（钢铁冶金专业论文）微波加热强化铁矿氧化球团煤基还原研究.pdf

c 分类号u d c 硕士学位论文 窟笏i 掣卿必 密级贮一 微波加热强化铁矿氧化球团煤基还原研究 s t u d y o ns t r e n g t h e nc o a l - - b a s e ddi r e c tr e d u c t i o n o fi r o no r ep e l l e t sb ym i c r o w a v e h e a t i n g 作者姓名： 学科专业： 学院( 系、所) ： 指导教师： 副指导教师： 王夏 钢铁冶金 资源加工与生物工程学院 黄柱成教授 张晓东高级工程师 论文答辩日期硷! 旦聋笸目至耳 中南大学 二。一。年六月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 、f 4 作者签名： 艺丝日期：冱f ! 年月卫日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论 文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或 部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全 文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：二吐导师签名兰垒兰l 日期：丝f ! 年月上日 摘要 高炉炼铁法经过4 0 0 多年发展，是目前较经济和成熟的炼铁生产 方法；但存在对冶金焦强烈依赖和制焦过程污染严重的问题。开发 非高炉炼铁技术缩短钢铁工艺流程，实现节能、减排高效生产具有 重大现实意义，形成了以直接还原和熔融还原为主的工艺流程。本论 文以我国储量丰富的煤炭资源为还原剂，进行了铁精矿球团竖炉微 波加热直接还原试验研究。 微波的整体性和选择性加热特点，可使铁原料和还原剂快速升 温，并促进还原反应。研究表明，磁铁矿、赤铁矿、煤粉和焦粉对 微波均具有良好的吸收性。采用m w - l 0 3 1 6 v 工业微波炉功率1 3 k w 加热时，铁精矿球团、焦粉和煤粉前段升温较快，表观升温速率分 别为4 6 8 5 m i n 、4 0 9 1 m i n - 1 和4 0 0 7 m i n ；后阶段变 慢，升温速度分别为1 1 5 9 m i n 、1 1 0 2 m i n - 1 和1 2 9 1 m i n 。在连续式竖炉反应器中，微波功率7 5 k w ，碳铁比0 3 2 时，球 团和焦粉混合物料的平均升温速率为5 7 m i n 。 微波加热铁精矿球团煤基直接还原研究表明，随着微波加热还 原时间的延长，物料还原温度提高，球团金属化率迅速提高。当最 高温度达到1 0 8 0 时，金属化率为7 7 11 。煤粉破碎时，有利于改 善反应动力学条件，当采用2 m m 煤粉作为还原剂，还原温度1 0 5 0 ，还原时间1 2 0 m i n ，碳铁比0 5 3 条件下，球团的金属化率可达 9 7 9 3 。 还原剂的固定碳含量高，粒级分布均匀，粒度越细时还原效果 越好。在微波还原过程中，细粒还原剂有助于和铁矿球团的吸附反 应和自身的气化反应。提高碳铁比可以提高成品球的金属化率，但 微波还原过程中较低的碳铁比( o 3 2 ) 仍可以获得相对较高的金属化 率。成品球的金属化率与煤种性质关系密切，选用挥发分高的煤种 对还原效果有利。 随着还原反应的进行，球团中出现大量的“碎裂 的浮氏体， 内部孔隙增多，有助于c o 气体进入浮氏体内部进行还原，进而使 还原成的金属铁连接成桥，还原反应能够充分进行。浮氏体还原后 形成金属铁和渣相，只有个别浮氏体残留有尚未完全消失的细小晶 体。微波加热还原铁矿球团，物料温度越高，碳与c 0 2 反应速率越 大，碳气化还原的相对能力增大。浮氏体残晶结构说明微波加热还 原过程碳气化反应动力学条件良好，c o 气相传热传质快速进行， 促进了还原过程。 关键词铁精矿球团，微波加热，竖炉，直接还原，金属化率 a b s t r a c t b l a s tf u r n a c em e t h o di sm o r ee c o n o m i c a la n ds o p h i s t i c a t e dm e t h o d s o fi r o np r o d u c t i o na f t e r4 0 0y e a r sd e v e l o p m e n t ；b u tt h ed r a w b a c ki s s t r o n g l yd e p e n d e n to nt h em e t a l l u r g i c a lc o k ea n dt h ec o k em a n u f a c t u r i n g p r o c e s so fs e r i o