熔融還原法工藝現(xiàn)狀

由奧鋼聯(lián)（VAI）于70年代開發(fā)的COREXCOREX是當(dāng)前最成熟的熔融還原技術(shù)，也是唯一的一個工業(yè)化熔融還原流程。已在韓國浦項、印度金達爾（兩座）和南非薩爾達納和伊斯科（各一座），共有5座投產(chǎn)，并穩(wěn)定運行，生產(chǎn)出合格的鐵水，已達到或超過設(shè)計產(chǎn)量（每小時產(chǎn)鐵80-100t）。2008年，設(shè)計能力為150萬t生鐵的COREX 裝置C3000在上海寶鋼建成，并順利出鐵。

熔融還原的基本流程是將塊礦和球團礦及熔劑加入到還原豎爐中，被逆向流動的還原氣體還原為金屬率約93%的直接還原鐵。通過豎爐底部的螺旋給料機送入熔融氣化爐。非煉焦煤（塊狀）和一定量的焦炭直接加入熔融氣化爐。經(jīng)風(fēng)口送入純氧，與煤和焦炭燃燒產(chǎn)生熱量和還原氣體，最終完成含鐵爐料的還原、熔化和造渣過程。鐵水和液體爐渣聚集在爐缸，定期排放。熔融氣化爐產(chǎn)生的高溫煤氣含有約70%的CO和25%的H2，被送入還原豎爐作為還原劑。還原豎爐排出的煤氣仍有很高的發(fā)熱值，可發(fā)電或作其他用途。南非薩爾達納廠將COREX爐與生產(chǎn)直接還原鐵的MIDREX豎爐串聯(lián)，形成COREX/DR流程。在2004年，用COREX產(chǎn)生的煤氣，作為直接還原爐的還原劑。

采用COREX煉鐵工藝生產(chǎn)鐵水，在成本、操作和環(huán)境保護等方面具有明顯的優(yōu)點，在生產(chǎn)規(guī)模、爐齡等方面的不足也須引起注意，并采取相應(yīng)的措施。

COREX煉鐵技術(shù)的優(yōu)點

環(huán)保效果好。根據(jù)有關(guān)資料顯示，COREX和高爐兩種工藝的SO2/NOX、灰塵排放量以及廢水中酚類、硫化物、氨的排放數(shù)量，前者比后者要低得多。

（1）用料范圍廣。與高爐工藝相比，COREX工藝可以使用較高比例的非煉焦煤，焦炭用量少（120～170kg/t），質(zhì)量要求也相對較低，并可使用15%左右的粉礦。

（2）勞動生產(chǎn)率高、生產(chǎn)成本低。在相同的生產(chǎn)能力下，與高爐相比，COREX更為復(fù)雜和龐大，如果不包括氧氣站，其投資要多30%，如果包括氧氣站，投資則要多60%。但是COREX工藝不建設(shè)焦?fàn)t，與高爐加焦?fàn)t流程相比，COREX投資總額約低10%。

（3）煤氣可以多級利用。COREX煉鐵工藝的副產(chǎn)品是含有大量CO和H2，含雜質(zhì)量很低，這種煤氣純凈，熱值高，可以用來生產(chǎn)DRI，生產(chǎn)DRI的尾氣又可以用于發(fā)電或給鋼廠加熱爐或其他設(shè)備進行加熱，實現(xiàn)煤氣的多級利用。

（4）生產(chǎn)調(diào)節(jié)靈活。COREX生產(chǎn)工藝可在幾小時內(nèi)調(diào)整鐵水和爐渣成分，設(shè)備停工和重新開工容易，生產(chǎn)調(diào)節(jié)靈活。

COREX工藝存在問題

COREX工藝在本質(zhì)上是將高爐冶煉分為還原和熔融兩段，放在兩個容器中進行。因此，也存在高爐工藝本身具有的一些特征和不足。

（1）還原容器仍是豎爐，因為豎爐工藝要求良好的透氣性，因此，還需要塊狀原料和球團（南非工廠使用60%-70%塊礦和30%-40%球團礦）。并且對塊礦和球團的強度、粒度、含粉率有一定要求。

（2）COREX雖然可以使用非煉焦煤，但并非任何非煉焦煤都可使用。因為熔融氣化爐產(chǎn)生的氣體要作為還原豎爐的還原氣體，要求煤的揮發(fā)分應(yīng)在27%~30%。當(dāng)然可以通過幾個煤種混合達到。但也增加了配煤的麻煩。

（3）COREX的熔融氣化爐床層也需要有一定的透氣性，因此需要入爐煤有一定塊度（一般20～25mm），并且煤熱解后的半焦有維持床層透氣性的任務(wù)，從而要求具備一定強度，并且其固定炭和揮發(fā)分應(yīng)穩(wěn)定。與焦炭相比，半焦的CSR和CRI較差，因此，實際生產(chǎn)中往往需要一定比例的焦炭以彌補煤的不足。

