[科普中国]-非高炉冶炼

简介

非高炉冶炼技术是钢铁工业发展的前沿技术之一。目前直接还原已成为世界炼铁工业不可或缺的组成部分，熔融还原实现工业化生产的环境优越性也已经得以公认。以下综述了近几年国内非高炉冶炼技术的现状，尤其对该工艺在钒钛磁铁矿冶炼过程中的研发状况进行了分析，评价了非高炉冶炼技术在钒钛磁铁矿综合利用中的前景。

我国的钒钛磁铁矿的加工利用，大多采用传统的烧结－高炉－转炉流程，主要用于V 和Fe 的回收。随着焦炭资源的日渐枯竭，高炉生产也面临着危机，因此非高炉冶炼技术的发展已经迫在眉睫。非高炉炼铁技术的优点在于摆脱了焦煤资源短缺对钢铁工业发展的羁绊、适应日益提高的环境保护要求、降低钢铁生产能耗、改善钢铁产品结构和提高质量和品质、解决了废钢短缺及质量不断恶化的问题并实现了资源的综合利用。按其产品形态，非高炉炼铁可分为直接还原和熔融还原两部分。其中直接还原的重要特点是还原过程相对容易控制，可用来有选择性地还原矿石中的某些元素，从而使另一些元素继续保持氧化状态。这一特点非常适用于铁品位偏低且伴生、共生元素较多的多元共生矿，而钒钛磁铁矿正是典型的多元共生矿，所以将直接还原法应用于钒钛磁铁矿，不仅有利于铁、钒和钛的资源综合回收利用，而且还可以选择性地回收铬、钴、镍、钪等重要有价元素，具有广阔的实际应用前景1。

非高炉冶炼技术研究的现状非高炉炼铁分为直接还原炼铁工艺和熔融还原炼铁工艺两种。直接还原炼铁使用煤、气体或液态燃料为能源和还原剂，在铁矿石软化温度以下，不熔化即将矿石中的氧化铁还原获得固态直接还原铁( DRI、HBI、HDRI) 的生产工艺。按还原剂可分为气体还原剂法和固体还原剂法，按炉型可分为竖炉法、固定床法、回转窑法和流态化床法四种。熔融还原是指非高炉炼铁方法中采用焦煤冶炼液态热铁水的一种工艺过程，普遍采用两步法: 即将整个熔炼过程分为固态预还原和熔态终还原两步，分别在两个反应器内完成2。

直接还原炼铁工艺近年来涌现出几种具有代表性的直接还原工艺，如气基竖炉、流化床装置、煤基转底炉、回转窑、隧道窑工艺，流化床工艺，可省去焦炭，直接利用粉矿，传质和传热的效率高，但是流化床在工业应用方面仍然受到粘结失流问题的限制，继续化生产尚无法实现。回转窑和隧道窑单炉处理能力小，还原时间长，生产率低。相比来说，转底炉直接还原技术由于对原料适用性强、能耗低而备受青睐。

其中竖炉法具体包括MIDREX 法和HYL-III 法; 流化床法具体包括FIOR 法、碳化铁法和FNMET 法;转底炉法具体包括FASTMET 法、IMK3 法。

MIDREX 法是目前最完善的直接还原工艺，是成熟矿产综合利用2014 年的气基工业生产方法，它主要应用于生产石油和天然气的国家。由于我国缺少天然气和石油，炉料必须造块，建设费用很高，所以并不适合我国。

气基直接还原法气基还原冶炼工艺以气体( 天然气) 作为还原剂的直接还原冶炼工艺。其主要优点是: 操作容易、能耗低、效率高，是DRI 生产中最重要的方法。该工艺仅应用在南美、中东等天然气资源较为丰富的国家和地区。按照工艺设备来分，主要有三种类型:竖炉法，流化床法和反应罐法。

(1) 竖炉法

竖炉直接还原法是指在竖炉中煤气与炉料逆向运动，炉料在下降的过程中逐步被上升的煤气加热和还原，反应传质和传热效率较高。竖炉法以MIDREX 法为主要代表，是目前应用最广及发展最快的直接还原法。MIDREX 工艺中的还原剂采用天然气经催化裂化制取，其中裂化剂为炉顶煤气，氧化球团矿从炉顶加入竖炉后经预热、还原和冷却三个阶段被天然气还原生成DRI。该法具有操作简单、能耗低、工艺成熟、生产率高等优点。

