摘 要: 通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外煤基直接還原鐵生產(chǎn)現(xiàn)狀研究及存在問(wèn)題的分析，依據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)典鐵礦石還原理論，在鐵礦石 碳?xì)饣�直接還原技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了鐵礦石碳循環(huán)增氧還原技術(shù)，并通過(guò)隧道窯和回轉(zhuǎn)窯兩種還原設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。鐵礦石煤基還原試驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)不僅可縮短鐵礦石的還原時(shí)間，而且可提高還原產(chǎn)品的金屬化率、 降低生產(chǎn)能耗和碳的排放，對(duì)促進(jìn)我國(guó)直接還原鐵技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

　　關(guān)鍵詞: 鋼鐵; 直接還原; 技術(shù)現(xiàn)狀; 提高質(zhì)量

　　1 引言

　　鋼鐵企業(yè)高爐煉鐵工藝經(jīng)歷近 200 年的發(fā)展， 其技術(shù)完善程度幾乎達(dá)到極致。目前，世界上任何 一種非高爐煉鐵技術(shù)的節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性，都無(wú)法與高 爐煉鐵技術(shù)相媲美[1]。隨著國(guó)內(nèi)焦煤資源的短缺 和低碳排放，現(xiàn)有以高爐為核心的鐵水生產(chǎn)工藝其 生存空間已越來(lái)越小，迫切需要開(kāi)發(fā)低成本、低投 資、低消耗和高產(chǎn)能的直接還原短流程鐵水生產(chǎn)工 藝[2]。

　　2 鐵礦石煤基直接還原的現(xiàn)狀

　　2.1 鐵礦石煤基直接還原生產(chǎn)工藝

　　目前，鐵礦石煤基直接還原工藝主要有回轉(zhuǎn)窯 法、罐裝隧道窯法和轉(zhuǎn)底爐法。回轉(zhuǎn)窯法是將鐵礦石和還原煤混合后，在窯內(nèi) 進(jìn)行加熱和還原，盡管焙燒產(chǎn)品質(zhì)量較好，但由于對(duì) 原燃料要求高、能耗高、單爐規(guī)模難以擴(kuò)大等原因， 近年來(lái)沒(méi)有得到顯著發(fā)展。 罐裝隧道窯法是將鐵礦粉、還原煤分層裝罐，還 原罐在窯內(nèi)加熱還原。隧道窯法存在著熱效率低、 能耗高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、污染嚴(yán)重、單機(jī)產(chǎn)能難以擴(kuò)大， 很難成為直接還原鐵發(fā)展的主導(dǎo)方向。 轉(zhuǎn)底爐法是將含鐵物料與還原煤混合后進(jìn)行造 球或壓塊，還原條件較好，能源來(lái)源廣泛，對(duì)原料的 適應(yīng)性強(qiáng)，但存在著還原產(chǎn)品的金屬化率低、硫含量 高、能耗高等問(wèn)題[3]。

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　　2.2 鐵礦石煤基直接還原工藝存在的問(wèn)題

　　2.2.1 單爐產(chǎn)能低，對(duì)原燃料品質(zhì)要求高 以回轉(zhuǎn)窯法為例，國(guó)內(nèi)外煤基直接還原生產(chǎn)線單爐最大產(chǎn)能僅為 20 萬(wàn) t /a，當(dāng)生產(chǎn)煉鋼級(jí)直接還 原鐵時(shí)，要求鐵礦石或鐵精礦的品位在 65%以上， 產(chǎn)品金屬化率達(dá)到 92%以上，同時(shí)對(duì)燃料及還原煤 的熱震性、灰熔點(diǎn)、固定碳含量等要求較高，鐵礦石 的還原時(shí)間長(zhǎng)，加工費(fèi)用高[4]。

　　2.2.2 對(duì)煤基直接還原機(jī)理的研究不清晰 目前，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)人認(rèn)為，鐵礦石直接還原是 用 C 作還原劑來(lái)還原鐵氧化物的固相之間直接反 應(yīng)。事實(shí)上，在高爐煉鐵過(guò)程中，存在著鐵礦石間接 還原和直接還原過(guò)程，用 CO、H2 作還原劑還原鐵氧 化物的反應(yīng)稱為間接反應(yīng)，間接還原是間接消耗 C 的反應(yīng)，主要在爐內(nèi) 800～1 000 ℃中低溫區(qū)進(jìn)行，高 爐煉鐵過(guò)程以間接還原為主。由于高溫下 Fe2O3、 Fe3O4、FeO 的間接還原都是可逆反應(yīng)，還原過(guò)程中 要靠過(guò)量的還原煤來(lái)促使還原進(jìn)行。用固體 C 還 原鐵氧化物的反應(yīng)稱為直接還原，直接還原是不可 逆的強(qiáng)吸熱反應(yīng)，在爐內(nèi)高溫區(qū)熔融狀態(tài)下進(jìn)行。 因此，鐵礦石煤基直接還原是以間接還原為主的還 原過(guò)程[5]。

