摘 要: 通過對國內外煤基直接還原鐵生產現狀研究及存在問題的分析，依據傳統經典鐵礦石還原理論，在鐵礦石 碳氣化直接還原技術的基礎上，提出了鐵礦石碳循環增氧還原技術，并通過隧道窯和回轉窯兩種還原設備進行試驗驗證。鐵礦石煤基還原試驗結果表明，該技術不僅可縮短鐵礦石的還原時間，而且可提高還原產品的金屬化率、 降低生產能耗和碳的排放，對促進我國直接還原鐵技術的發展具有重要意義。

　　關鍵詞: 鋼鐵; 直接還原; 技術現狀; 提高質量

　　1 引言

　　鋼鐵企業高爐煉鐵工藝經歷近 200 年的發展， 其技術完善程度幾乎達到極致。目前，世界上任何 一種非高爐煉鐵技術的節能性、經濟性，都無法與高 爐煉鐵技術相媲美[1]。隨著國內焦煤資源的短缺 和低碳排放，現有以高爐為核心的鐵水生產工藝其 生存空間已越來越小，迫切需要開發低成本、低投 資、低消耗和高產能的直接還原短流程鐵水生產工 藝[2]。

　　2 鐵礦石煤基直接還原的現狀

　　2.1 鐵礦石煤基直接還原生產工藝

　　目前，鐵礦石煤基直接還原工藝主要有回轉窯 法、罐裝隧道窯法和轉底爐法。回轉窯法是將鐵礦石和還原煤混合后，在窯內 進行加熱和還原，盡管焙燒產品質量較好，但由于對 原燃料要求高、能耗高、單爐規模難以擴大等原因， 近年來沒有得到顯著發展。 罐裝隧道窯法是將鐵礦粉、還原煤分層裝罐，還 原罐在窯內加熱還原。隧道窯法存在著熱效率低、 能耗高、生產周期長、污染嚴重、單機產能難以擴大， 很難成為直接還原鐵發展的主導方向。 轉底爐法是將含鐵物料與還原煤混合后進行造 球或壓塊，還原條件較好，能源來源廣泛，對原料的 適應性強，但存在著還原產品的金屬化率低、硫含量 高、能耗高等問題[3]。

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　　2.2 鐵礦石煤基直接還原工藝存在的問題

　　2.2.1 單爐產能低，對原燃料品質要求高 以回轉窯法為例，國內外煤基直接還原生產線單爐最大產能僅為 20 萬 t /a，當生產煉鋼級直接還 原鐵時，要求鐵礦石或鐵精礦的品位在 65%以上， 產品金屬化率達到 92%以上，同時對燃料及還原煤 的熱震性、灰熔點、固定碳含量等要求較高，鐵礦石 的還原時間長，加工費用高[4]。

　　2.2.2 對煤基直接還原機理的研究不清晰 目前，國內外大多數人認為，鐵礦石直接還原是 用 C 作還原劑來還原鐵氧化物的固相之間直接反 應。事實上，在高爐煉鐵過程中，存在著鐵礦石間接 還原和直接還原過程，用 CO、H2 作還原劑還原鐵氧 化物的反應稱為間接反應，間接還原是間接消耗 C 的反應，主要在爐內 800～1 000 ℃中低溫區進行，高 爐煉鐵過程以間接還原為主。由于高溫下 Fe2O3、 Fe3O4、FeO 的間接還原都是可逆反應，還原過程中 要靠過量的還原煤來促使還原進行。用固體 C 還 原鐵氧化物的反應稱為直接還原，直接還原是不可 逆的強吸熱反應，在爐內高溫區熔融狀態下進行。 因此，鐵礦石煤基直接還原是以間接還原為主的還 原過程[5]。

　　3 鐵礦石碳氣化直接還原技術原理

　　依據經典冶金熱力學原理，鐵礦石用 C 作還原 劑時，鐵氧化物在 800 ～ 1 000 ℃ 范圍內被還原的主 要化學反應如下: 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 當鐵礦石用煤作還原劑時，煤受熱干餾及碳氫 化合物受熱裂解會產生 H2，H2 還原鐵礦石的主要 化學反應如下: 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角度來看，固態碳 和固態鐵氧化物的反應是完全可行的，但從動力學 角度看，由于固體顆粒之間接觸接觸面較小，在上述 反應⑴～ ⑶中，各類鐵氧化物和 C 直接反應是很有 限的。

　　在上述反應⑴ ～ ⑶中，各類固態鐵氧化物和固 態 C 直接反應對還原鐵礦石最大的貢獻是產出了CO 和 CO2，并在一定溫度條件下，CO2 與煤中固態C 發生碳氣化反應產生了 CO，即產出新的氣體還原 劑，使鐵氧化物被逐級還原成金屬 Fe 的反應⑴～ ⑹ 持續下去，并產生典型的“耦合效應”。

