米德莱克斯法(Midrex shaft furnace direct reduction process)

一种重要的气基直接还原炼铁方法。该法是美国表面燃烧公司的研究成果。从1936年开始研究，经长期试验，直至1966年天然气制取还原气和气一固相逆流热交换还原竖炉两项关键技术的成功，才使米德莱克斯(Midrex)法发展起来。1966年在俄勒冈州波特兰的俄勒冈钢厂建立了直径450mm，日产1．5t的试验装置。试验成功后，于1969年在该厂建立起两套直径3．7m的生产装置，每套年产量为15万t。1971年。米德兰•罗斯(Midland—ROSS)公司为联邦德国科夫公司(Korf—stahl AG)在汉堡建立起年产40万t的直接还原铁生产厂。从此，米德莱克斯法竖炉在世界上迅速发展，已成为技术较成熟，生产量最大的直接还原炼铁法。截至1992年底统计，世界上已建成和在建的米德莱克斯生产装置年产能力为2114．8万t(见表1)。

表1 米德莱克斯直接还原厂家

基本原理及工艺过程  

米德莱克斯竖炉是气、固相逆流热交换和还原反应。铁矿石在下降的过程中，被热还原气加热和还原。该法的标准工艺流程如图。可以看出，竖炉直接还原流程由竖炉、还原气重整炉(亦称制气炉)、炉顶气及冷却气净化、烟气废热回收等部分组成。对于直接还原铁需外售并远距运输的工厂，竖炉可取消冷却区而加进直接还原铁的热压系统。

设备及工艺特征  

竖炉   以年产40万t标准型竖炉为例。竖炉总高45．19m，最大外径7．188m，还原区直径4．8m，还原区高度9m，总容积为341m³，上部圆柱体部分262m³，下部圆锥体部分79m³，还原气入口38个，向下斜吹。圆柱体部分用高铝砖砌筑，圆锥部分无炉衬。

(1)炉顶受料漏斗设有料面探测和报警装置。下料总管406mm，管长6．1m，下料总管采取动力学气体密封装置，还设有两个切断阀用作长时间停炉时切断料流和气流。总管下接布料分配箱，箱下有16根布料支管，保证均匀布料。

(2)竖炉内有3层破碎辊，上层为3辊，辊为水冷，位于冷却气导出管上部。下两层破碎辊为2辊，位于圆锥体下部。破碎辊作用为：保证下料均匀；破碎黏结的炉料；控制下料量。各辊均用液压驱动，摆动角45^。，按摆动频率控制下料量。

(3)冷却气分配器和集气管。是保证直接还原铁均匀冷却的重要部件，冷却风帽倒装在竖炉圆锥部的中心，冷却气从风帽进入炉内，冷却气上行，冷却热直接还原铁。冷却气加热后经3根横跨竖炉断面的导出管被抽出竖炉、出炉后的热冷却气进入冷却气的洗涤塔洗涤。

(4)排料系统。在黏结炉料破碎辊的下面，设有一个料面指示报警器，保证排料气体密封装置正常工作并与摆杆式容积排料机联动运行。排料部分气封原理与炉顶下料总管的气封原理相同。

(5)摆杆式容积排料机。在下密封管的下端，有一弯月形底板，在出料管上装一摆杆，由液压传动系统控制往复运动，将管内直接还原铁排到皮带运输机上。用摆杆摆动的频率来控制排料量。

还原气重整炉  

又称制气炉或转化炉。与年产40万t直接还原竖炉配套的重整炉长3．9m，宽为10m，炉墙耐火材料厚300mm，隔热层厚为80mm，炉顶厚230mm，炉子外面可以是钢壳，也可以是耐火砖墙。

(1)转化管。管子的数量为288根，管径250mm，一般按4排排列。管子总长10m，加热段长8m，材质为含Ni35％、Cr25％、Co15％的高合金铸管，耐温1050℃。

(2)催化剂。米德莱克斯法采用适于炉顶气转化工况的含镍催化剂。为防催化剂中毒，要求天然气含S<15×10^-4％。

(3)转化炉加热系统。加热烧嘴设在炉子底部各排转化管之间。为了提高炉子燃烧率，对燃烧用的助燃空气和工艺过程气都进行预热。工艺过程气可预热到540℃，空气可预热到675℃。

(4)辅助燃烧系统。除了生产正常时的加热系统外，还设有事故状态下的辅助燃烧系统。辅助燃烧系统的作用是保证临时停产时使转化炉的温度保持在980℃，以便复产时能迅速达产，同时也是为了避免合金钢管和耐火材料因急冷急热而损坏。辅助燃烧系统有单独的燃料及供风设备，保证在加热系统临时停止工作时还能独立运行。

