非高炉炼铁知识大全

开展直接复原技术是实现钢铁清洁化生产的需要

长流程：炼焦、烧结----高炉炼铁----转炉炼钢优点：技术成熟、效率高、产量大、生产本钱低等。缺点：炼焦、烧结、炼铁、炼钢等工序污染严重，对环境的污染占钢铁流程的70％以上，且焦炉在装煤、出焦时的煤气泄漏十分严重；而烧结过程排放大量的粉尘及污染物质也难以解决。

短流程：直接复原铁、废钢----电炉炼钢优点：高温工序少、投资低、能耗低、运输量少、劳动生产率高、建设周期短和有利于环境保护等。缺点：废钢含杂质元素多，如果炉料中DRI比例较低，将影响电炉钢产品的质量。废钢资源优势〔1〕、废钢铁是再生资源，可无限循环利用。从钢材→制品→使用→报废→回炉炼钢，每8-30年一个轮回，无限循环使用〔2〕、废钢铁是一种载能资源，用废钢铁炼钢可以大量节约能源。废钢直接炼钢比矿石炼铁后再炼钢可节能60%，节水40%〔3〕废钢铁是一种环保资源，废钢直接炼钢比铁矿石炼铁炼钢可减少排放废气86%，废水76%和废渣97%，有利于清洁生产和排废减量固体碳竖式复原法的物料平衡原料输入量还原剂输入量铁矿石1460kg(68.5%Fe、98.0%Fe2O3、29.5%O、2.0%脉石）煤227kg（90%C、10%灰份）脉石30kg、铁1000kg、氧430kg灰份23kg、碳204kg、氧0kg直接还原过程中有408kg氧的转移固体输出量输出量1052kgDRI（95%Fe、88%Fe0、7%Fe++、9%FeO、2%O、3%脉石）238kgCO、374kgCO2、23kg脉石脉石30kg、铁1000kg、氧22kg灰份23kg、碳204kg、氧408kg目前吨钢综合能耗为0.6～0.8t标煤，是理论需要量的2.6～

