熔融還原法是指不用高爐而在高溫熔融狀態下還原鐵礦石的方法，其產品是成分與高爐鐵水相近的液態鐵水。開發熔融還原法的目的是取代或補充高爐法煉鐵。目前世界上熔融還原法很多，如Corex工藝、HIsmelt工藝、Finex工藝等，其中Corex工藝技術比較成熟並已形成工業生產規模。
基本介紹
- 中文名：熔融還原法
- 外文名：smelting reduction process
- 學科：冶金工程
- 常用工藝：Corex工藝技術
- 特點：不用高爐而在高溫熔融狀態下
- 套用：鋼鐵冶煉
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簡史
熔融還原的開發在於尋求一種代替常規高爐煉鐵的新工藝，它的研究開發經歷了3代。第1代工藝 從20世紀20年代開始，主要是在60年代堅持試驗。該工藝是在一個反應器中使用精礦和煤的一步法。如1924年德國霍施(Hoesch)鋼鐵公司提出的在轉爐中使用碳和氧還原鐵礦石，至今仍有現實意義。30年代後期丹麥F. L. Smit公司提出的Bas-set法，德國又開發的Sturzelbug法。50年代後，歐美各國研究開發的熔融還原法有瑞典的Dored法和E-V (Eketorp-Vallak)法、義大利的Retored法、英國的CIP法等。這些方法都是一步法，因在試驗中出現了一些當時難以解決的問題而宣告失敗。其主要問題各不相同，有的是還原時由鐵熔體排出的煤氣在熔池上方二次燃燒供給熱量，由於過程控制困難，二次燃燒時的高溫和強腐蝕性FeO熔體對爐襯的嚴重侵蝕，使爐襯耐火材料消耗大;有的是強烈轉動反應器，鐵水直接裝入耐火裝置內，並在造渣前進行保護(旋轉法和CIP法)試驗，由於鐵層和渣層之間只有少量的原料與熱交換而被取消;還有的是精礦由對著反應器牆的轉盤進行給料，在二次燃燒時，輻射前截斷“精礦螢幕”以保護爐襯(E-V法)，此法雖未成功但精礦同時傳遞熔池中由於二次燃燒產生的部分熱量，在今天也是有意義的。
第2代工藝 有代表性的是瑞典在20世紀70年代開發的用電作熱源的熔融還原法，如ELRED法、INRED法、PLASMAMELT法。克服了由二次燃燒空間到還原空間傳遞熱量的困難，用終還原產生的廢氣進行礦石預還原，即“二步法”。但是由於FeO爐渣的侵蝕和熱的需求，使終還原階段消失，於是採用在電爐中靠電供熱進行終還原。ELRED法、INRED法早已完成半工業試驗，但未到達實際建廠階段。雖然，電在瑞典是富裕的，但使用電能還原鐵礦石，多數情況下是不經濟的，因而未能推廣。等離子熔融還原法。用於比煉鐵價值高的不鏽鋼煙塵回收的工業生產，現在瑞典有一個用等離子槍工藝加工生產，年產7萬t不鏽鋼(含Ni和Cr)的粉末冶煉廠。
第3代工藝 特點是放棄電能，立足於煤和氧氣的“無焦炭工藝”而在大多數情況下仍然保留第2代工藝原有的預還原和熔態終還原的二步法。
