直接还原铁（DRI）：生产工艺与工业流程详解
直接还原铁及其生产工艺
直接还原铁（DRI）是利用非焦煤或天然气，在固态下直接还原铁矿石或其他含铁原料生产的产品。将铁矿石在铁熔点以下还原生产DRI的工艺称为直接还原（DR）工艺。还原剂为来自重整天然气、合成气或煤的一氧化碳(CO)和氢气(H₂)。铁矿石多用球团和/或块矿形式。通过基于H₂和CO化学反应脱除铁矿石氧(O₂)生产高冶金化度DRI。
直接还原过程中，固态金属铁(Fe)直接从固态铁矿石获得，无需使矿石或金属熔融。直接还原定义为：在允许铁氧化物还原、但不允许其他氧化物（MnO、SiO₂等）还原为相应元素的氧势下，固态还原。因固态还原，这些元素在低热力学活度下极难溶入还原铁，故比铁稳定的氧化物基本保持未还原状态。
DRI呈多孔结构。因脱除铁矿石氧生产，又称海绵铁，结构如海绵般具有连通孔隙网络。这些孔隙形成巨大内表面积，约为固体铁内表面积10,000倍。
DRI产品形式多样：块矿、球团、热压块铁(HBI)、细粉、冷压块铁(CBI)。HBI和CBI为DRI致密形式，便于搬运运输。HBI在650°C以上高温下极高压力压制DRI生产，闭合大量孔隙，限制与空气反应接触面积，同时提高导热性。
DRI铁含量与冶金化度
DRI铁以两种形式存在：金属铁形式称金属铁Fe(M)；残留氧化铁形式称Fe(O)。总铁Fe(T)为两者之和。金属铁为DRI中游离或与碳结合（渗碳体形式）铁总量。DRI冶金化度衡量铁氧化物经还原剂作用脱氧转化为金属铁（游离或渗碳体结合）程度。DRI冶金化度定义为金属铁质量占总铁质量百分比。
直接还原工艺发展历史
DRI生产首项专利1792年英国，推测使用回转窑。现代直接还原工艺发展始于19世纪中叶。1920年以来发明运行100余种直接还原工艺，大多未存活。现代DRI生产时代始于1957年12月5日HYL法工厂在Hylsa投产。Midrex法首座工厂1969年5月17日在美国俄勒冈钢铁厂波特兰投产。煤基回转窑工艺结合1920年代Republic Steel-National Lead (RN)法（选矿低品位矿石）与1960年代初Stelco-Lurgi (SL)法（生产高品位DRI）。
DRI生产工艺流程
DRI生产涉及准备（定尺）铁矿石与还原剂紧密混合，还原剂通常亦用于加热矿床至实现充分还原速率所需温度。还原剂可以是气体或固体。主要DRI生产工艺为天然气基或煤基。DR工艺原料为粒径10-30mm定尺铁矿石或球团厂生产的8-20mm铁矿石球团。
气基工艺
气基还原工艺使用竖炉。铁矿石自炉顶加入，成品海绵铁经冷却防再氧化后自炉底排出。还原气通过矿床，用过气体经加热重整为H₂/CO混合气在重整器中回收，并加热至950°C以达到充分还原反应速率所需温度。竖炉按逆流原理工作：铁矿石原料靠重力向下移动，被上行还原气还原。
气基DR工艺使用气态燃料。燃料须有重整或裂解能力产生H₂/CO混合气。高甲烷天然气最常用。天然气重整富集H₂/CO混合气，预热后送入竖式直接还原炉。
气基工艺操作简单，含三主要步骤：(i)铁矿石还原，(ii)煤气预热，(iii)天然气重整。现有免天然气重整的气基工艺。
气基工艺核心是竖炉。为圆柱形耐火衬里容器，是直接还原工艺关键组件。灵活多用途反应器。可用天然气、煤制合成气、焦炉煤气或Corex法尾气作为还原气。
气基DRI还原反应同时用H₂和CO进行。H₂反应：
- 3Fe₂O₃ + H₂ = 2Fe₃O₄ + H₂O
- Fe₃O₄ + H₂ = 3FeO + H₂O
- FeO + H₂ = Fe + H₂O
CO反应：
- 3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂
- Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂
- FeO + CO = Fe + CO₂
气基DRI无需磁选，因无非磁性材料污染可能。气基工艺灵活，按用户特定需求生产三种产品形式：冷DRI、HBI或热DRI。
三大主流气基工艺：(i)HYL法，(ii)Midrex法，(iii)PERED法。HYL法最新版称Energiron法。图3为Energiron法流程图。
图3 Energiron法流程图
Midrex法流程图见图4。
图4 Midrex法流程图
煤基工艺
煤基工艺中，还原反应反应器为略倾斜水平位置的回转窑。直接还原过程在1000-1100°C操作温度范围进行。回转窑中煤与铁矿石原料同端充入。原料向前移动过程中，煤中碳氧化反应与CO气体还原反应精心平衡。沿窑长不同区域维持800-1050°C温度分布，物料靠重力下移矿石被还原。工艺基本还原反应：
- C + O₂ = CO₂
- CO₂ + C = 2CO
- 3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂
- Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂
- FeO + CO = Fe + CO₂
窑产品（DRI与木炭混合物）经外部水冷旋转冷却器冷却至100-200°C。出窑产品经筛分磁选。DRI有磁性被吸引分离出非磁性木炭。分离DRI筛分为+3mm和-3mm两个粒级。-3mm有时用水化石灰和糖蜜作粘结剂压制成球团。煤基直接还原工艺流程图见图5。
图5 煤基回转窑DRI生产流程图
DRI性能对比
煤基DRI与气基DRI性能对比见表1。
| 表1 煤基与气基DRI性能对比 | ||||
|---|---|---|---|---|
| 序号 | 项目 | 单位 | 煤基 | 气基 |
| 1 | 碳含量 | % | 0.2-0.25 | 1.2-2.5 |
| 2 | 产品粒度 | 变化 | 均匀 | |
| 3 | 材料状态 | 稳定 | 易再氧化 | |
| 4 | 堆积密度 | t/m² | 1.6-2.0 | 1.5-1.9 |
| 5 | 非金属 | % | 0.3-0.5 | 无 |
| 6 | 冶金化度 | % | 86-92 | 85-93 |
| 7 | HBI生产 | 不可行 | 可行 | |
煤基与气基DRI成分对比见表2。
| 表2 煤基与气基DRI成分对比 | ||||
|---|---|---|---|---|
| 序号 | 项目 | 单位 | 煤基 | 气基 |
| 1 | 金属铁 | % | 80-84 | 83-86 |
| 2 | 氧化铁 | % | 6-9 | 5-8 |
| 3 | 碳 | % | 0.2-0.25 | 1.2-2.5 |
| 4 | 脉石 | % | 3-4 | 2-6 |
| 5 | 熔剂 | % | 1-3 | 0-3 |
| 6 | 硫 | % | 0.02-0.03 | 0.05-0.25 |
| 7 | 磷 | % | 0.04-0.07 | 0.03-0.08 |
| 8 | 残留物 | % | 0.3-0.5 | 0.02-0.05 |
DRI优势
DRI各项优势：
- 炼钢时允许稀释废钢中金属残留元素
- 作为制造产品，成分均匀
- 粒度均匀
- 硫磷含量低于废钢
- 若与其他负担材料一起装入高炉，提高高炉生产率
制造工艺