本发明属于直接还原法冶炼铁水领域。主要适用于用铁矿粉和煤粉直接冶炼铁水。 熔融还原作为冶金领域的一项重大新工艺，其主要特点是可用非焦煤作为一次能源和还原剂，而且是将氧化铁在熔融状态下还原，具有以煤代焦，流程短，显著改善环境污染，降低基建投资和生产成本等优点。它是未来炼铁工业发展的方向，也是目前各国钢铁工业竞相研究开发的重要领域。
在现有的熔融还原冶炼铁水的方法中，主要的有COREX法（ZL87108012）、DIOS法（CN1035136A）、HISMELT法（CN1037542A）。其中COREX法已初步形成一定规模的生产能力，其它两种仍处于试验阶段。COREX法的主要特征是以氧化球团或块矿作为原料，采用预还原和终还原二步法;预还原在MIDREX式竖炉（US3764123）中进行，终还原在熔融气化炉中完成。COREX法虽然取得了突破性的成功，但仍存在一些缺点，如生产率低，煤耗氧耗高，投资大，设备复杂等。与现有先进的高炉相比，仍缺乏竞争力。
申请号为93114553.8的中国专利申请提供了一种含碳球团-铁浴熔融还原炼铁方法。它的特点是以冷固结含碳球团为原料，其方法上，采用预还原-铁浴熔融还原二步法和铁浴熔融还原一步法两种。采用二步法时，预还原温度为850～1250℃，终还原温度为1400～1550℃;预还原在预还原炉中进行，终还原在卧式或立式铁浴炉中进行。该专利申请虽然提出了用冷固结含碳球团为原料的熔融还原的炼铁方法，但没有提出预还原的具体装置和能够具体实施的工艺参数，在预还原和终还原之间没有气体和预还原球团的缓冲设备和方法，一旦某一环节出现问题，将会影响整个过程的顺利进行，同时也无法调节，各环节协调较困难，给实施带来一定的困难。
本发明的目的在于提供一种投资小、成本低、生产率高，易于调节和实施的熔融还原炼铁方法及其装置。
根据上述目的，本发明采用了以下主要技术方案：以冷固结含碳球团为原料，用非焦煤作为燃料和还原剂;熔融还原采用预还原和终还原二步法;预还原在分带的竖炉中进行，终还原在密封有压力的立式铁浴炉中进行。
本发明所述的熔融还原炼铁装置如附图1所示，即附图1为本发明熔融还原炼铁装置的结构示意图。
图1中，1为原料仑，2为布料器，3为竖炉，在竖炉3中，3-1为干燥带，3-2为预热带，3-3为还原带，3-4为均热带，4为对辊排料机，5为中间仑，6为螺旋给料器，7为立式密闭铁浴炉，8为出渣口，9为出铁口，10为氧枪，11为煤仑，12为石灰石喷枪，13为终还原煤气输出管，14为高温除尘器，15为竖炉燃烧室，16为助燃空气管路，17为预还原废气输送管，18为旋风除尘器，19为竖炉煤气入口，20为渣，21为铁水。
预还原竖炉3和立式铁浴炉7之间有一中间仑5，中间仑5地上部通过对辊排料机4与竖炉3相接，下部通过螺旋给料机6与立式密闭铁浴炉相连。竖炉的横断面为矩形，竖炉上部干燥带3-1、预热带3-2和还原带3-3的尺寸略小于下部尺寸，炉身角α1为10～14°均热带3-4也称均热室，其上部尺寸略大于下部尺寸，倾角α2为8～10°，竖炉燃烧室15紧邻还原带3-3，竖炉煤气入口19与水平面的夹角α3为30～45°;水冷对辊排料机4的每个辊上有沟槽和狼牙齿，终还原反应器7为一立式密闭铁浴炉。
本发明熔融还原炼铁方法如下：
1、以冷固结含碳球团为原料，用非焦煤作为燃料和还原剂。
冷固结含碳球团的成分（重量%）为：铁精矿粉80.5～85%，煤粉12～17%，粘结剂1～3%。
冷固结含碳球团的配碳量（重量%）为6～20%。
冷固结含碳球团用对辊球压机压制而成。压制的生球可直接入炉或经烘干后入炉使用。
2、预还原
冷固结含碳球团的预还原在竖炉3中进行。该竖炉从上至下分成四个区（带）：干燥带3-1、预热带3-2、还原带3-3和均热带3-4。冷固结含碳球团在竖炉3中的预还原过程实际上是含碳球团与热煤气的逆流热交换过程。冷固结含碳球团在竖炉3中由上向下运行，热煤气通过煤气入口19进入竖炉3，并由下往往上运行。现将冷固结含碳球团在竖炉3中的预还原过程分述如下：
[1]含碳球团在干燥带
冷固结含碳球团由原料仑1经竖炉3入口处的布料器2均匀地分布在竖炉3的干燥带3-1。由于热煤气上升带来的热量，干燥带3-1的温度范围为室温～300℃，使含碳球团的残余水份被蒸发，达到干燥目的。
[2]含碳球团经干燥带3-1干燥后进入预热带3-2，球团从300℃左右被加热至1150℃，即预热带3-2的温度范围为300～1150℃。在这一过程中，将发生高价铁氧化物被煤气中CO和H2还原成低价铁氧化物的反应，与此同时，球团中的煤发生分解反应，一部分碳的直接还原反应及铁橄榄石的生成反应。上述反应式如下：
[3]含碳球团进入还原带3-3
还原带3-3的温度范围为1150～1250℃。在还原带主要发生低价铁氧化物被球团中的C直接还原为金属铁的反应。即：
