直接還原鍊鐵法

這種鐵保留了失氧時形成的大量微氣孔，在顯微鏡下觀察形似海綿，所以也稱為海綿鐵；用球團礦製成的海綿鐵也稱為金屬化球團。直接還原鐵的特點是碳、硅含量低，成分類似鋼，實際上也代替廢鋼使用於鍊鋼。習慣上把鐵礦石在高爐中先還原冶煉成含碳高的生鐵。而後在鍊鋼爐內氧化，降低含碳量並精煉成鋼，這項傳統工藝，稱作間接鍊鋼方法；而把煉製海綿鐵的工藝稱作直接還原法，或稱直接鍊鐵（鋼）法。

直接還原原理與早期的鍊鐵法（見塊鍊鐵）基本相同。高爐法取代原始鍊鐵法後,生產效率大幅度提高,是鋼鐵冶金技術的重大進步。但隨着鋼鐵工業大規模發展，適合高爐使用的冶金焦的供應日趨緊張。為了擺脱冶金焦的羈絆，18世紀末提出了直接還原法的設想。20世紀60年代，直接還原法得到發展，其原因是：①50～70年代，石油及天然氣大量開發，為發展直接還原法提供了方便的能源。②電爐鍊鋼迅速發展，海綿鐵能代替供應緊缺的優質廢鋼,用作電爐原料,開闢了海綿鐵的廣闊市場。③選礦技術提高,能提供高品位精礦,使脈石含量可以降得很低，簡化了直接還原工藝。1980年全世界直接還原鍊鐵生產量為713萬噸，佔全世界生鐵產量的1.4%。最大的直接還原工廠規模達到年產百萬噸，在鋼鐵工業中已佔有一定的位置。

海綿鐵中能氧化發熱的元素如硅、碳、錳的含量很少，不能用於轉爐鍊鋼，但適用於電弧爐鍊鋼。這樣就形成一個直接還原爐－電爐的鋼鐵生產新流程。經過電爐內的簡單熔化過程，從海綿鐵中分離出少量脈石，就煉成了鋼，免除了氧化、精煉及脱氧操作，使新流程具有作業程序少和能耗低的優點。其缺點是：①成熟的直接還原法需用天然氣作能源，而用煤炭作能源的直接還原法尚不完善，70年代後期，石油供應不足，天然氣短缺，都限制了直接還原法的發展。②直接還原爐－電爐鍊鋼流程，生產一噸鋼的電耗不少於600千瓦·時,不適於電力短缺地區使用。③海綿鐵的活性大、易氧化，長途運輸和長期保存困難。目前，只有一些中小型鋼鐵廠採用此法。 ^[1] 

現在達到工業生產水平或仍在繼續試驗的直接還原方法約有二十餘種，主要分為兩類：

按工藝設備來分，有三種類型，包括豎爐法、反應罐法和流態化法。作為還原劑的煤氣先加熱到一定温度（約900℃）,並同時作為熱載體，供還原反應所需的熱量。要求煤氣中H2、CO含量高,CO2、H2O含量低；CH4在還原過程中分解離析的碳要影響操作,含量不得超過3%。用天然氣轉化製造這樣的煤氣最方便；也可用石油（原油或重油）製造，但價格較高。用煤炭氣化製造還原氣，是正在研究的課題。

在豎爐中爐料與煤氣逆向運動，下降的爐料逐步被煤氣加熱和還原，傳熱、傳質效率較高。豎爐法以Midrex法為代表，是當前發展最快、應用最廣的直接還原鍊鐵法，其改進的生產流程示意見圖1。作為原料的氧化球團礦自爐頂加入豎爐後，依次經過預熱、還原及冷卻三個階段。還原所得的海綿鐵，冷卻到50℃後排出爐外，以防再氧化。還原煤氣用天然氣及豎爐本身的一部分煤氣製造，先加熱到760～900℃，在豎爐還原段下部通入。爐頂煤氣回收後分別用於煤氣再生、轉化爐加熱和豎爐冷卻。此法的生產率很高，每噸產品能耗可低達2.56×106千卡,產品質量好，金屬化率達92%。1980年全世界建有800萬噸/年設備能力，總年產量約396萬噸 (佔直接還原鐵的50%)。

