直接还原铁技术现状

直接还原铁是铁矿在固态条件下直接还原为铁,可以用来作为冶炼优质钢､特殊钢的纯净原料,也可作为铸造､铁合金､粉末冶金等工艺的含铁原料｡这种工艺不用焦炭炼铁,原料也是使用冷压球团不用烧结矿,所以是一种优质､低耗､低污染的炼铁新工艺,也是全世界钢铁冶金的前沿技术之一｡

直接还原炼铁工艺有气基法和煤基法两种,按主体设备可分为竖炉法､回转窑法､转底炉法､反应罐法､罐式炉法和流化床法等｡目前,世界上90%以上的直接还原铁是用气基法生产出来的｡但是天然气资源有限､价高,使生产量增长不快｡用煤作还原剂在技术上也已过关,可以用块矿､球团矿或粉矿作铁原料(如竖炉､流化床､转底炉和回转窑等｡但是,因为要求原燃料条件高(矿石含铁品位要大于66%,含S_i0₂+A1₂0₃杂质要小于3%,煤中灰分要低等),规模小,设备寿命低,生产成本高和某些技术问题等原因,致使直接还原铁生产在全世界没有得到迅速发展｡因此,高炉炼铁生产工艺在较长时间内仍将占有主导地位｡

一､直接还原铁的质量要求

直接还原铁是电炉冶炼优质钢种的好原料,所以要求的质量高(包括化学成分和物理性能),且希望其产品质量均匀､稳定｡

1.化学成分｡直接还原铁的含铁量应>90%,金属化率要>90%｡含SiO₂每升高1%,要多加2%的石灰,渣量增加30kg/t,电炉多耗电18.5kWh｡所以,要求直接还原铁所用原料含铁品位要高:赤铁矿应>66.5%,磁铁矿>67.5%,脉石(Si0₂+A1₂0₃)量<3%~5%｡直接还原铁的金属化率每提高1%,可以节约能耗8~10度电/t｡直接还原铁含C<0.3%,P<0.03%,S<0.03%,Pb､Sn､As､Sb､Bi等有害元素是微量｡

2.物理性能｡回转窑､竖炉､旋转床等工艺生产的直接还原铁是以球团矿为原料,要求粒度在5~30mm｡隧道窑工艺生产的还原铁大多数是瓦片状或棒状,长度为250~380mm,堆密度在1.7~2.0t/m³｡

生产过程中产生的3~5mm磁性粉料,必须进行压块,才能用于炼钢｡强度取决于生产工艺方法､原料性能和还原温度,改进原料性能和提高温度有利于提高产品强度,产品强度一般>500N/cm³｡

表1 产品化学成品（%）

工艺/成分	TFe	nFe	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	C	P	S
Midrex	91-93	92-95	2.0-5.5	0.5-1.5	0.2-1.6	0.3-1.1	0.7-2.5	0.07	0.01-0.03

二､直接还原铁生产工艺技术介绍

1.竖炉法

气基竖炉法MIDREX､HYL法在直接还原铁生产中占有绝对优势,该工艺技术成熟,设备可靠,单位投资少,生产率高(容积利用系数可达8~12t/m³·d),单炉产量大(最高达180万t/年),成本低｡经过不断改进,其生产技术不断完善,实现规模化生产｡

(1)MIDREX技术｡Midrex法标准流程由还原气制备和还原竖炉两部分组成｡

还原气制备:将净化后含CO与H₂约70%的炉顶气加压送入混合室,与当量天然气混合送人换热器预热,后进入1100℃左右有镍基催化剂的反应管进行催化裂化反应,转化成C0₂4%~36%､H₂60%~70%､CH₄3%~6%和870℃的还原气｡后从风口区吹人竖炉｡竖炉断面呈圆形,分为预热段､还原段和冷却段｡选用块矿和球团矿原料,从炉顶加料管装入,被上升的热还原气干燥､预热､还原｡随着温度升高,还原反应加速,炉料在800%以上的还原段停留4~6小时｡新海绵铁进入冷却段完成终还原和渗碳反应,同时被自下而上通人的冷却气冷却至<100%｡还原铁的排出速度用出铁器调节｡产品典型成分如表1｡

工艺多用球团和块矿混合炉料｡球团粒度9—16mm占95%,球团冷压强度>2450N/球,块矿粒度10—35mm占85%;要有高软化温度和中等还原性;化学成分铁量要高,酸性脉石低(≯3%一5%),CaO<2.5%,MgO<1.0%,Tio<0.15%,S<0.008%｡为放宽对矿石含硫要求,Midrex法改用净化炉顶气作冷却气｡在冷却海绵铁的同时被热海绵铁脱硫,从冷却段排出后再作为裂化剂,可容许用含硫0.02%矿石｡

