钢铁知识钢铁知识钢铁以含碳球团为原料的炼铁工艺

1、以含碳球团为原料的炼铁工艺1含碳球团的左义含碳球团实际就是矿粉和含碳物质的混合物，矿粉包括赤铁矿、磁铁矿、含铁的钢铁厂废弃物等，含碳物质包括焦粉、 煤粉、木炭等，一般需添加少量粘结剂。根据原料和工艺条件，含碳球团的组成、形状、碳含量和物理性能可以在较宽范 用内变化。无论是从工艺优化的观点，还是从肖能、资源回收利用和环境保护的角度出发，含碳球团的优势正在得到更充 分地认识和理解。2含碳球团还原机理自还原性：含礦球团是个自还原机构，是个多孔复合体。只要有足够的热呈，还原反应、溶损反应完全可以在其内部 有效进行。原位性：高炉溶损反应在焦炭表而完成，产生的CO还原气体经长距离扩散到铁矿石表面后进行间接

2、还原反应。而含碳 球团中的溶损反应和间接还原反应可视为在原位发生的反应，无需扩散，由于动力学条件优越（反应比表面积大），反应 速度快。封闭性：由于含碳球团的自还原特征，还原气体在球团内部产生，形成较大的内压，阻碍了外界气体的进入，因此对 气氛的控制要求低，即便是氧化性气氛下含碳球团的内还原仍然可以进行。仅当还原末期时，由于产生的还原性气体数疑 急剧减小，此时需要对外界气氛进行适当控制，防止球团的再氧化。3以含碳球团为原料的炼铁工艺3.1以转底炉为反应器的炼铁工艺转底炉由旋转的环形炉缸构成，以含碳球团为原料，均匀地铺于炉缸上，根据球团大小可铺一到二层，厚度2025mm。 燃烧器位于炉缸上方提供含

3、碳球团还原所需的热量，燃料使用天然气、燃油、废汕、粉煤或者其它燃气。维持工艺进行所 需热量大部分来自于还原剂中挥发份的燃烧和还原反应生成的CO的燃烧。转底炉（简称RHF）薄料层操作，生产能力较低，但是转底炉以煤代焦、无需饶结、反应快速、工艺简单、操作灵活等 优点使转底炉炼铁工艺成为近年来研究开发的一个热点，并以转底炉为基础衍生岀多种工艺路线。3. 1. 1 FASTMETFASTMELTITmk3FASTMET最初用于含碳磁铁精粉球团的宜接还原，在美国的一个约1. 7t/h试验厂试验成功，金属化率50%70亂20 世纪90年代，随着RHF煤基工艺的研究开发再度兴起，对产品质量、生产率、工艺效率

4、和工艺灵活性方而进行了改进，证 明了该工艺的经济性良好。因为该工艺还原和获得髙金属化率所需时间很短，所以命名为FASTMET。该工艺主要用于处理钢 铁厂废弃物如高炉灰泥、转炉灰、电炉布袋灰等，可回收有价金属，控制炼钢原料成本。第一套工业FASTMET设备于2000 年在新日铁广畑建成，年处理钢铁厂废弃物19万t,生产的DRI供为转炉炼钢。1998年，在RHF试验炉后连接了一座规模150kg/h的电炼铁炉（简称EIF）,将FASTMET工艺生产的热DRI装入特殊 设计的EIF中，生产称为FASTIRON的高质量铁水，并将FASTMET与EIF的组合命名为FASTMELT,具有低能耗、C02排放少

5、 的特点，最近也在开发煤基的FASTMELT工艺。FASTMELT可以替代或补充高炉炼铁，具有较低的操作成本和较大灵活性。ITmk3可在lOmin内将铁矿粉冶炼成无渣、粒度匀称且接近于纯净的铁粒（nugget）。该工艺于19962000年由神户 制钢开发，2001年在美国建设了 ITmk3示范厂，2004年2.5万t/a示范厂证实该工艺可行，产品的典型成份为MFe 96% 97%, C2.5%3. 0% S 0. 05%-0. 07%,粒度525mm. 2007年底成立了由美国动力钢与神户制钢组成的新合资公司Mesabi Nugget Delaware LLC,着手在明尼苏达的霍伊特湖建立世界

6、上第一座工业ITmk3厂。2008年进入50万t/a ITmk3工业化 装置的建设，预计2009年第三季度开始投产。3. 1.2 INMETCO - REDSMELT - REDSMELT NST这是一条与FASTMET I艺平行发展的路线，但是INMETCO工艺路线更侧重于粉尘的处理和利用，特别是不锈钢粉尘灰。 传统的REDSMELT技术将RHF 与埋弧电炉SAF组合在一起，将DRI熔炼为铁水和炉渣。新熔融技术采用氧煤枪熔融装置取代 埋弧电炉，目前正在意大利Lucchini车间进行示范工业试验，命名为REDSMELT NST技术。NST熔炼炉遇到的主要问题是炉 渣中FeO含量较高。3. 1.