近30年來主要工業已開發國家研究開發的熔融還原煉鐵方法有20多種，80年代以來重點開發的主要方法有COREX法、DIOS法、HI熔融還原法(HISmelt法)等。COREX法是惟一已產業化和商業化的煉鐵法。此法具有很高的預還原度和很低二次燃燒率，工藝難度較少，80年代中期開發成功，1989年第一套年產30萬t的COREX裝置在南非正式投產。韓國於1995年底一套60萬t的設備投產，國際上另有5套正在建設中，總生產能力500萬t。奧鋼聯正在設計C-3000型設備，年產110萬t，增加了高熱值的廢氣用於直接還原生產海綿鐵和終還原爐中噴吹部分礦粉的裝置。此法比高爐鐵水成本降低20%左右，其原有缺點如能耗較高，生產率不高等已有改善。DIOS法已完成工業試驗，HI熔融還原法，已進入工業性試驗。兩法的特點都是低預還原度和高二次燃燒率。流化床還原粉礦工藝較複雜，預還原度又小，鐵熔終還原負擔重，二次燃燒率高則氧化度高，溫度高。渣線耐火材料侵蝕嚴重，工藝難度大，工業試驗的經濟技術指標都不夠好。住友熔融還原法、川崎熔融還原法、MIP法、COIN法和CIG法只進行了半工業性試驗或單體試驗;此外美國的AISI法開發進展緩慢，無明顯優點，與前蘇聯的PJV法均為一步法。
融還原原理
熔融還原以加速還原過程、降低能耗、簡化流程和工藝設備為原則。其突出優點在於生產過程中少量使用或不用焦炭，已解決全球性冶金焦煤的短缺問題和煉焦業對環境的污染問題。根據其工藝模式將熔融還原劃分為四大類：三段式、二段式、一段式和電熱法。 三段式熔融還原流程可分為兩大部分：還原部分和熔煉造氣部分。
還原部分為還原段。熔煉造氣在同一個設備中包含了熔煉造氣和煤氣轉化。其構造特點是熔池上方存在一個含碳料層，在這層中可以利用煤氣過剩物理熱，完成由CO2和H2O向CO和H2的轉化過程。二段式也是由還原部分和熔煉造氣，部分組成，因此又與三段式熔融還原發統稱為兩步法。二段式與三段式的主要區別是熔煉造氣爐中熔池上方沒有含碳料層。 一段式流程只有熔煉段，沒有還原段。現代化的一段式流程和二段式流程均採用鐵浴爐熔煉設備因此二者又統稱鐵浴法。 三段式由煤基流程和焦基流程組成。二段式和一段式則由煤基流程組成。以上三種類型有時又被稱為氧煤流程，電熱法則被稱為電煤流程。
分類
熔融還原法的分類如下：
(1) 按工藝階段劃分，可分為一步法和兩步法。一步法是在一個冶金反應中完成礦石 還原熔煉的全過程。該工藝流程短，設備簡單，但在套用中卻存在著能耗高及FeO渣嚴重 侵蝕爐襯的難題，至今仍未能解決。
兩步法將熔融還原過程分為固相預還原及熔態終還原，並分別在兩個反應中完成，改 善了熔融還原過程的能量利用，降低了渣中FeO濃度，使熔融還原法取得了突破性的進展。
(2)按使用能源劃分，可分為氧煤法和電煤法。氧煤法靠氧煤在高溫熔池或風口區燃 燒，提供過程的熱量，用煤作為還原劑。目前開發的多數工藝為氧煤法。
電煤法用電提供熔融還原過程所需的熱量，煤做還原劑，電熱轉換方式有電弧放熱和 等離子技術，此法只適用於電力充足、價格低廉的地區。
(3) 按預還原裝置類型，可分為流化床法、豎爐法、迴轉窯法和閃速爐法等。
(4) 按終還原裝置類型，可分為豎爐法、電流法和旋轉爐法等。
工藝現狀
由奧鋼聯（VAI）於70年代開發的COREXCOREX是當前最成熟的熔融還原技術，也是目前唯一的一個工業化熔融還原流程。已在韓國浦項、印度金達爾（兩座）和南非薩爾達納和伊斯科（各一座），共有5座投產，並穩定運行，生產出合格的鐵水，已達到或超過設計產量（每小時產鐵80-100t）。2008年，設計能力為150萬t生鐵的COREX 裝置C3000在上海寶鋼建成，並順利出鐵。
