轉(zhuǎn)底爐煉鐵新工藝的發(fā)展

1、轉(zhuǎn)底爐煉鐵新工藝的發(fā)展 摘要：轉(zhuǎn)底爐煉鐵是一項(xiàng)煉鐵新工藝,它以煤炭和熱風(fēng)為基礎(chǔ),不用焦炭和氧氣。本文介紹了它的原理和發(fā)展過程, 對(duì)目前國外轉(zhuǎn)底爐煉鐵發(fā)展和工藝進(jìn)行了綜合闡述,同時(shí),對(duì)中國引進(jìn)和發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)闡述了其必要性和可行性。并就轉(zhuǎn)底爐在我國的發(fā)展和前景進(jìn)行論述。 關(guān)鍵詞: 轉(zhuǎn)底爐;煉鐵;直接還原 development of rotary hearth furnace for ironmaking abstract:it is a new technology of ironmaking in the rotary hearth furnace. the coal and hot blas

2、t are used as the energy resources without coke and oxygen, the ironmaking technology of rotary hearth furnace and its development abroad are introduced and discussed in this paper comprehensively, the possibility and the necessity for china to develop such new technology are also involved. the prin

3、ciple and development of rotary hearth furnace are discussed in this paper. key words:rotary hearth furnace; ironmaking; direct reduction 中圖分類號(hào):f407.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼a 文章編號(hào) 1 引言 轉(zhuǎn)底爐煉鐵工藝是非高爐煉鐵工藝的一種,是近30年才發(fā)展起來的, 主體設(shè)備源于軋鋼用的環(huán)形加熱爐，原料適用范圍很廣,不只適用于鐵礦粉,還非常適合處理鋼鐵廠含鐵含鋅粉塵等廢料。由于這一工藝無需燃料的制備和原料的深加工，對(duì)合理利用自然資源、保護(hù)人類環(huán)境有積極的作用，與其他

4、煉鐵方法相比較,轉(zhuǎn)底爐優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)原料、燃料和還原劑的要求比較靈活,工藝簡(jiǎn)單,設(shè)備易于制造。因而投資少,成本低。因而受到了冶金界的普遍關(guān)注。目前該工藝已獲得工業(yè)應(yīng)用,工業(yè)化應(yīng)用較多的國家為日本和美國。 2基本原理 轉(zhuǎn)底爐以含碳球團(tuán)礦(或壓塊)為原料,其配方為鐵礦粉、煤粉和黏結(jié)劑,煤粉的配加量根據(jù)鐵礦粉含o2量和煤粉含c量,按照c/o(碳和氧的摩爾比)大致等于1計(jì)算;黏結(jié)劑的配加量以能使生球(或壓塊)的強(qiáng)度滿足工藝要求,過多的黏結(jié)劑不僅使生產(chǎn)成本增加,同時(shí)還可能降低產(chǎn)品的品質(zhì)。如果鐵礦粉為赤鐵礦,制成的生球(或壓塊)在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)高溫烘烤下,發(fā)生如下的反應(yīng): 3fe2o3 +co=2fe3o4+co2

5、 (l) 2fe3o4+2co=6feo+2co2(2) 6feo +6co=6fe+6co2 (3) 9co2+9c=9co(4) 3fe2o3+9c=6fe+9co (5) (h)25:862.5kcal/kg fe 轉(zhuǎn)底爐內(nèi)溫度很高(1200一1400),當(dāng)生球(或壓塊)內(nèi)部有足夠的c時(shí),cq不能穩(wěn)定存在,必然和c反應(yīng)(見反應(yīng)式(4),因此,最終以反應(yīng)式(5)進(jìn)行,為吸熱反應(yīng)。上述化學(xué)反應(yīng)在高溫下進(jìn)行的速度很快,一般只要20min左右。 3 工藝流程 轉(zhuǎn)底爐的工藝流程比較簡(jiǎn)單,如圖1所示:鐵礦粉、鋼鐵廠粉塵、煤粉和貓結(jié)劑存放在料倉之中,經(jīng)過配料和混合,進(jìn)人壓球機(jī),壓制成含碳球團(tuán)礦,然后送

6、進(jìn)烘干機(jī),除去水分,裝人轉(zhuǎn)底爐。 含碳球團(tuán)礦在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)均勻地鋪在爐底上(只鋪一層),在高溫下球團(tuán)礦內(nèi)的氧化鐵與碳反應(yīng),釋放出的co在爐膛里燃燒成co2。與煤氣燃燒生成廢氣混合,形成高溫廢氣。 高溫廢氣的溫度在1000以上,引出轉(zhuǎn)底爐后,經(jīng)過蓄熱室和換熱器,回收其攜帶的熱能,同時(shí)將煤氣和助燃空氣分別預(yù)熱到400和900。低溫廢氣從蓄熱室和換熱器引出,再用于生球的烘干。 圖1 轉(zhuǎn)底爐工藝流程圖 fig.1 flow chart for production of rhf 4 轉(zhuǎn)底爐工藝的發(fā)展過程 轉(zhuǎn)底爐的發(fā)展到目前已有30多年的歷史,主要經(jīng)歷了3個(gè)階段。 (1) inmetco和fastmet工藝