u sp o l l u t i o n t h ep u r p o s eo fd e v e l o p m e n tn o n - b l a s t f u r n a c et e c h n o l o g yi sr e d u c ei r o na n ds t e e l p r o c e s s ，s a v ee n e r g y , a n d e 伍c i e n tp r o d u c t i o n s of a rf o r m e db yd i r e c tr e d u c t i o na n ds m e l t i n g r e d u c t i o np r o c e s sb a s e d t h i sp a p e rw a ss t u d i e do ni r o no r ep e l l e t sd i r e c t r e d u c t i o ni ns h a f tf u r n a c eb ym i c r o w a v eh e a t i n ga n db a s e do nc h i n a s a b u n d a n tc o a lr e s o u r c e sa sr e d u c i n ga g e n t r a i lm a t e r i a l sa n dr e d u c i n ga g e n t sr a p i dh e a t i n ga n dt op r o m o t et h e r e d u c t i o nr e a c t i o nb e c a u s eo ft h ef e a t u r eo fi n t e g r i t ya n ds e l e c t i v eb y m i c r o w a v eh e a t i n g m a g n e t i t e ，h e m a t i t e ，c o a la n dc o k ea r ea l lw e l l m i c r o w a v ea b s o r b i n g 、h e nu s et h em o d e lo fm w - l 0 316 vi n d u s t r i a l m i c r o w a v eo v e n sw h i tt h eh e a t i n gp o w e ri s1 3 k w , i r o no r ep e l l e t s ，c o k e a n dc o a lh e a t i n gu pf a s t e ra t b e g i n n i n g ，t h ea p p a r e n th e a t i n gr a t e i s 4 6 8 5 m i n 一、4 0 9 1 m i n a n d4 0 0 7 m i n ：s l o wh e a t i n gr a t e l a t e r , t h ea p p a r e n th e a t i n gr a t e i s1 1 5 9 m i n 、1 1 0 2 m i n 1a n d 12 91 m i f f i i nt h ec o n t i n u o u ss h a f tf u m a c er e a c t o r , w h i tt h eh e a t i n g p o w e r i s7 5 k w , c t f ei s0 3 2 ，t h ea v e r a g ea p p a r e n th e a t i n gr a t eo fm i x e d m a t e r i a l so f p e l l e t sa n dc o k ei s5 7 m i n 绛乃i tt h er e s u l to fr e d u c t i o no fc o a l b a s e di r o no r ep e l l e t sb y m i c r o w a v eh e a t i n g ：e x t e n dt h er e d u c t i o nt i m ea n di n c r e a s et h er e d u c t i o n t e m p e r a t u r eo f t h em a t e r i a l s ，t h em e t a l l i z a t i o no f p e l l e tr a p i d l yi n c r e a s i n g w h e nt h em a x i m u mt e m p e r a t u r ei s10 8 0 t h em e t a l l i z a t i o nr a t ei s 7 7 1 1 n ek i n e t i cc