非高炉炼铁技术研究.doc

《非高炉炼铁技术研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《非高炉炼铁技术研究.doc（36页珍藏版）》请在沃文网上搜索。

1、 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第 页 摘 要高炉炼铁技术经过数百年的发展，其工艺已经非常成熟，但由于受冶金焦资源等限制，而大量非焦煤资源在炼铁生产中不能得到充分利用，冶金工作者提出了各种非高炉炼铁技术。本设计是围绕非高炉炼铁展开的。简单介绍了非高炉炼铁技术的发展历史及发展现状，重点放在对以Midrex和HYL法为代表的直接还原法及以Corex和Finex法为代表的熔融还原法工艺的介绍，在各工艺特点的基础上进行比较、分析，并得出适合我国的非高炉炼铁工艺及该工艺在我国的发展前景。关键词：非高炉；直接还原；熔融还原 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第 页 Study on non Bla

2、st Furnace Ironmaking Technology ABSTRACT After hundreds of years of development,the technology of blast furnace ironmaking has been very mature.However, because of restricted by metallurgical coke resources, etc, and a large number of non coking coal resources can not be fully used in iron making p

3、roduction.Metallurgy researchers put forward all kinds of non blast furnace ironmaking technology.This design is built around the non blast furnace ironmaking and introduce the development history and current situation of the development of non blast furnace ironmaking technology.Focus on the repres

4、ented by Midrex and HYL method of direct reduction process and represented by Corex and Finex technology of smelting reduction method , in the process characteristics on the basis of comparison, analysis, and concluded which is suitable for our country .And how the development prospects of this tech

5、nology it will has in our country. Key words :non blast furnace;direct reduction;smelting reduction31 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第 页 目录摘 要IABSTRACTII第一章 非高炉炼铁技术简介11.1 非高炉炼铁概况11.2非高论炼铁技术发展的历史21.2.1直接还原炼铁的的发展历史21.2.2熔融还原炼铁的的发展历史21.3非高炉炼铁法现状31.3.1直接还原法现状31.3.2熔融还原法现状4第二章 直接还原工艺介绍52.1竖炉法52.1.1气基竖炉Midrex52.1.2气基竖

6、炉HYL和HYL-法82.2流化床法102.2.1Finmet法直接还原工艺102.2.2 Cicored法直接还原工艺122.3回转窑法122.4转底炉法14第三章 熔融还原工艺介绍163.1熔融还原工艺简介163.2 Corex 熔融还原173.3 Finex熔融还原193.4 HIsmelt 熔融还原20第四章 各种非高工艺炉和高炉的比较234.1传统高炉234.2 Miderx 工艺234.3 HYL-III 工艺244.4 SL-RN 工艺244.5 Corex 工艺244.6 Finex 工艺25第五章 中国非高炉发展现状及未来展望265.1 直接还原铁工艺265.1.1受高品位铁

7、矿、天然气资源短缺的制约265.1.2回转窑结圈问题已得到解决275.1.3隧道窑法在我国异常发展275.1.4转底炉法发展迅速275.2熔触还原28结 论29致 谢30参 考 文 献31第一章 非高炉炼铁技术简介1.1 非高炉炼铁概况人类炼铁技术已从古老的块炼铁发展至当今空前成熟的高炉炼铁，其生产效率已近顶峰。消耗的下降，使得生产成本大幅度降低，高炉生产的竞争力达到前所未有的水平。其主导地位预计在相当长的的时期之内不会改变。但高炉炼铁法存在着必须使用焦炭、流程长、环境污染严重等缺点。冶金焦的价格越来越高，而储量丰富的的廉价非焦煤却不能在炼铁生产中充分利用。我国能源消耗以煤为主，大致占总能耗的

8、70%。煤炭资源虽很丰富，但炼焦煤仅占6%，储量只有9亿吨，按目前的开采量，只能使用30年就将枯竭。与传统的高炉流程相比，非高炉炼铁流程具有流程相对较短、不用炼焦煤、节能减排效果明显的技术优势，是钢铁工业摆脱焦煤资源羁绊，降低能耗，减少CO2排放，改善钢铁产品结构，提高钢铁产品质量，实现绿色冶金的重要发展方向。 为改变炼铁依赖焦炭资源的状况，炼铁工作者经过长期的研究和实践，逐渐形成了不同形式的非高炉炼铁发。历史上曾出现过众多的非高炉炼铁流程，但大多数流程未能实现工业化。一些实现了工业化的流程也在激烈的流程中逐渐衰落、消失，列入电高炉、电矮身竖炉等。经过数百年的发展，至今已形成了以直接还原和熔融

