由于炼焦煤资源日渐短缺，焦炉逐渐老化以及人们对焦炉污染日益关注，当前炼铁工艺正朝着少焦或无焦炼铁方向发展，而直接还原技术正适合这种发展方向，我国也越来越重视直接还原炼铁技术的发展。

“十四五”期间，我国氢基直接还原炼铁技术以工业示范为主，基于焦炉煤气的竖炉直接还原炼铁技术将趋于成熟，装备的国产化率将大幅度提升。截至2025年底，基于焦炉煤气的竖炉DRI实际产量已达约280万吨。

一、直接还原炼铁工艺

1.直接还原炼铁

1.1直接还原概述

直接还原炼铁是在软化温度以下，在铁矿石或含铁团块仍呈固态的条件下，进行还原而获得金属铁的方法。由于还原温度低，产品呈多孔、低密度海绵状结构，含碳低，未排除脉石杂质，故称为直接还原铁或海绵铁。当以氧化球团为原料生产时,产品仍呈球团状，但主要成分是金属铁，为了区分将之称为“金属化球团”。为了提高产品的抗氧化能力和便于运输，在生产过程中，将直接还原铁在热态下进行挤压成型，其产品称为热压块。

1.2直接还原铁的用途:

(1) 用作废钢替代品，是电炉炼钢的优质原料；

(2) 用作转炉炼钢的冷却剂；

(3) 质地纯净的直接还原铁用于铸铁和铸钢；

(4) 用作高炉炼铁原料,改善高炉操作指标。

2.直接还原技术现状

直接还原炼铁工艺分为气基直接还原和煤基直接还原。

2.1气基还原

以气体还原剂（H₂、CO为主）为核心，还原气体多由天然气、焦炉煤气等经重整制备，具有还原效率高、产品纯度高的特点，是全球直接还原铁的主流工艺（占比约70%）。

（1）气基竖炉法（主流工艺）

典型工艺：Midrex工艺（美国）、HYL工艺（墨西哥）

核心原理：

铁矿石（块矿、球团矿）从竖炉顶部装入，高温还原气（800-1000℃，含H₂+CO≥90%）从炉底逆向通入，通过以下反应还原铁氧化物：

3Fe₂O₃+H₂→2Fe₃O₄+H₂O（低温阶段）

Fe₃O₄+4H₂→3Fe+4H₂O（中温阶段）

FeO+H₂→Fe+H₂O（高温阶段，CO反应类似）

关键设备：

竖炉：分预热带、还原带、冷却带（还原后产品用惰性气体冷却至100℃以下）。

还原气制备系统：天然气经蒸汽重整（CH₄+H₂O→CO+3H₂）生成还原气。

工艺特点：

金属化率高（90%-95%），产品杂质低（S≤0.01%），适合高品质钢生产。

连续化生产，单炉产能大（Midrex工艺单炉日产可达5000吨）。

依赖天然气资源，成本受气价影响大（适合天然气丰富地区）。

2.2煤基还原

煤基直接还原以煤炭为还原剂，不依赖天然气与冶金焦，适配我国资源禀赋，当前工业化主流工艺为回转窑工艺、转底炉工艺、隧道窑工艺，其中回转窑占煤基 DRI 总产量 95% 以上，转底炉近年快速用于固废资源化与直接还原，隧道窑多用于小规模生产。

由于我国天然气严重缺乏，现阶段无法大量使用天然气发展冶金。目前最现实、最可靠的技术路径就是利用焦炉煤气来生产直接还原铁。这也是当前我国发展冶金最现实的途径。与此同时建杰也深耕行业、持续致力于煤基直接还原技术的研究攻关，依托粘合剂与冷固球团技术助力国内煤基直接还原产业化落地。

二、煤基直接还原炼铁工艺的分类

2.1回转窑工艺

目前，在全世界的煤基直接还原炼铁工艺中，回转窑流程约占煤基直接还原炼铁总产量的95％以上。

回转窑工艺有三种，分为一步法、二步法和冷固结球团法。

“一步法”是指把细磨铁精矿造球，在链篦机上经干燥、900℃预热，直接送入回转窑进行固结和还原，所有工序在一条流水线上连续完成。

“二步法”是将上述工艺过程分两步来完成，即先把铁精矿造球，经1300℃高温氧化焙烧，制成氧化球团；然后再将氧化球团送入回转窑进行还原；两个工艺可以分别在两地独立进行，故称“二步法”。

