在日本，鋼鐵業(yè)的CO2排放量約占日本全國的13%，其中，70%以上的CO2由煉鐵工序排出。也就是說，由煉鐵工序排出的CO2占日本全國CO2排放量的9%，其減排CO2的壓力日益增加。與此同時(shí)，鋼鐵產(chǎn)能的大量增加也對環(huán)境資源提出了更高的要求。因此，利用還原鐵的鋼鐵生產(chǎn)工藝逐步受到重視。
全球鋼產(chǎn)量由1970年的約6億噸快速增長到2013年的16.07億噸，且其中約70%是由高爐-轉(zhuǎn)爐法生產(chǎn)的，電爐鋼占比約為30%。隨著社會(huì)鋼鐵蓄積量的增加，廢鋼供應(yīng)量也隨之增加，電爐鋼今后將呈現(xiàn)上升的趨勢。日本的社會(huì)鋼鐵蓄積量由1970年的3.6億噸擴(kuò)大到2010年的13億噸，廢鋼年發(fā)生量超過了5000萬噸，出現(xiàn)了所謂的“城市礦山”。同時(shí)，北美頁巖氣的快速發(fā)展使天然氣價(jià)格下降，工業(yè)電價(jià)也由2011年的7美分/千瓦時(shí)進(jìn)一步降低?；谝陨夏茉磧r(jià)格的變化，預(yù)計(jì)北美電爐鋼的占比將會(huì)擴(kuò)大，還原鐵的應(yīng)用也會(huì)更加廣泛。
還原鐵生產(chǎn)因“料”制宜
直接還原（DR）工藝不需要高爐那樣的大量投資且不使用焦炭，因此以盛產(chǎn)天然氣的發(fā)展中國家為中心，作為電爐煉鋼鐵源的還原鐵設(shè)備和工廠在不斷建設(shè)中。特別是在中東地區(qū)，由于廢鋼發(fā)生量少，以還原鐵為原料的電爐煉鋼發(fā)展迅速。還原鐵的產(chǎn)量從1970年到2011年的41年間增長了近百倍，具體發(fā)展見表1。
近年來，發(fā)達(dá)國家對還原鐵的需求量也在不斷上升。到2011年，海上還原鐵的運(yùn)輸量超過了1400萬噸。
DR工藝以使用不同的還原劑分為天然氣型和煤炭型兩大類。2011年直接還原鐵的產(chǎn)量為7332萬噸，其中還原劑用天然氣的MidRex法占60.5%，以煤炭為還原劑的占23.6%，焦?fàn)t煤氣（HYL）占15.2%，其他占0.7%。
以天然氣為還原劑的DR工藝。MidRex法將天然氣和空氣混合后送入裝有塊狀鐵礦的豎爐中，還原為DRI（直接還原鐵）后從爐下部排出。但是，MidRex工藝的建設(shè)受天然氣資源的制約?，F(xiàn)在，以COREX尾氣和煤生氣為還原劑的方式正在試行中，具體情況如表2。
2009年末，印度京德勒鋼鐵電力公司定制了180萬噸/年的還原鐵設(shè)備，采用由煤生氣設(shè)備和MidRex設(shè)備組成的MXCOL流程，利用煤生氣設(shè)備生產(chǎn)的合成氣作為還原劑。該方法由于可以利用印度豐富的煤炭生產(chǎn)還原鐵而受到人們的關(guān)注。
以煤炭為直接還原劑的DR工藝。用煤炭直接還原煉鐵的回轉(zhuǎn)窯法很早就在使用，但由于規(guī)模小、停工時(shí)間長（回轉(zhuǎn)窯壁粘堆）以及只能用外礦和球團(tuán)礦等原因，之前只在印度等特殊地區(qū)應(yīng)用。