9、还原为主体的现代化非高炉炼铁工业体系。直接还原法是以气体或非焦煤为能源，是在铁矿石呈固态的软化温度以下进行还原获得金属铁的方法。这种在低温下还原得到的、呈多孔低密度海绵状结构、含碳低、未排除脉石杂质的金属铁产品，称为海绵铁。熔融还原以法则非焦煤为能源，在高温熔融状态下进行铁氧化物还原，渣、铁能够完全分离，得到类似于高炉的含碳铁水。1.2非高论炼铁技术发展的历史1.2.1直接还原炼铁的的发展历史早在18世纪，直接还原法的设想就提出来了。1777年，英国申报了第一个直接还原法专利，1857年，提出了第一个近代完整的直接还原法的构思，1873年，建成了第一座非高炉炼铁装置，但不久便宣告失败。1932

10、年，瑞典开发了维伯尔法，生产海绵铁的直接还原法步入近代化工业生产阶段。20世纪60年代，石油和天然气的大量开发，为钢铁生产提供了便宜的新能源，促进了气体还原技术的发展，选矿技术的进步，为直接还原生产提供了脉石少、铁品位高的铁精矿原料，氧气转炉的开发和电炉炼钢的迅速发展，导致优质废钢供应紧张、价格上涨，这些因素进一步推动了直接还原法的发展。20世纪70年代以后，在许多国家和地区建设了一批不同类型的直接还原厂，规模从数万吨到百万吨级，从80年代开始，全球直接还原铁生产能力速度增加。2003年世界直接还原铁总量为4900万吨比2002年增加了 10 %。2011年世界直接还原铁总产量约为6347万吨

11、,约为世界生铁产量9.52亿吨的6.67%。1。1.2.2熔融还原炼铁的的发展历史上世纪八十年代以来，数十种熔融还原工艺通过了工业或半工业性试验。熔融还原主要可分为：氧煤工艺(以煤为主要能源，以氧或富氧空气为原始反应介质进行还原和熔化)：如 Corex，Dios,Hlsmelt，川崎法等；电煤工艺(以煤为还原剂，以电为主要热源)，如Inred ，Elred等。在这些工艺中，除Corex实现了工业化、Hlsmelt法正在筹建工业性示范工厂外，许多方法的开发研究进入了休眠状态。1989年，南非Pretoria Iscor 公司率先建立了世界上第一家Corex 冶炼厂。自投产以来一直连续生产，实际产

12、量已超出设计产量30万吨/年的10%以上。熔融还原虽然至今仅有两种方法(COREX、FINEX)投人工业化运行，2009年熔融还原总产量约为520万吨，约占世界生铁产量的0.55。但由于熔融还原的开发目标是不用焦炭生产热铁水，与环境友好的工艺，工业化的结果让人们看到了希望，因而仍然是钢铁生产技术发展中最受关注的方向之一。1.3非高炉炼铁法现状1.3.1直接还原法现状 直接还原炼铁是一种使用煤、气体或液体燃料为能源和还原剂，在铁矿石软化温度下，不熔化即将铁矿石中氧化铁还原得固态直接还原铁的生产工艺。直接还原是非高炉炼铁中已实现大规模工业化生产的技术，全世界实现工业化生产的直接还原法有数十种。按还

13、原剂的类型，分为气体还原剂法(气基法)、固体还原剂法(煤基法)和电煤法(以电为热源、以煤为还原剂)；按反应器的类型，分为竖炉法、流化床法、回转窑法、转底炉法以及隧道窑法等。 2011年世界直接还原铁总产量约为6347万吨,约为世界生铁产量9.52亿吨的6.67%。其中以Midrex和HYL-III为代表的气基竖炉法生产的DRI所占比例超过75%。1气基竖炉法气基竖炉法占主导地位，DRI的产量持续迅速增加。气基工艺的产量约占世界总产量的75，直接还原的发展速度虽因受石油、天然气涨价的影响而减缓，但世界DRI仍以10的速度迅速扩张。2流化床法流化床法是在流化床中用煤气还原铁矿粉的方法，在还原机理上

14、是气基法中最合理的工艺方法，因而倍受关注。但生产实践中，因物料流化所需要的气体流量远大于还原所需要的气量，还原气的一次通过的利用率过低，气体循环消耗的能量高等问题至今未得到有效的解决，造成世界已建成的多个流化床直接还原装置法中只有Finmet法和Cicored法在生产，但产量仅生产能力的50左右。3回转窑法回转窑法是煤基直接还原技术中最成熟、工业化生产规模最大，最主要方法。但因对原燃料的要求苛刻，能耗高，运行费用高，生产运行的稳定难度大，生产规模难以扩大，投资大等原因，多年来，回转窑法没有得到显著的发展，仅在印度、南非、我国等少数国家应用。由于印度是一个有富铁矿但缺少焦煤的国家，因此近几年来，

