直接还原炼铁(卷名：矿冶)
direct-reduction ironmaking
在低于矿石熔化温度下，通过固态还原，把铁矿石炼制成铁的工艺过程。这种铁保留了失氧时形成的大量微气孔，在显微镜下观察形似海绵，所以也称为海绵铁；用球团矿制成的海绵铁也称为金属化球团。直接还原铁的特点是碳、硅含量低，成分类似钢，实际上也代替废钢使用于炼钢。习惯上把铁矿石在高炉中先还原冶炼成含碳高的生铁。而后在炼钢炉内氧化，降低含碳量并精炼成钢，这项传统工艺，称作间接炼钢方法；而把炼制海绵铁的工艺称作直接还原法，或称直接炼铁（钢）法。
直接还原原理与早期的炼铁法（见块炼铁）基本相同。高炉法取代原始炼铁法后，生产效率大幅度提高，是钢铁冶金技术的重大进步。但随着钢铁工业大规模发展，适合高炉使用的冶金焦的供应日趋紧张。为了摆脱冶金焦的羁绊，18世纪末提出了直接还原法的设想。20世纪60年代，直接还原法得到发展，其原因是：①50～70年代，石油及天然气大量开发，为发展直接还原法提供了方便的能源。②电炉炼钢迅速发展，海绵铁能代替供应紧缺的优质废钢，用作电炉原料，开辟了海绵铁的广阔市场。③选矿技术提高，能提供高品位精矿，使脉石含量可以降得很低，简化了直接还原工艺。1980年全世界直接还原炼铁生产量为713万吨，占全世界生铁产量的1.4％。最大的直接还原工厂规模达到年产百万吨，在钢铁工业中已占有一定的位置。
海绵铁中能氧化发热的元素如硅、碳、锰的含量很少，不能用于转炉炼钢，但适用于电弧炉炼钢。这样就形成一个直接还原炉－电炉的钢铁生产新流程。经过电炉内的简单熔化过程，从海绵铁中分离出少量脉石，就炼成了钢，免除了氧化、精炼及脱氧操作，使新流程具有作业程序少和能耗低的优点。其缺点是：①成熟的直接还原法需用天然气作能源，而用煤炭作能源的直接还原法尚不完善，70年代后期，石油供应不足，天然气短缺，都限制了直接还原法的发展。②直接还原炉－电炉炼钢流程，生产一吨钢的电耗不少于600千瓦·时，不适于电力短缺地区使用。③海绵铁的活性大、易氧化，长途运输和长期保存困难。目前，只有一些中小型钢铁厂采用此法。
现在达到工业生产水平或仍在继续试验的直接还原方法约有二十余种，主要分为两类：
使用气体还原剂的直接还原法 按工艺设备来分，有三种类型，包括竖炉法、反应罐法和流态化法。作为还原剂的煤气先加热到一定温度（约900℃），并同时作为热载体，供还原反应所需的热量。要求煤气中H2、CO含量高，CO2、H2O含量低；CH4在还原过程中分解离析的碳要影响操作，含量不得超过3％。用天然气转化制造这样的煤气最方便；也可用石油（原油或重油）制造，但价格较高。用煤炭气化制造还原气，是正在研究的课题。
竖炉法 在竖炉中炉料与煤气逆向运动，下降的炉料逐步被煤气加热和还原，传热、传质效率较高。竖炉法以Midrex法为代表，是当前发展最快、应用最广的直接还原炼铁法，其改进的生产流程示意见图1。作为原料的氧化球团矿自炉顶加入竖炉后，依次经过预热、还原及冷却三个阶段。还原所得的海绵铁，冷却到50℃后排出炉外，以防再氧化。还原煤气用天然气及竖炉本身的一部分煤气制造，先加热到760～900℃，在竖炉还原段下部通入。炉顶煤气回收后分别用于煤气再生、转化炉加热和竖炉冷却。此法的生产率很高，每吨产品能耗可低达2.56×106千卡，产品质量好，金属化率达92％。1980年全世界建有800万吨/年设备能力，总年产量约396万吨 (占直接还原铁的50％)。
其他竖炉法有 Purofer法，为联邦德国提出。特点是用蓄热式天然气转化炉制造还原气，可以获得较高的煤气温度。另外，竖炉不设冷却段，海绵铁在隔绝空气条件下热排料，然后进行钝化处理或送电炉热装。此法缺点是设备及操作较复杂。现在只在伊朗建有一个生产工厂。Wiberg法是30年代瑞典开创的一种竖炉法，使用电弧供热的煤炭气化炉制造还原煤气。世界各地曾建立若干小型工厂，目前都已停产。但瑞典又在研究用等离子体加热的煤粉气化炉代替电弧供热的煤炭气化炉，对Wiberg法进行改造，1981年已投产。
