直接还原与熔融还原
透视ITmk3炼铁新工艺发展历程与技术特点
透视ITmk3炼铁新工艺发展历程与技术特点非高炉炼铁作为21世纪全世界钢铁行业的前沿技术，是未来技术发展的主要方向。
在此领域，国际冶金工作者不断进行着广泛、深入的研究和开发，形成了众多直接还原、熔融还原技术。
煤基转底炉法因其原料适应性强、操作灵活受到很多国家的重视。
日本神户制钢在过去几十年转底炉技术基础上提出了ITmk3（Ironmaking Technology Mark Three）工艺，使金属化球团在还原时能进一步熔化并实现渣铁分离，在短时间内生产出成分如生铁的高纯度粒铁产品。
该工艺突破了直接还原工艺范畴，彻底改变了直接还原产品对原料品位苛求的状况，而且还可以使用粉矿和非焦煤作原料，因而备受瞩目。
高炉-转炉工艺被称为第一代炼铁法，以气基梅德瑞克斯（MIDREX）法为代表的直接还原工艺被称为第二代炼铁法，而把煤基ITmk3工艺称作具有划时代意义的第三代炼铁技术。
目前首座ITmk3商业工厂已成功在美国投产。
1 ITmk3工艺发展过程ITmk3转底炉炼铁工艺由日本神户制钢开发。
最早的技术思想源于1994年，当时神户制钢对美国子公司梅德瑞克斯（Midrex）开发的快速融化（Fastmet/Fastmelt）法进行了一次评价试验，目的是考察适宜的反应温度和原料条件，却意外发现还未到铁的熔点时球团就熔化，而且形成的粒状小铁块与渣能干净利落地分离，所得粒铁纯度很高（铁含量为96%-97%）。
随后，神户制钢对此发现进行了一些基础实验，逐渐掌握了ITmk3的基本原理。
1996年神户制钢同Midrex子公司开始对ITmk3技术进行深入研究和改进，1999年在加古川厂区内建成了规模为年产能3000吨的中试厂，同年10月连续运转成功，到2000年12月完成了2次生产测试，其工艺设计得到实际验证。
随后ITmk3的发展转移到美国，2001年9月实施了梅萨比纳吉特（Mesabi Nugget）计划，于明尼苏达州合资建设一座年产能2.5万吨的示范工厂，成立梅萨比纳吉特公司，投资方除了神户制钢之外，还包括明尼苏达州政府、北美最大矿山公司克利夫兰·克利夫斯公司和美国第二大电炉制造厂钢动态公司（SDI），此外还得到了美国能源部（DOE）的资助，项目总投资达到2600万美元。
转底炉
转底炉项目简介1 转底炉还原工艺简介1.1 转底炉工艺简介转底炉由轧钢用的环形加热炉演变为炼铁工艺，最早是用来处理钢铁工业产生的粉尘及废弃物。
转底炉工艺有多种，主要包括Fastmet/Fastmelt、ITmk3、Inmetco/Redsmelt、DryIron、Comet/Sidcomet、HI-QIP等。
转底炉直接还原工艺流程示意图1.2 转底炉工艺与其它相似工艺比较转底炉是煤基直接还原工艺中的核心设备之一，煤基直接还原工艺主要包括回转窑法（如SL-RN法）和转底炉法（如COMET法）。
而煤基直接还原工艺和气基直接还原工艺都是直接还原工艺，以铁产品为例直接还原工艺的产品为海绵铁（又称直接还原铁—DRI即Direct Reduced Iron）。
直接还原和熔融还原是两种主要的非高炉炼铁思路。
当转底炉的原料加入含碳球团时，其产品为金属化球团，可供电炉使用，也作为高炉的原料。
而链篦机—回转窑—环冷机（链回环）生产出来的产品是氧化球团，是为高炉炼铁提供的原料之一，称之为球团矿，而高炉炼铁的含铁原料还包括天然块矿、烧结矿。
转底炉直接还原技术采用含碳球团作原料，反应速度快，同时符合中国以煤为主要能源的特点。
以直接还原技术用于钒钛磁铁矿为例，转底炉技术相比隧道窑、回转窑工艺，以ITmk3为代表的转底炉工艺的优点主要是：○1还原原料在预热和还原过程中始终处于静止状态下随炉底一起进行，所以对生球强度要求不高；○2较高的还原温度（1350℃或更高）、反应快、效率高。
