日本氣基直接還原煉鐵技術

        神戶鋼鐵公司自從1978年把MIDREX氣基直接還原煉鐵裝置引入卡塔爾煉鐵廠以來，在世界各地逐漸建設起了許多直接還原煉鐵裝置。此間，神戶鋼鐵公司一直在與MIDREX公司共同進行著該領域的技術開發，其結果是，對強化工程技術的競爭力做出了很大貢獻，取得了一系列成果，即實現了豎爐的大型化、余熱回收設備的強化、天然氣重整用催化劑的改良、熱壓成型塊等等。

        直接還原煉鐵裝置不需要象高爐那樣大規模的設備投資，也不需要焦炭，因此，在以出產天然氣的發展中國家為中心，作為煉鐵的鐵源設施而發展起來了。近年，發達國家對于灰分少的潔凈鐵源的需求量正在日益增大，也同樣將直接還原鐵作為廢鋼的替代品。再者，由于HBI技術的開發，海上運輸直接還原鐵成為可能，開辟了世界范圍的市場。由于最近的鋼鐵需求量的增大，直接還原鐵裝置的建設需求也在日益高漲，從2005年開始，采用MIDREX法的直接還原煉鐵裝置處于建設突增的狀況。

        1生產率與單位能耗的發展史

        在MIDREX直接還原煉鐵法的發展過程中，貢獻最大的項目是生產金屬化率高、灰分少的直接還原鐵的豎爐的生產率持續性的改善。尤其是，最關鍵的重點是豎爐內消耗的CO和H2量的改善。這些改善對生產率和單位消耗的改善給予了很大的貢獻。CO和H2氣的消耗量在這30年間改善幅度達到25%以上。這主要依靠對原料性狀的控制、豎爐內部的氣流的均質化導致的固－氣接觸的改善、還原氣體的高溫化等。

        上世紀70年代的還原氣體溫度為780℃，到90年代提高至850℃，豎爐的生產率約提高了13%。到90年代后期，通過對原料球團施行特殊的包覆，還原氣體的溫度提高到900℃，豎爐的生產率進一步提高了約11%。這些改善是在沒有變更MIDREX直接還原工藝基本性機械結構的情況下實現的。

        2最近的技術發展

        豎爐技術改善工作的近期重點在于借助吹氧進一步提高還原氣體的溫度。這是將高純度的氧氣(12～20Nm3／t－DRI)吹入高溫還原氣體之中的技術。上世紀90年代后期引入此項技術，還原氣體溫度約為1000℃，豎爐內的溫度達900℃以上，豎爐的生產率約提高了12%。到2005年，此項技術重新命名為“OXY＋”而進行了改良。

        OXY＋就是向通常的重整生成的高溫還原氣體中再加入借助天然氣的部分氧化生成追加的高溫還原氣體。這種部分氧化是用特別設計的燃燒器使氧和天然氣部分燃燒的結果。

        借助這種OXY＋生成的追加的還原氣體(CO和H2)不需要重整，是不增設重整爐就可以提高豎爐生產率的技術。因而，即使是已建廠也一樣，在工廠有多余氧氣的時候，不增設重整爐也可以提高豎爐的生產率。

        從上世紀70年代到90年代，主要依靠余熱回收的強化和固－氣接觸的改良，以及主要通過原料性狀的調整等導致豎爐內還原層溫度(爐料溫度)的提升而逐漸實現了生產率的改善。對直接還原煉鐵裝置本體而言，可以說，大體達到了單位能耗改善的極限。從上世紀90年代后半期開始，重點逐步放到了依靠提高還原層溫度(吹氧或者OXY＋)來改善生產率和借助增強還原氣體(OXY＋)改善生產率。

        3還原鐵的高溫排出(HOTLINK)

        前面表述的開發成果是MIDREX法冶煉裝置的發展經歷，而作為最近的新方案，正在實施以將下游的煉鋼過程也包含在內的最佳生產效率的提高為目標的技術改良，即工藝整體的單位能耗和生產率的改善。

