冶金概论7-非高炉炼铁法.ppt

5.1 概述,5.2 直接还原法,5.3 熔融还原法,2.9 非高炉炼铁方法简介,一 概述(1)非高炉炼铁法定义 指除高炉炼铁以外的其它还原铁矿石的方法。当前非高炉炼铁法可归纳为两大类：直接还原法和熔融还原法。A.直接还原法：指在低于铁矿石熔化温度条件下把铁矿石还原成海绵铁的炼铁生产过程。直接还原所得的产品及其特点：产品为海绵铁。这种海绵铁未经熔化仍保持矿石外形；多孔，在显微镜下观察形似海绵；成分上含碳低、不含硅锰等元素，还保持了矿石中的脉石。海绵铁不能大规模用于转炉炼钢，只适于代替废钢作为电炉炼钢原料。,B.熔融还原法：指一切不用高炉冶炼由铁矿石冶炼成液态生铁的方法。熔融还原产品特点：是一种与高炉铁水相似的高碳铁水，适于作氧气转炉炼钢的原料。(2)非高炉炼铁法的发展 近年来非高炉炼铁法发展比较快，其原因是：A、不用焦炭炼铁。高炉冶炼需要冶金焦，焦煤日渐短缺，价格高。非高炉炼铁可以使用非焦煤和其它能源作燃料与还原剂。B、随着钢铁工业的发展，废钢消耗量迅速增加，废钢供用量日渐紧张，非高炉生产的海绵铁、粒铁等是废钢的极好代用品。C、省去了炼焦设备，总的基建费用比高炉炼铁法少。,钢铁生产的传统流程：由高炉炼铁转炉炼钢或废钢电炉炼钢。新流程：熔融还原炼铁转炉炼钢或直接还原电炉炼钢。目前，在我国发展直接还原存在重大障碍。新流程存在的问题：直接还原受到很多因素的限制，例如最成熟的直接还原法（竖炉及反应罐）都使用天然气作一次能源，自然界中天然气普遍短缺，而用煤碳作能源生产的海绵铁成本较高，产量低，生产效率也较低，还有很多技术问题等待解决。应用直接还原电炉流程生产一吨成品钢总计消耗电6001000kWh。此外，直接还原需要高品位的精矿。,（3）非高炉炼铁产品用途：A.作炼钢原料。主要代替电炉废钢，也可用于转炉；B.高炉原料；C.制成铁粉。铁粉可用于粉末冶金或用作电焊条的原料等。（4）非高炉炼铁的方法及分类、按所得产品进行分类：直接还原法和熔融还原法两大类。、按还原装置进行分类：固定床法、回转炉法、竖炉法和流化床法等。、按还原剂进行分类：固体还原剂法、气体还原剂法等。、按生产方式分类：预还原法、直接炼钢法、熔融还原法、原子能炼铁法等。,直接还原炼铁法已有百余年的历史，先后提出各种不同的工艺方法400余种，但是真正成为工业生产方法的只有少数几种，而且是到20世纪60年代才有重大突破，这是因为：（1）冶金焦的价格大幅度上涨，而石油、天然气大量开发使用，特别是高效率天然气转化法的应用，提供了直接还原炼铁法需要的还原煤气，解决能源的来源和价格问题。（2）电炉炼钢迅速发展，超高功率新技术的应用使电炉炼钢得到高速发展，合格的废钢供应不足，大大扩展了直接还原铁的需求。,5.2 直接还原法,（3）废钢（多数是从社会收集的废钢）中往往含有某些对钢性能不利的有色金属，如铜、锡、砷、铅等，无论用氧化熔炼或还原熔炼都无法去除它们。而随着废钢的循环利用，它们在钢中的含量会越积越多。因而需要加入直接还原铁来稀释它们。,（4）选矿技术的提高，扩大了直接还原炼铁法的矿石资源。原来只能使用杂质少且品位高的天然富矿，现在高品位铁精矿粉制造的球团矿，其脉石含量可以降低到不需要在还原生产中脱除，使直接还原技术简化，而且产量提高。,直接还原技术根据还原剂不同可分为气基直接还原和煤基直接还原。直接还原铁生产大多采用天然气为能源，其产量占总产量的90%以上。气基直接还原设备对环境污染小、耗水量少、噪音小、产生的 CO2也比用煤作还原剂少得多，所以具有很强的竞争力和发展潜力。煤基直接还原法生产的直接还原铁占总产量的比例小，产量逐年增长，但增长缓慢。,一 气基直接还原技术,Midrex法 Midrex法是气基直接还原铁生产技术的主导工艺，该工艺由 Midland Ross公司开发，目前已发展成为占直接还原铁市场 60以上的主要方法，其工艺流程如图1所示。