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摘要：转底炉炼铁是一项炼铁新工艺,它以煤炭和热风为基础,不用焦炭和氧气。本文介绍了它的原理和发展过程,对目前国外转底炉炼铁发展和工艺进行了综合阐述,同时,对中国引进和发展这项技术阐述了其必要性和可行性。并就转底炉在我国的发展和前景进行论述。
关键词:转底炉,炼铁,直接还原
1引言
转底炉炼铁工艺是非高炉炼铁工艺的一种,是近30年才发展起来的,主体设备源于轧钢用的环形加热炉，原料适用范围很广,不只适用于铁矿粉,还非常适合处理钢铁厂含铁含锌粉尘等废料。由于这一工艺无需燃料的制备和原料的深加工，对合理利用自然资源、保护人类环境有积极的作用，与其他炼铁方法相比较,转底炉优点在于对原料、燃料和还原剂的要求比较灵活,工艺简单,设备易于制造。因而投资少,成本低。因而受到了冶金界的普遍关注。目前该工艺已获得工业应用,工业化应用较多的国家为日本和美国。
2基本原理
转底炉以含碳球团矿(或压块)为原料,其配方为铁矿粉、煤粉和黏结剂,煤粉的配加量根据铁矿粉含O2量和煤粉含C量,按照C/O(碳和氧的摩尔比)大致等于1计算;黏结剂的配加量以能使生球(或压块)的强度满足工艺要求,过多的黏结剂不仅使生产成本增加,同时还可能降低产品的品质。如果铁矿粉为赤铁矿,制成的生球(或压块)在转底炉内高温烘烤下,发生如下的反应:
3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2(l)
2Fe3O4+2CO=6FeO+2CO2(2)
6FeO+6CO=6Fe+6CO2(3)
9CO2+9C=9CO(4)
3Fe2O3+9C=6Fe+9CO(5)
(△H)25℃:862.5kcal/KgFe
转底炉内温度很高(1200一1400℃),当生球(或压块)内部有足够的C时,Cq不能稳定存在,必然和C反应(见反应式(4)),因此,最终以反应式(5)进行,为吸热反应。上述化学反应在高温下进行的速度很快,一般只要20min左右。
3工艺流程
转底炉的工艺流程比较简单,如图1所示:铁矿粉、钢铁厂粉尘、煤粉和猫结剂存放在料仓之中,经过配料和混合,进人压球机,压制成含碳球团矿,然后送进烘干机,除去水分,装人转底炉。
含碳球团矿在转底炉内均匀地铺在炉底上(只铺一层),在高温下球团矿内的氧化铁与碳反应,释放出的CO在炉膛里燃烧成CO2。与煤气燃烧生成废气混合,形成高温废气。
高温废气的温度在1000℃以上,引出转底炉后,经过蓄热室和换热器,回收其携带的热能,同时将煤气和助燃空气分别预热到400℃和900℃。低温废气从蓄热室和换热器引出,再用于生球的烘干。
图1转底炉工艺流程图
Fig.1FlowchartforproductionofRHF
4转底炉工艺的发展过程
转底炉的发展到目前已有30多年的历史,主要经历了3个阶段。
(1)INMETCO和Fastmet工艺
INMETCO工艺是1978年加拿大国际镍集团(INCO,Ltd)为了处理利用冶金废弃物,在美国宾州Ellwood城的国际金属回收公司研发建成的世界上第一座具有生产规模的转底炉,并因此而命名为INMETCO[1],它也是首例利用冶金厂废弃物并同时进行Zn,Ni,Cr等金属回收的转底炉。它既可用来还原铁矿石,也可处理冶金厂产生的粉尘,以及其它含铁废弃物、含铬氧化物、生产不锈钢的废弃物、废电池以及酸洗残渣等。该炉成功运行约30年,成为美国政府指定的处理冶金废弃物中心,因此该厂具有较好的经济效益。
Fastmet工艺是由著名直接还原公司Midrex的前身MidlandRossCorporation于60年代开发的HeatFastProcess演变而来,80年代前期转向利用转底炉(RHF)炼铁。
以上两种工艺虽然实现了冶金废弃物的再利用,但是它还不能把料中的铁与脉石和煤中灰分分离,而这些杂质必然进入炼钢过程,使渣量增加,造成炼钢的能耗上升和产量下降。
(2)Fastmelt工艺和IDP工艺等
为了分离渣和铁,使铁水可用于热装炼钢,炉渣用来制成水泥或其它建材。国外一般采用埋弧电炉(矿热炉)作为熔分手段。即:使转底炉与电炉(熔分炉)双联,形成一种二步法熔融还原过程。转底炉作为预还原,而电炉实现终还原,从而实现热DRI[1]装入电炉熔分,获得铁水,热装入电炉炼钢或铁水铸块。这就是Fastmelt[2]工艺,是由美国Midrex公司开发的。