现今Midrex法作业指标为:产品金属化率86%一96%,有效容积利用系数10t/m³·d,能耗10.47GJ/t,电114kWh/t,水1.64m³/t｡

Arex法是Midrex法的新改进,天然气被氧气(或空气)部分氧化后送入竖炉,利用新生热海绵铁催化裂化,省去了还原气重整炉｡改进后吨铁电耗可降低50kWh｡

(2)IIYL(罐式)法与HYL一Ⅲ(竖炉)法｡HYL法由4座罐式反应炉和1座还原气重整炉构成｡该工艺作业稳定､设备可靠｡产品含碳2%左右,不易再氧化,不发生炉料粘结;只因还原气要反复冷却､加热,系统热效率低,能耗偏高,气体消耗为20.93GJ/t;1975年后再没建新厂｡

对HYL罐式法作出改革,保留原还原制备工艺,但将还原气重整转化与气体加热合一;4个罐式反应炉改为连续式竖炉,称HYL一Ⅲ竖炉法｡该工艺采用高氢还原气,高还原温度(900—960C)和0.4.一0.6MPa高压作业｡改善还原动力学,加速还原反应;含硫气不通过重整炉,延长了催化剂和催化管使用寿命;还原和冷却作业分别控制,能对产品金属化率和含碳量进行大范围调节,产品平均金属化率90.9%､控制碳量1.5%一3.0%,质量稳定;配置C02吸收塔,选择性地脱除还原气中H20和C02,提高还原气利用率;重整炉产生高压蒸汽发电｡最低生产能耗为10.43一11.2GJ/t,电耗90kWh/t｡HYL(罐式)法已逐渐被HYL-Ⅲ(竖炉)法取代,合计产量占世界总产量的25%左右｡

该法的新改进是天然气进入反应器直接裂解,生产高碳(3.8%)DRI产品｡最近又推出HYL一Hytemp生产系统｡将热还原铁(650℃)气力输送到电炉车间,喷入电炉｡冶炼时间缩短,电极和耐火材料消耗降低,金属收率提高｡吨钢电耗降低112kWh,电极消耗降低0.55kg,冶炼时间缩短16min,产率提高16%,吨钢成本可降低4.6美元｡

2.气基流化工艺

(1)FINMEF工艺｡该工艺使用<12mm粒度矿粉(脉石<3%,低硅高铁),在流化床上干燥,被加热到100℃,送入反应器结构顶端的闭锁料斗系统中,加压1.1MPa后,通过4个串联液化床反应器,铁粉在重力作用下从上方反应器向下流动,与作为还原剂的重整天然气逆向而行｡产品含铁92%,金属化率92%一95%,含碳0.5%一3.0%,以FeC形式存在｡现世界上已有三套这种装置,1999年奥钢联建第一套;第二套在西澳BNP公司,能力250万吨/年;埃及建第三套,年能力115万吨｡该工艺的优点是成本低､质量好｡

(2)Circored和Circofer工艺｡两种工艺核心设备都包括一座循环液化床和一座普通流化床｡Circored是用天然气为能源,Circofer以煤为能源｡铁精矿粉经过预热后(约900℃)进入循环流化床参加反应,使动力学条件得到改善,在4个大气压条件下,铁矿与氢在630℃时可被还原(在气体环路中加入部分氢)｡

3.转底炉法

将铁矿粉､钢铁厂含铁粉尘､煤粉和粘结剂按一定比例混合,压制成含碳球团矿,送入烘干机内进行烘干,脱除水分｡将干燥的含碳球团均匀地铺在转底炉上(只铺一层),在高温1200~1400℃下球团矿内氧化铁与碳反应,放出CO,在炉膛内燃烧成C0₂,并形成高温废气(在1000℃以上)｡一般反应只要20分钟左右｡

将废气收引出预热煤气(400℃)和助燃空气(900℃),低温废气从蓄热室和换热器引出,再去烘干生球团｡这时废气温度在100℃左右｡从节能角度看,能源利用效率较高｡转底炉的高温气体由燃烧器来提供(使用煤气加热)｡

转底炉可以处理含Zn､Pb高粉尘,可以避免配人烧结矿中后,在高炉冶炼过程中Zn､Pb的富集造成的负面影响｡目前山西翼城､河南巩义已有外径为16.3米的转底炉,年产量在7万吨,金属化率达85%,每吨铁投资为182元｡

4.开发利用焦炉煤气,对含碳球团在竖炉内进行直接还原

焦炉煤气含55%左右的氢｡在化学反应中,氢对氧化铁的还原率是最高的｡目前,首钢准备开展这方面的工作｡焦炉煤气要进行裂解,提高H₂的含量,并要预热到930~950℃,再±参与还原反应,反应后气体要脱除C0₂,再循环利用｡

用氢作还原剂存在的主要技术问题:一是H₂还原铁的其它氧化物都是吸热反应,需要充足的热｡在满足还原和供热的煤气的最佳H₂含量为32.05%｡二是富氢预还原会导致物料的粉结｡采取分段供应富氢和非富氢供气制度｡

