.1640 工程科学学报.第43卷，第12期 (b) Venturi (a) Lump ore/pellet ore/flux Coal/ore/Steam boiler Bag filter scrubber Coal char Top gas Washing tower Coal Shaft Pre-heating CO,adsorber bunker furnace Reducing gas Oxygen enriched Recycle CFB hot air blast Screw feeder erubber ciclone Off gas Ore/ Melting Cold gas char/additive gasmer Coal Metal Dust 02- Coa Gasifier ore Gas heater Oxygen (c) H,0 Top gas heat (d) removal recuperator Process gas Charge receiving compressor Iron ore hopper /Cooling Gas off-take Fired CO,removal heater R system reactor Shaft Charge preheating NG syngas Coke bed reformed gas COG Humidifier Melting Superheating DRP tail gas Hearth Carbon pick-up Fuel Iron/slag separator DRI 图8常见炼铁新技术工艺流程图.(a)Corex工艺：(b)HIsmelt工艺：(c)气基直接还原工艺；(d)Oxycup工艺 Fig.8 Process flow charts of common new ironmaking technology:(a)Corex process;(b)HIsmelt process;(c)gas-based direct reduction process; (d)Oxycup process 还原⑧是在低于铁刊矿石熔点的温度下，采用还原 8炼铁反应过程微观模拟 气体将铁氧化物还原成高品位金属铁的方法2-8)， 81冶金熔体微观结构和性能表征 由于直接还原铁脱氧过程中形成许多微孔，在显 在微观模拟方法未被应用到炼铁领域之前， 微镜下观看状似海绵，又称为海绵铁.目前，气基 由于冶金熔体高温的特点，前人对其微观结构的 直接还原炼铁已形成工业化应用，规模最大的 研究主要集中在冷却后的微观形貌，无法对高温 Midrex工艺年产海绵铁达到4500万吨，采用的还 形貌进行深人分析.分子动力学模拟的方法解决 原气体为含H2和C0的富氢混合气体，因此，气基 了高温物相表征的困难.目前，针对熔渣中典型成 直接还原是一种基于氢冶金的炼铁技术 分的变化规律，张建良教授团队已经对CaO、 图8(d)所示为Oxycup工艺图.Li等刷和王 Mg0、SiO2、Al,O3、Fe0、MnO、B,O3等组元对高 桂林等通过对典型OxyCup(或OxiCup)加热炉 炉炉渣微观形貌进行了研究.如图9(a)所示，对比 工艺的物料平衡和热平衡计算，首次得到了物料 分析了酸性氧化物和碱性氧化物在炉渣中的作 流动和热流图.分析了Oxycup工艺的主要燃料一 用差异.CaO、MgO、MnO、FeO、Na2O作为网络编 焦炭和碳尘的性能，结果表明：焦炭主要作为炉料 辑单元s90,在炉渣中会解聚炉渣的微观网络，进 柱骨架和放热剂，还原能力较弱：而碳粉则混合在 而造成炉渣微观聚合度降低，从而导致炉渣流动 碳砖中以减少氧化铁.另外，将OxyCup工艺与传 性变差；反观A12O3、B2O3等两性氧化物在炉渣中 统高炉工艺进行对比，发现OxyCup工艺的还原和 随着含量的变化存在明显的转折点1-91B2O3由 熔化过程相对孤立，而传统高炉工艺的还原和熔 酸性转变为碱性的转折点要明显低于A,O3.与 化过程在高温区相互混合， 此同时，利用分子动力学模拟的方法探究了高温还原[81] 是在低于铁矿石熔点的温度下，采用还原 气体将铁氧化物还原成高品位金属铁的方法[82−83] ， 由于直接还原铁脱氧过程中形成许多微孔，在显 微镜下观看状似海绵，又称为海绵铁. 目前，气基 直接还原炼铁已形成工业化应用 ，规模最大的 Midrex 工艺年产海绵铁达到 4500 万吨，采用的还 原气体为含 H2 和 CO 的富氢混合气体，因此，气基 直接还原是一种基于氢冶金的炼铁技术. 图 8（d）所示为 Oxycup 工艺图. Li 等[84] 和王 桂林等[85] 通过对典型 OxyCup(或 OxiCup) 加热炉 工艺的物料平衡和热平衡计算，首次得到了物料 流动和热流图. 分析了 Oxycup 工艺的主要燃料—— 焦炭和碳尘的性能，结果表明：焦炭主要作为炉料 柱骨架和放热剂，还原能力较弱；而碳粉则混合在 碳砖中以减少氧化铁. 另外，将 OxyCup 工艺与传 统高炉工艺进行对比，发现 OxyCup 工艺的还原和 熔化过程相对孤立，而传统高炉工艺的还原和熔 化过程在高温区相互混合. 8    炼铁反应过程微观模拟 8.1    冶金熔体微观结构和性能表征 在微观模拟方法未被应用到炼铁领域之前， 由于冶金熔体高温的特点，前人对其微观结构的 研究主要集中在冷却后的微观形貌，无法对高温 形貌进行深入分析. 分子动力学模拟的方法解决 了高温物相表征的困难. 目前，针对熔渣中典型成 分的变化规律 ，张建良教授团队已经 对 CaO、 MgO、SiO2、Al2O3、FeO、MnO、B2O3 等组元对高 炉炉渣微观形貌进行了研究. 如图 9(a) 所示，对比 分析了酸性氧化物和碱性氧化物在炉渣中的作 用差异. CaO、MgO、MnO、FeO、Na2O 作为网络编 辑单元[86−90] ，在炉渣中会解聚炉渣的微观网络，进 而造成炉渣微观聚合度降低，从而导致炉渣流动 性变差；反观 Al2O3、B2O3 等两性氧化物在炉渣中 随着含量的变化存在明显的转折点[91−93] ，B2O3 由 酸性转变为碱性的转折点要明显低于 Al2O3 . 与 此同时，利用分子动力学模拟的方法探究了高温 Coal/ore/ char Steam boiler Pre-heating CFB Off gas Oxygen enriched hot air blast CO2 adsorber Bag filter Venturi scrubber Recycle ciclone Ore/ char/additive Coal O2 Gasifier Coal and ore Metal Gas heater (b) Coal Coal bunker Screw feeder Melting gasifier Oxygen Dust Cold gas Cyclone scrubber Reducing gas Shaft furnace (a) Lump ore/pellet ore/flux Top gas Washing tower Charge receiving hopper Gas off-take Shaft Coke bed Iron/slag separator Carbon pick-up Superheating Melting Charge preheating Hearth (d) Process gas compressor CO2 removal system Cooling NG syngas reformed gas COG Humidifier DRP tail gas Fired heater Iron ore DR reactor H2O removal Top gas heat recuperator Fuel O2 DRI (c) 图 8    常见炼铁新技术工艺流程图. （a）Corex 工艺；（b）HIsmelt 工艺；（c）气基直接还原工艺；（d）Oxycup 工艺 Fig.8     Process  flow  charts  of  common  new  ironmaking  technology:  (a)  Corex  process;  (b)  HIsmelt  process;  (c)  gas-based  direct  reduction  process; (d) Oxycup process · 1640 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期