炼冶金学-非高炉.ppt

1、非高炉炼铁,一 非高炉炼铁简介,1 非高炉炼铁概念,非高炉炼铁法 除高炉炼铁以外的其它还原铁矿石的方法 直接还原定义 Direct Reduction 指铁矿石在低于熔化温度之下还原成海绵铁的生产过程 熔融还原 Smelting Reduction 指非高炉炼铁方法中那些冶炼液态生铁的工艺过程,2 非高炉炼铁方法分类,3 高炉炼铁状况,目前达到十分完善的程度: 如高炉大型化 精料 高风温 高压 富氧喷煤,4 高炉固有缺点, 煤气炉料逆流运动,要求高质量人造炉料(即烧结矿或球团矿,炼焦),而含CO%左右的低热值煤气是由优质焦炭产生。 由于加热空气和除尘,需要建设大量辅助设备。(因此,由烧结,炼焦

2、,鼓风,高炉等组成的炼铁系统是一个复杂,庞大的生产系统,需要巨额投资)工艺流程长,原料,燃料必须经过反复加热,冷却和加工,能耗和生产成本比较高。 高炉流程进行经济生产要求规模大,生产的灵活性较差 。,5 直接还原发展的背景,二十世纪60年代直接还原发展的原因 不用焦炭炼铁。 合格废钢,优质废钢供应不足 可得到高品位铁精矿 省去了炼焦设备,总的基建费用比高炉炼铁法低,限制直接还原大量应用的障碍,直接还原能源能源供应并未完全解决(最成熟的直接还原法使用天然气作为一次能源,天然供应有限且价格不低,应用煤炭技术的各种方法技术仍有待完善) 直接还原电炉流程电耗较高(6001000度/吨)(并不是任何地区

3、都容易提供) 高品位精矿粉难于普遍获得,开发直接还原技术应考虑因素,资源条件 较丰富的天然气 充足的电能 高品位的铁矿石 海绵铁销路,6 直接还原与熔融还原的比较,直接还原的发展在70年代能源危机后受到了阻碍,研究和开发不以天然气和石油为能源的熔融还原成了冶金工作者新的非高炉炼铁法课题。熔融还原方法是在高于渣铁熔点下进行的反应,其产品是含碳液态生铁。熔融还原优点是以煤炭为主要能源,对矿石品位要求不象直接还原那样严格。熔融还原主要问题是需要大量氧气或电能,能耗较高。,7 非高炉炼铁法使用的原料及能源,含铁原料 1.1要求较高的含铁品位。 原因:(并非工艺本事),电炉炼钢要求,(电耗增加,生产率降

4、低及炉衬寿命缩短)。要求铁矿石脉石含量3%,最高不超过5% CaO:希望的成分 MgO:有利于提高矿石软化温度,改善还原性,提高强度 Cu:有害元素,污染电炉钢质量,Cu全部进入进入海绵铁 Zn:碱金属:对竖炉有害 矿石中水分和烧损:越少越好,耗热,1.2 物理性质 .粒度:粒度大小和均匀性 .强度:低温强度高,经受运载装卸时的破坏力,产生最少粉沫 .热膨胀性:竖炉对热膨胀十分敏感 膨胀率20%,1.3冶金性能-还原性,软化温度及热转鼓试验指数 还原性决定直接还原法的生产率(原料选球团矿或块矿,烧结矿不行) 软化温度决定:操作温度,操作温度至少低于软化温度100,非高炉炼铁能源,8 非高炉炼铁

5、产品性质及应用,海绵铁（直接还原铁） DRI, Direct Reduced Iron, Sponge Iron 粒铁 半熔化状态下还原熔炼出的产品 工艺:回转窑或特种电炉 用途:高炉原料 液铁（Smelting Reduction Iron) 熔融还原生产出的液态生铁,9 钢铁生产工艺新流程及其评价,传统流程高炉+转炉 新流程直接还原竖炉+电炉 直接还原回转窑+电炉 熔融还原+转炉,二 直接还原工艺及原理,1 气基直接还原法,煤气同时起两个作用 如何确定煤气量? 对冶金还原煤气要求:氧化度低,CH4,H2S含量少,适量N2及一定温度 如竖炉:氧化度12%,N2:10-40%，CH4:,2%,

6、温度:9001100 煤气转化目的:把碳氢化合物转化为H2,CO 燃料:气,液,固 如天然气,液化石油气,重油 煤转化冶金还原煤气:工业未曾实施,2 气基直接还原法分类,目前世界海绵铁产量达2300万吨,大部分用M氏法(Midrex)生产 主要问题 这种工艺必须用天然煤气制备还原剂,在天然气缺乏的地方无法采用;此外此种工艺设备复杂,投资巨大。,3 煤基直接还原法,还原剂和燃料可分别使用不同燃料 燃料:煤气,燃油,煤炭(烟煤) 还原剂：煤 对还原煤的要求 反应性好,灰熔点高(回转窑1150),灰分少(25%),含S少(0.8%),4 煤基直接还原法,5 直接还原工艺介绍,直接还原总产量60%；

