甘 肃 冶 金
GANSU METALLURGY
第 43 卷第 1 期举宫是什么意思
2021 年 2 月
Vol.43 No.1
Feb.,2021
文章编号:1672-4461( 2021) 01-0030-05
权芳民，王明华
(酒泉钢铁(集团)有限责任公司钢研院，甘肃 嘉峪关735100)
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
中图分类号:TF55 文献标识码：A
The Status and the Improving Quality Countermeasures of
Fe Ore Direct Reduction Technology
QUAN Fang-min , WANG Ming-hua
(Steel Research Institute of Jiuquan Iron & Steel ( Group ) Co.Ltd., Jiayuguan 735100, China )
Abstract : Based on the analysis of the present situation and existing problems of coal-based direct reduction iron production at home and abroad , and the traditional classical iron ore reduction theory , and the iron ore direct reduction technology of
carbon gasification , the paper puts forward the technology of carbon cycling oxygen-increasing reduction of iron ore. The test verification is carried out by two kinds of reduction equipment , tunnel kiln and rotary kiln. The test results of coal-based re duction show that the technology can not only shorten the reduction time of iron ore , but also improve the metallization rate
of reduction products , reduce production energy consumption and carbon emissions. It is of great significance to promote the development of direct reduction iron technology in China.
Key Words : iron and steel ; direct reduction ; technology status ; improving quality
1引言
触摸笔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⑷。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
艺叫
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]o
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
第1期权芳民，等：铁矿石直接还原现状及提高质量的对策31
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⑷。
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800~1000C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⑸。
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800~1000C范围内被还原的主要化学反应如下:
6Fe20s+C-4Fe304+C02f(1)
2Fe304+C—6Fe0+C02f(2) 2FeO+C—2Fe+CO2f⑶3Fe203+C0—2Fe304+C02f(4) Fe3O4+CO=3FeO+CO2 f(5) FeO+CO-Fe+CO2f(6) CO2+C—2CO(7)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:
3Fe203+H2—2Fe304+H20⑻Fe304+H2—3Fe0+H20(9) FeO+H2—Fe+H2O⑽H2O+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(1)~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C02，并在一定温度条件下，C02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(1)~(6)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，C0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(7)控制。
