透视ITmk3炼铁新工艺发展历程与技术特点

透视ITmk3炼铁新工艺发展历程与技术特点

非高炉炼铁作为21世纪全世界钢铁行业的前沿技术，是未来技术发展的主要方向。在此领域，国际冶金工作者不断进行着广泛、深入的研究和开发，形成了众多直接还原、熔融还原技术。煤基转底炉法因其原料适应性强、操作灵活受到很多国家的重视。日本神户制钢在过去几十年转底炉技术基础上提出了ITmk3（IronmakingTechnologyMarkThree）工艺，使金属化球团在还原时能进一步熔化并实现渣铁分离，在短时间内生产出成分如生铁的高纯度粒铁产品。该工艺突破了直接还原工艺范畴，彻底改变了直接还原产品对原料品位苛求的状况，而且还可以使用粉矿和非焦煤作原料，因而备受瞩目。高炉-转炉工艺被称为第一代炼铁法，以气基梅德瑞克斯（MIDREX）法为代表的直接还原工艺被称为第二代炼铁法，而把煤基ITmk3工艺称作具有划时代意义的第三代炼铁技术。目前首座ITmk3商业工厂已成功在美国投产。1ITmk3工艺发展过程ITmk3转底炉炼铁工艺由日本神户制钢开发。最早的技术思想源于1994年，当时神户制钢对美国子公司梅德瑞克斯（Midrex）开发的快速融化（Fastmet/Fastmelt）法进行了一次评价试验，目的是考察适宜的反应温度和原料条件，却意外发现还未到铁的熔点时球团就熔化，而且形成的粒状小铁块与渣能干净利落地分离，所得粒铁纯度很高（铁含量为96%-97%）。随后，神户制钢对此发现进行了一些基础实验，逐渐掌握了ITmk3的基本原理。1996年神户制钢同Midrex子公司开始对ITmk3技术进行深入研究和改进，1999年在加古川厂区内建成了规模为年产能3000吨的中试厂，同年10月连续运转成功，到2000年12月完成了2次生产测试，其工艺设计得到实际验证。随后ITmk3的发展转移到美国，2001年9月实施了梅萨比纳吉特（MesabiNugget）计划，于明尼苏达州合资建设一座年产能2.5万吨的示范工厂，成立梅萨比纳吉特公司，投资方除了神户制钢之外，还包括明尼苏达州政府、北美最大矿山公司克利夫兰·克利夫斯公司和美国第二大电炉制造厂钢动态公司（SDI），此外还得到了美国能源部（DOE）的资助，项目总投资达到2600万美元。示范工厂于2003年5月建成，经过一年连续作业，于2004年7月结束，产品质量和设备运转情况良好，此后各方着手筹建商业工厂。2007年6月，神户制钢与克利夫兰·克利夫斯公司结盟，共同推进ITrnk3商业化运作。同年11月，神户制钢又与美国钢动态公司达成协议，在明尼苏达州霍伊特湖区（HoytLakes）建设首座ITmk3商业工厂，总投资235亿美元，年产能50万吨。梅萨比纳吉特公司负责商业工厂建设、管理和生产销售，神户制钢则提供ITmk3工艺许可证、工程服务、主要设备和技术支持。该商业工厂于2009年底建成投产试运行，并从2010年1月正式开始商业化运营。随着商业工厂的投产运营，ITmk3工艺备受瞩目。目前在哈萨克斯坦、印度、乌克兰和北美等国家和地区正推广此项目，总产能将达到数百万吨。2ITmk3工艺原理ITmk3工艺是从Fastmet/Fastmelt演变而来，其流程、设备配置与Fastmet/Fastmelt工艺非常相似。在20世纪50年代-60年代，美国Midrex公司的前身罗斯（Ross）公司开发了快速加热（HeatFast）直接还原法（后来的Fastmet工艺），使用转底炉快速还原含碳球团，产品为直接还原铁（DRI）。神户制钢于20世纪80年代收购Midrex公司后，在对其Fastmet/Fastmelt法进一步开发的过程中（衍生出Fastmelt双联法）发现粒铁与渣分离现象，最终发展为ITmk3工艺。ITmk3工艺与Fastmet/Fastmelt工艺的核心设备都是转底炉，都可使用粉矿与粉煤制成的含碳球团作为原料，所不同的是Fastmet工艺产品为DRI，产品中仍含有脉石，金属化率严重依赖于原料品位，而煤灰分等杂质也进入产品，为此只好再用电炉熔化DRI，使渣铁分离来获得炼钢铁水。而ITmk3工艺在转底炉中只需一步就能实现渣铁熔分，获得粒铁产品。其工序包括以下4部分：一、原料处理：将主原料矿粉和非焦煤粉配料混匀，使用造/压球机等设备制成球团或团块，干燥备用。铁料既可使用磁铁矿与赤铁矿，又可使用较低品位矿，甚至可使用选矿厂的尾矿粉，只不过处理低品位铁料会增加能耗。