3.5倍固定碳竖式复原法的热平衡热需要量GJ/tFe还原度95%的1吨铁（50%用C、50%用CO还原）3.1381000℃的1.086吨直接还原铁和灰份的显热0.745800℃的612kg（50%CO、50%CO2）的废气显热0.481合计4.364复原需要的热量相当于0.107t标煤，是长流程需要量的1/5～1/7提纲第一局部钢铁生产及短流程炼钢概论第二局部直接复原理论与工艺第三局部熔融复原理论与工艺第一局部钢铁生产及短流程炼钢概论一、什么是短流程1.世界钢铁工业开展概况起步阶段时间：1865年前后工艺：空气侧吹转炉炼钢法〔1865年英国贝赛麦〕代表国家：英国中国：公元前2世纪采用类似侧吹转炉炼钢法—李约瑟什么是短流程〔续〕1.世界钢铁工业开展概况〔续〕第一次革命时间：19世纪末、20世纪50年代工艺流程：焦炉→烧结机→高炉→平炉→铸锭→初轧开坯→成品轧机代表国家：德国〔最早〕、美国和前苏联〔稍后〕什么是短流程〔续〕1.世界钢铁工业开展概况〔续〕第二次革命时间：20世纪50年代至70年代●奥地利创造了纯氧顶吹转炉炼钢法平炉：8~10小时—炉钢氧气转炉：40分钟—炉钢●与此同时，前苏联、瑞士创造了连续铸钢法工艺流程：大烧结机→大焦炉→大转炉→大连铸机→连轧机代表国家：日本、西德什么是短流程〔续〕1.世界钢铁工业开展概况〔续〕第二次革命〔续〕代表国家：日本、西德1973年日本钢超1亿吨，根本采用新流程未及时抓住这一革命时机的国家为美国、前苏联、中国中国只有宝钢具有第二次革命全流程。什么是短流程〔续〕1.世界钢铁工业开展概况〔续〕第三次革命〔续〕时间：20世纪80年代—21世纪××年代工艺流程：废钢/DRI→电炉→连铸→连轧代表国家：美国：36.8%(1990)、46.4%〔1997〕、50%〔2000〕欧洲：42.3%〔1997〕、59%(2010)什么是短流程〔续〕2.钢铁生产方法及流程三类方法图1.三种钢铁冶炼方法示意图A：高炉—转炉〔BF—BOF〕；B：直接复原—电炉〔DR—EAF〕；C：熔融复原—转炉〔SR—BOF〕什么是短流程〔续〕2.钢铁生产方法及流程〔续〕图2.SourcesofMetallicFeedstock什么是短流程〔续〕2.钢铁生产方法及流程〔续〕五种流程焦炉烧结机球团BOF高炉输出煤气110m3焦油30kg焦煤0.589t0.022t0.041t铁矿石0.788t0.020t输出煤气675m30.926t0.411t0.431t0.389t0.823t钢水1t输出煤气80m3废钢0.263t46m3氧气26W•h〔电〕图3.BF—BOF流程原料及能源流向图什么是短流程〔续〕2.钢铁生产方法及流程〔续〕五种流程〔续〕直接复原竖炉电炉氧化球团264m3天然气直接复原铁0.926t0.806tFe(91.7%Fe)钢水1t废钢、铁合金0.269t添加碳1kg25m3氧气550kW•h〔电〕图4.竖炉直接复原—电炉流程示意图1.266t110KW•h〔电〕电极4kg什么是短流程〔续〕2.钢铁生产方法及流程〔续〕五种流程〔续〕直接复原回转窑电炉氧化球团527kg煤直接复原铁0.879t0.806tFe(91.7%Fe)钢水1t废钢、铁合金0.269t添加碳1kg25m3氧气550kW•h〔电〕图5.回转窑直接复原—电炉流程示意图1.266t66KW•h〔电〕电极4kg25KW•h辅助设备用电什么是短流程〔续〕2.钢铁生产方法及流程〔续〕五种流程〔续〕电炉¯¯¯¯¯¯钢水1t废钢、铁合金添加碳8kg25m3氧气550kW•h〔电〕图6.废钢—电炉流程示意图1.063t电极4kg25KW•h电(助熔)什么是短流程〔续〕2.钢铁生产方法及流程〔续〕五种流程〔续〕钢水1t粉矿石灰石0.096t543kg煤(493kW•h熔化用电〕图7.熔融复原(Elred法)—转炉流程示意图1.237t燃料0.010t26KW•h电力熔融复原炉氧气转炉废钢0.263t35m3氧气铁(109kW•h脱硫和辅助设备用电〕137kW•h制氧用电404m3氧气什么是短流程〔续〕2.钢铁生产方法及流程〔续〕DR—EAF短流程与BF—BOF长流程的比较：吨铁投资少~50%操作本钱低~37%环境保护易实现质量好控制流程吨钢投资能源消耗运输量生产成本环境保护质量控制生产规模建设周期长流程100%100%100%100%短流程约50%约50%约70%约63%易实现好灵活短什么是短流程〔续〕2.钢铁生产方法及流程〔续〕DR—EAF短流程与SR—BOF长流程的比较：冶金反响过程合理流程更短质量好控制本质意义：SR—BOF：非焦煤炼铁DR—EAF：短流程钢铁生产过程中氧位的变化什么是短流程〔续〕2.钢铁生产方法及流程〔续〕2020年钢铁冶金流程预测

3.目前钢铁生产概况及主要产钢国家生产概况什么是短流程〔续〕Fig10.WorldCrudeSteelProductionDevelopmentbyProcessRoute什么是短流程〔续〕3.目前钢铁生产概况及主要产钢国家生产概况(续)美国：1.37亿吨(1973)→8000万吨(目前)日本：1.193亿吨(1973)→1亿吨以下(目前)俄罗斯：1.6亿吨(1988)→1亿吨以下(目前)欧共体：2亿吨(80年代)→1.6亿吨以下(目前)中国：~5000万吨(80年代初)→1.14亿吨(1997)→2.3亿吨〔2003〕→2.6亿吨〔2004〕→约5.0亿吨〔2007〕二、短流程炼钢开展背景1.长流程自身的原因：流程长、投资大、本钱高、环境污染重。2.合理利用资源：废钢、复杂矿。3.能源：炼焦煤减少。4.钢的品种和质量。5.市场应变能力。三、开展短流程炼钢的条件1.原料废钢〔scrap)：直接复原铁〔DRI/HBI〕铁水〔HM〕2.电力〔400~500Kw.h/t-钢〕3.开展DRI/HBI的条件资源—优质铁矿：TFe>67%、S、P<0.01%能源—天然气煤：S、挥发份、灰份、灰份熔点、反响性第二局部直接复原理论与工艺一、直接复原生产及技术现状1.国外现状技术现状按复原剂分：•气基•煤基MidrexHYLSACircoredFiorFINMET炭化铁SN/RLFastmeltCometInmetcoCircoferCOREXItmk3区域1区域2区域4区域3块矿/球团粉矿固态液态煤煤气图11按复原剂和铁矿石种类分直接复原工艺直接复原生产及技术现状(续)1.国外现状(续)技术现状(续)