反应时间可在10-50min范围，可与矿热电炉熔炼容易实现同步热装；○3可调整喷入炉内燃料（可以是煤粉、煤气或油）和风量，能准确控制炉膛温度和炉内气氛；○4过程能耗低，回转窑法折算成每吨海绵铁的煤耗通常大于800kg，而转底炉法为600kg；○5从工艺角度来看，ITmk3技术流程简单，投资成本低，产品价格低，铁矿石原料及还原剂选择灵活。
另外，据马鞍山钢铁设计研究总院秦廷许的研究：转底炉-电炉炼铁流程与高炉传统炼铁流程比较，虽在铁精矿消耗量、还原剂和燃料的能源消耗量上相差不大，但吨铁成本低约10%；基建投资省22%左右；全流程电耗低48.6%。
武汉科技大学《冶金概论》试卷及答案
模拟试题一一选择题1．高炉生产的产品有：A）生铁 B）炉渣 C）高炉煤气 D）炉尘2．高炉干式除尘的方法有：A）文氏管 B）布袋除尘 C）电除尘 D）洗涤塔3．高炉内对煤气阻力最大的区域为：A）块状带 B）滴落带 C）软熔带 D）风口回旋区4．炼钢过程的主要反应是：A）碳的氧化 B）硅的氧化 C）锰的氧化 D）磷的氧化5．常用的氧枪喷头类型为：A）直孔型 B）拉瓦尔型 C）螺旋型 D）扇型6．炼钢终点控制主要控制：A）钢水成分 B）钢水温度 C）冶炼时间 D）终渣量7．碱性电弧炉炼钢按工艺方法可分为：A）双渣留渣法 B）返回吹氧法 C）氧化法 D）不氧化法8．氧枪的常用冷却保护介质为：A）水 B）气态碳氢化合物 C）燃料油 D）植物油9．采用顶吹氧底复合吹炼时，底部吹入的可能是：A）N2 B）Ar C）O2 D）H210高炉中配加焦炭的作用是：A）作还原剂 B）燃烧后产生热量C）作料柱骨架，起支撑料柱作用 D）氧化剂1： A、B、C、D 2：B、C 3： C 4：A 5：B6： A、B 7：B、C 8： A 9：A、B、C 10：A、B、C二名词解释1）冶金学 2）热脆 3）硫负荷 4）烧结矿 5）炉外精炼1、冶金学是一门研究如何经济地从矿石或其它原料中提取金属或金属化合物，并用一定加工方法制成具有一定性能的金属材料的科学。
2、钢材在轧制和锻造时，由于温度升高，晶界上的富含硫化物的网状结构又变成液态，在力的作用下，就会引起这些富硫液相沿晶界滑动，造成钢材的破裂，产生了所谓的热脆现象3、冶炼一吨生铁由炉料带入高炉硫的总量称为“硫负荷”4、将各种粉状铁，配入适宜的燃料和熔剂，均匀混合，然后放在烧结机上点火烧结。
在燃2、碱性氧化物与酸性氧化物的质量百分数之比。
3、直接氧化和间接氧化4、烧结矿层、燃烧层、预热层、干燥层、过湿层5、热风炉。
6、将成分和温度合格的钢水浇注成坯。
连铸7、Si、Mn、Al，弱，强8、火法冶金、湿法冶金、电冶金，火法冶金，电冶金四问答题1 请用图示法说明钢铁工业的两种生产流程。
含碳球团还原反应及其技术
专家论坛含碳球团还原反应及其技术汪琦(辽宁科技大学,辽宁鞍山114044)摘要:对含碳球团的自还原反应和工艺中涉及的燃烧和氧化反应进行了论述,分析了煤的性质、氧化性气氛对含碳球团自还原性的影响;介绍并且评价了现有和正在研发的含碳球团直接还原法和熔融还原法。