熔融還原法的分類如下：

(1) 按工藝階段劃分，可分為一步法和兩步法。一步法是在一個冶金反應(yīng)中完成礦石 還原熔煉的全過程。該工藝流程短，設(shè)備簡單，但在應(yīng)用中卻存在著能耗高及FeO渣嚴(yán)重 侵蝕爐襯的難題，至今仍未能解決。

兩步法將熔融還原過程分為固相預(yù)還原及熔態(tài)終還原，并分別在兩個反應(yīng)中完成，改 善了熔融還原過程的能量利用，降低了渣中FeO濃度，使熔融還原法取得了突破性的進展。

(2)按使用能源劃分，可分為氧煤法和電煤法。氧煤法靠氧煤在高溫熔池或風(fēng)口區(qū)燃 燒，提供過程的熱量，用煤作為還原劑。開發(fā)的多數(shù)工藝為氧煤法。

電煤法用電提供熔融還原過程所需的熱量，煤做還原劑，電熱轉(zhuǎn)換方式有電弧放熱和 等離子技術(shù)，此法只適用于電力充足、價格低廉的地區(qū)。

(3) 按預(yù)還原裝置類型，可分為流化床法、豎爐法、回轉(zhuǎn)窯法和閃速爐法等。

(4) 按終還原裝置類型，可分為豎爐法、電流法和旋轉(zhuǎn)爐法等。

熔融還原以加速還原過程、降低能耗、簡化流程和工藝設(shè)備為原則。其突出優(yōu)點在于生產(chǎn)過程中少量使用或不用焦炭，已解決全球性冶金焦煤的短缺問題和煉焦業(yè)對環(huán)境的污染問題。根據(jù)其工藝模式將熔融還原劃分為四大類：三段式、二段式、一段式和電熱法。 三段式熔融還原流程可分為兩大部分：還原部分和熔煉造氣部分。

還原部分為還原段。熔煉造氣在同一個設(shè)備中包含了熔煉造氣和煤氣轉(zhuǎn)化。其構(gòu)造特點是熔池上方存在一個含碳料層，在這層中可以利用煤氣過剩物理熱，完成由CO2和H2O向CO和H2的轉(zhuǎn)化過程。二段式也是由還原部分和熔煉造氣，部分組成，因此又與三段式熔融還原發(fā)統(tǒng)稱為兩步法。二段式與三段式的主要區(qū)別是熔煉造氣爐中熔池上方?jīng)]有含碳料層。 一段式流程只有熔煉段，沒有還原段?，F(xiàn)代化的一段式流程和二段式流程均采用鐵浴爐熔煉設(shè)備因此二者又統(tǒng)稱鐵浴法。 三段式由煤基流程和焦基流程組成。二段式和一段式則由煤基流程組成。以上三種類型有時又被稱為氧煤流程，電熱法則被稱為電煤流程。

熔融還原的開發(fā)在于尋求一種代替常規(guī)高爐煉鐵的新工藝，它的研究開發(fā)經(jīng)歷了3代。第1代工藝 從20世紀(jì)20年代開始，主要是在60年代堅持試驗。該工藝是在一個反應(yīng)器中使用精礦和煤的一步法。如1924年德國霍施(Hoesch)鋼鐵公司提出的在轉(zhuǎn)爐中使用碳和氧還原鐵礦石，至今仍有現(xiàn)實意義。30年代后期丹麥F. L. Smit公司提出的Bas-set法，德國又開發(fā)的Sturzelbug法。50年代后，歐美各國研究開發(fā)的熔融還原法有瑞典的Dored法和E-V (Eketorp-Vallak)法、意大利的Retored法、英國的CIP法等。這些方法都是一步法，因在試驗中出現(xiàn)了一些當(dāng)時難以解決的問題而宣告失敗。其主要問題各不相同，有的是還原時由鐵熔體排出的煤氣在熔池上方二次燃燒供給熱量，由于過程控制困難，二次燃燒時的高溫和強腐蝕性FeO熔體對爐襯的嚴(yán)重侵蝕，使?fàn)t襯耐火材料消耗大;有的是強烈轉(zhuǎn)動反應(yīng)器，鐵水直接裝入耐火裝置內(nèi)，并在造渣前進行保護(旋轉(zhuǎn)法和CIP法)試驗，由于鐵層和渣層之間只有少量的原料與熱交換而被取消;還有的是精礦由對著反應(yīng)器墻的轉(zhuǎn)盤進行給料，在二次燃燒時，輻射前截斷“精礦屏幕”以保護爐襯(E-V法)，此法雖未成功但精礦同時傳遞熔池中由于二次燃燒產(chǎn)生的部分熱量，在今天也是有意義的。