o n d i t i o n si m p r o v e db yc o a lc r u s h e d m e nu s i n g c o a la sar e d u c i n ga g e n tw h i tt h e g r a n u l a r i t yi s - 2 m m ，r e d u c t i o n t e m p e r a t u r e i s10 5 0 ，r e d u c t i o nt i m ei s12 0 m i na n dc a r b o n i r o n c o n d i t i o n si so 5 3 ，t h em e t a l l i z a t i o nr a t eo fp e l l e ti sr e a c h e d9 7 9 3 u s i n gp u l v e r i z e dc o a la sar e d u c i n ga g e n ti nt h er e d u c t i o nr e a c t i o ni s b e t t e rt h a nc o k ei nt h i sp 印e r , w h i c hi sd u et ot h ef i x e dc a r b o no fc o a “s m o r et h a nc o k e ，m o r eu n i f o r mp a r t i c l es i z ea n ds m a l l e r t h er e d u c i n g a g e n tp a r t i c l es i z ei si n f l u e n c eo ng a s i f i c a t i o np r o c e s s 1 1 1 es m a l l e ro f i i i p a r t i c l es i z e ，t h em o r ec o n d u c i v et ot h ea d s o r p t i o nr e a c t i o na n dt h e g a s i f i c a t i o n r e a c t i o n b y m i c r o w a v e h e a t i n g i m p r o v e t h er a t i oo f c a r b o n - i r o nc a ni n c r e a s et h em e t a l l i z a t i o no ft h ef i n i s h e dp e l l e t s ，h o w e v e r , t h el o w e rc a r b o n - i r o nr a t i o ( o 3 2 ) s t i l lc a ng e tar e l a t i v e l yh i g hr a t eo f m e t a l l i z a t i o n t h em e t a l l i z a t i o no ff i n i s h e dp e l l e t si sc l o s et ot h en a t u r eo f t h ec o a l ，i ti sb e n e f i c i a le f f e c to nt h er e d u c t i o n b yu s eh i g hv o l a t i l ec o a l w i t ht h er e d u c t i o nr e a c t i o nc o n t i n u i n g ，al a r g en u m b e ro f f r a g m e n t s o fw u s t i t ew a sp r o d u c e di nt h ep e l l e t s i ti sh e l pc 0 g a si n t ot h ei n t e m a l o ft h ew u s t i t et or e s t o r ew h e nt h ep o r o s i t yi n c r e a s e d ，t h e nc o n n e c tt h e m e t a li r o nt ob r i d g ea n dr e d u c t i o nr e a c t i o nc a nb ef u l l yc a r r i e do u t 1 t o 。 。 