熔融還原的基本流程是將塊礦和球團礦及熔劑加入到還原豎爐中，被逆向流動的還原氣體還原為金屬率約93%的直接還原鐵。通過豎爐底部的螺旋給料機送入熔融氣化爐。非煉焦煤（塊狀）和一定量的焦炭直接加入熔融氣化爐。經風口送入純氧，與煤和焦炭燃燒產生熱量和還原氣體，最終完成含鐵爐料的還原、熔化和造渣過程。鐵水和液體爐渣聚集在爐缸，定期排放。熔融氣化爐產生的高溫煤氣含有約70%的CO和25%的H2，被送入還原豎爐作為還原劑。還原豎爐排出的煤氣仍有很高的發熱值，可發電或作其他用途。南非薩爾達納廠將COREX爐與生產直接還原鐵的MIDREX豎爐串聯，形成COREX/DR流程。在2004年，用COREX產生的煤氣，作為直接還原爐的還原劑。
採用COREX煉鐵工藝生產鐵水，在成本、操作和環境保護等方面具有明顯的優點，在生產規模、爐齡等方面的不足也須引起注意，並採取相應的措施。
COREX煉鐵技術的優點
環保效果好。根據有關資料顯示，COREX和高爐兩種工藝的SO2/NOX、灰塵排放量以及廢水中酚類、硫化物、氨的排放數量，前者比後者要低得多。
（1）用料範圍廣。與高爐工藝相比，COREX工藝可以使用較高比例的非煉焦煤，焦炭用量少（120～170kg/t），質量要求也相對較低，並可使用15%左右的粉礦。
（2）勞動生產率高、生產成本低。在相同的生產能力下，與高爐相比，COREX更為複雜和龐大，如果不包括氧氣站，其投資要多30%，如果包括氧氣站，投資則要多60%。但是COREX工藝不建設焦爐，與高爐加焦爐流程相比，COREX投資總額約低10%。
（3）煤氣可以多級利用。COREX煉鐵工藝的副產品是含有大量CO和H2，含雜質量很低，這種煤氣純淨，熱值高，可以用來生產DRI，生產DRI的尾氣又可以用於發電或給鋼廠加熱爐或其他設備進行加熱，實現煤氣的多級利用。
（4）生產調節靈活。COREX生產工藝可在幾小時內調整鐵水和爐渣成分，設備停工和重新開工容易，生產調節靈活。
COREX工藝存在問題
COREX工藝在本質上是將高爐冶煉分為還原和熔融兩段，放在兩個容器中進行。因此，也存在高爐工藝本身具有的一些特徵和不足。
（1）還原容器仍是豎爐，因為豎爐工藝要求良好的透氣性，因此，還需要塊狀原料和球團（南非工廠使用60%-70%塊礦和30%-40%球團礦）。並且對塊礦和球團的強度、粒度、含粉率有一定要求。
（2）COREX雖然可以使用非煉焦煤，但並非任何非煉焦煤都可使用。因為熔融氣化爐產生的氣體要作為還原豎爐的還原氣體，要求煤的揮發分應在27%~30%。當然可以通過幾個煤種混合達到。但也增加了配煤的麻煩。
（3）COREX的熔融氣化爐床層也需要有一定的透氣性，因此需要入爐煤有一定塊度（一般20～25mm），並且煤熱解後的半焦有維持床層透氣性的任務，從而要求具備一定強度，並且其固定炭和揮發分應穩定。與焦炭相比，半焦的CSR和CRI較差，因此，實際生產中往往需要一定比例的焦炭以彌補煤的不足。
特點
（1）燃料用煤而不用焦炭，可不建焦爐，減少污染。
（2）可用與高爐一樣的塊狀含鐵原料或直接用礦粉作原料。如用礦粉作原料，可不建燒結廠或球團廠。
（3）全用氧氣而不用空氣，氧氣消耗量大。
（4）可生產出與高爐鐵水成分、溫度基本相同的鐵水，供轉爐煉鋼。
（5）除生產鐵水外，還產生大量的高熱值煤氣。
