熔融还原炼铁工艺的发展趋势探讨
2011-10-31 作者：佚名 网友评论 0 条
熔融还原炼铁工艺的发展趋势探讨
摘要：本文根据HIsmelt工艺Kwinana示范厂三年多来试生产中出现的问题，结合Romelt和DIOS等工艺的研发经验，对熔融还原炼铁工艺中存在的炉衬寿命、渣铁排放、传热效率等方面的问题进行了分析，提出了解决思路－转炉熔融还原炼铁工艺。
关键词： 熔融还原非高炉冶炼 HIsmelt DIOS ROMELT
HIsmelt工艺直接将矿粉和非焦煤粉、熔剂等喷入熔融还原炉中生产铁水，取代了高炉、焦化、烧结、球团等传统的炼铁工序，是目前最理想的一种熔融还原炼铁工艺。HIsmelt工艺的第一座示范厂－Kwinana厂从2003年开始建厂到2008年试生产停止一直得到世人的关注。在三年多的试生产过程中，Kwinana厂达到的最好指标如表1所示，试生产的平均生产率水平见图1，从中可以看出，最高日产达到了1834t/d，最低煤比达到了810kg/t铁，最长连续生产时间68天，最高月产达到了37345吨，期间累计生产铁水30余万吨。
表1 Kwinana厂三年多试生产中达到的最好指标[1]
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指标
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参数
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最高日产量
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1,834 t
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最高周产量
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11,043 t
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最高月产量
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37,345 t
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最低煤比
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810 kg/t
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最长连续生产时间
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68 天
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最高周设备作业率
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99%
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设备最长正常运转时间
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129 h
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在三年多的试生产过程中，Kwinana厂出现的问题基本集中在外围设备上，如矿粉预热器、余热回收锅炉、煤气除尘等几个方面。经过三年多的磨合，整个设备系统的可靠性和生产效率逐步提高，燃料消耗逐步降低，炉缸寿命也得到了明显改善，预示着HIsmelt技术正在向着积极的方向发展，但熔融还原炼铁工艺遇到的核心问题如炉衬寿命、渣铁排放、燃烧传热效率等问题还没有能够很好地解决。
一、熔融还原工艺的炉衬寿命过短、很难达到工业化长期生产要求
