦F．L.Smit公司提出的Basset法，德国又开发的Sturzelbug法。50年代后，欧美各国研究开发的熔融还原法有瑞典的Dored法和EV(Eketorp-Vallak)法、意大利的Retored法、英国的CIP法等。这些方法都是一步法，因在试验中出现了一些当时难以解决的问题而宣告失败。其主要问题各不相同，有的是还原时由铁熔体排出的煤气在熔池上方二次燃烧供给热量，由于过程控制困难，二次燃烧时的高温和强腐蚀性FeO熔体对炉衬的严重侵蚀，使炉衬耐火材料消耗大；有的是强烈转动反应器，铁水直接装入耐火装置内，并在造渣前进行保护(旋转法和CIP法)试验，由于铁层和渣层之间只有少量的原料与热交换而被取消；还有的是精矿由对着反应器墙的转盘进行给料，在二次燃烧时，辐射前截断“精矿屏幕”以保护炉衬(E-V法)，此法虽未成功但精矿同时传递熔池中由于二次燃烧产生的部分热量，在今天也是有意义的。
第2代工艺
有代表性的是瑞典在20世纪70年代开发的用电作热源的熔融还原法，如ELRED法、INRED法、PLASMAMELT法。克服了由二次燃烧空间到还原空间传递热量的困难，用终还原产生的废气进行矿石预还原，即“二步法”。但是由于FeO炉渣的侵蚀和热的需求，使终还原阶段消失，于是采用在电炉中靠电供热进行终还原。ELRED法、INRED法早已完成半工业试验，但未到达实际建厂阶段。虽然，电在瑞典是富裕的，但使用电能还原铁矿石，多数情况下是不经济的，因而未能推广。等离子熔融还原法。用于比炼铁价值高的不锈钢烟尘回收的工业生产，现在瑞典有一个用等离子枪工艺加工生产，年产7万t不锈钢(含Ni和Cr)的粉末冶炼厂。
第3代工艺
特点是放弃电能，立足于煤和氧气的“无焦炭工艺”而在大多数情况下仍然保留第2代工艺原有的预还原和熔态终还原的二步法。
近30年来主要工业发达国家研究开发的熔融还原炼铁方法有20多种，80年代以来重点开发的主要方法有COREX法、DIOS法、HI熔融还原法(HISmelt法)等。COREX法是惟一已产业化和商业化的炼铁法。此法具有很高的预还原度和很低二次燃烧率，工艺难度较少，80年代中期开发成功，1989年第一套年产30万t的COREX装置在南非正式投产。韩国于1995年底一套60万t的设备投产，国际上另有5套正在建设中，总生产能力500万t。奥钢联正在设计C-3000型设备，年产110万t，增加了高热值的废气用于直接还原生产海绵铁和终还原炉中喷吹部分矿粉的装置。此法比高炉铁水成本降低20％左右，其原有缺点如能耗较高，生产率不高等已有改善。DIOS法已完成工业试验，HI熔融还原法，已进入工业性试验。两法的特点都是低预还原度和高二次燃烧率。流化床还原粉矿工艺较复杂，预还原度又小，铁熔终还原负担重，二次燃烧率高则氧化度高，温度高。渣线耐火材料侵蚀严重，工艺难度大，工业试验的经济技术指标都不够好。(见表1)住友熔融还原法、川崎熔融还原法、MIP法、COIN法和CIG法只进行了半工业性试验或单体试验；此外美国的AISI法开发进展缓慢，无明显优点，与前苏联的PJV法均为一步法。
| 项 目 |
COREX法 (奥钢联) |
DIOS法 (日本) |
HISMELT法 (澳大利亚) |
| 工艺特点 |
很高的预还原度， 很低的二次燃烧率 |
低预还原度 高二次燃烧率 |
低预还原度 高二次燃烧率 |
| 铁矿料 | 块矿、烧结矿、球团块 | 粉矿 | 粉矿 |
| 项 目 |
COREX法 (奥钢联) |
DIOS法 (日本) |
HISMELT法 (澳大利亚) |
| 还原剂 预还原炉 预还原度／％ 终还原炉 二次燃烧率 煤耗／kg·t-1 氧耗／m3·t-1 |
块煤 竖炉 92～95 竖炉型 <3 1000～1100，固定碳500～650 540～600 |
煤粉 复合流化床 20～30 立式转炉型 50～60 850～1000 500～600 |
煤粉 流化床 20～30 立式转炉型 45～60 1200℃热空气，2300 |
| 工业生产 | 工业试验 | 工业试验 | |
| 规模 | 生产30万t | 500t／d | 360 t／d |
