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Finex,一种全球瞩目的铁水生产工艺

作者:1 发布时间:2010-02-20 文字大小:【大】【中】【小】
 

熔融还原炼铁法的几种工艺

熔融还原法是20世纪20年代开始提出的。50年代研究开发的熔融还原法大多设想在一个反应器内完成全部熔炼过程,称一步法。但是由于还原反应产生的CO的燃烧热不能迅速传递到吸热的还原反应区,迫使熔炼中止而告失败。70年代以来普遍采用了两步法的原则:即将整个熔炼过程分成固态预还原和熔态终还原两步,分别在两个反应器内完成。其中最具重要意义的COREX法是由KORF和VOEST-ALPINE在奥地利和德国政府的财政支持下联合开发的,目前已经进入工业化应用阶段。还有其它熔融还原流程,比如:HISMELT、FINEX、DIOS、AISI、COIN等。下面将受到广泛关注的几种工艺进行简要的介绍。

1、COREX

多年来,COREX流程是唯一工业化的熔融还原流程,目前有数套COREX设备在运行中,中国上海宝钢引进了一套COREX-3000设备。COREX法工艺流程为,矿石的还原和熔融分别在两个炉子中进行,采用预还原竖炉及熔融气化炉分别对铁矿石进行还原和熔化。COREX法预还原竖炉采用高架式结构,熔融气化炉产生的高温还原气被送入预还原竖炉,逆流穿过下降的矿石层。从还原竖炉排除的预还原矿石的还原率约为95%,料温为800~900℃。熔融气化炉的任务是熔化预还原矿石及生产还原煤气。

COREX法的优点是:以非焦煤为能源,摆脱了高炉炼铁对优质冶金焦的依赖;对原、燃料适应性较强,生产的铁水可用于氧气转炉炼钢;生产灵活,必要时可生产高热值煤气以解决钢铁企业的煤气平衡问题;直接使用煤和氧,不需要焦炉及热风炉等设备,减少污染,降低基建投资,生产费用比高炉减少30%以上。

但是COREX也存在一些不足,对矿石的质量要求较为严格,必须使用球团矿、天然块矿和烧结矿等中等均匀粒度的块状原料,不能使用磷含量高的矿石。另外COREX要求使用块煤也是一个潜在问题。

由于当今采煤多已机械化,原煤中含粉率较高,且块煤在储运过程中,产生粉末是不可避免的。因此,COREX需要解决粉煤的利用问题。COREX煤的消耗量(吨铁约1000kg)远高于高炉流程,其最终能耗及操作成本很大程度上依赖于尾气的综合利用。

2、FINEX

因为COREX使用的矿石粒度为8~30mm的块矿,大量廉价的粉矿不能直接利用,因此浦项钢铁公司和奥钢联共同开发了FINEX流程,用于粒度1~10mm的粉矿。FINEX的特点是采用多级流化床反应器代替COREX的竖炉对铁矿进行还原。在流化床反应器中利用熔融气化炉提供的热还原气体对配合添加剂的铁粉矿进行还原。采用适当的气流速度,使炉料在流态化状态下进行还原。因此不存在炉料的透气性问题,可全部使用铁粉矿为原料。

FINEX工艺是两种成熟工艺的组合,即流化床工艺和COREX的熔融气化炉工艺。其特点是:①不需要炼焦厂和烧结厂,从而节省设备投资和减少环境污染;②可使用粉状铁矿石和普通煤作为炼铁原料。从生产成本上看,粉矿的价格要比块矿低20%左右,普通煤比炼焦煤价格低约25%,因此其原料成本比较低廉。同时FINEX工艺也存在一些不足。FINEX方案固定投资较高,比高炉方案总投资约高20%。其燃料及动力费用也高于高炉,若要降低FINEX的成本,必须进一步降低吨铁的耗煤量。FINEX能够处理的矿粉是有选择性的,要求矿粉粒度1~10mm。由于FINEX采用了流化床工艺,将会出现粉料的粘结问题,致使其作业率<80%,从而影响操作的连续性和稳定性,流化床设备利用率较低(约0.5t/(m3•d));另外其设备磨损也较为严重。这些都是FINEX工艺进一步发展所面临的问题。