　　在各類固態 鐵氧化物還原過程中，CO 在中間起著傳遞氧的重要 作用，氣相平衡組分受碳氣化反應控制，也就是說， 各類固態鐵氧化物的還原過程受碳氣化反應 ⑺ 控制。 鐵礦石在焙燒溫度 950 ～ 1 200 ℃ 時，不同品位 鐵礦石所需的還原時間差異較大，相同品位的鐵礦 石在不同粒級或不同還原煤配比時所需的還原時間 也有較大差異，這主要是由冶金動力學條件-還原 性氣氛的強弱決定的。

　　4 鐵礦石還原過程

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

　　Fe2O3 還原過程如下: ⑴還原氣體 A 通 過氣膜向固體產物層( Fe) 表面擴散，這個過程稱為 外擴散。⑵氣體 A 通過產物層向反應界面擴散，這 個過程稱為內擴散。⑶在反應界面上氣體 A 被鐵 氧化物吸附。⑷發生界面化學反應產生氧化性氣體 產物 B。⑸氣體產物 B 從反應界面脫附。⑹氣體產 物 B 向外擴散出氣相邊界。在鐵礦石還原的以上各個環節中，如果有一個 環節進行得較慢，使其它環節達到或接近平衡，那么 這個環節就被稱為控制環節。如果外擴散速度很 小，內擴散速度和其他環節速度相對大的多，這種情 況在氣流速度較低、溫度較高的條件下經常出現，這 時外擴散速率成為反應限制環節。

　　如果氣體流速和溫度較高，內擴散的影響較大，特別是隨著產物層的 加厚對內擴散影響越來越大，一般內擴散成為限速 主要環節。低溫下擴散系數與反應速度常數的比值 較大，其界面化學反應將成為限速環節。 以上各個環節都與鐵礦石狀態、還原劑性質和 還原溫度等有直接的關系，一般鐵礦石粒度小，料層 內部間隙小，還原氣相流動速度快，將有利于擴散、 吸附及化學產物脫附的過程。

　　5 提高鐵礦石還原質量的方法

　　鐵礦石在一定溫度下，還原質量取決于還原性 氣氛的強弱，而還原氣氛不僅決定于混合物料內部 還原氣相中 CO 或 H2 濃度的高低，還取決于混合物 料內部單位時間發生各類化學反應生成的還原氣相 產物體量的大小。因此，鐵礦石還原中制造出一個 較強的還原性氣氛是實現鐵氧化物被還原的關鍵， 而較強還原性氣氛的形成不僅需要混合物料中存在 過量還原劑，還必須要有足夠的“氧”，而過量還原 劑可通過碳循環解決，還原中的“氧”可通過增氧 解決。

　　6 鐵礦石提高還原質量的試驗驗證

　　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 比例進行配料及混合后，制成各粒級混合物料。 在隧道窯窯車將各粒級混合物料按照粒度由小到達 的順序由下往上依次平鋪在窯車上，鋪設總厚度控 制為 40～ 70 mm。裝有物料的窯車在隧道窯內，通 過溫度 1 250～1 280 ℃、時間 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 的殘炭返回配料系統循環利用。

　　7 結語

　　⑴通過對鐵礦石煤基直接還原生產現狀研究及 存在問題的分析，在傳統鐵礦石碳氣化直接還原的 基礎上，提出了鐵礦石碳循環增氧還原技術。 ⑵鐵礦石碳循環增氧還原技術通過隧道窯和回 轉窯的試驗驗證表明，該技術不僅可縮短鐵礦石的 還原時間，而且可提高還原產品的金屬化率、降低能 耗和 CO2 排放。 ⑶本文提出的鐵礦石碳循環增氧還原技術對促 進我國直接還原鐵的發展具有重要意義。

　　參考文獻:

　　[1] 黃雄源，周興靈.現代非髙爐煉鐵技術的發展現狀與前 景( 一) [J]. 金屬材料與冶金工作，2007，35( 06) : 49-56.

　　[2] 方 覺. 非高爐煉鐵[M]. 北京: 冶金工業出版社， 2010: 1.

　　[3] 郭 漢 杰，孫 貫 永. 非 焦 煤 煉 鐵 工 藝 及 裝 備 的 未 來 ( 2) ———氣基直接還原煉鐵工藝及裝備的前景研究( 上) [J].冶金設備，2015，219( 03) : 1-13.

　　[4] 郭 漢 杰，孫 貫 永. 非 焦 煤 煉 鐵 工 藝 及 裝 備 的 未 來 ( 2) ———氣基直接還原煉鐵工藝及裝備的前景研究( 下) [J].冶金設備，2015，221( 04) : 1-9.

　　[5] 郭漢杰. 非焦煤煉鐵基本原理再研究及最理想工藝與 裝備的設想( 上) [J]. 冶金設備，2015，222( 05) : 1-7.

　　作者：權芳民，王明華