15、煤基回转窑直接还原法在印度持续高速发展。其代工艺有SL-RN 工艺等。4转底炉法日本、美国等国家开发的转底炉煤基直接还原技术ITmk3，因采用含铁原料与还原剂混合造球，压块,还原条件好；能源来源广泛；对原料的适应性强，在钢铁厂粉尘综合利用，以及复合矿利用有明显的优势，受到人们重视。以转底炉作为生产方法的工艺有Inmetco、Fasmet、ITmk3等工艺。5隧道窑法隧道窑法仅用于粉末冶金还原铁粉生产的一次还原工序。隧道窑法生产炼钢用直接还原铁，由于热效率低，能耗高，生产周期长，污染严重，产品质量不稳定，单机生产能力难以扩大等一系列问题，不是直接还原的主体方法。但隧道窑法技术含量低，适合于小规模

16、生产，投资小，符合小型投资需要，目前该法已经被我国禁止建设生产了。1.3.2熔融还原法现状熔融还原是指用非焦煤直接生产出热铁水的工艺。熔融还原技术有COREX，FINEX，HISMELT，仅COREX，FINEX实现了工业化生产。1 Corex熔融还原 Corex工艺采用块矿或球团矿和非炼焦煤，而不需要炼焦设备或焦炭。COREX工艺已有4座装置，南非C一2000一座，印度C一2000二座，宝钢C一3000一座)投人工业化生产。2 Finex熔融还原技术开发取得进展由浦项公司为主在Corex工艺的基础上开发的Finex工艺，以多级流化床取代Corex的预还原竖炉，原料由块矿、球团改为粉矿，给该工

17、艺赋予了新的发展的活力，Finex工艺投入工业化生产受到业内的关注。但浦项公司称Finex技术还未进人商业化运行阶段还不进行技术输出。3 Hlsmelt熔融还原Hlsmelt熔融还原遇到的主要问题是炉衬侵蚀过快、喷枪磨损和废气的处理和利用等。到目前为止，HIsmelt未能实现商业化生产。第二章 直接还原工艺介绍2.1竖炉法气基竖炉Midrex法和HYL法是世界上最成功、生产规模最大的直接还原工艺。煤制气一竖炉直接还原为直接还原铁生产发展开辟了新途径。近年来由Midrex公司提出，并在南非实现了工业化生产的CORER熔融还原尾气作为Midrex还原气的工艺技术，以及墨西哥HYL公司提出的HYL工

18、艺直接使用焦炉煤气、合成气、煤制成气为还原气的技术，为天然气资源不足的地区，以天然气以外的能源发展气基直接还原工艺开辟了新途径2。2.1.1气基竖炉Midrex 以Midrex法为代表的竖炉法工艺成熟、操作简单、能耗低、生产率高，在直接还原工艺中占主导地位。该法是由Midrex公司开发成功的。Midrex公司原为美国Midland Ross 公司下属的一个子公司，后来被Korff 集团接管，最后被该集团售予日本神户钢铁公司。该技术的经营权由Korff 公司、奥炼钢、鲁奇公司与Midrex 共享3。Midrex 流程在发展过程中出现过一些分支，包括采用外热竖炉的Midrex 电热直接还原法。其中

19、具有较大影响的，是1984年Korff 工程公司推出的海绵铁热压技术。Midrex 基本流程和主体设备在目前已经投产的工业装置中没有明显的变化。Midrex 基本流程如下图2.1所示。图2.1 Midrex 法工艺流程图Midrex 属于气基直接还原流程，还原气使用天然气经催化裂化制取，裂化剂采用炉顶煤气。炉顶煤气含CO及H2约70%。经洗涤后，约有60%70%加压送入混合室，与当量天然气混合均匀。混合气首先进入一个换热器进行预热。换热器热源是转化炉尾气。预热后的混合气送入转换炉中的镍质催化反应管组，进行催化裂化反应，转化成还原气。还原气含CO及H2共95%左右，温度为850900。剩余的炉顶

20、煤气作为燃料，与适当的天然气在混合室混合送入转化炉反应管外的燃烧空间。助燃用的空气也要在换热器中预热，以提高燃烧温度。转化炉燃烧尾气含O2小于1%。高温尾气首先排入一个换热器，依次对助燃空气和混合原料进行预热。烟气排出换热器后，一部分经洗涤加压，作为密封气送入炉顶和炉底的气封装置，另一部分通过一个排烟机送入烟囱，排入大气。图2.2 Midrex 结构竖炉示意图还原过程在一个竖炉内完成，见图2.2。Midrex 竖炉属于对流动床反应器，分为预热段、还原段、冷却段三个部分。预热段和还原段之间没有明确的界限，一般统称还原段。矿石装入竖炉后在下降运动中首先进入还原段。还原温度主要由还原温度决定，大部分

