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        直接還原鐵技術

        直接還原鐵技術

        直接還原鐵是鐵礦在固態條件下直接還原為鐵,可以用來作為冶煉優質鋼、特殊鋼的純凈原料,也可作為鑄造、鐵合金、粉末冶金等工藝的含鐵原料。這種工藝是不用焦碳煉鐵,原料也是使用冷壓球團不用燒結礦,所以是一種優質、低耗、低污染的煉鐵新工藝,也是全世界鋼鐵冶金的前沿技術之一。

        直接還原煉鐵工藝有氣基法和煤基法兩種,按主體設備可分為豎爐法、回轉窯法、轉底爐法、反應罐法、罐式爐法和流化床法等。目前,世界上90%以上的直接還原鐵產量是用氣基法生產出來的。但是天然氣資源有限、價高,使生產量增長不快。用煤作還原劑在技術上也已過關,可以用塊礦,球團礦或粉礦作鐵原料(如豎爐、流化床、轉底爐和回轉窯等)。但是,因為要求原燃料條件高(礦石品位要大于66%,含SiO2+Al2O3雜質要小于3%,煤中灰分要低等),規模小,設備壽命低,生產成本高和某些技術問題等原因,致使直接還原鐵生產在全世界沒有得到迅速發展。因此,高爐煉鐵生產工藝將在較長時間內仍將占有主導地位。

        1 直接還原鐵的質量要求

        直接還原鐵是電爐冶煉優質鋼種的好原料,所以要求的質量要高(包括化學成份和物理性能),且希望其產品質量要均勻、穩定。

        11      化學成份

        直接還原鐵的含鐵量應大于90%,金屬化率要>90%。含SiO2每升高1%,要多加2%的石灰,渣量增加30Kg/t,電爐多耗電18.5kwh。所以,要求直接還原鐵所用原料含鐵品位要高:赤鐵礦應>66.5%,磁鐵礦>67.5%,脈石(SiO2+Al2O3)量<3%5%。直接還原鐵的金屬化率每提高1%,可以節約能耗810度電/t。直接還原鐵含C0.3%,P0.03%,S0.03%,Pb、Sn、As、Sb、Bi等有害元素是微量。

        12      物理性能

        回轉窯、豎爐、旋轉床等工藝生產的直接還原鐵是以球團礦為原料,要求粒度在530mm。隧道窯工藝生產的還原鐵大多數是瓦片狀或棒狀,長度為250380mm,堆密度在1.72.0t/m3。

        生產過程中產生的35mm磁性粉料,必須進行壓塊,才能用于煉鋼。強度:取決于生產工藝方法、原料性能和還原溫度。改進原料性能和提高溫度有利于提高產品強度。產品強度一般>500N/cm2。

        2 直接還原鐵產生工藝技術介紹

        21      豎爐法

        氣基豎爐法MIDREX、HYL法直接還原鐵產生中占有絕對優勢,該工藝技術成熟、設備可靠,單位投資少,生產率高(容積利用系數可達812t/md),單爐產量大(最高達180t/年)等優點。經過不斷改進,其生產技術不斷完善,實現規;a。

        1    MIDREX技術

            Midrex法標準流程由還原氣制備和還原豎爐兩部分組成。

        還原氣制備:將凈化后含COH270%的爐頂氣加壓送入混合室,與當量天然氣混合送入換熱器預熱,后進入1100℃左右有鎳基催化劑的反應管進行催化裂化反應,轉化成CO24%36%、H260%70%、CH43%6%870℃的還原氣。后從風口區吹入豎爐。

        豎爐斷面呈圓形,分為預熱段、還原段和冷卻段。選用塊礦和球團礦原料,從爐頂加料管裝入,被上升的熱還原氣干燥、預熱、還原。隨著溫度升高,還原反映加速,爐料在800℃以上的還原段停留46小時。新海綿鐵進入冷卻段完成終還原和滲碳反應,同時被自下而上通入的冷卻氣冷卻至<100℃。還原鐵的排出速度用出鐵器調節。產品典型成分如下:

