直接还原铁生产技术的发展动向

地质冶金   2009-09-12 00:53   

  1、以往还原铁生产工艺的技术改善

  由于世界对钢铁需要量的增大和美国等国家炼焦炉设备的老化及发展中国家对钢铁需要量的增加造成电炉短流程钢厂的增加，还有劣质废钢的增加造成废钢质量的下降，因而导致了对还原铁需要量的增加。在这种情况下，对还原铁生产技术的主要课题进行了研究开发，如提高还原铁生产率、节省能耗和降低炼钢成本等。

  1.1提高还原铁的生产率

  一般来说，通过生产设备的大型化可达到提高生产率的目的。回转窑和转底炉由于在高温部装有驱动装置，因此设备的大型化受到限制。另外，由于还原铁的生产主要是MIDREX和HYL这两大工艺，因此至今只是向竖炉的连续化和大型化方向发展。

  提高生产率的方法之一是提高喷吹还原气体的温度可以提高还原速度。竖炉在高温下的操作课题之一是还原铁的粘结性，但在混合使用球团矿和块矿或在球团矿表面裹上石灰系氧化物情况下，就可以在900°C以上的温度中进行还原。

  1.2高温还原铁的直接装入技术

  电炉短流程钢厂和发展中国家为降低钢铁的生产成本，开发了将还原铁在高温下装入炼钢炉的技术。其代表性工艺有HYL法的HYTEMP工艺和MIDREX法的HOTLINK工艺。采用这些技术后能把在650－700°C排出的还原铁直接装入电炉。根据采用HYTEMP工艺的示范工厂的操作结果可知，电炉使用了750°C的还原铁后，电耗和电极消耗都降低了19%，生产率提高了16%。

  1.3提高还原铁中的含炭量

  在最近的电炉操作中，有人提出通过吹O2能使还原铁中的碳含量（通常为1%－2%C）再增加0.5个百分点左右。为利用铁浴中C的氧化热来减少熔化所耗的电力，因此有的电炉短流程厂对碳含量的要求更高，试生产了含碳量为4%左右的还原铁。还有的开发了一种新的喷吹工艺，即在提高还原气体温度的同时，除了喷吹通常的还原气体外，还喷吹部分天然气用氧进行燃烧。

  1.4生产碳化铁球团矿

  1994年底，Nucor公司开始进行了碳化铁生产工艺的工业性生产，它是采用流化床把粉矿石直接制成碳化铁。这种碳化铁具有不容易发生再氧化、处理性好和在炼钢阶段的熔化性好等优点，因此有可能给以电炉短流程钢厂为主的新铁源供给状况带来巨大变革，它已引起了世界的关注，曾研究过要建几个厂。Nucor工艺虽经数年的努力研究，但由于无法达到稳定生产，因此在1999年1月就停止了工业性生产。

  日本在研究碳化铁稳定生成条件的同时，为抑制碳化铁生成过程中碳的析出，使碳化铁能在较大的温度范围内稳定生产，因此在还原气体中添加了极少量的硫黄，取得成效。据此研究了直径为数十毫米的球团状碳化铁的生产工艺。研究证明，这种球状碳化铁在熔化试验中的熔化合格率高。从θ相（Fe3C)的生成状况来看，只要大约1.7h就能完全生成碳化铁。这种碳化铁球团的处理性比用流化床生产的细粒碳化铁好得多，在电炉使用时的优点很多。

 但是，由于还原气体中含有硫黄，因此如果采用以往的重整天然气生产还原时有可能发生催化剂中毒，需要对工艺进行改进，故没有实用化的可能性。

  2、采用含碳球团的高温还原铁生产技术

  2.1含碳球团在还原铁生产中的地位

  直接还原炼铁法由于其装置形状和使用的还原剂不同，可以分为很多种，如随着还原温度的升高，利用固体碳的氧化（碳素溶解）反应，在1100－1300°C的高温下把固体碳材配入球。由粉状固体碳和氧化铁混合成形的含碳球团能在比高炉和熔融还原温度更低的情况下进行快速还原。由于含碳球团的粘性强度一般很低，因此采用这种含碳球团生产还原铁时，可采用能够在静态下加热和移动的转底炉。由于该工艺以煤作碳材，所以即使是不产天然气的地区也能使用。而且，由于设备简单、投资费用少，因此容易被发展中国家所采用。为提高含碳球的反应效率，因此提高粉状碳材和氧化铁的接触密度是很重要的，且必须解决以下两个问题：

