非高炉炼铁技术概述

摘要：随着焦煤资源日益减少，高炉炼铁技术发展受到限制，非高炉炼铁成为了日益关注的冶炼技术。文章阐述了非高炉炼铁技术的发展现状、分类，工艺流程及特点，同时展望了其未来的发展前景。

关键词：非高炉炼铁 直接还原 熔融还原 非焦煤

一、引言

目前，生铁主要来源于高炉冶炼产品，高炉炼铁技术成熟，具有工艺简单，产量高，生产效率大等优点。但其必须依赖焦煤，而且其流程长，污染大，设备复杂。因此，世界各国学者逐渐着手研究和改进非高炉炼铁技术。

二、非高炉炼铁工艺

非高炉炼铁是指以铁矿石为原料并使用高炉以外的冶炼技术生产铁产品的方法。在当今焦煤资源缺乏，非焦煤资源丰富的情况下，非高炉炼铁以非焦煤为能源，不但环保，而且省去了烧结、球团等工序，缩短了流程。因此非高炉炼铁一直被认为是一种环保节能、投资小、生产成本低的生产工艺。非高炉炼铁可分为直接还原炼铁工艺和熔融还原炼铁工艺两种。

1.直接还原炼铁工艺

直接还原炼铁工艺是一种以天然气、煤气、非焦煤粉为能源和还原剂，在铁矿石软化温度下，将铁矿石中铁氧化物还原成铁的生产工艺。据统计直接还原冶炼工艺多达40余种，大部分已经实现了大规模工业化生产[1]。目前，直接还原炼铁工艺主要有气基直接还原、煤基直接还原两大类。

1.1气基直接还原

气基直接还原是指用CO或H2等还原气体作还原剂还原铁矿石的炼铁方法。具有生产效率高、容积利用率高、热效率高、能耗低、操作容易等优点，是DRI（directly reduced iron）生产最主要的方法，约占DRI总产量的90%以上[2]。气基直接还原代表工艺有HYL反应罐法、Midrex-竖炉法、流化床法等[3]。

HYL反应罐法是由墨西哥希尔萨（HojalataYLamina，HYLSA）公司于20世纪50年代初开发的，其工业化标志着现代化直接还原的开始。HYL反应罐法具有作业稳定，设备可靠等优点，但其作业不连续，还原气利用差，能耗高及产品质量不均匀。随后HYLSA公司将反应罐组整合成了一座竖炉，实现了工艺的连续化，同时明显提高了生产热效率和生产率。经改进的HYL法即是HYL-III法。

Midrex-竖炉法与HYL-III法相似，也是采用的是连续性竖炉作业方式，具有污染较小，能耗低等优点。Midrex-竖炉法是气基DRI生产技术的主导工艺，也是最大的直接还原流程，全球约70%的DRI产量是利用Midrex-竖炉生产工艺。为提高对燃料的适应性，Midrex公司把Corex与Midrex工艺联合使用，开发了煤制气-竖炉法，年产量超过了180万吨，目前在印度有一座在正常运行。

流化床法采用铁矿粉，省去了造块过程，加快了反应速率，降低了成本，提高了生产率。流化床流程法发展了近70年，曾开发过H-IRON，NU-IRON和HIB、NOVALFER及FIOR法[4]131-135，但由于无法解决工艺复杂，投资大，原料要求高，粉料易粘结，能耗高等问题均退出了历史舞台。目前全球还在生产的流化床流程只有FINMET法，共有4套FINMET装置在运行，总产能220万t/a，是继MIDREX、ENERGIRON和SL-RN法之后的第四大直接还原流程法。

1.2煤基直接还原工艺

煤基直接还原是指以煤为主要能源，在高温下将铁矿石还原成金属铁的工艺。由于80%的气基直接还原工艺必须依赖于天然气，因此在天然气资源有限，煤资源丰富的国家和地区，以煤作为还原剂发展还原铁技术已成为近期及将来发展的趋势。煤基直接还原代表工艺有回转窑法、转底炉法、隧道窑法等。

回转窑法产铁量占全世界的煤基直接还原法总产量的95%以上。2010年，全球由煤基回转窑法生产的DRI约为1812万吨，占DRI总产量的25.70%。回转窑法包括SL-RN法、CODIR法、DRC法、TDR法、ACCAR法[4]135-141，其中SL-RN法是生产能力和产量最大的煤基直接还原工艺，产量占总回转窑法的60%以上。回转窑技术成熟，以非焦煤为能源，并可以直接使用煤炭，非常适合非焦煤丰富，天然气缺乏的地区发展。不过还存在生产率低，能耗高等亟待解决的技术问题。

与回转窑法相比，转底炉法规模就要小的多。但该法具有反应速度快、流程简单、投资低、原料适应性广的优点，特别在处理冶金废弃物以及保护环境等方面显示出很大的优越性和潜力。最早的转底炉工艺是INMETCO和Fastmet工艺，主要用于含铁废弃物的冶炼，当时获得了很好的经济效益，但产出的铁含有脉石和灰分，导致在炼钢过程中渣量增加，减少钢产量。随后，美国Midrex公司开发了Fastmelt工艺，实现了渣铁分离，明显提高了海绵铁的质量。20世纪90年代日美联合又开发了Itmk3工艺，解决了转底炉对原料品位的苛求，被命名为“第三代炼铁法”。