按炉型分：

•竖炉

•回转窑

•转底炉

•流化床等直接复原生产及技术现状(续)1.国外现状(续)技术现状(续)

按含铁料粒度分：

•块矿/球团

•粉矿表1不同直接复原工艺的主要特点比较工艺原料还原剂还原设备温度压力成本(美元/吨)Arex球团/块矿煤气竖炉中等低150Circofer粉矿碳流化床高中200Circred粉矿煤气流化床低中190DayDRC球团/块矿碳回转窑高常压270Fastmet粉矿碳转底炉非常高常压175Finmet粉矿煤气流化床中等高220HYLⅢ球团/块矿煤气竖炉中等中190炭化铁粉矿煤气流化床低中230Inmetco粉矿碳转底炉非常高常压170MIDREX球团/块矿煤气竖炉中等低180SL/RN球团/块矿碳回转窑高常压240表2世界上主要投入应用的直接复原铁生产方法方法名称MidrexHYLⅠHYLⅢFIORSL/RNFastmetCorex发展阶段商业生产中商业生产中商业生产中商业生产中商业生产中开发中商业生产初期年产量(万吨)1600340230367230单座生产规模(t/d)25002000—1200500~10005060原料块矿或球团矿球团矿块矿或球团矿0.04~10mm粉矿块矿或球团矿块矿块矿或球团矿还原剂天然气天然气天然气天然气煤、焦炭粉煤一般煤成品DRI/HBIDRI热DRIDRI/HBIDRIDRI/HBI铁水还原炉型式竖炉竖炉(间歇)竖炉多层流化床回转窑转底炉竖炉温度/℃800~900800800~900700~8001100~12001300800~900还原率/%92~968592~9493909595熔炼炉电炉电炉电炉电炉电炉铁浴式煤气发生炉熔炼兼用电炉废气处理60%~70%循环循环使用循环使用全量循环加压剩余能量利用发电等成品特性/%TFe:93C:1.5脉石:3.6TFe:88C:2.2脉石:4.3TFe:—%C:1.5脉石:3.6TFe:92C:0.5脉石:5.2TFe:90~92C:0.08~0.2TFe:92C:1.5~5.5脉石:3.97铁水1.国外现状(续)产量及分布

•总产量直接复原生产及技术现状(续)1.国外现状(续)产量及分布

•各类方法直接复原生产及技术现状(续)气基91.6%Midrex63.4%HYL19.3%其它1.8%煤基8.4%SL/RN3.6%其它4.8%1.国外现状(续)产量及分布

•国家分布(2000年:万吨)

拉美：1318

中东：841

亚洲：972直接复原生产及技术现状(续)80%以上a.缺高质废钢b.缺炼焦煤c.高品位铁矿丰富d.天然气丰富1.国外现状(续)产量及分布•国家分布(2000年:万吨)前苏联/东欧：290北美：1045非洲：841西欧：50〔废钢价格及数量的优势〕澳大利亚：480直接复原生产及技术现状(续)直接复原生产及技术现状(续)2.国内现状天津、密云：回转窑法河南：转底炉法二、铁矿直接复原的根本原理1.气基复原〔“间接复原〞〕原理〔1〕天然气的转化〔蒸汽法〕CH4+H2O→CO+3H2CH4+CO2→2CO+2H2铁矿直接复原的根本原理〔续〕1.气基复原〔“间接复原〞〕原理〔续〕〔2〕CO和H2复原铁氧化物的步骤Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe(>570℃)Fe2O3→Fe3O4→Fe(<570℃)铁矿直接复原的根本原理〔续〕1.气基复原〔“间接复原〞〕原理〔续〕〔3〕CO和H2复原铁氧化物平衡状态图