　　3 鐵礦石碳?xì)饣�直接還原技術(shù)原理

　　依據(jù)經(jīng)典冶金熱力學(xué)原理，鐵礦石用 C 作還原 劑時(shí)，鐵氧化物在 800 ～ 1 000 ℃ 范圍內(nèi)被還原的主 要化學(xué)反應(yīng)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 當(dāng)鐵礦石用煤作還原劑時(shí)，煤受熱干餾及碳?xì)?化合物受熱裂解會(huì)產(chǎn)生 H2，H2 還原鐵礦石的主要 化學(xué)反應(yīng)如下: 3Fe2O3+H2→2Fe304+H2O ⑻ Fe304+H2→3FeO+H2O ⑼ FeO+H2→Fe+H2O ⑽ H2O+C→H2+CO (11) 從鐵礦石還原的冶金熱力學(xué)角度來(lái)看，固態(tài)碳 和固態(tài)鐵氧化物的反應(yīng)是完全可行的，但從動(dòng)力學(xué) 角度看，由于固體顆粒之間接觸接觸面較小，在上述 反應(yīng)⑴～ ⑶中，各類鐵氧化物和 C 直接反應(yīng)是很有 限的。

　　在上述反應(yīng)⑴ ～ ⑶中，各類固態(tài)鐵氧化物和固 態(tài) C 直接反應(yīng)對(duì)還原鐵礦石最大的貢獻(xiàn)是產(chǎn)出了CO 和 CO2，并在一定溫度條件下，CO2 與煤中固態(tài)C 發(fā)生碳?xì)饣�反�?yīng)產(chǎn)生了 CO，即產(chǎn)出新的氣體還原 劑，使鐵氧化物被逐級(jí)還原成金屬 Fe 的反應(yīng)⑴～ ⑹ 持續(xù)下去，并產(chǎn)生典型的“耦合效應(yīng)”。

　　在各類固態(tài) 鐵氧化物還原過(guò)程中，CO 在中間起著傳遞氧的重要 作用，氣相平衡組分受碳?xì)饣�反�?yīng)控制，也就是說(shuō)， 各類固態(tài)鐵氧化物的還原過(guò)程受碳?xì)饣�反�?yīng) ⑺ 控制。 鐵礦石在焙燒溫度 950 ～ 1 200 ℃ 時(shí)，不同品位 鐵礦石所需的還原時(shí)間差異較大，相同品位的鐵礦 石在不同粒級(jí)或不同還原煤配比時(shí)所需的還原時(shí)間 也有較大差異，這主要是由冶金動(dòng)力學(xué)條件-還原 性氣氛的強(qiáng)弱決定的。

　　4 鐵礦石還原過(guò)程

　　鐵礦石煤基直接還原是以間接還原為主的冶金 過(guò)程，還原劑以 CO 或 H2 為主。以球形固態(tài) Fe2O3 還原過(guò)程為例，其被還原氣體 A( CO 或 H2 ) 還原，生 成還原 產(chǎn) 物 氣 體 B ( CO2 或 H2O) ，在 溫 度 高 于 570 ℃時(shí)，鐵氧化物被逐級(jí)還原: Fe2O3 →Fe3O4 → FeO→Fe。隨著還原反應(yīng)的進(jìn)行逐步形成一個(gè) Fe 產(chǎn)物層，未反應(yīng)的 Fe2O3 核心半徑逐漸減小，在固態(tài) 反應(yīng)的周圍存在著一個(gè)由層流邊界組成的氣膜。

　　Fe2O3 還原過(guò)程如下: ⑴還原氣體 A 通 過(guò)氣膜向固體產(chǎn)物層( Fe) 表面擴(kuò)散，這個(gè)過(guò)程稱為 外擴(kuò)散。⑵氣體 A 通過(guò)產(chǎn)物層向反應(yīng)界面擴(kuò)散，這 個(gè)過(guò)程稱為內(nèi)擴(kuò)散。⑶在反應(yīng)界面上氣體 A 被鐵 氧化物吸附。⑷發(fā)生界面化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氧化性氣體 產(chǎn)物 B。⑸氣體產(chǎn)物 B 從反應(yīng)界面脫附。⑹氣體產(chǎn) 物 B 向外擴(kuò)散出氣相邊界。在鐵礦石還原的以上各個(gè)環(huán)節(jié)中，如果有一個(gè) 環(huán)節(jié)進(jìn)行得較慢，使其它環(huán)節(jié)達(dá)到或接近平衡，那么 這個(gè)環(huán)節(jié)就被稱為控制環(huán)節(jié)。如果外擴(kuò)散速度很 小，內(nèi)擴(kuò)散速度和其他環(huán)節(jié)速度相對(duì)大的多，這種情 況在氣流速度較低、溫度較高的條件下經(jīng)常出現(xiàn)，這 時(shí)外擴(kuò)散速率成為反應(yīng)限制環(huán)節(jié)。