7、 inmetco工藝是1978年加拿大國際鎳集團(tuán)(inco,ltd)為了處理利用冶金廢棄物,在美國賓州ellwood城的國際金屬回收公司研發(fā)建成的世界上第一座具有生產(chǎn)規(guī)模的轉(zhuǎn)底爐,并因此而命名為inmetco1,它也是首例利用冶金廠廢棄物并同時(shí)進(jìn)行zn,ni,cr等金屬回收的轉(zhuǎn)底爐。它既可用來還原鐵礦石,也可處理冶金廠產(chǎn)生的粉塵,以及其它含鐵廢棄物、含鉻氧化物、生產(chǎn)不銹鋼的廢棄物、廢電池以及酸洗殘?jiān)?。該爐成功運(yùn)行約30年,成為美國政府指定的處理冶金廢棄物中心,因此該廠具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。 fastmet工藝是由著名直接還原公司midrex的前身midland ross corporation

8、于60年代開發(fā)的heat fast process演變而來,80年代前期轉(zhuǎn)向利用轉(zhuǎn)底爐(rhf)煉鐵。 以上兩種工藝雖然實(shí)現(xiàn)了冶金廢棄物的再利用,但是它還不能把料中的鐵與脈石和煤中灰分分離,而這些雜質(zhì)必然進(jìn)入煉鋼過程,使渣量增加,造成煉鋼的能耗上升和產(chǎn)量下降。 (2) fastmelt工藝和idp工藝等 為了分離渣和鐵,使鐵水可用于熱裝煉鋼,爐渣用來制成水泥或其它建材。國外一般采用埋弧電爐(礦熱爐)作為熔分手段。即:使轉(zhuǎn)底爐與電爐(熔分爐)雙聯(lián),形成一種二步法熔融還原過程。轉(zhuǎn)底爐作為預(yù)還原,而電爐實(shí)現(xiàn)終還原,從而實(shí)現(xiàn)熱dri1裝入電爐熔分,獲得鐵水,熱裝入電爐煉鋼或鐵水鑄塊。這就是fastme

9、lt2工藝,是由美國midrex公司開發(fā)的。 iron dynamics process(idp)是由美國動(dòng)力鋼公司(steel dynamics, inc.)開發(fā),于1996年組建動(dòng)力鐵公司(iron dynamics, inc.簡(jiǎn)稱idi)。動(dòng)力鐵公司擁有目前世界上最大的煉鐵轉(zhuǎn)底爐,年產(chǎn)能力為50萬t鐵水,轉(zhuǎn)底爐外徑為50 m,爐床寬7 m,以天然氣為燃料。 除以上兩種工藝外,國際上還有很多冶金公司試圖研發(fā)更加有效的轉(zhuǎn)底爐工藝,如由盧森堡crm研究中心開發(fā)的comet3轉(zhuǎn)底爐工藝,其特點(diǎn)是不需要造球,鐵礦粉和煤粉分層鋪在轉(zhuǎn)底爐上;由美國mr&e公司開發(fā)的dryiron工藝4,5,其特點(diǎn)是用

10、自然干燥的原料和燃料,并不用粘結(jié)劑,混合料經(jīng)高壓成型機(jī)壓制成型(塊狀);由德國曼內(nèi)斯德馬格公司開發(fā)的redsmelt工藝,計(jì)劃為nsm帶鋼廠(年產(chǎn)鋼150萬t)的煉鋼電弧爐提供鐵水熱裝。dri出轉(zhuǎn)底爐后趁熱(900)加入熔化的電爐中,獲得鐵水,計(jì)算成本為每噸鐵水168.85美元,低于同等條件下的高爐和其它熔融還原的鐵水。 圖2 fastmet 和fastmelt的工藝流程 fig 2 the process flow diagram of fastmet and fastmelt (3) itmk3 第三代煉鐵法 日本神戶制鋼與美國米德蘭(midrex)公司聯(lián)合開發(fā)轉(zhuǎn)底爐直接還原新工藝(fas

11、tmet),在20世紀(jì)90年代中后期取得了突破性進(jìn)展,使金屬化球團(tuán)(直接還原鐵,dri,海綿鐵)在轉(zhuǎn)底爐中還原時(shí)輕度熔化,生成鐵塊(nuggets),同時(shí)脈石也熔化,形成渣鐵初步分離。此法的成功,將解脫dri對(duì)原料品位的苛求,能用普通的高爐用鐵礦為電爐提供優(yōu)質(zhì)鐵料。因此意義重大,被命名為第三代煉鐵法(itmk3)。他們把高爐稱為第一代煉鐵法,產(chǎn)品屬高碳液態(tài)鐵水;把直接還原稱為第二代煉鐵法,產(chǎn)品屬低碳固態(tài)鐵;第三代煉鐵法的產(chǎn)品介于二者之間,屬中碳準(zhǔn)熔化(或半熔)狀態(tài)。 圖3 itmk3轉(zhuǎn)底爐工藝示意圖 fig 3 the process flow diagram of itmk3 5轉(zhuǎn)底爐的產(chǎn)品