3、HISMELT

HISMELT(HighIntensitySmelting)技术是德国Klockner和CRA公司联合开发的。该流程可直接使用粉矿和煤粉冶炼。可向铁浴炉熔池中喷入煤粉,在其顶部吹入1200℃富氧热风,使炉内产生的煤气进行二次燃烧,产生热量满足熔池反应需要,终还原炉产生的还原性气体作为还原剂进入预还原系统。HISMELT流程可直接将铁矿粉吹入熔融还原炉中,目前已完成中试,正向工业化迈进。

HISMLET工艺可直接使用粉矿和煤粉,其熔融还原炉中产生强烈的搅拌并且温度很高,所以铁矿粉的还原速度很快,HISMELT的另一个特点可处理廉价的高磷铁矿粉。由于熔融还原炉中采用较高的二次燃烧率,致使高温尾气的利用价值很低,只能用于预热粉矿。为了使尾气得到综合利用,HISMELT拟采取添加天然气的方法,这样可使尾气用于发电,或用于预还原铁矿粉(还原率30%以下)。由于熔融还原炉内采用二次燃烧方式,致使炉内呈现氧化性气氛,严重侵蚀炉衬。炉子压力小于1kg,使煤气不能有效利用。另外,HISMELT采用虹吸式出铁,不能保证铁水的温度。

Finex工艺的发展历程

1992年12月,浦项制铁与西门子奥钢联公司签订了CorexC-2000工厂的建设合同。随后两家公司还签订了合作开发Finex工艺的协议,项目开发的主要目标是发展流化床还原粉铁矿原料的反应系统。1993~1996年间,双方合作进行了实验室规模的粉铁矿还原实验和冷态流化床动力学研究。紧接着,浦项建立了日产能15吨的热模拟实验设备,在一级流化床反应器内研究了在高温、高压、还原气氛条件下,粉铁矿的还原和流化床反应工序的动力学条件。1998年,浦项总部决定在现有Corex工厂附近新建一套日产能150吨的流化床还原粉矿的半工业实验装置。1999~2002年间的多次实验结果表明:流化床还原粉铁矿系统可以满足工业化生产的要求,其工艺技术具有可行性。此外,浦项还成功进行了将流化床还原得到的粉状DRI热压成HCI(热压块铁)的工艺实验。

在此之后,浦项决定建立年产能60万吨的FinexF-2000示范工厂,进一步验证Finex技术整个工艺流程的可行性。该示范工厂于2001年1月开工建设,并于2003年5月开始投产运行。FinexF-2000示范工厂的工艺系统中第一次安置了流化床反应器系统和粉状DRI热压块设备。浦项还对原先的CorexC-2000工厂作出了相应的改造,将熔融气化炉用作F-2000示范工厂的熔融团块和煤气发生装置,同时将竖炉用作储料仓和加料仓。逐级放大的流化床反应器在Finex工艺的开发中起着决定性的作用。

全球铁水生产工艺现状

高炉炼铁是当前生产铁水的主体工艺,但高炉冶炼铁水需要有配套的炼焦和烧结工艺。为了满足日趋严格的经济和环境要求,在过去40年里,熔融还原炼铁工艺(SmeltingReduction)得到了一定程度的发展,这些工艺均直接使用煤冶炼铁水,从而避免了炼焦工艺所带来的环境污染。已经开发出的熔融还原炼铁工艺共有30余种,但到目前为止,只有3种熔融还原炼铁工艺发展到了工业化的规模,即Corex、HIsmelt和Finex工艺。

首先实现工业化的熔融还原炼铁工艺是由西门子奥钢联公司开发的Corex工艺,该工艺采用块矿或球团矿作原料。1989年,第一座年产能40万吨的CorexC-1000工厂在南非伊思科尔厂(Iscor)实现工业化运行。1995年至1999年间,先后建成了四座年产能为60万吨~80万吨的Corex