隧道窑法也是一种重要的煤基直接还原法。与转底炉法相比，具有设备简单，操作容易，产品质量好等优点，但由于产能小、热损失大、能耗高、劳动生产率低等技术经济原因，国外已不再用它生产炼钢用DRI，而是用于粉末冶金还原铁粉生产的一次还原工序。

2.熔融还原炼铁工艺

熔融还原工艺以煤、粉矿进行冶炼，无需炼焦、烧结、球团等工序，使炼铁流程简化，是炼铁技术的重要发展方向。根据含铁原料预还原的程度不同，熔融还原炼铁工艺可分为一步法和二步法两类。

2.1一步法

熔融还原法的研究开发工作开始于20世纪20年代，当时，该流程大多是在一个反应器中一步完成全部熔炼过程，所以称之为“一步法”。一步法有Dored法、Retored法、CIP法等[5]，但由于这些方法存在着炉渣FeO含量过高、能耗大等技术问题均被淘汰。

2.2二步法

为了解决一步法出现对炉衬的强腐蚀及能量回收率低等难题，70年代国外开发出了“二步法”熔融还原技术，所谓二步法就是将还原过程分解为固体状态的预还原和熔融状态的终还原两个阶段，并分别在两个反应器中进行[6]。二步法是一种新式的熔融还原流程，其综合了高炉炼铁、直接还原和炼钢技术的精华，能有效地利用熔融氧化铁碳热还原产生大量焦炉煤气及反应热，减少了能量的损耗，同时采用煤作为能源，摆脱了昂贵的焦煤的束缚，大大降低了成本。

目前二步法主要以COREX[7]为代表。COREX法不使用焦煤，成本低，实现了能源的综合循环利用，该技术具有流程短、污染低等优点，是世界钢铁工业的前沿高新技术，是对传统高炉炼铁技术的一次革命。不过COREX过程有两个问题亟待解决：即如何最大限度地利用高浓度CO+H2的尾气和如何彻底摆脱焦煤的依赖。此外COREX产铁规模相对小，设备运行复杂。但在目前的环保压力和国际上焦煤资源稀缺的情况下，COREX法具有很大的前途。此外还有FASTMELT、REDSMELT、FINMET等新技术[8]也已形成了生产能力。

三、非高炉炼铁技术的前景

当前，钢铁行业发展迅速，同时也正面临着严峻的形势：高炉原燃料质量劣化，技术经济指标下滑，生产利润下降，焦煤价格飙升。作为铁冶炼主体工艺流程的高炉不仅依赖焦煤而且对环境污染严重，因此经济环保的非高炉炼铁将成为钢铁工业发展的重要方向。

DRI不仅是废钢的替代品，也是炼制优钢和特钢的高级炉料。如今废钢的短缺及其质量的下降，很大程度上促使了DRI生产的发展。2011年世界DRI产量高达7332万吨，同比增长4.2%，作为生产DRI的非高炉工艺将具有很大的前途。

非高炉炼铁工艺具有以非焦煤为能源，对原料和燃料适应性强；工艺过程可控性好，能耗低，污染小，可减轻钢铁工业的环境和资源压力等一系列优点，非高炉炼铁技术必会引起世界范围的重视。目前非高炉炼铁技术还处于起步阶段，具有广阔的发展空间，几年后非高炉工艺必将会陆续的实现工业化。

四、结论

高炉炼铁依然是现代铁冶炼的主导流程，其产量大，产品质量高，是全球主要生铁的主要来源。所以，加强完善高炉炼铁技术，是改善钢铁工业能源结构、缓解我国主焦煤资源短缺矛盾的重要手段。

非高炉炼铁是钢铁工业摆脱对焦煤能源的依赖和发展短流程钢铁生产的重要途径，是实现复合矿、难选矿综合开发利用的有效方法。发展非高炉炼铁工艺是钢铁工业的重要前沿技术和发展方向，也是调整钢铁工业及钢铁产品结构，实现循环经济和可持续发展，保护环境的重要环节之一。

尽管非高炉炼铁工艺目前其技术还不够成熟，无法与传统的高炉炼铁工艺相抗衡，但随着其工艺的逐步发展与完善，必将对整个钢铁行业的发展产生深远影响。

参考文献

[1]杜俊峰，袁守谦.积极发展直接还原铁DRI生产技术应对21世纪电炉废钢紧缺的挑战[J].工业加热，2002（2）：1-2.

[2]庆，徐小锋.润磨强化磁铁矿球团一步法直接还原工艺及机理研究[J].钢铁，2007，42（10）：6-10.

[3]王定武.几种非高炉炼铁技术现状及其发展[N].世界金属导报，2010（010）：1-4.

[4]方觉.非高炉炼铁工艺与理论[M].2.北京：冶金工业出版社，2010.

[5]周艺发，展渝生.煤基熔融还原炼铁新工现状评述[C].2006年中国非高炉炼铁会议论文集，上海，2006：42-56.

[6]赵沛，郭培民基于低温快速预还原的熔融还原炼铁流程[J].钢铁，2009，44（12）：13-16.

[7]胡俊鸽，高战敏.Corex、Finex和HIsmelt技术的发展近况[J].钢铁研究，2007，35（4）：55-58.

[8]李振洪，张海涛.非高炉炼铁设备形式的选择[J].世界金属导报；2010（015），1-6.