虽然高炉炼铁工艺的优势在今后相当一段时间仍将无法被取代，但由于焦炉的超期服役和以减少CO₂排放为代表的环保问题，因此，高炉炼铁法正进入了转换时期。

页岩气已受到全世界的关注。在美国，页岩气不仅关系到能源安全，而且也对钢铁业产生了影响。

本文从环保和资源枯竭的角度出发，针对利用直接还原铁（DRI）的炼钢工艺，就日本神户制钢公司直接还原铁生产技术的现状和直接还原铁在今后所起的作用进行阐述。

1 钢铁行业的资源动向

世界粗钢产量已突破16亿吨，世界粗钢产量的70%采用高炉-转炉工艺生产。另一方面，废钢的产生量在年年增长，出现了所谓由废钢产生量增加而出现的城市矿山，由此促进了以废钢为原料的电炉炼钢法的发展。

在北美由于页岩气的商业化生产，使天然气的价格下降，预计工业用电价还将进一步下降。

2 世界直接还原铁的生产状况

在固体状态下对铁进行还原的直接炼铁工艺（下称“DR”）不像高炉炼铁工艺那样需要大规模投资，也不需要焦炉，因此在出产天然气的产油国等是将直接还原铁作为电炉炼钢的铁源生产设备来建设。尤其是，在近中东地区由于废钢的产生量少，因此将直接还原铁作为电炉炼钢的主要原料。

世界直接还原铁的生产量已从70年代的约80万吨提高到2014年的约7450万吨，增加了近100倍。直接还原铁已占电炉炼钢原料的16%。近年来，即使在发达国家对直接还原铁的需求量也越来越大，2014年通过运输的直接还原铁量约为1287万吨。

直接还原铁的主要特性示于表1。由于直接还原铁通过直接还原去除氧后会留下空隙，因此再氧化性非常强。另外，由于直接还原铁存在着发热和易燃的危险，因此难以海上运输，一般是由钢厂直接进行使用。为解决直接还原铁的运输问题，开发了一种将直接还原铁热压成形后提高表观密度，防止其发生再氧化的热压块铁（HBI）的生产技术。采用这一技术后，HBI的海上运输就变得容易起来，并可将HBI作为炼钢原料向国际市场提供。

目前，约80%的HBI是采用MIDREX工艺生产的。采用MIDREX工艺生产时，由于还原气体组成的不同，因此排出的直接还原铁温度比以氢还原为主流的HYL工艺生产的高，适合于HBI生产。

直接还原铁的生产工艺大致可分为以天然气作为还原剂的工艺和以煤作为还原剂的工艺。使用天然气作为还原剂的MIDREX工艺和HYL工艺生产的直接还原铁产量占世界直接还原铁总产量的75%左右。其余是由煤作为还原剂的工艺生产的。以天然气作为还原剂生产的直接还原铁的主要公司?—Midr ex公司是神户制钢公司在美国的全资子公司。

3 直接还原铁的生产技术

3.1 神户制钢公司的气基直接还原铁生产技术

MIDREX工艺的生产流程是，首先，将球团矿或块矿从竖炉的炉顶装入，然后在炉内还原后，作为直接还原铁从炉最下部排出。以往，直接还原铁是在冷却后排出，但最近则是在热态下直接送到炼钢工序，不仅可以节省电炉单位能耗，而且可以提高生产率。

铁在竖炉内的还原反应用（1）式和（2）式表示。

Fe₂O3 3H2→2Fe 3H₂O △H0 = 72.82kJ （1）

Fe₂O₃ 3CO→2Fe 3CO₂ △H⁰ = -42.98kJ（2）

（1）式的氢产生的还原是吸热反应，而（2）式CO气体产生的还原是放热反应。因此，炉内产生的（1）式和（2）式的还原反应因反应原理不同，炉内的温度分布会产生变化。另外，采用以天然气作为还原剂的直接炼铁工艺时，如（2）式所示，由于氢有助于还原，因此其CO2产生量比以煤作为还原剂的高炉炼铁工艺大幅度减少。

MIDREX工艺的主要特征在于其还原气体的组成。采用该工艺时还原结束后从炉顶排出气体中的CO₂可以作为天然气的重整气体进行有效利用，如（3）式所示。

CH₄ CO₂→2CO₂ H₂

（3）

结果表明，它的H₂/CO浓度比为1.5，而HYL工艺的H₂/CO为3-5，它成为富CO气体，容易将炉内温度保持在高温。

MIDREX设备的投产情况表明，它主要建在天然气丰富的产油地区，而且设备在向大型化发展。截止2014年MIDREX设备已投产76座，还有两座正在建设之中，将在2016年投产。目前正在开发将竖炉大型化的年产200万吨的SUPER MEGAMOD，在美国德克萨斯州建设的年产200万吨直接还原铁生产设备预计将于2016年投产。