        產品化學成分(%

        工藝/成分 Tfe ηFe SiO2 Al2O3 CaO MgO C P S

        Midrex 91-93 92-95 2.0-5.5 0.5-1.5 0.2-1.6 0.3-1.1 0.7-2.5 0.07 0.01 -0.03

                  工藝多用球團和塊礦混合爐料。球團粒度9-16mm95%,球團冷壓強度>2450N/球,塊礦粒度1035mm85%;要有高軟化溫度和中等還原性;化學成分鐵量要高,酸性脈石低(≯3%-5%),CaO2.5%,MgO1.0%,TiO0.15%,S0.008%。為放寬對礦石含硫要求,Midrex法改用凈化爐頂氣作冷卻氣。在冷卻海綿鐵的同時被熱海綿鐵脫硫,從冷卻段排出后再作為裂化劑,可容許用含硫0.02%礦石。

                    現今Midrex法作業指標為:產品金屬化率86%96%,有效容積利用系數10 t/md,能耗10.47GJ/t,電114kWh/t,水1.64m3/t。

                    Arex法是Midrex法的新改進,天然氣被氧氣(或空氣)部分氧化后送入豎爐,利用新生熱海綿鐵催化裂化,省去了還原氣重整爐。改進后噸鐵電耗可降低50Kwh。

        2    HYL(罐式)法與HYL-Ⅲ(豎爐)法。

                    HYL法由4座罐式反應爐和1座還原氣重整爐構成。該工藝作業穩定、設備可靠。產品含碳2%左右,不易再氧化,不發生爐料粘結;只因還原氣要反復冷卻、加熱,系統熱效率低,能耗偏高,氣體消耗為20.93GJ/t;1975年后再沒建新廠。

                    HYL罐式法作出改革,保留原還原制備工藝,但將還原氣重整轉化與氣體加熱合一;4個罐式反應爐改為連續式豎爐,稱HYL-Ⅲ豎爐法。

                    該工藝采用高氫還原氣,高還原溫度(900-960℃)和0.4-0.6MPa高壓作業。改善還原動力學,加速還原發應;含硫氣不通過重整爐,延長了催化劑和催化管使用壽命;還原和冷卻作業分別控制,能對產品金屬化率和含碳量進行大范圍調節,產品平均金屬化率90.9%、控制碳量1.5%-3.0%,質量穩定;配置CO2吸收塔,選擇性地脫除還原氣中H2OCO2,提高還原氣利用率;重整爐產生高壓蒸汽發電。最低生產能耗為10.43-11.2 GJ/t,電耗90kWh/t。HYL(罐式)法已逐漸被HYL-Ⅲ(豎爐)法取代,合計產量占世界總產量的25%左右。

                    該法的新改進是天然氣進入反應器直接裂解,生產高碳(3.8%DRI產品。最近又推出HYL-Hytemp生產系統。將熱還原鐵(650℃)氣力輸送到電爐車間,噴入電爐。冶煉時間縮短,電極和耐火材料消耗降低,金屬收率提高。噸鋼電耗降低112kW·h,電極消耗降低0.55kg,冶煉時間縮短16min,產率提高16%,噸鋼成本可降低4.6美元。

        22 氣基流化工藝

        1F1NMEF工藝

                該工藝使用<12mm粒度礦粉(脈石<3%,低硅高鐵),在流化床上干燥,被加熱到100℃,送入反應器結構頂端的閉鎖料斗系統中,加壓1.1MPa后,通過4個串聯液化床反應器,鐵粉在重力作用下從上方反應器向下流動,與作為還原劑的重整天然氣逆向而行。產品含鐵92%,金屬化率92%~95%,含碳0.5%~3.0%,以FeC形式存在,F世界上已有三套這種裝置,1999年奧鋼聯建第一套,第二套在西澳BNP公司,能力250萬噸/年,埃及建的第三套,年能力115萬噸。該工藝的優點成本低、質量好。

