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轉底爐煤基煉鐵工藝及其發展前景

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摘要:詳細介紹了被稱之為“第三代煉鐵技術”的ITmk3工藝,也是目前唯一工業化的轉底爐煤基煉鐵工藝,對其發展過程、流程、工藝特點及其發展前景進行了詳細分析。

關鍵詞:轉底爐;ITmk3;粒鐵轉底爐

煉鐵工藝是非高爐煉鐵的一個分支,國內外均做過一些相關研究[1-5]。因其原料適應范圍廣,投資少,能耗低,對環境危害小等優點受到鋼鐵業普遍關注,尤其是在日本和美國得到了工業化應用。針對唯一一個商業化的轉底爐煤基煉鐵工藝—ITmk3,本文介紹了其發展、流程、工藝特點,進而分析了其發展前景。

1ITmk3工藝發展歷程

20世紀50年代,美國MidlandRoss公司(后改名Midrex,再后被日本神戶制鋼收購)發明了含碳球團的轉底爐直接還原法,命名為Fastmet工藝。1974年,美國的Inmetco公司把轉底爐用于消納不銹鋼生產中的氧化物粉塵,命名為Inmetco工藝。但此兩工藝(同屬煤基直接還原)的產品(DRI)硫含量過高問題一直未能解決。20世紀90年代,日本神戶制鋼對其子公司美國Midrex公司的Fastmet工藝的評價試驗中意外發現:溫度還未到鐵的熔點時,含碳球團發生熔化,且形成的粒狀鐵能與渣利索分離,粒鐵純度還很高(約95%)[6]。在此基礎上深入研究,取得突破性進展,命名為“IronmakingTechnologymark3”(ITmk3)。該工藝溫度(1350~1450℃)突破了直接還原的范疇,介于直接還原和熔融還原之間,使金屬化球團還原時呈半熔融態進一步熔化分離,得到高純度粒鐵[7],同時也徹底改變了直接還原對原料品位的苛刻要求。日本的加古川鋼廠所建的內徑為3.2m、生產率為0.35t/h的ITmk3用轉底爐(產能達3000t/a),于2000年12月完成中試。隨后神戶與美國合作成立了MNC公司專門研究開發ITmk3,用于工業試驗的的ITmk3轉底爐(設計產能為2.5萬t/a)于2003年5月出鐵,很快便24h運行。2010年在美國的明尼蘇達建成的產能為50萬t/a的商業工廠順利出鐵,2011年上半年生產率達80%、設備利用率達85%,主要因煤傳輸系統出現問題導致。目前,在北美、印度、哈薩克斯坦、烏克蘭等地正進行推廣。

2ITmk3工藝流程

1)原料處理。將鐵精粉和煤粉配料混勻,用造球或壓塊機得到球團或團塊,干燥后備用。鐵精粉可以是磁鐵礦粉,也可是赤鐵礦粉,對品位無嚴格要求(但低品位造成能耗增加)。燃料用非焦煤粉,可使用普通煤,也可使用石油焦,或其他含碳原料。2)還原熔分。將制好干燥的球團或壓塊放入轉底爐,料層不能過厚(1~3層為宜),隨爐床勻速轉動一周(生球依次經過裝料區、排煙區、預熱區、中溫還原區、高溫還原區和出料區),在生球與爐床靜止狀態下(故對球團強度要求不高)被加熱到1350~1450℃,發生還原、滲碳及熔融反應,渣鐵熔化,各自聚集,整個過程約需10min(煤粉與鐵氧化物緊密接觸,還原速度很快)。轉底爐爐床結構見圖1[3]。3)粒鐵產出。經快速冷卻的凝聚態渣鐵,使用排料裝置排出。粒鐵(稱為IronNugget)直徑5~25mm,且渣鐵分離干凈。4)廢氣處理。廢煙氣經熱交換器后除塵排出。

