刘鑫1 尹志强 路毅
1.华北理工大学冶金与能源学院，河北 唐山，063200
摘要：目前高炉炼铁技术的发展已接近顶峰，但同时它也存在着污染大、排放物多及耗费大量能源等问题，针对以上这些问题并响应国家节能减排的号召，非高炉炼铁等相关技术成为目前研究的重点。相比之下，炼铁是炼铁产业发展的尖端技术之一。相对而言，炼铁工艺在炼铁工艺节能减排，生产工艺环境优化，对炼铁主要炼焦炭依赖程度下降方面具有独特的优点。
关键词：非高炉炼铁；直接还原；熔融还原
一般把没有高炉的炼铁工程称为替代或比较炼铁工程。高炉工艺法是炼铁工艺的主要工艺法，规模和效率性与其他工艺无法相提并论。高炉炼铁技术经过数百年的开发，生产竞争力非常强。高炉的弱点是依赖于冶金焦炭。同时，大规模高炉也会带来矛盾。第一，大量的原料燃料使高度的生产得到满足。过程中会产生很多污染。[1]；二是对焦煤依赖越来越强[2]；第三，大规模高炉造成的焦炭、清洁和炼铁的生产设备太大、太复杂。[3]。
非高炉炼铁是指在高炉外进行的、不用焦炭的所有的炼铁技术，是一系列炼铁技术的统称。发展非高炉炼铁工艺的主要目的是使铁生产不含焦炭。其主要工艺包括：直接还原工艺与熔融还原工艺等。
1 直接还原法
直接还原是使用熔融温度以下的固体碳或天然煤气生成海绵铁或DRI的工程。这种铁拥有氧气损失时形成的许多微细气孔，在显微镜下看，它就像海绵。还原的特点是，造钢和造钢差不多，但C和Si含量较低。传统的铁矿石是先在高炉中还原含碳量高的生铁并冶炼后，在炼钢炉中氧化减少含碳量，再炼成钢。
直接还原法与早期炼铁法基本相同。 高炉取代原来的炼铁方法后，生产效率大大提高。 但是，由于钢铁工业的大规模发展以及高炉对焦炭的过度依赖，适用于高炉的焦炭正在日渐减少，这极大地限制了钢铁工业的发展。为了摆脱这种局限性，直接还原的想法在18世纪后期提出并在1960年代得到发展。
目前，直接还原技术是全世界大规模产业化的技术。根据还原剂的种类可分为煤气还原方法、固体还原方法、电气煤炭法(还原剂为煤炭、热源)、反应器的种类。高炉法，流动层法，转弯魔法，转弯法，坦克法等[4]。
1.1 气基直接还原
常规的基于气体的直接还原过程主要包括Midrex和HYL / Energiron，它们都使用轴炉作为反应器，大部分还原气体是天然气。
1.2 Midrex直接还原工艺
Midrex方法是Midrex开发的一种气体直接还原工艺，非常成功，应用广泛。还原气体是由天然气,这是由一个催化kraakreactie (kraakmiddel ovengas),温度是850-900°C。schachtoven Midrex正常压力下工作,与成熟的技术,高生产能力和大productieschaal[5]。除了天然气，Midrex方法还可以使用Corex、煤化气和焦炉气产生的各种还原剂气体。
1.3 HYL/Energiron直接还原工艺
HYL/Energiron工艺是Hylsa公司开发并广泛应用的气基直接还原工艺。还原气一般以天然气为原料，天然气通过催化裂化反应(裂化剂为水蒸气)制取，预热到900 ～960℃ [6]-[7]。
1.4 煤基直接还原
煤基直接还原工艺的主要设备是回转窑，回转窑使用固体还原剂在铁矿石的风化温度下还原生产固体直接还原铁。
2 熔融还原法
熔炼还原法是指在高温熔炼条件下不使用高炉还原铁矿石的方法。本产品为熔融铁，其成分与熔融高炉铁相似。熔炼还原法的目的是取代或补充高炉铁的生产。
与高炉炼铁法相比，炼铁法具有以下特点:(1)燃料使用煤代替焦炭，减少环境污染;(2)可以使用与高炉相同的散装材料，也可以直接使用矿粉;(3)熔炼过程中都使用氧气，熔炼过程中消耗大量氧气;(4)本产品为熔炼铁，其组成与高炉生铁相似，可用于生产转炉钢;(5)除炼铁外，还产生大量的高热值气体。
2.1 Corex熔融还原法
