非高炉炼铁情况
非高炉炼铁法
非高炉炼铁法简介非高炉炼铁法以不用焦煤为主要特征，按其工艺特征、产品类型及用途分为直接还原法和熔融还原法两大类。
直接还原法以气体、液体燃料及非焦煤为能源，在铁矿石或含铁团块呈固态的软化温度下进行还原获得直接还原铁（DRI）或海绵铁，其产品低密度多孔呈海绵状结构，含碳低，未排除脉石杂质。
熔融还原法则以非焦煤为能源，产品类似高炉的铁水。
目前，非高炉炼铁法以直接还原工艺为主，该方法对铁原料要求高，TFe>66%,酸性脉石含量（SiO2+Al23）<5.5%(但不宜过低)，一般S含量<0.03%，P<0.02%,其它有害元素尽可能低，各种工艺对原料粒度要求不一。
铁原料和煤灰分的软化温度决定了直接还原工艺的作业温度。
在燃料方面，当前各种工艺中，以使用天然气为主，能量利用率高、生产率高，但我国天然气资源缺乏。
国内直接还原厂以使用非焦煤（褐煤、烟煤、无烟煤）为主，现在世界各国也以发展煤基直接还原为主。
直接还原工艺的主要方法有：1. 回转窑直接还原法：回转窑结构是一个可转动的筒形高温反应器。
含铁原料与还原煤从窑尾连续加入，排料端设置主燃烧喷嘴和还原煤喷入装置，沿窑身长度方向装有若干供风管或燃料喷嘴，随窑体转动，固体物料在翻滚移动过程中，被高温气流加热，进行物料的干燥、预热、碳酸盐的分解、铁氧化物还原及渗碳反应从而得到DRI。
比较有代表的是SL-RN 法、DRC法、Krupp-Codir法等。
2. 竖炉直接还原法：竖炉法目前占直接还原铁产量的90%左右，其中以Midrex和MYL为主，工艺成熟，占直接还原工艺的主导地位。
竖炉的反应条件与高炉上部间接还原区相似，不出现熔化现象的还原冶炼过程，使用单一矿石料，没有造渣过程。
以前竖炉的燃料和还原剂是天然气，近年出现了煤制气以及使用焦炉煤气竖炉直接还原工艺，这扩大了竖炉工艺的使用范围，但目前煤基竖炉工艺还不成熟，生产成本偏高，工艺还需进一步完善。
3. 罐式直接还原法：以HYL为代表，用H2、CO或其混合气将装于移动或固定容器内的铁团还原成DRI的方法。
国内外高炉炼铁系统的能耗分析
表12005年浦项制铁盒光阳厂炼铁有关能耗指标
项目工序能耗Kgce/t
烧结
66
57.4焦化
129.7
131.9炼铁
462.5
441.1入炉焦比Kgce/t炉料结构%
烧结比
76.4
70.9球团比
7.8
11.1块矿比
15.8
18.0xx
光阳494.7
492.1
表2全国重点钢铁企业能耗对比（单位Kgce/t）
高热值煤气回收利用率低是非高炉炼铁能耗高的“瓶颈”
2007年，我国重点钢铁企业的烧结、炼铁工序能耗与2006年相比进一步降低，炼铁生产部分工序能耗指标见表2。
2007年，全国重点钢铁企业高炉炼铁燃料比是529kg/t，浦项FINEX燃料比是740kg/t~750kg/t，澳大利亚Hismelt的煤耗在900kg/t（尚需1200℃风温和350kWh/t的电力）。这说明目前非高炉炼铁的能耗高于高炉冶炼生产工艺。
国内外高炉炼铁系统的能耗分析
炼铁系统的能耗占钢铁联合企业总能耗70%，
吨铁产生1.5 tco2,3.08kgso2,50mg粉尘,95%的二恶英,约350kg/t的炉渣。
1、根据中国钢铁工业协会2007年发布的全国重点钢铁企业有关能耗数据来进行分析，有关人士总结了重点钢铁企业高炉每生产一吨铁的能耗状况：
非高炉炼铁
非高炉炼铁一、非高炉炼铁的发展高炉炼铁是炼铁生产的主题，经过长期的发展，它的技术已经非常成熟。
但它也存在固有的不足，即对冶金焦的强烈依赖。
但随着焦煤资源的日渐贫乏，冶金焦价格越来越高。
因此，使炼铁生产摆脱对冶金焦的依赖是开发非高炉炼铁的原动力。
经过数百年的发展，至今已形成了以直接还原和熔融还原为主的现代化非高炉炼铁工业体系。
现代化钢铁工艺流程主体由四部分构成，焦炉、造块设备（例如烧结机）、高炉和转炉。