        作為把豎爐生產的高溫還原鐵送往下游的煉鋼設備的方法，已經提出了下列3種方案。

        1)用轉送車送供煉鋼設備；

        2)用輸送機送供煉鋼設備；

        3)借助重力供給煉鋼設備。

        借助氣力輸送也可以作為一種選擇方案考慮，但存在高溫的輸送氣體、管內的高溫輸送引起還原鐵的粉化、高的輸送能量費用、輸送過程中還原鐵溫度降低等問題，一般認為這并非上策。在這3種方案之中，借助重力供給煉鋼設備(HOTLINK)作為將豎爐排出的700℃以上的高溫還原鐵供給煉鋼設備的方法最為簡單，從節約費用和質量穩定性(再氧化等)的觀點出發，也是一種被推薦的方法。部分而言，已被具體化的其它方法則犧牲了作為重要條件的還原鐵的化學成分、還原鐵的粒度和溫度等等，在用到已建的裝置上的時候，由于平面布置上的問題等，是處于不得不予采用的狀況，但是在新建工藝設備的時候，按照保持還原鐵的品質、降低輸送成本、簡化設備維護、實現高生產率等觀點，可以說，作為借助重力輸送的簡單系統的HOTLINK是優越的最為適當的方法。

        HOTLINK將豎爐置于靠近煉鋼設備外側的上方，由豎爐排出的高溫直接還原鐵先貯存在設置在其下面的貯罐里，再供給下面的煉鋼設備(電爐)。

        4HOTLINK的詳細情況

        HOTLINK的最重要之處在于與下游的煉鋼設備的運轉時間的匹配。電爐煉鋼設備是周期(間歇)運轉，其定期維護的時間安排與上游的直接還原煉鐵裝置不同，如何與基本上是連續運行的直接還原煉鐵裝置協調？這對提高裝備總體的綜合生產率至為重要。

        首先，為了與間歇運行的煉鋼設備(電爐)的運行相匹配而設置的是高溫還原鐵貯存罐。由豎爐排出的高溫還原鐵一度貯存到貯存罐里，抵消與間歇運行的下游的煉鋼設備(電爐)運行的時間差異。

        再者，為了抵消定期維護的時間安排與上游的直接還原煉鐵設備的差異，以及突發性停爐導致的停爐時間的區別，需要經由旁路，通過產物冷卻器將高溫直接還原鐵冷卻成冷DRI，或者用制團機制成HBI，將向煉鋼設備(電爐)的供料一度排出系統之外予以貯存的設備。這些貯存設備排出的直接還原鐵再經由另外的系統供給煉鋼設備。

        通過裝入高溫的DRI，直接有下列效果：

        ①電弧爐的電力消耗降低120～140kWh／t－鋼液；

        ②電弧爐的電極消耗減少0.5～0.6kg／t－鋼液；

        ③電弧爐的產量增加，電氣系統小型化，并且有減少輸送過程中和貯存過程中的再氧化、粉化等間接效果。

        HBI有可以從海上輸往國外這一優點，但另一方面，在還原鐵生產上，與生產DRI相比較，由于生產HBI時原料球團不能包覆(還原層的溫度上限比生產DRI低)，需要制團機等原因，總體的單位能耗增大。

        5結語

        在圍繞MIDREX法直接還原煉鐵裝置的情況中，如何降低環境負荷、對應地球變暖，在近年也已成為重大的課題。一般認為，這不僅是要從如何處理排出物的觀點，而且是要從減少排放絕對量的觀點來應對的問題。在這個意義上，減少能量消耗本身不僅僅是出自降低成本的觀點，而且在環境對應上也已成為重要的要素。

        MIDREX直接還原煉鐵裝置的產量占有世界還原鐵產量的64%，在環境保護方面也擔負著重要的任務，對于以天然氣為主體進行鐵鋼生產的各個國家，今后也會持續很大的影響，是一種常可期待不斷改進的方法。

        神戶鋼鐵公司和Midrex公司在有效地利用煤炭氣化技術而讓使用天然氣的MIDREX法換成煤炭燃料的工藝，并與煤基的直接還原煉鐵技術ITmK3組合起來，進一步提高效率的工藝等新技術方面也在積極地開展合作，打算繼續進行以能源多樣化和高效化為目標的技術開發，為世界鋼鐵工業做出貢獻。