Corex方法是由德国Korf和Voestalpine在20世纪70年代末共同开发的。它使用非焦煤作为燃料，直接从铁矿石中生产液体生铁。2007年，中国推出了2个大型c -3000生产基地[6]。
Corex工艺真正实现了用煤而不是焦炭生产熔融铁，并实现了商业生产。Corex工艺的生产过程由上下两部分组成。上部是还原炉，下部是熔炉。加载到上部的负载被还原成海绵铁，金属化速度为90-95%，然后由几个水冷螺旋组成。传送带不断地将熔炼炉和气化炉送入地下，进行熔炼和最终还原。通过类似于高炉的炼铁过程，铁和炉渣被抽到气化器的底部。2.2 Finex熔融还原法
1995年，韩国浦项制铁从voestalpine引进了C-2000，并根据其工艺进行了革新和改善。这个，作为还原单元代替原来的轴炉使用一系列的流化床，具备微粉炭垫片和微粉炭。射出系统最终发展为直接生产熔铁的Finex冶炼还原工艺。韩国的Posco主张，Finex工艺与现有的炼铁技术相比，可节约约20%的熔铁成本。整个投资是高炉工艺的80%。环境保护水平和Corex一样。熔铁的质量与高炉和Corex炉相同。Corex炉是一样的。[8]。
Finex工艺的核心技术是流动层还原技术。也就是说，在流动层还原炉中，使用Corex工艺的熔融气化装置生成的还原气体，还原细小的矿石。
2.3?HIsarna熔融还原法
HIsarna工艺实现全氧冶炼，燃气基本在炉内完全燃烧，可使用挥发性成分多的低质量煤。但是，HIsarna工艺制造的熔铁不能直接在转炉中使用，为了满足钢铁的要求，需要添加苯硅和氟利昂，并在炉外脱硫[6]。
3熔融还原-直接还原联合流程
南非的saldanha工厂使用Corex的还原剂废气和多余的气体来生产Midrex公司的海绵铁，取代了部分天然气，降低了海绵的能源消耗，形成了减少熔炼和直接还原的联合过程[9]。
4中国发展非高炉炼铁的展望
展望中国发展非高炉炼铁,可概括为:
（1）国内直接还原铁需求强烈，市场容量大。但是在中国废铁钢不足,因此,电炉钢的产量占总钢产量较低的比率,因此钢铁产品结构的调整和升级,及钢铁生产的能源结构调整的必要性等,在中国直接还原铁的时间相对较长。
（2）燃气基直接还原轴炉是中国直接还原铁生产的主要方向。中国煤基转氨酶直接还原生产进入持续稳定生产和生产指标持续改善阶段。
（3）大规模的直接还原铁生产线和生产基地的建设，是中国直接还原铁开发的重要组成部分。
（4）根据国内资源，我们采用同等重视国内和国外资源的方针，以开发中国直接减少的铁生产。中国没有可直接用于还原铁生产的丰富矿石，外国的直接还原矿石不仅价格昂贵、供应量大，更重要的是受其他条件的影响。中国非高炉炼铁生产的发展应该采用以国内资源为基础，同等重视国内外资源的政策。
参考文献：
[1] 黄雄源，周兴灵.现代非高炉炼铁技术的发展现状与前景（一） [J].金属材料与冶金工程，2007，35（6）：49-56.
[2] 王维兴.高炉炼铁与非高炉炼铁的能耗比较[J].炼铁，2011，30 （1）：59-61.
[3] 贡献峰.分析比较高炉炼铁与非高炉炼铁技术[J].山西冶金，2017，40（2）：86-88.
[4] 储满生,赵庆杰.中国发展非高炉炼铁的现状及展望[J].中国冶金,2008(09):1-9.
[5］齐渊洪,钱晖,周渝生.中国直接还原铁技术发展的现状及方向[J].中国冶金,2013, 23(1):9 ～14.
[6]应自伟,储满生,唐珏,柳政根,周渝生.非高炉炼铁工艺现状及未来适应性分析[J].河北冶金,2019(06):1-7+31.
[7] 沈峰满,魏国,高强健等.直接还原技术现状及其在中国的发展展望[C].全国非高炉炼铁年会论文集,2014:1 ～72.
[8] 钱良丰.米德雷克思煤制气直接还原技术[C].第十届中国钢铁年会暨第六届宝钢学术年会论文集,2016:1 ～10.
[9]张志霞.世界非高炉炼铁现状[J].山西冶金,2019,42(01):71-73.