关键词:含碳球团;还原工艺;自还原性中图分类号:TF124 文献标识码:A 文章编号:1006-4613(2009)04-0001-10Reduction Reacti o n of Carbon-Conta i n ing Pellet and Its R educti o n ProcessW ang Q i(Sc ience and T echnology Un i v ersity of L iaon i n g,Ahshan114044,L iaon i n g,Ch i n a)Abstract:Se lf reducti on reac ti ons o f carbon-conta i n i ng pe llet and combusti on and ox i d izi ng reac tions i nvo lved i n t he reducti on process are discussed,and effects of coa l properti es and ox i d izi ngat m osphere on the self-reduc tion o f carbon-conta i n i ng pe llet are ana l y zed.Ex isti ng and be i ng de-ve loped pro cesses o f t he direc t reduction and m elti ng reduc tion of carbon-conta i n i ng pellet are i ntro-duced and t hen eva l uated.K ey word s:ca rbon-contai n i ng pe ll et;reducti on process;self-reduction含碳球团是指由含铁粉料配以固体还原剂(煤粉和焦粉等)和适当的粘结剂,经充分混合后经造球机造球或压球机压制而成的一种含碳含铁的小球或冷压块。
6-非高炉炼铁
6非高炉炼铁6.l概述非高炉炼铁法是高炉炼铁法之外，不用焦炭炼铁的各种工艺方法的总称。
按工艺特征，产品类型和用途，主要分为直接还原法和熔融还原法两大类。
6.1.1直接还原法与熔融还原法直接还原(DirectReduction)法是指不用高炉而将铁矿石炼制成海绵铁的生产过程。
直接还原铁是一种低温下固态还原的金属铁。
它未经熔化而仍保持矿石外形，但由于还原失氧形成大量气孔，在显微镜下观察形似海绵，因此也称海绵铁。
直接还原铁的含碳量低(〈2%)，不含硅锰等元素，还保存了矿石中的脉石。
因此不能大规模用于转炉炼钢，只适于代替废钢作为电炉炼钢的原料。
熔融还原(SmeltingReduction)法指在熔融状态下把铁矿石还原成融态铁水的非高炉炼铁法。
它以非焦煤为能源，得到的产品是一种与高炉铁水相似的高碳生铁。
适合于作氧气转炉炼钢的原料。
近年来，非高炉炼铁法发展比较快，其原因是：(1)不用焦炭炼铁。
高炉冶炼需要高质量冶金焦，而从世界矿物燃料的总储量来看，煤炭占92%左右，而焦煤只占煤炭总储量的5%，且日渐短缺，价格越来越高。
非高炉炼铁可以使用非炼焦煤和天然气作燃料与还原剂，对缺少焦煤资源的国家和地区提供了发展钢铁工业的巨大空间。
(2)高炉炼铁要求强度好的焦炭和块状铁料。
必须有炼焦和铁矿粉造块等工艺配套，工艺环节多，经济规模大，需要大的原料基地和巨额投资。
非高炉炼铁法使用非焦煤或天然气，可使用矿块或直接使用粉矿，市场适应性强。
(3)科学技术的进步，对钢材质量和品种提出了更高的要求。
现代电炉炼钢技术为优质钢的生产提供了有效手段，但由于废钢的循环使用，杂质逐渐富集，而一些杂质元素在炼钢过程又很难去除，无法保证钢的质量，并限制了电炉法冶炼优质钢种的优势。
非高炉炼铁法能为炼钢提供成分稳定、质量纯净的优质原料，为炼钢设备潜能的发挥，提高企业的经济效益，提供了有力的支持。
(4)随着钢铁工业的发展，氧气转炉和电炉炼钢逐渐取代平炉，废钢消耗量迅速增加，废钢供用量日感紧张，非高炉生产的海绵铁、粒铁等是废钢的极好替代品。
钢铁冶金学（炼铁部分）