一 m e t a l l i ci r o na n ds l a gw a so c c u r e da f t e rt h ew u s t i t ew a sr e s t o r e da n di u s t s o m es m a l lc r y s t a lr e m a i ni nal i t t l eo fw u s t i t e t h e h i g h e ro ft h e m a t e r i a l st e m p e r a t u r e ，t h eg r e a t e rt h er e a c t i o nr a t eo fc a r b o na n d c 0 2 ，t h e r e l a t i v er e d u c t i o no fc a r b o ng a s i f i c a t i o nc a p a c i t yi n c r e a s eb ym i n c r o w a v e h e a t i n g k i n e t i c so fc a r b o ng a s i f i c a t i o ni nag o o dc o n d i t i o nb e c a u s eo f c r y s t a ls t r u c t u r eo fw u s t i t i e e x i s t e n c e i ti s p r o m o t e dt h er e d u c t i o n p r o c e s sb e c a u s eo fc og a sf a s th e a t e da n dt r a n s f e r e d k e yw o r d s i r o no r e p e l l e t s ，m i c r o w a v eh e a t i n g ，f u r n a c e ，d i r e c t r e d u c t i o n ，m e t a l l i z a t i o n 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章文献综述1 1 1 非高炉炼铁工艺发展现状与发展趋势1 1 1 1 国外非高炉炼铁现状与发展2 1 1 2 我国直接还原工业的现状与发展6 1 2 微波加热技术在直接还原中的应用研究1 2 1 2 1 微波的物理性质和加热原理1 2 1 2 2 微波加热的技术和特点1 3 1 2 3 微波在直接还原中的应用1 4 1 3 本课题研究意义及研究内容1 6 第二章原料性能及研究方法1 8 2 1 原料性能1 8 2 1 1 化学组成1 8 2 1 2 粒度组成1 8 2 1 3 氧化球显微结构1 9 2 2 工艺流程和研究方法2 0 2 2 1 工艺流程2 0 2 2 2 研究方法2 0 2 3 检测方法2 3 2 3 1 化学成分分析2 3 2 3 2 微观结构分析2 4 第三章直接还原热力学基础和微波能量计算2 5 3 1 铁矿煤基直接还原的热力学2 5 3 2 微波加热理论2 7 3 2 1 物料吸收微波的基本方式2 7 3 2 2 物料与微波相互作用方式2 8 3 2 3 微波与铁氧化物的作用3 0 3 2 4 微波与煤的作用3 2 3 3 微波加热直接还原能量计算3 4 3 4 本章小结3 6 第四章微波加热物料升温特性的研究3 8 ， i 4 1 铁矿球团和还原剂吸波性能研究3 8 4 1 1 铁精矿球团4 0 4 2 2 还原剂4 l 4 2 物料在连续式微波加热竖炉中的升温特性研究4 2 4 2 1 单一球团与配入还原剂的升温特性比较4 2 4 3 2 微波竖炉的温度分布4 4 4 3 影响物料升温的因素4 5 4 3 1 微波功率4 5 4 3 2 碳铁比4 6 4 3 3 还原剂种类4 6 4 4 本章小结4 7 第五章煤基竖炉微波加热直接还原研究4 9 5 1 引言4 9 5 2 连续式竖炉参数研究4 9 5 2 1 下料速度和下料量的关系4 9 5 2 2 下料速度和还原时间的关系5 1 5 2 3 微波功率和还原温度的关系5 2 5 3 铁矿球团微波加热直接还原研究5 3 5 3 1 还原时间5 4 5 3 2 碳铁比5 6 5 3 3 还原温度5 7 5 3 4 还原剂种类5 9 5 3 5 还原剂粒度6 0 5 3 6 增加还原区导气管对还原的影响6 1 5 4 铁矿球团微波直接还原机理研究6 3 5 4 1 矿一煤颗粒界面间还原反应模型6 4 5 4 2 碳气化间接还原反应模型6 5 5 4 3 微波作用机理6 6 5 5 本章小结6 7 第六章结论6 7 参考文献7 0 致谢7 5 攻读学位期间主要成绩7 6 硕士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 非高炉炼铁工艺发展现状与发展趋势 迄今为止，钢铁是最重要的基础材料，钢铁工业是人类社会赖以生存和发展 的社会基石【1 。2 l 。随着时代的进步和人类文明的发展，要求钢铁生产必须与社会 环境和自然环境相和谐【3 】。能源和环境问题是人类在二十一世纪人类面临的两大 课题【4 】。