(5)换热器。烟气热能回收采用壳管式换热器对工艺过程气和空气进行预热。烟气热能回收可降低全过程能耗，改善转化炉燃烧状况，防止冷空气和主烧嘴燃料混合时可能发生的滞后燃烧的倾向。

冷却气洗涤塔 

米德莱克斯竖炉采用复合型除尘净化装置。洗涤系统由文丘里管，填料洗涤塔和锥心除雾器3部分合成。洗涤塔功用有3项：(1)使气体由450℃冷却到350℃；(2)使气体含尘量由6000mg／m³降到4mg／m³以下；(3)气体除雾。洗涤塔压降为13．73kPa。

炉顶气洗涤塔   其特性和结构与冷却气洗涤塔相同。炉顶气和冷却气洗涤塔除尘量约为产品产量的2％。洗涤水经闭路或开路循环水系统处理。

气体压缩机   采用两级串联组合方式，第1级加压用两台压缩机并联，保证需要的气量；第2级加压为一台压缩机，保证所需的压力。压缩机入口压力13．73kPa，50℃；出口为122．58kPa，90℃，额定流量为70000m³／h，每台压缩机都有一个完善的水喷雾系统连续清洗机器并吸收压缩机的热量。

冷却系统压缩机   是一台与过程气体压缩机相同的单机。入口压力为44．13kPa，温度35℃；出口压力89．24kPa，40℃，流量为54000m³／h，也有同工艺气体压缩机相同的喷雾系统。

惰性气体系统   为保证工厂安全和获得有效的动力密封气以防止空气进入工艺过程，需要3种不同功能的惰性气体系统：

(1)密封气系统。可由转化炉烟气供给，一般含氧量<1．5％最多不过3％。烟气经冷却、净化、脱水、加压后供给竖炉顶部和底部动力学密封用。也可作为仪表脉冲清洗、压缩机清洗和系统其他目的的清洗。用量为1000～2000m³／h。

(2)清洗气系统。保证在停电或大事故时从还原系统来的燃烧气的清洗。压力为1029．7kPa，清洗气的贮罐为2600m³。贮气量应保证工艺过程系统能达到微正压以防空气渗入。

(3)紧急事故惰性气体系统。当转化炉系统发生停电等事故不能正常工作时，则需要由紧急惰性气体系统供给密封气。为此，要备有一个独立惰性气体发生器。用燃料和适当空气燃烧产生成分合格的惰性气体。气量为600m³／h，此气体经冷却并加压至14．71～78．45kPa后，用于全系统紧急分配。此系统必须备有事故电源和水源以保证任何状态下的顺利工作。

技术经济指标  

技术经济指标与原料性质密切相关。米德莱克斯法竖炉对原料有各种要求：(1)粒度。对氧化球团或块矿，一般要求10～30mm，<5mm的粉末不应大于5％。(2)机械强度。应能保证运输周转不产生粉末。(3)还原性。为保证竖炉高产，要求还原性好。(4)抗爆裂性。要求加热还原过程不爆裂。(5)化学成分。该法要求矿石成分(％)如下：

竖炉直接还原对矿石成分的要求主要决定于后步炼钢对直接还原铁成分的要求。为了炼钢能得到较好的技术经济指标，欧洲共同体国家对直接还原铁的一级品矿石要求为P≤0．05％，(SiO₂+A1₂O₃)／Fe×100≤5，直接还原铁在电炉冶炼配料为100％时，保证电炉吨钢的渣量≤150kg。

由于各厂具体条件和工艺设备不同，技术经济指标有所差别，现将一些米德莱克斯工厂的生产指标比较列于表3和表4。

由于热回收系统的不断改进，竖炉生产的总能耗不断降低，情况如下：(1)烟气热量不回收时生产1t直接还原铁的燃料消耗为15．16GJ／t。(2)当用烟气预热空气到480℃时生产1t直接还原铁的燃料消耗降至12．75GJ／t。(3)将空气预热至540℃，工艺过程气预热到400℃时，就地转化，能量降至11．50GJ／t。(4)将空气预热至650℃，工艺过程气预热到540℃，就地转化，能量降至9．90GJ／t。

展望  

随着钢铁工业的发展，废钢循环量越来越多，废钢中有害杂质量不断积累，为保证钢材质量，必须生产直接还原铁来调整钢的成分，使钢中有害元素在限量之内。考虑到天然气资源衰竭，正研究米德莱克斯法用煤制气和直接用煤作还原剂的电热法，技术上虽已经取得成功，与使用天然气竖炉相比，在经济上尚缺乏竞争能力。