1、HIsmelt工艺熔融还原炉的炉衬侵蚀严重，寿命过短
在开发铁浴熔融还原过程中，铁浴炉炉衬寿命一直是人们特别关心的问题，包括DIOS、Romelt、HIsmelt在内的所有铁浴熔炼方法都希望有较高的熔融和还原速率，而多数提高还原速率的操作手段，如提高熔池温度、熔渣高FeO含量、加强熔池搅拌等对炉衬寿命又都构成了严重威胁，这些都是铁浴熔融还原工艺不能回避的问题。
HIsmelt工艺依靠熔池的大量“涌泉”来获取二次燃烧产生的热量。在熔融还原反应过程中，通过喷枪将大量矿粉和煤粉喷入熔池中产生“涌泉”的同时，也会对熔池进行强烈的搅拌，致使熔渣对熔融还原炉的内衬进行强烈冲刷,特别是对渣线部位的冲刷最为严重。为提高和强化二次燃烧热的回收，HIsmelt公司将8支喷枪调整为2支混合大喷枪来提高喷吹强度，进一步强化“涌泉”的传热效率[1]。此举在提高炉内“涌泉”传热的同时也会极大的提高熔池的搅拌强度，最终也会大大降低炉衬寿命。
Kwinana厂最初设计的炉衬使用寿命为18个月，但是第一炉役的寿命却不到三个月[2]。HIsmelt熔融还原炉内衬侵蚀情况如图2所示[2]。从图中左部的“看台”砖被侵蚀掉的情况来看，渣线部位的冲刷、磨损最为严重。为此，2008年将此部位全部安装了渣线冷却器，即用铜冷却器代替“看台”砖衬，试图通过强冷却延长“看台”的寿命[2]。由于更换冷却器后生产时间不长，新冷却方式能否使炉衬寿命达到1年以上目前还无法证明。
HIsmelt工艺开发的中试期间就已经反复证明，工艺处于稳定状况时，炉衬的侵蚀速率是很小的，Kwinana厂试生产中停、开炉次数过多是造成耐材寿命过短的重要原因[2]。
2、DIOS和Romelt工艺的强冷却炉衬的使用寿命仍然过短。
80年代新开发的铁浴熔融还原工艺，如日本的DIOS、俄国的ROMELT等都由于渣中FeO含量较高，耐火材料侵蚀严重，致使炉衬寿命过短，难以经济地生产铁水。
ROMELT工艺为了克服炉渣侵蚀及二次燃烧产生的剧热，在熔池侧壁采用了水冷炉壁挂渣方式进行强冷却，以减少炉衬耐火材料的消耗。此举在提高炉缸寿命的同时也增加了炉壁的热损失（设备热损失为16.9%），并存在冷却壁漏水、爆炸的风险[3]。另外，ROMELT工艺一年内仍然需要四次定期停产检修，更换炉缸耐火材料。平均每个炉役期不到三个月。
与ROMELT法一样，DIOS工艺在连续生产的炼铁炉炉缸中直接使用铜冷却壁的安全性令使用者望而却步，如果发生漏水，被液态渣铁包裹的水瞬间气化、膨胀1600倍，将使设备发生重大爆炸事故[4]。另外，DIOS工艺即使炉衬采用水冷结构,仍需对炉衬进行定期修补。
为此，我们认为，HIsmelt熔融还原炉的炉缸由于受熔渣的反复冲刷，炉衬侵蚀、磨损严重。在炉衬渣线部位安装铜冷却器代替“看台”砖衬进行强化冷却，只能适当延长炉衬使用寿命，其中存在重大的安全隐患。
DIOS、ROMELT等熔融还原工艺的实践经验证明，现有耐火材料很难满足熔融还原工艺的冶炼要求，炉衬寿命很难达到长期工业化生产的需要。为此，我们应该借鉴现代转炉的成功经验，通过间歇生产方式和溅渣护炉方法等来实现熔融还原炉的长寿。
二、渣铁排放方式存在隐患及渣中带铁的回收问题
1、HIsmelt“虹吸”出铁方式存在隐患
HIsmelt熔融还原工艺采用“虹吸” 出铁方式，维持铁水液面在一个高度范围内，能够有效防止热矿和煤粉喷枪被铁水侵蚀，为熔融和还原反应的连续进行提供一个稳定的工况条件。但采用“虹吸”连续出铁方式，铁水排放的时间长、速度低，铁水温度降低过多，给炉前的生产组织带来较大困难。另外，只有一个“虹吸”出铁口，一旦铁口出现问题只能立即排空炉内的全部渣铁。目前由于试生产的强度较低，这一问题还没有暴露出来。
2、渣中带铁及炉渣中FeO的回收
由于HIsmelt工艺本身连续出铁和间断排渣的原因，喷入铁浴熔池中的部分矿粉还没有完全进行还原反应，就有一部分随炉渣排出炉外，致使炉渣中含有5%左右的FeO[2]，这不仅造成了资源浪费，还给炉前操作带来了安全隐患。随着生产水平的进一步提高，今后渣口的寿命问题会越来越突出。
