轉(zhuǎn)爐熔融還原煉鐵工藝探討

1、轉(zhuǎn)爐熔融還原煉鐵工藝探討劉文運(yùn) 徐 萌 (首鋼集團(tuán)技術(shù)研究院)摘要：本文簡要介紹了COREX、HIsmelt、AusIron以及DIOS熔融還原煉鐵工藝，并用煤塊做了降低熔融還原爐渣中FeO試驗(yàn)，證明爐渣中FeO可以降低到2.0%以下，并可同時回收熔融爐渣中夾帶的珠鐵。在此基礎(chǔ)上，本文提出了利用煤粉和氧氣的燃燒噴槍對熔池進(jìn)行攪拌和在熔池表面二次燃燒，進(jìn)行轉(zhuǎn)爐熔融還原煉鐵的工藝。關(guān)鍵詞：熔融還原 轉(zhuǎn)爐 COREX HIsmelt AusIron DIOS Discuss on the BOF Smelting Reduction Ironmaking ProcessLIU Wen-yun, XU

2、 MengResearch Institute of Technology, Shougang Group, Beijing, 100041, China Abstract：In this paper, smelting reduction ironmaking processes including COREX, HIsmelt, AusIron and DIOS are simply introduced. The experiment on decreasing FeO of slag from smelting reduction furnace by coal is carried

3、out. Results has proved that the FeO content of slag is able to be decreased by less than 2.0%, and iron beads entrained into slag can be recovered at the same time. On this basis, the BOF smelting reduction ironmaking process is proposed. The process includes agitating the molten bath and improving

4、 post combustion on the surface of molten bath by injecting coal and oxygen into the slag layer.Key word：Smelting reduction BOF COREX HIsmelt AusIron DIOS21世紀(jì)鋼鐵工業(yè)面臨資源、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等各方面挑戰(zhàn)，非高爐煉鐵工藝具有高效利用資源、環(huán)境友好、生產(chǎn)流程短以及提高生產(chǎn)效率等特點(diǎn)，世界各國紛紛花大力氣進(jìn)行研究和開發(fā)。當(dāng)前，在我國鋼鐵工業(yè)快速發(fā)展的條件下，焦煤短缺、環(huán)境保護(hù)已成為我們參與國際競爭的一大阻力，傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝愈來愈暴露出它的局限性，

5、需要我們及早研究適合我國條件的非高爐煉鐵技術(shù)，改變我國以焦炭為主的傳統(tǒng)高爐煉鐵能源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)我國鋼鐵工業(yè)的健康和可持續(xù)發(fā)展。1 幾種熔融還原煉鐵工藝介紹上世紀(jì)80年代以后，德國、日本、美國、前蘇聯(lián)、澳大利亞等國家非常重視熔融還原工藝的研發(fā)，各自投入大量人力、物力進(jìn)行研究開發(fā)工作，從基礎(chǔ)理論、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)到半工業(yè)、工業(yè)試驗(yàn)都取得了許多成果，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。如奧鋼聯(lián)的COREX工藝，韓國浦項(xiàng)和奧鋼聯(lián)合作開發(fā)的FINEX工藝，澳大利亞的HIsmelt和AusIron工藝，日本的DIOS工藝等。目前，COREX和FINEX工藝已經(jīng)得到了工業(yè)應(yīng)用，HIsmelt工藝年產(chǎn)80萬噸的試驗(yàn)廠正在進(jìn)行試生產(chǎn)，A

6、usIron工藝年產(chǎn)50萬噸規(guī)模試驗(yàn)廠正在籌備之中。1.1 COREX和FINEX工藝COREX工藝1以天然塊礦、燒結(jié)礦、球團(tuán)等為原料，使用塊煤和部分焦炭做燃料，采用純氧操作。原料首先在還原豎爐內(nèi)進(jìn)行預(yù)還原，再送入熔融氣化爐，進(jìn)行熔化和終還原。COREX工藝如圖1所示，是把高爐從軟熔帶部位一分為二，其熔融氣化爐類似于高爐的下部爐缸和爐腰，內(nèi)部充填幾米厚的焦塊或煤塊、型煤等，下部噴吹純氧，熔化預(yù)原度為93%的礦石和球團(tuán)。該工藝對煤、礦石、球團(tuán)等的要求超過或等同于高爐，并仍需要部分焦塊，相對高爐工藝來說只是減少了焦炭的消耗，無法取消燒結(jié)、球團(tuán)和焦化等污染較大的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。FINEX工藝是COREX工

