轉(zhuǎn)底爐直接還原復(fù)合球團(tuán)工藝及理論簡介

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(dǎo)師

張圣弼教授指導(dǎo)

學(xué)科專業(yè)

冶金物理化學(xué)

學(xué)位級別

d 1995n

學(xué)位授予單位

北京科技大學(xué)

學(xué)位授予時間

1995

關(guān)鍵詞

復(fù)合球團(tuán) 直接還原 海綿鐵 轉(zhuǎn)底爐

館藏號

唯一標(biāo)識符

108.ndlc.2.1100009031010001/T3F24.012002618751

館藏目錄

BSLW 1998 TF559 1\ \ 2100433B

轉(zhuǎn)底爐(RHF)工藝的主體設(shè)備轉(zhuǎn)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(nèi)有耐火材料襯的可以轉(zhuǎn)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(nèi)的工藝過程是:球團(tuán)等爐料從裝入?yún)^(qū)裝入爐內(nèi)后隨著爐床前進(jìn),首先在加熱區(qū)被加熱到1000℃以上,然后進(jìn)入溫度更高的還原區(qū),氧化鋅和氧化鐵通過球團(tuán)等鐵料中所含的碳進(jìn)行還原反應(yīng)。

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(yīng)所生成的氣體沿著與爐床前進(jìn)的相反方向流入廢氣系統(tǒng)中。被還原的球團(tuán)等在爐內(nèi)稍微冷卻后通過排出裝置排到爐外。轉(zhuǎn)底爐工藝中,含碳球團(tuán)等爐料中的碳是主要的燃料,其加熱后產(chǎn)生的揮發(fā)份和還原鐵氧化物等產(chǎn)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(tuán)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(nèi),所以轉(zhuǎn)底爐是生產(chǎn)效率較高的工藝。

轉(zhuǎn)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(tuán)的轉(zhuǎn)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(jié)劑造球,成為含碳球團(tuán)或者自還原球團(tuán),粒度為8～12mm,在160～180℃干燥后送給轉(zhuǎn)底爐。在轉(zhuǎn)底爐上鋪厚約20～30mm的球團(tuán), 快速加熱達(dá)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(chǎn)DR I金屬化率較低。如把這種產(chǎn)品用于煉鋼,會使渣量增加,造成煉鋼的能耗上升和產(chǎn)量下降。所以Fastmet產(chǎn)品一般用于高爐。

新日鐵在廣畑廠共有2座年產(chǎn)能為19萬t的Fastmet轉(zhuǎn)底爐(分別于2000年和2005年投產(chǎn))來處理含鐵廢料。神戶加古川廠有1座年產(chǎn)能為1. 6萬t的轉(zhuǎn)底爐(2001年投產(chǎn))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(zhuǎn)底爐與埋弧電爐( E IF)雙聯(lián),形成一種二步法熔融還原過程。轉(zhuǎn)底爐進(jìn)行“預(yù)還原”,電爐實現(xiàn)“終還原”, Fastmelt就是在Fastmet的基礎(chǔ)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(chǎn)高品質(zhì)的鐵水供轉(zhuǎn)爐使用。

（2）　ITmk3轉(zhuǎn)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(lián)合開發(fā),在20世紀(jì)90年代中后期取得了突破性進(jìn)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(nèi)(約1 350～1 450℃) ,含碳球團(tuán)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(chǎn)的DR I(粒狀鐵塊)金屬化率很高,但所耗燃?xì)獗菷asmet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(zhuǎn)化為金屬鐵,并且成品中不含F(xiàn)eO,碳含量可以通過碳的加入量和加熱制度控制,最高可達(dá)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(dá)成協(xié)議,擬在美國的明尼蘇達(dá)Hoyt湖建一座ITmk3商業(yè)生產(chǎn)廠,總投資約2. 35億美元,年產(chǎn)能50萬t,計劃于2009年投產(chǎn)。

（3）　Inmetco和RedSmelt工藝

Inmetco工藝是加拿大國際鎳集團(tuán)( 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(zhuǎn)底爐,是首例通過處理冶金廠廢棄物進(jìn)行Zn、Ni、Cr等金屬回收的轉(zhuǎn)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(jī)和1臺專用振動輸送給料機(jī)將生球均勻地布到轉(zhuǎn)底爐的。爐內(nèi)球團(tuán)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(chǎn)了一座這種類型的轉(zhuǎn)底爐,一座處理低鋅灰塵,另一座處理高爐瓦斯灰和轉(zhuǎn)爐塵,年處理能力分別為18萬t和14萬t。