还原气使用天然气经催化裂化制取，裂化剂采用炉顶煤气。球团或块矿在竖炉内被天然气还原，生成DRI。由于该工艺要求有充裕的天然气，且生产指标较高，因此在天然气富裕的地区可适当发展。,图1 Midrex法工艺流程,在竖炉中炉料与煤气逆向运动，下降的炉料逐步被煤气加热还原，传热、传质效率高。由于工艺较成熟，是当前发展最快的一种直接还原生产海绵铁的方法。它由供料系统、还原竖炉、烟气处理、天然气重整炉组成。还原反应器系逆流移动床竖炉。它分成上下两部分，上部进行还原，下部进行冷却。氧化球团矿自炉顶加入竖炉后，依次经过预热、还原及冷却，还原得到海绵铁，冷却至50左右排出炉外。还原煤气用天然气及竖炉炉顶煤气在换热器经催化剂裂化而得。优点：生产率很高，能耗较低（约为7.88105 kJ/t；其产量约占直接还原法产量的55以上。,天然气进入转化炉内，在镍基触媒的催化下，通过天然气裂化反应将其转化成煤气和氢气。CH4 H2O CO 3H2(天然气裂化反应)还原气入炉时温度为750900，送入距竖炉顶部2/3处的还原带。炉料在炉内停留约6小时，含铁矿石被CO和H2还原，被还原的海绵铁的金属铁含量在92%以上。然后海绵铁进入下部没有砖衬的冷却带，用专门的冷却气或炉顶气冷却，冷却到30时排出炉外，可保证海绵铁在大气中不再氧化，细碎的产品可压制成块存放，供电炉熔炼使用。直接还原后的废气中仍含有大量的CO和 H2（约占70%），通过洗涤器从新返回到重整炉，然后进入竖炉循环使用。反应方程式为；Fe2O3 3H2 2Fe 3H2O Fe2O3 3CO 2Fe 3CO2,Midrex法具有工艺成熟、操作简单、生产率高、热耗低、产品质量高等优点，因此在直接还原工艺中占统治地位。但是 Midrex也存在一定的局限性，首先是它要求有丰富的天然气资源作保障；其次 Midrex的反应温度低，反应速度较慢，炉料在还原带大约停留6 h，在整个炉内停留时间在 10h左右。,另外Midrex法要求铁矿石粒度适宜且均匀，粒度过大会影响CO和H2的扩散使反应速度降低；粒度过小，透气性差，还原气分布不均匀，一般小于5mm粉末的含量不能大于 5。同时对于铁矿石的品位要求也高，这是直接还原生产海绵铁的通病，对于矿石中的 S和 Ti的含量要求很严。,由于使用块矿或球团，生产能力相对较低，为了提高气基竖炉流程的生产能力，Midrex最近在竖炉中吹入少量氧气来提高还原气体及炉料的温度研究表明：将料温从 789提高到 898，竖炉的生产能力提高了50。,HYL法和HYL-III法,HYL法采用 KELLOG蒸汽转化制气技术，其工艺流程如图2所示。原料天然气首先用活性炭脱硫，然后与过量水蒸汽混合，在 85下进行催化裂化反应。反应罐组由4个反应罐组成。罐顶设有装料口，罐底设有卸料口。反应罐之间有一套复杂的还原气管路相连接。,图2 HYL法工艺流程,还原气排出冷却管后，首先经过冷却脱水，然后进入还原气预热器进行加热。高温还原气通入主还原罐，将经过预热和预还原的矿石还原成海绵铁。HYL法使用块矿炉料，以球团矿和天然块矿为佳。,由于竖炉工艺原理被普遍接受，1979年，HYLSA将一套HYL法装置改造成连续性竖炉，并定名为HYL-III。目前，HYL-III流程应用范围仅次于Midrex流程，是第二大直接还原炼铁流程，其工艺流程如图3所示。HYL-工艺的基本原理是在固定床用还原气体来还原铁矿石。通过的还原气碳氢化合物(天然气或焦炉煤气)，是经过不完全燃烧及还原反应器内金属铁的催化作用在现场重整而生成的。,图3 HYL-III法工艺流程,该工艺流程包括以下特点：还原气体的不完全燃烧；反应炉还原区域底部的煤气重整；反应气体成分可调。依据墨西哥HYL公司开发的HYLZR技术，即煤气自重整技术，HYL法可以直接将煤和水蒸汽制成的煤气为气源。这种方法为我国发展以煤为能源的气基竖炉直接还原提供了条件，目前已有企业计划建设煤制气竖炉直接还原铁厂(鞍山海城东四型钢公司)，规划建设规模为60万tDRI年。