21、区域在800以上，接近炉顶的小段区域内床层温度才迅速降低。在还原段内，矿石与上升的还原气作用，迅速升温，完成预热过程。随着温度的升高，矿石的还原反应逐渐加速，形成海绵铁后进入冷却段。冷却段内，由一个煤气洗涤器和一个煤气加压机造成一股自下而上的冷却气流。海绵铁进入冷却段后在冷却气流中冷却至接近和环境温度，排除炉外。针对硫含量较高的矿石，Midrex 流程还有一个特殊的技术方案。该方案与基本流程的差别主要在于冷却系统。为了避免含硫较高的炉顶煤气进入催化裂化反应管，毒化催化剂，给造气单元带来麻烦，该方案使用炉顶煤气作为冷却气。炉顶煤气经洗涤净化后，大部分作为冷却气通入冷却段。在冷却段中，冷却气与高温

22、海绵铁接触，在冷却海绵铁的同时受到海绵铁的脱硫作用，可使硫含量将至1010-6以下。排出冷却段后，再作为裂化剂送入转化炉。通过这一措施，可处理硫含量最高至0.02%的矿石。2.1.2气基竖炉HYL和HYL-法HYL法原为气体罐式法，间歇式作业，操作简单，设备可靠，但能耗较高。今年来， HYL法在总结原工艺的基础上，完成了用一座竖炉取代四座罐式反应器的重大改进。改进后的HYL-M装置可进行高温高压作业，有效地缩短了还原时间。希尔法海绵铁生产技术为墨西哥希尔萨公司所有，它是用天然气制取还原气，然后还原气在竖炉中将铁矿石还原成海绵铁。最初的希尔法海绵铁生产技术称为HYL工艺，是固定床直接还原设备的典

23、型代表。1957年，希尔萨公司在墨西哥蒙特雷建成世界首家工业性直接还原厂，此后，巴西、委内瑞拉、印度尼西亚等国相继引进该直接还原技术。由于竖炉工艺原理被普遍接受, 1979 年, HYL-SA 将一套HYL法装置改造成连续性竖炉, 并定名为HYL-。目前HYL-流程应用范围仅次于Midrex 流程, 是第二大直接还原炼铁流程。HYL-工艺的基本原理是在固定床用还原气体来还原铁矿石。通过的还原气的碳氢化合物, 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。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。直接还原工艺在美国Mi

24、drex 公司的逆流式移动床成功地投入工业应用后，希尔萨公司在HYL工艺的基础上开发出高压逆流移动床直接还原反应器4。流程原理如图2.3所示。图 2.3 HYL-工艺流程图1980年，希尔萨公司在蒙特雷建成第一套工业规模的工艺装置并投入生产。HYL-代替HYL-、HYL-，体现了由间歇运行到连续运行的进步趋势。随着HYL-竖炉的日益完善和成熟，HYL-海绵铁生产技术在世界范围内得到应用和推广。在HYL-工艺中，还原气以水蒸气为裂化剂，以天然气为原料，通过催化裂化反应制取。还原气转化炉以天然气和部分炉顶煤气为燃料，燃气余热在烟道换热器中回收，用以余热原料气和水蒸气。从转化炉排出的粗还原气首先通过

25、一个热量回收装置，用以水蒸气的生产，然后通过一个还原气清洗冷却，冷却出过剩水蒸气，使氧化度变低。净化还原气与一部分经过清洗加压的炉顶煤气混合，进入一个以炉顶煤气为燃料的加热炉，预热至900960。从加热炉排出的高温还原气从竖炉的中间部位进入还原段。在与矿石的对流运动中，还原气完成对矿石的还原和预热，然后作为炉顶煤气从炉顶排出竖炉。炉顶煤气首先经过清洗，将还原过程产生的水蒸气冷却脱除，提高还原势，并除去灰尘以便加压。清洗后的炉顶煤气分为两路，一路作为燃料气供应还原气加热炉和转化炉，另一路加压后与净还原气混合，预热后作为还原气使用。HYL-工艺可使用球团矿和天然矿块矿为原料，加料和卸料都有密封装置

