该法的还原过程实质是煤中的碳在高温下气化生成的CO与铁矿石中铁氧化物发生多相高温冶金物化反应。还原剂可用非结焦煤。工艺流程见图1。

铁矿石、煤与石灰石分别闭路破碎、筛分，取合格粒级配料与混合，混合料从炉顶部加入，随下部排料机构转动，物料沿炉身干燥、预热、还原、冷却各段逐步下降。竖炉燃烧室的加热采用气体或液体燃料。燃烧室的热量通过碳化硅砖墙传入竖炉还原反应室并传导至炉料中心。还原后的排出料包括直接还原铁、煤灰和未反应完的残煤。经磁选分离，大于3mm的直接还原铁入库；大于3mm的剩煤可作返煤掺入新煤中再利用。竖炉由装料漏斗、干燥段、预热段、还原段、水箱冷却段及螺旋排料机构等组成。反应室上部是炉料预热段，由一排5根φ280mm×3.1m的AISI310s不锈钢管组成，炉料在钢管内既有均匀下料，又有受燃烧废气预热的作用。

反应室中部为还原段，由碳化硅砖砌成，高度10.4m，截面呈矩形，上口小，下口大，炉型窄、长、高，加热面置于窄向两侧。一座竖炉内含6个反应室，单室有效容积为7.2m。反应室外部为燃烧室，炉墙长边方向每边沿高度布置15个短焰烧嘴，窄边方向每端沿高度布置10个长焰烧嘴。反应室下部是水箱冷却段。炉子底部是4个水平带水冷套的液压式螺旋排料机，既可排料又起控制炉料在反应室内停留时间的作用。其他设备及辅助设施包括原燃料的破碎系统、竖炉上料提升卷扬翻斗、移动式布料机、磁选机、残煤和煤灰分离器、炉顶气与燃烧废气返回利用系统。此外，还有配料、加料、排料和温度自动控制仪表、热工仪表等。设备构造较简单，运动部件少，电耗较低。操作中主要控制还原温度、还原时间和排料速度。这些参数随不同原料特性而变化。还原段温度一般控制在1000～1050℃，对难还原矿可稍高一些，但应考虑碳化硅砖的承受能力，注意碳化硅砖的保护。依据直接还原铁所需的金属化率，可调整排料速度以控制炉料在还原段停留的时间。

竖炉直接还原法是1932年由马丁·韦伯(Wiberg)发明的在瑞典建成了第一座生产装置，称维伯尔法(Wiberg Soderfors process)。此法开始是用木炭制造还原气。后因经济上的原因，改用焦炭制气。60年代，随着石油、天然气工业的发展，以天然气为能源的竖炉直接还原法蓬勃兴起。30多年来，先后有阿姆科(Armco)法、普罗费尔(Purofer)法、米德莱克斯(Midrex)法、NSC和希尔(HYL)法等竖炉直接还原法问世。70年代初，用煤做还原剂的外热式竖炉直接还原法(KM法)投入生产。

1968年意大利达涅利公司与瑞士蒙特福诺公司合作开始研究铁矿石直接还原，并于1971年成立金洛—梅托（Kinglor-Metor）矿业和冶金公司，专门研究外热式竖炉煤基直接还原炼铁。并随后获得专利。1973年在意大利北部布特里奥（Buttrio）建立了中试厂，年生产能力为6500t。此法简称为KM法。

1981年。缅甸第三矿业公司1981～1983年先后引进两套意大利KM法装置。每套能力为年产2万t，近几年生产数据统计：吨铁矿耗1.58t、煤（干）耗510kg、燃油耗166kg、电耗74kW·h。平均日产52t，最高日产62.5t，利用系数为1.2～1.3t/m·d。

（1）原燃料适应性较广，对磁、赤、褐铁矿以及攀枝花钒钛磁铁矿都进行过试验，结果较好；还原剂采用过褐煤、烟煤和无烟煤；燃料可用各种煤气、天然气、石油液化气及燃料油；