20世紀(jì)90年代以后，將煤混入球團(tuán)礦內(nèi)的還原法受到人們的關(guān)注，這是因?yàn)檠趸F和煤炭混在一起可實(shí)現(xiàn)還原反應(yīng)的低溫高速化。為了彌補(bǔ)含碳球團(tuán)礦的強(qiáng)度不足，人們采取了靜置還原的轉(zhuǎn)底爐FASTMET工藝。該工藝作為可以利用廉價(jià)煤炭的DR工藝而受到重視。同時(shí)，該工藝可回收利用高鋅含鐵粉塵和酸洗塵泥等廢物。因此，該工藝在產(chǎn)出直接還原球團(tuán)的同時(shí)，還可回收氧化鋅。該工藝在日本的產(chǎn)能為134.4萬噸/年，中國為50萬噸/年。日本和中國FASTMET工藝商業(yè)裝置的應(yīng)用情況見表3。
由該工藝派生的ITMK-3法可將由轉(zhuǎn)底爐產(chǎn)出的直接還原球團(tuán)經(jīng)磁選機(jī)將渣、鐵分離后，使其成分與高爐產(chǎn)生鐵的成分相同。而FASTMET工藝除了將熱狀態(tài)下的DRI直供電爐冶煉外，也可以經(jīng)冷壓加工為HBI（熱壓鐵塊）供外運(yùn)。
由于上述以煤代替天然氣作為還原劑的新工藝不斷開發(fā)成功，DR工藝得以不受氣源供應(yīng)的限制而廣泛應(yīng)用，并且與廢鋼組合使用使電爐法在各地生產(chǎn)高級別鋼材。
還原鐵有望在鋼廠“大展拳腳”
高爐-轉(zhuǎn)爐法對還原鐵的利用也正在發(fā)展中，如新日鐵住金君津廠的30萬噸/年的還原鐵設(shè)備所產(chǎn)的還原球團(tuán)就全部作為高爐原料，并起到了代替燒結(jié)礦、降低焦比和減排CO2的作用。與此同時(shí)，對以鐵礦石為原料的HBI則因裝爐困難致使其應(yīng)用受到限制。如美國利用率最高的AK鋼鐵也僅為20%左右。
近年來，高爐利用低品位還原鐵的試驗(yàn)也在進(jìn)行中。如LKAB（瑞典國有鐵礦石公司）的試驗(yàn)高爐用金屬化率60%～70%的還原鐵，按裝入率50%和100%進(jìn)行了8天連續(xù)試驗(yàn)。結(jié)果表明，在焦比降低55%的同時(shí)，高爐利用系數(shù)提高47%，其效果明顯。另外，在新日鐵住金君津廠高爐應(yīng)用中，1kg還原鐵可降低0.23kg/t的焦比，其節(jié)能減排效果使還原鐵在高爐中的利用范圍擴(kuò)大。還原鐵用于轉(zhuǎn)爐替代生鐵時(shí)，受其熔化能補(bǔ)充的限制，除新日鐵住金広畑廠在特定條件下使用外，其他鋼廠很少應(yīng)用。広畑廠由于高爐關(guān)停后利用外供的冷鐵源煉鋼，于是采取了吹氧噴煤煉鋼法，其利用熱態(tài)還原鐵替代冷鐵源的節(jié)能效果突出。這也是利用從各廠收集含鐵粉塵生產(chǎn)還原鐵的主要原因，也給轉(zhuǎn)爐的擴(kuò)大利用指明了方向。
鋼廠的焦?fàn)t煤氣中含有高濃度的H2和CH4等可燃燒氣體，可用于生產(chǎn)還原鐵。如果用氧化系統(tǒng)，這些可燃燒氣體便可以成為適用于MidRex工藝的合成氣，并通過豎爐生產(chǎn)還原鐵。研究報(bào)告表明，若還原鐵供高爐或轉(zhuǎn)爐應(yīng)用時(shí)，在減排30%CO2的同時(shí)可提高30%的生產(chǎn)效率。在高爐生鐵成本受高價(jià)鐵礦石和煉焦煤的影響下，低價(jià)產(chǎn)出的還原鐵有望擴(kuò)大其在聯(lián)合鋼廠中的應(yīng)用。
還原鐵與電爐是“好搭檔”
以廢鋼為原料的循環(huán)型煉鋼法的電爐鋼噸鋼能耗僅為高爐-轉(zhuǎn)爐法的1/3。隨著廢鋼回收量的增加，電爐鋼在美國和歐洲的占比呈上升趨勢。在美國，2002年電爐鋼的占比超過50%，2010年已經(jīng)達(dá)到61%。同時(shí)，以廢鋼和還原鐵為原料的電爐，可以生產(chǎn)高等級鋼材。
