轉底爐直接還原復合球團工藝及理論

副題名

外文題名

Technology and Theory of Direct Reduction for Composite Pellets by RHF

論文作者

傅念新著

導師

張圣弼教授指導

學科專業(yè)

冶金物理化學

學位級別

d 1995n

學位授予單位

北京科技大學

學位授予時間

1995

關鍵詞

復合球團 直接還原 海綿鐵 轉底爐

館藏號

唯一標識符

108.ndlc.2.1100009031010001/T3F24.012002618751

館藏目錄

BSLW 1998 TF559 1\ \ 2100433B

轉底爐(RHF)工藝的主體設備轉底爐是由軋鋼使用的環(huán)形加熱爐演變而來,是一個平坦的、內有耐火材料襯的可以轉動的環(huán)形高溫窯爐。其燒嘴位于爐膛上部,所用燃料可以是天然氣、燃油、煤粉等。

爐內的工藝過程是:球團等爐料從裝入區(qū)裝入爐內后隨著爐床前進,首先在加熱區(qū)被加熱到1000℃以上,然后進入溫度更高的還原區(qū),氧化鋅和氧化鐵通過球團等鐵料中所含的碳進行還原反應。

在還原區(qū),鋅以氣態(tài)形式分離出來而被脫除。燃燒及反應所生成的氣體沿著與爐床前進的相反方向流入廢氣系統(tǒng)中。被還原的球團等在爐內稍微冷卻后通過排出裝置排到爐外。轉底爐工藝中,含碳球團等爐料中的碳是主要的燃料,其加熱后產生的揮發(fā)份和還原鐵氧化物等產生的CO是主要還原劑,外部燒嘴加熱用燃料只是輔助部分,僅占所需能量的約15%。因此,含碳球團等爐料中的碳利用非常充分,該工藝既有利于節(jié)能又有利于減少污染物的排放。一般含鐵料還原時間為半小時以內,所以轉底爐是生產效率較高的工藝。

轉底爐工藝有多種,主要包括Fastmet/ Fastmelt、ITmk3、Inmetco /Redsmelt、DryIron、Comet/Sidcomet、H I - Q IP等。

1　使用含碳球團的轉底爐工藝

（1）　Fastmet和Fastmelt工藝

Fastmet和Fastmelt工藝都是由美國和神戶合作開發(fā)的。鐵料可以使用鐵精礦,也可以使用鋼鐵廠含鐵粉塵等廢料, 還原劑采用含鐵廢料中含的碳,或者添加一些煤粉,把這些料混合在一起,添加粘結劑造球,成為含碳球團或者自還原球團,粒度為8～12mm,在160～180℃干燥后送給轉底爐。在轉底爐上鋪厚約20～30mm的球團, 快速加熱達到1 250～1 350℃,使其迅速還原成直接還原鐵(DR I) 。還原過程只需10～20min。

這種工藝脫硫能力較差, DR I的硫含量約0. 15%～0. 4%。所產DR I金屬化率較低。如把這種產品用于煉鋼,會使渣量增加,造成煉鋼的能耗上升和產量下降。所以Fastmet產品一般用于高爐。

新日鐵在廣畑廠共有2座年產能為19萬t的Fastmet轉底爐(分別于2000年和2005年投產)來處理含鐵廢料。神戶加古川廠有1座年產能為1. 6萬t的轉底爐(2001年投產)來處理富鋅含鐵廢料,塵泥含鋅率為0. 7%～0. 9% ,還原鐵的金屬化率為70%～85%。

為了分離渣和鐵,使鐵水可用于熱裝煉鋼,采用轉底爐與埋弧電爐( E IF)雙聯,形成一種二步法熔融還原過程。轉底爐進行“預還原”,電爐實現“終還原”, Fastmelt就是在Fastmet的基礎上開發(fā)的具有這種二步法的工藝,用埋弧電爐把直接還原鐵熔融成鐵水,其主要目的是可以生產高品質的鐵水供轉爐使用。

