球团理论与工艺5.ppt

11.球团矿直接还原,11.1 概述 1）概念 直接还原法铁氧化物用还原剂在低于其熔点的温度下 还原为金属铁的过程，产品也为固态 DR产品：直接还原铁、海绵铁、预还原铁 含铁原料 高品位块矿、粉矿 精粉 球团矿：氧化球团矿、预热球团、冷固球团 直接还原铁的用途 *含铁低（4070%），脉石5%，进高炉（金属铁10%， 焦比下降56%，生产率提高5 9%） *含铁高（90%），脉石5%，进电炉炼钢,2）生产直接还原铁的意义 电炉炼钢短流程发展 废钢数量、质量满足不了要求 电炉中添加DRI炼钢具有优越性 *冶炼周期缩短一半 *产量45% *耐火材料、电极和氧气消耗 3）发展过程 *历史100多年 *DRI超过40种，生产厂家超过100家 *气基法（希尔法、Midrex法），煤基回转窑法,11.2球团还原机理及结构变化 11.2.1球团矿还原机理 1）还原方法 铁氧化物球团矿，或任何颗粒被H2或CO还原时，在还原 剂作用下，呈逐级性和带状发展 逐级性的发生还原反应 Fe2O3Fe3O4FeOFe （570） Fe2O3Fe3O4Fe （570） 呈带状发展 *反应速率服从未反应核模型 *先接触还原剂先还原，使还原反应逐渐向核心推进 *球团矿还原时，先还原的金属外壳不断增厚 注：若球团矿粒径小，孔隙率高或内配还原剂时，还原方式仅 具有逐级性而无明显的呈带性,2)气体还原剂还原铁氧化物的反应机理 在气固相界上产生相界反应 还原速度快，外表层形成多孔金属铁壳时，还原气体在固 相层内扩散，在FexO/Fe界面上，浮氏体被还原 FexO+CO(H2)Fe+CO2(H2O) 在固体反应物相界上及其内部由于金属铁离子向较高含氧 量区域扩散而产生固相反应，如Fe2+向被还原的铁氧化物内 扩散，使之价降低 Fe3O4+Fe2+2e4FexO 4Fe2O3+ Fe2+ +2e 3Fe3O4,3）还原剂为固体燃料时 向回转窑内喷煤还原，煤单独加入（煤基回转窑DR） 还原模式服从未反应核模型 2C+O2=2CO C+O2=CO2 CO2+C=2CO CO+FexO=Fe+CO2(Fe2O3Fe3O4FexO) 还原反应由颗粒表面呈带状向中心发展 即表层Fe 次层FexO 再次层Fe3O4 核心Fe2O3 未反应核模型以间接还原为主体，被还原的固体颗粒呈带状从 表层向核心发展，称之为铁氧化物的未反应核模型,煤内配入球团矿内，然后在回转窑内单独加煤 焙烧还原即内配C球团煤基回转窑还原 服从体积反应模型即球团外部的还原剂提供CO间接还原， 球团内部的还原剂提供碳直接还原，即 金属铁可在整个球团内同时形成，可显 著提高还原反应速率 *球团内碳的直接还原反应为 3Fe2O3+C2Fe3O4+CO Fe3O4+C 3FeO+CO FeO+C Fe+CO Fe3O4+4C 3Fe+4CO,11.2.2球团还原膨胀及其结构变化 1）产生膨胀的原因 球团矿在还原过程中的膨胀行为，主要取决于铁氧化物在不同 还原阶段时的失氧程度、晶型转变、矿物学成分及结构 2）膨胀机理 Adstrom（埃德斯特累姆）膨胀理论 一定边长的纯Fe2O3立方体在1000时用CO还原 a.Fe2O3Fe3O4FexOFe V=+25% V=+6% V=-5% b. Fe2O3Fe3O4 Fe V=+20% V=-1% c. Fe2O3 FexO Fe V=+35% V=-10%,d. Fe2O3 Fe V=+46% e. Fe3O4 Fe V=-10% 体积变化规律 *赤铁矿还原过程中均会存在不同程度的体积膨胀，纯磁铁矿还 原时一般不会产生体积膨胀 *赤铁矿还原过程中产生体积膨胀最显著的阶段是Fe2O3 Fe3O4. 