高炉使用冶金焦为主题能源，他是由焦煤经炼焦得到。
高炉的产品是液态生铁，它经转炉冶炼成转炉钢。
熔融还原的产品相当于高炉铁水。
高炉使用冶金焦，熔融反应则使用非焦煤。
这样就使炼铁摆脱了对冶金焦的依赖。
直接还原的产品是在熔点以下还原得到固态金属铁，称为直接还原铁（DRI），又称海绵铁。
直接还原的流程可分为煤基直接还原、气基直接还原和电热直接还原三大类。
煤基直接还原以煤为主要能源，主要是使用回转炉为主体设备的流程。
气基直接还原以天然气为主题能源。
包括竖炉、反应罐和流化床流程。
电热直接还原以电力为主要能源，是使用电热竖炉直接还原流程。
熔融还原的主体能源主要分为三种：非焦煤，焦炭和电力。
熔炼设备是熔融还原流程的精华。
还原设备决定了适用原料的性质。
例如流化床可直接处理粉料，竖炉则适用于处理块状炉料。
二、重点设备分析直接还原的核心装置是一个还原单元。
占有重要地位的还原设备有竖炉，反应罐，回转炉和流化床。
熔融还原的核心装置时一个还。
原单元和一个熔炼造气单元。
最受重视的还原设备是竖炉和流化床，最重要的熔炼造气设备是煤炭流化床和铁浴炉。
竖炉是一种成熟的还原设备。
除了产量在海绵铁工业中高居榜首外，熔融还原也将它作为还原单元最实际的选择。
目前唯一的工业化二步法熔融还原流程COREX即使用竖炉还原单元。
作为还原设备，流化床的地位非常微妙。
海绵铁工业中流化床的生产能力并不大。
但他具有一个竖炉无法比拟的优点：可直接使用粉矿。
这个特点使流化床成为熔融还原中最受青睐的还原设备。
非高炉炼铁技术概述论文
非高炉炼铁技术概述摘要：随着焦煤资源日益减少，高炉炼铁技术发展受到限制，非高炉炼铁成为了日益关注的冶炼技术。
文章阐述了非高炉炼铁技术的发展现状、分类，工艺流程及特点，同时展望了其未来的发展前景。
关键词：非高炉炼铁直接还原熔融还原非焦煤一、引言目前，生铁主要来源于高炉冶炼产品，高炉炼铁技术成熟，具有工艺简单，产量高，生产效率大等优点。
但其必须依赖焦煤，而且其流程长，污染大，设备复杂。
因此，世界各国学者逐渐着手研究和改进非高炉炼铁技术。
二、非高炉炼铁工艺非高炉炼铁是指以铁矿石为原料并使用高炉以外的冶炼技术生产铁产品的方法。
在当今焦煤资源缺乏，非焦煤资源丰富的情况下，非高炉炼铁以非焦煤为能源，不但环保，而且省去了烧结、球团等工序，缩短了流程。
因此非高炉炼铁一直被认为是一种环保节能、投资小、生产成本低的生产工艺。
非高炉炼铁可分为直接还原炼铁工艺和熔融还原炼铁工艺两种。
1.直接还原炼铁工艺直接还原炼铁工艺是一种以天然气、煤气、非焦煤粉为能源和还原剂，在铁矿石软化温度下，将铁矿石中铁氧化物还原成铁的生产工艺。
据统计直接还原冶炼工艺多达40余种，大部分已经实现了大规模工业化生产[1]。
目前，直接还原炼铁工艺主要有气基直接还原、煤基直接还原两大类。
1.1气基直接还原气基直接还原是指用co或h2等还原气体作还原剂还原铁矿石的炼铁方法。
具有生产效率高、容积利用率高、热效率高、能耗低、操作容易等优点，是dri（directly reduced iron）生产最主要的方法，约占dri总产量的90%以上[2]。
气基直接还原代表工艺有hyl反应罐法、midrex-竖炉法、流化床法等[3]。
hyl反应罐法是由墨西哥希尔萨（hojalataylamina，hylsa）公司于20世纪50年代初开发的，其工业化标志着现代化直接还原的开始。
hyl反应罐法具有作业稳定，设备可靠等优点，但其作业不连续，还原气利用差，能耗高及产品质量不均匀。
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。
非高炉炼铁
3.二步法-KR法(COREX法)工艺介绍
二步法： 将熔融还原
过程分为固相预还 原及熔态终还原并 分别在两个反应器 中完成； 优点：
改善了能量 利用，降低了渣中 FeO浓度。
12