26、。料速通过卸料装置中的蜂窝轮排料机进行控制。在还原段完成还原过程的海绵铁继续下降进入冷却段，冷却段的工作原理与Midrex 法。可将冷还原气或天然气作为冷却气补充进循环系统。海绵铁在冷却段中温度降到50左右，然后排出竖炉。近年来，用煤制气、焦炉煤气、熔融还原炉生产的煤气或者合成气作为还原剂，以竖炉为反应器生产直接还原铁的技术引起人们的重视。HYL-ZR 工艺就是这种新型气基自重整直接还原工艺，它是在原HYL工艺系列上发展起来的。HYL-ZR工艺可以利用煤制气、焦炉煤气、Corex熔炼炉生产的煤气、高炉煤气、氧气顶吹转炉煤气等来还原铁矿石，生产海绵铁。通过在自身还原段中生成还原气，实现最佳还原效

27、率。使用煤气制气作为还原剂的HYL-ZR工艺流程如图2.4所示。该流程将HYL-ZR工艺与煤气制气工艺相结合，煤与氧结合生成CO，通过气体调整并脱除CO2后送入HYL-ZR炉，在竖炉内对铁矿石进行还原，生产直接还原铁。图 2.4 HYL-ZR 工艺流程图2.2流化床法流态化还原工艺指在流化床中用煤气还原铁矿粉的方法。在流态化法还原工艺中, 煤气除用作还原剂及热载体外, 还用作散料层的流化介质。目前,该法主要包括Fior 法、Iron Carbide 法、Finmet 法、Circored 法等。但生产实践中，因物料流化所需要的气体流量远大于还原所需要的气量，还原气的一次通过的利用率过低，气体循

28、环消耗的能量高等问题至今未得到有效的解决，造成世界已建成的多个流化床直接还原装置法中只有Finmet法和Cicored法在生产，但产量仅生产能力的50左右。流化床法的产量仅占世界总产量的1.5%。2.2.1Finmet法直接还原工艺 Finmet 是目前唯一在生产的流化床直接还原流程，由奥钢联与委内瑞拉FIOR公司联合开发8。当气体通过固体散料层时，气体作用于散料颗粒的力随气流速度的增大而增大，对一定的粒度和比重的散料层来说，有一个临界气流速度，超过这一临界气流速度，散料就要产生沸腾，即流态化。铁矿石用流态化还原具有以下优点：矿石粉不需要制块而直接用于还原；细粒铁矿粉具有较高的还原度5。图2.

29、5 Finmet 流化床直接还原工艺流程图Finmet属于气基直接还原，主体能源是天然气，天然气转化过程在转化炉中完成。转化炉的工作原理与Midrex 竖炉相似，使用镍质催化剂，通过催化裂化反应将碳氢化合物转化成CO和H2。还原在4个串联起来的流化床中完成。还原气首先通入最后一个流化床，自最后一个流化床排出后再依次通过第三、第二和第一个流化床。粉矿在重力作用下从较高的反应器流向较低的反应器，气固以相反的方向流动，气固换热、传质迅速进行，粉矿逐步下降通过其余的反应器，每经过一个反应器都因与还原性更强的气体相接触而提高金属化率。自第一个流化床排出后的还原尾气首先经过清洗，脱除水蒸气，然后加压并与粗

30、还原气汇合脱掉CO2 后的冷还原气再通入还原气加热炉。还原气在加热炉中加热至790左右，然后通入最后一个流化床，开始新一轮还原过程。但是铁矿粉用流态化还原也有其的不足之处：铁矿粉颗粒越细越易粘结，还原温度一般不高，700左右；由于还原温度低，需要用H2或富H2煤气还原；低温还原后的铁粉具有很大活性，极易再氧化，必须钝化处理便于保存和运输等。2.2.2 Cicored法直接还原工艺 如图2.6 所示。粉铁矿进入初始阶段的循环流化床反应器之前，在循环流化床预热器中被干燥预热到850900。预还原的金属化率约为70，粉料流人流化床反应器进行终还原，反应后其金属化率约为9396。流化床被分隔以利于控制

31、。通过加热矿铁矿和循环气体为吸热还原反应提供热能。整个还原工艺的绝对压力为4个大气压，还原温度在630650屯之间。预还原阶段的停留时间短，气体流速高，而终还原的停留时间长，气体流速低。从终还原炉产出的还原矿粉在700被压成块，所以利于安全贮存和运输。比较经济的方法是使热的直接还原铁粉加入电弧炉熔炼。该法由于反应温度低，生产效率一直未达设计要求，最后被迫关闭。图2.6 Cicored 工艺流程图2.3回转窑法 回转窑是一个略倾斜放置在几对支撑拖轮上的筒形高温反应器。作业时，窑体按一定转速旋转，含铁原料与还原煤从窑尾加料端连续加入，并加入脱硫剂以控制产品含硫量。随窑体的转动，固体物料不断地翻滚，