采用MIDREX工艺时，为解决建设场地受到制约的问题，进行了以COREX工艺排出的气体和煤气气化气体作为还原气体的燃料多样化试验，如表2所示。尤其是2009年末，印度订货的年产能力180万吨直接还原铁生产设备，以煤气化设备生产的合成气作为还原剂的技术引人注目，因为它充分利用印度产的高灰分煤来生产直接还原铁。

另外，钢铁厂的焦炉煤气（下称“COG”）中含有高浓度的H₂和CH₄，它可利用于直接还原铁的生产。采用新型部分氧化装置后，COG可以转换成适合MIDREX工艺的合成气体，并用竖炉生产直接还原铁。由于这种直接还原铁可以在高炉或转炉中使用，因此它不仅可以减少CO2排放，而且可以提高生产率30%。

3.2 神户制钢公司的煤基直接还原铁生产技术

作为使用煤的直接还原炼铁法以前是采用回转窑生产，但由于其规模较小，且回转窑结圏后的停炉处理时间长和煤消耗量大，因此这种工艺仅在印度使用。

进入20世纪90年代后，使用煤的直接还原炼铁法开始关注含碳复合球团矿的还原，这是因为氧化铁和碳的邻接配置可以在低温下实现还原反应的高速进行。为弥补含碳复合球团矿脆弱的物理强度，开发了FASTMET工艺，它采用可静态进行还原的转底炉（下称“RHF”）。该工艺作为可使用廉价煤的直接还原炼铁技术引人关注，但目前在钢铁厂RHF仅用于处理粉尘，如表3所示。

4 发展趋势

4.1 废钢炼钢法的发展

未来世界钢需求量和废钢产生量的预测表明，钢的需求量仅靠废钢是无法满足需要的。为弥补这一不足，将采用铁矿石直接还原炼铁新方法。

通常，废钢中含有Cu和Sn等有害元素，其含量的增加会对下道工序的连铸和轧制产品质量产生不好的影响。因此，以废钢为主要原料的电炉主要生产质量要求不那么严格的建设用钢材。由于这些有害元素即使经过铁水和钢水处理后也无法去除，因此为控制这些有害元素的含量，必须选择清洁废钢作为原料，或用直接还原铁和生铁等清洁铁源作稀释剂。在美国的电炉炼钢中使用了65%-70%的直接还原铁作为熔化废钢的稀释剂，可生产出与转炉钢相匹美的高等级钢材。直接还原铁中的碳还具有解决电炉炼钢特有的氮问题的优点。

使用废钢和直接还原铁的电炉炼钢法所消耗的能量和CO₂排放量与高炉-转炉法的比较示于图1。100%使用废钢时，能源消耗量和CO₂排放量最低，CO2排放量可减少到1/4。另外，在美国由于将废钢和直接还原铁组合使用，因此CO₂排放量比高炉-转炉法大幅度减少。

自2002年以后，在美国电炉钢的产量超过了高炉-转炉钢，使用废钢和直接还原铁生产薄板的电炉 轧机的小型钢铁厂越来越多。目前美国粗钢产量的60%是用电炉生产的。因此，今后为实现电炉炼钢的持续发展，确保作为劣质废钢稀释剂的直接还原铁的稳定供给是很重要的。

4.2 北美直接还原铁生产的发展

近年来，随着气基直接还原铁生产设备的大型化（一座炉子的年产量在200万吨以上），在北美由于页岩气的出现使得电价和天然气的价格变得很便宜，因此建了很多使用气基的直接还原铁设备（见表4）。根据同规模生产设备比较可知，气基直接还原铁生产工艺的碳排放量只有高炉法的1/3，而且设备投资额不到高炉的一半。这是气基直接还原铁生产工艺得以采用的原因。

由于废钢产生量的增加和美国天然气价格的下降，直接还原铁生产方法作为环境污染小的炼铁技术，将得到良好的发展，北美直接还原铁产量将呈增长的趋势。

4.3 将直接还原铁作为能源集装箱的利用

根据已有报道可知，将直接还原铁装入高炉具有提高高炉铁水产量、降低还原剂比、减少烧结矿用量和减少CO₂排放量的效果。关于直接还原铁在高炉使用量的上限，在实验室的试验已确认可以达到100%。在AK钢公司的实际操作表明，直接还原铁在高炉使用量达到了月平均227kg/t，再提高20%左右的使用量是没问题的。

