[科普中国]-熔融还原法

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Bas-set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E-V (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。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。2

融还原原理熔融还原以加速还原过程、降低能耗、简化流程和工艺设备为原则。其突出优点在于生产过程中少量使用或不用焦炭，已解决全球性冶金焦煤的短缺问题和炼焦业对环境的污染问题。根据其工艺模式将熔融还原划分为四大类：三段式、二段式、一段式和电热法。 三段式熔融还原流程可分为两大部分：还原部分和熔炼造气部分。

还原部分为还原段。熔炼造气在同一个设备中包含了熔炼造气和煤气转化。其构造特点是熔池上方存在一个含碳料层，在这层中可以利用煤气过剩物理热，完成由CO2和H2O向CO和H2的转化过程。二段式也是由还原部分和熔炼造气，部分组成，因此又与三段式熔融还原发统称为两步法。二段式与三段式的主要区别是熔炼造气炉中熔池上方没有含碳料层。 一段式流程只有熔炼段，没有还原段。现代化的一段式流程和二段式流程均采用铁浴炉熔炼设备因此二者又统称铁浴法。 三段式由煤基流程和焦基流程组成。二段式和一段式则由煤基流程组成。以上三种类型有时又被称为氧煤流程，电热法则被称为电煤流程。

分类熔融还原法的分类如下：

(1) 按工艺阶段划分，可分为一步法和两步法。一步法是在一个冶金反应中完成矿石 还原熔炼的全过程。该工艺流程短，设备简单，但在应用中却存在着能耗高及FeO渣严重 侵蚀炉衬的难题，至今仍未能解决。

两步法将熔融还原过程分为固相预还原及熔态终还原，并分别在两个反应中完成，改 善了熔融还原过程的能量利用，降低了渣中FeO浓度，使熔融还原法取得了突破性的进展。

(2)按使用能源划分，可分为氧煤法和电煤法。氧煤法靠氧煤在高温熔池或风口区燃 烧，提供过程的热量，用煤作为还原剂。目前开发的多数工艺为氧煤法。

电煤法用电提供熔融还原过程所需的热量，煤做还原剂，电热转换方式有电弧放热和 等离子技术，此法只适用于电力充足、价格低廉的地区。

(3) 按预还原装置类型，可分为流化床法、竖炉法、回转窑法和闪速炉法等。

(4) 按终还原装置类型，可分为竖炉法、电流法和旋转炉法等。

工艺现状由奥钢联（VAI）于70年代开发的COREXCOREX是当前最成熟的熔融还原技术，也是目前唯一的一个工业化熔融还原流程。已在韩国浦项、印度金达尔（两座）和南非萨尔达纳和伊斯科（各一座），共有5座投产，并稳定运行，生产出合格的铁水，已达到或超过设计产量（每小时产铁80-100t）。2008年，设计能力为150万t生铁的COREX 装置C3000在上海宝钢建成，并顺利出铁。

熔融还原的基本流程是将块矿和球团矿及熔剂加入到还原竖炉中，被逆向流动的还原气体还原为金属率约93%的直接还原铁。通过竖炉底部的螺旋给料机送入熔融气化炉。非炼焦煤（块状）和一定量的焦炭直接加入熔融气化炉。经风口送入纯氧，与煤和焦炭燃烧产生热量和还原气体，最终完成含铁炉料的还原、熔化和造渣过程。铁水和液体炉渣聚集在炉缸，定期排放。熔融气化炉产生的高温煤气含有约70%的CO和25%的H2，被送入还原竖炉作为还原剂。还原竖炉排出的煤气仍有很高的发热值，可发电或作其他用途。南非萨尔达纳厂将COREX炉与生产直接还原铁的MIDREX竖炉串联，形成COREX/DR流程。在2004年，用COREX产生的煤气，作为直接还原炉的还原剂。

采用COREX炼铁工艺生产铁水，在成本、操作和环境保护等方面具有明显的优点，在生产规模、炉龄等方面的不足也须引起注意，并采取相应的措施。

COREX炼铁技术的优点

环保效果好。根据有关资料显示，COREX和高炉两种工艺的SO2/NOX、灰尘排放量以及废水中酚类、硫化物、氨的排放数量，前者比后者要低得多。

（1）用料范围广。与高炉工艺相比，COREX工艺可以使用较高比例的非炼焦煤，焦炭用量少（120～170kg/t），质量要求也相对较低，并可使用15%左右的粉矿。

（2）劳动生产率高、生产成本低。在相同的生产能力下，与高炉相比，COREX更为复杂和庞大，如果不包括氧气站，其投资要多30%，如果包括氧气站，投资则要多60%。但是COREX工艺不建设焦炉，与高炉加焦炉流程相比，COREX投资总额约低10%。

（3）煤气可以多级利用。COREX炼铁工艺的副产品是含有大量CO和H2，含杂质量很低，这种煤气纯净，热值高，可以用来生产DRI，生产DRI的尾气又可以用于发电或给钢厂加热炉或其他设备进行加热，实现煤气的多级利用。

（4）生产调节灵活。COREX生产工艺可在几小时内调整铁水和炉渣成分，设备停工和重新开工容易，生产调节灵活。

COREX工艺存在问题

COREX工艺在本质上是将高炉冶炼分为还原和熔融两段，放在两个容器中进行。因此，也存在高炉工艺本身具有的一些特征和不足。

（1）还原容器仍是竖炉，因为竖炉工艺要求良好的透气性，因此，还需要块状原料和球团（南非工厂使用60%-70%块矿和30%-40%球团矿）。并且对块矿和球团的强度、粒度、含粉率有一定要求。

（2）COREX虽然可以使用非炼焦煤，但并非任何非炼焦煤都可使用。因为熔融气化炉产生的气体要作为还原竖炉的还原气体，要求煤的挥发分应在27%~30%。当然可以通过几个煤种混合达到。但也增加了配煤的麻烦。

（3）COREX的熔融气化炉床层也需要有一定的透气性，因此需要入炉煤有一定块度（一般20～25mm），并且煤热解后的半焦有维持床层透气性的任务，从而要求具备一定强度，并且其固定炭和挥发分应稳定。与焦炭相比，半焦的CSR和CRI较差，因此，实际生产中往往需要一定比例的焦炭以弥补煤的不足。

特点（1）燃料用煤而不用焦炭，可不建焦炉，减少污染。

（2）可用与高炉一样的块状含铁原料或直接用矿粉作原料。如用矿粉作原料，可不建烧结厂或球团厂。

（3）全用氧气而不用空气，氧气消耗量大。

（4）可生产出与高炉铁水成分、温度基本相同的铁水，供转炉炼钢。

（5）除生产铁水外，还产生大量的高热值煤气。