（钢铁冶金专业论文）铁矿预还原球团微波加热煤基直接还原研究.pdf

、， 分类号u d c 硕士学位论文 密级 l i i ii i ii iii ii i ii i i ii il y 1719 2 4 4 铁矿预还原球团微波加热煤基直接还原研究 s t u d yo nc o a l - b a s e dd i r e c tr e d u c t i o no f p r e - r e d u c t i o n p e l l e th e a t e db ym i c r o w a v e 作者姓名： 学科专业： 学院( 系、所) ： 吕丽丽 钢铁冶金 资源加工与生物工程学院 指导教师：黄柱成教授 副指导教师：彭虎高级工程师 论文答辩日期主型旦! 苎! 衫答辩委员会主席篮些 中南大学 二。一。年五月 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。 作者签名：星亟丞日期：兰2 2 年土月日 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：上短导师签名垄壁垒日期：2 旦丝年月羔日 一 摘要 摘要 近年来短流程炼钢工艺在世界范围内得到了迅速的发展，其入 炉原料主要是废钢，但是我国废钢资源短缺，因此发展作为废钢优 质替代品的直接还原铁工艺就显的十分重要。氧化球团矿需要高效 供热才能实现快速还原，在传统加热反应器内，物料依靠传导和对 流供热，容易造成球团受热不均，发生球团表面颗粒之间粘结粉化， 降低还原速度，使反应受到限制。 微波加热具有高效节能的特点，煤基微波直接还原能耗理论计 算表明：使用微波加热的方法还原每吨海绵铁的能耗为3 0 4 g j ， c f e = 0 5 3l 时消耗还原煤6 5 4 4 4 k g 。采用预还原球团进行直接还原 可以显著降低微波能的使用，当预还原球团金属化率达到4 2 8 ， 其还原所消耗的微波能仅为氧化球团直接还原所需微波能的3 2 。 与传统加热不同，采用微波加热时，微波能够“选择性 地加 热试验原料中的吸波物质，对微波吸收能力强的物质可以优先被加 热到很高的温度。小型工业微波炉升温试验表明：预还原球团在微 波场中的升温速率随其金属化率的增加而小，通过对其介电常数的 计算也证实了以上试验结果。当预还原球团金属化率为4 2 8 5 时， 其表观升温速率仍为0 3 3 2 k s ，还原剂具有良好的吸波性能，粒径 小的碳质还原剂升温速率更快，在微波加热中形成高温热点，加快 了碳的气化反应，促进了球团直接还原。 在竖炉中微波加热预还原球团配加还原剂混合料的升温速率是 不断变化的，在低温升温阶段及高温反应阶段有着不同的升温规律： 低温时混合料升温速率主要受到微波输入功率及还原剂粒度的影 响，微波输入功率越高、混合料中细粒级还原剂比例越高，混合料 升温速率越快；在高温时混合料的升温速率主要受到微波输入功率 及还原剂用量、种类的影响，微波输入功率越高、还原剂用量越高、 杂质越多混合料升温速率越快。在这两个阶段由于细粒级还原剂及 还原反应的存在，预还原球团还原程度对混合料的升温影响不大。 在微波作用下预还原球团可以实现快速还原，在较短的时间内 达到很好的还原效果。当金属化率为4 2 8 5 的预还原球团采用微波 加热、配加细煤粉、高温还原时间为6 3 m i n 、还原温度为1 0 0 0 , - - 一1 0 5 0 时还原产品的金属化率达到9 8 7 5 。预还原球团微波加热煤基直 接还原试验表明：随着预还原球团金属化率的提高，在相同的工艺 硕士学位论文 摘要 条件下，产品的金属化率越高。而当预还原球团的金属化率大于 2 7 5 后，金属化率提高的幅度降低。 运用光学显微镜对预还原球团微波加热直接还原产品进行了研 究，结果表明：当预还原球团金属化率较低时，浮氏体及f e 3 0 4 混 合体颗粒呈椭圆球形分布在球团内部，深还原从颗粒表面开始进行； 而预还原球团金属化率增加，浮氏体与f e 3 0 4 混合体颗粒出现碎裂 结构，还原气体c o 可以容易地将其内部还原，还原效果好。 