  a、由于固体碳的氧化反应会产生很大的吸热，因此需要传热性能好的高密度含碳球团。

  b、由于含碳球团含有碳材，在大气中烧成后无法提高强度，因此需要一种只使用一点粘结剂进行冷态粘结后，即使在还原阶段也不会给含碳球团带来大的负荷的生产工艺。

  2.2因氧化铁的固体碳产生的还原反应和反应行为

  因氧化铁的固体碳而产生的还原通过反应生成的的CO、CO2气体会产生相互影响，其反应公式一般可表示如下：

    FenOm+mC→nFe+mCO　：   初期反应（1）

    mCO+FenOm→nFe+mCO2　： 气化反应（2）

    mCO2+mC→2mCO　：       Boudouard反应（3）

（1）式的氧化铁和碳的固体反应以矿石和碳材的持续接触作为前提，但由于反应生成物会分离，无法持续接触，因此还原速度会下降。在900°C以上的高温区域，虽然固体氧化铁和碳无法维持接触会造成反应速度下降，但通过（2）式和（3）式的连锁反应，还原反应能持续进行。可以认为这种连锁反应受供热速度的控制。

由此可知，含碳球团的还原受温速度和最高加热温度的影响很大。在升温速度10°C/min、最高加热温度1100°C的情况下使含碳20%的球团在N2气流中反应时，在到达最高温度后保持30min，可得金属化率95%。另外，在加热开始后10min以内，可得还原率99%。在气氛温度为1400°C的N2气流中进行加热时，含碳球的渣和金属最终会分离。

  其反应过程可以概括如下：

  a、当加热温度超过1100°C时，碳素溶解反应和氧化铁的还原的反应都会活跃起来，还原迅速发展到球团中心部，球团表面开始发生金属化。

  b、当加热温度超过1230°C时，还原反应减小、CO2发生量减少，因此吸热反应量也减小。在这种情况下，由于表面传热量的增加。结果升温速度会再次提高。随着升温速度的提高，渣开始出现软化、熔融和分离。在渣渗出球团表面的同时，表面会形成致密的金属铁壳，内部凝集的渣此时开始熔融。

 但是在这种还原熔融过程中，当外周部已生成金属铁壳的球团发生数个接触在一起时，供给接触部分的还原气体受阻，使还原难以进行。另外，由于这部分的加热速度也下降了，因此会生成大量的FeO，并开始发生熔融，最后形成内部中空的“冰柱”。

  2.3采用转底炉快速生产还原铁的工艺

  把含碳球团放在转底炉上用1250－1400°C的高温快速加热后，能在10min左右的短时间内生成还原铁，目前正在研究开发将这一工艺实用化。采用转底炉时，由于不像竖炉或回转窑那样会使团矿颗粒产生相互磨擦和转动，因此可以使用强度较低的团矿。转底炉不仅可用于生产还原铁，而且有望用于炼铁粉或煤泥的处理和再利用。众所周知，采用这种转底炉生产还原铁的工艺有三种：第一种是INMETCO工艺，虽然它的规模较小，但自1978年以来，它就作为从不锈钢粉尘中回收Ni、Cr、和Fe生产还原铁的工艺；第二种是以大量生产电炉用还原铁和以炼铁粉尘的处理为目的的FASTMET工艺和IRON　DYNAMICS工艺；第三种是CRM正在开发的COMET工艺。最后的这种工艺不使用含碳球，它是把粉状氧化铁和煤交叉各装两层进行加热还原。采用这种工艺时不需要将粉状氧化铁和煤加工成球或团矿等预处理设备，但由于它难以达到高密度化，因此担心无法提高加热速度。