铁矿石直接还原现状及提高质量的对策

　　摘 要: 通过对国内外煤基直接还原铁生产现状研究及存在问题的分析，依据传统经典铁矿石还原理论，在铁矿石 碳气化直接还原技术的基础上，提出了铁矿石碳循环增氧还原技术，并通过隧道窑和回转窑两种还原设备进行试验验证。铁矿石煤基还原试验结果表明，该技术不仅可缩短铁矿石的还原时间，而且可提高还原产品的金属化率、 降低生产能耗和碳的排放，对促进我国直接还原铁技术的发展具有重要意义。

　　关键词: 钢铁; 直接还原; 技术现状; 提高质量

　　1 引言

　　钢铁企业高炉炼铁工艺经历近 200 年的发展， 其技术完善程度几乎达到极致。目前，世界上任何 一种非高炉炼铁技术的节能性、经济性，都无法与高 炉炼铁技术相媲美[1]。随着国内焦煤资源的短缺 和低碳排放，现有以高炉为核心的铁水生产工艺其 生存空间已越来越小，迫切需要开发低成本、低投 资、低消耗和高产能的直接还原短流程铁水生产工 艺[2]。

　　2 铁矿石煤基直接还原的现状

　　2.1 铁矿石煤基直接还原生产工艺

　　目前，铁矿石煤基直接还原工艺主要有回转窑 法、罐装隧道窑法和转底炉法。回转窑法是将铁矿石和还原煤混合后，在窑内 进行加热和还原，尽管焙烧产品质量较好，但由于对 原燃料要求高、能耗高、单炉规模难以扩大等原因， 近年来没有得到显著发展。 罐装隧道窑法是将铁矿粉、还原煤分层装罐，还 原罐在窑内加热还原。隧道窑法存在着热效率低、 能耗高、生产周期长、污染严重、单机产能难以扩大， 很难成为直接还原铁发展的主导方向。 转底炉法是将含铁物料与还原煤混合后进行造 球或压块，还原条件较好，能源来源广泛，对原料的 适应性强，但存在着还原产品的金属化率低、硫含量 高、能耗高等问题[3]。

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　　2.2 铁矿石煤基直接还原工艺存在的问题

　　2.2.1 单炉产能低，对原燃料品质要求高 以回转窑法为例，国内外煤基直接还原生产线单炉最大产能仅为 20 万 t /a，当生产炼钢级直接还 原铁时，要求铁矿石或铁精矿的品位在 65%以上， 产品金属化率达到 92%以上，同时对燃料及还原煤 的热震性、灰熔点、固定碳含量等要求较高，铁矿石 的还原时间长，加工费用高[4]。

　　2.2.2 对煤基直接还原机理的研究不清晰 目前，国内外大多数人认为，铁矿石直接还原是 用 C 作还原剂来还原铁氧化物的固相之间直接反 应。事实上，在高炉炼铁过程中，存在着铁矿石间接 还原和直接还原过程，用 CO、H2 作还原剂还原铁氧 化物的反应称为间接反应，间接还原是间接消耗 C 的反应，主要在炉内 800～1 000 ℃中低温区进行，高 炉炼铁过程以间接还原为主。由于高温下 Fe2O3、 Fe3O4、FeO 的间接还原都是可逆反应，还原过程中 要靠过量的还原煤来促使还原进行。用固体 C 还 原铁氧化物的反应称为直接还原，直接还原是不可 逆的强吸热反应，在炉内高温区熔融状态下进行。 因此，铁矿石煤基直接还原是以间接还原为主的还 原过程[5]。

　　3 铁矿石碳气化直接还原技术原理

　　依据经典冶金热力学原理，铁矿石用 C 作还原 剂时，铁氧化物在 800 ～ 1 000 ℃ 范围内被还原的主 要化学反应如下: 6Fe2O3+C→4Fe304+CO2↑ ⑴ 2Fe304+C→6FeO+CO2↑ ⑵ 2FeO+C→2Fe+CO2↑ ⑶ 3Fe2O3+CO→2Fe304+CO2↑ ⑷ Fe3O4+CO= 3FeO+CO2↑ ⑸ FeO+ CO→Fe+CO2↑ ⑹ CO2+C→2CO ⑺ 当铁矿石用煤作还原剂时，煤受热干馏及碳氢 化合物受热裂解会产生 H2，H2 还原铁矿石的主要 化学反应如下: 3Fe2O3+H2→2Fe304+H2O ⑻ Fe304+H2→3FeO+H2O ⑼ FeO+H2→Fe+H2O ⑽ H2O+C→H2+CO (11) 从铁矿石还原的冶金热力学角度来看，固态碳 和固态铁氧化物的反应是完全可行的，但从动力学 角度看，由于固体颗粒之间接触接触面较小，在上述 反应⑴～ ⑶中，各类铁氧化物和 C 直接反应是很有 限的。

　　在上述反应⑴ ～ ⑶中，各类固态铁氧化物和固 态 C 直接反应对还原铁矿石最大的贡献是产出了CO 和 CO2，并在一定温度条件下，CO2 与煤中固态C 发生碳气化反应产生了 CO，即产出新的气体还原 剂，使铁氧化物被逐级还原成金属 Fe 的反应⑴～ ⑹ 持续下去，并产生典型的“耦合效应”。