3ITmk3工藝特點

其獨特之處在于還原溫度精確的控制在1350~1450℃,使得體系處于Fe-C相圖中一個固液共存的新區域。不同煉鐵工藝的操作空間見如圖3[9]。在此相對較低的溫度范圍內,含碳球團發生還原、熔化,同時脈石也熔化,液態渣鐵分離。整個過程僅10min。還原熔分后的渣中殘留的FeO很少(質量分數小于2%),基本不存在對爐襯的侵蝕破壞。 與傳統高爐煉鐵對比:1)不需塊礦和焦炭,且礦粉和非焦煤粉品種選擇靈活,只需一般礦粉和煤粉即可(低品位礦粉也可,但影響能耗),原料適用性強。2)還原和渣鐵分離同時進行,在相對較低的溫度下反應快(從原料入爐,到熔分完成,只需10min),生產節奏快、易于調整。3)渣鐵分離徹底,產品粒鐵純度高、品質好,適宜冶煉優質鋼,有金塊之稱。4)無需焦化、燒結等鐵前工序,投資低,污染少,能耗更低。所產粒鐵,經電弧爐煉鋼試驗證明:純度高(w(Fe)為96%~97%)、不含渣、碳含量合適(w(C)為2.5%~3.5%),不存在再次氧化和粉化,熔解性能良好,比廢鋼、DRI品質更好[7]。ITmk3最大優點是反應快;ITmk3的難點在于渣鐵分離及控制粒鐵尺寸和純度。配入適量的添加劑(B2O3、Na2CO3、CaF2、Na2O等)可促進渣鐵分離;用冷凝水快速冷卻反應后的渣鐵混合物,有助于渣鐵分離更徹底;通過配加適量熔劑調整堿度(介于1.3~2.3,取決于原料含硫量),可降低粒鐵中硫含量(普遍低于0.08%)。但轉底爐自身缺陷為生產能力有限(目前最大的轉底爐生產能力約50萬t/a)。與年產百萬噸規模的高爐不能相提并論,所以完全替代高爐不太可能。

4ITmk3工藝發展前景

ITmk3在轉底爐內實現結塊、還原和熔分功能,是一步法煉鐵,球團最后被熔化,渣鐵分離良好,其產品是粒鐵。ITmk3使用鐵礦粉和非焦煤,可避免使用氧化球團、燒結礦和焦炭,從而減輕焦爐和燒結機對環境的壓力。還可以處理冶金廠產生的粉塵,及其他含鐵、鉻、鋅等廢棄物。對原料適應性強,以節能環保、復合循環經濟的特征,吸引了廣大冶金工作者的關注。Itmk3產品可以直接代替廢鋼(最高比例達40%~50%)用于電弧爐煉鋼,也可作品質優良的冷卻劑用于轉爐煉鋼,還可以用于高爐以降低焦比。電爐煉鋼中,可起到稀釋有害元素的作用,熱裝時還能加速熔煉,工藝操作良好,有助于生產高品質鋼種。ITmk3煤基直接還原工藝具有原料選擇靈活,設備和基建投資較低,設備運行穩定、操作靈活,能提高煉鋼的生產效率和產品質量,減低電爐煉鋼能耗,且能減少溫室氣體CO2及其他有害氣體和粉塵的排放,是新型友好的煉鐵工藝。

5結語

ITmk3具有很強的適應性和巨大的發展潛力。尤其我國鐵礦資源以低品位為主,隨節能、環保壓力越來越大,短流程、能耗少的煉鐵工藝必然成為未來發展趨勢。但目前全世界僅1座商業化的ITmk3爐,工業相關的核心操作技術還嚴格保密。同期北京科技大學開發的CHARP工藝,與ITmk3幾乎相同,但尚處于實驗室研究階段[10-11]。更需深入進行系統研究、掌握其基本原理,盡快發展適宜我國資源的轉底爐煤基生產粒鐵技術。

參考文獻

[3]劉然,張欣媛,呂慶.轉底爐煉鐵工藝的發展和應用[J].材料導報A,2014,28(10):36.

[4]王廣,薛慶國,孔令壇.轉底爐珠鐵工藝及其在中國的應用前景[J].中國冶金,2013,23(12):5.

[5]段世鈺,陳永軍.轉底爐處理鋼鐵廠塵泥[J].工業爐,2016,38(9):20.

[6]張偉,王再義,張寧.ITmk3工藝的技術特點及應用前景[J].鞍鋼技術,2010(5):10.

[7]多久也,根上.ITmk3—新千年的先進煉鐵工藝[J].國外金屬礦山,2002(1):57.

[8]張穎異,師學峰,齊淵洪.ITmk3的工藝特點和商業應用現狀[J].中國有色冶金,2014(5):17.

[10]徐萌.轉底爐煤基熱風熔融煉鐵工藝的基礎性研究[D].北京:北京科技大學,2006.

[11]郭明威,徐萌,張建良.CHARP工藝過程中的硫行為及硫控制[J].鋼鐵研究學報,2007,19(2):10.

作者:張志霞 宋說講 單位:六盤水師范學院 化學與材料工程學院

煉鐵雜志責任編輯:張雨    閱讀:人次
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