第一部分基本概念及定义1. 高炉法：传统的以焦炭为能源，与转炉炼钢相配合，组成高炉—转炉—轧机流程，被称为长流程，是目前的主要流程。
2. 非高炉法：泛指高炉以外，不以焦炭为能源，通常分为直接还原和熔融还原，一般与电炉配合，组成直接还原或熔融还原—电炉—轧机流程，被称为短流程，是目前的辅助流程。
3. 钢铁联合企业：将铁矿石在高炉内冶炼成生铁，用铁水炼成钢，再将钢水铸成钢锭或连铸坯，经轧制等塑形变形方法加工成各种用途的钢材。
4. 高炉有效容积：由高炉出铁口中心线所在平面到大料钟下降位置下沿水平面之间的容积。
5. 铁矿石：凡是在一定的技术条件下，能经济提取金属铁的岩石。
6. 富矿：一般含铁品位超过理论含铁量70%的矿，对于褐铁矿、菱铁矿及碱性脉石矿含铁量可适当放宽。
7. 还原性能：矿石中铁结合的氧被还原剂夺取的难易程度。
主要取决于矿石的致密程度、空隙及气孔分布状态。
一般还原性好，碳素燃料消耗量低。
8. 熔剂：由于高炉造渣的需要，入炉料中常需配加一定数量的助熔剂，该物质就称为熔剂。
9. 耐火度：抗高温熔化性能的指标，用耐火锥变形的温度表示，它表征耐火材料的热性质，主要取决于化学组成、杂质数量和分散程度。
实际使用温度要比耐火度低。
10. 荷重软化点：在施加一定压力并以一定升温速度加热时，当耐火材料塌毁时的温度。
它表征耐火材料的机械特性，耐火材料的实际使用温度不得超过荷重软化点。
11. 耐急冷急热性（抗热震性）：是指在温度急剧变化条件下，不开裂、不破碎的性能。
12. 抗蠕变性能：荷重工作温度下，形变率。
13. 抗渣性：在使用过程中抵御渣化的能力。
14. 高炉有效容积利用系数（吨/米·日）=合格生铁折合产量/（有效容积×规定工作日）。
15. 入炉焦比：干焦耗用量/合格生铁产量（Kg/t），一般250~550Kg/t。
16. 冶炼强度：干焦耗用量/（有效容积×实际工作日），t/m3·h。
直接还原
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—冶金原理— 6.3 还原竖炉基本结构及运行情况
• 炉料→料斗→炉料分配器 →还原段→冷却段→输送 装置（上输送机→中输送 机→下输送机）→排料装 置（下气封→摆式卸料机）
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—冶金原理—
6.1 非高炉炼铁的意义
• 铁矿石直接还原与熔融还原是炼铁冶金 技术中的新工艺。 • 直接还原：铁矿石在低于熔化温度之下 还原成海绵铁的炼铁生产过程，其产品 为直接还原铁，也成海绵铁。 • 熔融还原：在高温于渣铁的熔融状态下， 用碳把铁氧化物还原成金属铁的非高炉 炼铁方法，其产品为液态生铁。
1
—冶金原理—
未压块海绵铁
压块海绵铁
2
—冶金原理—
各种炼铁工艺特点
工艺 高炉炼铁 原料 烧结矿、 球团、富 矿 富矿 铁矿石 反应温度 高于熔化 温度 低于熔化 温度 高于熔化 温度 产品特点 液态、C高、 脉石低 固态、C低、 脉石高 液态、C高、 脉石低 3
直接还原 熔融还原
—冶金原理—
4
7
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
—冶金原理—
6.3 直接还原流程
6.3.1重点流程MIDREX 流程概述
• MIDREX法是Midrex公司开发成功的。较大影响的 是1984年Korff工程公司推出的海绵铁热压技术。 MIDREX基本流程和主体设备在目前已经投产的工 业装置中没有明显的变化。
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竖炉
—冶金原理—