7、藝的進(jìn)一步發(fā)展，它用流化床代替了預(yù)還原豎爐，可以直接使用鐵礦粉，但由于熔融氣化爐沒有改變，仍需要一定量的焦塊或型煤。1.2 HIsmelt工藝HIsmelt工藝2的熔融還原反應(yīng)是在豎式的鐵浴熔池中進(jìn)行，如圖2所示。破碎后的煙煤或無煙煤直接通過噴槍噴入熔池中，鐵礦粉或其他含鐵原料、鋼鐵廠的含鐵廢棄物等經(jīng)過預(yù)熱和還原后通過熱礦噴槍直接噴入熔融還原爐內(nèi)。還原產(chǎn)生的煤氣與上部噴入的高溫富氧熱風(fēng)進(jìn)行二次燃燒，加熱爐內(nèi)渣和鐵，為熔融和還原反應(yīng)提供熱量。與COREX和FINEX工藝相比，HIsmelt技術(shù)不使用焦炭，能夠直接使用非焦煤、粉礦和鋼鐵廠的含鐵廢料，還可大量使用廉價的高磷鐵礦。采用流化床工藝對礦粉

8、進(jìn)行預(yù)熱和預(yù)還原，能夠大幅度提高系統(tǒng)的產(chǎn)能和降低燃料消耗。工藝存在問題一是爐渣脫硫效果差，原燃料中帶入的硫有較大部分進(jìn)入到煤氣粉塵中，煙氣需要脫硫處理，同時鐵水中硫含量較高，也需要脫除。二是熔融還原過程中爐渣FeO較高，對爐襯浸蝕嚴(yán)重，為此，爐缸磚襯設(shè)計壽命僅18個月，但能否達(dá)到還是未知數(shù)。HIsmelt工藝示范廠-Kwinana廠經(jīng)過兩年多的熱試車和試生產(chǎn)，目前已經(jīng)達(dá)到了50%的設(shè)計生產(chǎn)能力，小時產(chǎn)量最高達(dá)到了設(shè)計值的80%，煤耗最好水平接近了850Kg/t鐵水，累計產(chǎn)量近20萬噸，初步驗(yàn)證了HIsmelt工藝的可行性，但距工業(yè)化生產(chǎn)還有一定距離。1.3 AusIron工藝Ausmelt工藝

9、3在有色金屬冶煉中已應(yīng)用多年，Ausmelt公司在此基礎(chǔ)上開發(fā)出了AusIron熔融還原煉鐵方法。AusIron熔融還原反應(yīng)也是在豎式的鐵浴熔池中進(jìn)行，如圖3所示。它直接使用鐵礦石和非焦煤。鐵礦石、煤粉和熔劑混合后經(jīng)爐頂裝料口直接裝入熔池。系統(tǒng)的核心設(shè)備是浸入熔池中的套筒式噴槍，由噴槍噴入富氧空氣和燃料進(jìn)行燃燒，并強(qiáng)烈攪動熔池，使加入的礦粉、熔劑和煤塊等在熔池中迅速熔化、還原。同時由噴槍外部套筒噴入的富氧空氣，將反應(yīng)產(chǎn)生的CO等在熔池表面全部燃燒，為熔融和還原反應(yīng)提供熱量。通過調(diào)節(jié)噴吹的燃料與富氧空氣、加入料中礦石與煤粉之比，可以靈活控制爐內(nèi)反應(yīng)氣氛，調(diào)整熔渣的流動性，脫除硫和磷。與COREX