目前钢铁生产面临的能耗高，c 0 2 排放量大，环境污染严重是人们普遍 认识到的难题，特别是焦煤资源日益匮乏，现代环境保护意识趋于重视的今天， 传统的焦炉烧结一高炉一转炉的长钢铁生产流程与人类生存环境之间的矛盾 日益突出。必须用高效低耗、清洁环保、生态平衡、综合利用资源和可持续发展 等观念重塑钢铁冶金产业。 目前，世界上铁的生产工艺主要有三大类：高炉法、熔融还原法和直接还原 法，高炉法和熔融还原法生产的产品是铁水，直接还原法的产品为固态的直接还 原铁( 简称d r i ) ，又被称为海绵铁。在世界铁的总产量当中，高炉法的生铁产量 占绝对统治地位。经过1 5 世纪木炭高炉和1 7 0 9 年以后的焦炭高炉【5 】长期发展， 技术已经非常完善和成熟。随着生产规模的扩大，逐渐显现出高炉潜在的弱点， 即对冶金焦的完全依赖性，而蕴藏丰富的非焦煤资源在炼铁生产中却得不到充分 利用。由熔融还原和直接还原法生产的铁产量的比例虽然较低，但其发展速度则 呈逐年增加的趋势。为了合理利用自然资源，研究开发以煤代焦钢铁生产新流程， 经过数年的探索和努力，初步形成了以直接还原和熔融还原为主体的非高炉炼铁 工业体系，如图1 1 。 早在1 7 7 0 年，英国就出现了第1 个直接还原法专利【6 】。之后出现过数百种 直接还原方案，但真正实现工业化是从2 0 世纪5 0 年代开始的。1 9 6 8 年美国m i d r c x 法获得成功，直接还原开始迅速发展，产量稳步上升，由1 9 7 0 年的7 9 万吨增加到 2 0 0 3 年的4 6 0 0 万吨。2 0 0 5 年直接还原铁产量为7 7 0 0 万吨，到2 0 1 0 年，该数字为 1 0 7 0 0 万吨1 7 。随着产量的增加，直接还原冶炼工艺也不断推陈出新。据统计，当前 世界上的直接还原冶炼工艺有4 0 多种，而应用于工业生产的就达到2 0 种之多。 硕士学位论文 第一章文献综述 图1 - 1 钢铁生产全流程图 f i g 1 1t h ew h o l es t e e lp r o d u c t i o nf l o wc h a r t 钢 1 1 1 国外非高炉炼铁现状与发展 1 1 1 1 国外直接还原工业的现状与发展 早在1 8 0 0 年c h a m p l a i n 就提出了在矮炉内用煤进行直接还原的原理，近 1 0 0 年以后，j e n e s 在回转窑内用炭和天然气进行直接还原的初期探索【8 】。2 0 世纪 以来，许多国家对各种铁矿石的直接还原工艺进行过大量的研究，但直接还原工 艺首次应用于工业生产还是1 9 5 2 年瑞典的维贝格( w i b e r g ) 法。目前，全世界工业 规模的直接还原法有1 2 种【们，见表1 2 。世界上d r i 主要生产国2 0 多个，建有百 余家直接还原厂，其中北美三国的d r i 产量最大1 1 0 1 ，见表1 1 。 表1 1 北美的铁产量及未来的预测铁产量百万t t a b l e1 - 1n o r t ha m e r i c a ni r o np r o d u c t i o na n di r o np r o d u c t i o nf o r e c a s tf o rt h ef u t u r e m i l l i o nt 2 硕士学位论文 第一章文献综述 现代海绵铁的生产工艺始于1 9 0 9 年【l l 】，到现在世界上共研究开发了十多种 直接还原工艺【1 2 1 4 1 。根据使用的还原剂的种类的不同，将这些工艺可分成气基直 接还原和煤基直接还原两大类。气基直接还原目前是直接还原工艺的主流，从表 1 3 可以看出气基直接还原工艺占统治地位。 表l - 3 世界主要的直接还原工艺的比较 t a b l e1 - 3t h ec o m p a r i s o no fw o r l d sl e a d i n gd i r e c tr e d u c t i o np r o c e s s 直接还原是一种在固态下还原铁矿石获得金属铁的方法，正如之前所说，以 天然气作为还原剂的m i d r e x 法、h y l 法和f i o r 法占世界还原铁总产量的9 0 3 硕上学位论文 第一章文献综述 。煤基直接还原法仅占1 0 ，主要有回转窑法、竖炉法，i n m e t c o 法、f a s t m e t 法和c o m e t 法【6 j 。在有限的煤基直接还原的方法之中，应用最广泛也是最成熟的 就是冷固结球团回转窑法。这是一种煤基直接还原的新工艺口【刀，缺点是不适于 使用无烟煤( 挥发分s 1 0 ) ，煤粉的反应性限制了该工艺对非焦煤使用的广泛性。 气基直接还原法是一种以气体( 主要指天然气) 做还原剂的直接还原工艺。 其主要优点是：生产效率高、能耗低、操作容易，是直接还原铁生产最主要的方 法。但因受地理分布的局限，该方法主要分布在中东、南美等天然气资源丰富的 地区。气基直接还原工艺的典型代表是m i d r e x 竖炉法( 米德兰竖炉法) 和h y l 反应灌法。 