关键词预还原球团，微波加热，煤基直接还原，竖炉 i i 硕士学位论文a b s t r a ( ? r a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，s h o r tf l o ws t e e l m a k i n gh a sb e e nr a p i dd e v e l o p m e n t i nt h ew o r l d ，r a wm a t e r i a lo ft h i sp r o c e s si sm a i n l ys c r a ps t e e l ，b u t s c r a ps t e e li ss h o r t a g ei nc h i n a ，s ot h a tt h ed e v e l o p m e n to fh i g h - q u a l i t y s u b s t i t u t e ss p o n g ei r o nt or e p l a c es c r a ps t e e li sv e r yi m p o r t a n t o x i d e p e l l e t sn e e df a s ta n de f f i c i e n th e a t i n gt or e d u c t i o n i nt r a d i t i o n a lh e a t i n g r e a c t o r , m a t e r i a l sh e a t i n gr e l yo nc o n d u c t i o na n dc o n v e c t i o n ，c a ne a s i l y c a u s en o n u n i f o r mh e a t i n go fp e l l e t s ，p e l l e t sb o n db e t w e e nt h es u r f a c e a n dt h er e a c t i o nr a t ew a sl i m i t e d m i c r o w a v eh e a t i n gh a sc h a r a c t e r i s t i c so fh i g he f f i c i e n c ye n e r g y s a v i n g ，e n e r g yc a l c u l a t i o n so fc o a l - b a s e dd i r e c tr e d u c t i o nh e a t e db y m i c r o w a v es h o wt h a t ：e n e r g yc o n s u m p t i o np e rt o n n eo f s p o n g ei r o nf o r t h e3 0 4 g j ，t h ec o n s u m p t i o no fc o a li s 6 5 4 4 4 k gw h e nc f e = 0 5 3 1 m i c r o w a v ee n e r g yc a nb er e d u c e ds i g n i f i c a n t l yw h e np r e r e d u c t i o n p e l l e t sw e r eu s e d w h e nt h em e t a l l i z a t i o nr a t eo fp r e r e d u c t i o np e l l e ti s 4 2 8 t h er e q u i r e dm i c r o w a v ee n e r g yf o rd i r e c tr e d u c t i o ni so n l y3 2 o fd i r e c tr e d u c t i o no fo x i d i z e dp e l l e t d i f f e r e n tf r o mc o n v e n t i o n a l h e a t i n g a b s o r b i n gm a t e r i a lc a nb e h e a t e ds e l e c t i v e l y t h em a t e r i a lh a v es t r o n ga b s o r p t i o na b i l i t yc a nb e h e a t e dt oh i g ht e m p e r a t u r e sp r i o r i t y h e a t i n ge x p e r i m e n ti ni n d u s t r i a l m i c r o w a v eo v e ns h o