铁矿石在焙烧温度950~1200C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。根据经典冶金学原理，铁矿石被还原与还原剂中CO及H2含量、还原温度有关，如图1Fe-C-0还原反应平衡图、图2Fe-H-0还原反应平衡图、图3Fe-C-0和Fe-H-0还原反应平衡图和图4高炉内固相区氧化铁还原平衡图
100
20 6040
4060
2080
0&
100
温度°C
图2Fe-H-0还原反应平衡图
50070090011001300
电腐蚀打标机Fe
\
\FeO
Fe3O4\
H
80
从图1可以看出，FeO还原反应FeO+CO二Fe+ C02的平衡曲线位置最高，说明它的CO平衡气氛
32甘肃冶金第43卷
浓度最高,FeO最难还原。在900t、l标准大气压下，用CO含量60%的气相（CO+CO2=100%）不可能将FeO还原成Fe。
7
50070090011001300
温度比图3Fe—C—O和Fe—H—O还原反应平衡图
图2也呈现出与图1同样的规律，因为FeO+H2 =Fe+H2O反应的平衡曲线位置最高，说明它平衡要求的H2浓度最高，用H2作还原剂时，FeO也最难还原；在700t,1标准大气压下，用H2含量60%的气相（比+比0=100%）也不能将FeO还原成Fe。因此，在常压下将铁氧化物逐级还原成金属Fe，需要有较强的还原性气氛，而为使FeO彻底还原，从冶金动力学来看，还需要过量的CO或h2。
从图3可以看出，比与CO的还原相比其特点有:①随还原温度升高，平衡气相曲线向下倾斜，说明H2的还原能力较高。②从反应热力学来看，温度810t以上H2的还原能力高于CO,810t以下则相反。③从反应动力学来看，H2与其反应产物h2o的分子半径均比CO与其反应产物CO2的分子半径小，其扩散能力强，说明不论在低温或高温下, h2还原反应速度都比CO快。
在铁矿石还原中，C02的碳气化反应CO2+C t 2CO是可逆反应，1000t以上铁矿石还原过程受碳气化反应的控制，对还原过程影响较大。从图4还可看出，曲线e与c相交于B点，此点表示FeO+ CO=Fe+CO2与CO2+C=2CO的气相达到平衡，为FeO还原为金属铁的开始温度。
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570t时，铁氧化物被逐级还原：Fe2O3TFe3O4T 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。如图5所示。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。
图5铁矿石还原过程示意图
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
第1期权芳民，等：铁矿石直接还原现状及提高质量的对策33
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
薄膜生产线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。
5.1铁矿石还原中碳循环技术
当铁矿石采用回转窑或隧道窑直接还原时，铁矿石的还原过程主要由碳气化、外扩散、内扩散和界面反应等环节组成，由于还原过程受碳气化反应的控制，还原过程中存在碳气化和铁氧化物还原反应的
偶合效应，即碳的气化反应和铁氧化物还原反应同时进行并相互促进，最终完成对铁氧化物的还原。当然，铁矿石的还原不仅依靠固定碳，而且煤炭受热裂解出的挥发分中含有的H2也对还原过程有一定的作用，但由于煤炭中固定碳气化和挥发分析出的温度范围不同，二者在铁矿石还原过程中表现也就不同。
在一定温度下，铁矿石中配碳量对还原质量有重大影响，当合理增加配碳量时，能提高碳气化反应速率及还原气相CO浓度，进而提高还原速率。实际生产中，通过在铁矿石中配入过量煤炭，使还原产物中有一定过剩碳，然后根据过剩碳与还原产品的磁性和密度差异，通过磁重联合选别方法可将过剩碳分离出来。过剩碳由于挥发分和焦油已析出殆尽，固定碳含量较高，而铁矿物的高温还原主要是依靠碳气化反应产生的CO做还原剂，过剩碳的反应性优于一般的煤炭。因此，分选出的过剩碳可配入待还原的铁矿石中进行循环利用。
5.2铁矿石还原中增氧技术
铁矿石在回转窑或隧道窑还原后期，尽管焙烧温度高、生成的还原气相中CO浓度较高，但由于还原产出的气体量小，混合物料中还原气相流动速度低，气相中CO突破铁矿石层流边界气膜愈加困难，此时外扩散成为制约环节，导致铁氧化物被还原的速率降低，这是传统煤基还原装置产能低、能耗大的根本原因。如何在铁矿石还原后期提高物料中产出的还原气相体量，进而提高物料中还原气相流动速度，
这是提高铁矿石煤基还原装置产能及降低能耗的关键所在，而在还原后期的物料中进行“增氧”，是一项有效的技术措施。