燃料也非常广泛，可以使用发电用普通煤或石油焦和其他的含碳原料。二、还原熔分：将制好的球团或团块加入转底炉，在1350℃-1450℃条件下加热，球团（块）在随炉床旋转一周的过程中发生还原、渗碳和熔融反应，渣铁熔化并各自聚集，整个过程只需约10分钟。三、粒铁产出：凝聚的渣和铁冷却后，经排料装置排出，获得粒径为5mm-25mm的粒铁产品，粒铁与渣能干净地分离。四、废气处理：反应过程中产生的烟气经过热交换器预热助燃空气后，除尘排出。ITmk3工艺的产品粒铁成分与高炉生铁相似，产生的熔渣组成由原料种类决定，但基本与高炉渣相同。粒铁经过电炉试炼，证明具有如下特点：纯度高、不含渣、碳含量合适，不存在再氧化、粉化等问题，便于运输和入炉，熔解性能良好。因其比废钢、DRI等具有更加优良的品质而被形容为“金块”。转底炉中大致可划分为加料段、预热段、还原段、熔分段和冷却排出段。含碳球团（块）在转底炉加热过程中，铁氧化物被内配碳直接还原成金属铁，之后经过渗碳和熔融过程，渣铁各启熔化聚集，冷却后分离得到粒铁产品。传统高炉工艺原料在炉内停留反应时间约8小时，MIDREX等直接还原工艺也需要约6小时，而ITmk3工艺只需10分钟就能完成还原、熔分一系列反应。ITmk3技术的难点在于渣铁分离和控制粒铁的粒度和纯度。神户制钢技术人员在开发过程中，对工艺不断改进和完善，在许多环节进行了深入细致的研究。在耐火材料方面，经过多次试验，转底炉的炉床耐火材料选用耐高温、耐侵蚀的高铝砖。同时为了防止反应中副生的熔渣对炉床耐火材料造成浸润、侵蚀，在布料前预先在炉床铺设一层耐侵蚀、高熔点类材料，例如矾土类、氧化镁类、碳化硅类或石墨类炭材料等，能对炉床耐火材料起到有效的保护作用。在原料方面，通过调整原料碱度可以降低粒铁中S含量，即配入适量的熔剂调整原料中CaO、MgO、SiO2等成分，还可适当添加Na2O、K2O等物质，一般控制（CaO+MgO）/SiO2在1.3-2.3，能使粒铁中S含量普遍降低至0.08%以下。在渣铁分离方面，在混料中配入适量的B2O3、Na2CO3、CaF2、Na20等添加剂可达到促进渣铁分离的效果。此外，还提供了一种急速冷却的方式，即用冷凝水等媒介以350℃/min的速度快速冷却渣铁混合物，使粒铁分离的更加干净彻底。另外，为保证含碳球团的强度、传热和熔分效果，球团的大小和料层厚度等也都有一定限制，一般布料时料层厚度控制在10mm-30mm。3ITmk3技术特点ITmk3工艺与高炉工艺相比，因其不需要烧结和焦化工序，工艺简单了许多，其技术特点主要体现在以下几个方面：第一，不需要块矿和焦煤，而且矿石和煤的种类选择也很灵活，只需一般的粉矿（包括低品位矿）和一般非焦煤即可，因此该工艺适用性很强。第二，从原料加入转底炉，到还原熔分反应结束，产出粒铁只需10分钟左右。所得粒铁产品具备高炉生铁同等品质，纯度高、熔解性能良好，是炼钢的优质原料，而且粒铁不存在再氧化和粉化问题，因而装卸、运输和入炉非常方便。第三，不需要烧结和焦化等铁前处理工序，从而使炼铁过程大大简化，工厂规模小、占地省，投资成本大幅降低，相同生产规模的投资额仅为高炉工艺的一半左右。而且全、部使用冶金行业通用设备，因而操作简单，生产启动、停止非常方便，可柔性作业。第四，相对传统炼铁工艺，ITmk3工艺反应在低温、短时间内进行，能耗较低。另外经过核算，ITmk3工艺的二氧化碳排放量比高炉工艺降低20%以上，而且没有焦化等污染工序，因而ITmk3工艺能源利用效率高，且符合节能减排的环保要求。ITmk3技术具有诸多优点，其最大优点在于反应迅速、投资省、二氧化碳排放少。但不可否认，ITmk3工艺也有自身先天的缺憾，即目前成熟的转底炉最大直径为50米，决定了一座ITmk3商业炉年产量只能在50万吨左右。因而从产量规模这一点与年产数百万吨的高炉是无法比较的，替代高炉工艺更不现实；这也成为限制ITmk3技术推广的一大难题。不过，ITmk3因为原料的适应范围很广，基本上产煤、产矿的地区都适合建厂，特别在矿山附近优越性更好。一些完全靠进口废钢作为电炉原料的新兴国家，还有一些如西伯利亚、中亚等矿石资源比较丰富却没有焦煤的地区都非常适合发展ITmk3工艺。结语在煤基转底炉直接还原工艺基础上开发成功的ITmk3技术，虽然在产能规模上无法与高炉相比，但其流程短、投资省、反应快速、环境压力小，尤其是能够使