两者呈不同晶系（六方立方）体积膨胀25%； Fe3O4与FexO晶 型相同（近），体积膨胀很少 *由FexO Fe一般产生体积收缩,3）还原过程球团结构变化 还原过程中因铁氧化物晶体转变，引起体积膨胀，最终导致球 团开裂，球团矿强度下降 由Fe2O3Fe3O4 V=+25% ，抗压强度20% Fe3O4FexO V=+6% ，抗压强度75% 即对应FexO峰值，抗压强度最低（ 9095%），一旦金属 铁出现，球团抗压强度,4）其他几种膨胀理论 碳素沉积理论 在低温还原条件下 2COCO2+C(550) 形成的碳沉积在球团矿细微孔隙和晶体裂缝里导致球团矿体 积膨胀甚至粉化，在高温还原条件下（6001200 ）碳素 很少沉积 铁晶须理论 在浮氏体界面各适宜点生长出纤维状金属铁，使周围晶粒或 颗粒产生松动或位移，这种金属铁“疯长”导致球团体积膨胀 碱金属的“灾难性”膨胀 碱金属的存在加快金属铁析出，由于金属铁析出过快导致球 团膨胀加剧，甚至产生“灾难性”膨胀,11.3 影响球团矿直接还原因素 1）衡量金属化球团矿质量的指标 不同性质用于不同用途（电炉、高炉） 指标：含铁量、金属化率、脉石总含量、有害杂质含量（P、S 等）、含C、粒度组成及机械强度 电炉炼钢用DRI TFe 90% 金属化率 90% S 0.02% P 0.045% Cu+Pb+Zn+0.02% 脉石总量（SiO2+Al2O3+CaO+MgO等）45%,金属化率 还原产品中金属铁与其中全铁含量之比 金属化率=MFe/TFe x100% 2）影响因素 还原温度T T金属化率,但T过高，能耗高 还原剂种类和用量 竖炉气体还原剂 回转窑煤（褐煤、次烟煤较适宜） 反应性（C+CO2CO的能力） 挥发分V 3035%(高） 还原煤 水分 W1100（高） 含S1%,粒度组成5 20mm,还原时间 随还原时间延长，金属化率提高（1小时达最大） 回转窑： 46小时 铁矿化学成分 TFe66% SiO2+Al2O380 85% 球团直径 单纯依靠气体逐层脱氧的而言，直径越大，还原时间越长，降 低设备生产能力,11.4 直接还原主要方法,1.国外现状 技术现状 按还原剂分： 气基 煤基,区域1,区域2,区域4,区域3,块矿/球团,粉矿,固态,液态,煤,煤气,图11 按还原剂和铁矿石种类分直接还原工艺,1.国外现状(续) 技术现状(续) 按炉型分： 竖炉 回转窑 转底炉 流化床等,1.国外现状(续) 技术现状(续) 按含铁料粒度分： 块矿/球团 粉矿,表1 不同直接还原工艺的主要特点比较,表2 世界上主要投入应用的直接还原铁生产方法,1.国外现状(续) 产量及 分布 总产量,1.国外现状(续) 产量及分布 各类方法,气基 91.6% Midrex 63.4% HYL 19.3% 其它 1.8% 煤基 8.4% SL/RN 3.6% 其它 4.8%,1.国外现状(续) 产量及分布 国家分布(2000年:万吨) 拉美：1318 中东：841 亚洲：972,80%以上,a.缺高质废钢,b.缺炼焦煤,c.高品位铁矿丰富,d.天然气丰富,1.国外现状(续) 产量及分布 国家分布(2000年:万吨) 前苏联/东欧：290 北美：1045 非洲：841 西欧：50（废钢价格及数量的优势） 澳大利亚：480,2.国内现状 天津、密云：回转窑法 河南：转底炉法,1）希尔法（HYL） 气基反应罐法，墨西哥第二大钢铁公司希尔公司首创，三个运行（初还原、终还原、冷却渗碳）一个装料,2）SL/RN法 煤基回转窑法 工艺流程,*原料 含铁原料：铁矿粉、块矿、球团矿 还原剂：还原煤 脱硫剂：石灰石、白云石 辅助