标准态〔273K〕下铁复原需要的热量反应式发生热量kJ/kgFeFe2O3+3CO=2Fe+3CO2234.46±46.05Fe3O4+4CO=3Fe+4CO271.18±25.12Fe0.95O+CO=0.95Fe+CO2301.45±20.93Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O-900.16±46.05Fe3O4+4H2=3Fe+4H2O-908.54±20.93Fe0.95O+H2=0.95Fe+H2O-464.73±16.75铁矿直接复原的根本原理〔续〕2.煤基复原〔“直接复原〞〕原理〔1〕氧化物固体碳复原的两个可能的反响MO(s)+C(s)=M(s)+CO(a)2MO(s)+C(s)=2M(s)+CO2(b)由于高温下〔≥900℃〕碳的气化反响CO2+2C=2CO速度极快，气相中CO2实际上是极少的，所以后一反响可能出现在较低温度下。用固体炭复原氧化物实际气相产物为CO，亦即按前一反响进行的。铁矿直接复原的根本原理〔续〕2.煤基复原〔“直接复原〞〕原理〔续〕〔2〕氧化物固体碳复原的两个可能的方式A：方式一：碳的不完全燃烧与氧化物的生成反响组合2C(s)+O2=2CO2M(s)+O2=2MO(s)———————————————————————2MO(s)+2C(s)=2M(s)+2CO热力学平衡图见图15。铁矿直接复原的根本原理〔续〕2.煤基复原〔“直接复原〞〕原理〔续〕〔2〕氧化物固体碳复原的两个可能的方式B：方式二：碳的气化反响与氧化物的间接复原反响组合C(s)+CO2=2COMO(s)+CO=M(s)+CO2———————————————————————MO(s)+C(s)=M(s)+CO热力学平衡图见图16。铁矿直接复原的根本原理〔续〕2.煤基复原〔“直接复原〞〕原理〔续〕〔3〕固体碳复原铁氧化物的平衡图

铁矿直接复原的根本原理〔续〕2.煤基复原〔“直接复原〞〕原理〔续〕〔4〕压力对固体碳复原铁氧化物的影响

三、铁矿直接复原工艺流程1.气基Midrex工艺流程〔图19〕ExistingDRIProcesses,Shaft三、铁矿直接复原工艺流程2.煤基回转窑ΦSL/RN直接复原工艺流程〔图20〕适合我国资源特点的直接复原技术我国适合开展以铁精矿球团为原料的“煤基直接复原法〞天然气非常缺乏贫铁矿占97%天然富块矿极少非焦煤占65.5%选矿球团非焦煤为复原剂高品位铁精矿DRI煤基球团直接复原创造思路