,二 煤基直接还原技术,目前，世界煤基直接还原铁采用的主流工艺是回转窑。用于生产炼钢原料的煤基回转窑可分为 德国鲁奇法(SLRN)，印度阿卡尔法(AccAR)，德国克虏伯法(KruppCodir)，印度西尔法(Sil1)，英国戴维法(DRC)，印度梯第尔法(TDR)。,代表性方法：回转窑法。主要产品：海绵铁。固体还原剂法所使用的燃料：固体煤粉 回转窑炼铁工艺过程如图4所示。回转窑炼铁工作原理：将固体还原剂（煤）、铁矿石和熔剂（石灰石或白云石）混匀后，由窑尾加入回转窑内，由于窑体有1-4的倾斜度，并以一定的速度旋转，炉料则由窑尾向窑头运动。窑头装有烧嘴，喷入燃料（煤粉、煤气或重油）燃烧，燃烧废气则由窑尾排除，炉气与炉料逆向运动，逐渐把固体炉料加热，达到800时，开始固体碳还原，放出的CO在空间氧化区被氧化，并提供还原反应需要的热量。,图4 回转窑炼铁过程示意图1-氧化区；2-中性区；3-还原区；4-窑头；5-熔化带；6-粒铁带；7-还原带；8-预热带；9-窑尾；10-海绵铁法；11-粒铁法；12-液铁法,窑体稍有倾斜（4%的斜度），窑中装有耐火衬，在窑头、窑中、窑尾设有耐火材料挡圈以增加炉料停留时间。煤燃烧所需要的空气通过风管沿轴向吹入窑中，风管安装在沿窑长方向的不同部位。煤不但是还原剂，同时还提供所需要的热量。沿窑长方向分两个区：预热区-煤燃烧将原料的混合物加热至还原温度；还原区-煤进一步燃烧为生产海绵铁提供热量。通过控制向窑内吹入的空气量和喷煤量，可以有效控制窑内的反应。直接还原法煤基回转窑中应用最广泛，而且最具有代表性的一种方法就是SL/RN法。SL/RN是由美国、德国、加拿大的4家创立此法的各公司名字的字首缩与而成的。图5为SL/RN法工艺流程。,图5 SL/RN法工艺流程,原料（铁矿石、煤粒、熔剂）从窑尾加入圆形回转窑中。窑缓慢旋转使矿和煤在被加热和还原的同时向出料端移动。窑头外设有烧嘴燃烧燃料。形成的废气则由窑尾排出。炉料与炉气呈逆向运动，在运动过程中，炉料在预热段被加热，使水分蒸发和石灰石分解。,800后，煤中的固体碳开始还原铁矿石中的氧化铁，直到获得海绵铁或铁料，而碳则转变成CO气体，CO在氧化区被燃烧成CO2，放出热量以满足还原反应的要求，产品排出窑后进入回转冷却筒冷却得到海绵铁或粒铁，也可热送电炉直接炼钢。回转窑内反应温度应控制在1100以下，经810h完成还原反应后出窑。回转窑所产生的废气从进料端吸走，高温废气可余热利用。,若炉料在回转窑中经过预热和还原后，再进一步提高温度（1250）进入粒铁带，金属铁与炉渣开始软化，在半熔化状态下金属铁由小颗粒堆集成卵状粒铁，炉料出炉后经水淬冷却后很容易用磁选或重选把粒铁与脉石分开，这就是回转窑粒铁法。此法由于作业率低、产量小、耐火材料消耗高等重在缺点，近年来逐渐被淘汰。但此法适应性大，是惟一能直接冶炼SO2含量高的贫铁矿的方法。,因此,按照炉料出炉温度，回转窑除生产海绵铁外，还可生产粒铁和液态铁。最大优点：可直接用煤作燃料。缺点：炉内温度要求严格控制，否则会引起局部过热，使矿石软融并粘结在炉墙上，破坏正常生产。发展新工艺：转底炉炼铁。,三 转底炉工艺,转底炉由于反应速度快、原料适应性强等特点近年来得到了快速发展。转底炉工艺有许多种，包括 Fastmet、ITmk3、Inmeto、Comet、DRyIron等。,1 Fastmet法和Fastmelt法,该法是由美国 Midrex直接还原公司与日本神户制钢于 20世纪60年代开发的。目的是为了处理钢厂内部的含铁粉尘和铁屑等。经过多年的半工业试验和深入的可行性研究，现已完成工艺操作参数和装置设计的最佳化。首家商业化 Fastmet厂于 2000年在新日铁公司广佃厂投产，可处理含铁粉尘和铁屑20万ta。另外，日本还有两家Fastmet工厂，分别为20万t/a和 1.6万t/a。