（2）　ITmk3轉底爐工藝

ITmk3工藝由日本神戶鋼鐵公司及美國米德蘭公司聯合開發(fā),在20世紀90年代中后期取得了突破性進展。類似于Fasmet的工藝流程。所不同的是, 它把工藝過程的還原溫度精確地控制在Fe - C平衡相圖中一個固液共存的新區(qū)域。在這一溫度范圍內(約1 350～1 450℃) ,含碳球團礦被還原和熔化,鐵水從渣中分離出來,整個過程只需10min就可完成。還原后熔化殘留的FeO很少,因而不存在FeO對耐火材料的破壞。該工藝對還原氣氛的控制也非常獨到,能防止已生成的DR I發(fā)生二次氧化,所生產的DR I(粒狀鐵塊)金屬化率很高,但所耗燃氣比Fasmet多。

所用原料很廣,鐵礦粉和低品位鐵礦都能使用,碳原料可用煤、石油焦或其他含碳原料。礦石中氧化物的鐵都轉化為金屬鐵,并且成品中不含FeO,碳含量可以通過碳的加入量和加熱制度控制,最高可達3. 5%。DR I的硅、錳、磷含量則取決于原料的成分,硫含量取決于燃料中硫的含量。

2007年末,神戶鋼鐵公司與美國動力鋼公司達成協(xié)議,擬在美國的明尼蘇達Hoyt湖建一座ITmk3商業(yè)生產廠,總投資約2. 35億美元,年產能50萬t,計劃于2009年投產。

（3）　Inmetco和RedSmelt工藝

Inmetco工藝是加拿大國際鎳集團( INCO, Ltd)為了處理利用冶金廢棄物而開發(fā)的。1978年在美國賓州Ellwood城的國際金屬回收公司建成世界上第一座商用轉底爐,是首例通過處理冶金廠廢棄物進行Zn、Ni、Cr等金屬回收的轉底爐,年處理4. 7萬t循環(huán)料,該爐成功運行約30年。該工藝基本與Fasmet相似,但在裝料、爐溫分布、燒嘴形式、高溫廢氣熱量利用等方面有所不同。它是用帶式輸送機和1臺專用振動輸送給料機將生球均勻地布到轉底爐的。爐內球團層總厚度為18～22mm (約2～3層球)。日本新日鐵君津廠分別于2000年和2002年各投產了一座這種類型的轉底爐,一座處理低鋅灰塵,另一座處理高爐瓦斯灰和轉爐塵,年處理能力分別為18萬t和14萬t。

近年德國曼內斯曼與意大利匹昂梯公司在In2metco基礎上發(fā)展成轉底爐與埋弧爐相結合的聯合流程———RedSmelt,最終產品是鐵水,類似于高爐鐵水。直接還原鐵可以在熱態(tài)下送入埋弧爐,電耗約550kW · h / t, 直接還原鐵的設計煤耗約為400kg/ t。之后, SMS Demag用氧煤基熔融爐代替埋弧爐形成RedSmelt NST (New Smelting Technology)工藝,以降低成本。示范廠在意大利Piombino廠建設,年處理含鐵料能力為5. 5萬t。

（4）　美國動力鐵轉底爐工藝

美國動力鐵轉底爐工藝是美國動力鐵公司( ID I: Iron Dynamics Inc)開發(fā)的,包括礦石及煤的破碎研磨和制備、造球、轉底爐還原、埋弧爐熔融等工序。含碳球團的平均粒度為11mm,干燥后使之含水分約1% ,然后預熱至150℃,通過振動輸送系統(tǒng)把球團分層裝入轉底爐內,爐內料層厚度為38. 1～50. 8mm。

轉底爐爐膛外徑為50m。所產直接還原鐵的金屬化率為85% ,溫度1 000℃,DR I可熱態(tài)送到埋弧爐。轉底爐廢氣可以預熱燃燒空氣,以及為礦石、煤和球團干燥器供熱等。埋弧爐有兩個出鐵口和一個出渣口。年產量為50 萬t鐵水,電耗為400 ～500kW·h / t。平均鐵水成分為Fe: 95. 8%、C: 3. 2%、S:0. 025%、Si: 0. 50% ,溫度1 500℃。

2　使用干壓塊的轉底爐工藝

DryIron轉底爐工藝是美國MR&E 公司開發(fā)的,其特點是用自然干燥的原料和燃料,混合后經高壓成型機造塊,而不用粘結劑。球團中碳與鐵氧化物的重量之比應控制為1. 6 ∶1,可使所產DR I金屬化率達到90%以上。焦粉或非冶金煤與鐵礦石或者鐵氧化物廢料直接混合后壓制成塊,然后,在轉底爐單層裝料,把溫度控制在1 288℃進行高溫輻射加熱。第一座DryIron轉底爐是新日鐵在光廠建設以處理殘渣的,年產能為2. 8萬t,轉底爐外徑為15. 0m,于2001年5月投產。