m i d r e x 竖炉法是气基直接还原铁生产技术的主导工艺，该工艺由m i d l a n d r o s s 公司开发，目前已发展成为占直接还原铁市场6 0 以上的主要方法，其工 艺流程如图所示。还原气使用天然气经催化裂化制取，裂化剂采用炉顶煤气。球 团或块矿在竖炉内被天然气还原，生成d r i 。由于该工艺要求有充裕的天然气， 且生产指标较高，因此在天然气富裕的地区可适当发展。如图1 2 所示。 氯黼耗 图1 2m i d r e x 竖炉法生产工艺基本流程图 f i g 1 - 2 m i d r e xs h a f tf u r l l a c ep r o c e s sf l o wc h a r t h y l 反应罐法流程采用k e l l o g 蒸汽转化制气技术，其工艺流程如图 1 3 示。原料天然气首先用活性炭脱硫，然后与过量水蒸汽混合，在8 5 0 ( 2 下进行 催化裂化反应。反应罐组由4 个反应罐组成。罐顶设有装料口，罐底设有卸料口。 反应罐之间有一套复杂的还原气管路相连接。还原气排出冷却管后，首先经过冷 4 硕士学位论文第一章文献综述 却脱水，然后进入还原气预热器进行加热。高温还原气通入主还原罐，将经过预 热和预还原的矿石还原成海绵铁。h y l 反应罐法流程使用块矿炉料，以球团矿和 天然块矿为佳。 图l - 3h y l 反应罐法工艺流程图 f i g 1 3h y l r e a c t o rm e t h o df l o wc h a r t 直接还原铁( d r i ) 成分稳定而纯净，是电炉冶炼优质钢、特殊钢的理想原料， 也是弥补废钢资源的短缺的竞争力所在，直接还原铁的产量从上世纪7 0 年代以 来以每年2 0 的速度逐年增加，发展势头迅猛。进入到2 l 世纪以来发展更为迅 猛，在世界许多钢铁大国都形成了以气基直接还原方法为主，辅助以煤基直接还 原方法的生产直接还原铁工艺的格局。但是就我国来说，由于天然气资源不足， 满足不了气基直接还原工艺成为生产还原铁的主要方法，而非焦煤资源丰富成为 研究开发煤基直接还原工艺的根本动力【1 5 1 。 1 1 1 2 国外熔融还原工业的现状与发展 熔融还原是在渣铁的熔融状态下，用碳把铁氧化物还原成液态金属的非高炉 炼铁法，其产品是铁水。世界目前主要的熔融还原工艺流程如表l _ 4 。 从2 0 世纪6 0 年代起s e k e t o r p 提出了熔融还原理论到今天【1 6 1 ，熔融还原的 非高炉炼铁系统逐渐确立了起来，并且表明将以非焦煤做能源应用到其中来。但 是各种熔融还原的方法仍然存在不足和限制，比如c o s i r 法需要加工竖炉型含 碳球卧r 7 】；而这种含碳球团在竖炉中的强度和耐磨性很难保证，而c o r e x 工艺 仍需要使用块状原料和粒煤【l 引，增加了工序的烦琐，操作不便。所以熔融还原工 艺还有很长的一段路要探索【1 9 1 ，在我国实现起来还有许多技术问题需要克服，困 难重重。 5 硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 2 我国直接还原工业的现状与发展 1 1 2 1 我国对直接还原技术的认识历程 我国对直接还原技术的认识经历了三个阶段【2 0 j ：第一阶段是在2 0 世纪5 0 年代初，认为直接还原过程甩掉了焦炉和焦炭，因而是代替高炉的最佳选择；第 二阶段发生在2 0 世纪6 0 到8 0 年代之间，当时国际上随着廉价焦煤的供应充足 和废钢产业的发展，人们开始认为是废钢的补充手段；第三阶段发生在2 0 世纪 8 0 年代以后，废钢无法满足市场对钢的品种、质量的高要求，在冶炼高级钢时， 海绵铁优于废钢已在国内外的炼钢工作者中达成共识。 1 1 2 2 我国发展煤基直接还原的原因 我国自从上世纪6 0 年代初就开始研究以铁矿石为原料的直接还原的方法并 进行了大量实验室研究和不同规模的半工业或工业试验，对气基、煤基、煤制气 竖炉、回转窑和罐式法等多种工艺进行了开发研究。针对我国国情，逐渐形成了 我国直接还原工业的发展思路即大力发展煤基直接还原工艺【2 1 捌。 我国的直接还原工艺从主体能源的角度来考虑，大力发展煤基直接还原而目 前暂不考虑气基和其他直接还原方法主要有三大原因：第一、我国煤炭储备量尤 6 硕士学位论文 第一章文献综述 其是非焦煤资源储量十分丰富，但天然气资源相对不足，且价格较贵；第二、煤 的气化工艺设备十分复杂且投资巨大，我国煤的气化技术的发展水平不高，除非 煤的气化技术取得重点突破，否则气基工艺不符合国情；第三、我国的电力价格 普遍偏高，依靠电热法的直接还原技术不现实，而且电热法直接还原已经逐步淡 出了世界的关注，这是世界各国普遍存在的问题。因此，我国发展直接还原工业 应立足用非焦煤。 我国的直接还原工艺从铁矿石资源的角度来考虑，我国可供直接还原使用 的天然富矿很少，可供使用的高品位精矿粉资源却相对较多，所以我国发展直接 还原应立足于使用精矿粉尤其是国内优质大量的铁精粉。 