10、和HIsmelt工藝相比，主要用于有色金屬冶煉的Ausmelt工藝規(guī)模小、冶煉強(qiáng)度低。國內(nèi)云錫集團(tuán)直徑4.4米Ausmelt爐為世界最大煉錫爐，生產(chǎn)能力僅為3萬噸/年，安徽銅陵冶煉廠Ausmelt煉銅爐的生產(chǎn)能力最大也僅為30萬噸/年4，其熔融還原最高溫度僅為13105。他們在此基礎(chǔ)上進(jìn)行AusIron工藝開發(fā)，只進(jìn)行了2噸/小時規(guī)模的工業(yè)試驗(yàn)。由于煉鐵的冶煉溫度升高，爐體的耐火材料、噴槍結(jié)構(gòu)和壽命等方面有許多問題還需要深入研究，其50萬噸的工業(yè)試驗(yàn)廠目前還在籌劃之中。1.4 DIOS 工藝 DIOS工藝2的熔融還原反應(yīng)是在轉(zhuǎn)爐熔池中進(jìn)行，直接使用低品位的粉礦和廉價的普通煤，如圖4所示。預(yù)還原

11、采用復(fù)合型流化床，第一級預(yù)熱，還原率很低，第二級還原，還原度一般不超過25%。終還原采用加壓式轉(zhuǎn)爐，頂部吹氧，底部吹氮，二次燃燒率較高，一般大于60%。DIOS工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明：絕大部分的氧化鐵在終還原爐中還原，最終爐渣氧化鐵高達(dá)5-10%，不但鐵的回收率低，爐襯壽命也較短，采用水冷結(jié)構(gòu)，每隔2個月仍需對爐襯進(jìn)行修補(bǔ)。2 熔融還原爐渣的降FeO實(shí)驗(yàn)熔融還原反應(yīng)是在熔池中連續(xù)進(jìn)行的，還原產(chǎn)生的少部分珠鐵以及沒有完全進(jìn)行反應(yīng)的FeO、Fe2O3等與爐渣一起被排出爐外。爐渣中一般含有5%左右的FeO，加上爐渣中的珠鐵，一般含鐵5-10%。為了提高鐵資源利用率和探索熔融還原工藝爐渣中FeO極限，我們在

12、2005年曾經(jīng)進(jìn)行了降低熔融還原爐渣中FeO的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用高溫碳管爐，用高爐渣、氧化鐵皮、白灰、石英粉等配制熔融還原爐渣，使用粒度35mm和510mm塊煤作為還原劑。將配制爐渣的材料混合后放入高鋁坩堝內(nèi)，放至碳管爐中加熱到1500，觀察爐渣全部熔化后再保溫10min，確定實(shí)驗(yàn)爐渣原始成分。同時，將510mm的煤塊放入高鋁坩堝內(nèi)，加熱至1500后再將爐渣混料裝入石墨漏斗中，放入碳管爐內(nèi)熔化并滴入煤塊里。每隔12min，用鎳絲攪拌熔池，保溫一定時間后，降溫至1200取出。另外，我們還使用石墨坩堝，選用35mm粒度煤塊，保溫30min，確定近終點(diǎn)時爐渣FeO含量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。從表1可以看出，近

13、終點(diǎn)實(shí)驗(yàn)的爐渣FeO為1.04%，與高鋁坩堝15min的爐渣FeO含量1.08%相當(dāng)，證明用煤塊可以很快將爐渣中的FeO降低到1.0%左右，且還原反應(yīng)一般1520min即可接近終點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)6中熔融還原反應(yīng)后爐渣FeO為1.67%相近。另外，首鋼鋼研所80年代在礦粉直接液相還原工業(yè)試驗(yàn)中，通過向熔池噴吹煤粉為鐵水增碳，爐渣中FeO最低降到了1.44%。據(jù)此我們可以認(rèn)為：使用噴槍直接向熔融還原熔渣中噴吹煤粉，可以在較短的時間內(nèi)將爐渣中的FeO降低到2.0%以下，同時沉淀熔渣中夾帶的鐵珠。HIsmelt、Romelt、AusIron等工藝為了保證熔融還原反應(yīng)能夠連續(xù)進(jìn)行，一般是采用虹吸式出鐵

14、和出渣，這就使一部分礦粉還沒有完全進(jìn)行反應(yīng)就隨爐渣排出爐外，極大地浪費(fèi)了鐵資源。如果采用轉(zhuǎn)爐間斷式生產(chǎn)，在轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)后期，向熔池噴吹煤粉，可以對熔池中鐵水增碳和進(jìn)一步還原熔渣中的FeO、沉淀爐渣中夾帶的珠鐵等，進(jìn)一步回收鐵資源。表1 降低爐渣中FeO含量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of experiment on reducing FeO of slagNo.TFeFeOSiO2CaOA12O3MgO備注18.709.9126.4634.1711.767.73高鋁坩堝化渣20.931.0828.1735.7919.087.90高鋁坩堝15分鐘31.021.1525.6934.832

