车底炉高温高料层直接还原工艺的试验研究与开发

2013-08-19   作者：佚名   网友评论 0 条

摘要：以含碳球团为原料的高温高料层直接还原工艺是一种高效的炼铁新工艺。本文主要介绍该工艺的试验研究及设备的开发情况。该工艺的操作特点为“高温”和“高料层”。生产特点为“四高”，即高金属化率、高生产效率、高能源利用率、高DRI强度和密度。能进行高温高料层直接还原的设备为往复式车底炉。该工艺既可以用于炼铁生产，也适合于处理某些特殊矿石和含铁废料，具有良好的应用前景。

关键词：高温；高料层；直接还原；车底炉；炼铁

1 前言

        近年来，随着高炉炼铁的迅猛发展，其面临的问题也日趋严峻，主要体现在：1）炼铁成本居高不下；2）焦煤储量有限，资源日趋贫乏，价格也逐渐增高；3）炼焦、烧结、球团及高炉生产过程中产生的“三废”污染严重。因此，为了实现可持续发展，开发不依赖于焦炭的非高炉炼铁工艺非常必要。非高炉炼铁主要包括熔融还原和直接还原，对于这两种生产工艺路线的碳耗分析，可详见参考文献[1]。

        世界范围内的直接还原工艺发展过程中，国内外的冶金工作者进行了大量新工艺的研究与开发工作，目前投入生产的直接还原工艺主要有气基竖炉、煤基转底炉、回转窑、隧道窑等。其中，每种工艺都各有利弊，不同生产企业主要是根据当地的矿石种类、能源情况、环保政策等客观因素，因地制宜地选取不同工艺来满足自己的生产需求。

        车底炉高温高料层直接还原工艺就是在这种背景条件下开发的一种新型直接还原工艺。该工艺首先是20世纪末期，由加拿大籍华裔冶金学家Weikao Lu教授提出的。其主要目的是在焦炭资源短缺的条件下能够大规模的高效生产低碳的优质铁水，或者处理某些特殊矿石和含铁粉尘。

        唐山奥特斯科技有限公司汪寿平、高波文、汪翔宇等人设计并正付诸实施的OTS工艺中的还原设备——“往复式车底炉”可适应高温高料层工艺的要求在相关领域已达成共识。核心技术和核心装备两者的有机结合，将极大地加快车底炉高温高料层工艺的工业化进程。

2 工艺简介

        高温高料层直接还原，即将直接还原分为还原室和氧化室两个彼此相互独立的部分（图1）[2]。还原过程主要由以下四部分组成：
（1）还原室：碳还原铁矿石，生成金属铁和CO气体，消耗热量；
（2）CO气体从还原室传递到氧化室；
（3）氧化室：CO完全燃烧（氧化）生成CO2，释放热量；
（4）热量从氧化室传递到还原室。

        该工艺的操作特点即“高温”和“高料层”。在能源利用方面，先利用C的化学能，作为还原剂还原铁矿石，生成CO；再利用其热能，CO完全燃烧成CO2产生高温，作为热源为矿石的还原和加热提供热量。同时，由于高料层的存在可防止直接还原铁DRI被CO2再氧化。从而有效地提高了燃料利用率，降低燃耗。

       图2所示为高温高料层工艺示意图[3]。该工艺的两点关键问题是：1）传热，即热量由上层球团传递到下层球团，从球团表面传递到球团内部；2）DRI再氧化，防止DRI被氧化室的CO2和O2再氧化。正是由于同时采取了“高温”和“高料层”的操作特点，可有效解决这两个关键问题，从而实现“既燃料利用率高又金属化率高”。

 