| 生产60万t |
COSRI法是中国研究开发的熔融还原工艺流程，它是以含碳球团为原料的独具特点的低二次燃烧率、中等预还原度二步法熔融还原技术。几年来研究了对含碳球团在气一固相、液一固相和气一液一固三相内的还原反应机理和传热、传质、熔化、混匀等反应特点，在模拟渣焦流动反应条件下研究了煤粉燃烧动力学并系统优化和计算了工艺参数、速度场、温度场、浓度场。开发出诸如利用强烈搅拌的铁浴熔池内实现渣铁分离等关键技术。由此从基础理论研究移向工程化研究。由北京钢铁研究总院、北京钢铁设计研究总院、中国科学院化学冶金研究所、北京科技大学、东北大学、承德钢铁公司等共同协作，建成了包括预还原、终还原和连接系统在内的2～4t／h半工业试验装置。通过试验，达到了预定的技术指标，于2000年1月通过专家鉴定，认为一些关键技术具有创新性。现正准备进一步深化扩大试验。
理论基础 包括热力学基础和动力学基础。
热力学基础 用碳还原Fe2O3时，反应为
Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2；△H=14kJ／mol
按化学计量吨铁的碳耗为161kg；但在高温下，按反应Fe2O3+3C=2Fe+3CO，△H=487kJ／mol进行，其理论碳耗为321kg／t。
E．stelnmet等借反应的热力学平衡，将Fe-O、C-O与H-O系的氧分压联系起来，可以得出液态还原时的Rist图解(图1)，它表示了1900K时的Fe-C-O的平衡，说明了互相对应的平衡浓度和不同碳量时，碳向CO-CO2废气转化的反应过程，反应以逆流为前提。161kg／t的耗碳量只是按化学计算(图中虚线)的，在极限浓度范围内会使逆流反应中断，还原气没完全利用，氧化物的还原不完全。1900K时的FeO-Fe还原阶段的还原气中CO占15％，CO2占85％，算出的最低碳需要量为187kg／t，这个碳量刚超过FeO-Fe的临界点。从能量平衡计算得出：在碳被百分之百地氧化成CO情况下，碳的理论量为274kg／t。这时，除矿石中氧外，还需要额外输入氧。要使单独用碳进行的还原反应在反应各阶段都能得到能量平衡，则FeO阶段得出碳的需要量为518kg／t。对02量需要357m3／t，而预还原后的废气含CO2为37％。
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从理论上对熔融还原冶金原理的论证分析，碳或氢的需要量可以归纳成表2。表2中关于碳的需要量可归纳为：
(1)为了使铁氧化物在煤气一次通过时被还原，需要碳518kg／t，而废气从系统中输出会含有相当可观的能量。
(2)将煤气中含有的能量部分或全部返回过程中，碳的最低需要为274kg／t。
(3)如引入外部能量(电能等)来满足部分的能量平衡要求，那么FeO-Fe还原阶段平衡可移至下限碳耗为187kg／t。
(4)如用外部能量时，再附带将CO2洗涤并将CO引回，整个工艺过程按化学计量碳耗最低值161kg／t．尽管在FeO-Fe阶段配碳与循环煤气已提供187kg／t。
| 用碳还原 | 用氢还原 | |
| 判断标准 |
kgC／tFe m3O2／tFe FeO／Fe 废气 阶段％C02 ％C02 |
m3H2／ m3O2／ FeO／Fe 废气 tFe tFe 阶段％H20 ％H20 |
| 按化学计算的总量 FeO-Fe平衡 总的热平衡 FeO-Fe热平衡 |
1 61 O 100 187 49 15 100 274 211 15 100 518 357 15 37 |
602 O 100 891 25 45 73 839 120 45 100 1803 137 45 (49)① |
表2在Fe：0，用碳或氢熔融还原时，还原剂和燃料的需要量以及额外需要的氧气量
上述的分析只是用纯碳对纯铁氧化物进行的无损失还原，然而根据煤的状况，要考虑到脉石和损失，工业系统中煤的实际需要量可能比上述数据高20％～50％。对于用氢还原也可进行类似论证分析(相应的消耗值也列于表2)。如主要用C，也用些H2作还原剂，其相应消耗值介于二者之间的各自消耗值之和。
动力学基础
