熔融还原炼铁工艺技术的发展历程及其光明前景

2016-01-20   作者：佚名   网友评论 0 条

   　周渝生，洪益成

　　钢铁研究总院

　　1.熔融还原炼铁工艺技术发展过程及经验教训

　　熔融还原是指非高炉炼铁方法中那些主要以非焦煤为燃料、不用冶金焦炭或仅使用少量焦炭生产高质量液态热铁水，环境污染极小的工艺过程。熔融还原炼铁工艺是当代冶金工业非常关注的前沿研究开发课题之一。

　　1.1.一步法熔融还原

　　从1924年德国赫施钢铁公司提出在转炉中使用碳和氧气还原铁矿石的熔融还原炼铁方法，至今已经92年，全世界先后提出了近百种熔融还原炼铁的专利，早期的研究大多希望采用貌似简单的铁浴一步炼铁法，但是，由于难以克服在熔炼过程中炉衬的快速严重侵蚀和能耗过高等原因，几乎全部研究开发工作均陆续以失败告终。

　　瑞典埃克托普教授在1960年代提出“熔融还原”的理论，其基本概念是，在铁氧化物熔融状态下,其全部还原都依靠C+O2→CO2反应的热量来完成，生成的CO完全燃烧成CO2，产生的热量全部用于系统热平衡的需要。这样，可以达到最低理论碳耗321kg/t铁，在这个系统中碳是唯一的能源。 但是“还原炼铁过程中碳100%完全燃烧、碳是唯一的能源”都是不可能、不现实的。所以，也不可能达到“321kg/t铁”的最低碳耗。目前最先进的大型高炉炼铁流程，其全流程的吨铁能耗也超过540kgce/t铁水。

　　从50年代后期开始，欧美各国先期研究开发的熔融还原大多也是在一个反应器中一步完成全部熔炼过程，被称为“一步法”，例如Dored法、Retored法、CIP法、Eketorp—Vallak法、Wiberg法、Bruner法、Johnsson法等,也包括近几年结束研究的澳大利亚高强度熔融还原法(HIsmelt)。这些方法最终都失败了，失败的主要原因如下：

　　①“一步法”在同一反应器中同时进行的铁矿石的还原反应和煤炭的完全燃烧反应，彼此无法分开，将熔融还原过程中产生CO用氧完全燃烧，产生的热量高效地传递给熔池十分困难，氧化铁和炭质还原剂之间反应的传热和传质过程也分不开,还原出的金属铁难免被再氧化,因此炉渣含亚铁高,铁收得率低,炼铁工艺的经济性差。

　　②“一步法”冶炼过程中铁矿石首先熔融然后进行碳热还原，必然产生高(FeO)渣对炉衬有非常严重、快速的侵蚀作用，不仅更新耐材的成本高，每年必需停炉大修及经常性的炉衬维修作业使炼铁反应器的作业率低下,不能满足钢铁企业大规模、稳定、连续生产钢材的铁水需求。

　　③“一步法”熔融还原产出的大量1500℃以上含尘高温煤气难于用于氧化铁还原工艺本身(工程实现的难度很大)，热能回收利用效率低，使产品的能耗成本很高。

　　90年代以来，可持续发展对环境提出越来越高的要求，钢铁市场竞争激烈，高炉炼铁流程的竞争力不断提高，各国不断强化新工艺的研究，非高炉炼铁技术研发空前活跃，新的煤基熔融还原炼铁法不断涌现。为了解决“一步法”存在的炉衬侵蚀快、大量含尘的高温煤气的能量难以回收利用，能耗成本居高不下的难题。80年代以来国内外研究开发的熔融还原大多数是“二步法”，所谓“二步法”就是将还原过程分解为固体状态氧化铁的预还原和熔融状态的终还原两段，分别在两个反应器中进行，既充分利用终还热煤气的显热和化学能，同时又降低渣中(FeO)含量，以减轻对炉村的侵蚀。

