一、概述
通常钢铁企业的炼铁系统由焦化、烧结、高炉工序组成，投资大、流程长、能耗高是其通病。特别是要用焦炭，全世界炼焦煤仅占煤总储量的10%左右，随累年高消耗已告匮缺。据联合国环保组织调查，传统的钢铁工业是严重的污染源，所排放的有害气体（CO2、CO、NOx、SO2）造成了使全球转暖、海洋扩大的温室效应。进入21世纪，国际上更严格的排放标准将出台，焦化的污染势必威胁高炉的生存!近年来人们致力于开发用烟煤或天然气作还原剂，不用焦炭和庞大的高炉，将铁矿石在固态还原成海绵铁（SpongeIron），这种炼铁方法称为直接还原，所得产品称为直接还原铁DRI（DirectReductionIron）。
二、直接还原发展概况
直接还原工业化试验起始于20世纪50年代，出现了不少工艺和方法，但成功的极少，处于徘徊状态，到60年代后天然气大量开采，1968年美国法成功，直接还原才得到迅速发展。1970年全球的产量只有80万t，到1999年，全球产量达到了3860万t，30年增长近50倍（如图1所示），这在冶金史上实属罕见。
图1 世界DRI近年产量
直接还原生产海绵铁发展的客观原因有：
1、世界多数国家严重缺乏焦煤，其中不少国家有优质丰富的铁矿以及天然气和烟煤资源，它们因地制宜地借助本国资源发展直接还原工厂，如委内瑞拉、印度尼西亚、墨西哥等国有丰富天然气及优质铁矿，主要发展气基竖炉，以1995年统计为准产量达2829万t/a，占直接还原铁总产量的92%。而南非印度新西兰有丰富的烟煤及优质铁矿石，直接还原以煤基回转窑法为主，虽然产量仅为246万t/a，但从近年发展趋势看，大规模的煤基回转窑法生产的直接还原厂正在纷纷建立，印度Goldstar公司建立了生产能力为22万t/a的直接还原厂，采用Corex法：南非Iscor公司建立了生产能力为723万t/a的直接还原厂，采用SLPRN法；新西兰厂建立了生产能力为90万t/a的直接还原厂，采用SLPRN法。
2、随着电炉短流程生产线的发展，电炉钢产量日益增长。1997年世界钢产量7.8亿t，氧气转炉钢占57%，电炉钢占30%，平炉钢占13%。近年世界制钢生产中连铸比迅速增长，已占72.7%，钢铁联合企业优质废钢减少，发展中国家由于废钢量不足，势必发展直接还原，发达国家涂层钢用量日增，使拆除返回中有害杂质急增，必须采用掺入30%～50%的海绵铁来稀释。
3、近十年来钢铁工业受到高分子材料及硅酸盐材料的挑战，世界钢产量有停滞不前的趋势，自1988年达到7.83亿t后，始终未有突破。但以质量性能及品种产品取胜的小型钢厂得到蓬勃发展。电炉钢选择原料，自然优先选择直接还原铁，如不锈钢厂首先选择低碳铁或煤基回转窑生产的低碳海绵铁作原料。为发展精品、提高附加值，直接还原低碳海绵铁用于直接生产电工纯铁、铁氧体及工业铁料。
4、发展中国家对钢铁需求量迅速增加，要求加快本国钢铁工业的发展。直接还原－电炉炼钢新流程，为资金和自然资源有限缺乏复杂技术基础的国家提供了可以代替传统高炉转炉工艺路线，发展立足于本地区丰富的天然气，非焦煤能源和铁矿资源的钢铁生产新流程。
5、直接还原技术与电炉、连铸技术组成的钢铁生产短流程可根据本国资金、能源和需求选择工艺，确立适宜的经济规模，建设周期短、投资省、生产灵活性大，便于按市场调整产品种类和数量。不仅对发展中国家有极大的吸引力，同时，发达国家为解决地区性钢材需求和品种调剂，也存在积极的发展钢铁短流程的小钢厂。
6、直接还原技术上的新突破，促使其发展。多年困绕回转窑的结圈问题及余热利用等问题有望在最近获得解决。竖炉废热处理技术的提高，对天然气硫含量要求更宽松。
三、DRI法主要指标及技术经济的优越性