在这区域，金属化率可达到70%。
[4]球团进入均热带
球团进入均热带3-4，还原球团的温度为1250℃～1000℃以下，FeO继续被碳还原为金属铁。球团在整个预还原过程中，其金属化率可达80%，即球团在竖炉3出口处的金属化率可达80%。
预还原过程所需的煤气由终还原反应器7中发生的氧煤燃烧、氧化物还原及煤的分解等产生的气体提供。终还原产生的煤气经煤气输出管13进入高温除尘器14，经高温除尘后进入竖炉燃烧室15，利用由助燃空气管路16输入燃烧室15的空气进行助燃。终还原反应器7输出的煤气温度达1600～1700℃，高于预还原所需温度，为此，利用温度较低的预还原竖炉3顶部输出的预还原废气经旋风除尘器18除尘后输入燃烧室15中，调节煤气温度，使进入预还原竖炉3中的煤气温度保持在1100～1300℃范围内。同时，在燃烧室15内，还可以通过改变煤气的燃烧程度，来调节进入预还原竖炉3中的预还原气体的温度和成分，使预还原操作稳定，并能保证满足预还原过程的热量平衡所需的热量。
预还原时竖炉各带（区）的温度是通过进入竖炉的煤气成分、温度和流量而加以控制的。
3、终还原
球团的终还原在立式密闭铁浴炉7中进行。
在预还原竖炉3的出口处，已预还原的球团经对辊排料机4排入中间仑5中，再用高温螺旋给料器6将球团加入立式密闭铁浴炉7中。已被预还原的球团在立式密闭铁浴炉7内的下降过程中，由于球团内部还有3～5%的残存碳，故不会被氧化。而且球团进入终还原立式密闭铁浴炉后还会继续发生自还原反应，达到更高的金属化率;减少炉渣的氧化性。
在立式密闭铁浴炉7内主要进行终还原、熔化、渗碳及渣铁分离等反应。其反应式如下：
终还原温度为1500～1700℃，终还原熔化过程中所需的还原剂和热量，除球团中的残存碳外，主要由加入立式密闭铁浴炉7中的煤供给。煤粉或煤块由煤仑11输入。终还原过程中通过氧枪10，向立式铁浴炉7内吹入氧气或空气，降低能耗。由于氧气或空气的输入，将产生二次燃烧，二次燃烧产生的热量经渣层传入熔池，也可以通过石灰石喷枪12输入的石灰石作为热载体将热量带入熔池，二次燃烧效率可达到80%以上。加入石灰石的目的，是为了控制渣的碱度在1.1～1.2范围内。终还原时，炉内压力为0.5～1.5Kg/cm2。
本发明在整个工艺过程中所产生的煤气除满足本发明工艺要求外，剩余部分还可供其它用途使用。
在终还原过程中，由终还原煤气输出管13输出的煤气温度为1600～1700℃。
在终还原过程中，还需控制如下参数：
煤的二次燃烧率为5～20%，由煤仓加入的煤粒度为3-25mm，煤粉可由石灰石喷枪12或氧枪10喷入铁浴中，铁水温度为1450～1500℃。竖炉输出煤气温度为200～300℃。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
[1]由于铁矿粉和煤粉比表面积大，在球团内部分布均匀，接触条件好，传热、传质速度快，反应速度高。可以利用高温低质煤气实现快速自还原。因此，有很高的生产率（大约可达6-10t/m3.d）。
[2]由于预还原球团内部有一定的残碳量，在进入终还原反应器时具有一定的抗氧化能力，并能继续进行自还原反应，提高球团金属化率，降低炉渣氧化性，可延长炉衬寿命。
[3]终还原时二次燃烧率不高，可获得较高的热效率，操作控制容易。
[4]由于球团的预还原度较高，渣中FeO含量少，炉衬侵蚀速度慢，生产成本低，设备作业率高。
[5]预还原竖炉两侧各有一燃烧室，可以通过控制煤气的燃烧程度，来调节预还原气体的温度和成份，使预还原操作稳定，并保证满足预还原过程的热量平衡需要的热量。
[6]由于预还原的排料装置的特殊结构，可以消除预还原发生粘结对操作顺行的不良影响。
[7]投资少、成本低、设备简单、生产率高、适应性广、灵活性强。
[8]有一定数量的热值剩余煤气输出，可供车间煤气平衡使用。
实施例
采用本发明所述的熔融还原炼铁方法和装置，进行了3次利用铁矿粉和煤粉直接冶炼铁水的试验。所采用的冷固结含碳球团的成分配比如表1所示，所用煤粉的成分如表2所示。
预还原在小型竖炉中进行。首先将用煤气发生炉制备的煤气（CO 87%，H213%）通入竖炉燃烧室，并通入助燃空气燃烧，并用冷煤气调节其煤气成分和温度，然后引入竖炉中。冷固结含碳球团从竖炉炉顶加入。球团与热煤气在竖炉中形成逆流。球团自上而下，经历四个带（区），各个带的温度如表3所示。
终还原在100Kg感应炉中进行。首先将一定量的生铁熔化，形成铁浴熔池，然后断电。接着开始向熔池吹氧和喷吹煤粉、石灰石，形成一定渣后连续向炉内加入经预还原的球团，并开始测定加入的球团量、喷吹氧气量、煤气量和石灰石量。每隔十分钟由渣口放一次渣，每出两次渣后出一次铁，连续进行终还原。终还原温度列入表3，试验的吨铁消耗和指标如表4所示。最终各试验所得铁水成分如表5所示。