三､直接还原铁发展现状

1.全世界直接还原铁发展比较快

2003年产量为4960万吨,2004年为5460万吨,2005年约为6000万吨｡年增长率在10%以上｡在直接还原铁生产工艺中,气基直接还原占92%｡

表2 各种直接还原铁生产所占比例  单位：%

年	MIDREX	HYLIII	HYLI	Finmet	其他基煤	其他气基
2003	64.60	18.40	1.30	5.20	10.20	0.40
2004	64.10	18.90	1.90	2.90	12.10	0.10

2004年委内瑞拉产量783万吨,印度937万吨,墨西哥654万吨,伊朗641万吨,俄罗斯314万吨,沙特341万吨,特立尼达和多巴哥236万吨,中国为43万吨｡

2.中国情况

2005年中国生产直接还原铁约50万吨,而生产能力比产量要高出20%｡主要是技术､原料､成本等因素影响｡

全国现有30多个直接还原铁企业,总生产能力约60万吨｡总体上讲,规模小,生产成本高,缺少高品质原料｡多数企业用隧道窑反应罐法,生产工艺落后,能耗高,环境污染严重｡

(1)天津直接还原铁厂生产实践｡2004年产直接还原铁33.2万吨,2005年约产34万吨,设备作业率在98%以上｡

该厂采用DRC法煤基直接还原生产工艺:两条ф5x80m回转窑一冷却筒一产品分选一成品｡使用巴西球团矿(含铁品位68%,SiO2+A1203约为2%)适宜配人煤和石灰石,进行混匀,从回转窑给料端加入｡窑体是倾斜安装,慢速旋转,使炉料朝卸料端运动,同时,矿石被加热和还原(注意温度控制不要使脉石熔融,以免结圈)｡煤作为热源和还原剂,一部分随铁矿石同时加入,另一部分从窑的卸料端喷入窑内｡供煤所燃烧的空气,通过沿窑长度方向安装在窑壳上不同位置的风机由轴向吹入窑内｡热的还原产品经过冷却筒冷却,然后筛分､磁选及风选,分离出非磁性物,得到成品｡来自窑内的烟气经余热锅炉回收余热(产生蒸汽),废气经布袋除尘,用废气风机送人烟囱｡

操作的技术关键:

——保证窑内还原气氛,控制好风量;

——控制好窑体内各部分的适宜温度,不让脉石熔融;

——窑的卸料端保持微正压,20—30Pa｡

控制直接还原铁金属化率在91.1%~94.6%,质量合格率在94%是最经济的指标｡金属化率高和低,均会造成回转窑和电炉炼钢指标的恶化(炼钢过程加入直接还原铁比例最好控制在15%~35%,并要控制好料流加入速度32~34kg/兆瓦·分,以免出现钢水的沸腾现象以及喷溅)｡

影响产品金属化率的因素是:频繁停窑､非正常条件下生产(难以调控),窑和冷却筒密封性不良､煤的成分波动和质量控制点选择不当｡

(2)首钢密云冶金矿山公司煤基链篦机一回转窑一一步法｡该公司直接还原铁年生产能力6.20万吨｡生产工艺:配料一造球一干燥(链篦机)一回转窑(还原)一冷却一成品｡铁精矿水分严格控制在5.5%~6.5%,造球配皂土(粘结剂)0.8%~1.0%,台时产量20±2吨｡链篦机带速为0.5m/min,布料厚度100—120mm｡生球抗压强度  1.2kg/个,落下强度  5次/0.5m,水分控制在7.5%左右,粒度6~16mm占85%以上｡

回转窑及热工系统操作:窑头喷煤总量在7.O±0.5吨/小时,精煤枪压力控制在60kPa,细煤枪压力控制在10~14kPa｡窑尾加煤控制在800±50kg/h,严禁窑尾煤量过值｡窑温控制:窑头箱<980℃ ,1､2､3号电偶控制在1000~1040℃,短时温度不得超过1060 ;4､5､6号电偶控制在1000±20℃;7､8､9号电偶控制在950-1000℃;冷烟室温度控制在700℃以下;链篦机预热段温度控制在850~920℃;过渡段温度控制在550~650℃;干燥段温度控制在250-350℃;1､2号风箱温度不得低于600℃｡

回转窑电机转速控制在400-440转/分,主风机的回热风阀门开度45%~50%,转速800~850转/分,回热风机入口负压780±20kPa,温度310~350℃｡干燥风机阀门开度65%~70%,转速800~850转/分｡

产品质量标准的厂标是:铁品位≧88%,S≦0.04%,金属化率>90%｡

(3)山东莱芜鲁中冶金矿山公司直接还原铁厂用冷固球团一回转窑工艺生产直接还原铁,年生产能力5万吨｡后改为块矿回转窑法｡

福建大田海绵铁公司用sic反应罐一隧道窑法生产直还铁能力5万吨/年｡喀左海绵铁厂､哈尔滨市海绵铁厂､吉林复森海绵铁公司､吉林桦甸海绵铁厂等也具备了年生产2.5万吨的能力｡