鞍钢股份有限公司技术中心在2008 年介绍了MIDREX 和HYL-III 气基竖炉技术以及在此基础上开发的可以不依赖天然气直接使用煤制气等作还原剂技术的发展与应用现状并指出气基竖炉工艺具有能耗低、投资少和产品质量高等特点。

该公司在2012 年论述了球团矿质量对气基竖炉直接还原生产和DRI 质量对炼钢生产的影响，而且介绍了提高气基竖炉直接还原工艺用球团矿质量的技术。鉴于国内炼铁资源条件及钢铁产业的发展现状，煤制气－竖炉直接还原是我国发展非高炉炼铁的主要方向。

2009 年东北大学储满生等对国内资源制备的氧化球团进行了性能检测，同时又进行了改变温度和气氛的直接还原试验，结果表明，采用国产铁精矿生产的氧化球团性能良好，完全适用于气基竖炉直接还原。

2012 年钢铁研究总院、宝钢研究院炼铁与资源环境研究所、宝钢工程技术有限公司和宝钢集团新疆八一钢铁有限公司在分析比较了几种煤制气和直接还原工艺的基础上，结合中国的资源特点，提出了180 万t /a 规模壳牌煤气化与HYL /Energiron 竖炉生产直接还原铁的联合工艺流程。结果表明，联合流程在能耗及环保指标上与传统高炉相比具有一定先进性，为煤制气生产直接还原铁的工程化提供了参考方案。

(2) 流化床法

流化床法由于采用粉状原料，铁矿粉单体颗粒在高温还原气流中进行还原，粉块不必造块，还原速度快，在还原机理上是气基法中最合理的工艺方法，因而在直接还原开发和发展的过程中备受关注。东北大学储满生和方觉在2002 年进行了循环流化床铁矿石直接还原过程动力学分析。

2012 年莱芜钢铁集团公司技术中心联合中国科学院过程工程研究所进行了铁矿粉直接还原防止粘结的实验研究。西安建筑科技大学也在2012 年提出了模拟流化床气基直接还原赤铁矿粉的实验研究。

(3) 反应罐法

墨西哥的HYL 直接还原法是唯一应用在工业上的反应罐法，HYL 流程采用KELLOG 蒸汽转化制气技术，天然气首先通过活性炭进行脱硫，随后与过量水蒸气混合，将其在850℃ 下进行催化裂化。炉料在反应罐中固定不动，通入热还原气体将其进行连续的预热、还原和冷却，然后定期停气，将炉料排出罐外。由于反应罐法的非连续性工艺流程落后于现代化的冶炼技术，因此，该工艺正在逐渐被竖炉法所取代。2010 年内蒙古科技大学文明等系统地研究了反应罐直接还原铁精矿新工艺的基础理论，为铁精矿直接还原工艺的应用提供了理论与实践依据， 2011 该校的姜银举、樊珍等人在实验室反应罐直接还原过程动力学研究的基础上，建立了动力学模型—半焦收缩反应核模型，推导了动力学速度方程，以实验数据验证了动力学方程的适用性2。

煤基直接还原法(1) 煤基直接还原法是指以固体作为还原剂生产DRI 的方法。主要采用价格低廉的非焦煤作为还原剂，可以有效的避免气基直接还原法在地域上的限制。我国应用的煤基直接还原工艺主要是: 转底炉工艺和回转窑工艺，其中自动化和机械化程度较高的FASTMET 法及冷固结球团回转窑法都是目前应用最先进、可靠、经济的煤基直接还原工艺。

目前，在世界范围内的煤基直接还原冶炼工艺，回转窑冶炼工艺约占总产量的95% 以上。该工艺主要装置为回转窑，矿石、煤及辅助原料等均在回转窑中加热并被还原为DRI。反应温度可通过窑壁燃烧器精确地调整，一般的工作温度在900 ～ 1100℃之间，具体温度视所用还原剂而定。回转窑与流化床法及竖炉法相比，在铁矿石的物理性质选择方面比较灵活，通常采用块矿或球团矿。由德国Krupp公司开发的CODIR 回转窑工艺流程，在煤基还原冶炼工艺中占有重要地位，该工艺比较适合我国资源储备的实际情况，是一种较有发展前途的煤基直接还原方法之一。重庆大学张大江、陈登福等人在2009 年以低品位块矿为原料，褐煤半焦为还原剂，进行了低品位铁矿石煤基回转窑直接还原的研究，研究表明，若温度控制得当，还原时间充足，还原铁密闭降温，金属化率可达到80% 以上。