7、 3 COMET-SIDCOMETComet工艺和Inmetco. Fastmet工艺相比不同点在于Comet工艺完全取消了造球工艺，直接将烘后的粉状氧化铁料 和还原剂多层相间地布在转底炉床上，即一层还原剂、一层矿石地布料。英优点在于煤粉中的灰分不会进入DRI中，同时 限制了煤粉中硫分进入DRI产品，克服了 Inmetco和Fastmet工艺生产直接还原铁高脉石M（9%）和髙硫含MO0. 15%）的缺 点°双向直缸炉工艺RHF生产中主要问题在于提髙能源效率和DRI再氧化之间的矛盾，为平衡这对矛盾，RHF厂在目前的工业实践中确立了 以下规则：1）含碳球团床层高度为2025mm： 2）火

8、焰温度在13001350C,化学组成保持C0/C0222. 0,以降低对海绵 铁的氧化势：3）最好使用低挥发份髙固左碳的还原剂。加拿大McMaster大学就髙床层、髙火焰温度全氧化性气氛和髙挥 发份煤进行了基础研究，证实可以打破RHF操作现有的三条限制性规则。但是现有RHF炉采用螺旋出料，对高床层而言， 要求叶片更长并能耐1400C左右的高温，这对于螺旋出料机的叶片寿命和冷却是严酷考验，因此，考虑采用以分段式炉缸 替代一体式炉缸，靠重力自动卸料。因此研发了双向直缸炉Paired Straight Hearth Furnace （简称PSH）。PSH炉在美国的示范厂设计规模为4. 5万t DRI

9、/a,金属化率95%,预计的吨金属化球团能耗包括282kg高挥发份煤和 4GJ天然气，预计的SOX排放浓度为117mg/Nm3, NOX排放浓度为87mg/Nm3K项目涉及的后续铁水生产采用AISI煤氧转炉 进行熔化和精炼。3.2以竖炉为反应器的炼铁工艺含破球团的冷强度低限制了貝在竖炉反应器中的应用，大部分研究都集中在选择合适的粘结剂提髙球团冷强度上。根 据竖炉形状，主要分为以下三种工艺。3. 2. 1 TECNOREDTECNORED工艺是一种以含碳球团为原料的新熔融炼铁方法。造块时混入熔剂和粘结剂，并在燥炉内养护，从而生产 出具有一立强度、满足该工艺物理和冶金性能需要的球团。含碳球团在高效

10、的、特殊设计的竖炉中熔化，TECNORED炉由于 降低了炉身髙度，从而可使用诸如右油焦、煤、半焦等廉价的固体燃料。TECNORED T艺利用冷、热风结合且不需要富氧， 同时省去炼焦、烧结和制氧。因此，该工艺与传统炼铁流程相比，运行和投资成本低。TECNORED炼铁工艺的革新之处包括：1）从炉子两侧加入固体燃料；2）炉身上部通过二次燃饶提供含碳球团预热和预 还原所需热豊3）实现矩形断而的模块化结构，通过增减模块可灵活调剂产能。和传统高炉比较，炉料停留时间低于45min, 利用系数约为18t/（m3. d）,是高炉的数倍。但目前尚未见有关示范厂操作情况的报导。3. 2.2高炉由于一般的冷固结含碳球

11、团强度低，限制其在髙炉大量使用。有两种方法值得期待，一种是利用煤的热塑性进行含碳 球团压制成型的工艺，该技术的优点是在髙温反应时热压块仍能保持较高的密度和强度。另一种对含碳球团冷压块后进行 碳化的技术也在研究之中。髙炉使用部分含碳球团的数学模拟计算和实验表明，加入含破球团可使软熔带降低，由于含碳球团快速还原的热量需 求以及炉料装入量增加导致炉内温度水平降低，同时高炉中上部热滞区的温度也下降，这为髙炉降低炉身高度的设计提供 了理论和试验依据。同时，当含碳球团加入量为30%时，高炉生产率提高约6. 7%,焦比显著降低26. 8%,燃料比（RAR）下 降 3. 4%o3. 2. 3 OXI-CUP该

12、工艺可以处理转炉粉尘、烧结粉尘、髙炉污泥、氧化铁皮污泥和焦粉。在预处理系统中，这些材料经冷却、运输、 分批后在Eirich逆流强力混料器里处理，加入粘结剂形成凝结物，然后运至砖块成型生产线，压制成110mm六角形砖块。压制的烧结砖要放置3天，放置后将烧结砖和含铁残渣以7：3的比例从炉顶放入竖炉中，然后进一步添加焦炭粉和砂 砾，在炉中堆砌大约10m髙。回收处理时，在炉料的顶端温度大约为250*C,炉底温度将升髙到2200°Co铁水岀炉温度大 约为1510C。在处理过程中，一直保持温度620°C,速率为3万m3/h的热风和速率3500m3/h的氧气。该竖炉每小时可生 产3565