（2）设备简单、操作容易；

（3）生产装置起点规模小，最小工业装置为年产2万_t，增加还原室个数，即可适当扩大生产能力；

（4）能量回收较好，生产中配置了废气显热回收和炉顶气回收两套节能装置，部分顶气可返回还原室强化还原反应，其余顶气可用作燃料以降低燃料消耗。 2100433B

1 概述

1．1 直接还原技术的现状及发展

1．1．1 世界直接还原技术的现状及发展

1．1．2 我国直接还原技术的现状及发展

1．2 典型的气基竖炉直接还原工艺

1．2．1 MIDREX工艺

1．2．2 HYL-Ⅲ工艺

2 气基竖炉直接还原机理

2．1 气基竖炉直接还原反应的热力学规律

2．1．1 铁氧化物的稳定性

2．1．2 还原气平衡组分

2．1．3 还原气热力学利用率分析

2．2 铁矿石球团气基直接还原动力学机理

2．2．1 还原过程组成环节

2．2．2 还原过程数学模型的选择

2．2．3 单界面未反应核模型

3 气基直接还原物料平衡及能量利用分析

3．1 直接还原竖炉物料平衡热平衡计算模型

3．1．1 工艺参数

3．1．2 还原气需求量计算

3．1．3 物料平衡及热平衡计算

3．2 物料平衡及热平衡计算结果对比分析

3．2．1 计算结果与MIDREX生产数据对比

3．2．2 H2/CO的影响

3．2．3 N2含量的影响

3．2．4 CH4含量的影响

3．2．5 还原气温度的影响

3．2．6 物料温度的影响

3．3 还原气利用率及最低能耗对比

4 气基竖炉直接还原实验研究

4．1 球团矿还原膨胀标准检测方法

4．2 还原膨胀实验方法

4．2．1 实验原料

4．2．2 实验设备

4．2．3 实验条件

4．2．4 实验方法及步骤

4．3 实验结果及讨论

4．3．1 动态模拟实验和ISO4698标准实验检测结果

4．3．2 恒温升温条件下还原结果

4．3．3 还原过程显微形貌变化

4．3．4 动力学分析

4．3．5 还原膨胀分析

5 气基直接还原竖炉炉型设计及仿真

5．1 气基直接还原竖炉

5．2 炉型参数及其确定方法

5．2．1 合理炉型的定义

5．2．2 竖炉炉型参数间的制约关系及影响因素

5．3 设计范例

5．4 还原段必要还原时间的确定

5．5 还原段物料传输模拟及其高度确定

5．5．1 颗粒离散元素法

5．5．2 仿真模型的建立

5．5．3 模拟结果及分析

5．5．4 还原段高度的确定

5．6 竖炉还原段内型曲线的确定

5．6．1 内型曲线的确定方法

5．6．2 实验结果的应用

5．6．3 内型曲线的拟合与确定

6 气基竖炉内流场数值模拟研究

6．1 气基直接还原竖炉内流场数学模型的建立

6．1．1 模型建立

6．1．2 基本假设

6．1．3 控制方程

6．2 气基竖炉流场分布的影响因素

6．2．1 炉顶压强对流场影响

6．2．2 炉顶气出口大小对流场影响

6．2．3 还原气通入量对流场的影响

6．2．4 还原气温度对流场的影响

6．2．5 支管数量对流场影响

6．3 气基直接还原竖炉内的流场优化

6．3．1 合理的气流分布

6．3．2 基于响应面多个因素对流场的影响分析

6．3．3 基于遗传算法气基竖炉流场优化

7 气基直接还原竖炉布料过程仿真分析

7．1 离散单元法

7．2 模型仿真

7．2．1 挡板布料器

7．2．2 溜槽布料器

7．3 结果与分析

7．3．1 布料器挡板角度

7．3．2 挡板布料器料线高度

7．3．3 挡板布料器颗粒质量比

7．3．4 溜槽布料器溜槽角度

7．3．5 溜槽布料器料线高度

7．3．6 溜槽布料器颗粒质量比

8 直接还原热送工艺流程及装备

8．1 保温输送设备概述

8．1．1 普通机械输送系统

8．1．2 气力输送系统

8．1．3 热输送系统

8．1．4 热送系统的工艺要求

8．2 输送斗物料输送系统

8．2．1 密封系统

8．2．2 设计目标和参数

8．2．3 物料输送斗的结构

8．2．4 系统总体输送参数

8．3 物料输送斗

8．3．1 物料输送斗的隔热层

8．3．2 料斗隔热层的仿真分析

8．3．3 硅酸铝板厚度

8．3．4 料斗保温试验

8．4 气体密封仓

8．4．1 密封仓内气体

8．4．2 氮气仓外罩材料

8．4．3 氮气仓外罩温度场

8．4．4 氮气仓外罩厚度

8．4．5 氮气仓内压强

8．5 输送系统中的密封

8．5．1 传输链与保温罩之间的密封设备

8．5．2 板簧密封原理

8．5．3 板簧压力

8．5．4 板簧温度场

8．5．5 中间仓的密封研究

8．6 高温保温螺旋输送机

8．6．1 结构组成

8．6．2 保温原理

参考文献

《气基竖炉直接还原技术及仿真》介绍了气基竖炉直接还原技术的基础理论、仿真分析及实验研究。内容涵盖了气基竖炉直接还原技术的国内外现状及发展趋势、直接还原机理、物料平衡分析、气基竖炉的炉型设计方法、气基竖炉内流场、布料过程的仿真模拟、物料热送工艺及装备等方面的知识，内容力求科学性与通俗性相结合，由浅入深，循序渐进。

《气基竖炉直接还原技术及仿真》可作为高等院校冶金机械、烧结球团等相关专业的本科生、研究生的教材或参考书；也可供广大冶金设计研究院、烧结球团行业的技术人员、DRI竖炉生产企业的从业人员参考。