15、1.927.82高鋁坩堝35分鐘40.881.0434.7339.1012.978.60石墨坩堝30分鐘3 轉(zhuǎn)爐熔融還原煉鐵工藝的提出DIOS、HImelt、AusIron、Romelt等礦石低預(yù)還原度、高二次燃燒率的熔融還原工藝都面臨著終還原爐FeO含量高、爐襯耐火材料侵蝕嚴(yán)重、爐缸壽命短等難題。在熔融還原煉鐵技術(shù)的研發(fā)過程中，我們完全可以借鑒現(xiàn)代氧氣轉(zhuǎn)爐的成熟技術(shù)和成功經(jīng)驗(yàn)，如通過濺渣護(hù)爐技術(shù)，解決熔融還原煉鐵工藝的爐襯壽命問題；通過間斷式出鐵，解決爐渣的精煉還原問題等，來解決熔融還原煉鐵過程中出現(xiàn)的各種難題。31工藝?yán)碚撧D(zhuǎn)爐煉鐵工藝是基于現(xiàn)代氧氣轉(zhuǎn)爐的成熟技術(shù)，如圖5所示，它采用厚渣層操

16、作和浸入式燃燒方法，利用熔池內(nèi)大量熔渣進(jìn)行礦石、煤粉、熔劑的熔融和還原。同時通過調(diào)整加料速度對熔渣起泡高度進(jìn)行有效控制，充分利用泡沫渣進(jìn)行冶煉，能夠極大提高二次燃燒傳熱效率和操作的穩(wěn)定性。浸入式燃燒方法是在熔池表面形成瀑布狀的濺渣，使二次燃燒產(chǎn)生的熱能夠迅速傳回到熔融反應(yīng)區(qū)。厚渣層可使熔池內(nèi)生成的鐵水與上部燃燒區(qū)的氧化氣氛有效隔離，防止發(fā)生再氧化。厚渣層同時配合浸入式燃燒技術(shù)，不但可最大限度的利用二次燃燒產(chǎn)生的熱量，而且可以為熔融和還原反應(yīng)提供大量反應(yīng)介質(zhì)，同時還能夠?qū)θ鄢剡M(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，加速熔融和還原反應(yīng)進(jìn)行。3.2工藝介紹轉(zhuǎn)爐熔融還原煉鐵工藝的冶煉過程可以分為熔融還原和精還原兩個階段：在熔融

17、還原階段，燃燒噴槍噴出的富氧空氣和煤粉形成燃燒火焰強(qiáng)烈攪動熔池，加入的爐料落入熔池后，在噴槍的攪拌下與熔渣混合、熔化。熔化后的鐵氧化物與溶解在熔池中的碳進(jìn)行還原反應(yīng)，生成CO和Fe，CO浮出后又與噴入的富氧空氣在熔池表面進(jìn)行二次燃燒為熔融和還原反應(yīng)提供熱量。原、燃料、熔劑等混合后從加料口連續(xù)加入爐內(nèi)，控制泡沫渣的高度。爐料中小于3mm的粉料可在精煉前通過爐料噴槍直接噴入熔池中或者通過濕捏機(jī)等加工成小球直接隨皮帶加入，以降低粉塵的量。一批爐料全部加入并熔化后，進(jìn)入精還原階段。在精還原階段，將小于3mm的煤粉通過爐料噴槍噴入熔池鐵水層中進(jìn)行精還原，以增加鐵水的含碳量，并將爐渣中的FeO降低到2.0