日本神户钢铁公司和三井金属工业公司合资用 Fastmet工艺在美国建造一座年产90万t海绵铁 的工厂。在美国埃尔伍德建立了 2.5万t/a的金属回收厂，回收镍粉尘，效果良好。图6为其工艺流程图。,图6 Fastmet法工艺流程,Fastmet法技术特点：(1)用转底炉运载炉料并在高温敞焰下加热实现快速还原；(2)选用原料广泛，对炉料强度要求不高；(3)煤作还原剂摆脱了对天然气的依赖；(4)转底炉需要的热量可由天然气、丙烷或燃油燃烧提供，也可考虑用粉煤作燃料；(5)还原过程时间很短，仅仅 612min，设备的起动与停止、产量的调整都可比较简单地进行。,另外，Midrex公司与日本神户制钢还开发出Fastmelt法和 ITmk3法，Fastmelt法与Fastmet法基本一致，只是在后续添加一个熔炉来生产高质量的液态铁水。Fastmelt法与Fastmet法不同点如图7所示。,图7 Fastmelt法与 Fastmet法区别,2 ITmk3法,该法的研究和改进工作由Kobe Steel Ltd于1996年开始进行。ITmk3技术也通过转底炉，利用低廉的粉矿和喷吹的煤粉生产出粒铁，还原时间短，仅需10min。在RHF内生产与炉渣分离的粒铁，与炉渣一起排出的粒铁，用磁选机等分选机选出粒铁。生产的粒铁具有高炉生铁同等品质。图8为ITmk3标准流程。,图8 ITmk3工艺流程,此工艺流程及设备配置十分类似于Fastmet工艺。有以下几个优点：(1)还原和渣铁分离同时进行；(2)不需要过高的加热温度；(3)不存在FeO对耐火材料的侵蚀；(4)炉渣可以很彻底地从金属中分离出；(5)粉矿和低品位矿都能使用。但处理低品位矿时，生产每吨铁的能耗增加了。特别指出，ITmk3法生产的粒铁并不是高温的铁水，而是粒状的固体铁，适宜于输送。所以ITmk3装置可以放在矿山附近。在矿山附近生产粒铁再输送到消费地，与输送矿石和煤炭相比较，需要输送的重量大约减少一半，降低消耗在运输上的能量与成本。,ITmK3工艺现已通过美国的梅萨比粒铁中间试验厂的装置连续运转试验。神户钢铁正在许多产煤国家如美国、澳大利亚和印度热销该技术。目前神户钢铁正与印度 Chowgule集团就在果阿地区合资建厂事宜包括 ITmk3技术进行商讨。新建厂在2007底开工，2009年投产，年产能为 50万 t。乌克兰 Inguletsky GOK现在正在进行 ITmk3项目商业化运作。,3 Drylron法,Maumee R&B公司的专利技术已命名为 DryIron法，它克服了通常煤基还原带来的粉化、脉石含量高、硫高、金属化率低等缺点。MR&E公司在美国俄亥俄州匹兹堡的试验厂进行的大量工业试验表明，该工艺不仅可用铁精矿粉为原料生产质量稳定的海绵铁或热压块铁，而且同样适用于钢铁厂各类含铁废弃物的回收利用。Drylron法简化了原料准备，用压块代替造球，不需要将原料磨得很细和加入较多水分，含碳铁氧化物压块后不经干燥直接入炉焙烧。,其工艺优点如下：(1)用铁精矿粉生产海绵铁(DRI)或热压块铁(HBD)作原料。其产品质纯净，脉石与硫等杂质含量很低。而且与废钢相比，其质量均匀稳定，波动小，对于炼钢生产极为有利。(2)回收电炉除尘灰与轧钢铁鳞，杂质金属去除率高。杂质中的金属元素：铅、锌、镉等被有效去除。,(3)回收传统钢铁厂废弃物。传统钢铁厂废弃物包括转炉除尘灰、轧钢铁鳞、热轧 污泥、连铸氧化铁皮及高炉粉尘与污泥。这些物质总体来说碳含量很高，与电炉除尘灰相比，锌含量较低，而铅、镉等含量极少。处理后，其产品金属化率高，Zn、Pb含量大幅度降低。(4)MR&E公司的低 NOx控制专利技术处理尾气，从而使其对环境的污染降至最低限度。,4 Comet法,1997年4月，比利时冶金研究中心(CRM)提出的 Comet(coal-based metallization)工艺。