        图1 理想的直接还原工艺                                            图2 高温高料层直接还原工艺原理示意图

3 理论依据

3.1 高温操作——加快传热，提高反应速度

         所谓高温，即让还原室产生的CO在氧化室完全燃烧，生成CO2。高温操作具有如下四个优点：
（1）提高燃料利用率，降低燃耗。
（2）有利于辐射传热。周知，球团与炉壁相对静止的直接还原工艺中，热量传递以辐射传热为主，而辐射传热量与温度的四次方成正比。因此，提高温度可大大提高热辐射传递给炉料的热量。
（3）加快球团收缩。前期研究表明[4]，热量传输是整个工艺过程（包括质量传输和热量传输）的限制性环节。还原初期，上层球团很容易接受热辐射传递的热量，但下层球团难以直接获得辐射传热。高温条件下，有利于第一层球团还原后体积收缩，料层空隙度增大，则有利于对第二层球团的辐射传热，依次类推……因此，高温可加快球团收缩，从而有利于给下层球团进行辐射加热。还原后期底层球团所需要的热量来自传导和辐射传热的共同作用，此时上层球团的良好还原和收缩使DRI具有优良的导热性能。
（4）高温有利于加快还原反应速度，提高生产效率。同时有利于铁颗粒的长大，尤其适合于特殊矿石的冶炼。

3.2 高料层操作——防止DRI再氧化，提高金属化率和生产效率

       传统的球团与炉壁相对静止的直接还原工艺由于传热方式以辐射传热为主，球团层数超过2层以后，辐射传热难以将热量传递给2层以下的球团，因此生产工艺中的实际料层多数仅为1层或2层（图3）。

                                                                           图3 矮料层的直接还原示意图
        矮料层操作（1～2层含碳球团，料层高度约20～25mm），存在燃料利用率与DRI再氧化之间的矛盾。即，（1）若提高燃料利用率，降低CO/CO2值，则DRI容易被再氧化，导致金属化率低；（2）若为了防止再氧化，必须提高CO/CO2值，则燃料利用率降低，火焰温度也随之下降，难以保证传热，球团内部还原不充分，导致金属化率低。通常，矮料层操作时CO/CO2值约为2.0，火焰温度1200℃～1350℃，燃料利用率约52%，但仍会有部分DRI被再氧化，导致金属化率较低，通常低于70%。

        所谓高料层，即5～7层含碳球团，总高约80~120mm。高料层操具有如下优点：
（1）防止DRI再氧化。下层球团还原产生的自下而上的CO气流，对上层已还原的DRI具有保护作用，可防止DRI被CO2再氧化甚至熔化问题的发生。只有到还原后期时，若希望底层球团充分收缩，具有足够的强度和密度，顶层球团才可能被部分氧化，使顶层球团金属化率略有降低。
（2）煤气完全燃烧成CO2。由于DRI可以被上升的CO保护，防止再氧化。因此整个工艺过程中，从料层（还原室）上升的CO可在氧化室完全燃烧成CO2，实现高温操作，提供大量的热量，可用于含碳球团的加热和还原，或预热空气。因此，高料层操作可实现提高燃料利用率，降低燃耗。
（3）高料层操作可缩短每层的平均还原时间，有利于提高生产效率。

3.3 “高温”和“高料层”必须同时采用

       该工艺过程中，高温操作与高料层操作必须同时实现，二者缺一不可。

       若只有高料层没有高温，则传热速度慢，且上层DRI难以收缩，使得下层球团更难接收到辐射传热。
若只有高温没有高料层，则单层球团还原过程中缺乏自下而上的还原性保护气氛，使得DRI在高温条件下容易再氧化，进而熔化。

       因此“高温”和“高料层”必须同时实现，二者缺一不可。正是这二者合力的共同作用，使得该工艺具有四高的特点：即高生产效率、高能源利用率、高金属化率、高DRI强度和密度。

4 单料层试验结果与分析

       为比较高料层与单料层在碳耗、生产效率和金属化率等指标的区别，首先进行了单料层的直接还原试验。试验原料如表1、表2所示，膨润土的添加量为：膨润土/铁精矿=1.5/100。试验的相关参数为C/O=0.9，还原温度为1200℃，球团尺寸为17~19mm，还原时间分别为15min、20min、25min、30min、35min、40min。试验结果如图4、图5所示。

表1 铁精矿化学成分，wt%

 

       由图4可见，虽然单料层球团还原时间较长时，DRI可以明显收缩，但由于还原后期球团表层没有足够的保护性气氛，使得直接还原铁被再氧化成FeO，与SiO2形成低熔点渣相，从而导致球团表面熔化，影响球团内部的传热，金属化率较低。