　　如果氣體流速和溫度較高，內(nèi)擴(kuò)散的影響較大，特別是隨著產(chǎn)物層的 加厚對(duì)內(nèi)擴(kuò)散影響越來(lái)越大，一般內(nèi)擴(kuò)散成為限速 主要環(huán)節(jié)。低溫下擴(kuò)散系數(shù)與反應(yīng)速度常數(shù)的比值 較大，其界面化學(xué)反應(yīng)將成為限速環(huán)節(jié)。 以上各個(gè)環(huán)節(jié)都與鐵礦石狀態(tài)、還原劑性質(zhì)和 還原溫度等有直接的關(guān)系，一般鐵礦石粒度小，料層 內(nèi)部間隙小，還原氣相流動(dòng)速度快，將有利于擴(kuò)散、 吸附及化學(xué)產(chǎn)物脫附的過(guò)程。

　　5 提高鐵礦石還原質(zhì)量的方法

　　鐵礦石在一定溫度下，還原質(zhì)量取決于還原性 氣氛的強(qiáng)弱，而還原氣氛不僅決定于混合物料內(nèi)部 還原氣相中 CO 或 H2 濃度的高低，還取決于混合物 料內(nèi)部單位時(shí)間發(fā)生各類化學(xué)反應(yīng)生成的還原氣相 產(chǎn)物體量的大小。因此，鐵礦石還原中制造出一個(gè) 較強(qiáng)的還原性氣氛是實(shí)現(xiàn)鐵氧化物被還原的關(guān)鍵， 而較強(qiáng)還原性氣氛的形成不僅需要混合物料中存在 過(guò)量還原劑，還必須要有足夠的“氧”，而過(guò)量還原 劑可通過(guò)碳循環(huán)解決，還原中的“氧”可通過(guò)增氧 解決。

　　6 鐵礦石提高還原質(zhì)量的試驗(yàn)驗(yàn)證

　　⑴層式布料的煤基還原隧道窯。 鐵礦石采用粒度為 0 ～ 10 mm、10 ～ 20 mm 的氧 化礦，鐵品位 30% ～34%，還原劑采用與鐵礦石粒度 范圍相同的煤炭。將 0 ～ 10 mm、10 ～ 20 mm 鐵礦石 分別與 0～10 mm、10 ～ 20 mm 還原煤炭按 100: 20 ～ 28 比例進(jìn)行配料及混合后，制成各粒級(jí)混合物料。 在隧道窯窯車將各粒級(jí)混合物料按照粒度由小到達(dá) 的順序由下往上依次平鋪在窯車上，鋪設(shè)總厚度控 制為 40～ 70 mm。裝有物料的窯車在隧道窯內(nèi)，通 過(guò)溫度 1 250～1 280 ℃、時(shí)間 30～40 min 的焙燒，可 得到金屬化率為 93% ～ 95%還原物料，還原后剩余 的殘?zhí)糠祷嘏淞舷到y(tǒng)循環(huán)利用。

　　7 結(jié)語(yǔ)

　　⑴通過(guò)對(duì)鐵礦石煤基直接還原生產(chǎn)現(xiàn)狀研究及 存在問(wèn)題的分析，在傳統(tǒng)鐵礦石碳?xì)饣�直接還原的 基礎(chǔ)上，提出了鐵礦石碳循環(huán)增氧還原技術(shù)。 ⑵鐵礦石碳循環(huán)增氧還原技術(shù)通過(guò)隧道窯和回 轉(zhuǎn)窯的試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該技術(shù)不僅可縮短鐵礦石的 還原時(shí)間，而且可提高還原產(chǎn)品的金屬化率、降低能 耗和 CO2 排放。 ⑶本文提出的鐵礦石碳循環(huán)增氧還原技術(shù)對(duì)促 進(jìn)我國(guó)直接還原鐵的發(fā)展具有重要意義。

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　　作者：權(quán)芳民，王明華