wt h a t ：h e a t i n gr a t eo f p r e r e d u c t i o np e l l e t sr e d u c e d w i t ht h ei n c r e a s eo fi t s m e t a l l i z a t i o n ，t h ec a l c u l a t i o no fi t sd i e l e c t r i c c o n s t a n ta l s oc o n f i r m e dt h ea b o v er e s u l t s w h e nt h em e t a l l i z a t i o nr a t e o f p r e r e d u c t i o np e l l e ti s4 2 8 ，t h ea p p a r e n th e a t i n gr a t eo f i ti s0 3 3 2 k s h e a t i n gr a t eo fc a r b o nr e d u c t a n tw i t hs m a l lp a r t i c l es i z ei ss e v e r a l t i m e so fl a r g eo n ea n di tc a nb eh e a t e dt oh i g ht e m p e r a t u r e sp r i o r i t ya n d f o r m a t i o no f h i g h t e m p e r a t u r eh o ts p o t s i nt h es h a f tf u r n a c e ，t h em i x t u r eo fp r e - r e d u c t i o np e l l e t sa n d r e d u c i n ga g e n ta r eh e a t e db yt h em i c r o w a v e ，w ef o u n dt h a tt h eh e a t i n g r a t ei nt h el o wt e m p e r a t u r ep h a s ei sd i f f e r e n tf r o mi ti nh i g ht e m p e r a t u r e r e a c t i o n ：i nt h el o wt e m p e r a t u r et h eh e a t i n gr a t eo fm i x t u r ei sm a i n l y a f f e c t e db yt h em i c r o w a v e i n p u tp o w e ra n dt h eg r a n u l a r i t yo fr e d u c i n g a g e n t ，t h eh i g h e rm i c r o w a v ei n p u tp o w e ra n dl e v e lo ff i n e ，t h ef a s t e r i i i 硕士学位论文 a b s t r a c t h e a t i n gr a t eo ft h em i x t u r e ；i nt h eh i g ht e m p e r a t u r es t a g e ，t h eh e a t i n g r a t eo f m i x t u r ei sa f f e c t e db yt h em i c r o w a v ei n p u tp o w e ra n dt h et y p e a n da m o u n to fr e d u c i n ga g e n t t h eh i g h e rt h em i c r o w a v ei n p u tp o w e r a n dt h er e d u c i n ga g e n ta m o u n ta n di m p u r i t i e s ，t h ef a s t e rh e a t i n gr a t eo f m i x t u r e m e t a l l i z a t i o no fp r e r e d u c t i o np e l l e t sh a sl i t t l ee f f e c to nt h e h e a t