熔融還原煉鐵簡(jiǎn)介

由于傳統(tǒng)的高爐煉鐵方式投資大、能耗高、流程長(zhǎng)、污染嚴(yán)重，所以高爐的煉鐵發(fā)展受到了很大的限制。為了克服高爐煉鐵的種種缺點(diǎn)，人們研究開發(fā)了多種非高爐煉鐵法，這些方法包括直接還原法和熔融還原法。開發(fā)的熔融還原煉鐵工藝共有3O余種，但到目前為止，只有奧鋼聯(lián)開發(fā)的COREX、韓國(guó)POSCO和奧鋼聯(lián)聯(lián)合開發(fā)的FINEX煉鐵工藝發(fā)展到了工業(yè)化規(guī)模。

熔融還原成為當(dāng)代鋼鐵工業(yè)前沿技術(shù)的原因是：

(1)熔融還原工藝不使用焦炭，不需建焦?fàn)t和化工設(shè)施，使用塊礦和部分球團(tuán)礦時(shí)可不建燒結(jié)設(shè)施，減少了較大污染源。為實(shí)現(xiàn)鋼鐵廠清潔生產(chǎn)、減少環(huán)境污染創(chuàng)造了條件。

(2)焦煤資源少，且分布不均勻，煉鐵不用焦煤有利于鋼鐵工業(yè)可持續(xù)性發(fā)展

(3)熔融還原煉鐵流程短，投資少，具有降低生產(chǎn)成本的潛力。

是先把普通煤裝入熔融氣化爐，然后吹入氧使煤燃燒、分解，將發(fā)生的煤氣作為還原煤氣導(dǎo)入還原豎爐，接著在還原豎爐內(nèi)將塊礦石和礦石顆粒還原到金融化率為95%左右。浦項(xiàng)公司在將日產(chǎn)從1000t提高到2000t的規(guī)模擴(kuò)大階段中，為穩(wěn)定熔融氣化爐的操作，除了使用粉煤外，還使用了大約10%的焦炭，另外為確保還原煤氣量，發(fā)現(xiàn)煤的揮發(fā)份存在著最佳值等，它受煤品位的制約。目前由于對(duì)煤種的選擇和還原豎爐中金屬化率的穩(wěn)定化等采取了措施，焦炭的使用量可以減少到大約3%～5%。由于礦石幾乎是在豎爐內(nèi)完成還原，因此還原所需的煤氣量大，熔融氣化爐的煤?jiǎn)魏囊哺?。結(jié)果用于系統(tǒng)外的能量也必然增大。印度京德勒鋼鐵公司Vijayanagar廠利用日產(chǎn)2000t的2座COREX設(shè)備發(fā)生的煤氣來帶動(dòng)2臺(tái)13MW的發(fā)電設(shè)備。另外，在南非的Saldanha鋼鐵公司還同時(shí)設(shè)置了直接還原鐵生產(chǎn)法(MIDREX)，能日產(chǎn)大約2500t的直接還原鐵(DRI)。

第1代工藝 從20世紀(jì)20年代開始，主要是在60年代堅(jiān)持試驗(yàn)。該工藝是在一個(gè)反應(yīng)器中使用精礦和煤的一步法。如1924年德國(guó)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(shí)意義。30年代后期丹麥F．L.Smit公司提出的Basset法，德國(guó)又開發(fā)的Sturzelbug法。50年代后，歐美各國(guó)研究開發(fā)的熔融還原法有瑞典的Dored法和EV(Eketorp-Vallak)法、意大利的Retored法、英國(guó)的CIP法等。這些方法都是一步法，因在試驗(yàn)中出現(xiàn)了一些當(dāng)時(shí)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(shí)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(shí)的高溫和強(qiáng)腐蝕性FeO熔體對(duì)爐襯的嚴(yán)重侵蝕，使?fàn)t襯耐火材料消耗大；有的是強(qiáng)烈轉(zhuǎn)動(dòng)反應(yīng)器，鐵水直接裝入耐火裝置內(nèi)，并在造渣前進(jìn)行保護(hù)(旋轉(zhuǎn)法和CIP法)試驗(yàn)，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(duì)著反應(yīng)器墻的轉(zhuǎn)盤進(jìn)行給料，在二次燃燒時(shí)，輻射前截?cái)唷熬V屏幕”以保護(hù)爐襯(E-V法)，此法雖未成功但精礦同時(shí)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(jìn)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(jìn)行終還原。ELRED法、INRED法早已完成半工業(yè)試驗(yàn)，但未到達(dá)實(shí)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(jì)的，因而未能推廣。等離子熔融還原法。用于比煉鐵價(jià)值高的不銹鋼煙塵回收的工業(yè)生產(chǎn)，現(xiàn)在瑞典有一個(gè)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(diǎn)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。

COREX熔融還原煉鐵工藝，采用了成熟的氣基豎爐法海綿鐵生產(chǎn)技術(shù)和高爐煉鐵技術(shù)。COREX工藝的預(yù)還原豎爐部分相當(dāng)于高爐爐身中、上部，熔融氣化爐部分相當(dāng)于高爐的爐缸與爐腹部分并向上延伸。截去了高爐的爐身下部和爐腰部分，避免了高爐內(nèi)影響料柱透液性、透氣性和氣流分布的軟熔帶的產(chǎn)生，為COREX工藝直接使用非煉焦煤煉鐵創(chuàng)造了條件。