C-2000工厂:一座建在韩国的浦项制铁,一座建在南非的撒丹那(Saldanha),另外两座建在印度的京德勒西南钢铁公司(JSW)。正在建设的还有中国宝钢年产能150万吨的CorexC-3000工程,该工程计划于今年下半年开始工业化生产。此外,目前印度埃萨钢铁公司(Essar)Hazira公司正在奥里萨邦(Orissa)建设的钢铁厂也将重新安装两台从韩国韩宝(Hanbo)钢铁厂搬迁而来的CorexC-2000设备,并计划于今年投产。

世界上60%的铁矿资源是粉矿,且粉矿的价格比块矿的价格低。Finex工艺和HIsmelt工艺可以直接使用粉铁矿,省去了粉矿造球或烧结的造块工艺过程,具有明显的成本和环境优势。2005年,第一座年产能60万吨的HIsmelt工厂在澳大利亚的奎纳纳(Kwinana)投产。Finex是较为先进的直接使用粉矿的熔融还原炼铁工艺。2003年,浦项制铁所年产能60万吨的F-2000示范工厂开始试运行,年产150万吨的Finex工厂也在今年5月30日结束调试,投产运行。

非高炉炼铁方法介绍

(一)直接还原法生产生铁

直接还原法是指在低于熔化温度之下将铁矿石还原成海绵铁的炼铁生产过程,其产品为直接还原铁(即DRI),也称海绵铁。

该产品未经熔化,仍保持矿石外形,由于还原失氧形成大量气孔,在显微镜下观察团形似海绵而得名。海绵铁的特点是含碳低(<1%),并保存了矿石中的脉石。这些特性使其不宜大规模用于转炉炼钢,只适于代替废钢作为电炉炼钢的原料。

直接还原法分气基法和煤基法两大类。前者是用天然气经裂化产出H2和CO气体,作为还原剂,在竖炉、罐式炉或流化床内将铁矿石中的氧化铁还原成海绵铁。主要有Midrex法、HYLⅢ法、FIOR法等。后者是用煤作还原剂,在回转窑、隧道窑等设备内将铁矿石中的氧化铁还原。主要有FASMET法等。

直接还原法的优点有:(1)流程短,直接还原铁加电炉炼钢;(2)不用焦炭,不受炼焦煤短缺的影响;(3)污染少,取消了焦炉、烧结等工序;(4)海绵铁中硫、磷等有害杂质与有色金属含量低,有利于电炉冶炼优质钢种。

直接还原法的缺点有:(1)对原料要求较高:气基要有天然气;煤基要用灰熔点高、反应性好的煤;(2)海绵铁的价格一般比废钢要高。

直接还原法已有上百年的发展历史,但直到20世纪60年代才获得较大突破。进入20世纪90年代,其生产工艺日臻成熟并获得长足发展。其主要原因是:(1)天然气的大量开发利用,特别是高效率天然气转化法的采用,提供了适用的还原煤气,使直接还原法获得了来源丰富、价格相对便宜的新能源。(2)电炉炼钢迅速发展以及冶炼多种优质钢的需要,大大扩展了对海绵铁的需求。(3)选矿技术提高,可提供大量高品位精矿,矿石中的脉石量降低到还原冶炼过程中不需加以脱除的程度,从而简化了直接还原技术。

当前世界上直接还原铁量的90%以上是采用气基法生产的。直接还原铁是指用直接还原法在低温固态下还原的金属铁。按生产方法可分为煤基直接还原铁和气基直接还原铁;按用途可分为炼钢用直接还原铁和其它用直接还原铁;按产品形式可分为海绵铁(DRI)和热压块铁(HBI)。

(二)熔融还原法生产生铁

熔融还原法是指不用高炉而在高温熔融状态下还原铁矿石的方法,其产品是成分与高炉铁水相近的液态铁水。开发熔融还原法的目的是取代或补充高炉法炼铁。与高炉法炼铁流程相比,熔融法炼铁有以下特点:(1)燃料用煤而不用焦炭,可不建焦炉,减少污染。(2)可用与高炉一样的块状含铁原料或直接用矿粉作原料。如用矿粉作原料,可不建烧结厂或球团厂。(3)全用氧气而不用空气,氧气消耗量大。(4)可生产出与高炉铁水成分、温度基本相同的铁水,供转炉炼钢。(5)除生产铁水外,还产生大量的高热值煤气。