i n gr a t eb e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo ff i n e l e v e lr e d u c i n ga g e n ta n d r e d u c t i o nr e a c t i o n p r e r e d u c t i o nc a nb er e d u c t i o nr a p i d l yu n d e rt h em i c r o w a v e i r r a d i a t i o n g o o dr e d u c t i o ne f f e c t sc a nb ea c h i e v e di n as h o r tp e r i o d m i xt h ep r e r e d u c t i o np e l l e tw i t hm e t a l l i z a t i o nr a t eo f4 2 8 5 a n df i n e p u l v e r i z e dc o a l ，k e e pt h em i x t u r es t a yi n1 0 0 0 - 1 0 5 0 ，r e d u c t i o nt i m ei s 6 3 m i n m e t a l l i z a t i o nr a t eo fr e d u c t i o np r o d u c t sr e a c h e d9 8 7 5 s t u d y o nc o a l b a s e dd i r e c tr e d u c t i o no fp r e r e d u c t i o np e l l e t h e a t e db y m i c r o w a v ei nt h es h a f tf u m a c es h o wt h a t ：t h eh i g h e rt h em e t a l l i z a t i o n r a t eo fp r e r e d u c t i o np e t l l e t ，t h eh i g h e rt h em e t a l l i z a t i o n r a t eo f m e t a l l i z a t i o nr a t eo fr e d u c t i o np r o d u c t s ，b u tt h ei n c r e a s e dr a n g er e d u c e d w h e nt h em e t a l l i z a t i o nr a t eo f p r e r e d u c t i o np e t l l e te x c e e d2 7 5 s t u d yd i r e c t r e d u c t i o np r o d u c t sb yo p t i c a lm i c r o s c o p e ，r e s u l t s s h o w e dt h a t ：s p h e r i c a lm i x t u r eo ff e 0a n df e 3 0 4w e r ed i s t r i b u t i o n i n s i d et h ep e l l e t ，l l e nt h em e t a l l i z a t i o nr a t eo fp r e - r e d u c t i o np e l l e ti s l o w , r e d u c t i o nw a ss t a r tf r o mt h ep a r t i c l es u r f a c et oi n s i d e ；f r a c t u r e d m i x t u r eo ff e oa n df e 3 0 4w e r ea p p e a r e dw h e nt h em e t a l l i z a t i o nr a t eo f p r e r e d u c t i o np e l l e ti n c r e a s e d ，c oc a ne a s i l yd e o x i d i z ei n t e m a lo x i d e k e yw o r d s p r e r e d u c t i o np e l