1 1 2 3 我国煤基直接还原d r 的定位和竞争优势 本世纪初的统计，我国的电炉钢所占比例比钢铁发达国家如美国、加拿大等 国家的电炉钢所占比例低3 0 还多。我国国内目前钢铁生产的形势是：普通钢生 产过剩，高级钢需大量进口，钢铁产品结构失衡严重。这种不协调的钢铁现象将 对我国的电炉钢有个大的刺激，可以预见国家对d r i 的需求巨大。 d r 在成本上无力和高炉铁水竞争，在价格上无力和普通废钢竞争，只能将 海绵铁产品定位于和优质废钢竞争，而且在质量和价格上还要和国外同类产品竞 争。按照这样一种思路发展我国的直接还原技术，既充分发挥了直接还原工艺的 特点、又合理地利用了我国的矿产资源、同时又促进了特殊钢工业的发展，这样 就将我国的直接还原工业引入到持续健康的良性发展的轨道上来。现在看来，这 似乎是我国发展直接还原的唯一出路。 熔融还原技术的最终产品是铁水，其化学成分和高炉铁水接近，该工艺的最 大优点是不用焦炭，摆脱了对炼焦煤的依赖。这对于既缺乏炼焦煤又缺乏铁水的 国家和地区很有吸引力。我国虽然炼焦煤的储量比例仅占总储煤量的2 7 6 5 ， 但焦煤资源能够满足高炉需要，加上我国的高炉铁水产能过剩，缺乏发展熔融还 原的的足够理由。 综上所述，我国发展直接还原的技术路线应定位于小规模煤基铁精矿粉直 接还原生产工艺，放弃推翻高炉、取代高炉的发展思路：放弃d r i 作为高炉铁 水和普通废钢的补充的产品路线，而将直接还原工艺的产品作为优质废钢的一种 替代品，定位于电炉生产特殊钢等优质钢种的电炉原料【2 5 】。 1 1 2 4 我国主要的煤基直接还原方法 煤基直接还原法是指以固体( 煤炭等) 做还原剂的直接还原方法。该方法较 气基法存在生产效率低、生产规模小、容易出现结圈结瘤的缺点，然而它主要用 廉价的非焦煤为还原剂，有效地避免了气基法的不足。目前主要分布在天然气资 源缺乏，但拥有优质的铁矿资源和丰富煤炭资源的地区，如中国、南非、印度、 7 硕士学位论文第一章文献综述 新西兰等地。 我国天然气资源非常有限，但煤炭资源( 尤其是非焦煤) 却很丰富。因此， 煤基法直接还原铁工艺是我国的首选工艺。目前在国内实施的工艺主要有：回转 窑工艺、隧道窑工艺和倒焰窑工艺等，其中机械化、自动化程度较高的 f a s t m e t 法和冷固结球团回转窑法都是先进、可靠、经济的工艺。 f a s t m e t 流程将氧化铁球团矿炉料、粉矿和钢铁厂废料转变为有用的金属 铁，使用煤粉或其它的含碳材料作为还原剂。最终产物直接还原铁可以被热压成 块，作为热态d r 被送入过渡容器；如果需要冷的d r ，也可将它进行冷却，或 者直接送入电化学炉( e i f ) 以炼出f a s ti r o n 液态铁。 在操作过程中，如果原料是矿石，精矿粉和煤粉在装入r h f 炉之前要制成 球团并经过干燥，在r h f 炉中炉料被铺成一层。当这些原料是钢铁厂废料，则它 们首先应被压块。压块可以提供更多的灵活性，并减少对这些原料的碾磨需求， 而且不必对生压块进行干燥。这些压块在r h f 中也是铺成一层。随着炉膛的旋 转，这些压块被r h f 中1 3 0 0 以上的温度通过辐射加热，铁氧化物被还原成金 属铁，铁氧化物的还原过程基本上是在固体状态下由固定碳则会固溶到金属铁中 形成碳化铁( f e 3 c ) 。 直接还原铁的金属化率( 金属形式的铁占全铁的百分比) 是可以调整的。通 过调整矿块的含碳量就可以得到目标d r 的含碳量。其产品化学成分的不同取 决于使用的矿料、还原剂和粘结剂的化学成分。f a s t m e t 流程如图1 - 4 所示。 图1 4f a s t m e t 工艺流程图 f i g 1 - 4f a s t m e t f l o wc h a r t 8 硕士学位论文第一章文献综述 冷固结球团回转窑法是由原中南工业大学与鲁中冶金矿山公司共同研制开 发的一项新工艺、新技术，是煤基回转窑法还原工艺的一次革命。其主要工艺流 程如图1 5 所示。该工艺包括：配料、润磨、强力混合、造球、低温干燥固结、 回转窑还原、冷却、筛分、磁选、窑尾废气余热发电等环节。 该工艺的主要优点是：流程短、投资省、能耗少、成本低。此外，生球的低 温干燥固结取代了高温焙烧作业，减少了耐高温设备，提高了设备的作业率，有 利于回转窑的连续稳定生产。 数十年来我国投入了大量精力，确定了煤基回转窑直接还原工艺的可行性 2 6 2 9 。喀左一步法工艺【3 0 】，天津d r c 工艺【3 1 3 4 1 和鲁中铁精矿冷固结球团矿回转 窑工艺1 3 5 , 3 6 1 。先后投入了生产和试生产。经过多年的研究，设备问题和操作问题 已较好解决。 其他煤基直接还原方法如c o r e x d r 工艺和c i r c o f e r 工艺等方法在我国 尚不能开展起来，原因是c o r e x d r 工艺要利用c o r e x 工艺中产生的大量的 还原性气体，引入竖炉进行铁矿石直接还原，我国目前不存在和c o r e xt 艺相 配套的设施【3 7 4 0 1 。