复合粘结剂分子结构与功能设计化学吸附粘结自身放热催化复原球团制备技术变两步高温过程为一步高温过程生产直接复原铁快速复原热工体系小型试验〔88~90年，中南工大〕φ3.6×50m回转窑工业生产〔98年建成，鲁中冶金矿山公司直接复原厂〕φ0.3m回转窑扩大试验〔91年，中南工大〕φ1m间歇式回转窑试验〔92年，中南工大〕φ2×30m回转窑工业试验〔93年，攀钢410厂〕φ3.8×50m回转窑工业生产〔2000年建成，北京密云冶金矿山公司直接复原厂〕1992年原冶金部组织专家评议1993年原冶金部组织专家鉴定研发过程630万元120万元6900万元8500万元投入投入投资投资〔1988—2001年〕膨润土为粘结剂，需二步高温过程生产直接复原铁多功能复合粘结剂分子设计与制备为实现一步高温过程生产直接复原铁奠定了根底关键技术一创造点1创造了集粘结、放热、催化功能于一体的复合粘结剂，取代膨润土难点〔1〕复合粘结剂的功能设计①化学吸附粘结提高球团强度；②自身放热强化球团固结及预热；③催化复原提高复原速率；④提高产品铁品位。关键技术一为实现一步高温生产直接复原铁，复合粘结剂应具有如下功能：〔2〕复合粘结剂的分子结构设计理想的粘结剂分子结构模型X[R]nKX—与铁精矿外表发生强烈化学吸咐作用的极性基团K—具有增强矿物外表亲水性的亲水基团R—有机架链n—聚合度首次从分子构型、官能团层次提出了粘结剂分子结构理论，采用HMO算法，进行了新型粘结剂分子结构设计。关键技术一膨润土与铁精矿颗粒外表为物理吸咐，界面作用能很弱，球团强度低。关键技术一〔3〕复合粘结剂与铁精矿的作用机理羧基〔-COOH〕酚羟基〔C-OH〕羟基〔-OH〕活性官能团烃链复合粘结剂与铁精矿表面为强烈的化学吸咐，亲水性增强，球团强度明显提高。矿粒矿粒复合粘结剂成分〔%〕关键技术一(4)复合粘结剂的制备复合粘结剂由有机高分子物质与无机成分复合而成。其粘结成分从劣质煤中用碱液抽提。R(COOH)n+nNaOH＝R(COONa)n+nH2O粘结成分Cfixed其他元素含量42.2028.14SiO2Al2O3CaOMgOFe2O312.06.164.780.214.04PSK2ONa2O催化成分0.030.040.060.081.99粘结剂与铁精矿外表作用效果比照粘结剂红外光谱（吸附机理）ξ-电位的零电点接触角润湿热（J/g）成球性指数K膨润土物理吸附pH=4.246°0.180.38复合粘结剂化学吸附pH=0.80°0.410.99两种球团强度比照复合粘结剂球团各项指标明显高于膨润土球团，其中干球抗压强度提高5倍复合粘结剂的铺展及高粘性混合料机械活化关键技术二复合粘结剂粘度大，难以在矿粒外表铺展创造点2设计并研制了新型机械活化装置实现了高粘性复合粘结剂在矿粒外表的均匀铺展，提高了铁精矿外表活性和球团强度机械活化装置难点〔1〕机械活化机理机械活化作用使粘结剂胶团在铁精矿颗粒外表均匀铺展活化前活化后铺展关键技术二介质〔2〕机械活化预处理效果处理方式生球强度干球强度落下(次/0.5m)抗压(N/个)落下

(次/1m)抗压(N/个)不活化预处理4.813.53.2200活化预处理6min15.816.44.8320关键技术二铁精矿的润湿热增大2倍比表面积增加35%球团强度显著提高●●●关键技术三创造点3高粘性物料球团难以自动分级，生球强度差，产量低创造了强制分级造球技术及装置解决了高粘性物料球团在园盘造球机中的自动分级问题，提高了生球强度和造球机产量高粘性物料球团运动规律及其强制分级造球机难点n为圆盘的转速〔r/min〕；R为圆盘的半径〔m〕；f为物料与盘底的摩擦因数；α为圆盘的倾角(°)；β为球团的脱离角,(°)。cosβ=Rn2/900×(sinα-fcosα)〔1〕高粘性物料球团运动规律生球在造球机内自动分级的条件为粒度大小不同的生球具有不同的摩擦因数f，因而具有不同的脱离角β：关键技术三高粘性物料球团具有很高的摩擦因数f，从而脱离角β