通常，廢鋼中多含有Cu、Zn等雜質(zhì)，其含量的增加使鋼材的質(zhì)量受到影響。此類雜質(zhì)通過鋼水凈化難以除去，因此日本的電爐鋼廠主要生產(chǎn)質(zhì)量要求不高的建材等產(chǎn)品。這使得選用廢鋼，同時(shí)為控制雜質(zhì)含量配入“潔凈”的生鐵或還原鐵的生產(chǎn)模式受到了重視。在美國，電爐主要用還原鐵作為稀釋材，所生產(chǎn)的各種鋼材占比均高于轉(zhuǎn)爐鋼，具體對比如表4。
將使用100%廢鋼電爐的耗能量、CO2排放量與高爐-轉(zhuǎn)爐法對比時(shí)，兩項(xiàng)指標(biāo)均僅為高爐-轉(zhuǎn)爐法的1/4。因此，該方法對減少CO2排放十分有利，通過加入還原鐵使用電爐生產(chǎn)低碳汽車鋼板具有良好的前景。
還原鐵技術(shù)發(fā)展路在何方
電爐鋼將快速發(fā)展。根據(jù)今后全球廢鋼需求的預(yù)測顯示，到2050年廢鋼回收量將達(dá)到14億噸，而鋼材對資源的需求量為18億噸，剩下的4億噸仍需要憑借其他方式解決，具體預(yù)測結(jié)果見表5。為解決資源不足的問題，需要借用鐵礦石生產(chǎn)生鐵，這一數(shù)字在2020年達(dá)到15.6億噸的頂峰后逐漸緩慢下降到2050年的4億噸水平。即2020年以后，使用廢鋼等為原料的電爐煉鋼或?qū)⒊蔀殇撹F生產(chǎn)的主流方向而發(fā)揮作用。為保證今后電爐鋼的可持續(xù)發(fā)展，從防止廢鋼的劣質(zhì)化出發(fā)，應(yīng)當(dāng)重視對還原鐵的穩(wěn)定供應(yīng)。
隨著還原爐的大型化（250萬噸/座年）和美國頁巖氣革命帶來的電力和天然氣低價(jià)化，應(yīng)用氣基還原爐代替高爐的聯(lián)合鋼鐵廠已經(jīng)開始出現(xiàn)。在同等規(guī)模下，它的CO2排放量僅為高爐法的1/3，投資額也僅為高爐法的1/2。對于一般電爐在生產(chǎn)高級鋼材、使用65%～70%的潔凈鐵源時(shí)，還原鐵中含有的碳還有利于解決電爐特有的含N2的問題。因此，在廢鋼回收量增加、美國天然氣價(jià)格下降的情況下，環(huán)境負(fù)荷小的還原鐵鋼鐵生產(chǎn)工藝將不斷發(fā)展，有望使還原鐵從電爐法的稀釋劑轉(zhuǎn)為鋼鐵生產(chǎn)的重要鐵源。
應(yīng)對資源問題。現(xiàn)在高爐法面臨著嚴(yán)峻的資源問題，對世界上資源豐富的條帶狀貧磁鐵礦（BIF）的利用，從某種意義上看是解決資源問題的有效措施。這種BIF母巖是澳大利亞、巴西等地高品位赤鐵礦的原巖，在世界各地貯量豐富。但是，由于用通常的選礦法產(chǎn)出的超細(xì)礦粉在高爐上應(yīng)用較難，雖然可以經(jīng)燒結(jié)成球團(tuán)后應(yīng)用，但投資較大且不適用于小礦山。如果將這種超微精礦粉摻入碳粉制成球團(tuán)，經(jīng)轉(zhuǎn)底爐加熱還原產(chǎn)出還原球團(tuán)，則可以供電爐、轉(zhuǎn)爐和高爐多方使用，還可以出口高附加值鐵源，這對供需雙方及緩解資源緊缺矛盾均有重大意義。（中國冶金報(bào)-中國鋼鐵新聞網(wǎng) 郭廷杰）
