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第三章 熔融还原工艺介绍
3.1熔融还原工艺简介
传统的高炉炼铁把还原、熔化、造渣等过程集于高炉一体，具有设备简单、易于大规模生产等许多优点，然而炉料由固态经软熔到熔化，是一个固、液、气多相反应同时存在的复杂过程。为了提高高炉效率，把细磨了的矿粉重新加热造块，将耗费和含有巨大能量的人造富矿又重新冷却、破碎，送入高炉再重新加热。从整体上看，这是一种巨大的浪费。直接还原法虽然可解决不用焦炭的问题，但精料要求比高炉还高，其产品主要供给电炉炼钢，不能满足转炉大规模生产要求。为解决上述矛盾，冶金工作者提出了直接用高品位精矿粉进行熔融还原的新工艺。其基本思想就是把高炉作用分为两步来完成：第一步是预还原，主要任务是从铁精矿粉中夺取氧，提供预还原原料，第二部是深度还原，主要完成熔化、精炼和渣铁分离的任务，并同时为预还原提供高温还原性煤气。
熔融还原的主体能源主要有非焦煤、焦炭（非冶金焦）和电力。能源供应以非焦煤为主的称为煤基流程，仍然需要焦炭来支撑的称为焦基流程，使用大量电热的称为电热流程。欧钢联的方式是根据工艺模式，将熔融还原划分为三段式、两段式、一段式和电热法。
三段式熔融还原流程可分为两大部分，即还原部分和熔炼造气部分。还原部分就是还原段。熔炼造气部分则在一个设备中包含了熔炼造气段和煤气转化段。其构造特点是熔池上方中，可利用煤气过剩物理热完成CO2和H2O向CO和H2的转化过程。
两段式也由还原部分和熔炼造气部分组成，因此又与三段式统称为二步法。两段式与三段式的主要区别是，熔炼造气炉中熔池上方不存在含碳料层。某些二段式流程为了解决还原气成分和温度问题，在熔炼炉与还原炉之间附加了一个还原气改善炉，为与典型的三段式相区别，仍称这种流程为二段式流程。
一段式只有熔炼段，没有还原段。现代化的一段式流程和二段式流程均采用铁浴炉熔炼设备，因此二者又称为铁浴法。
三段式由煤基流程和焦基流程组成。两段式和一段式由煤基流程组成。
熔炼设备是熔融还原流程的精华。一个熔融还原流程的开发通常由熔炼设备开始，
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而熔炼设备开发工作又往往决定了该流程的成败。还原设备决定了适应原料的性质，列如，流化床可直接处理粉料，竖炉则只适于处理块状料。
下面对熔融还原三个代表工艺Corex、Finex、HIsmelt进行介绍。
3.2 Corex 熔融还原
与传统高炉工艺不同，Corex流程中铁的还原和熔炼过程在两个不同的容器中完成的。这两个容器分别是上部的竖炉和下部的熔炼造气炉，组成所谓的Corex塔[8]。Corex工艺流程如图3.1所示。
图 3.1 Corex 工艺流程图
通过装料设备和布料装置，从预还原竖炉顶部装入铁矿石、球团矿和熔剂等炉料，热还原煤气从竖炉下部输入，炉料在逐渐下降的过程中，与逆流还而上的还原煤气发生一系列物理化学反应，含铁炉料被还原并到达竖炉下部，经6-8h被还原成金属化率约
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90％海绵铁。在高温煤气的作用下，部分熔剂在此发生分解反应。竖炉下部的热态海绵铁和熔剂及其分解产物等炉料分别由几台液压传动、转速可调的水冷螺旋给料机连续热送入下面的熔融气化炉，同时通过另一套给料系统将储存在压力仓内的煤连续加入到熔融气化炉。
熔融气化炉是一个气。固一液多相高温复杂反应的容器。在Corex熔融还原炼铁工艺过程中起着非常重要的作用，在此主要完成燃煤造气和海绵铁熔化，熔剂分解、熔化，生铁脱硫、渗碳，造渣及渣铁分离等反应。加入熔融气化炉中的煤在下降过程中与高温煤气相遇，在200℃时即开始有部分挥发物生成，气化炉下部温度越来越高，煤挥发的速度也越来越快，500℃左右挥发份大量挥发出来，到800℃。1000℃时，煤中大部分挥发份都己脱除，煤挥发份挥发份脱除后，逐步成为半焦直至焦炭，在流态化床下部依次形成主要由焦炭颗粒构成的固定床和类似高炉的死料区。
从上部竖炉下来的海绵铁和熔剂在穿过气化炉的上部扩大空间和小颡粒形成的流态化床过程中，被上升的高温煤气加热，然后落到半焦或焦炭形成的固定床上。在气化炉炉腰部由环形分布的多个风口连续吹入氧气，使固定床中的焦炭燃烧并在风口附近形成回旋区，产生2000℃以上的高温煤气，高温煤气在流经焦炭固定床和流化床区过程中使煤或焦碳发生气化反应，同时使海绵铁、残余铁氧化物和熔剂熔化和最终还原，煤气本身的物理热和化学热得到利用，煤气温度降低，化学成分也会发生变化。熔化后的物料经渣铁分离、渗碳、脱硫和脱硅等过程，最终得到1400—1500℃的铁水和熔渣进入气化炉下部炉缸，从铁口和渣口排出。
熔融气化炉出口处的还原煤气温度高达1000-1100℃，主要成分为CO和H2，分别占65％一70％和20％一25％，兑入部分净化处理后的冷煤气，温度降至850。C，再经热旋风除尘器除尘，将含尘量从1509／m3降至209／m3左右例，85—90％送入预还原竖炉作为还原气体；剩余部分通过填料洗涤器、文氏洗涤器和水脱除器后，作为冷却净煤气输出。
旋风除尘器分离出的粉尘含C50％、Fe l5％、CaO+MgO35％，经炉尘返吹装置喷回熔融气化炉内用氧燃烧。还原竖炉出口煤气也经填料洗涤器、文氏洗涤器和水除尘器后作为净煤气输出。
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3.3 Finex熔融还原
Finex是Corex技术的进一步发展。是韩国浦项钢铁公司和奥地利奥钢联工程公司从1992年开始，一起联合开发的、用丰富的廉价铁矿粉和非焦煤直接生产铁水的新熔融还原工艺。该工艺不需要烧结和炼焦等预处理工序，与高炉炼铁工艺相比，能大大降低工序成本，减少污染物的产生。浦项的年产能为150万t的工业生产线已于2007年4月10日投产，该工艺具有广阔的发展前景。
工艺主要由3个工序组成：流化床预还原装置、DRI粉压块装置和熔融气化炉装置。第一步是流化床反应装置，可以把铁矿粉进行预还原，其所使用的还原性气体是由输入熔融气化炉的煤经燃烧和高温分解而产生的。第二步，经流化床预还原后进入压块工序，变成热压块铁。非焦煤经过压块变成压块煤，加入到熔融气化炉中。第三步，压块煤在熔融气化炉中燃烧产生热量，把经流化床中还原过的热压块铁熔化成铁水和炉渣[9]。 Finex工艺流程如图3.2所示。
图 3.2 Finex 工艺流程图
相比Corex 工艺，Finex 工艺主要进行了一下技术的改进： 取消还原竖炉，用多级流态化床反应器代替还原竖炉。
用铁矿粉代替还原球团矿和块矿。铁矿粉在多级流态化反应器中大部分得到还原。部分还原的热矿粉经热压成块，作为含铁炉料加入熔融气化炉中。