        1  CircoredCircofer工藝

        兩種工藝核心設備都包括一座循環液化床和一座普通流休床。Circored是用天然氣為能源,Circofer以煤為能源。鐵精礦粉是經過預熱后(約900℃)進入循環流化床參加反應,使動力學條件得到改善,在4個大氣壓條件下,鐵礦與氫在630℃時可被還原(在氣體環路中加入部分氫)。

        23轉底爐法

                將鐵礦粉、鋼鐵廠含鐵粉塵、煤粉和粘結劑按一定比例混合,壓制成含碳球團礦,送入烘干機內進行烘干,脫除水份。將干燥的含碳球團均勻地鋪在轉底爐上(只鋪一層),在高溫12001400℃下球團礦內氧化鐵與碳反應,放出CO,在爐膛內燃燒成CO2,并形成高溫廢氣(在1000℃以上)。一般反應只要20分鐘左右。

                將廢氣收引出預熱煤氣(400℃)和助燃空氣(900℃),低溫廢氣從蓄熱室和換熱器引出,再去烘干生球團。這時廢氣溫度在100℃左右。從節能角度看,能源利用效率較高。轉底爐的高溫氣體由燃燒器來提供(使用煤氣加熱)。

                轉底爐可以處理含Zn、Pb高粉塵,可以避免配入燒結礦中后,在高爐冶煉過程中Zn、Pb的富集造成的負面影響。

                目前的山西翼城,河南鞏義已有外徑為16.3米的轉底爐,年產量在7萬噸,金屬化率達85%,每噸鐵投資為182元。

        24開發利用焦爐煤氣,對含碳球團在豎爐內進行直接還原。焦爐煤氣含55%左右的氫。在化學反應中,氫對氧化鐵的還原率是最高的。目前,首鋼準備開展這方面的工作。焦爐煤氣要進行裂解,提高H2的含量,并要預熱到930950℃,在參與還原反應,反應后氣體要脫除CO2,再循環利用。

        用氫作還原劑存在的主要技術問題:

        ▪ H2還原鐵的其它氧化物都是吸熱反應,需要充足的熱。在滿足還原和供熱的煤氣的最佳H2含量為32.05%。

        富氫預還原會導致物料的粉結。采取分段供應富氫和非富氫供氣制度。

        3 直接還原鐵發展現狀

        31      全世界直接還原鐵發展比較快,2003年產量為4960萬噸,2004年為5460萬噸,2005年約為6000萬噸。年增長率在10%以上。在直接還原鐵生產工藝中,氣基直接還原占92%。

        各種直接還原鐵生產所占比例          單位:%

        MIDREX HYLHYLFinmet 其他煤基 其他氣基

        2003 64.60 18.40 1.30 5.20 10.20 0.40

        2004 64.10 18.90 1.90 2.90 12.10 0.10

        2004年委內瑞拉產量783萬噸,印度937萬噸,墨西哥654萬噸,伊朗641萬噸,俄羅斯314萬噸,沙特341萬噸,特立尼達和多哥236萬噸,中國為43萬噸。

        32      中國情況

        2005年中國生產直接還原鐵為約50噸,而生產能為比產量要高出20%。主要是技術、原料、成本等因素影響。

              全國現有30多個直接還原鐵企業,其總生產能力約60萬噸?傮w上講,規模小,生產成本高,缺少高品質的原料。多數企業用隧道窯反應罐法,生產工藝落后,能耗高,環境污染嚴重。