32、向窑头排料端移动。在排料端设有主燃料烧嘴和还原煤嘴喷入装置，提供工艺过程所需要的部分热量和和还原剂。沿窑身长度方向装有若干供风管向窑中供风，燃烧煤释放的挥发分、还原反应产生的CO和煤中的碳用以补充工艺所需大部分热量和调节窑内温度分布。物料移动过程中，被逆向高温气流加热，进行物料的干燥、预热、碳酸盐分解、铁氧化物还原以及溶碳、渗碳反应，铁矿石在保持外形不变的软化温度以下变成海绵铁。回转窑法生产直接还原铁的典型工艺是SL-RN 工艺6。其流程如图2.5所示。图2.5 SL-RN 流程图炼铁用的回转窑与水泥工业用的回转窑结构基本相同，炉体由钢壳及耐火炉衬组成。回转窑SL-RN 法开发于1954 年，

33、南非Iscor 公司SL-RN 法使用非焦煤生产高金属化率海绵铁，回转窑长度为80m，直接4.8m，窑头（卸料端）较窑尾（加料端）稍低，倾角2.5%，转速为0.5 周/每分钟转动。 回转窑既可处理块矿，又可处理粉矿。铁矿石（铁矿石粉）、脱硫剂和还原煤自窑尾加入回转窑，以窑体的转动为动力，炉料缓慢自窑尾向窑头运动，温度逐渐升高，当温度达到一定时，矿石中铁的还原反应开始发生并随着温度的提高越来越剧烈，完成还原反应的产品自窑头排出回转窑，这一周期需要1020h。 回转窑炼铁可使用多种燃料，一般供热用液体燃料或气体燃料较方便，固体燃料需要粉碎后喷吹燃烧。气流方向与炉料运动方向相反，称为逆流式，反之为顺

34、流式，一般多以逆流式，热效率叫顺流式高。回转窑由于炉头温度的不同可得到不同的产品，在1250左右时金属达到半融化状态，金属聚集成粒，即粒铁；当温度达到1400左右时，粒铁进一步渗炭和融化，产品成为液态生铁。这两种产品在生产中会使炉衬损坏、结圈。因此，目前一般以低温不融化为主，产品是海绵铁，炉头温度不会超过1100。 回转窑废气中的剩余化学热和物理热通过余热锅炉进行回收。废气先通过一个沉降室进行除尘，然后通入空气烧掉残余的可燃性气体，高温燃气通入一个余热锅炉回收物理热生产蒸汽，最后净化排入大气。回转窑直接还原法的本质特征是以非焦煤为基础，因此能源储量丰富、来源广泛，无烟煤、褐煤或一些次煤都可以作

35、为还原剂。2.4转底炉法 转底炉 工艺是一种以煤基快速直接还原技术，其工艺最早由Ross 公司提出。1978年，加拿大国际镍集团建成第一座利用冶金废弃物回收金属的转底炉。迄今，转底炉的发展已经有了30多年的历史了。期间，美国、德国、日本等国家都相继投入力量开发研究，先后建立起工业化生产厂。目前该技术已经表现出商业发展潜力。我国自1990年代起对转底炉技术进行跟踪研究，近几年在消化吸收外国转底炉技术发展的基础上，先后有很多家企业投资建成转底炉装置。到目前为止，生产直接还原铁的转底炉可分为两大类：一类是以回收冶金废弃物为原料，如高炉瓦斯、轧钢氧化铁皮等，这种工艺技术已经成熟，有多座工厂在建。另一类

36、是以铁矿粉为原料，作为新一代炼铁工艺已有多次试验成果，并建有商业规模工厂，但技术上还不够成熟，仍在发展中。作为转底炉法的代表ITmk3工艺脱颖而出，这里仅对该工艺进行介绍。上世纪九十年代中后期，日本神户制钢公司与美国Midrex公司联合开发转底炉直接还原工艺Fastmet并取得突破性进展，使金属化球团在转底炉中还原时熔化，生成铁块，同时脉石也熔化，形成渣铁分离。此法解脱了DRI对原料品位的苛求，能用铁矿为电炉提供优质铁料。此法因意义重大，被命名为“第三代炼铁法”。高炉炼铁法被称为第一代炼铁法，产品属高碳液态铁水；直接还原法被称为第二代炼铁法，产品属低碳固态铁；第三代炼铁法的产品介于二者之间，属