在铁矿石还原后期，导致物料中产出的还原气相体量降低的原因是CO2+C=2CO反应减弱，混合物料中碳量因前期消耗而减少，这只是还原后期CO2+C=2CO反应减弱的一个次要原因，其主要原因是：在还原后期由于铁氧化物中的“氧量”随还原时间在逐渐减少。因此，铁矿石需要采用后期干预增氧才能达到强化CO2+C=2CO反应的目的。
在铁矿石还原炉内1000t左右温度下，小粒级矿煤混合物中空隙体积量小、自身内扩散阻力小，即使在还原后期CO2+C=2C0反应减弱，还原反应产出的气体量减少，但混合物料中生成的还原气相体量还是可以支撑还原气相有较高的流动速度，能使铁矿石还原中扩散、吸附及还原产物脱附的过程以正常速度进行。而对大粒度铁矿石，自身内扩散阻力大，随着还原过程进行其产物层加厚对内扩散速度影响会越来越大，会在还原后期成为限速的主要环节。
对于层式布料的煤基还原隧道窑来说，可采取将大粒级矿煤混合物料覆盖在小粒级矿煤混合物料的上方进行增氧。根据隧道窑的传热特点，料层上部的大粒级矿煤混合物料会最先发生还原反应，当大粒级矿煤混合物料随内部“氧量”逐渐减少而进入还原后期时，料层下部的小粒级矿煤混合物料开始进入还原前期，产出的气相CO2+CO在通过料层上部大粒级矿煤混合物料后才能排出。从料层下部进入到
料层上部中的气体，使得还原后期的上部混合物料中还原气相体量不降低，其部分CO能直接参与对上部料层铁氧化物的还原反应，其C02能与上部混合物料中C发生CO2+C=2CO反应，即：下部料层中产出的C02对上部料层进行增氧，强化了上层物料中CO2+C=2CO反应并提高其中的还原气相体量，使得物料中还原气相流动速度不降低，强化了扩散、吸附及还原产物脱附的过程，使还原反应得以快速进行。
对于煤基还原回转窑来说，可采取分粒度梯次投料方式，大粒级矿煤混合物先从入料端入窑并在回转窑前端进行前期还原。当大粒级矿煤混合物料
34甘肃冶金第43卷
进入到回转窑中后端时，混合物料随内部“氧量”逐渐减少进入到还原后期，此时在该区域投加适量的小粒级铁矿物，新投加的小粒级铁矿物料中的铁氧化物能被迅速地还原，产出与其相关的大量气相CO2+CO，对大粒级铁矿物的持续还原起到增氧效果。同时，由于投加小粒级铁矿物（也可同时投加适量的合适粒度煤炭），混合物料空隙体积量变小，使得物料中还原气相流速保持较高水平，促进还原反应快速进行。高浓除砂器
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。
铁矿石米用粒度为0~10mm、10~20mm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0~10mm、10~20mm铁矿石分别与0~10mm、10~20mm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40~70mm。装有物料的窑车在隧道窑内，通过温度1250~1280C、时间30~40min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。剖分式油封
⑵煤基还原回转窑。
铁矿石采用粒度为3~10mm、10~25mm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3~10mm、10~25mm铁矿石分别与3~10mm、10~25mm还原煤炭按100：（24~ 26）比例进行配料及混合后，制成各粒级混合物料。将10~25mm粗粒矿煤混合物从回转窑入料端加入到窑内，当粗粒矿煤混合物移动到回转窑中后端时，再将3~10mm细粒矿煤混合物从回转窑出料端喷入到窑内。物料在窑内通过温度1200~1250C、时间40~45min的焙烧，可得到金属化率为90%~ 93%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C02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：
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[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.
收稿日期：2020-07-02
作者简介：权芳民（1967-），男，汉族，甘肃宁县人，高级工程师。从事热工技术工作。
（上接第29页）
3结语
⑴低料线破坏炉料和气流的正常分布，炉料得不到正常分布，不能正常的预热还原，会引发炉凉和其它炉况失常事故；低料线还会造成炉顶温度过高，对炉顶设备及煤气除尘布袋有严重破坏作用。
⑵低料线的危害很大，亏料线深度、赶料线时间、工艺参数选择，如果把握不好这些，可以很快将一座顺行的高炉变为寸步难行，举步维艰。
⑶前期定制合理恢复思路和方案，以稳气流、赶料线、补热为主线，控制合理相对较低压差运行，控制加风进度，加风较慢。
⑷中期长远考虑后期炉温平衡，科学计算，适时扩矿批、上负荷，调整煤量，富氧，后期通过计算采取准确、果断措施与前期轻负荷料准确相迎，保证了炉温稳定、和炉况稳定。
处理低料线，尤其设备故障造成低料线，及时采取措施，杜绝对故障影响判断轻视，盲目认为故障迅速能排除，控氧、减风力度较小，密闭空间作业，处理时间较长。
收稿日期：2020-07-23
作者简介：何光钊（1984-），男，大专学历，陕西省汉中市勉县人，工程师。主要从事高炉炼铁。