从直接还原的发展看，无论从产量还是生产能力看，气体直接还原法均占主导地位，约90%；煤基直接还原法占10%左右（如图2所示）。气基直接还原法主要有：Midrex法、HYL法、Fior法；煤基直接还原法主要有：回转窑法（包括SLPRNI法、Krupp法、Corex法、DRC法、ACCAR法）、竖炉法，都已进入技术成熟、稳步发展的阶段。还有正在开发的煤基Inmetco法、Fastmet法和Comet法，气基Finmet法和碳化铁工艺等。
图2 不同方法生产DRI分布图（1997年）
由下表可知，采用煤基和气基炼钢在经济上具有以下优越性：1、钢中有害元素Sn、Sb、As、Bi含量大幅度降低，提高了钢材断裂韧性、热加工塑性、冷加工塑性。2、钢中S、P含量降低，提高钢材冲击韧性，降低脆性转变点温度。3、缩短电炉精炼期，提高Ni、Mo等有价元素收得率。4、降低钢中[H]及[N]含量。5、用DRI炼优质合金钢变形能力良好，适合于作深冲钢板。6、用煤基回转窑法生产DRI可不经冷却简直接热装电炉，可提高电炉生产率与降低吨钢电耗。
煤基DRI和气基DRI指标表
四、世界直接还原生产现状
从直接还原公司收集的数据来看，全球直接还原铁的产量比全球钢产量增长要快。这表明，直接还原铁已日益成为钢铁工业的一种重要原料。1999年，全球直接还原铁的总产量达到3860万t，比1998年增长4.4%。这表明全球直接还原铁的产量连续七年攀升。墨西哥本年度产量高达620万t，较1998年增长了50万t，连续两年居世界第一位。印度和委内瑞拉均与1998年持平，分别为520万t、510万t，稳居第二、三位。伊朗的产量也略有增加，为410万t（1998年为370万t）。1999年用Midrex法生产的直接还原铁占67%，自1987年以来，连续十三年超过60%；HYLIⅡ法占21%，其他方法占12%。同以前一样，气基技术仍占统治地位，占92%，煤基占8%。其中HBI占16%。图3所示为最近三年世界各地区的生产情况。1999年又有一批直接还原铁厂建成投产，其中使用Midrex模式的有南非的Saldanha钢铁公司和特立尼达的IspatDRI，Sol2danha公司的直接还原铁厂在世界上首次采用Corex尾气作还原剂，而IspatDRI是世界上最大的单一模式直接还原铁厂，其生产能力高达136万tPa。埃及亚历山大国家钢铁公司也在年底建成了一座Midrex厂。除Midrex法外，使用其他工艺的工厂也开始在俄罗斯、澳大利亚、沙特阿拉伯、特立尼达和美国投入生产。
图3 1997～1999年全球DRI生产地区分布
五、国内直接还原现状与发展
（一）我国发展直接还原的有利条件
1、随着调整钢铁产品结构，钢材质量优化，环保要求和电力供应的逐渐改善，电炉短流程工艺必然得到迅速发展。而我国废钢资源不多，优质废钢资源短缺，严重影响到高质量和多品种电炉钢的发展，因此有很大的直接还原铁潜在市场。
2、我国虽缺少可供直接还原用的富铁矿资源，但国内许多地区如吉林桦甸，辽宁本溪、辽阳客左，河北邯郸、迁安、山东鲁中，安徽、湖北等地区都可以获得铁品位67%～70%，S、P低，残余元素少，适合于生产高质量直接还原铁的优质铁精矿，且价格便宜。以细精矿为原料将是我国直接还原的特点。
3、资源调查表明，我国有丰富的天然气资源，但从能源储量和合理利用出发，还不能为冶金生产提供足够的天然气能源，即使在天然气供应充足的内地，供应优质铁矿石也成问题；外购铁矿石生产成本升高，对作为原料工业的直接还原产业来说，其经济合理性难以确立，因此发展气基直接还原的可能性较小。然而我国煤炭资源储量丰富，许多地区都有适合于直接还原用的非焦煤资源，因此立足国内，发展煤基直接还原有着十分重要的有利条件和重要意义。
（二）生产现状