18、%以下，同時將爐渣中夾帶的小鐵珠沉淀到鐵水中。此時可以繼續(xù)噴吹富氧空氣進(jìn)行二次燃燒，為熔池提供熱量。爐渣中FeO合格后，傾動轉(zhuǎn)爐分別排出鐵水和爐渣。轉(zhuǎn)爐內(nèi)留一定量的爐渣，用于下一爐鐵水的冶煉。根據(jù)HIsmelt和AusIron經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)中可以將熔融還原反應(yīng)溫度控制在14501550，爐渣二元堿度控制在1.151.25，生產(chǎn)中可通過配加部分熔劑來調(diào)整爐渣堿度和熔渣的粘度，同時通過調(diào)整富氧率、礦石負(fù)荷以及噴吹煤的比例和調(diào)整噴槍的高度等措施來控制爐內(nèi)的反應(yīng)氣氛，提高熔池脫硫和脫磷能力。3.4 充分利用現(xiàn)代轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)氧氣轉(zhuǎn)爐經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前已經(jīng)全面取代了平爐，并被推廣到其它領(lǐng)域，顯示出了它的強(qiáng)

19、大生命力。其爐襯壽命從一開始的幾十爐次發(fā)展到上萬爐次，噸位從開始的幾噸達(dá)到目前的350噸，冶煉鋼種也從開始的幾十種達(dá)到目前幾乎所有鋼種，產(chǎn)量和效率都得到了極大的提高，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。DIOS、HImelt、AusIron等礦石低預(yù)還原度、高二次燃燒率的熔融還原工藝都面臨著終還原爐FeO含量高、爐襯耐火材料侵蝕嚴(yán)重、爐缸壽命短等難題2，另外HIsmelt和AusIron工藝采用虹吸出鐵方式控制鐵水液面高度，由于受鐵水長期侵蝕和沖刷，前置爐的壽命很難保證。在熔融還原煉鐵技術(shù)的研發(fā)過程中，我們完全可以借鑒現(xiàn)代轉(zhuǎn)爐的成熟技術(shù)，解決熔融還原煉鐵過程中出現(xiàn)的各種難題，特別是通過間斷式生產(chǎn)和

20、濺渣護(hù)爐等方法，解決熔融還原爐的壽命問題。 4 轉(zhuǎn)爐熔融還原煉鐵工藝的優(yōu)點(diǎn)(1)轉(zhuǎn)爐煉鐵工藝使用的主要設(shè)備與氧氣轉(zhuǎn)爐基本相同，產(chǎn)生煤氣可以全部二次燃燒，并采用負(fù)壓回收，設(shè)備系統(tǒng)簡單、成熟、安全、可靠。燃燒噴槍在有色工業(yè)中應(yīng)用多年，有許多經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。(2)原料范圍廣，粉礦、塊礦、煤塊及煤粉、自身產(chǎn)生的含鐵工業(yè)粉塵等均可直接應(yīng)用，同時還可以利用煉鋼產(chǎn)生的煤氣和鋼渣，有利于降低生產(chǎn)成本和能源消耗。(3)轉(zhuǎn)爐煉鐵工藝簡單、操作方便。生產(chǎn)中可通過調(diào)整配加熔劑的量來調(diào)整爐渣堿度、調(diào)整富氧率、礦石負(fù)荷、噴吹煤的比例以及二次燃燒噴槍的位置等來控制爐內(nèi)的反應(yīng)氣氛和爐渣流動性，提高熔池脫硫和脫磷能力。(4)使用轉(zhuǎn)爐間歇式生產(chǎn)，爐渣中FeO等可以通過噴吹煤粉回收，不但渣中FeO可以降低到2.0%以下，而且可以沉淀分離出爐渣中夾帶的部分珠鐵。 (5)轉(zhuǎn)爐煉鐵工藝完全取代了燒結(jié)、焦化和球團(tuán)、高爐等傳統(tǒng)煉鐵生產(chǎn)工序，極大地縮短了鋼鐵生產(chǎn)流程。另外，轉(zhuǎn)爐煉鐵工序與轉(zhuǎn)爐煉鋼工序布置在一起，結(jié)構(gòu)緊湊，便于生產(chǎn)組織和管理。5 結(jié)語熔融還原發(fā)展到今天，就其技術(shù)的成熟程度，生產(chǎn)規(guī)模，裝備的可靠程度都遠(yuǎn)不及傳統(tǒng)的高爐冶煉。熔融還原被人們接受和推崇的最重要的原因是它的環(huán)境友好性，即對環(huán)境的不良影響比高爐冶煉要小得多。以非焦煤為能源是熔