与其它转底炉直接还原工艺如 Inmetco和 Fastmet的区别在于完全取消了造球工艺，直接将烘干后的粉状氧化铁料和还原剂多层相间地布在转底炉床上即一层还原剂、一层矿石布料。通过安装在炉子出口处的筛分机，很容易将直接还原铁与 富余的煤粉、石灰、煤的灰分和硫化钙分离。生产的海绵铁硫含量低于0.05，脉石含量约为 5。,该种的方式海绵铁特别适合于用作电弧炉原料。Comet工艺的炉温高，生产出直接还原铁易于运输和储存。试验室研究表明，Comet工艺生产的海绵铁金属化率可达90，生产率低的损失可由不安装造块设备来补偿而硫含量仅为 0.040.05，解决了产品硫含量过高的问题。由于传热条件不如 Inmetco和 Fastmet工艺，物料将在炉内停 留更长时间，影响产量。Comet法至今难于实现工业化。卢森堡Paul Wurth公司已获得将此工艺用于商业性开发的许可证，后续的工业化研究正在进行。,5.3 熔融还原法（1）熔融还原法 熔融还原法：铁矿石在高温熔融状态下用还原剂（碳）把铁氧化物还原成金属铁。其产品为：液态生铁（属于高碳生铁）。铁水可用于转炉炼钢。（2）熔融还原用的原料、能源 非炼焦煤代替昂贵的焦炭、石油或天然气，并可直接用粉矿或块矿进行还原。（3）存在的主要问题 主要存在的问题：A、尚未形成一个定型的生产工艺流程。B、产品质量差，S、Si不能有效控制。C、能耗高，设备寿命短。,（4）熔融还原工艺 A、一步法 主要特点：用一个反应器中完成铁矿石的高温还原及渣铁熔化，还原生成的CO排出反应器，再加以回收利用。存在的问题：要求在一个反应器内同时创造还原和氧化气氛，即既能用固体碳充分还原氧化铁，又能使生成的CO充分燃烧成CO2的气氛。这在目前的技术条件下是难以办到的，因此，一步法工艺在实践中均未获得成功，技术难题有待于今后进一步解决。,B、二步法 二步法是用两种还原方法串联的。第一步作业是加热铁矿石并将铁矿石预还原，最常用的是悬浮态和回转窑；第二步是终还原和渣铁的熔化及其分离。二步分别在两个反应器中完成。预还原装置：多为流化床或竖炉；终还原装置：转炉型（熔池炉式）、竖炉型和电炉型等。,Corex 法是奥地利和德国于20世纪70年代末联合开发的，是目前唯一已形成生产能力的熔融还原炼铁法，而且其投资、生产成本、铁水质量等几个方面已经基本上可以与传统的焦炭高炉炼铁法相竟争。Corex 法由预还原竖炉和熔融制气炉（也称为终还原炉或熔融气化炉）串联，再加上煤气除尘和调温系统组成。,Corex法的预还原竖炉类似于Midrex直接还原炼铁法的竖炉，采用天然富块矿或球团矿作为含铁料，从熔融制气炉来的还原煤气（CO+H2之和大于95%，以CO为主）将铁矿石预还原，由于竖炉是高效率的还原反应器，在短时间内金属化率就可达到90%以上。然后由下部的的螺旋给料器将金属化的炉料连续均匀地输入熔融制气炉。,熔融制气炉类似于高炉的炉腹和炉缸部位，在上部连续均匀地输入金属氧化物的同时，煤块亦从上部加入，而从其下部炉缸风口鼓入氧气。氧气将燃烧成CO并放出热量。落下的炉料中残余的氧化铁在这里得到最终还原。还原的金属铁渗碳，炉料熔化而使渣铁分离。形成的煤气上升，从熔融制气炉上部逸出。逸出煤气经除尘后，部分煤气调温到800-850，再输入上部的预还原竖炉供矿石预还原使用，多余的部分煤气则外供给其它用户。,COREX 是当前最成熟的熔融还原技术，已在韩国浦项、印度金达尔（两座）和南非萨尔达纳和伊斯科（各一座），共有5 座投产，并稳定运行，生产出合格的铁水，已达到或超过设计产量（每小时产铁80100t）。我国宝钢在2005 年和奥钢联签约，在浦东钢铁厂新址建设1 座日产生铁3000t 的COREX装置（C-3000），已在2007 年底前投产。,小结:熟悉直接还原法、熔融还原法大致工作原理;理解并掌握直接还原法、熔融还原法含义、产品及其用途(重点)；了解非高炉炼铁发展背景、几种典型直接还原法、熔融还原法工艺过程。,