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转底炉煤基炼铁工艺及其发展前景

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摘要:详细介绍了被称之为“第三代炼铁技术”的ITmk3工艺,也是目前唯一工业化的转底炉煤基炼铁工艺,对其发展过程、流程、工艺特点及其发展前景进行了详细分析。

关键词:转底炉;ITmk3;粒铁转底炉

炼铁工艺是非高炉炼铁的一个分支,国内外均做过一些相关研究[1-5]。因其原料适应范围广,投资少,能耗低,对环境危害小等优点受到钢铁业普遍关注,尤其是在日本和美国得到了工业化应用。针对唯一一个商业化的转底炉煤基炼铁工艺—ITmk3,本文介绍了其发展、流程、工艺特点,进而分析了其发展前景。

1ITmk3工艺发展历程

20世纪50年代,美国MidlandRoss公司(后改名Midrex,再后被日本神户制钢收购)发明了含碳球团的转底炉直接还原法,命名为Fastmet工艺。1974年,美国的Inmetco公司把转底炉用于消纳不锈钢生产中的氧化物粉尘,命名为Inmetco工艺。但此两工艺(同属煤基直接还原)的产品(DRI)硫含量过高问题一直未能解决。20世纪90年代,日本神户制钢对其子公司美国Midrex公司的Fastmet工艺的评价试验中意外发现:温度还未到铁的熔点时,含碳球团发生熔化,且形成的粒状铁能与渣利索分离,粒铁纯度还很高(约95%)[6]。在此基础上深入研究,取得突破性进展,命名为“IronmakingTechnologymark3”(ITmk3)。该工艺温度(1350~1450℃)突破了直接还原的范畴,介于直接还原和熔融还原之间,使金属化球团还原时呈半熔融态进一步熔化分离,得到高纯度粒铁[7],同时也彻底改变了直接还原对原料品位的苛刻要求。日本的加古川钢厂所建的内径为3.2m、生产率为0.35t/h的ITmk3用转底炉(产能达3000t/a),于2000年12月完成中试。随后神户与美国合作成立了MNC公司专门研究开发ITmk3,用于工业试验的的ITmk3转底炉(设计产能为2.5万t/a)于2003年5月出铁,很快便24h运行。2010年在美国的明尼苏达建成的产能为50万t/a的商业工厂顺利出铁,2011年上半年生产率达80%、设备利用率达85%,主要因煤传输系统出现问题导致。目前,在北美、印度、哈萨克斯坦、乌克兰等地正进行。

2ITmk3工艺流程

1)原料处理。将铁精粉和煤粉配料混匀,用造球或压块机得到球团或团块,干燥后备用。铁精粉可以是磁铁矿粉,也可是赤铁矿粉,对品位无严格要求(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)还原熔分。将制好干燥的球团或压块放入转底炉,料层不能过厚(1~3层为宜),随炉床匀速转动一周(生球依次经过装料区、排烟区、预热区、中温还原区、高温还原区和出料区),在生球与炉床静止状态下(故对球团强度要求不高)被加热到1350~1450℃,发生还原、渗碳及熔融反应,渣铁熔化,各自聚集,整个过程约需10min(煤粉与铁氧化物紧密接触,还原速度很快)。转底炉炉床结构见图1[3]。3)粒铁产出。经快速冷却的凝聚态渣铁,使用排料装置排出。粒铁(称为IronNugget)直径5~25mm,且渣铁分离干净。4)废气处理。废烟气经热交换器后除尘排出。

