非高爐鍊鐵

非高爐鍊鐵是指高爐鍊鐵之外的鍊鐵方法。包括直接還原鍊鐵，熔融還原鍊鐵，粒鐵法，生鐵水泥法和電爐鍊鐵等方法 ^[1]  。

早在18世紀就有人提出以直接還原法鍊鐵，1873年建成第1座非高爐鍊鐵裝置但不久便宣告失敗。以後的幾十年發展緩慢。20世紀20年代由於電力工業的開發，實現了工業化電爐鍊鐵。1930年德國克虜伯公司開發了迴轉窯粒鐵法(Krupp-Renn)。1932年瑞典人馬丁·維伯爾發明了維伯爾(wibirg)法在瑞典建成第1座生產直接還原鐵裝置。在50年代非高爐鍊鐵生產總量尚不足鐵的總產量的1%，主要是電爐鍊鐵和粒鐵法，海綿鐵產量僅佔非高爐鍊鐵法產量的5%。1954年瑞典建立第一座隧道窯直接還原法生產裝置。60年代石油和天然氣的大量開發推動了氣基直接還原鍊鐵的發展。1957年墨西哥建立了一座稱為希爾法(HYL法)的生產裝置。1969年德國建立第一座米德萊克斯(Midrex)法生產裝置。70年代德國克虜伯公司在克虜伯—瑞恩(Krupp-Renn)法基礎上創立了Krupp-CODIR法於1973年在南非建廠投產。1970年德國魯奇公司創立的SL-RN法在新西蘭建立第1座生產裝置。1983年戴維麥基公司在南非建立第1座DRC法生產裝置。這一時期直接還原生產能力增長了十餘倍。到1997年世界直接還原鐵產量達到3613萬t比1996年增長9%氣基直接還原鍊鐵量佔世界直接還原鐵產量的91.6%，其中米德萊克斯法生產的佔63.4%，希爾法生產的佔19.4%，其他氣基法所產佔1.8%，煤基直接還原鍊鐵的產量佔8.4%，其中SL-RN法的佔3.6%，其他煤基法佔4.8%。

熔融還原鍊鐵是20年代提出的。1924年Hoech鋼鐵廠提出在轉鼓形迴轉爐內用碳還原鐵礦石得到鐵水的方案。以後開發的stara法、sturzeberg法均未成功。50年代研究開發的熔融還原法大多數設想在一個反應器內完成全部熔鍊過程，故稱一步法如Dored法、Retored法、CIP法等。但由於還原反應產生的CO的燃燒熱不能迅速傳遞到吸熱的還原反應區，迫使熔鍊中止而告失敗。70年代採用兩步法原則，即將整個熔鍊過程分成固態預還原和熔融態終還原兩步，分別在兩個反應器內進行。預還原裝置有迴轉窯、流化牀和豎爐等形式，其中以流化牀和豎爐為多。終還原裝置為轉爐型或電爐型COREX(KR)法已達到工業生產規模；DIOS法、HI熔融還原法、Plasmelt法、INRED法及ELRED法均進行了較大規模的半工業試驗；川崎熔融還原法、住友熔融還原法、COIN法、MIP法和CIG法進行了單環節或聯動半工業試驗；此外有AISI法、PJV法等還在試驗中。COREX法已於1989年在南非ISCOR公司建成一座30萬t/a工業生產裝置投入生產。又在韓國浦項投產了一座60萬t/a裝置 ^[2]  。

非高爐鍊鐵按工藝特徵、產品類型及用途可分為直接還原和熔融還原兩種。

直接還原鍊鐵工藝 可分為煤基直接還原和氣基直接還原兩類；此外還有流態化直接還原鍊鐵。

主要是迴轉窯直接還原法。迴轉窯是一個稍呈傾斜放置在幾對撐輪(託輪)上的筒形高温反應器。作業時窯體按一定轉速旋轉，含鐵原料與還原煤(部分或全部)從窯尾加料端連續加入，並加入脱硫劑控制產品含硫。隨窯體轉動固體物料不斷地翻滾，在窯頭排料端設置還原煤噴入裝置，提供工藝過程所需的部分熱量和還原劑。沿窯身長度方向裝有若干支供風管，向窯中供風燃燒煤釋放的揮發分、還原反應產生的CO和煤中的碳，用以補充工藝所需大部分熱量和調節窯內温度分佈。物料移動過程中，被逆向高温氣流加熱進行物料乾燥、預熱、碳酸鹽分解、鐵氧化物還原以及熔碳、滲碳反應，鐵礦石在保持外形不變的軟化温度以下轉變成直接還原鐵。迴轉窯直接還原方法繁多，各有特色，原料產品也各有差異，但基本工藝過程和原理相同。

主要是豎爐直接還原法。豎爐主要由4部分組成：

(1)重整器。器內裝有若干支重整管，管內裝有催化劑，把天然氣轉化成CO+H₂高温還原氣。

(2)還原豎爐。自上而下分為5個帶，即預熱帶、上還原帶、下還原帶、過渡帶、冷卻帶。鐵礦石加入爐內經乾燥、預熱、還原成直接還原鐵經冷卻達到較低的温度。

(3)爐頂氣和冷卻氣淨化裝置。爐頂氣和冷卻氣通過洗滌器和壓縮機，其中1/3供重整氣做燃燒氣，2/3在進入重整器前加入CH₄進入重整器進行重整。

(4)直接還原鐵處理裝置。出爐的直接還原鐵經熱壓機和打碎機壓成熱壓塊。豎爐直接還原方法雖多，但工藝過程和原理基本相同。

熔融還原鍊鐵工藝 熔融還原方法很多，但投入工業生產的僅有COREX法。該法的設備由預還原豎爐、熔融氣化爐和煤氣除塵調温系統組成。預還原豎爐與米德萊克斯法直接還原豎爐類似；熔融氣化爐與高爐的爐缸和爐腹類似。熔融氣化爐所用的煤和熔劑由封閉料斗送入加壓料倉再用螺旋給料機加入熔融氣化爐。鐵礦石(或氧化球團)由還原豎爐頂部的雙鍾式裝料器加入爐內，受到煤氣加熱及還原。從還原豎爐排出的預還原礦石金屬化率平均為95%。它由螺旋給料機加入熔融氣化爐內在下降過程中被熔化還原為鐵水。礦石中脈石和熔劑形成爐渣。爐內生成的渣鐵存放在爐缸內定期從爐缸渣、鐵口放出 ^[3]  。

非高爐鍊鐵在技術成熟程度、可靠性和生產能力等諸方面還不能與高爐鍊鐵相比，更談不上取代它，短期內只能成為高爐鍊鐵的補充。但直接還原在鋼鐵工業中的地位日益鞏固。熔融還原具有以非焦煤為能源，可以使用粉礦或塊礦為原料，對原燃料適應性強；工藝過程可控性好；所產液態鐵水適用於氧氣轉爐精煉；可使用高密度能量；傳熱傳質好，適於強化生產；生產過程簡單，能耗低和適用於小型化生產等一系列優點，已引起世界範圍的重視 ^[1]  。