对现有的炼铁法和未来的就地独立炼铁法进行了比较。所谓就地独立炼铁法是将占炼铁所需能源3/4的还原用能源移到海外，将直接还原铁作为能源集装箱进行利用，同时可减少炼铁所需原料运输量一半的炼铁模式。例如，欧洲Festo Al peene公司公布了在美国德克萨斯州建设年产200万吨的MIDREX设备。该项目利用廉价的页岩气对巴西产的铁矿石和球团矿进行还原后，作为HBI在欧洲的奥地利的钢铁厂进行使用，可大幅度减少CO₂排放。由于把直接还原铁作为能源集装箱进行利用，因此采用神户制钢公司的MIDREX工艺能容易生产出HBI。

减少CO₂排放、延长焦炉使用寿命、解决烧结机的环保问题和提高高炉生产灵活性等问题都是未来人们关心的事情，因此把握影响高炉铁水成本的铁矿石和原料煤的价格动向，可以促进钢铁联合企业对廉价生产的直接还原铁的利用。

5 结语

美国在20世纪50年代就迎来了钢铁业发展的成熟期，到了2000年代高炉数就开始减少了。取而代之是利用废钢的纽柯型小型钢铁厂的建设，它推进了利用薄板坯连铸等最新技术的小规模高效化生产方式的实施。随着今后废钢的大量产生，美国的钢铁业正进入依赖废钢的发展时期。

另一方面，随着北美页岩气的商业化生产，天然气价格将进一步下降，由此加快了气基直接还原铁生产工艺的推广。另外，由于开发了利用煤的煤基直接还原铁的生产工艺，因此原来仅限于在天然气出产国建直接还原炼铁设备的问题得到了解决，使清洁钢铁生产原料的稳定供给变得容易。

利用与废钢组合的电炉法在高等级钢板生产中的推广和把直接还原铁作为能源集装箱在高炉进行利用是有效减少CO₂排放的上策。 （建国）

平衡比常规炮泥构成更致密，是为了提高抗侵蚀性而开发的炮泥。高密度炮泥比常规炮泥和高强度型炮泥密度高0.3-0.5。即使热处理后密度变化也小。抗压强度与高强度型炮泥一样，采用金属烧结料、粒度平衡，1500℃热处理的试样性能高于300℃热处理试样2倍以上。

为了调查实际出铁温度，进行了高温弯曲强度试验。

炮泥的出铁时间稍有延长，提高密度的炮泥延长出铁时间约10%，没有达到希望的效果。因此，还需要对铁水流动性、炉内压力以及炮泥的填充量等因素进行广泛的验证。 （魏英杰）

4.3 将直接还原铁作为能源集装箱的利用

根据已有报道可知，将直接还原铁装入高炉具有提高高炉铁水产量、降低还原剂比、减少烧结矿用量和减少CO₂排放量的效果。关于直接还原铁在高炉使用量的上限，在实验室的试验已确认可以达到100%。在AK钢公司的实际操作表明，直接还原铁在高炉使用量达到了月平均227kg/t，再提高20%左右的使用量是没问题的。

对现有的炼铁法和未来的就地独立炼铁法进行了比较。所谓就地独立炼铁法是将占炼铁所需能源3/4的还原用能源移到海外，将直接还原铁作为能源集装箱进行利用，同时可减少炼铁所需原料运输量一半的炼铁模式。例如，欧洲Festo Al peene公司公布了在美国德克萨斯州建设年产200万吨的MIDREX设备。该项目利用廉价的页岩气对巴西产的铁矿石和球团矿进行还原后，作为HBI在欧洲的奥地利的钢铁厂进行使用，可大幅度减少CO₂排放。由于把直接还原铁作为能源集装箱进行利用，因此采用神户制钢公司的MIDREX工艺能容易生产出HBI。

减少CO₂排放、延长焦炉使用寿命、解决烧结机的环保问题和提高高炉生产灵活性等问题都是未来人们关心的事情，因此把握影响高炉铁水成本的铁矿石和原料煤的价格动向，可以促进钢铁联合企业对廉价生产的直接还原铁的利用。

5 结语

美国在20世纪50年代就迎来了钢铁业发展的成熟期，到了2000年代高炉数就开始减少了。取而代之是利用废钢的纽柯型小型钢铁厂的建设，它推进了利用薄板坯连铸等最新技术的小规模高效化生产方式的实施。随着今后废钢的大量产生，美国的钢铁业正进入依赖废钢的发展时期。

另一方面，随着北美页岩气的商业化生产，天然气价格将进一步下降，由此加快了气基直接还原铁生产工艺的推广。另外，由于开发了利用煤的煤基直接还原铁的生产工艺，因此原来仅限于在天然气出产国建直接还原炼铁设备的问题得到了解决，使清洁钢铁生产原料的稳定供给变得容易。

利用与废钢组合的电炉法在高等级钢板生产中的推广和把直接还原铁作为能源集装箱在高炉进行利用是有效减少CO₂排放的上策。 （建国）