大量的液态氧化物还原的试验结果表明，由于试验条件不同，得出的反应机理和控速步骤不一样，这时必须区别是纯氧化物的还原，还是渣中稀释的氧化物或是混合氧化物的还原；还要区别还原剂的种类是固体碳、还是金属液或渣液中溶解的碳或气相中的CO；同时要考虑到，还原期间的浓度变化也常常引起控速步骤的变更和反应速度的相应变化；有时还要考虑催化剂的作用。
对铁氧化物引起还原反应的动力学研究进行的综合对比(见表3)，说明升温100～200C和机械搅拌只能使熔融还原速度提高几倍，而熔态氧化铁与碳饱和铁水间的反应速度最快。在相同条件下，铁水中溶解碳还原熔融FeO的速度要比固体碳或CO还原优质铁矿石速度快10～100倍。比900℃的CO还原优质铁矿石速度快100～1000倍。因此用煤、氧喷入铁水或用其他能源在熔体内部产生热以及将经过预热、预还原的铁矿粉和碳粉喷入铁水是加速熔融还原最有效的手段，也说明铁浴熔融还原具有比固态、气态还原快得多的优越性。
| 试验体系 | 熔融FeO-固体碳 |
| 编号 | 2 3 6 7 8 10 11 12 14 |
| 反应比速度／kg·m-2·s-1 | O．050 O．018 O．013 O．024 O．016 O．024 0．040 0．0024 O．0097 |
| 反应速度快慢次序 | 5 11 13 8 12 9 6 18 16 |
| 对编号24速度的倍数 | 20 7．2 5．2 9．6 6．4 9．6 16 O．96 3．9 |
| 反应温度／℃ | 1570 1450 1450 1480 1450 1650 1450 1480 1575 |
| FeO／％ | 96 90 60 90 80 50 70 10 3 |
| 表观反应级数 | O O 1 1 1 1．77 1～3 2 2 |
|
试验体系 |
熔融FeO-铁水中碳 |
熔融FeO-CO |
固Fe2O3-C0 |
|
编号 |
1 5 16 17 19 20 |
21 22 23 |
24 |
|
反应比速度／kg·m-2·s-1 |
2．500 O．217 3．540 2．570 O．0116 |
O．035 O．0108 O．020 |
O．0025 |
|
反应速度快慢次序 |
3 4 l 2 14 |
7 15 10 |
17 |
|
对编号24速度的倍数 |
1000 86．8 1416 1028 4．6 |
14 4．3 8．O |
1．O |
|
反应温度／℃ |
1600 1450 1600 1 520 1520 |
1600 1450 1600 |
900 |
|
FeO／％ |
100 100 100 60 20 |
100 95 100 |
90 |
|
表观反应级数 |
1 1 2 |
|
|
工艺特点及工艺条件的控制
众多的熔融还原炼铁法有着各自的工艺特点，可归纳为：(1)工艺过程是二步法，还是一步法；(2)有无二次燃烧；(3)主要反应炉的功能是熔融气化炉，还是铁浴反应炉(分立式转炉型和卧筒式转炉型)；(4)供热方式是煤+氧或电+煤；煤、氧加入地点是顶、底、侧或二者结合；(5)还原剂种类和状态：煤(煤粉或块煤)、煤+碎焦、煤粉+H2、煤粉加天然气(主要是CH4)、H2等；(6)矿石状态是粉矿还是块矿、球团等；(7)预还原炉型和方法，是流化床(鼓泡流化床、快速流化床)还是竖炉(球团或块矿)。
主要工艺条件的控制有如下8项：
(1)炉衬寿命。高Fe0渣对炉衬的严重侵蚀一直是影响熔融还原工艺开发的关键技术和经济因素之一。高二次燃烧率产生的气体温度也高，气体温度若为1800℃，这对耐火材料已是苛刻了。适应的炉衬和冷却系统必须以二次燃烧为发展目标。前苏联工业试验的日产1000t铁浴炉渣线附近采用水冷挂渣炉壁取得成功。
(2)二次燃烧率。定义是(C02+H2O)／(C0+H2+CO2+H20)的比值。当熔融还原生成的C0+H2的一部分在熔池上方二次燃烧成CO2和H2O时，能有效地使用高挥发性煤，同时，每公斤煤附加的热量传递到熔池内能降低燃料消耗，改善煤气的利用率，提高了最大的单位体积气体通过能力，具有较高的生产率。需要解决的问题是CO2和H2O降低了还原能力和防止铁的再氧化；为了提高还原能力，措施是煤气改质，并回收预还原的剩余煤气。用煤条件下的二次燃烧率可达60％，试验表明应用二次燃烧能与富气煤使用范围相结合，得到低能耗。