六、非高炉炼铁技术经济指标
1.单位容积利用系数：
每立方米反应器有效容积每天的产品量，即 η=Q/Vu， t/（m3.d）
8
3.使用气体还原剂举例(Midrex法)
工艺过程: 天 然 气 + 净 化 炉 顶 气 (300-
400℃)→混合室→重整炉 (Ni 催 化 剂 ) →900-950 ℃反应:
CH4+H2O=CO+3H2 CH4+CO2=2CO+2H2 还原气→竖炉(炉料炉顶加入) →停留6h →冷却带N2冷却 至100℃ →炉料排出
主要内容
一、概 述 二、非高炉炼铁的特点 三、非高炉炼铁分类 四、直接还原法 五、熔融还原法 六、非高炉炼铁技术经济指标
1
一、概 述
1.概 念 非高炉炼铁法是高炉法之外，不用焦炭
炼铁的各种工艺方法的统称。
2.发展史 1770 年 第 一 个 直 接 还 原 法 专 利 诞 生
→1857 年 提 出 完 整 的 近 代 直 接 还 原 （Chenot）构思→1873建成第一座非高炉 装置→上世纪20年代电炉（矿热炉）炼铁 →70年代具备一定规模→近期又重新成为 研究热点
高炉流程： 矿石A在高炉内升温、
还原、熔化为铁水B→[C] 已达到饱和→在炼钢过程 脱C→再去除多余氧成为成 品钢液； 非高炉流程：
矿石被升温、还原为 海绵铁→在电炉中熔化还 原未还原部分→得到成品 钢液
4
钢铁生产过程产品中氧量、碳量的变化
非高炉炼铁知识大全
提纲
第一部分 钢铁生产及短流程炼钢概论 第二部分 直接还原理论与工艺 第三部分 熔融还原理论与工艺
第一部分 钢铁生产及短流程炼钢概 论
一、什么是短流程
1.世界钢铁工业发展概况 起步阶段 时 间：1865年前后 工 艺：空气侧吹转炉炼钢法（1865年 英国贝赛麦） 代表国家：英国 中 国：公元前2世纪采用类似侧吹转炉 炼钢法—李约瑟
废钢资源优势
（1）、废钢铁是再生资源，可无限循环利用。 从钢材→制品→使用→报废→回炉炼钢，每830年一个轮回，无限循环使用 （2）、废钢铁是一种载能资源，用废钢铁炼钢 可以大量节约能源。废钢直接炼钢比矿石炼铁 后再炼钢可节能60%，节水40% （3）废钢铁是一种环保资源，废钢直接炼钢比 铁矿石炼铁炼钢可减少排放废气86%，废水76% 和废渣97%，有利于清洁生产和排废减量
钢水1t 图6. 废钢—电炉流程示意图
什么是短流程（续）
2. 钢铁生产方法及流程（续） 五种流程（续） 粉矿
1.237t 石灰石0.096t 543kg煤 (493kW•h熔化用电） (109kW•h脱硫和辅助 设备用电） 137kW•h制氧用电 404m3氧气 铁 燃料0.010t 废钢0.263t
粉矿
区域3
图11 按还原剂和铁矿石种类分直接还原工艺
直接还原生产及技术现状(续)
1.国外现状(续) 技术现状(续) 按炉型分： •竖炉 •回转窑 •转底炉 •流化床等
直接还原生产及技术现状(续)
1.国外现状(续) 技术现状(续) 按含铁料粒度分： •块矿/球团 •粉矿
表1 不同直接还原工艺的主要特点比较
型式 竖炉 竖炉(间歇) 竖炉 多层流化床 回转窑 还 800 800~900 700~800 1100~1200 原 温度/℃ 800~900 炉 还原率/% 92~96 85 92~94 93 90 熔炼炉 废气处理 电炉 电炉 循环使用 TFe:88 C:2.2 脉石:4.3 电炉 电炉 电炉
非高炉炼铁
MgO-CaO质耐火材料工程实例
• 含活性氧化钙耐火材料是生产洁净钢的理 想材料 工程或工业化生产如何实现？ 工业化最大的问题是解决活性氧化钙的水 化问题
MgO-CaO质耐火材料工程实例
• B.耐火氧化物与钢中硫含量关系: 钢液冷凝时硫会浓聚于晶粒边界，加热钢 锭时，会在晶粒边界熔化，造成钢的热脆。 钢液中硫含量越低，说明钢中硫化物洁净 度（Sulphide cleanliness)越高。 [S]+(O)=(S2-)+［O] 或[S]+(CaO)=(CaS)+［O] 式中，[]表示金属熔体相；( )表示熔渣相