3　直接把鐵礦粉和煤粉鋪在轉底爐中的工藝

把鐵礦粉和煤粉直接鋪在轉底爐中進行DR I生產的工藝有Comet/Sidcomet、H I - Q IP和Pri2mus工藝。

（1）　Comet工藝

Comet是由盧森堡DRM 研制中心開發(fā)的工藝,把鐵精礦和煤粉(加石灰石)在轉底爐內分層布料,料層厚度為6. 4mm左右,加熱時間為20min左右。鐵精礦要求100目占80%,為了脫硫,煤中預先配入了少量石灰石。在原料相同的條件下,產品質量優(yōu)于含碳球團轉底爐工藝,金屬化率可達92% ,但生產效率低20% ,由于減少了造球設備,設備投資有所降低。

Comet工藝進一步發(fā)展成兩段式還原和熔融工藝,稱為Sidcomet工藝,分為轉底爐還原段和埋弧爐段,產品類似于高爐鐵水。計劃在希德馬建一座年產量為75萬t的工業(yè)廠,但沒實施。

（2）　H I - Q IP工藝

H I - Q IP (High Quality Iron Pebble Process) 是JFE開發(fā)的轉底爐工藝,可以直接使用鐵礦粉和煤粉進行冶煉。該工藝的典型特點是,把含碳料層作為轉底爐的耐火襯、熔融鐵的鑄模和輔助還原劑,因而投資少,成本低,且產品質量高。

把含碳物料(如煤粉,粒度小于3mm)作為轉底爐的底部料層,然后將其表層鋪勻,并在該料層表面做多個杯狀孔洞,孔洞直徑約50mm,深約15mm,間距約70～80mm,然后將鐵礦粉、煤及其它原料混勻后鋪在含碳料層上。在1 500℃的高溫下,混合物中的煤粉氣化后產生的還原氣體作為主要還原劑,底層含碳物料作為輔助還原劑,鐵礦粉被還原和熔融,脈石和灰分隨石灰石一起熔融,形成的生鐵和爐渣流進底部含碳料層的孔洞中,冷卻后形成礫石狀鐵塊和渣塊,然后用螺旋卸料機卸出,整個還原時間約為15min。JFE已完成了中試,證明該工藝是成功的,可以在較高生產率下連續(xù)生產。

（3）　Primus工藝

Primus工藝是盧森堡PaulWurth開發(fā)的轉底爐工藝,直接使用鐵礦粉,不用造塊設備。主要裝置為多層轉底爐。多層轉底爐是個簡單、緊湊而又可靠的裝置,由幾個相似的單元豎直配置而成。由攪拌臂來移動爐料,攪拌臂由裝有冷卻裝置的旋轉的軸向桿支撐。在每一層,該軸向桿都支撐幾個攪拌臂,可以把爐料從爐墻移到中心,再從中心移到爐墻,然后爐料依靠重力下落到下層,最后從最底層排出。爐子靠安在爐墻的燃燒器加熱,通常廢氣沿著爐子逆向流動。Primus工藝中,爐子工作溫度達1 100℃,固體還原劑(煤)與含鐵物料一起裝入,在爐內進行混合。

在實驗室試驗成功后, Paul Wurth 在Luxem2bourg的Differdange 建一座中試廠,處理安賽樂在Luxembourg的三座電爐廠產生的副產品。設計處理能力為每年8萬t,于2003年年初投產,取得良好效果 。

《氣基豎爐直接還原技術及仿真》介紹了氣基豎爐直接還原技術的基礎理論、仿真分析及實驗研究。內容涵蓋了氣基豎爐直接還原技術的國內外現狀及發(fā)展趨勢、直接還原機理、物料平衡分析、氣基豎爐的爐型設計方法、氣基豎爐內流場、布料過程的仿真模擬、物料熱送工藝及裝備等方面的知識，內容力求科學性與通俗性相結合，由淺入深，循序漸進。

《氣基豎爐直接還原技術及仿真》可作為高等院校冶金機械、燒結球團等相關專業(yè)的本科生、研究生的教材或參考書；也可供廣大冶金設計研究院、燒結球團行業(yè)的技術人員、DRI豎爐生產企業(yè)的從業(yè)人員參考。