        1                    天津直按還原鐵廠生產實踐

                2004年產直接還原鐵33.2萬噸,2005年約產34萬噸,設備作業率在98%以上。

                該廠是采用DRC法煤基直接還原生產工藝:兩條φ5X80m回轉窯----冷卻筒----產品分選----成品。

                使用巴西球團礦(含鐵品位68%,SiO2+Al2O3約為2%)適宜配入煤和石灰石,進行混均,從回轉窯給料端加入。窯體是傾斜安裝,慢速旋轉,使爐料朝卸料端運動,同時,礦石被加熱和還原(注意溫度控制在不要使脈石熔融,以免結圈)。煤作為熱源和還原劑,一部分隨鐵礦石同時加入,另一部分從窯的卸料端噴入窯內。供煤所燃燒的空氣,通過沿窯長度方向安裝在窯殼上不同位置的風機由軸向吹入窯內。熱的還原產品經過冷卻筒冷卻,然后篩分、磁選及風選,分離出非磁性物,得到成品。來自窯內的煙氣經余熱鍋爐回收余熱(產生蒸汽),廢氣經布袋除塵,用廢氣風機送入煙囪。

            操作的技術關鍵:

              ▪ 保證窯內還原氣氛,控制好風量

              ▪ 控制好窯體內各部分的適宜溫度,不讓脈石熔融

              ▪ 窯的卸料端保持微正壓,20~30Pa

        控制直接還原鐵金屬化率在91.1%94.6%,質量合格率在94%,是最經濟的指標。金屬化率高和低,均會造成回轉窯和電爐煉鋼指標的惡化。(煉鋼過程加入直接還原鐵比例最好控制在15%35%,并要控制好料流加入速度3234Kg/兆瓦▪分,以免出現鋼水的沸騰現象以及噴濺)。

        影響產品金屬化率的因素是:頻繁停窯、非正常條件下生產(難以調控),窯和冷卻筒密封性不良、煤的成份波動和質量控制點選擇不當。

        2)首鋼密云冶金礦山公司煤基鏈篦機─ 回轉窯 ─ 一步法

            該公司直按還原鐵年生產能力6.20萬噸,

            ▪ 生產工藝:配料 ─ 造球 ─ 干燥(鏈篦機)─ 回轉窯(還原)─ 冷卻 ─ 成品。

            ▪ 鐵精礦水份嚴格控制在5.5%6.5%。

            ▪ 造球配皂土(粘結劑)0.8%1.0%,臺時產量20±2噸。

            ▪ 鏈篦機帶速為0.5m/min,布料厚度100120mm。

          生球抗壓強度1.2Kg/個,落下強度≧5/0.5m,水份控制在7.5%左右,粒度616mm85%以上。

            ▪ 回轉窯及熱工系統操作

            窯頭噴煤總量在7.0±0.5/小時,精煤槍壓力控制在60KPa,細煤槍壓力控制1014KPa。

            窯尾加煤控制在800±50Kg/h,嚴禁窯尾煤量過值。

            窯溫控制:窯頭箱<980℃,

                    1、2、3號電偶控制在10001040℃,短時溫度不得超過1060℃;

                    4、5、6號電偶控制在1000±20℃;

                    7、8、9號電偶控制在9501000℃;

            冷煙室溫度控制在700℃以下。

            鏈篦機預熱段溫度控制在850920

                  過渡段溫度控制在550650

                  干燥段溫度控制在250350

                  1、2號風箱溫度不得低于600

              回轉窯電機轉速控制在400440/分,主風機的回熱風閥門開度45%50%,轉速800850/分,回熱風機入口負壓780±20KPa,溫度310350℃。干燥風機閥門開度65%70%,轉速800850/分。

              產品質量標準的廠標是:鐵品位88%,S0.04%,金屬化率>90%。

          (3)山東萊蕪魯中冶金礦山公司直接還原鐵廠用冷固球團----回轉窯工藝生產直接還原鐵,年生產能力5萬噸。后改為塊礦回轉窯法。

            ▪ 福建大田海綿鐵公司用sic反應罐----隧道窯法生產直能力5萬噸/年。

            ▪ 喀左海綿鐵廠、哈爾濱市海綿鐵廠、吉林復森海綿鐵公司、吉林樺甸海綿鐵廠等也具備了年生產能力2.5萬噸。

         

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