冷固结球团法是在磁铁矿精粉中加入少量特制的复合型粘合剂造球，在200℃左右干燥固结，然后送入回转窑进行还原，省去了高温焙烧氧化固结过程。回转窑法最著名的为SL-RN流程，是由SL流程和RN流程结合而成的。该流程于1954年开发完成，在1969年实现工业化，之后得到了较快的发展。

对于SL—RN工艺来说，它可以利用煤为还原剂，能够得到金属化率在93％左右的海绵铁，但是它也有很多问题．首先是它的结圈问题一直以来都困扰着SL—RN的发展。另外它的效率很低，还原速度过慢也会影响它的进一步发展，能耗高是它的另一问题：一次煤耗达1000kg／t海绵铁。

2.2转底炉技术

2.2.1Fastmet工艺

转底炉起源于环形加热炉，原用于轧钢钢坯的加热，近年来被移植用于钢铁厂粉尘的处理。进而演化成炼铁设施。转底炉可用于生产金属化球团矿，为钢铁公司处理粉尘。

Fastmet流程主体设备是转底炉。转底炉呈密封的圆盘状，炉底在运行中以垂线为轴作旋转运动。两侧炉壁上设有燃烧器为炉内提供所需热量。利用粉状还原剂和粘合剂与铁精矿混合均匀制成球团，经干燥后送入转底炉，均匀地铺放于旋转的炉底上。

随着炉底的旋转，含碳球团被加热到1250~1350℃，经过10~20min的还原得到海绵铁。海绵铁通过出料螺旋连续排出炉外，温度约为1000℃。根据需要，可将出炉后的海绵铁热压成块或使用圆筒冷却机冷却，也可热装入熔炼炉处理成铁水（Fastmet和熔炼联合被称为Fastmelt工艺）。

燃料（天然气、油、煤）和预热空气通过烧嘴进入炉内燃烧（包括还原气相产物CO的燃烧），产生还原所需的足够温度和热量。燃烧废气逆向流动。最后从加料口的排气口排出。经二次燃烧、热交换和洗涤除尘后从烟囱排出。

此方法可应用于以下方面：

(1) 用铁精粉生产DRI或HBI

将铁精粉与煤粉混合压球后加入转底炉，球团在炉内受控的还原气氛中被加热。当达到反应温度时，铁氧化物被还原为金属铁。反应所需的热能全部由煤提供。从转底炉出来的海绵铁带有较多显热，可采用热压块工艺加工为热压块铁，以便运输与存储。

该法生产的热压块铁TFe含量达92％．金属化率高达95％，C含量约4％，脉石含量约2.4％，S含量仅为0.04％，可见其品质纯净，脉石与硫等杂质含量很低，可作为优质废钢的理想替代品。而且与废钢相比，其质量均匀稳定，波动小，对于炼钢生产极为有利。

（2）回收电炉除尘灰与轧钢铁鳞

电炉除尘灰与轧钢铁鳞的特点是含有较多非铁金属的氧化物，如锌、铅、镉等，被环保部门定为有害物质。在干铁法工艺处理过程中，这些非铁氧化物将以气态逸出，并在后续的烟气处理装置中予以收集，此时这些非铁氧化物已转化为提炼有价值非铁金属的原料。

转底炉中ZnO的脱除率高于95％．生成的海绵铁金属化率高达91％。转底炉焙烧含锌粉尘时以气态逸出的非铁金属氧化物在尾气处理过程中，由布袋除尘器收集，其成分以ZnO为主，可作为提炼锌的原料使用。

（3）回收传统钢铁厂废弃物

传统钢铁厂废弃物包括转炉除尘灰、轧钢铁鳞、热轧污泥，连铸氧化铁皮及高炉粉尘与污泥。这些物质总体来说碳的含量很高，与电炉除尘灰相比，锌含量较低，而铅、镉等含量极少。由于原料中的铁与碳含量较高，在经过转底炉焙烧后，生成的海绵铁金属化率高于90％，其尾气收尘富含ZnO，可予以回收提炼，增加收入来源。

2.2.2 ITmk3法

ITmk3法是第三代炼铁技术。该技术基于Fastmet工艺，利用粉矿与煤粉制成含碳球团。然后把球团装入转底加热炉内，加热到1300～1500℃；球团被还原和熔融，使珠铁与渣分开，珠铁中不含杂质。冶炼过程仅用10分钟，即可生产出高纯珠铁供电炉使用。

ITmk3技术适用于多种类型的铁矿和煤种．可利用铁粉矿和低品位含铁原料（磁铁矿、赤铁矿或含铁粉尘）一步处理生产出直径10～20mm的优质珠铁，取消焦炉和烧结装置，使投资成本降低。