l e t ，m i c r o w a v eh e a t i n g ，c o a l b a s e d d i r e c tr e d u c t i o n ，s h a f tf u r n a c e i v 硕士学位论文目录 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 钢铁工业简介1 1 2 钢铁生产流程2 1 2 1 国内外钢铁生产流程的发展2 1 2 2 长流程与短流程的比较3 1 2 3 短流程工艺存在的问题4 1 3 直接还原工艺5 1 3 1 世界直接还原铁的发展5 1 3 2 直接还原工艺6 1 3 3 直接还原技术的发展趋势8 1 3 4 直接还原工艺存在的问题9 1 4 微波加热技术l0 1 4 1 微波加热技术的特点：1 0 1 4 2 微波加热的基本原理。1 3 1 4 3 铁矿石微波加热直接技术的研究与应用l5 1 4 4 微波加热技术应用前景17 1 5 本研究的目的和研究思路18 1 5 1 研究目的18 1 5 2 研究思路1 9 第二章氧化球团及预还原球团原料性能研究2 0 2 1 氧化球团原料2 0 2 2 预还原球团原料2 0 2 2 1 预还原球团的物理及化学性质。2 0 2 2 2 预还原球团的矿物组成2 2 2 3 还原剂2 4 第三章煤基微波加热直接还原计算与试验研究方法2 6 3 1 铁矿直接还原理论基础2 6 3 1 1 直接还原基本理论2 6 3 1 2 氧化球团不同还原阶段脱氧速率测定2 7 3 2 微波加热预还原球团直接还原计算2 8 目录 。2 8 算2 9 。3 2 3 2 3 5 3 6 3 7 3 7 3 8 3 8 3 8 的影响3 9 4 0 。4 2 4 3 4 3 4 4 4 5 4 3 4 还原剂种类对混合料升温特性影响4 5 4 3 5 煤粉粒度对混合料升温特性影响4 6 4 4 煤基预还原球团在微波竖炉中的升温规律研究4 7 4 4 1 煤基预还原球团在微波竖炉中低温时的升温规律4 7 4 4 2 煤基预还原球团在微波竖炉中高温时的升温规律4 9 4 5 本章小结5 0 第五章预还原球团煤基竖炉微波加热直接还原工艺5 2 5 1 预还原球团煤基竖炉微波加热还原效果影响因素研究5 2 5 1 1 还原剂种类对还原效果影响5 2 5 1 2 还原剂用量对还原效果影响5 3 5 1 3 微波输入功率对还原效果影响5 3 5 1 4 电机转速( 还原时间) 对还原效果影响5 4 5 1 5 增加还原段导气管对还原效果影响5 5 5 1 6 还原剂粒度对还原效果影响5 6 5 1 7 预还原球团还原程度对还原效果影响5 7 5 2 预还原球团煤基直接还原机理研究5 8 硕士学位论文 目录 5 2 1 还原膨胀对直接还原效果的影响。5 8 5 2 2 不同还原程度预还原球团还原矿物结构的分析6 0 5 3 本章小结6 2 第六章结论6 4 参考文献6 6 致 射71 攻读学位期间主要成果7 2 硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 钢铁工业简介 第一章文献综述 任何国家是否发达的标志主要是其工业化的水平，即工业生产在国民经济中 所占的比重以及工业的机械化、自动化程度。而劳动生产率是衡量工业化水平极 为重要的标志之一。为达到较高的劳动生产率需要大量的机械设备。钢铁工业为 制造各种机械设备提供最基本的材料，属于基础材料工业的范畴。钢铁还可以直 接为人民的日常生活服务，如为运输业、建筑业及民用品提供基本材料。故在一 定意义上说，一个国家钢铁工业的发展状况也反映其国民经济发达的程度。 衡量钢铁工业的水平应考察其产量( 人均年占有钢的数量) 、质量、品种、经 济效益及劳动生产率等各方面。纵现当今世界各国，所有发达国家无一不是具有 相当发达的钢铁工业的。 钢铁工业的发展需要多方面的条件，如稳定可靠的原材料资源，包括铁矿石、 煤炭及某些辅助原材料如锰矿、石灰石及耐火材料等；稳定的动力资源，如电力、 水等。此外，由于钢铁企业生产规模大，每天原材料及产品的吞吐量大，需要庞 大的运输设施为其服务。一般要有铁路或水运干线经过钢铁厂。对于大型钢铁企 业来说，还必须有重型机械的制造为其服务。此外，建设钢铁企业需要的投资大， 建设周期长，而回收效益慢。故雄厚的资金是发展钢铁企业的重要前提。 