车底炉高温高料层直接还原的试验研究与开发

　　1. 唐山奥特斯科技有限公司 2. 东北大学 材料与冶金学院

　　1 前言

　　世界范围内的直接还原工艺发展过程中，国内外的冶金工作者进行了大量新工艺的研究与开发工作，目前投入生产的直接还原工艺主要有气基竖炉、煤基转底炉、回转窑、隧道窑等。其中，每种工艺都各有利弊，不同生产企业主要是根据当地的矿石种类、能源情况、环保政策等客观因素，因地制宜的选取不同工艺来满足自己的生产需求[1]。

　　车底炉高温高料层直接还原工艺就是在这种背景条件下开发的一种新型直接还原工艺。该工艺首先是20世纪末期，由加拿大籍华裔冶金学家Weikao Lu教授提出的。其主要目的是在焦炭资源短缺的条件下能够大规模的高效生产低碳的优质铁水，或者处理某些特殊矿石和含铁粉尘。唐山奥特斯科技有限公司汪寿平、高波文、汪翔宇等人设计并正付诸实施的OTS工艺中的还原设备——“往复式车底炉”可适应高温高料层工艺的要求在相关领域已达成共识。核心技术和核心装备两者的有机结合，将极大地加快车底炉高温高料层工艺的工业化进程。

　　2 工艺简介

　　高温高料层直接还原，即将直接还原分为还原室和氧化室两个彼此相互独立的部分(图1)[2]。还原过程主要由以下四部分组成：

　　(1)还原室：碳还原铁矿石，生成金属铁和CO气体，消耗热量;

　　(2)CO气体从还原室传递到氧化室;

　　(3)氧化室：CO完全燃烧(氧化)生成CO2，释放热量;

　　(4)热量从氧化室传递到还原室。

　　该工艺的操作特点即“高温”和“高料层”。在能源利用方面，先利用C的化学能，作为还原剂还原铁矿石，生成CO;再利用其热能，CO完全燃烧成CO2产生高温，作为热源为矿石的还原和加热提供热量，同时由于高料层的存在可防止直接还原铁DRI被CO2再氧化。从而有效地提高了燃料利用率，降低燃耗。

　　图2所示为高温高料层工艺示意图[3, 4]。该工艺的两点关键问题是：1)传热，即热量由上层球团传递到下层球团，从球团表面传递到球团内部;2)DRI再氧化，防止DRI被氧化室的CO2和O2再氧化。正是由于同时采取了“高温”和“高料层”的操作特点，可有效解决这两个关键问题，从而实现“既燃料利用率高又金属化率高”。

　　3 理论依据

　　3.1 高温操作——加快传热，提高反应速度

　　所谓高温，即让还原室产生的CO在氧化室完全燃烧，生成CO2。高温操作具有如下四个优点：

　　(1)提高燃料利用率，降低燃耗。

　　(2)有利于辐射传热。周知，球团与炉壁相对静止的直接还原工艺中，热量传递以辐射传热为主，而辐射传热量与温度的四次方成正比。因此，提高温度可大大提高热辐射传递给炉料的热量。

　　(3)加快球团收缩。前期研究表明[5]，热量传输是整个工艺过程(包括质量传输和热量传输)的限制性环节。还原初期，上层球团很容易接受热辐射传递的热量，但下层球团难以直接获得辐射传热。高温条件下，有利于第一层球团还原后体积收缩，料层空隙度增大，则有利于对第二层球团的辐射传热。依次类推……，因此高温可加快球团收缩，从而有利于给下层球团进行辐射加热。还原后期底层球团所需要的热量来自传导和辐射传热的共同作用，此时上层球团的良好还原和收缩使DRI具有优良的导热性能。

　　(4)高温有利于加快还原反应速度，提高生产效率。同时有利于铁颗粒的长大，尤其适合于特殊矿石的冶炼。

　　3.2 高料层操作——防止DRI再氧化，提高金属化率和生产效率

　　传统的球团与炉壁相对静止的直接还原工艺由于传热方式以辐射传热为主，球团层数超过2层以后，辐射传热难以将热量传递给2层以下的球团，因此生产工艺中的实际料层多数仅为1层或2层(图3)。

 
图3 矮料层的直接还原示意图

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