三、建杰粘合剂

转底炉直接还原工艺包括固废粉尘添加粘合剂压团、生团块干燥及干团块转底炉内还原、还原产品冷却等环节。生产中尘泥团块在干燥后落下强度差，粉化率高。为了提高成球率和团块强度，减少粉化率，通常需要添加粘合剂。

将少量的建杰粘合剂与除尘灰等钢厂固废料混匀后，粘合剂遇水通过浸润、渗透和干燥固结作用，产生高粘结力使固废颗粒紧紧粘结在一起，且粘合剂中含有抗氧化钙成分，可以与含锌除尘灰中含的氧化钙结合，使成型的球团能抵抗残存的氧化钙引起的龟裂、崩解、粉化现象。冷压后球团成型率高，并提供足够的湿球、干球强度，使球团能达到很高的抗冲击、抗压、耐磨强度，足以抵抗生产、转运、装卸过程中的破碎。

3.1产品介绍：

建杰转底炉含锌除尘灰专用粘合剂是以有机物为主料，加入增粘剂、增强剂、改性剂等原料，通过一系列工艺生产而成的复合粘合剂，具有含有高粘结力成分、抗氧化钙成分，具有加量少、粘结力强、成型率高、强度好等性能。

3.2应用范围：

适用于钢厂含锌除尘灰，如高炉干法除尘灰、烧结电场除尘灰等。

3.3产品特点：

(1) 专业性强：专用于钢厂含锌除尘灰，具有高粘性，球团成型率高，冷强度好，制备的球团耐高温，降低粉化率，能满足转底炉脱锌的要求。

(2) 使用方便：将粘合剂与含锌粉尘按比例混匀后，加水搅匀后冷压成型即可。

(3) 降成本：添加量小，粘结力强，冷压成型，工艺简单，设备投资少，降低生产成本。

(4) 使用效果好：每吨生产钢厂含锌除尘灰球团25-50吨，成型率98%，0.5米下落5次不碎，干后冷强度400N以上，无龟裂、崩解、粉化现象，球团返料率＜30%，粉化率＜25%。

参考文献：

[1] 庞建明,郭培民,赵沛.煤基直接还原炼铁技术分析[J].鞍钢技术,2011,(3):1-7.

[2] 周强．直接还原新技术[J]．烧结球团，1999，24(1)：24—28．

[3] 周渝生．煤基熔融还原炼铁新工艺发展动态评述[J]．世界钢铁，2005，5(1)：1-9．

[4] 陈茂熙．回转窑直接还原“一步法”与“二步法”丁艺述评[J]．炼铁．1991．10(4)：46—53．

[5] 徐可可.姜涛:利用焦炉煤气生产直接还原铁是我国现阶段最可行的氢冶金路径[N].中国冶金报,2023-11-14(002).DOI:10.28153/n.cnki.ncyjb.2023.002379.

Q&A问答一：直接还原铁技术是什么？

一、基本定义

直接还原铁（DRI，也称海绵铁）技术，是在低于铁矿石熔化温度（约800–1000℃）下，用气体或固体还原剂，将氧化铁直接还原成固态金属铁的炼铁方法；产品保留多孔结构，俗称海绵铁。

与传统“高炉炼铁→转炉炼钢”长流程不同：

传统：矿石→生铁（液态、高碳）→钢

直接还原：矿石→固态金属铁（DRI）→电弧炉炼钢

二、核心原理

在固态下，用H₂或CO夺取铁矿石（Fe₂O₃/Fe₃O₄）中的氧：

Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe（金属铁）

反应温度不熔化，铁保持固态，形成多孔海绵状结构，金属化率≥90%。

三、关键优势（对比高炉长流程）

(1) 低碳减排：气基DRI+电炉CO₂排放比高炉-转炉低50%–70%；氢基DRI可近零碳。

(2) 摆脱焦炭依赖：不用冶金焦，缓解炼焦煤短缺与焦化污染。

(3) 产品纯净：DRI低硫、低磷、低碳，适合优质钢/特种钢冶炼。

(4) 流程短、灵活：省去烧结、焦化、高炉，占地少、投资低、启停灵活。

四、典型应用场景

电炉炼钢主料：DRI+废钢入电弧炉，生产普钢/优钢/不锈钢。

特种钢原料：纯净DRI用于高端轴承钢、电工钢、军工钢。

固废资源化：煤基转底炉处理除尘灰、钢渣、赤泥等，回收金属铁。

绿色钢铁核心路径：“氢基DRI+零碳电炉”是碳中和下主流低碳方案。

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