　　在各类固态 铁氧化物还原过程中，CO 在中间起着传递氧的重要 作用，气相平衡组分受碳气化反应控制，也就是说， 各类固态铁氧化物的还原过程受碳气化反应 ⑺ 控制。 铁矿石在焙烧温度 950 ～ 1 200 ℃ 时，不同品位 铁矿石所需的还原时间差异较大，相同品位的铁矿 石在不同粒级或不同还原煤配比时所需的还原时间 也有较大差异，这主要是由冶金动力学条件-还原 性气氛的强弱决定的。

　　4 铁矿石还原过程

　　铁矿石煤基直接还原是以间接还原为主的冶金 过程，还原剂以 CO 或 H2 为主。以球形固态 Fe2O3 还原过程为例，其被还原气体 A( CO 或 H2 ) 还原，生 成还原 产 物 气 体 B ( CO2 或 H2O) ，在 温 度 高 于 570 ℃时，铁氧化物被逐级还原: Fe2O3 →Fe3O4 → FeO→Fe。随着还原反应的进行逐步形成一个 Fe 产物层，未反应的 Fe2O3 核心半径逐渐减小，在固态 反应的周围存在着一个由层流边界组成的气膜。

　　Fe2O3 还原过程如下: ⑴还原气体 A 通 过气膜向固体产物层( Fe) 表面扩散，这个过程称为 外扩散。⑵气体 A 通过产物层向反应界面扩散，这 个过程称为内扩散。⑶在反应界面上气体 A 被铁 氧化物吸附。⑷发生界面化学反应产生氧化性气体 产物 B。⑸气体产物 B 从反应界面脱附。⑹气体产 物 B 向外扩散出气相边界。在铁矿石还原的以上各个环节中，如果有一个 环节进行得较慢，使其它环节达到或接近平衡，那么 这个环节就被称为控制环节。如果外扩散速度很 小，内扩散速度和其他环节速度相对大的多，这种情 况在气流速度较低、温度较高的条件下经常出现，这 时外扩散速率成为反应限制环节。

　　如果气体流速和温度较高，内扩散的影响较大，特别是随着产物层的 加厚对内扩散影响越来越大，一般内扩散成为限速 主要环节。低温下扩散系数与反应速度常数的比值 较大，其界面化学反应将成为限速环节。 以上各个环节都与铁矿石状态、还原剂性质和 还原温度等有直接的关系，一般铁矿石粒度小，料层 内部间隙小，还原气相流动速度快，将有利于扩散、 吸附及化学产物脱附的过程。

　　5 提高铁矿石还原质量的方法

　　铁矿石在一定温度下，还原质量取决于还原性 气氛的强弱，而还原气氛不仅决定于混合物料内部 还原气相中 CO 或 H2 浓度的高低，还取决于混合物 料内部单位时间发生各类化学反应生成的还原气相 产物体量的大小。因此，铁矿石还原中制造出一个 较强的还原性气氛是实现铁氧化物被还原的关键， 而较强还原性气氛的形成不仅需要混合物料中存在 过量还原剂，还必须要有足够的“氧”，而过量还原 剂可通过碳循环解决，还原中的“氧”可通过增氧 解决。

　　6 铁矿石提高还原质量的试验验证

　　⑴层式布料的煤基还原隧道窑。 铁矿石采用粒度为 0 ～ 10 mm、10 ～ 20 mm 的氧 化矿，铁品位 30% ～34%，还原剂采用与铁矿石粒度 范围相同的煤炭。将 0 ～ 10 mm、10 ～ 20 mm 铁矿石 分别与 0～10 mm、10 ～ 20 mm 还原煤炭按 100: 20 ～ 28 比例进行配料及混合后，制成各粒级混合物料。 在隧道窑窑车将各粒级混合物料按照粒度由小到达 的顺序由下往上依次平铺在窑车上，铺设总厚度控 制为 40～ 70 mm。装有物料的窑车在隧道窑内，通 过温度 1 250～1 280 ℃、时间 30～40 min 的焙烧，可 得到金属化率为 93% ～ 95%还原物料，还原后剩余 的残炭返回配料系统循环利用。

　　7 结语

　　⑴通过对铁矿石煤基直接还原生产现状研究及 存在问题的分析，在传统铁矿石碳气化直接还原的 基础上，提出了铁矿石碳循环增氧还原技术。 ⑵铁矿石碳循环增氧还原技术通过隧道窑和回 转窑的试验验证表明，该技术不仅可缩短铁矿石的 还原时间，而且可提高还原产品的金属化率、降低能 耗和 CO2 排放。 ⑶本文提出的铁矿石碳循环增氧还原技术对促 进我国直接还原铁的发展具有重要意义。

　　参考文献:

　　[1] 黄雄源，周兴灵.现代非髙炉炼铁技术的发展现状与前 景( 一) [J]. 金属材料与冶金工作，2007，35( 06) : 49-56.

　　[2] 方 觉. 非高炉炼铁[M]. 北京: 冶金工业出版社， 2010: 1.

　　[3] 郭 汉 杰，孙 贯 永. 非 焦 煤 炼 铁 工 艺 及 装 备 的 未 来 ( 2) ———气基直接还原炼铁工艺及装备的前景研究( 上) [J].冶金设备，2015，219( 03) : 1-13.

　　[4] 郭 汉 杰，孙 贯 永. 非 焦 煤 炼 铁 工 艺 及 装 备 的 未 来 ( 2) ———气基直接还原炼铁工艺及装备的前景研究( 下) [J].冶金设备，2015，221( 04) : 1-9.

　　[5] 郭汉杰. 非焦煤炼铁基本原理再研究及最理想工艺与 装备的设想( 上) [J]. 冶金设备，2015，222( 05) : 1-7.

　　作者：权芳民，王明华