北京科技大学路朝晖、陈煜等人在2011 年提出了回转窑一步法直接还原铁生产工艺，研究了高强度、高还原性预热球团的制备及煤基直接还原工艺。与传统的预热－高温氧化－高温还原煤基回转窑直接还原工艺相比，“一步法”省去了高温氧化这一高耗能工序，且还原所得产品结构完整。

(2) 转底炉技术

转底炉出现于1978 年，最初是应含铁废料和粉尘的处理要求而产生的， 1995 年以后逐步发展成使用普通铁精矿为原料生产DRI 的直接还原新工艺。FASTMET 法是采用环形回转炉生产DRI 的一种方法。该工艺的主体设备是转底炉，采用铁矿粉和煤粉作为原料，在转底炉中不依赖天然气和焦炭而实现还原冶炼。

2007 年贵州师范大学与昆明理工大学提出了采用转底炉煤基直接还原工艺对攀枝花钒钛磁铁矿进行综合利用，除得到用于生产优质钢的电炉炼钢原料—DRI 外，还得到TiO2

含量达50% 以上的钛渣，为钛资源综合利用提供了一个可行的途径。

2009 年北京科技大学刘征建、杨广庆等对转底炉直接还原钒钛磁铁矿新工艺进行了实验研究，考察了C/O、焙烧时间和焙烧温度3 个因素对金属化率与抗压强度的影响，得出最优的实验方案。

2010年攀钢集团设计研究院在分析不同设备类型的钒钛磁铁矿直接还原工艺的基础上，结合转底炉直接还原实验室研究和工业试验结果，设计了一台年处理10万t 钒钛磁铁矿的直接还原转底炉，重点分析了转底炉布料、出料和供热燃烧等关键环节的工程化措施，同时2012 年唐山奥斯特科技有限公司汪寿平、高波文、王翔宇等人设计并付诸实施了OTS工艺中的还原设备－往复式车底炉，并将其应用于高温高料层直接还原工艺( PSH)。

与其他煤基还原工艺相比，高温高料层+往复式车底炉工艺具有如下优势:

①高生产效率、高能源利用率、高金属化率、高DRI 强度和密度;

②节省土地: 在同样规模的情况下，车底炉的占地面积为转底炉的45% ～ 55%;

③可实现在线检修，由于炉子是固定的，只有台车列入生产性维修项目，而台车是活动的，可在炉外检修，故可以在不停炉状况下实现在线检修;

④投资省，见效快;

⑤生产线可实现自动化;

⑥处理对象范围广泛; 既能以高品位矿为原料，也可以低品位复杂难处理矿、多金属伴生矿和含铁废料为原料1。

钒钛磁铁矿直接还原技术发展趋势钒钛磁铁矿是磁铁矿( Fe3O4) －钛铁晶石( 2FeO·TiO2) －镁铝尖晶石( MgO·Al2O3) －钛铁矿( FeO·TiO2) 密切共生的复合体，这些钛铁晶石和钛铁矿主要以细粒状嵌布在磁铁矿中，铁钛紧密共生，通过选矿技术等物理方法很难使钛铁分离。钒钛磁铁矿富含铁、钒、钛等多种有价元素，具有极高的利用价值。

2004 年，四川龙蟒集团携手中国地质科学院矿产综合利用研究所、攀枝花学院、启动“转底炉煤基直接还原－电炉深还原、熔分新工艺”项目。目前已经在盐边县安宁工业园区建成7万t 规模“钒钛磁铁矿转底炉煤基直接还原－电炉深还原、熔分新工艺”工业化试验生产基地，并实现全系统连续稳定运行 。

2006 年攀枝花科学技术局对攀枝花市非高炉直接还原技术作了阶段性工作总结，攀研院研究了钒钛磁铁矿非高炉冶炼及钒钛资源高效回收利用，认为钒钛磁铁矿转底炉直接还原获得金属化率在90%的铁在技术上是成功的，且正在进行钒钛磁铁矿金属化球团电炉熔分，使钒进入铁水还是进入渣中的对比分析研究，以确定较佳的工艺条件和参数。