小，很难自动分级，大中粒径生球进入母球区，必须采取强制措施。强制分级造球技术应用效果强制分级技术成球率提高17%，干球抗压强度提高70%正常状态高粘性料的异常状态高粘性料强制分级8-16mm生球大中小大中小大大中小热球入窑全窑高温催化复原全窑高温、快速复原的回转窑热工体系显著提高了回转窑产量，大幅降低了复原粉化率，解决了回转窑结圈频繁的难题关键技术四创造点4传统工艺为冷球入窑，升温和复原慢、复原粉化较严重、结圈频繁●●●回转窑链篦机难点氧化球团冷球入窑，难以实现料层全窑高温操作；本创造以热球入窑，实现了全窑高温〔气相和料层均＞9000C〕操作回转窑内温度分布出料端进料端关键技术五创造点5钒钛磁铁矿高炉冶炼无法回收钛钛铁矿电炉法制取高钛渣电耗高，含钛低钒钛铁矿催化复原及高效别离技术创造了钒钛磁铁矿综合利用新工艺●●开发了一条钒钛铁矿中铁、钒、钛有效别离与综合回收的新途径创造了钛铁矿制取富钛料新工艺难点钛铁矿富钛料钛回收率(%)9090富钛料品位（％）8372能源和还原剂劣质煤为还原剂电耗高，焦碳为还原剂本创造与高炉法效果比照〔钒钛磁铁矿利用〕矿种对比项目本发明高炉法钒钛磁铁矿钛回收率（%）89钛损失于炉渣钛品位（%）62本创造与电炉法效果比照〔钛铁矿利用〕3、煤基微波复原根本原理Fe2O3+3C=2Fe+3CO(1)△H1700=455.6kJ/mol(2)△H1700=-840.2kJ/mol(3)△H1700=-384.6kJ/mol反响〔2〕放出的热量足以补偿反响〔1〕所需的热量。其特点是碳最终可以完全转化为CO2，煤气的利用率在理论上可以到达100%。如何把反响〔2〕放出的热量转移到深复原阶段热能——电能——微波能3MicrowaveHeatingBasicFast,VolumetricheatingofmicrowaveabsorbingmaterialTheenergyconversionfromelectricitytomicrowaveisabout85%Theenergyconversionofmicrowavetoheatisabout90%Productiontimesarereducedby70-80%andcostsareloweredby35%BehaviorofMaterialsUnderMicrowaveRadiationMaterialHeatingRateMagnetite(Fe3O4)20ºC/SecHematite(Fe2O3)170ºC/MinCarbon100ºC/SecMicrowaveHeatingCharacteristicofFe3O4

MicrowaveCanMeet

AllTechnicalChallenges

inSteelmakingHeatTransferinPelletCO/H2RichinPelletwithIronOxide/CoalMixture--CO/H2generationinsituCO/H2RegenerationfromCO2/H2OinPelletTemperatureControlMICROWAVEHEATINGOFIRONOXIDEANDCOALMIXTUREGREENBALLINSIDEOUTSIDECOrich,HighTemperatureMICROWAVELowTemperatureNewMicrowave/EAFSteelmakingTechnology.IronoreLimeCoalBinderGreenBallMicrowaveEAFFurnaceSTEELExpectedBenefitsEliminatepelletsintering,coking,BlastFurnace,andBOFsteelmakingIdealMassandHeatTransferMechanismGreatenergysaving,atleast30-40%DramaticallyreducetheemissionofCO2,SOx,NOx,VOCs,fineparticulates,andairtoxicsSubstantiallyreducewasteandemissioncontrolcostsConsiderablyreducesteelproductioncostsReductionDegreevsReactionTime020406080100120050010001500Time(S)ReductionDegree(%)conventionalheatingupto1273Kmicrowavecombined,microwavestartfrom0s,conventionalheatupto773Kmicrowavecombined,microwavestartfrom400s,conventionalheatupto773KMW/EAFFurnaceMW/EAFSteelmakingMW/EAFSteelandSlagSteelsProducedbySeries#1MW/EAFSteelmakingTestsSteelSampleFeSiAlPSCMV-713-ST97.341.651.01<0.010.03<0.2MV-714-ST98.540.180.19<0.010.14<0.2MV-718-ST98.84<0.01<0.01<0.010.192.32MV-719-ST98.650.42<0.01<0.01<0.011.34MV-1025-ST99.300.390.32<0.01<0.01<0.2OUTOKUMPUCOPPERFLASHFURNACE第三局部熔融复原原理与工艺一、熔融复原技术现状1.共报导30多种方法，工业应用只有COREX法，各主要方法的特点见表22.问题①尚未形成一个定型的生产工艺；②能耗较高，且需辅助能量〔氧或电〕；③产品质量不好，脱硫不稳定；④设备寿命不高。熔融复原技术现状〔续〕3.分类：一步法：一个反响器完成铁矿石高温复原和渣铁别离过程。二步法：第一个反响器完成铁料的预还原，第二个反响器完成终复原和渣铁别离，并产生复原气体。二、熔融复原根本原理