37、中碳准熔化状态7。转底炉的典型生产工艺有Inmetco、Fasmet和ITmk3等工艺，下面仅对ITmk3进行介绍。ITmk3工艺流程如图2.6所示。图2.6 ITmk3 工艺流程图ITmk3工艺的核心技术是在13501450下，将含炭复合球团矿加热后在10分钟内完成以下反应。并使渣铁完全分离： FexOy+yCO = xFe +yCO2 (1) CO2 + C = 2CO (2) C(s)=C (3) Fe(s)=Fe (4) ITmk3法为转底炉流程，使用铁碳复合技术。其特点是在高温状态下在转底炉中实现铁矿固态还原，最终获得粒铁产品。产品成本价格8590美元t50万吨ITmk3与50万吨高

38、炉熔炼相比，前者能耗1789GJ，C02排放量1465kg，后者能耗2081GJ，CO2排放量2208kg。ITmk3法与前两种非高炉炼铁法相比较其共同特点是不需炼焦炉和烧结工艺过程。可实现节能减排，粒铁产品具有与高炉生铁同等的品质。但Corex 法和Hismelt 法在生产过程中需要大量天然气对入炉矿石粒径有较严格要求，所以受地区资源限制。而ITmk3可以利用种类广泛的矿粉原料与煤炭受选址限制少。需要原料矿石条件TFe65，煤炭：固定碳65，挥发分30，灰分15即可。ITmk3法熔炼还原时间短，在12min内可以完成，因而设备的起动、停止、产量调整等易实现。 ITmk3法不用焦炭和块矿，可用

39、普通煤和低品位矿等高炉不便应用的劣质原料，且工艺设备简单。因此灵活性大而投资低，符合合理利用资源和环境友好的战略方针，预计今后将很快应用，发展前景广阔。第三章 熔融还原工艺介绍3.1熔融还原工艺简介传统的高炉炼铁把还原、熔化、造渣等过程集于高炉一体，具有设备简单、易于大规模生产等许多优点，然而炉料由固态经软熔到熔化，是一个固、液、气多相反应同时存在的复杂过程。为了提高高炉效率，把细磨了的矿粉重新加热造块，将耗费和含有巨大能量的人造富矿又重新冷却、破碎，送入高炉再重新加热。从整体上看，这是一种巨大的浪费。直接还原法虽然可解决不用焦炭的问题，但精料要求比高炉还高，其产品主要供给电炉炼钢，不能满足转

40、炉大规模生产要求。为解决上述矛盾，冶金工作者提出了直接用高品位精矿粉进行熔融还原的新工艺。其基本思想就是把高炉作用分为两步来完成：第一步是预还原，主要任务是从铁精矿粉中夺取氧，提供预还原原料，第二部是深度还原，主要完成熔化、精炼和渣铁分离的任务，并同时为预还原提供高温还原性煤气。熔融还原的主体能源主要有非焦煤、焦炭（非冶金焦）和电力。能源供应以非焦煤为主的称为煤基流程，仍然需要焦炭来支撑的称为焦基流程，使用大量电热的称为电热流程。欧钢联的方式是根据工艺模式，将熔融还原划分为三段式、两段式、一段式和电热法。三段式熔融还原流程可分为两大部分，即还原部分和熔炼造气部分。还原部分就是还原段。熔炼造气部

41、分则在一个设备中包含了熔炼造气段和煤气转化段。其构造特点是熔池上方中，可利用煤气过剩物理热完成CO2和H2O向CO和H2的转化过程。两段式也由还原部分和熔炼造气部分组成，因此又与三段式统称为二步法。两段式与三段式的主要区别是，熔炼造气炉中熔池上方不存在含碳料层。某些二段式流程为了解决还原气成分和温度问题，在熔炼炉与还原炉之间附加了一个还原气改善炉，为与典型的三段式相区别，仍称这种流程为二段式流程。一段式只有熔炼段，没有还原段。现代化的一段式流程和二段式流程均采用铁浴炉熔炼设备，因此二者又称为铁浴法。三段式由煤基流程和焦基流程组成。两段式和一段式由煤基流程组成。熔炼设备是熔融还原流程的精华。一个

42、熔融还原流程的开发通常由熔炼设备开始，而熔炼设备开发工作又往往决定了该流程的成败。还原设备决定了适应原料的性质，列如，流化床可直接处理粉料，竖炉则只适于处理块状料。下面对熔融还原三个代表工艺Corex、Finex、HIsmelt进行介绍。3.2 Corex 熔融还原与传统高炉工艺不同，Corex流程中铁的还原和熔炼过程在两个不同的容器中完成的。这两个容器分别是上部的竖炉和下部的熔炼造气炉，组成所谓的Corex塔8。Corex工艺流程如图3.1所示。图 3.1 Corex 工艺流程图通过装料设备和布料装置，从预还原竖炉顶部装入铁矿石、球团矿和熔剂等炉料，热还原煤气从竖炉下部输入，炉料在逐渐下降的