2.4国内外熔融还原用耐火材料的研究现状 和发展方向
• 国内外研究者对熔融还原用耐火材料的研究主要在Al2O3-C、 MgO-C和MgO-Cr2O3砖方面，就蚀损速度而言MgO-Cr2O3砖约 为的Al2O3-C砖的 1/2，C含量为10%的MgO-C砖比Al2O3-C砖小 1/5。其结果总结为：（1）COREX融熔还原气化炉中的流化 燃烧区和风口区作业条件最为苛刻，所用含炭耐火材料效果 不理想。推存选材为Sialon结合碳化硅砖和Sialon结合刚玉砖。 （2）铁浴终还原炉技术尚未完全成熟，所用炉衬为改进型 Al2O3-C砖和MgO-C砖。渣型的不同对耐火材料的使用效果影 响较大。（3）含炭耐火材料有好的抗渣性及热震稳定性， 但存在易氧化的问题。抗渣性及抗冲刷性好的镁铬砖其热震 稳定性不好，易剥落。
MgO-CaO质耐火材料工程实例
• 则是溶解在钢液中的脱氧剂M与溶于钢液中的氧 化反应生成脱氧产物MxOy。如果MxOy不上浮， 也会成为钢中夹杂物。 Al、Si、Cr、Zr在铁液中溶解度都很大；而Mg与 Ca由于在高温下以气态存在，在Fe液中溶解度很 小。耐火氧化物中的金属元素在钢液中的含量与 钢液中平衡氧的活度之间关系如图所示。
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生产消耗
项目
铁矿石 天然气
氧
电耗
水
工时 排料温度
t
GJ
m3
KWh
m3
h/t
℃
DRI
1.42 2.25*4.18 12
95
1.20
1~0.2
40
HDRI
1.45 2.30*4.18 12
95
1.20
1~0.2
700
HBI
1.45 2.35*4.18 12
95
1.20
1~0.2
80
HYL反应罐法工艺流程
非高炉炼铁
2009年9月
直接还原炼铁
世界直接还原铁DRI/HBI产量
2007年直接还原铁产量约占世界生铁产量10.5亿吨的6.2%
年份 产量(万吨)
2004
5460
2005
5699
2006
5979
2007
6569
2008
6850
各直接还原工艺生产量的占比
工艺(%) Midrex HYL-Ⅲ HYL-Ⅰ Finmet 其他气基
气流床粉煤气化为基础的 直接还原炼铁过程
以气流床-Ⅲ直接还原炼铁装置图
HYL-Ⅲ 竖炉结构及
边界操作条件
HYL-Ⅲ系统的气体成分(例)
气体主要成 分(摩尔分
数)% H2 CO
CO2 H2O CH4 H2S+COS 总流量 (m3/t DRI)
新鲜还原气
87.58 11.40 0.42 0.097 0.0034 5.61 692.02
可在其工艺和设备无任何改 动情况下使用焦炉煤气、 Corex熔融还原炉产生的煤 气或者合成气，而其他技术 大都需要对其基本配置进行 重大改动。
用煤制气的HYL-ZR工艺
BL直接还原工艺
竖炉设计日产5t(200kg/h) 比其他煤基炼铁方法减少排放 CO240%、NOX86%、SO281%。
还原煤气成分从德士古原始煤气成分点 (H2/CO=0.85)调整到: Midrex 还原气成分点(H2/CO=1.2～1.7) HYI-Ⅲ还原气成分(H2/CO 达到7.9)。
气
作为还原剂,在竖
高（利用系数
基
炉、罐式炉或流 化床内将矿石中
8~10t/m3d）、 单炉产量大
法
的氧化铁还原成
（达180万
海绵铁。
t/a）、产品
主要有Midrex、 HYL、FIOR法等。
成本低等优点， 需天然气等作 还原剂，受气
源和地区的限
制。
用煤作还原剂,在
回转窑法目前
回转窑、隧道窑
较多，单位投
Midrex产品成分
项目 TFe Fe 金属化率 C
P
%
%
%
%
%
S%
脉石 堆密度
%
kg/m3