第2代工藝 有代表性的是瑞典在20世紀(jì)70年代開發(fā)的用電作熱源的熔融還原法，如ELRED法、INRED法、PLASMAMELT法?？朔擞啥稳紵臻g到還原空間傳遞熱量的困難，用終還原產(chǎn)生的廢氣進行礦石預(yù)還原，即“二步法”。但是由于FeO爐渣的侵蝕和熱的需求，使終還原階段消失，于是采用在電爐中靠電供熱進行終還原。ELRED法、INRED法早已完成半工業(yè)試驗，但未到達實際建廠階段。雖然，電在瑞典是富裕的，但使用電能還原鐵礦石，多數(shù)情況下是不經(jīng)濟的，因而未能推廣。等離子熔融還原法。用于比煉鐵價值高的不銹鋼煙塵回收的工業(yè)生產(chǎn)，瑞典有一個用等離子槍工藝加工生產(chǎn)，年產(chǎn)7萬t不銹鋼(含Ni和Cr)的粉末冶煉廠。

第3代工藝 特點是放棄電能，立足于煤和氧氣的“無焦炭工藝”而在大多數(shù)情況下仍然保留第2代工藝原有的預(yù)還原和熔態(tài)終還原的二步法。

近30年來主要工業(yè)發(fā)達國家研究開發(fā)的熔融還原煉鐵方法有20多種，80年代以來重點開發(fā)的主要方法有COREX法、DIOS法、HI熔融還原法(HISmelt法)等。COREX法是惟一已產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化的煉鐵法。此法具有很高的預(yù)還原度和很低二次燃燒率，工藝難度較少，80年代中期開發(fā)成功，1989年第一套年產(chǎn)30萬t的COREX裝置在南非正式投產(chǎn)。韓國于1995年底一套60萬t的設(shè)備投產(chǎn)，國際上另有5套正在建設(shè)中，總生產(chǎn)能力500萬t。奧鋼聯(lián)正在設(shè)計C-3000型設(shè)備，年產(chǎn)110萬t，增加了高熱值的廢氣用于直接還原生產(chǎn)海綿鐵和終還原爐中噴吹部分礦粉的裝置。此法比高爐鐵水成本降低20%左右，其原有缺點如能耗較高，生產(chǎn)率不高等已有改善。DIOS法已完成工業(yè)試驗，HI熔融還原法，已進入工業(yè)性試驗。兩法的特點都是低預(yù)還原度和高二次燃燒率。流化床還原粉礦工藝較復(fù)雜，預(yù)還原度又小，鐵熔終還原負(fù)擔(dān)重，二次燃燒率高則氧化度高，溫度高。渣線耐火材料侵蝕嚴(yán)重，工藝難度大，工業(yè)試驗的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)都不夠好。住友熔融還原法、川崎熔融還原法、MIP法、COIN法和CIG法只進行了半工業(yè)性試驗或單體試驗;此外美國的AISI法開發(fā)進展緩慢，無明顯優(yōu)點，與前蘇聯(lián)的PJV法均為一步法。

（1）燃料用煤而不用焦炭，可不建焦?fàn)t，減少污染。

（2）可用與高爐一樣的塊狀含鐵原料或直接用礦粉作原料。如用礦粉作原料，可不建燒結(jié)廠或球團廠。

（3）全用氧氣而不用空氣，氧氣消耗量大。

（4）可生產(chǎn)出與高爐鐵水成分、溫度基本相同的鐵水，供轉(zhuǎn)爐煉鋼。

（5）除生產(chǎn)鐵水外，還產(chǎn)生大量的高熱值煤氣。2100433B

電熔融還原法(ELRED process)是一種熔融還原煉鐵工藝。原名ELRED法，由瑞典Stora Kop-parperg公司和Asea公司開發(fā)，后與德國Lurgi公司合作 。

該法生產(chǎn)的鐵水含碳3%-4%，硅、錳0.05%，硫0.3%，鐵水溫度1450℃，爐渣含F(xiàn)eO 12%。由于硅、錳含量很低，鐵水煉鋼時渣量少，降低耐火材料消耗。縮短熔煉時間。缺點是鐵損失大，鐵水含硫高，必須進行爐外脫硫。該法生產(chǎn)1t鐵水需煤粉680kg，電爐耗電660kW/h，脫硫耗電30kW/h，其他設(shè)備用電106kW/h，總耗電量796kW/h。1t鐵水總能耗為0.88MJ，相當(dāng)于大型高爐流程的能耗，但不用焦炭，成本比高爐鐵水低20%，且過程污染小，工藝流程簡單，投資費用低 。

預(yù)還原階段產(chǎn)生的高壓煤氣發(fā)熱值為3500-6000kJ/m，終還原電爐生產(chǎn)的煤氣含CO達90%，除少量循環(huán)外，上要用于發(fā)電。發(fā)電量除滿足工藝自身用電外，尚有300-400kW·h/t，富余可外供。但起動階段電力供應(yīng)成問題，且特別昂貴。未見工業(yè)生產(chǎn)裝置投產(chǎn) 。2100433B