c i r c o f e r 工艺中使用小于l m m 的粉矿，其主体设备为循环 流化床，靠粉煤的气化生成的煤气做还原剂，通过准确的控制技术，使气化区和 还原区相分离。但是流化床操作控制较为复杂，在我国应用有困难【4 1 4 2 。煤基直 接还原法细分如表1 5 ，我国主要d r i 厂概况如表1 - 6 t 4 3 1 。 铁掩矿笈台轱结错复合敞珞挝 田1 5 冷团结球团直接还原工艺流程图 f i g 1 - 5t h er e d u c t i o nw h i tc o l db o n d e dp e l l e t sf l o wc h a r t 9 硕士学位论文 第一章文献综述 表l - 6 我国主要d r i 厂概况 t a b l e1 - 6o v e r v i e wo fc h i n a sm a j o rd r ip l a n t 1 0 硕士学位论文第一章文献综述 1 1 2 5 直接还原铁生产在我国的发展前景 我国是全球最大的产钢国和废钢消费国，同时是废钢资源极为短缺的国家。 2 0 0 3 年起，我国产钢2 2 2 亿吨，比上年增长2 2 3 8 ，成为全球第一个年产钢量突破 2 亿吨的国家，并连续保持钢产量世界第一。2 0 1 0 年全国钢产量超过5 亿吨，由此 拉动的废钢消费促使废钢供应矛盾日趋突出。我国是一个铁矿资源贫乏的国家， 对进口铁矿石的依存度超过5 0 ；同时也是一个废钢资源短缺的国家，正常状态 下每年需要进口废钢1 0 0 0 多万吨。我国社会废钢积蓄量约1 3 1 5 亿吨，还未进 入废钢高产期，我国废钢铁市场正处于资源偏紧的高价位运行的周期。中国钢铁 生产技术经济指标不断提高，企业自产废钢数量越来越少，不能满足生产发展的 需要，已成为世界上废钢进口的主要国家之一。根据中国国内钢材市场消费需求 及钢铁工业发展情况来看2 0 1 0 年中国废钢需求量将达到7 0 0 0 万吨以上水平。今 后中国国内社会回收废钢比重将上升，成为废钢来源的主要渠道，但仍将有缺口， 必须依赖进口废钢保证废钢需求。 我国虽然是世界第一产钢大国和耗钢大国，但却不是钢铁强国，钢铁产品在 国际市场上竞争力不强，在钢材品种和质量方面，还不能适应国民经济的发展要 求，我国每年还要从国外进口钢材4 0 0 0 多万吨( 主要是优质钢和特种钢) ，而海绵 铁正是生产优质钢和特种钢的必备原材料之一。随着今后对钢铁产品品种和质量 要求的不断提高，发展电炉短流程炼钢势在必行，而用直接还原铁( 海绵铁) 补 硕士学位论文第一章文献综述 充我国废钢的不足，将是必然的结果。 1 2 微波加热技术在直接还原中的应用研究 微波作为一种新型能源近年来在冶金领域中显示了很大潜力，具有传统能源 无法比拟的优点。将微波能应用到铁矿石的直接还原工艺生产优质的海绵铁是微 波能的新应用，也是直接还原领域的新发展。 国内外在对赤铁矿和磁铁矿内配碳球团利用微波直接还原小型试验研究取 得了比较好的效果。在大力发展高炉炼铁的同时，就我国目前面临的资源特点、 经济形势和环保要求必须要求我们引入高新技术来发展非高炉炼铁工艺。据统 计，微波直接还原法的投资和生产成本比常规工艺低1 5 5 0 ，同时微波自身 的辐射并不产生三废产品，是环保高效节能的加热方法。采用微波加热还原金属 氧化物在实验室阶段的研究已经得到了同行的认可。为了走可持续发展道路和环 境友好型社会，利用全新无公害能源来应用于冶金领域势在必行。 1 2 1 微波的物理性质和加热原理 微波是一种高频电磁波，其频率为3 0 0 3 0 0 0 0 0 m h z ，波长0 0 1 m 1 m ，对应 的电子能级范围为1 2 l o 6e v - 4 6 l o 。6 e v 。 微波加热的原理是：利用直流电源使磁控管产生微波功率，通过波导输送到 加热器中。处于加热器中的物料吸收微波功率后，本身分子的运动在高频电磁中 受到干扰和阻碍，产生了类似摩擦的作用，温度随之升高。因此可以理解为微波 被介质吸收后，引起物体内部分子的激烈振动摩擦生热而迅速升温。杂乱无章的 极性分子在随微波高频电磁场急剧改变排列方向时而获得能量，并以热的形式表 现出来，介质体的温度随之升高，加热过程得以实现【4 5 卅。图1 - 6 和图1 7 分别 为微波加热原理示意和微波在电磁波中的位置。 国 0 母 图1 - 6 微波加热原理图 f i g 1 - 6s c h e m a t i co fm i c r o w a v eh e a t i n g 1 2 可见党线i 缸井战lj e 凌电泣 最长i x 】一肪? 5 0 xi 一而x l o 。3 ml o o x l 0 3 0 d g h z 。) 0 q 6 i 眨, ) 0 0 0 k h z3 k h z 医 疗 渡长l 咂i _ 1 0