DR 90~94 83~89 92~95 1.0~3.5 0.005~0.09 0.001~0.032 8~6.0 1600~1900
DRI 90~94 83~89 92~95 0.0~3.5 0.005~0.09 0.001~0.032 8~6.0 1600~1900 HBI 90~94 83~89 92~95 0.5~5.3 0.005~0.09 0.001~0.032 8~6.0 2400~2600
煤基
2004 64.1 18.9 1.9 2.9 ＜0.1 12.1
2005 61.3 19.7
2.3 0.04 16.5
2006 59.7 18.4
2.2 0 19.7
2007 60.4 19.6
2.1 0 17.9
优点
1、流程短，直接还原
铁+电炉炼钢。
2、不用焦碳，不受炼
焦煤短缺的影响。
3、污染少，取消了焦
炉、烧结等工序。
4、S、P等有害杂质与 有色金属含量低，有利
直
于电炉冶炼优质钢种。
接
还
缺点
1、对原料要求较高。
原
2、气基要有天然气
（CO+H2）。 3、煤基要用灰熔点高、
反应性好的煤。
4、海绵铁的价格一般
比废钢价格要高。
竖炉法生产技
术成熟、设备
用天然气经裂化
可靠、单位投
产出H2+CO气体
资少、生产率
气基直接还原工艺的操作结果
矿石/球团 块矿 粉矿 天然气 电功率 氧
产品
(kg/t) (kg/t) (kg/t) (GJ/t) (KW/t) (m3/t)
Midrex 1200 300
9.7 93.0 30 DRI/HBI
HYL-Ⅲ 1181
295
10.7
98
34 DRI/HBI
Finmet
1500 13.3 165
煤
等设备内将铁矿
资高、生产率
基
石中氧化铁还原 成海绵铁。
低（利用系数 ~0.42t/m3d)、
法
主要有FASMET
法等
单炉产量低 (15~18万t/a)、 生产成本较高。
用煤作燃料和
还原剂是优点。
Midrex直接还原工艺
CO+H2 ~95 % 850 ℃～900 ℃
Midrex生产工艺基本流程
Midrex产品成分和生产消耗
炉顶气
48.83 7.83 4.30 37.10 0.040 0.0084 1372.63
进炉还原气
85.19 12.28 0.24 0.39 0.038 0.0065 1378.58
冷却气
82.78 13.18 0.062 0.76 0.064 0.012 583.58
HYL-Ⅲ改进ZR工艺
HYL - ZR是一种新型气基 自重整直接还原工艺。可以 利用煤制气、焦炉煤气 (COG) 、Corex工艺产生的 煤气、高炉煤气、氧气顶吹 转炉煤气来还原铁矿石(球 团矿或球团矿/块矿的混合 物) ，生产海绵铁。通过在 自身还原段中生成还原气体 (现场重整)实现最佳还原效 率。
-
HBI
FASTMET工艺
工艺特点: •以煤粉为还原剂,摆脱 了天然气地域分布不 均的限制,对煤质的要 求也不那么严格,故其 应用地域广泛; •主要设备为环形转底 炉,该工艺设备简单,投 资省,能耗较低; • 对炉料的强度要求不 高; •炉料在转底炉内停留 时间短(约20 min) ,操 作容易.
FASTMET/FASTMETL的流程图
ITmk3工艺流程
ITmk3-电炉流程和高炉-转炉流程 CO2排放量估算比较
IDI-DRyIron Process RHF 干铁法转底炉流程
高炉炼铁和各种直接还原炼铁的比较
工艺名称 还原剂 高炉炼铁法 焦碳
还原温度 ℃
1550
还原时间 h 8
铁的状态和含铁量 %
铁水,含铁96
适用处 临海,煤矿产地
直接还原法
Midrex法 天然气
900
6
DRI 85
天然气产地代高炉
Fastmet法 煤
1350
10min
DRI 78
炼铁粉尘制球团
Fastmelt法 煤 1350~1550
1
铁水,96
代替高炉供应铁水
ITmk3法
煤
1450
10min