(3)热传递和热效率。高的热流量和良好的热传递条件是高二次燃烧率和高效率的保证。气体调整的稳定温度越低，越有利于从气体到熔池的热传递。热由气体传至熔池的关键技术是大量金属滴被喷至煤气室空间并暂时滞留，待被气体加热后，熔滴重新进入熔池而把热传给熔池。煤气室中的熔滴乳化量是关键工艺参数，增加乳化滴量能降低气体温度，气体温度与气体向熔池的热流量增加相适应。在熔融还原工艺条件下必须得到80％～90％的热效率，形成的熔滴应大于1000kg／s，相当于约1％熔体的喷洒量；熔滴在空间滞留时间平均为1.5s。要注意不使熔滴喷出反应器外，这在卧式容器容易实现(容器可转向)，传统的立式转炉要注意防止溢出。
(4)防止再氧化。C02+H20的含量超过再氧化的平衡条件，会使铁液再氧化。在Fe-FeO-CO2平衡条件下，再氧化度随二次燃烧率增加而迅速增大，当二次燃烧率达60％时达到了喷吹氧的75％。有许多方法避免了气体和铁的直接接触，并以渣为热载体向铁中传递，同时不允许渣传递过剩氧。一个理想的工艺过程是控制铁浴反应器内的渣有足够厚度，顶枪吹氧控制渣上部由高氧势提高二次燃烧率，渣下部由于金属铁接近的平衡所控制，在控制合适的搅拌条件下，上部没有富C02+H20气体向下，渣下部也没有熔滴形成的金属铁向上被氧化。日本新日铁的170t转炉就成功的试验了这种工艺。
(5)竖炉预还原。应防止粘结，提高透气性和预还原速度。用含碳球团代氧化球团是一种有效的解决办法。
(6)流态化预还原。可直接使用精矿粉，有经典式的鼓泡流化床和快速流化床。应防止粘结流失和中间产品的再氧化。利用CO分解(2C0=C+CO2)生成的碳黑沉积在铁矿粉上，这种低温预析碳方法是防止粘结流失的有效方法。
(7)气体除尘、改质、回收和利用。这些方面都有一些重要技术问题，并影响燃烧、能耗、生产率等技术经济指标。
(8)预还原和终还原的合理配合。要求预还原和终还原的还原度、还原气、热传输以及生产能力匹配都要合理，符合流程顺序、生产能力高和经济的目的。
展望
20世纪80年代以来日本、德国、前苏联、美国、澳大利亚、瑞典等国已投入大量资金和人力加速开发熔融还原新流程，并已进入保密阶段。从发展趋势看，将陆续实现工业化。这主要是熔融还原法有以下的优越性：
(1)以煤代焦。用非焦煤代替焦炭炼铁是发展钢铁工业和煤的有效综合利用带战略性的重大问题。由于焦煤资源的匮乏，国际市场焦煤价格比非焦煤高一倍多。虽然高炉也可用喷煤粉和富氧来降低焦比，但吨铁的焦炭需要量仍为300～400kg／t，而熔融还原新工艺却能把焦炭全部代掉，由此可取消炼焦过程。
(2)缩短流程。熔融还原法与现代化、大型化的传统炼铁法——焦炉+烧结+高炉流程相比，可以取消炼焦厂，也可能取消烧结厂。缩短流程使基建投资大幅度降低：按保守估计可节省1／4的投资。不建这两厂，将大大降低钢铁企业的环境污染，改善生态保护，有利于人民和国家的根本利益。
(3)灵活性大。熔融还原新工艺使年产20～30万t的钢铁厂也能达到经济规模，有利于因地制宜建厂；适宜于依据用户要求，生产中、小批量的钢铁品种，较易变更产品结构，也有利扩大规模。熔融还原炼铁法也符合中国国情，加强研究开发熔融还原法势在必行。半工业性试验成功并通过鉴定的COSRI熔融还原工艺流程符合中国国情，如能在工程上开发成功，对钢铁工业的持续发展和科技进步具有重大意义。从长远看，世界焦煤储量不到总煤量的10％，而中国焦煤也较少且大部分分布在山西和华北，低硫、低灰分炼焦煤的供应问题经常困扰一些大钢铁企业，但非焦煤分布却很广，加上高炉流程的环境污染严重，用熔融还原新炼铁法逐渐替代高炉法是资源限制和环境生态保护的必然要求。考虑到钢铁工业是耗资巨大的重工业，焦炉、高炉寿命长达30～40年，新流程也有个逐渐完善、经济合算、逐步推广的过程，所以新流程的优化更新替代将是一个缓慢过程，预计今后数十年传统和新流程将处于共存，因地制宜、互相渗透、优势互补的炼铁生产局面。