钢铁之所以成为各种机械设备及建筑、民用等各部门的基本材料，是因为它 具备以下优越性能，并且价格低廉： ( 1 ) 有较高的强度及韧性； ( 2 ) 容易用铸、锻、切削及焊接等多种方式进行加工，以得到任何结构的 工部件； ( 3 ) 所需资源( 铁矿、煤炭等) 贮量丰富，可供人类长期大量采用，成本低 廉； ( 4 ) 人类自进入铁器时代以来，积累了数千年生产和加工钢铁材料的丰富 经验，已具有成熟的生产技术。自古至今，与其他工业相比，钢铁工业生产规模 大、效率高、质量好和成本低，具有无可争辩的竞争优势【l 】。 到目前为止还看不出，有任何其他材料在可预见的将来，能代替钢铁现行的 地位。近年来，随着我国经济的快速稳定增长，钢铁工业得到了前所未有的发展， 2 0 0 9 年我国粗钢产量已突破5 6 亿吨。过去l o 多年，我国钢铁工业发展举世瞩目， 不仅产量稳居世界第一位置，而且数量上领先世界其他主要钢铁生产国的幅度越 来越大，优势越来越明显。目前我国粗钢产量超过同本、美国、俄罗斯、韩国、 硕士学位论文第一章文献综述 印度、巴西和德国产量之和【2 1 。 自1 9 9 6 年以来，我国一直是世界第一大钢铁生产国。中国粗钢产量从1 9 9 7 年的1 0 8 9 1 万吨快速增长至1 j 2 0 0 9 年的5 6 0 0 0 万吨，十几年间，粗钢净产量增加了 4 5 1 0 9 万吨，即粗钢产量在1 9 9 7 年基础上增长了4 1 4 倍，平均年增长速度达到3 1 9 ，这在战后各国经济发展史上是前所未有的。 1 2 钢铁生产流程 1 2 1 国内外钢铁生产流程的发展 世界钢铁生产工艺流程经过长期的发展和选择，淘汰了空气转炉、平炉炼钢 方法，只剩下两种主要流程：以高炉氧气转炉炼钢工艺为中心的钢铁联合企业 生产流程，即长流程；以废钢一电炉炼钢为中心的“小钢厂”的钢铁生产流程， 即短流程。长流程是将铁矿石在高炉中炼成铁水，然后在转炉中炼成钢水铸成坯。 短流程的主要技术进步是可省去高炉炼铁工序，用废钢( 或d 融) 作为原料，在 电炉中炼成钢水铸成坯。这样可取消钢铁生产中投资巨大的部分，即炼铁高炉， 也可省去供给铁矿石、煤和焦炭。同时降低能耗，避免了由于炼焦、烧结、炼铁 等工序造成的污染，降低生产成本，可建在钢材用户区域内，生产方式更灵活。 预计在本世纪中叶，视社会资源结构、环境承受能力和技术进步的程度等，长、 短两种流程会互相渗透、并存发展且短流程比长流程发展的要快，直至两者在一 个最佳点上达到平衡1 3 j 。 由于氧气转炉反应速度快，热效率高，含氮量也低，还可使用近3 0 的废钢， 可使冶炼时间几乎缩短到传统平炉炼钢法所需时间的2 0 ，从而大大提高了炉子 效率，而所需的建设费用却未相应增加。因此，从2 0 世纪6 0 年代起平炉逐渐失去 其主力地位，且逐步处于被取代的地位。平炉被取代的最主要原因是：被熔化的 固体废钢热传导面积极小，一次能源的利用很低( 而此时电能利用率高) 。快速 发展的日本钢铁工业很快采用了l d 炼钢技术，到1 9 6 5 年日本钢产量的一半以上 是用l d 法生产的。日本1 9 7 6 年、西德1 9 8 2 年关闭了最后一座平炉。但美国，在 2 0 世纪5 0 年代前钢铁工业是一个价格垄断的行业，几乎没有价格竞争。因此，各 种成本上升因素比较容易被转移到价格上，从而造成钢铁业对企业合理化改造、 新技术的采用积极性不高。在氧气转炉问世之时，美国新增的炼钢生产能力仍以 建设大型平炉为主，转炉钢比较低。这一投资战略的失误进而又影响到连铸技术、 电子计算机管理的采用，加之美国强大的工会使劳动力成本连连升高，这样拉大 了同日本等主要产钢国间的差距，直到1 9 8 5 年才关闭最后一座平炉。2 0 0 1 年中国 关闭最后一座平炉一包s g l 5 0 0 t l 号平炉。这标志着我国在钢铁冶炼技术方面跨入 世界先进行列。2 0 世纪6 0 年代中期，美国人施瓦贝等人提出的电炉超高功率作 2 硕士学位论文 第一章文献综述 业，7 0 年代日本l f 钢包精炼炉的诞生，再加上和连铸技术的配合，电炉工艺装 备技术得到飞速发展。百年来电炉发展经历了传统电炉、现代电炉两个冶炼工艺 技术时期，前者用电炉来生产成品钢，后者必须电炉与炉外精炼相结合才能生产 出成品钢液。电炉只是一个高效熔化器和氧化精炼器，还原期任务在炉外精炼过 程中完成。在2 0 世纪末叶，由于电炉强化冶炼、炉外精炼技术的发展和成熟，使 电炉冶炼周期缩短，使之与连铸匹配成为可能，使冶炼短流程与长流程竞争、并 存以及部分取代成为事实。