43、过程中，与逆流还而上的还原煤气发生一系列物理化学反应，含铁炉料被还原并到达竖炉下部，经6-8h被还原成金属化率约90海绵铁。在高温煤气的作用下，部分熔剂在此发生分解反应。竖炉下部的热态海绵铁和熔剂及其分解产物等炉料分别由几台液压传动、转速可调的水冷螺旋给料机连续热送入下面的熔融气化炉，同时通过另一套给料系统将储存在压力仓内的煤连续加入到熔融气化炉。熔融气化炉是一个气。固一液多相高温复杂反应的容器。在Corex熔融还原炼铁工艺过程中起着非常重要的作用，在此主要完成燃煤造气和海绵铁熔化，熔剂分解、熔化，生铁脱硫、渗碳，造渣及渣铁分离等反应。加入熔融气化炉中的煤在下降过程中与高温煤气相遇，在200时

44、即开始有部分挥发物生成，气化炉下部温度越来越高，煤挥发的速度也越来越快，500左右挥发份大量挥发出来，到800。1000时，煤中大部分挥发份都己脱除，煤挥发份挥发份脱除后，逐步成为半焦直至焦炭，在流态化床下部依次形成主要由焦炭颗粒构成的固定床和类似高炉的死料区。从上部竖炉下来的海绵铁和熔剂在穿过气化炉的上部扩大空间和小颡粒形成的流态化床过程中，被上升的高温煤气加热，然后落到半焦或焦炭形成的固定床上。在气化炉炉腰部由环形分布的多个风口连续吹入氧气，使固定床中的焦炭燃烧并在风口附近形成回旋区，产生2000以上的高温煤气，高温煤气在流经焦炭固定床和流化床区过程中使煤或焦碳发生气化反应，同时使海绵铁、

45、残余铁氧化物和熔剂熔化和最终还原，煤气本身的物理热和化学热得到利用，煤气温度降低，化学成分也会发生变化。熔化后的物料经渣铁分离、渗碳、脱硫和脱硅等过程，最终得到14001500的铁水和熔渣进入气化炉下部炉缸，从铁口和渣口排出。熔融气化炉出口处的还原煤气温度高达1000-1100，主要成分为CO和H2，分别占65一70和20一25，兑入部分净化处理后的冷煤气，温度降至850。C，再经热旋风除尘器除尘，将含尘量从1509m3降至209m3左右例，8590送入预还原竖炉作为还原气体；剩余部分通过填料洗涤器、文氏洗涤器和水脱除器后，作为冷却净煤气输出。旋风除尘器分离出的粉尘含C50、Fe l5、CaO

46、+MgO35，经炉尘返吹装置喷回熔融气化炉内用氧燃烧。还原竖炉出口煤气也经填料洗涤器、文氏洗涤器和水除尘器后作为净煤气输出。3.3 Finex熔融还原 Finex是Corex技术的进一步发展。是韩国浦项钢铁公司和奥地利奥钢联工程公司从1992年开始，一起联合开发的、用丰富的廉价铁矿粉和非焦煤直接生产铁水的新熔融还原工艺。该工艺不需要烧结和炼焦等预处理工序，与高炉炼铁工艺相比，能大大降低工序成本，减少污染物的产生。浦项的年产能为150万t的工业生产线已于2007年4月10日投产，该工艺具有广阔的发展前景。工艺主要由3个工序组成：流化床预还原装置、DRI粉压块装置和熔融气化炉装置。第一步是流化床反

47、应装置，可以把铁矿粉进行预还原，其所使用的还原性气体是由输入熔融气化炉的煤经燃烧和高温分解而产生的。第二步，经流化床预还原后进入压块工序，变成热压块铁。非焦煤经过压块变成压块煤，加入到熔融气化炉中。第三步，压块煤在熔融气化炉中燃烧产生热量，把经流化床中还原过的热压块铁熔化成铁水和炉渣9。 Finex工艺流程如图3.2所示。图 3.2 Finex 工艺流程图相比Corex 工艺，Finex 工艺主要进行了一下技术的改进：取消还原竖炉，用多级流态化床反应器代替还原竖炉。用铁矿粉代替还原球团矿和块矿。铁矿粉在多级流态化反应器中大部分得到还原。部分还原的热矿粉经热压成块，作为含铁炉料加入熔融气化炉中。改变将煤直接加入熔融气化炉的方式，将煤