12、 轉(zhuǎn)底爐可以生產(chǎn)直接供電爐用的海綿鐵(dri),但是需要高品位的鐵礦和低灰分和低硫的煤炭作為還原劑,方能使產(chǎn)品的tfe達(dá)到90%,金屬化率同時(shí)達(dá)到90%。理論計(jì)算表明,磁鐵礦的tfe應(yīng)當(dāng)達(dá)到69.5%,赤鐵礦應(yīng)為68.5%,作為還原劑的煤粉灰分不大于4%,s低于0.6%。 如果用普通的高爐礦,含鐵品位在64%左右,一般的煤炭含灰分在12%的水平,轉(zhuǎn)底爐得到的產(chǎn)品含tfe約78%,金屬化率在85%左右,脈石的總含量為18%一19%。這種產(chǎn)品雖然也可以裝人電爐,但會(huì)導(dǎo)致渣量大,電耗高,未必經(jīng)濟(jì)。國外采取電爐熔分的辦法,將這種產(chǎn)品再裝進(jìn)礦熱爐冶煉,得到生鐵和液態(tài)的爐渣,每冶煉出1t生鐵約耗電500k

13、wh。我國的電價(jià)較貴,電力供應(yīng)也比較緊張,不宜采用電爐熔分。若將這種產(chǎn)品作為高爐的金屬化爐料,與高堿度燒結(jié)礦配合使用,可以將高爐的“精料”提高到更高的水平。 從20世紀(jì)60年代起,美國、加拿大、日本和前蘇聯(lián)都曾做過高爐用金屬化爐料的冶煉試驗(yàn),配比從30%一95%,試驗(yàn)表明,可以增產(chǎn)、節(jié)焦,技術(shù)效果是肯定的,但當(dāng)時(shí)金屬化爐料用天然氣生產(chǎn),成本太高,經(jīng)濟(jì)不合算。如今用轉(zhuǎn)底爐,以煤為基礎(chǔ),成本低了。理論計(jì)算表明,只要使用金屬化率高于65%的爐料,生鐵的成本便明顯低于一般高爐生鐵的成本(見表1)。 當(dāng)然,也可以模仿corex工藝過程,以轉(zhuǎn)底爐作為預(yù)還原設(shè)備,使?fàn)t料的金屬化率達(dá)到90%,再裝進(jìn)終還原爐繼

14、續(xù)還原和熔分。 表1 高爐使用金屬化爐料的計(jì)算 table 1 calculation of the metallized burden in bf 6能耗與環(huán)保 轉(zhuǎn)底爐煉鐵新工藝與傳統(tǒng)的高爐煉鐵相比較,省去了煉焦、減少燒結(jié)、球團(tuán)等工序,所以節(jié)能是顯而易見的。況且轉(zhuǎn)底爐本身的能量利用效率很高,排出的廢氣中幾乎沒有未燃燒的co,而且經(jīng)過換熱和烘干生球,廢氣的排放溫度也低于100。 轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)過程中全部使用循環(huán)水冷卻,沒有污水排放。采用壓球工藝,使粉塵大幅度減少,再經(jīng)過除塵,廢氣含塵量可以降到50rng/m3以下,大大低于國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。原料和燃料帶來的s,大部分固化在爐渣之中,so2的排放量為3

15、40rng/m3,也低于國家規(guī)定的限度。 7結(jié)論 (l)轉(zhuǎn)底爐煉鐵是近20年發(fā)展起來的新工藝,它以煤炭為能源和還原劑,不用氧氣,設(shè)備簡(jiǎn)單,易于操作,投資節(jié)省,成本低廉。 (2)轉(zhuǎn)底爐因鐵礦粉和煤炭品質(zhì)的不同,可以生產(chǎn)多種產(chǎn)品,有可供直接人電爐的高品位海綿鐵,也能夠生產(chǎn)“珠鐵,;但用一般原料、燃料生產(chǎn)的金屬化爐料更具有普遍實(shí)用價(jià)值。 (3)轉(zhuǎn)底爐省去了煉焦、燒結(jié)等工藝,廢氣帶走的熱量少,因此,可以節(jié)能。耗水量小,沒有污染;排放的廢氣中粉塵和so2等有害物資的攜帶量也大大低于國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。 (4)轉(zhuǎn)底爐的生產(chǎn)規(guī)模尚不夠大,生產(chǎn)效率較低,爐底的利用系數(shù)只有60一80kg/(m2h),尚需繼續(xù)研究改進(jìn)。 參考文獻(xiàn): 1 鞠占侖.以煤代焦提高噴煤比j.山東冶金,1997,(10):57-59. 2 劉江宜,余瑞祥.不可再生資源耗竭性分析及對(duì)可持續(xù)發(fā)展的意義j.科技進(jìn)步與對(duì)策,2003,(19)