7、80万吨/年； 原料：氧化球团或天然富矿要求：粒度6-25毫米 脉石含量200Kg/球一次能源：天然气；煤气转换： CH4+H2O=CO+3H2； CH4+CO2=2CO+2H2煤气要求：氧化度5%;入炉煤气温度750-900；还原带停留时间： 6小时,HYL反应罐法工艺流程,煤基回转窑球团或富矿5-25毫米原料：焦粒（煤粒）、块状铁矿、石灰石粒（或白云石）,转底炉法,转底炉的优缺点,优点：设备简单，操作容易，反应速度快，生产率高。但是这一方法仍然需用煤气燃料（煤炭仅用作还原剂）。消耗指标为：铁精矿：1300kg，还原煤400kg,气体燃料0.65Gcal, 电耗60KWh 。此法最大缺点是还

8、原煤的灰份保留在产品中，降低了产品品质。在使用含铁的精矿，和灰份的煤生产时，产品中酸性脉石含量仍高达以上。,三 熔融还原,1 熔融还原简介,定义(瑞典冶金学家:Eketorp):指非高炉炼铁方法中那些冶炼液态生铁的工艺过程 产品: 铁水 副产品：炉渣、煤气 （生铁、炉渣与高炉相同，但煤气的数量和成分却差别较大） 开发目的:代替焦炭高炉,熔融还原优点,.以煤代焦,降低生产成本。直接使用粉矿或块矿。 .不需烧结和炼焦,使环境污染减少80%。 .具有良好的反应动力学条件,生产效率高。 .设备简单,操作方便,易于控制,开启关闭均灵活。 基建投资少。,熔融还原目前存在的主要问题, 能耗较高需要大量的氧气

9、或电 产品质量不好，脱硫不稳定、硅不能有效控制 设备操作寿命不高，如渣中的FeO对炉衬侵蚀严重。,2 熔融还原方法, 一步法： 在一个反应器内完成铁矿石高温还原及渣铁的熔化分离 缺点： 炉衬寿命短（难于长期稳定进行，Fe2O3酸性 FeO碱性） 工艺过程能耗大（煤气排出时，带走大量热量）, 二步法：,在第一个反应器预还原而在第二个反应器内进行补充还原（终还原）、熔化分离和生产还原气体（造气）,3 两步法熔融还原流程,可将高炉分做两个反应器 第一步作用：矿石加热和预还原。30-100%的还原度，流化床、竖炉或回转窑 第二步作用：造气（还原气）补充还原、渣铁熔化分离。电弧炉等离子炉 ，铁浴,预还原

10、器：（炉身）：要求较高的还原效率，允许使用低质量的还原剂 终还原反应器（炉缸）：顺利完成终还原、渣铁熔化分离，在终还原器中 完成造气,连接注意事项,满足合理的还原度分配 终还原器为预还原器提供合适的还原剂 工艺合理，结构简单，可靠热损失小,4 各主要熔融还原工艺比较,5 熔融还原工艺简介,5.1 回转窑法（一步法熔融还原） 回转窑的出口温度提高到1250以上，可将还原的海绵铁渗碳、熔化、冶炼出液态生铁。 优点：铁矿石的还原反应以及CO的燃烧反应在一个反应器内进行。 缺点：炉衬损坏严重；煤气热利用差 还原气氛不足,5.2 COREX工艺,Corex法是二步法工艺，预还原采用竖炉， 终还原为类似于

11、高炉下部的熔融气化炉， 含铁原料从顶部装入竖炉，用熔融气化炉排出、经除尘、温度控制为850900的还原煤气进行预还原，生成金属化率在 90%以上的海绵铁，由螺旋送料机送入终还原炉，另加煤块，喷入氧气。炉料在半焦流化床和固定床中还原与熔化，在炉子下部分离渣铁， 出铁方法与高炉相似。气化炉排出煤气温度约1050，掺入经冷却加压的60低温煤气后，送热旋风分离器除尘，除尘后的煤气用于预还原，竖炉排出煤气约250，经冷却、除尘后送往用户。,Corex主要生产技术指标,单位 指标 生产能力 t/h 4.5 熔炼系数 t/m3d 3.0 作业率 92% 煤耗量 kg/t 1020 输出煤气 Nm3/t 16

