熔融还原炼铁(ironmaking by smelting reduction)

2010-02-06   作者：佚名   网友评论 0 条

指在反应器中，用碳将高温熔融的铁矿石(铁氧化物)还原成金属铁的非高炉炼铁方法。它是不以焦炭为主要能源生产液态铁的方法。

熔融还原法主要采取两种形式：一步法。用一个反应器完成铁矿石的高温还原和渣铁分离的全部熔炼过程。二步法。在第1个反应器内把含铁原料(块矿、球团、粉矿)预还原，在第2个反应器内进行终还原、熔化分离出液态铁并产生还原气供给预还原用。当前的熔融还原法基本上采用二步法。开发的工艺可分为两类：(1)以熔融气化炉为特点，用该炉的还原气供预还原用，无二次燃烧的方法。(2)以铁浴反应炉为特点，一般有二次燃烧，也有无二次燃烧的方法。

简史 熔融还原的开发在于寻求一种代替常规高炉炼铁的新工艺，它的研究开发经历了3代。

第1代工艺 从20世纪20年代开始，主要是在60年代坚持试验。该工艺是在一个反应器中使用精矿和煤的一步法。如1924年德国霍施(Hoesch)钢铁公司提出的在转炉中使用碳和氧还原铁矿石，至今仍有现实意义。30年代后期丹麦F．L.Smit公司提出的Basset法，德国又开发的Sturzelbug法。50年代后，欧美各国研究开发的熔融还原法有瑞典的Dored法和EV(Eketorp-Vallak)法、意大利的Retored法、英国的CIP法等。这些方法都是一步法，因在试验中出现了一些当时难以解决的问题而宣告失败。其主要问题各不相同，有的是还原时由铁熔体排出的煤气在熔池上方二次燃烧供给热量，由于过程控制困难，二次燃烧时的高温和强腐蚀性FeO熔体对炉衬的严重侵蚀，使炉衬耐火材料消耗大；有的是强烈转动反应器，铁水直接装入耐火装置内，并在造渣前进行保护(旋转法和CIP法)试验，由于铁层和渣层之间只有少量的原料与热交换而被取消；还有的是精矿由对着反应器墙的转盘进行给料，在二次燃烧时，辐射前截断“精矿屏幕”以保护炉衬(E-V法)，此法虽未成功但精矿同时传递熔池中由于二次燃烧产生的部分热量，在今天也是有意义的。

第2代工艺 有代表性的是瑞典在20世纪70年代开发的用电作热源的熔融还原法，如ELRED法、INRED法、PLASMAMELT法。克服了由二次燃烧空间到还原空间传递热量的困难，用终还原产生的废气进行矿石预还原，即“二步法”。但是由于FeO炉渣的侵蚀和热的需求，使终还原阶段消失，于是采用在电炉中靠电供热进行终还原。ELRED法、INRED法早已完成半工业试验，但未到达实际建厂阶段。虽然，电在瑞典是富裕的，但使用电能还原铁矿石，多数情况下是不经济的，因而未能推广。等离子熔融还原法。用于比炼铁价值高的不锈钢烟尘回收的工业生产，现在瑞典有一个用等离子枪工艺加工生产，年产7万t不锈钢(含Ni和Cr)的粉末冶炼厂。

第3代工艺 特点是放弃电能，立足于煤和氧气的“无焦炭工艺”而在大多数情况下仍然保留第2代工艺原有的预还原和熔态终还原的二步法。

近30年来主要工业发达国家研究开发的熔融还原炼铁方法有20多种，80年代以来重点开发的主要方法有COREX法、DIOS法、HI熔融还原法(HISmelt法)等。COREX法是惟一已产业化和商业化的炼铁法。此法具有很高的预还原度和很低二次燃烧率，工艺难度较少，80年代中期开发成功，1989年第一套年产30万t的COREX装置在南非正式投产。韩国于1995年底一套60万t的设备投产，国际上另有5套正在建设中，总生产能力500万t。奥钢联正在设计C-3000型设备，年产110万t，增加了高热值的废气用于直接还原生产海绵铁和终还原炉中喷吹部分矿粉的装置。此法比高炉铁水成本降低20％左右，其原有缺点如能耗较高，生产率不高等已有改善。DIOS法已完成工业试验，HI熔融还原法，已进入工业性试验。两法的特点都是低预还原度和高二次燃烧率。流化床还原粉矿工艺较复杂，预还原度又小，铁熔终还原负担重，二次燃烧率高则氧化度高，温度高。渣线耐火材料侵蚀严重，工艺难度大，工业试验的经济技术指标都不够好。(见表1)住友熔融还原法、川崎熔融还原法、MIP法、COIN法和CIG法只进行了半工业性试验或单体试验；此外美国的AISI法开发进展缓慢，无明显优点，与前苏联的PJV法均为一步法。

表1  COREX法、DIOS法、HISMELT法流程开发情况

COSRI法是中国研究开发的熔融还原工艺流程，它是以含碳球团为原料的独具特点的低二次燃烧率、中等预还原度二步法熔融还原技术。几年来研究了对含碳球团在气一固相、液一固相和气一液一固三相内的还原反应机理和传热、传质、熔化、混匀等反应特点，在模拟渣焦流动反应条件下研究了煤粉燃烧动力学并系统优化和计算了工艺参数、速度场、温度场、浓度场。开发出诸如利用强烈搅拌的铁浴熔池内实现渣铁分离等关键技术。由此从基础理论研究移向工程化研究。由北京钢铁研究总院、北京钢铁设计研究总院、中国科学院化学冶金研究所、北京科技大学、东北大学、承德钢铁公司等共同协作，建成了包括预还原、终还原和连接系统在内的2～4t／h半工业试验装置。通过试验，达到了预定的技术指标，于2000年1月通过专家鉴定，认为一些关键技术具有创新性。现正准备进一步深化扩大试验。

理论基础 包括热力学基础和动力学基础。

热力学基础 用碳还原Fe₂O₃时，反应为

Fe₂O₃+3CO=2Fe+3CO₂；△H=14kJ／mol

按化学计量吨铁的碳耗为161kg；但在高温下，按反应Fe₂O₃+3C=2Fe+3CO，△H=487kJ／mol进行，其理论碳耗为321kg／t。

E．stelnmet等借反应的热力学平衡，将Fe-O、C-O与H-O系的氧分压联系起来，可以得出液态还原时的Rist图解(图1)，它表示了1900K时的Fe-C-O的平衡，说明了互相对应的平衡浓度和不同碳量时，碳向CO-CO₂废气转化的反应过程，反应以逆流为前提。161kg／t的耗碳量只是按化学计算(图中虚线)的，在极限浓度范围内会使逆流反应中断，还原气没完全利用，氧化物的还原不完全。1900K时的FeO-Fe还原阶段的还原气中CO占15％，CO₂占85％，算出的最低碳需要量为187kg／t，这个碳量刚超过FeO-Fe的临界点。从能量平衡计算得出：在碳被百分之百地氧化成CO情况下，碳的理论量为274kg／t。这时，除矿石中氧外，还需要额外输入氧。要使单独用碳进行的还原反应在反应各阶段都能得到能量平衡，则FeO阶段得出碳的需要量为518kg／t。对0₂量需要357m³／t，而预还原后的废气含CO₂为37％。