FINEX炼铁工艺对世界钢铁业的影响

世界第一座FINEX式炼铁炉5月30日在韩国浦项竣工并正式进行铁水生产。与传统高炉炼铁工艺所不同的是,FINEX工艺采用廉价普通煤和粉矿作为原材料,省去了炼焦和烧结工艺。该设备是世界第一套进行大规模生产的Finex炼铁设备,每天可生产4,300吨铁水,年产量可达到150万吨铁水。

该项工艺对于钢铁行业降低原材料采购成本、扩大原料来源渠道等方面具有重大意义。同时,该项工艺有助于浦项提高在世界钢铁行业的竞争能力,为其在印度发展钢铁产业扫清了焦煤资源缺乏的顾虑。中国在炼焦烟煤、钢坯等原料及半成品的出口方面受此影响较大,但新的工艺将有助于中国淘汰钢铁落后产能。

FINEX项目具有很好的成本效益,不需要炼焦厂和烧结厂等铁矿石及原料煤预处理工厂,从而不仅节省了设备投资,而且还减少了环境污染。另外,该炼铁工艺可以使用资源丰富的、廉价的粉状铁矿石和普通煤作为炼铁原料。

韩国既无铁矿石,也没有焦煤,与日本一样,完全依赖国际上低成本的煤炭和铁矿石资源在港口组建现代化钢厂。浦项制铁是目前世界五大钢铁企业之一,02年该公司钢产量占到韩国钢产量的70%左右,该厂炼铁所用的铁矿石、焦炭等原材料主要依靠进口来满足生产的需求。因此,FINEX新技术的研发成功,对浦项提高在世界钢铁行业的竞争能力非常有利。

韩国浦项制铁研发的FINEX新技术对所使用的粉状矿石成分和粒度没有严格要求,粉矿直接入炉既拓宽了铁矿石的资源范围,同时还节约了加工费用。韩国严重缺乏铁矿石资源,该国钢铁工业对进口矿的依存度高达99%,该国铁矿石主要来源于巴西、澳大利亚、印度等国。FINEX工艺的出现,意味着浦项在铁矿石原料的供应方面可供选择的余地将会更大,同时有利于打破世界三大供应商对于铁矿石供应的高度垄断。

新的FINEX工艺可以100%使用非炼焦煤,而且对煤种和成分没有严格限制,这是该项工艺的另一大优势所在。用储量丰富的普通煤种代替焦煤,不仅有助于缓解世界炼焦煤资源紧张的局面,同时,由于普通煤要比炼焦煤在价格上面低24%,因此,该项工艺对于降低原材料采购成本方面将具有重大的意义。

另外,这项工艺还对浦项在印度投资钢厂提供了强大的技术支持。印度煤炭工业发展迅速,现已成为世界上继美国、中国之后第三大煤炭生产国,但是,印度每年仍然要进口3000多万吨的煤炭,尤其是炼焦煤更是主要依靠进口来满足。在传统的炼铁工艺之下,印度发展钢铁产业所面临的主要瓶颈制约就是炼焦煤资源缺乏的问题。在新的FINEX炼铁工艺之下,用储量丰富的普通煤种代替焦煤,可以解除浦项在印度发展钢铁产业的焦煤资源制约问题。

目前,韩国是中国最大的炼焦烟煤出口国,同时也是中国最大的钢坯出口国家。浦项制铁占据韩国钢铁总产量的大部分份额,因此,FINEX炼铁炉的建成投产,必然会对中国的炼焦烟煤出口市场产生巨大的冲击。另外,新的炼铁工艺由于解决了韩国在原料来源方面存在的制约,预计该国在生铁和钢坯的生产自己率方面将会有所提高,对中国出口的钢坯依赖程度也将有所降低。

结合中国目前淘汰钢铁落后产能的现状,新的FINEX工艺适时出现,有助于中国大型钢铁企业改进炼铁生产工艺,淘汰落后的小高炉设备。随着该项工艺的进一步成熟和完善,韩国将有可能向中国、俄罗斯等国家出口该工艺的操作技术和设备。