2007 年攀枝花钢铁研究院在实验室条件下研究了钒钛磁铁矿直接还原的特点，摸索了还原温度、还原时间、还原气氛和配碳量对直接还原金属化率的影响。结果表明，还原温度和气氛是影响金属化率的重要因素，在适当的温度、时间和中性或还原气氛下，球团金属化率可稳定保持在90% 以上。同时还分析了还原后金属化球团的岩相组成，比较了钒钛磁铁矿与普通矿直接还原的差异。

2009 年北京科技大学对转底炉直接还原钒钛磁铁矿新工艺进行了实验研究，通过正交试验考察C/O、焙烧时间和焙烧温度对金属化率与抗压强度的影响，得到较佳条件为: C/O 为1.3，焙烧温度1330℃，焙烧时间25min。此外，昆明理工大学与攀枝花学院采用回归正交法，在实验室用电阻炉模拟转底炉工艺研究了温度、时间、配碳量、金属粉配比和钠盐配比等因素对钒钛磁铁矿碳热还原过程中的金属化率和失氧率的影响。结果表明，添加金属粉和钠盐后钒钛磁铁矿还原温度明显降低; 添加2.5%金属粉和0． 5% 钠盐，还原温度在1280℃左右，

还原时间30min 左右，配碳量22． 7% 时，钒钛磁铁矿还原的金属化率可达到95%以上。

2010 年重庆大学对钒钛铁精矿内配碳球团转底炉直接还原－电炉熔分技术进行了实验室模拟得到相应工艺参数和调控方法; 同时研究表明，以含钒富钛渣为原料进行酸浸制取钛白粉是完全可行的，但处理工艺较复杂; 含钒富钛渣中的V 基本进入水解母液和洗液中，收得率可达到93% 以上，可通过水解废液的处理实现钒的回收。

此外昆明理工大学周兰花为改善钒钛磁铁矿煤球团还原条件，提高其还原性，提出将CaO 添加入钒钛磁铁矿煤球团中，经研究添加少量的CaO 能增加钒钛磁铁矿煤球团的气孔率，提高球团的还原性，但影响较小。

2011 年攀钢集团研究院通过试验研究，提出了“钒钛磁铁矿转底炉直接还原－电炉深还原－含钒铁水提钒－含钛炉渣提钛”工艺流程。铁、钒、钛元素的回收率分别达到90． 77%、43． 82% 和72． 65%。同时解决了钒钛磁铁矿直接还原金属化率低、高硅铁水提钒、高镁铝含钛炉渣提钛等技术难题。

2012 年东北大学都兴红等研究了钒钛磁铁矿直接还原过程，熔分后渣金分离状况以及渣相中钛组分的赋予状态和富集状况。采取适宜的还原条件，能够在获得较高金属化率的基础上控制钒钛的走向，使绝大部分钒进入生铁中，而钛在渣相富集。

同时孙瑜等人研究了钒钛磁铁矿配煤直接还原的特点，考察了还原温度、反应时间和配碳量对直接还原金属化率的影响，以及高温熔分的的形貌变化。

北京神雾环境能源科技集团股份有限公

司采用煤基直接还原－熔分工艺的研究表明，矿物粒度越细，还原温度越高，还原时间越长，球团的金属化率越高。并且进行的转底炉中试验。结果表明，还原炉内的气氛和温度影响对球团金属化率影响很大。

昆明理工大学采用硫酸－氢氟酸－次氯酸钠组合浸出体系浸取钒钛磁铁矿提钒尾渣中的钒，钒的浸出率可达85% 以上，但需在高硫酸用量和高氢氟酸用量的条件下才能达到较高的钒浸出率，因此如何降低酸耗有待进一步研究1。

熔融还原炼铁工艺熔融还原炼铁工艺主要包括CORRX 法、COREX 法、FINEX 法和HISMELT 法等。COREX 法是目前世界唯一成功应用于工业生产的熔融还原炼铁技术，由西门子－奥钢联开发，它能直接使用非焦煤、天然块矿作原燃料，生产出高炉品级的铁水，适用于各种炼钢用途。COREX 生产的所有冶金步骤都在预还原竖炉和熔融气化炉两个独立的反应器中完成。熔融还原的部分很少，故也将其纳入直接还原范畴。但必须指出，它的产品是高温铁水，这与传统的直接还原产品不一致。

