1. 唐山奧特斯科技有限公司 2. 東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院

　　1 前言

　　世界范圍內(nèi)的直接還原工藝發(fā)展過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外的冶金工作者進(jìn)行了大量新工藝的研究與開(kāi)發(fā)工作，目前投入生產(chǎn)的直接還原工藝主要有氣基豎爐、煤基轉(zhuǎn)底爐、回轉(zhuǎn)窯、隧道窯等。其中，每種工藝都各有利弊，不同生產(chǎn)企業(yè)主要是根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡V石種類、能源情況、環(huán)保政策等客觀因素，因地制宜的選取不同工藝來(lái)滿足自己的生產(chǎn)需求[1]。

　　車底爐高溫高料層直接還原工藝就是在這種背景條件下開(kāi)發(fā)的一種新型直接還原工藝。該工藝首先是20世紀(jì)末期，由加拿大籍華裔冶金學(xué)家Weikao Lu教授提出的。其主要目的是在焦炭資源短缺的條件下能夠大規(guī)模的高效生產(chǎn)低碳的優(yōu)質(zhì)鐵水，或者處理某些特殊礦石和含鐵粉塵。唐山奧特斯科技有限公司汪壽平、高波文、汪翔宇等人設(shè)計(jì)并正付諸實(shí)施的OTS工藝中的還原設(shè)備——“往復(fù)式車底爐”可適應(yīng)高溫高料層工藝的要求在相關(guān)領(lǐng)域已達(dá)成共識(shí)。核心技術(shù)和核心裝備兩者的有機(jī)結(jié)合，將極大地加快車底爐高溫高料層工藝的工業(yè)化進(jìn)程。

　　2 工藝簡(jiǎn)介

　　高溫高料層直接還原，即將直接還原分為還原室和氧化室兩個(gè)彼此相互獨(dú)立的部分(圖1)[2]。還原過(guò)程主要由以下四部分組成：

　　(1)還原室：碳還原鐵礦石，生成金屬鐵和CO氣體，消耗熱量;

　　(2)CO氣體從還原室傳遞到氧化室;

　　(3)氧化室：CO完全燃燒(氧化)生成CO2，釋放熱量;

　　(4)熱量從氧化室傳遞到還原室。

　　該工藝的操作特點(diǎn)即“高溫”和“高料層”。在能源利用方面，先利用C的化學(xué)能，作為還原劑還原鐵礦石，生成CO;再利用其熱能，CO完全燃燒成CO2產(chǎn)生高溫，作為熱源為礦石的還原和加熱提供熱量，同時(shí)由于高料層的存在可防止直接還原鐵DRI被CO2再氧化。從而有效地提高了燃料利用率，降低燃耗。

　　圖2所示為高溫高料層工藝示意圖[3, 4]。該工藝的兩點(diǎn)關(guān)鍵問(wèn)題是：1)傳熱，即熱量由上層球團(tuán)傳遞到下層球團(tuán)，從球團(tuán)表面?zhèn)鬟f到球團(tuán)內(nèi)部;2)DRI再氧化，防止DRI被氧化室的CO2和O2再氧化。正是由于同時(shí)采取了“高溫”和“高料層”的操作特點(diǎn)，可有效解決這兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)“既燃料利用率高又金屬化率高”。

　　3 理論依據(jù)

　　3.1 高溫操作——加快傳熱，提高反應(yīng)速度

　　所謂高溫，即讓還原室產(chǎn)生的CO在氧化室完全燃燒，生成CO2。高溫操作具有如下四個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)提高燃料利用率，降低燃耗。

　　(2)有利于輻射傳熱。周知，球團(tuán)與爐壁相對(duì)靜止的直接還原工藝中，熱量傳遞以輻射傳熱為主，而輻射傳熱量與溫度的四次方成正比。因此，提高溫度可大大提高熱輻射傳遞給爐料的熱量。

　　(3)加快球團(tuán)收縮。前期研究表明[5]，熱量傳輸是整個(gè)工藝過(guò)程(包括質(zhì)量傳輸和熱量傳輸)的限制性環(huán)節(jié)。還原初期，上層球團(tuán)很容易接受熱輻射傳遞的熱量，但下層球團(tuán)難以直接獲得輻射傳熱。高溫條件下，有利于第一層球團(tuán)還原后體積收縮，料層空隙度增大，則有利于對(duì)第二層球團(tuán)的輻射傳熱。依次類推……，因此高溫可加快球團(tuán)收縮，從而有利于給下層球團(tuán)進(jìn)行輻射加熱。還原后期底層球團(tuán)所需要的熱量來(lái)自傳導(dǎo)和輻射傳熱的共同作用，此時(shí)上層球團(tuán)的良好還原和收縮使DRI具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能。

　　(4)高溫有利于加快還原反應(yīng)速度，提高生產(chǎn)效率。同時(shí)有利于鐵顆粒的長(zhǎng)大，尤其適合于特殊礦石的冶煉。

　　3.2 高料層操作——防止DRI再氧化，提高金屬化率和生產(chǎn)效率

　　傳統(tǒng)的球團(tuán)與爐壁相對(duì)靜止的直接還原工藝由于傳熱方式以輻射傳熱為主，球團(tuán)層數(shù)超過(guò)2層以后，輻射傳熱難以將熱量傳遞給2層以下的球團(tuán)，因此生產(chǎn)工藝中的實(shí)際料層多數(shù)僅為1層或2層(圖3)。

 
圖3 矮料層的直接還原示意圖

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