13、t铁水和1530t的炉渣。由于细废料和高温的高比表而积，炉内反应速度非常快，加上所有砖都是同一尺寸，在竖炉内有一个较好的孔隙率。 此时竖炉相半于一座髙炉，当砖下行时被还原成铁（直接还原铁）并进入熔化区，热金属和渣连续放岀并分离，残渣中所含 锌被蒸发并和炉顶气体从炉中排岀，富锌的过滤灰可以卖给锌回收厂。3.3以多层焙烧炉为反应器的炼铁工艺3. 3. 1 PRIMUSPRIMUS工业示范生产线处理能力为8万t/a,主要原料为电炉灰，以回收铁、锌及貝他有色金属为目的，循环利用钢 铁生产产生的废弃物。此新工艺是基于多膛炉直接还原，适用于处理低等级煤。工艺过程如下：先将不同的废弃物和粘结 剂分批称量，然

14、后，送入Eirich混合器进行混合，再对混合器内的混匀原料含水量进行测立，一边对照基准原料含水量， 一边在混合过程中直接加入补偿水。混合器后是一个停留时间相对较长的圆筒造球机。圆筒造球机内的颗粒逐渐增大，然 后送入F燥器中。多膛炉是个简单、紧凑、可靠的系统，包含了一层叠一层垂直排列的床层（炉膛）。每一层的搅拌臂均由1 个可旋转冷却竖轴驱动，原料和煤一同沿炉子从顶部下降至底部。即物料随每层的交替移动，由外向里落入下一层，然后 由里向外移动。空气从侧而吹入，然后从顶部离开。废弃物在炉内被燥和还原。即需经过100C左右|燥，400°C左右去 油，1100C左右还原等几个工艺步骤。由于物料层

15、内为还原气氛，气流为氧化气氛。于是，锌在气体中重新被氧化，在气 体净化系统中被分离岀来，即所谓的PRIMUS氧化物。热的海绵铁从炉子底部排出，连续输送到PRIMUS熔化炉。特殊设计 的三相电炉连续生产生铁和炉渣。惰性炉渣与高炉渣相当，也可用于铺路等。3.4以烧结床为反应器的炼铁工艺部分还原烧结工艺日本JFE提出了在现有烧结机上生产部分还原球团的工艺，采用多层造球技术，内部为铁矿粉、焦粉和生石灰均匀混 合构成的含碳球团，中间覆层起到防过熔融和防再氧化的作用，外层涂覆焦粉提供热量。然而，在总配碳量为11%15% 时的烧结试验结果表明部分还原球团的还原率最大只能达到40%45%,原因是过分熔融导致F

16、eO熔渣量的增加和微气孔 的减少。过分熔融的原因和对策归结为三点：1）空气进入部分还原球团内部导致焦粉过烧，这通常和球团内部C02生成产 生的内压导致球团裂纹或者球团在制造和处理过程中产生了裂纹有关。拟采用压型球团，提高孔隙率，降低内压，减少裂 纹。2）中间烧结层熔融进入部分还原球团内部导致焦粉过烧，烧结层熔融与碱度和铁矿石配比有关，也与外层焦粉配比过 剩导致热量过剩有关。可涂覆高熔点物质，使用更合理的外层焦粉配比。3）球团内层自身的熔融，这同样与碱度和铁矿石 配比相关。可在球团内部添加高熔点物质如晦0,使用高品位铁矿石，并使用其它粘结剂代替生石灰。3. 4. 2顺流加热含碳球团直接还原顺流加

17、热过程形成的料层结构是：上部为还原后的高温产品层，中间是高温燃烧层，下而是生料层。空气的流动方向 是从下向上，所经过的料层顺序是：生料层一髙温燃烧层一髙温产品层。空气中的氧在高温燃烧层中已用于燃烧，进入高 温产品层的气体是低氧化性的燃烧产物，因此还原岀的金属铁的再氧化现象很弱。球团料层和鼓入的空气需预热到一泄温度，才可实现髙温燃烧层顺利向下扩展。称“用含碳球团还原过程中产生的可 燃性气体作燃料直接燃烧加热球团，满足还原耗热的过程”为“顺流加热含碳球团直接还原过程”。因此，含碳球团实现 顺流加热直接还原的条件是：还原过程和还原产生的可燃性气体的燃烧过程在同一个反应器内进行，即在含02的气氛中进 行。研究表明在配碳量25%27%,料层厚度150mm,还原时间为2025min条件下，还原产物金属化率可达80%,金属 化球团可作为高炉原料使用。该方法尚处于实验室研究阶段。结论（