近年德國曼內(nèi)斯曼與意大利匹昂梯公司在In2metco基礎(chǔ)上發(fā)展成轉(zhuǎn)底爐與埋弧爐相結(jié)合的聯(lián)合流程———RedSmelt,最終產(chǎn)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(shè)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(shè),年處理含鐵料能力為5. 5萬t。

（4）　美國動力鐵轉(zhuǎn)底爐工藝

美國動力鐵轉(zhuǎn)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(zhuǎn)底爐還原、埋弧爐熔融等工序。含碳球團(tuán)的平均粒度為11mm,干燥后使之含水分約1% ,然后預(yù)熱至150℃,通過振動輸送系統(tǒng)把球團(tuán)分層裝入轉(zhuǎn)底爐內(nèi),爐內(nèi)料層厚度為38. 1～50. 8mm。

轉(zhuǎn)底爐爐膛外徑為50m。所產(chǎn)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(zhuǎn)底爐廢氣可以預(yù)熱燃燒空氣,以及為礦石、煤和球團(tuán)干燥器供熱等。埋弧爐有兩個出鐵口和一個出渣口。年產(chǎn)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(zhuǎn)底爐工藝

DryIron轉(zhuǎn)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(jīng)高壓成型機(jī)造塊,而不用粘結(jié)劑。球團(tuán)中碳與鐵氧化物的重量之比應(yīng)控制為1. 6 ∶1,可使所產(chǎn)DR I金屬化率達(dá)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(zhuǎn)底爐單層裝料,把溫度控制在1 288℃進(jìn)行高溫輻射加熱。第一座DryIron轉(zhuǎn)底爐是新日鐵在光廠建設(shè)以處理殘渣的,年產(chǎn)能為2. 8萬t,轉(zhuǎn)底爐外徑為15. 0m,于2001年5月投產(chǎn)。

3　直接把鐵礦粉和煤粉鋪在轉(zhuǎn)底爐中的工藝

把鐵礦粉和煤粉直接鋪在轉(zhuǎn)底爐中進(jìn)行DR I生產(chǎn)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(zhuǎn)底爐內(nèi)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(yù)先配入了少量石灰石。在原料相同的條件下,產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)于含碳球團(tuán)轉(zhuǎn)底爐工藝,金屬化率可達(dá)92% ,但生產(chǎn)效率低20% ,由于減少了造球設(shè)備,設(shè)備投資有所降低。

Comet工藝進(jìn)一步發(fā)展成兩段式還原和熔融工藝,稱為Sidcomet工藝,分為轉(zhuǎn)底爐還原段和埋弧爐段,產(chǎn)品類似于高爐鐵水。計劃在希德馬建一座年產(chǎn)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(zhuǎn)底爐工藝,可以直接使用鐵礦粉和煤粉進(jìn)行冶煉。該工藝的典型特點是,把含碳料層作為轉(zhuǎn)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(chǎn)品質(zhì)量高。

把含碳物料(如煤粉,粒度小于3mm)作為轉(zhuǎn)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(chǎn)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(jìn)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(jī)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(chǎn)率下連續(xù)生產(chǎn)。

（3）　Primus工藝

Primus工藝是盧森堡PaulWurth開發(fā)的轉(zhuǎn)底爐工藝,直接使用鐵礦粉,不用造塊設(shè)備。主要裝置為多層轉(zhuǎn)底爐。多層轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dá)1 100℃,固體還原劑(煤)與含鐵物料一起裝入,在爐內(nèi)進(jìn)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(chǎn)生的副產(chǎn)品。設(shè)計處理能力為每年8萬t,于2003年年初投產(chǎn),取得良好效果 。

《氣基豎爐直接還原技術(shù)及仿真》介紹了氣基豎爐直接還原技術(shù)的基礎(chǔ)理論、仿真分析及實驗研究。內(nèi)容涵蓋了氣基豎爐直接還原技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢、直接還原機(jī)理、物料平衡分析、氣基豎爐的爐型設(shè)計方法、氣基豎爐內(nèi)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(nèi)容力求科學(xué)性與通俗性相結(jié)合，由淺入深，循序漸進(jìn)。

《氣基豎爐直接還原技術(shù)及仿真》可作為高等院校冶金機(jī)械、燒結(jié)球團(tuán)等相關(guān)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(shè)計研究院、燒結(jié)球團(tuán)行業(yè)的技術(shù)人員、DRI豎爐生產(chǎn)企業(yè)的從業(yè)人員參考。