我国自主熔融还原技术开发研究活跃自上世纪80 年代，我国开始进行熔融还原技术的开发研究，对多种工艺进行了探索性实验研究，熔融还原的中间试验曾列为国家科技攀登计划，进行了半工业化试验，但未能实现工业化生产。近年来，针对我国资源条件，新的熔融还原工艺开发十分活跃，如针对难选矿、复合矿，以非焦煤为能源直接生产铁水的方法; 以含碳球团/块为原料，竖炉和电炉终还原反应器生产铁水的方法等。虽然这些研究未能实现工业化生产，但其研究成果为我国发展熔融还原提供了方向，夯实了技术发展基础。

熔融还原 的工业化生产宝钢于2005 年引进了COREX C-3000 技术，建成我国第一座熔融还原炼铁厂，并于2008 年11 月投产。宝刚引进COREX 熔融还原技术，并顺利投

产、成功运行，为还原熔融在我国实现工业化生产开创了新的局面，同时实验还积累了大量的经验、揭示了许多试验研究中难以发现的问题和解决问题的方向，为我国非高炉炼铁的发展奠定了基础。

熔融还原技术发展趋势2006 年广钢集团设计院介绍了COREX 熔融还原炼铁技术，同时对COREX 熔融还原炼铁技术与高炉炼铁技术进行了比较，指出目前采用COREX熔融还原炼铁技术所存在的问题。

2010 年东北大学孙野等人通过建立某场的1:20 的半圆周冷态模型，测定了不同气体流量下填充床内的压力场，在相同条件下还利用FLUENT商业软件模拟了填充床内的气流速度场和压力场，数值计算结果与试验测量结果吻合较好。结果表明气体流量和床层高度是影响填充床内压强变化的因素。

2011 年昆明理工大学与攀钢集团研究院采用二步法熔融还原工艺，在990℃、1200℃、1500℃ 下进行气体预还原、配碳预还原和熔融还原试验，结果表明: 熔融还原的渣铁分离效果良好且铁损耗较低，铁水钒含量高于高炉流程铁水，钛渣品位可以达到或超过理论品位。攀枝花精矿二步法熔融还原适宜预氧化后采用固体碳预还原，其还原温度应等于或高于1200℃; 熔态终还原时可不配碳，终还原应控制钛还原度、( FeO) 含量在适宜的范围内。

熔融还原是钢铁工艺技术发展中最受关注的方向之一。熔融还原环境友好的优势，以及以煤作为主要能源的特征是熔融还原发展的重要动力。熔融还原与高炉炼铁系统比，向大气排放的硫化物( SO2、SO3、COS 等) 约减少80% ～ 90%，氮氧化物( NOX) 约减少95% ～ 98%，尤其是在世界焦煤资源紧缺、价格飞涨的今天凸显了它的优势和巨大的吸引力，熔融还原是解决钢铁工业发展摆脱焦煤资源的羁绊，控制环境的污染，保护环境，实现可持续发展的重要途径2。

存在的问题及发展前景对钒钛磁铁矿非高炉炼铁技术的两种工艺方法及近几年的研究成果进行了一定总结，该技术有着独到的优势，但也存在着一些缺陷。以下简要叙述了各种钒钛磁铁矿非高炉冶炼技术存在的问题及发展前景。

(1) 竖炉技术

竖炉直接还原中，金属化率与还原质量、还原温度具有很大的关系。该工艺存在的问题主要是堵塞、结瘤等，导致生产不顺和排料不畅。有分析认为，温度过高是导致结炉的主要原因，经降低温度和控制排料速度后有所缓解，但金属化率也同时降低了。攀枝花恒鼎实业公司采用竖炉技术进行了3年左右的5万t/a 规模工业化试验，但因技术问题、产业化问题及原料问题等种种原因终止。

(2) 流化床技术

流化床直接还原过程中出现比较严重的失流、粘结等问题，对顺利进行操作构成了严重威胁。有分析认为，失流和粘结主要在还原温度和金属化率较高、矿粉粒度较细、还原气CO 含量较高等条件下产生，可能与新生金属铁相的生长有关，提出了控制失流的一些技术措施。