近年来国内直接还原发展较快，1994年我国第一台直接还原回转窑在辽宁客左县建成投产1996年10月天津钢管公司直接还原厂建成投产，1997年底鲁中冶金矿山公司5万t/a煤基冷固结球团回转窑直接还原装置建成，1998年又有密云6.2万t/a一步法回转窑直接还原装置和吉林桦甸2.5万t/a两步法直接还原回转窑在建设；国内许多地区还建起一批直接还原隧道窑；还开发和建设了斜坡炉工艺、CRIMM工艺和旋转炉直接还原装置等。1997年已形成50万t/a直接还原铁生产能力，实际产量约10万t，已不再从国外进口直接还原铁。到目前为止，我国DRI生产已进入工业化生产，产能超过60万t/a，1998年实际产量已突破20万t。国内生产的直接还原铁也在许多电炉钢厂和机械制造厂得到广泛试用和推广，成功地冶炼出核电站用钢、石油管用钢、高压锅炉用钢、化工加氢反应器用钢、电机转子用钢等，替代了进口，取得了良好效果，也为今后直接还原开发和使用创造了条件和积累了试验。然而也应清楚看到，当前直接还原铁厂的生产和建设还存在一些问题，产品质量不稳定，原料、能耗偏高，生产率较低，劳动强度较大，环保水平低等。
（三）新工艺和新方法
鉴于我国缺乏可供直接还原用的廉价的天然气和富矿块资源，我国DRI生产除使用进口矿外，均是以高品位精矿粉为原料的煤基直接还原法。为了适应资源条件，我国DRI生产工艺多样化，且新工艺不断涌现。目前已实施工业化生产的方法有：倒焰窑罐式法、隧道窑罐式法、冷固结球团回转窑法、回转窑一步法（链篦机－回转窑法）、将传统的隧道窑及回转窑特点和优势结合起来的斜坡炉法（XSH－A法），以及使用块矿的回转窑法等。还有一批正在建厂或进行着开发研究的方法，如：自固结球团回转窑法（CRIMM法），回转窑两步法，转底炉法，改进转底炉法，连续炉法，以冶金厂尾气（CO2＋CO＋H2＋N2）为原料气的Fe3C法，自热式煤矿球团法，煤基流化床法，煤制气竖炉法，水煤浆制气竖炉法，含碳球团（压块法）等。
六、世界直接还原铁生产及市场前景
根据美国Midrex公司的最新预测，世界上直接还原铁的年产量到2005年将达到6000万t，到2010年达到7500万t，这些增长的主要动力为：①各国电弧炉炼钢规模的不断扩大；②电弧炉钢铁生产者对产品质量要求越来越高；③废钢的供给相对不足；④商业生铁供给的相对减少。该公司认为，DRI、HBI和商业生铁在电弧炉炼钢炉料中的比例将达到20%以上。
另根据DasturInternational.Inc的分析，到2002年，全球粗钢的年总产量将达到7.98亿t，与1997年的7.99亿t基本持平，到2005年，粗钢年产量预计可达8.39亿t，到2010年达8.82亿t。电炉钢所占比例也将在1997年33%的基础上有所增加，到2002年达38%，2005年达40%，2010年达到43%。而同期的氧气吹炼钢的比例将从1997年的58%下降到2010年的55%。在预测未来DRIPHBI的需求时，Dasturco考虑到了生铁作为金属化炉料将有所增长，可能由1997年的700万t到2010年上升到1300万t。同时，考虑可能得到的废钢量，DRIPHBI的需求将在2002年达到6200万t，到2005年达到8200万t，到2010年超过1亿t。而1997年，全球DRIPHBI的消耗量仅为3600万t。
目前，全球DRIPHBI的生产能力约为4600万tPa，另外约有1600万tPa的生产能力的厂家正在筹建或酝酿之中。因此未来几年里，DRIPHBI的生产能力将在2002年达到5800万t，到2005年达到6200万tPa。不足的直接还原铁产量将在2002年达到400万t，到2005年达到2000万t，2010年达到4000万t。这些较大的亏空产量将可能从生产潜力较大的亚洲、其次是美国和欧洲得到补充。
参考文献
1 赵庆杰等. 直接还原回转窑技术. 北京:机械工业出版社,1990
2 李正邦. 钢铁冶金前沿技术. 北京:冶金工业出版社,1997
3 史占彪等. 加快我国直接还原发展. 全国直接还原铁生产及应用学术交流会论文集,1999
4 李永全. 国外海绵铁生产和研究现状. 钢铁世界,1996 , (4) :82
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