3ITmk3工艺特点

其独特之处在于还原温度精确的控制在1350~1450℃,使得体系处于Fe-C相图中一个固液共存的新区域。不同炼铁工艺的操作空间见如图3[9]。在此相对较低的温度范围内,含碳球团发生还原、熔化,同时脉石也熔化,液态渣铁分离。整个过程仅10min。还原熔分后的渣中残留的FeO很少(质量分数小于2%),基本不存在对炉衬的侵蚀破坏。 与传统高炉炼铁对比:1)不需块矿和焦炭,且矿粉和非焦煤粉品种选择灵活,只需一般矿粉和煤粉即可(低品位矿粉也可,但影响能耗),原料适用性强。2)还原和渣铁分离同时进行,在相对较低的温度下反应快(从原料入炉,到熔分完成,只需10min),生产节奏快、易于调整。3)渣铁分离彻底,产品粒铁纯度高、品质好,适宜冶炼优质钢,有金块之称。4)无需焦化、烧结等铁前工序,投资低,污染少,能耗更低。所产粒铁,经电弧炉炼钢试验证明:纯度高(w(Fe)为96%~97%)、不含渣、碳含量合适(w(C)为2.5%~3.5%),不存在再次氧化和粉化,熔解性能良好,比废钢、DRI品质更好[7]。ITmk3最大优点是反应快;ITmk3的难点在于渣铁分离及控制粒铁尺寸和纯度。配入适量的添加剂(B2O3、Na2CO3、CaF2、Na2O等)可促进渣铁分离;用冷凝水快速冷却反应后的渣铁混合物,有助于渣铁分离更彻底;通过配加适量熔剂调整碱度(介于1.3~2.3,取决于原料含硫量),可降低粒铁中硫含量(普遍低于0.08%)。但转底炉自身缺陷为生产能力有限(目前最大的转底炉生产能力约50万t/a)。与年产百万吨规模的高炉不能相提并论,所以完全替代高炉不太可能。

4ITmk3工艺发展前景

ITmk3在转底炉内实现结块、还原和熔分功能,是一步法炼铁,球团最后被熔化,渣铁分离良好,其产品是粒铁。ITmk3使用铁矿粉和非焦煤,可避免使用氧化球团、烧结矿和焦炭,从而减轻焦炉和烧结机对环境的压力。还可以处理冶金厂产生的粉尘,及其他含铁、铬、锌等废弃物。对原料适应性强,以节能环保、复合循环经济的特征,吸引了广大冶金工作者的关注。Itmk3产品可以直接代替废钢(最高比例达40%~50%)用于电弧炉炼钢,也可作品质优良的冷却剂用于转炉炼钢,还可以用于高炉以降低焦比。电炉炼钢中,可起到稀释有害元素的作用,热装时还能加速熔炼,工艺操作良好,有助于生产高品质钢种。ITmk3煤基直接还原工艺具有原料选择灵活,设备和基建投资较低,设备运行稳定、操作灵活,能提高炼钢的生产效率和产品质量,减低电炉炼钢能耗,且能减少温室气体CO2及其他有害气体和粉尘的排放,是新型友好的炼铁工艺。

5结语

ITmk3具有很强的适应性和巨大的发展潜力。尤其我国铁矿资源以低品位为主,随节能、环保压力越来越大,短流程、能耗少的炼铁工艺必然成为未来发展趋势。但目前全世界仅1座商业化的ITmk3炉,工业相关的核心操作技术还严格保密。同期北京科技大学开发的CHARP工艺,与ITmk3几乎相同,但尚处于实验室研究阶段[10-11]。更需深入进行系统研究、掌握其基本原理,尽快发展适宜我国资源的转底炉煤基生产粒铁技术。

参考文献

[3]刘然,张欣媛,吕庆.转底炉炼铁工艺的发展和应用[J].材料导报A,2014,28(10):36.

[4]王广,薛庆国,孔令坛.转底炉珠铁工艺及其在中国的应用前景[J].中国冶金,2013,23(12):5.

[5]段世钰,陈永军.转底炉处理钢铁厂尘泥[J].工业炉,2016,38(9):20.

[6]张伟,王再义,张宁.ITmk3工艺的技术特点及应用前景[J].鞍钢技术,2010(5):10.

[7]多久也,根上.ITmk3—新千年的先进炼铁工艺[J].国外金属矿山,2002(1):57.

[8]张颖异,师学峰,齐渊洪.ITmk3的工艺特点和商业应用现状[J].中国有色冶金,2014(5):17.

[10]徐萌.转底炉煤基热风熔融炼铁工艺的基础性研究[D].北京:北京科技大学,2006.

[11]郭明威,徐萌,张建良.CHARP工艺过程中的硫行为及硫控制[J].钢铁研究学报,2007,19(2):10.

作者:张志霞 宋说讲 单位:六盘水师范学院 化学与材料工程学院

炼铁杂志责任编辑:张雨    阅读:人次
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