 
图4 单料层还原后DRI照片

图5 单料层还原后DRI的失重率与金属化率

        由图5可见，单料层球团的金属化率随时间的增加先增加后降低，最高金属化率仅为51%。分析认为：

      （1）反应初始阶段，球团反应速度较快，产生的由内向外扩散的气体产物CO比较多，可以保护球团，防止球团表层的直接还原铁DRI被再氧化，因此金属化率随时间的增加而增加（图6a）；

      （2）反应后期，球团的未反应核逐渐减少，反应速度降低，产生的由内向外的CO保护气逐渐减少，使得球团表层容易被再氧化，进而熔化，阻止热量的进一步由外向内传递。球团内部还原速度较慢，外部再氧化速度较快，导致球团外部过还原，内部却没还原好，使得DRI金属化率随时间的增加而降低（图6b）。

 
图6 单层球团直接还原示意图

因此，单层球团的直接还原结果为：
（1）若球团内部不充分还原，整个球团金属化率低；
（2）若球团内部充分还原，则表层DRI容易被再氧化，导致金属化率低。
可见，单层球团的直接还原不但生产效率低，而且无法改变DRI金属化率低的缺点。

5 高料层试验结果与分析

5.1 还原过程中球团的收缩状况

       试验原料与单料层试验相同。由于还原后DRI的收缩对料层的传热和下层球团的还原至关重要，为此本试验考察了C/O=0.9，炉内还原时间50min，还原后DRI的收缩情况。球团尺寸为17~19mm，球团层数为5层。试验结果如图7所示。由图可见，前3层球团收缩后直径为还原前球团的70~74%，第4层和第5层球团分别为还原前的80%和88%。相应的球团的横截面积前3层为还原前的50~55%，第4层和第5层球团分别为还原前的64%和77%（横截面积的收缩是直径收缩的平方）。

       分析认为，热量传输是整个工艺过程的限制性环节，DRI的收缩对料层传热至关重要。还原初期，热量的传递方式是辐射传热，第一层球团经还原体积收缩后，料层空隙度增大，有利于对第二层球团的辐射传热，依次类推……由图8可见，球团良好的还原和收缩使得DRI料柱具有较大的空隙率，可以保证大量的热量（高温，辐射传热与温度的四次方成正比）以辐射传热的方式传递给下层球团。而且，还原后期底层球团所需要的热量来自辐射和传导传热的共同作用，此时上层球团良好的还原和收缩使DRI具有优良的导热性能。

 
                                图7 球团收缩情况                             图8 层DRI收缩后照片

5.2 C/O对金属化率的影响

        试验参数：球团尺寸为17~19mm，球团层数为5层，料层总高度80mm，炉内还原时间为50min，C/O分别为0.7、0.8、0.9，坩埚从炉内取出后不拆开耐火材料。图9所示为C/O对DRI金属化率的影响。由图可见，（1）C/O为0.7时因为还原剂量不足的原因导致每层的金属化率普遍偏低；（2）C/O为0.8与0.9时的金属化率基本一致，1～4层球团金属化率均达到90%以上，第5层球团金属化率约为77%。出于降低碳耗的考虑，本试验认为选择C/O=0.8为最优值。

 
                 图9 C/O对DRI金属化率的影响

5.3 还原时间对金属化率的影响

         试验参数：球团尺寸为17~19mm，球团层数为5层，料层总高度80mm， C/O为0.8，炉内还原时间分别为45、50min，，坩埚从炉内取出后不拆开耐火材料。图10所示为还原时间对DRI金属化率的影响。由图可见，（1）对于45min和50min，前4层金属化率都较高，相差不大，约90%；（2）还原时间为45min时，第5层球团金属化率较低；还原时间为50min时，第5层球团金属化率相对较高。

 
图10 不拆耐火材料时还原时间对金属化率的影响

        还原后球团的显微照片如图11所示。由图可见，前3层球团还原后铁晶粒发育比较完全，铁粒较大，形成致密的金属铁球。第4层和第5层球团虽然金属化率较高，但由于加热速度慢，温度较低，结构疏松，制作显微试样时颗粒容易脱落，镜下观察到的铁颗粒较小。

表3 单料层与多料层的指标比较

表4 燃气炉试验参数

 

 

图12 往复式车底炉示意图