DIOS工业试验结果表明，“转炉”连续生产时最终炉渣中氧化铁含量将高达5～10%，采用间歇方式进行生产，可使终渣中FeO降低到2～5％[4]。Romelt熔池中的FeO在25～35%之间[4]，由于采用熔融还原炉内一侧加料、另一侧排渣的方式，炉渣中的FeO含量一般控制在1.5～3.0％，没有太大的波动[3]。
为此，我们可以借鉴DIOS的转炉间歇方式生产经验，在转炉熔融还原炼铁生产后期通过向熔池喷吹煤粉的方式降低炉渣中的FeO含量，同时沉淀回收炉渣中夹带的粒铁等。
三、提高二次燃烧热的利用效率，降低煤耗和生产成本
在三年多的试生产中，Kwinana厂煤比由最初的2吨/t铁降低到了最后的1吨/t铁，最低煤比仅短时间达到了810kg/t铁水，与其设计值700kg/t还有较大差距[2]，图3为炉役3－4的生产率与煤耗对应关系图[2]。如何提高二次燃烧热的利用效率，是HIsmelt工艺进一步降低煤粉消耗的主要措施，也是所有熔融还原工艺降低生产成本，提高竞争力，实现工业化的关键。
1、HIsmelt工艺提高二次燃烧热利用率的措施
在三年多的试生产中，HIsmelt工艺主要通过调整热风喷枪高度来控制熔融还原炉内的二次燃烧率和提高二次燃烧热的利用效率，期间HIsmelt公司曾经多次调整热风喷枪的高度。但是，Kwinana 厂的热风喷枪为一只固定安装的大喷枪，要使二次燃烧完全覆盖熔融还原炉直径6m熔池的表面难度较大，不但生产过程中调整喷吹参数不灵活，而且加工制造不方便，检修、更换时间长，严重影响了试生产的进行。
另外，Kwinana厂在试生产后期还将4支矿粉喷枪和4支煤粉喷枪混合成两支大喷枪进行喷吹，试图通过产生更多、更高的“涌泉”来提高二次燃烧热的利用效率。
2、使用低纯氧气替代富氧热风，提高煤气热值
HIsmelt工艺吨铁产生约2400Nm3、温度1450℃、热值2900kJ/m3的煤气[1]。产生如此大量的低热值高温煤气，一方面是由于熔融还原炉内的二次燃烧率控制较高，约为50～60%[1]，致使煤气中CO含量较低。另一方面富氧热风中的O2含量仅为30～35%，致使最终排出煤气中的N2气含量接近50%。
我们根据HIsmelt工艺数据可以推算，在二次燃烧率及传热效率不变的前提下，若二次燃烧采用95%的常温低纯氧气，煤气中的N2可以降低到10%左右，总煤气量可以减少到原来煤气量的65%，此时煤气的热值可以提高1.5倍以上，超过高炉煤气的热值。
如果使用低温氧气进行二次燃烧，我们可以借鉴现代转炉的氧枪经验。这样，喷枪的加工制造将会更容易，更换、操作更方便。通过调整喷枪结构和喷吹参数，同样可以达到提高二次燃烧率和热利用效率。另外，通过优化喷枪的设计，还可以同喷吹热风一样，有效的避免二次燃烧区的强氧化性气氛，防止还原铁水的再氧化。
四、熔融还原炼铁工艺的发展趋势－转炉熔融还原炼铁
1. DIOS和ROMELT的生产实践经验告诉我们，熔融还原炉的炉衬由于受熔渣反复冲刷，寿命过短，采取强化冷却措施也很难达到长期生产要求，并存在重大安全隐患。为此，我们必须转变研发思路，借鉴现代转炉的成功经验，采用间歇生产方式和溅渣护炉等措施，实现熔融还原工艺的连续生产。
2．DIOS的间歇生产方式和ROMELT的一侧加料、另一侧排渣方式可以有效降低炉渣中的FeO含量和沉淀、回收炉渣中夹带的金属粒铁。采用转炉间歇生产方式，再配合工序后期向熔池喷吹煤粉操作，完全可以将熔渣中的大部分铁资源进行回收[5]。
3．二次燃烧热利用效率的高低是熔融还原炼铁工艺成败的关键。HIsmelt工艺使用热风进行二次燃烧，由于喷枪调整不灵活，致使二次燃烧热的利用效率低，煤粉消耗过高。DIOS和ROMELT尽管使用纯氧进行二次燃烧，但由于喷枪相对固定，二次燃烧热利用效率也不高。
4.转炉炼钢的热利用效率高，能够实现负能炼钢与吨钢产生的渣量和煤气量少有很大关系。熔融还原炼铁工艺的渣量和煤气量都是炼钢的10倍以上，如何提高二次燃烧热的利用效率是转炉熔融还原炼铁工艺能否成功的关键。
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