其他豎爐法有 Purofer法，為聯邦德國提出。特點是用蓄熱式天然氣轉化爐製造還原氣，可以獲得較高的煤氣温度。另外，豎爐不設冷卻段，海綿鐵在隔絕空氣條件下熱排料，然後進行鈍化處理或送電爐熱裝。此法缺點是設備及操作較複雜。現在只在伊朗建有一個生產工廠。Wiberg法是30年代瑞典開創的一種豎爐法，使用電弧供熱的煤炭氣化爐製造還原煤氣。世界各地曾建立若干小型工廠，目前都已停產。但瑞典又在研究用等離子體加熱的煤粉氣化爐代替電弧供熱的煤炭氣化爐，對Wiberg法進行改造，1981年已投產。

中國廣東省曾進行水煤氣豎爐的試驗，並取得了成功，但未投入生產。

墨西哥的HyL法 (指其第一代和第二代)是唯一的工業化反應罐法,在反應罐中爐料固定不動,通入熱還原煤氣依次進行預熱、還原和冷卻，最後定期停氣，把爐料排出罐外。工藝流程見圖2。為了克服固定牀還原煤氣利用不良的缺點,HyL法採用了4個反應罐串聯操作，還原煤氣用天然氣製造,先在換熱式轉化爐中不充分轉化。經過每一個罐反應後都進行脱水、二次轉化和提温，煤氣在1100℃的高温下進行還原。 　HyL法使用排料杆,在停止通氣下,強迫排料,因此不怕爐料粘結，操作温度較高，雖系間斷作業，生產率並不低。缺點是煤氣利用差,熱耗大(達3.4×106千卡/噸)，產品質量不均。HyL海綿鐵含碳高 (1.2～2.0%)，不易再氧化。墨西哥建有用此法正式生產的工廠。其產量僅次於Midrex法，1980年產量為236萬噸。第三代的HyL法已放棄四個反應罐，改用一個，接近Midrex法，於1980年投產。 　流態化法 在流化牀中用煤氣還原鐵礦粉的方法。在流態化法還原中，煤氣除用作還原劑及熱載體外，還用作散料層的流化介質。圖3示出流態化還原的一般原理。細粒礦石料層被穿過的氣流流態化並依次被加熱、還原和冷卻。還原產品冷卻後壓塊保存。

流態化還原有直接使用礦粉省去造塊的優點，並且由於礦石粒度小而能加速還原。缺點是：因細粒礦粉甚易粘結，一般在600～700℃不高的温度下操作，不僅還原速度不大，而且極易促成CO的析碳反應。碳素沉析過多，則妨礙正常操作。為了克服這一困難，流態化還原多采用價格高的高氫煤氣。此外，流態化海綿鐵活性很大,極易氧化自燃,需加處理，才便於保存和運輸。1981年中國在山東棗莊進行半工業試驗，後投產。

迴轉窯是最重要的使用固體還原劑（煤炭）進行直接還原的設備。

由還原劑（0～3毫米粒度的煤炭）、小塊礦石和細粒石灰石（白雲石）等組成的爐料由窯尾投入，窯體稍有傾斜，在轉動時爐料逐漸向窯頭運動。窯頭設有燒嘴，使用能產生火焰的燃料（煤氣、燃油或煙煤粉）。產生的高温窯氣抽向窯尾，氣流與固體爐料逆向運動，逐步把固體料加熱，料温達到 800℃左右，開始固體碳還原 析出的CO在料層上部空間燃燒；放出熱量補充加熱。為了保持料層中還原氣氛，爐料配加的煤炭量必須超過還原反應的需要量。