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—冶金原理—
—冶金原理—
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—冶金原理—
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—冶金原理—
6.2 非高炉炼铁的分类
1.2.1 分类标准
产品：直接还原、熔融还原 还原剂状态：煤基、气基（直接还原） 主体能源：煤基、气基、电热 工艺模式：一段式、二段式、三段式等 设备类型：竖炉、反应罐、回转窑、流 化床等 • 炉料结构：净料、混料 • • • • •
中国新形势下非高炉炼铁的技术发展
C over Report封面报道中国新形势下非高炉炼铁的技术发展张文来（唐钢国际工程技术股份有限公司，河北 唐山 063000）摘 要：在中国当前的冶金新形势下，近些年非高炉炼铁技术在中国得到了较快发展。
非高炉炼铁技术是中国当前较为重要的一项科学技术。
非高炉炼铁技术是除开高炉技术外，不使用焦炭等各种工艺炼铁技术的统称，根据相应产品的形态，非高炉炼铁技术可以分为直接还原炼铁技术和熔融还原炼铁技术。
非高炉炼铁技术具有一定的优势所在，具体来讲其能够有效节约能源，同时投资低、生产成本低，因此能够满足当前炼铁技术发展的基本需求。
关键词：新形势；非高炉炼铁；技术发展中图分类号：P632 文献标识码：A 文章编号：11-5004（2019）03-0001-3收稿日期：2019-03作者简介：张文来，男，生于1968年，汉族，河北唐山人，本科，高级工程师，研究方向：钢铁冶金。
众所周知，我国钢铁工业在历史发展过程中，一直都使用的是高炉炼铁工艺技术，但是高炉炼铁工艺技术具有一个非常明显的特征，这个特征表现为它必须要使用储量有限的炼焦煤为主要燃料，且需要以一定粒径的块状铁矿石进行炼铁工作，所以也就造成了能源、环境、投资等多方面的困扰。
然而在新形势下，炼铁工艺应当更加符合时代发展下对节约能源提出的要求，如此才能进一步提升我国的炼铁技术水平，同时提升资源的利用率。
1 关于非高炉炼铁工艺技术的总体分析在非高炉炼铁工艺技术当中，其中具有两种最为重要的炼铁思路，其分别是直接还原和熔融还原，这两种非高炉炼铁工艺技术具有较多的优势所在，所以整体上的发展空间较大。
直接还原炼铁技术还分为气基和煤基直接还原技术，气基直接还原技术在炼铁过程中，采用的主要方法是气基竖炉法、气基流化床法，它还可以利用天然气经裂化产出的H 2和co 作为还原剂，并且在竖炉当中将已有的铁矿石在固态温度下直接还原成海绵铁，当前所应用的方法主要有Midrex 和HYL 法两种。
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我国应适度发展直接还原与熔融还原技术
近代高炉已有数百年历史，其工艺已达到相当完善的地步。
但是在它日益完善和大型化的同时，也带来了流程长、投资大以及污染环境等问题。
随着世界上废钢铁积累日益减少，电炉流程迅速发展，这就要求采用直接还原新工艺，生产出的海绵铁供电炉炼钢。
此外，由于炼焦煤资源日渐短缺，焦炉逐渐老化以及人们对焦炉污染日益关注，八十年代以来，各发达国家纷纷谋求开发另外的无焦炼铁工艺——熔融还原，其中Corex流程已实现工业化生产。
综合起来看，当前炼铁工艺正朝着少焦或无焦炼铁方向发展，而直接还原与熔融还原技术正适合这种发展方向。
所以说我国应适度发展直接还原与熔融还原技术。
直接还原与熔融还原工艺的技术特点
1 直接还原
产品是固态海绵铁，供电炉炼钢用。
分为气基和煤基直接还原两大类。
