朱德慶，徐夢(mèng)杰，潘建

　　中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院

　　1直接還原發(fā)展與展望

　　傳統(tǒng)高爐流程長(zhǎng)、投資高、原燃料加工復(fù)雜，且加工過(guò)程（煉焦和燒結(jié)）會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的大氣和粉塵污染，焦煤資源的儲(chǔ)量低及價(jià)格昂貴，同時(shí)近年來(lái)人們環(huán)保意識(shí)逐漸提高，相關(guān)環(huán)保政策愈發(fā)收緊，以及全球溫度上升帶來(lái)的溫室氣體排放問(wèn)題，使得高爐煉鐵面臨越來(lái)越嚴(yán)峻的危機(jī)[1-2]。

　　直接還原是將鐵氧化物在熔點(diǎn)以下溫度還原為固態(tài)鐵的生產(chǎn)工藝，所得產(chǎn)品為直接還原鐵（DRI）。相對(duì)于高爐流程，直接還原工藝流程短，能耗低，污染少，CO2排放明顯減少，生產(chǎn)直接還原鐵比高爐煉鐵要節(jié)約原燃料25%，減少CO2排放量38%，有利于節(jié)約寶貴的焦煤資源，能適應(yīng)日益提高的環(huán)保要求，是鋼鐵行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)[3-6]。隨著電爐煉鋼的逐漸發(fā)展，作為其原料的廢鋼供不應(yīng)求，價(jià)格居高不下，發(fā)展純度高、成分穩(wěn)定、冶金性能優(yōu)良的直接還原鐵作為電爐原料，一方面能降低成本，另一方面能稀釋廢鋼帶來(lái)的有害成分，提高產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼、純凈鋼。發(fā)展直接還原鐵是解決中國(guó)電爐煉鋼鐵料來(lái)源供應(yīng)問(wèn)題的重要途徑[7-9]。

　　直接還原鐵成分穩(wěn)定，雜質(zhì)含量少，是電爐煉鋼的理想原料和必不可少的稀釋劑[10-11]。表1為近年來(lái)世界各直接還原鐵工藝產(chǎn)量及分布，從世界范圍來(lái)看，近幾十年來(lái)，直接還原鐵產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)[8,12]。直接還原已經(jīng)成為鋼鐵工業(yè)不可或缺的一部分。

 　　表1世界各直接還原鐵工藝產(chǎn)量及分布
 

　　按還原劑種類，直接還原可分為煤基還原和氣基還原。氣基還原在直接還原中占有主導(dǎo)地位，MIDREX和HYL（Energiron）法豎爐直接還原是氣基還原最主要工藝。2015年氣基還原DRI占世界DRI總量的79.8%，MIDREX和HYL（Energiron）法豎爐DRI共占世界DRI的79.1%（見(jiàn)表1）。MIDREX和HYL兩種工藝是當(dāng)前最為成熟的氣基直接還原工藝。

　　我國(guó)對(duì)直接還原技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，但是由于資源條件的限制，我國(guó)氣基還原發(fā)展緩慢，目前主要是以回轉(zhuǎn)窯、隧道窯等煤基法生產(chǎn)工藝為主，能耗高，設(shè)備能力小，2008以來(lái)我國(guó)DRI全部為隧道窯產(chǎn)品，最大年產(chǎn)量不超過(guò)60萬(wàn)噸，且產(chǎn)品質(zhì)量較差，不合格率高，嚴(yán)重影響了直接還原技術(shù)的發(fā)展[13-15]。近年來(lái)，隨著CO2等氣體排放受到進(jìn)一步關(guān)注，我國(guó)環(huán)保要求愈發(fā)嚴(yán)格，同時(shí)為了提高產(chǎn)品質(zhì)量和效益，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，發(fā)展污染低、能耗低的非高爐煉鐵勢(shì)在必行[16-17]。我國(guó)煤炭資源豐富，可為煤制氣豎爐直接還原提供良好的資源條件；我國(guó)氧化球團(tuán)技術(shù)先進(jìn)，可為氣基豎爐還原提供優(yōu)良原料，氣基還原將是我國(guó)直接還原未來(lái)發(fā)展方向。

　　2不同氣基還原工藝球團(tuán)礦性能要求及測(cè)定方法

　　氧化球團(tuán)礦具有粒度均勻、冷態(tài)強(qiáng)度高、鐵品位高、還原性好等優(yōu)點(diǎn)，是優(yōu)質(zhì)的直接還原煉鐵原料[18]。球團(tuán)礦的質(zhì)量對(duì)還原豎爐順行和直接還原鐵質(zhì)量有較大影響，為了使還原產(chǎn)品達(dá)到相應(yīng)的要求，用于還原的球團(tuán)礦必須滿足一定的性能要求[19-20]。MIDREX和HYL工藝不同，對(duì)球團(tuán)礦的性能要求和冶金性能測(cè)試方法有不同要求。

　　2.1HYL法

　　法是應(yīng)用較為廣泛的一種工藝，其工藝成熟，生產(chǎn)規(guī)模大，有效氣體回收率高，產(chǎn)量占世界DRI總產(chǎn)量15%左右。HYL法一般要求球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度不低于2000 N·個(gè)-1。HYL法冶金性能要求有950℃或800℃條件下的還原度指數(shù)和還原膨脹率，以及500℃條件下的低溫還原粉化率。表2為一定溫度下HYL法還原球團(tuán)礦冶金性能標(biāo)準(zhǔn)[19,21]。球團(tuán)礦還原度指數(shù)應(yīng)大于4，還原膨脹率不大于15%，低溫還原粉化率RDI+6.3mm大于80%，RDI-3.15mm小于10%，未破損球團(tuán)比例在60%以上。

 　　表2 HYL法還原球團(tuán)礦冶金性能標(biāo)準(zhǔn)
 

　　圖1為HYL法氣基還原還原度和還原膨脹率檢測(cè)裝置。實(shí)驗(yàn)樣品粒徑為10mm~16mm樣品質(zhì)量為500±1g，（50%10mm~12.5mm，50%12.5mm~16mm），還原溫度為950±5℃，升溫速率為10℃/min。還原過(guò)程：在升溫過(guò)程中通10 normal L/min的N2；還原爐溫度升至950℃后，將N2流量調(diào)高至30 normal L/min，持續(xù)加熱直到天平所稱重量不發(fā)生變化（記作m1），同時(shí)溫度穩(wěn)定在950±5℃；然后通入組成為H2∶CO∶CO2∶N2=55∶21∶14∶10的混合還原氣體，氣體流量為55 normal L/min，當(dāng)還原度達(dá)到95%時(shí)，停止通入還原氣體，改為通入5~10 normal L/min的N2，冷卻至室溫。

　　用電子天平測(cè)定失去氧的質(zhì)量，精度1g，還原開(kāi)始后，每分鐘記錄一次失重。根據(jù)還原失重，以下式計(jì)算還原度R及還原度系數(shù)k：