　　1.2.二步法熔融还原

　　"二步法"的预还原装置多为流化床、竖炉、转底炉或回转窑。竖炉的优点是工艺成熟、还原率高、操作简单，缺点是必须用块矿或球团矿，预还原到70%-90%金属化率需要6-8h。流化床可以直接使用铁精矿粉或炉尘，反应速度比较快，缺点是设备复杂庞大、顺行控制的难度大。"二步法"利用终还原反应器产生的热煤气(主要成分为CO和部分H2)作预还原段的还原气或燃料，预还原后的物料可连续热送到终还原反应器，在高温熔融还原状态下进行终还原、渗碳、熔化、过热、渣铁分离，最终熔炼出与高炉生铁类似的优质铁水。终还原熔分炉有铁浴型、竖炉填充床型、电炉型等几种基本形式。"二步法"已成为目前研发的主流。

　　二步法熔融还原系统(如COREX法)一般由预还原、终还原和能量转化等工艺单元组成。矿石加入预还原单元，煤可以部分加入预还原及高温熔融终还原单元，氧气用来使煤气化和燃烧供热。从这两个单元输出的剩余煤气可用于生产DRI、发电或用作钢厂燃料、化工原料等。

　　1.2.1.低还原度、高二次燃烧率二步法熔融还原流程的经验教训

　　80年代以来欧美日等发达国家曾经轰轰烈烈地开发低预还原度含铁原料-高二次燃烧率二步法熔融还原工艺，如美国的AISI-DOE法，日本的DIOS法，俄国的ROMELT法，欧洲的CCF法(旋风转炉法),澳洲的AUSMELT法都是根据一种“高二次燃烧率(Post Combustion Rate)与高传热效率”理论，将高还原势环境下才能完成的铁矿石碳热还原过程，和高氧化势环境下才能实现的高二次燃烧率(PCR-即CO在炉内燃烧生成CO2的比例)供热，集成到一个反应器中实现集约化高效炼铁，认为这种方法可以大量节省燃料，又可快速反应实现熔融还原。但是在这种理论指导下开发的上述熔融还原炼铁新工艺迄今尚无一种成功地进行工艺生产，相反，在美国的AISI-DOE项目、日本的DIOS项目各自花费了1 亿多美元研发费用开展大规模工业试验并终止研究项目以后，都得出了比较一致的结论，即低预还原度的含铁原料结合高二次燃烧率反应工艺的工业试验结果表明，这一类熔融还原炼铁工艺的吨铁煤耗难于达到1000kg以下，由于1500℃渣中(FeO)高，对耐火材料侵蚀速度很快(0.1-1.0mm/h)，炉衬寿命过短，最终由于能耗居高不下，设备作业率低下,难以经济地生产铁水而终止了试验研究。

　　美国钢铁协会-能源部的AISI-DOE熔融还原直接炼钢法。1987年一批著名的美国炼钢炼铁专家组成的一个专家委员会为美国钢铁工业的发展方向作规划，其成员来自各个钢铁企业的专家和大学的著名教授如R.J.Fruehan等，E.Aucrust为该委员会的主席，在1987年参观交流考察了日本、欧洲开发的几种非高炉炼铁工艺后，该委员会向能源部提交了一份AISI-DOE熔融还原-直接炼钢开发计划并获得了资助。AISI工业试验的设备是匹兹堡USS公司中间试验厂的一座15t铁浴熔炼炉，使用煤、氧及预先在HYLSA竖炉中预还原成FeO的球团矿(预还原度25%-30%)，铁浴熔炼炉炼出的铁水经过钢包精炼处理直接炼钢(工艺流程示意图见图1.)，还计划将直接使用粉矿作为目标。计划中包括在大学和钢厂的实验室中开展的支持性研究，以及开展大容量铁浴炉二次燃烧试验等。预定1993年初完成项目后建造年产35万吨的示范工厂兼实用炉直接炼钢。但是，AISI在经过中试规模试验后，发现有难以解决的工程技术问题，于1993年终止了项目。

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