IronDynamicsProcess(IDP)是由美国动力钢公司(SteelDynamics,Inc.)开发,于1996年组建动力铁公司(IronDynamics,Inc.简称IDI)。动力铁公司拥有目前世界上最大的炼铁转底炉,年产能力为50万t铁水,转底炉外径为50m,炉床宽7m,以天然气为燃料。
除以上两种工艺外,国际上还有很多冶金公司试图研发更加有效的转底炉工艺,如由卢森堡CRM研究中心开发的COMET[3]转底炉工艺,其特点是不需要造球,铁矿粉和煤粉分层铺在转底炉上;由美国MR&E公司开发的DryIron工艺[4,5],其特点是用自然干燥的原料和燃料,并不用粘结剂,混合料经高压成型机压制成型(块状);由德国曼内斯德马格公司开发的Redsmelt工艺,计划为NSM带钢厂(年产钢150万t)的炼钢电弧炉提供铁水热装。DRI出转底炉后趁热(900℃)加入熔化的电炉中,获得铁水,计算成本为每吨铁水168.85美元,低于同等条件下的高炉和其它熔融还原的铁水。
图2FASTMET和FASTMELT的工艺流程
(3)Itmk3第三代炼铁法
日本神户制钢与美国米德兰(Midrex)公司联合开发转底炉直接还原新工艺(Fastmet),在20世纪90年代中后期取得了突破性进展,使金属化球团(直接还原铁,DRI,海绵铁)在转底炉中还原时轻度熔化,生成铁块(Nuggets),同时脉石也熔化,形成渣铁初步分离。此法的成功,将解脱DRI对原料品位的苛求,能用普通的高炉用铁矿为电炉提供优质铁料。因此意义重大,被命名为第三代炼铁法(Itmk3)。他们把高炉称为第一代炼铁法,产品属高碳液态铁水;把直接还原称为第二代炼铁法,产品属低碳固态铁;第三代炼铁法的产品介于二者之间,属中碳准熔化(或半熔)状态。
图3ITmk3转底炉工艺示意图
5转底炉的产品
转底炉可以生产直接供电炉用的海绵铁(DRI),但是需要高品位的铁矿和低灰分和低硫的煤炭作为还原剂,方能使产品的TFe达到90%,金属化率同时达到90%。理论计算表明,磁铁矿的TFe应当达到69.5%,赤铁矿应为68.5%,作为还原剂的煤粉灰分不大于4%,S低于0.6%。
如果用普通的高炉矿,含铁品位在64%左右,一般的煤炭含灰分在12%的水平,转底炉得到的产品含TFe约78%,金属化率在85%左右,脉石的总含量为18%一19%。这种产品虽然也可以装人电炉,但会导致渣量大,电耗高,未必经济。国外采取电炉熔分的办法,将这种产品再装进矿热炉冶炼,得到生铁和液态的炉渣,每冶炼出1t生铁约耗电500kw·h。我国的电价较贵,电力供应也比较紧张,不宜采用电炉熔分。若将这种产品作为高炉的金属化炉料,与高碱度烧结矿配合使用,可以将高炉的“精料”提高到更高的水平。
从20世纪60年代起,美国、加拿大、日本和前苏联都曾做过高炉用金属化炉料的冶炼试验,配比从30%一95%,试验表明,可以增产、节焦,技术效果是肯定的,但当时金属化炉料用天然气生产,成本太高,经济不合算。如今用转底炉,以煤为基础,成本低了。理论计算表明,只要使用金属化率高于65%的炉料,生铁的成本便明显低于一般高炉生铁的成本(见表1)。
当然,也可以模仿COREX工艺过程,以转底炉作为预还原设备,使炉料的金属化率达到90%,再装进终还原炉继续还原和熔分。
表1高炉使用金属化炉料的计算
6能耗与环保
转底炉炼铁新工艺与传统的高炉炼铁相比较,省去了炼焦、减少烧结、球团等工序,所以节能是显而易见的。况且转底炉本身的能量利用效率很高,排出的废气中几乎没有未燃烧的CO,而且经过换热和烘干生球,废气的排放温度也低于100℃。
转底炉生产过程中全部使用循环水冷却,没有污水排放。采用压球工艺,使粉尘大幅度减少,再经过除尘,废气含尘量可以降到50rng/m3以下,大大低于国家规定的标准。原料和燃料带来的S,大部分固化在炉渣之中,SO2的排放量为340rng/m3,也低于国家规定的限度。
7结论
(l)转底炉炼铁是近20年发展起来的新工艺,它以煤炭为能源和还原剂,不用氧气,设备简单,易于操作,投资节省,成本低廉。
(2)转底炉因铁矿粉和煤炭品质的不同,可以生产多种产品,有可供直接人电炉的高品位海绵铁,也能够生产“珠铁,’;但用一般原料、燃料生产的金属化炉料更具有普遍实用价值。
(3)转底炉省去了炼焦、烧结等工艺,废气带走的热量少,因此,可以节能。耗水量小,没有污染;排放的废气中粉尘和SO2等有害物资的携带量也大大低于国家规定的标准。
(4)转底炉的生产规模尚不够大,生产效率较低,炉底的利用系数只有60一80Kg/(m2·h),尚需继续研究改进。
参考文献:
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