气基直接还原是用天然气经裂化产出的H2和CO作为还原剂在竖炉那将铁矿石中的氧化铁在固态温度下还原而成海绵铁。
目前主要方法有Midrex和HYL 法两种。
煤基直接还原是用煤作还原剂在回转窑或循环流化床将铁矿石中氧化铁在固态温度下还原成海绵铁，其中回转窑是已经成熟的方法。
气基直接还原效率高，产量大，单体设备能力可达50－100万t/a，在直接还原中占主导地位：煤基直接还原中的主体工艺——回转窑效率低，目前单体设备最大年产量不超过20万t。
直接还原的优点是流程短；没有焦炉，污染较少，缺点是对原料要求严，高品味、脉石少、熔点高，有害元素低，高温下不爆裂，还原性好不易粉化。
2 熔融还原
它是一种发展中的新炼铁技术，其目的是以煤代焦和直接用粉矿炼铁，因而既无炼焦又无烧结或球团厂，使炼铁流程简化。
受到许多国家的重视。
当今引起人们注意的是Corex工艺，已经或正在进行工业试验的有日本DIOS法等。
熔融还原的目的是取代高炉。
目前熔融还原流程多采用二步法，即先在竖炉（块矿）或流化床（粉矿）内将矿石进行预还原，然后再进入终还原炉。
向终还原炉内加入煤和氧气，煤燃烧产生热和H2、CO等还原性气体，将经过预还原流程的矿熔化和进一步还原生成铁水和炉渣，H2和CO则供还原炉作还原剂。
和高炉流程比，熔融还原的第一个特点是用煤不用焦，因而可以不建焦炉；第二，多数用氧而不用风。
目前惟一已工业化生产的熔融还原工艺是Corex流程。
Corex工艺的优点是用煤不用焦，没有焦炉污染，不足之处是不能直接用粉矿，消耗高。
其改进的方向是降低煤耗和氧耗，并经济地利用其输出煤气。
我国发展炼铁技术的策略
目前，我国生产生铁主要的是以高炉炼铁为主，因为高炉产铁能力大，
它在相当长的时期内仍将占统治地位，但高炉炼铁需要昂贵的焦炭。
而直接还原和熔融还原是新兴的炼铁技术，它们完全不用焦炭，必将继续受到重视，必然会继续发展和完善。
根据上述情况，我国炼铁技术的发展应采取的策略是继续完善和改进高炉炼铁工艺的同时，大力发展高炉喷煤和逐步实现高炉炉容大型化的基础上，应该适度发展直接还原和熔融还原技术。
具体作法如下：
1 适度发展直接还原
我国电炉钢年产量已超过2000万t，国内废钢已供不应求，优质废钢更加短缺，发展直接还原势在必行。
但是我国缺富块矿，而煤资源丰富，发展直接还原只能采用煤基工艺，其原料只能采用氧化球团或进口块矿。
这样生产的直接还原铁在投资、能耗和生产成本等方面必然较高。
因此直接还原在我国只能作为电炉炼钢的净原料在有条件的地方适度发展，而不宜指望它来作电炉的基本原料。
2 积极研究和发展熔融还原技术
熔融还原是炼铁技术发展的方向。
世界上焦煤资源有限，我国的焦煤也不足，而且炼焦过程的污染严重。
我国已是世界钢铁生产大国，生铁产量是世界之首。
1995年生铁产量已超过1亿t，焦炭产量达7200万t，不仅每年要消耗1亿多吨焦煤，而且如此大量的焦炭生产对环境的污染更是不可忽视的。
因此，积极发展无焦炼铁技术——熔融还原应是我国的长远之计。
我国熔融还原的研究已进行过很多工作，有一定的基础，过去进展慢的原因主要是缺乏资金，其次是缺乏有机的组织。
像熔融还原这样难度很大的新开发项目，必须依靠国家投资；把各方面的技术力量有机地组织起来，协调行动，方能奏效。
在技术思路上，即要考虑我国铁矿资源的特点（细精矿多），又要借鉴国外不同流程的经验，吸取各方之长，为我所用。
这样熔融还原技术才能发展起来。
此外，对已成熟的Corex工艺也可考虑有条件地采用。
例如，当Corex 煤气用于直接还原成功后，采用“Corex＋DR—（铁水＋DRI＋废钢）电炉”流程可能是有利的；对于既缺铁水又缺煤气的钢厂，采用Corex工艺可以收到一举两得之功效等。