12、50 煤气热值 kJ/Nm3 7000 球团矿 t/t 1.5 熔剂 t/t 0.2 氧 Nm3/t 500550 球团矿 氮气 Nm3/t 70100 工业用水 t/t 1.52.0 电 kwh/t 60,5.3 HIsmelt流程,HIsmelt 熔融还原法是现澳大利亚CRA公司和美国Midrex公司共同组建的HIsmelt公司继续研究开发的一种熔融还原工艺，这种熔融还原方法起源于德国Klockner公司和澳大利亚CRA公司合作开发的严重熔融还原方法。,HIsmelt熔融还原工艺流程,HIsmelt工艺以OBM转炉工艺为基础。改进了炉体设计和喷吹技术，达到较高的二次燃烧率和二次燃烧传热效率

13、。其熔池部分像底吹转炉，以氮气和天然气为载体，通过底部喷嘴向熔池喷煤，煤中的碳很快被溶解进入铁水并还原熔渣中的铁氧化物，产生的一氧化碳和顶吹进入熔融还原炉的热风中的氧进行二次燃烧，底部喷入的煤可最大限度地还原并搅拌熔池，一氧化碳和氧在熔池上部燃烧产生大量热量以熔化从熔融还原炉顶邱进入的预还原后的矿粉。 HIsmelt法以铁精矿粉为原料，流程中的预还原炉采用是循环流化床，在流化床中用来自终还原炉的煤气以为介质的冷却器冷却后对矿粉进行加热还原，然后喷入卧式终还原炉，同时冷却煤气的热量以高压蒸汽形式回收。,HIsmelt工艺流程图,HIsmelt终还原炉示意图,HIsmelt 最大特点,一是使用高温

14、空气，而不使用纯氧 二是燃料从熔池底部直接喷入熔池。,HIsmelt主要设备,原料研磨设备 循环流化床 球式热风护 底喷煤的卧式终还原炉。,Hismelt原料、设备和主要技术指标,含铁原料：粉矿 燃料及还原剂：非焦煤 预还原设备：流化床 熔融气化炉：SSPP炉 矿石预还原度: 22% 二次燃烧率：55% 传热效率： 85% 氮气消耗：m3/tHM 热风（1200 ）m3/tHM：2420 煤耗 kg/tHM: 630 天然气 m3/tHM：22 煤气发热值106J/m3 : 1.44,HIsmelt流程优点,单体生产效率高 铁浴中碳回收率高 二次燃烧率高 熔池上部反应激烈，二次燃烧传热速度快

15、渣中氧化铁含量低，渣层薄，炉衬侵蚀量小 设备投资低，电力消耗低，适应电力不足地区 吨铁煤耗低 对环境污染小,HIsmelt流程不足,吨铁煤气量大，导致煤气物理热损失量增加 煤气进入预还原流化床之前必须降温 采用底喷煤粉技术，必须用天然气冷却其喷嘴 采用底喷煤粉技术对操作技术要求高 要求使用含硫量低的煤种,HIsmelt最新消息,Nucor/Rio Tinto/三菱-2将在澳大利亚建立工厂2002/4/27 北卡罗来纳州夏洛特（道琼斯）-Nucor Corp. (NUE)与Rio Tinto Group三菱公司(Mitsubishi Corp.)及首钢公司(Shougang Corp.)建立了一

16、家合资公司在澳大利亚奎纳纳建设一家商业规模的HIsmelt熔炼厂。Nucor在一份新闻稿中称HIsmelt流程通过把非焦煤注入熔铁炉从而将铁矿熔炼为铁水。因为该流程无需熔渣/球团车间及炼焦炉它的环境影响更优于传统的造铁技术。此外该技术还能够处理目前的钢铁技术所不能处理的铁矿。Nucor将有权在任何Nucor工厂使用该技术。,5.4 DIOS工艺流程图,DIOS原料、设备和主要技术指标,含铁原料：粉矿 燃料及还原剂：非焦煤 预还原设备：煤气重整+流化床 熔融气化炉：转炉型铁浴 矿石预还原度: 20-30% 二次燃烧率：4055% 传热效率： 8095% 氧气消耗：m3/tHM 600 煤耗 kg/tHM: 煤气发热值106J/m3 : 4.188.36,5.5 AISI流程图,AISI 原料、设备和主要技术指标,含铁原料：球团 燃料及还原剂：非焦煤 预还原设备：HYL竖炉 熔融气化炉：KORM炉 矿石预还原度: 30% 二次燃烧率：40% 传热效率： 80% 氧气消耗：m3/tHM 477 煤耗 kg/tHM: 766 煤气发热值106J/m3 : 5.77,5.6 中国熔融还原流程,国内熔融还原技术开发工作始于60年代，积累了一定的经验。1994年，科技部把“熔融还原技术基础研究”列为国家“攀登计划”项目。 两步法流程： 含碳球团竖炉预还原+铁浴终还原 (控制预还