爐缸形成死料柱

COREX熔融氣化爐中部以下有煤、半焦和海綿鐵組成的料柱，下部有半焦和焦炭組成的死料柱。死料柱的存在，使熔化后的渣鐵在高溫區(qū)與焦炭的接觸時(shí)間增加，鐵水溫度升高，鐵、硅還原，滲碳、脫硫等反應(yīng)有條件充分進(jìn)行。分析料柱結(jié)構(gòu)表明，爐缸的焦炭量隨著固定床深度的增加而增加。和高爐死料柱的作用一樣，死料柱在爐缸起到碳源作用，提供鐵水碳飽和及降低渣中殘余FeO所需要的碳。

爐塵回收，返入熔融氣化爐

煤在熔融氣化爐加熱脫除揮發(fā)分的氣化過程中，產(chǎn)生含碳粉塵，并被煤氣帶離氣化爐。煤氣經(jīng)除塵，控制還原氣含塵量在一定范圍內(nèi)?；厥盏臓t塵在爐體適當(dāng)位置返吹入熔融氣化爐。這樣，可以防止?fàn)t塵堆積，而且可通過調(diào)節(jié)吹氧量使?fàn)t塵燃燒產(chǎn)生的熱量將爐頂溫度控制在1100 ℃左右，使氣相中的焦油、苯等高分子碳?xì)浠衔锓纸鉃镠2、CO。所以，爐塵回收系統(tǒng)也是COREX工藝的無污染操作。

粒度分布與煤氣流控制

以爐料與煤氣相向運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)的豎爐還原，保持料柱的一定空隙率，煤氣流的低壓降，可防止懸料，增加煤氣流通量，礦石得到充分還原。為此，除嚴(yán)格控制礦石粒度和還原氣的含塵量外，還要盡量減少礦石在加熱還原過程中的碎裂現(xiàn)象。

環(huán)境污染小

由于COREX工藝用煤直接煉鐵，基本不需要焦炭，避免了冶金工廠的主要污染部分(焦?fàn)t)，工藝過程緊湊。尤其是沒有了煉焦過程的焦煤裝爐、出焦、爐門密封不嚴(yán)造成的煤氣泄漏，使COREX熔融還原煉鐵成為環(huán)境保護(hù)十分可取的煉鐵工藝。

流程短、投資省、生產(chǎn)成本低

COREX熔融還原煉鐵工藝，已有COREX C—1000、C—2000兩套裝置的9年和2年生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。與焦?fàn)t—燒結(jié)—高爐工藝流程相比，其工序少、流程短。COREX工藝從礦石到煉出鐵水僅需10 h，而高爐工藝需要25 h。由于設(shè)備重量減少一半，投資費(fèi)用少20 %，生產(chǎn)成本低10 %～25 % 。

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(guó)Lurgi公司合作 。

非高爐煉鐵是指高爐煉鐵之外的煉鐵方法。包括直接還原煉鐵，熔融還原煉鐵，粒鐵法，生鐵水泥法和電爐煉鐵等方法 。

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(jiān)持試驗(yàn)。該工藝是在一個(gè)反應(yīng)器中使用精礦和煤的一步法。如1924年德國(guó)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(shí)意義。30年代后期丹麥F. L. Smit公司提出的Bas-set法，德國(guó)又開發(fā)的Sturzelbug法。50年代后，歐美各國(guó)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(guó)的CIP法等。這些方法都是一步法，因在試驗(yàn)中出現(xiàn)了一些當(dāng)時(shí)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(shí)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(shí)的高溫和強(qiáng)腐蝕性FeO熔體對(duì)爐襯的嚴(yán)重侵蝕，使?fàn)t襯耐火材料消耗大;有的是強(qiáng)烈轉(zhuǎn)動(dòng)反應(yīng)器，鐵水直接裝入耐火裝置內(nèi)，并在造渣前進(jìn)行保護(hù)(旋轉(zhuǎn)法和CIP法)試驗(yàn)，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(duì)著反應(yīng)器墻的轉(zhuǎn)盤進(jìn)行給料，在二次燃燒時(shí)，輻射前截?cái)唷熬V屏幕”以保護(hù)爐襯(E-V法)，此法雖未成功但精礦同時(shí)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。克服了由二次燃燒空間到還原空間傳遞熱量的困難，用終還原產(chǎn)生的廢氣進(jìn)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(jìn)行終還原。ELRED法、INRED法早已完成半工業(yè)試驗(yàn)，但未到達(dá)實(shí)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(jì)的，因而未能推廣。等離子熔融還原法。用于比煉鐵價(jià)值高的不銹鋼煙塵回收的工業(yè)生產(chǎn)，瑞典有一個(gè)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(diǎn)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(dá)國(guó)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(diǎn)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(guó)于1995年底一套60萬t的設(shè)備投產(chǎn)，國(guó)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(jì)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(diǎn)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(yàn)，HI熔融還原法，已進(jìn)入工業(yè)性試驗(yàn)。兩法的特點(diǎn)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(yàn)的經(jīng)濟(jì)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(jìn)行了半工業(yè)性試驗(yàn)或單體試驗(yàn);此外美國(guó)的AISI法開發(fā)進(jìn)展緩慢，無明顯優(yōu)點(diǎn)，與前蘇聯(lián)的PJV法均為一步法。