(3) 转底炉技术

由于转底炉直接还原具有高温、快速的工艺特点，能够满足钒钛磁铁矿直接还原的特殊要求。其炉底相对静止不动，能够缓解还原过程球团膨胀粉化，降低球团强度，具有更好的可操作性。

转底炉直接还原相较于高炉、竖炉等成熟工艺，属于较新的工艺。其主要问题是生产效率低，产能低。可以通过改进工艺，强化换热效率等途径实现产能和生产效率的提高，避免单一地依靠设备大型化所带来的一系列负面影响。同时，受炉子燃烧供热和炉内辐射传热的限制，球团的受热均匀性和还原所需的气氛也难以保证。所以由于存在大型规模化难以解决的设备问题、技术问题，该技术难以在短期内取得产业化突破。转底炉法在处理钢铁企业含铁尘泥、复合矿利用方面是一种可供选择的工艺方法，但其产品Fe 品位低、SO2、S、P 高，不能直接用于炼钢，只能用高炉用或融化分离出铁水的方法应用，因此其经济性和可行性有待进一步实践检验。

转底炉直接还原工艺是近年来的研究开发热点，四川龙蟒集团在2007 年在其子公司－攀枝花龙蟒矿冶有限公司建成了单台年产能7万t规模的转底炉中试生产线，但由于技术的复杂性、产业化过程中遇到种种问题，目前仍在继续研发。攀钢研究院曾投入亿元以上资金进行转底炉技术中试，目前仍在探索之中。据报道，北美建成的数个转底炉还原铁厂都在闲置，日本建设的几座转底炉直接还原装置也是作为专门处理钢铁厂内粉尘来使用的。

(4) 回转窑技术

回转窑直接还原存在的主要问题是结圈和粘结问题。回转窑结圈主要是由于钒钛矿还原过程的膨胀粉化、还原温度超过煤粉灰熔点导致灰分粘结等原因造成的，无法从根本上解决“高的金属化率需要较高的还原温度”与“避免煤粉灰分粘结必须使还原温度保持在灰熔点以下”之间的矛盾。因此，目前采用回转窑直接还原钒钛磁铁矿的生产厂，诸如南非Highveld 和新西兰钢铁公司，为了保证生产顺利，其回转窑金属化率均保持在75% ～ 80% 之间，后部工序无法进行钛的回收。

(5) 隧道窑技术

隧道窑技术因其投资少，技术含量不高，易于上马的特点，受到一些小型民营企业的青睐。攀枝花攀阳钒钛工贸有限公司通过4 年产业化中试，于2009 年建成了一条年产能5 万t 规模的煤基直接还原处理钒钛磁铁矿的工业化隧道窑，实现了产业化生产。虽然隧道窑技术具有能耗高、污染大等缺点，但攀阳钒钛公司通过技术改进，许多缺点已被克服，在不适合建设大型高炉炼铁流程的攀枝花周边地区，可作为一种高炉流程的较佳补充，对综合利用攀枝花钒钛磁铁矿资源具有积极意义。

(6) COREX 熔融还原技术

COREX 工艺技术近几年有很多进步和改进，其优点虽然与发明初衷大打折扣，但其优势和亮点依然在。COREX 工艺适合当地有煤有矿的地方建设规模约200 万～300万t/a的钢铁－煤化工循环经济的工厂使用。加强对国外熔融还原技术发展的跟踪，强化国内熔融还原技术的开发力度，尤其是引进、消化COREX 技术以及实现其装备的国产化是中国熔融还原发展的重要方向，也是攀枝花钒钛磁铁矿资源综合利用采用非高炉技术的发展方向。

利用非高炉冶炼技术处理钒钛磁铁矿可以大大缩短炼铁工艺流程，不用宝贵的焦煤，降低消耗和环境污染，实现了资源综合利用。目前，已完成的大量开发研究表明是可行的，如: 转底炉预还原－电炉分离处理钒钛磁铁矿已实现了工业化生产。鉴于我国的资源、能源条件和发展的需要，非高炉冶炼技术在资源综合利用、含铁复合矿、难选矿、特殊矿冶炼领域必将得到长足的发展3。