按照出料温度，迴轉窯可以生產海綿鐵、粒鐵或液鐵。但以迴轉窯海綿鐵法最重要。迴轉窯鍊鐵的主要優點是可以直接使用資源豐富的煤炭。其缺點是生產率低。最有代表性的迴轉窯海綿鐵法是SL/RN和Krupp法，二者工藝流程基本相同。為了提高產量，減輕窯內預熱段工作負擔，在窯前配置鏈篦機，能把入窯料加熱到 800℃。在窯內配置隨窯體轉動的二次風機，以強化還原析出CO供燃燒(70年代以來改用氧化球團或塊礦入爐,取消了鏈篦機)。還原出的海綿鐵經過迴轉冷卻筒冷卻到150℃排料。把混合的剩餘碳和吸硫的石灰清除後,得到產品（圖5）。迴轉窯海綿鐵產量在1980年佔直接還原鐵的15%。中國曾於40年代初在四川綦江進行了日產10噸規模的海綿鐵生產試驗，金屬化率可達90%以上，但因鐵礦脈石無法分離，未能正常生產。

把迴轉窯的出料温度提高到1250℃左右，固體料呈半熔化狀態,已還原的鐵滴在滾動中聚合成小的鐵粒,出窯後水淬冷卻可與脈石雜質磁選分離，得到粒鐵。此法稱為迴轉窯粒鐵法(Krupp-Renn法)，它能處理選礦困難的貧鐵礦，20世紀30年代曾在一些地區廣泛發展，但該法生產率很低，事故頻繁，60年代後已全部停產。 ^[2] 

品位的高低是最重要的品質，這是因為直接還原鐵大多用於電爐鍊鋼，它的殘留脈石會使電爐鍊鋼電耗升高，生產率降低，爐襯壽命縮短，危害較大。所以直接還原鍊鐵法使用的礦石要求

、

等的含量小於3%~5%。危害電爐鋼品質的有害元素，例如銅、砷等則因電爐鋼品種不同而有不同的要求。

直接還原鍊鐵法對含鐵料的物理性能有着不同的要求。例如豎爐法對粒度有較嚴格的要求，因為豎爐生產要求料柱有良好的透氣性，希望粒度適中而且均勻；而回轉窯無透氣性問題，對粒度的均勻性無特殊要求。礦石具有良好強度是豎爐和迴轉窯生產的重要條件。球團礦的熱膨脹對豎爐直接還原鍊鐵至關重要，因為它能導致豎爐下料不順而嚴重影響生產。

直接還原鍊鐵法對還原性和軟化温度也有嚴格要求。因為還原性是影響直接還原鍊鐵法生產率的最重要因素，因此這種方法只使用還原性好的球團礦或塊礦。軟化温度決定着直接還原鍊鐵法的操作温度，因為任何直接還原法都不允許發生爐料之間和爐料與爐牆之間的粘連，生產中一般把操作温度控制在低於礦石熔化温度100℃的水平。

如同高爐鍊鐵法那樣，直接還原鍊鐵法的燃料也起着還原劑和熱源兩個作用。根據使用的燃料不同，直接還原鍊鐵法分為兩大類：用煤氣作氣體還原劑和載熱體的氣基法；以固體煤作為還原劑和熱源的煤基法。

氣基法中的煤氣常用天然氣、焦爐煤氣、液化石油氣、重油等轉化製造。天然氣和液化石油氣主要使用蒸汽轉化，將天然氣中的CHh和液化石油氣中的碳氫化合物轉化為CO和H2；重油使用氧氣部分氧化法將碳氫化合物轉化為CO和H2。固體燃料煤在理論上也可以用高壓蒸汽或氧轉化成煤氣，但由於一些技術經濟問題還沒有得到很好解決，目前還沒有在生產中應用。

煤基法應用的煤以煙煤為宜，這種煤應能夠與

反應生成CO(生產中稱這種性能叫煤的反應性)，灰分熔點(煤中灰分的熔化温度)一般要求在1150℃以上，即高於直接還原法操作温度50~100℃，以避免析出的灰分與爐料和爐牆發生粘連，從而造成生產操作故障。煤基法應用的煤還要求灰分含量低(<25%)和含硫量低(<0．8%)。 ^[3]