中国广东省曾进行水煤气竖炉的试验，并取得了成功，但未投入生产。
反应罐法 墨西哥的HyL法 (指其第一代和第二代)是唯一的工业化反应罐法，在反应罐中炉料固定不动，通入热还原煤气依次进行预热、还原和冷却，最后定期停气，把炉料排出罐外。工艺流程见图2。为了克服固定床还原煤气利用不良的缺点，HyL法采用了4个反应罐串联操作，还原煤气用天然气制造，先在换热式转化炉中不充分转化。经过每一个罐反应后都进行脱水、二次转化和提温，煤气在1100℃的高温下进行还原。
HyL法使用排料杆，在停止通气下，强迫排料，因此不怕炉料粘结，操作温度较高，虽系间断作业，生产率并不低。缺点是煤气利用差，热耗大(达3.4×106千卡/吨)，产品质量不均。HyL海绵铁含碳高 (1.2～2.0％)，不易再氧化。墨西哥建有用此法正式生产的工厂。其产量仅次于Midrex法，1980年产量为236万吨。第三代的HyL法已放弃四个反应罐，改用一个，接近Midrex法，于1980年投产。
流态化法 在流化床中用煤气还原铁矿粉的方法。在流态化法还原中，煤气除用作还原剂及热载体外，还用作散料层的流化介质。图3示出流态化还原的一般原理。细粒矿石料层被穿过的气流流态化并依次被加热、还原和冷却。还原产品冷却后压块保存。
流态化还原有直接使用矿粉省去造块的优点，并且由于矿石粒度小而能加速还原。缺点是：因细粒矿粉甚易粘结，一般在600～700℃不高的温度下操作，不仅还原速度不大，而且极易促成CO的析碳反应。碳素沉析过多，则妨碍正常操作。为了克服这一困难，流态化还原多采用价格高的高氢煤气。此外，流态化海绵铁活性很大，极易氧化自燃，需加处理，才便于保存和运输。1981年中国在山东枣庄进行半工业试验，后投产。
使用固体还原剂的直接还原法 回转窑是最重要的使用固体还原剂（煤炭）进行直接还原的设备。图4示出回转窑炼铁的工作原理。
由还原剂（0～3毫米粒度的煤炭）、小块矿石和细粒石灰石（白云石）等组成的炉料由窑尾投入，窑体稍有倾斜，在转动时炉料逐渐向窑头运动。窑头设有烧嘴，使用能产生火焰的燃料（煤气、燃油或烟煤粉）。产生的高温窑气抽向窑尾，气流与固体炉料逆向运动，逐步把固体料加热，料温达到 800℃左右，开始固体碳还原
析出的CO在料层上部空间燃烧；放出热量补充加热。为了保持料层中还原气氛，炉料配加的煤炭量必须超过还原反应的需要量。按照出料温度，回转窑可以生产海绵铁、粒铁或液铁。但以回转窑海绵铁法最重要。回转窑炼铁的主要优点是可以直接使用资源丰富的煤炭。其缺点是生产率低。最有代表性的回转窑海绵铁法是SL/RN和Krupp法，二者工艺流程基本相同。为了提高产量，减轻窑内预热段工作负担，在窑前配置链篦机，能把入窑料加热到 800℃。在窑内配置随窑体转动的二次风机，以强化还原析出CO供燃烧(70年代以来改用氧化球团或块矿入炉，取消了链篦机)。还原出的海绵铁经过回转冷却筒冷却到150℃排料。把混合的剩余碳和吸硫的石灰清除后，得到产品(图5）。回转窑海绵铁产量在1980年占直接还原铁的15％。中国曾于40年代初在四川綦江进行了日产10吨规模的海绵铁生产试验，金属化率可达90％以上，但因铁矿脉石无法分离，未能正常生产。
把回转窑的出料温度提高到1250℃左右，固体料呈半熔化状态，已还原的铁滴在滚动中聚合成小的铁粒，出窑后水淬冷却可与脉石杂质磁选分离，得到粒铁。此法称为回转窑粒铁法(Krupp-Renn法)，它能处理选矿困难的贫铁矿，20世纪30年代曾在一些地区广泛发展，但该法生产率很低，事故频繁，60年代后已全部停产。
参考书目
Direct Reduction Technology and Economics of Production and Use，Iron and Steel Society of AIME，1980.
北京钢铁学院炼铁教研室：《炼铁学》，下册，冶金工业出版社，北京，1960。