短流程的兴起除与钢铁生产工艺装备技术进步、电力 资源的充裕等有关外，更与美国的钢铁工业发展战略密不可分。1 9 6 0 年前后，在 平炉被淘汰的过程中，出现了将电炉( 当时用于生产少量特殊钢) 与连铸等新技 术结合起来的简单高效小钢厂，即短流程钢厂。1 9 7 3 、1 9 7 4 年美国钢材交货能力 1 0 8 亿t ，低于表观消费总量1 1 9 6 亿t 。鉴于这种局面，n 8 0 年代中期，美国钢铁 工业对其结构进行现代化改造和调整优化，决定把大量的投资投向新建的电炉小 钢厂，使其生产能力得到迅速增加。同时把对能耗高、原材料消耗高、操作环节 多、污染环境、劳动密集型生产工序的投资进行削弱，甚至把初级冶金产品和炼 钢的原料放到国外。 1 2 2 长流程与短流程的比较 ( 1 ) 生产成本比较【j 电炉短流程免去了焦化和烧结两个工序，因此，单位生产能力投资少，电炉 流程生产成本低。废钢由于已经实现了氧化物向金属的转化过程，因此它实际上 已经是一种化学能( 铁矿石还原所需要的化学能) 的载能体。在电炉冶炼过程中， 对废钢的处理主要是完成熔化过程所需的物理热增值，因此其过程能耗在理论上 要比由铁矿石开头的高炉一转炉流程低得多。假定从钢水铸造以后的工序能耗相 同，废钢一电炉法的一次性能量总耗只有高炉一转炉流程总能耗的一半。 高炉一转炉流程系统庞大，环节多，无论是原料准备阶段还是冶炼过程操作 均需消耗大量的能源。近年来，尽管针对高炉一转炉流程的高能耗问题，在烧结、 炼焦、高炉操作和转炉冶炼等各方面采取了一系列节能措施，并开发出多种能源 回收技术，如干熄焦、高炉炉顶煤气回收发电，特别是转炉煤气回收o g 系统已 使转炉工序回收的能量达到或超过了整个转炉工序的能耗，甚至实现了“负能炼 钢”，但从矿石、焦煤开始的长流程其能耗仍远高于电炉流程。电炉生产环节少， 流程短，原料处理过程比长流程简单得多，随着电炉技术的进步和冶炼过程时间 的缩短，其能耗还会进一步下降。 ( 2 ) 钢种质量比较 转炉与电炉冶炼钢种几乎相同( 除含有难熔合金外) ，电炉钢比转炉钢残余元 素多。由于早期特殊钢大都采用电弧炉冶炼，习惯上形成了特殊钢厂就是电炉钢 硕士学位论文第一章文献综述 厂，特殊钢一定要用电炉冶炼，而电炉一定要生产特殊钢才够水平，才可以有好 的经济效益。这主要是由于早期电炉炼钢的特点和特殊钢本身产品特点决定的： 电炉用废钢中有可利用合金元素；电炉炼钢是靠电弧进行加热的，钢水温度 可长时间地精确控制，这样在合金化成分及浇注操作等多方面比转炉有优越性； 炼钢周期长、生产效率低、电价昂贵、成本高、炉容小；恰好特殊钢产品有 合金含量高，多品种，小批量，附加值高等特点。因此早期用电弧炉炼特殊钢， 达到了扬长避短的目的，同时人们也一直认为转炉就主要是用来炼普通钢；但是， 转炉利用纯铁水冶炼特殊钢更纯净，废钢中的残余元素虽难以去除，炉外精炼技 术的进步使转炉冶炼特殊钢的能力增强。 ( 3 ) 环境成本比较 转炉流程的炼焦、烧结、炼铁工序会严重的污染环境，而电炉流程部分改善 了环境污染问题。 1 2 3 短流程工艺存在的问题 电炉炼钢所用铁源主要包括废钢铁以及生铁、直接还原铁( d ，h b i ) 碳化铁 等废钢代用品，近年来，电炉热装铁水( 3 0 - 5 0 ) 也实现了工业化生产。废钢是短 流程炼钢的主要原料，充分和稳定的废钢供应是发展短流程的前提，否则电炉炼 钢便成了“无米之炊 。 世界废钢铁供求关系有2 个特点，一是总量基本平衡，但优质废钢资源短缺， 而低质或劣质废钢的比例不断加大；二是地区之间的不平衡，使国际废钢市场活 跃，且价格有很大的波动。作为一般的规律，当一个国家或地区的钢铁生产持续 大幅度增长时，废钢供应短缺；而当产量饱和或下降时，废钢出现剩余。美国钢 铁储备总量大、回收率高，在2 0 世纪7 0 、8 0 年代钢产量幅度下降后，一直是世界 最大废钢出口国。但在9 0 年代大力发展电炉炼钢以来，美国本身的废钢需求量明 显上升，废钢指数逐步下降。从长远看，美国的废钢将会偏重于本国需求，出口 量逐渐减少。 国内废钢资源由钢厂自产废钢、采购废钢( 折旧废钢+ 加工废钢) 和进口废钢 组成。自产废钢是钢厂内部产生的废钢。加工废钢是制造加工业在对钢铁产品进 行机械加工时产生的废钢。折旧废钢是各种钢铁制品( 如机器设备、汽车、飞机、 船舶等耐用品及民用物品等) 使用一定年限后( 一般在1 0 年以上) 报废形成的废 钢。中国废钢资源具有钢铁积蓄量较低、钢铁企业自产废钢量减少、社会采购废 钢量在增加、对国外废钢资源依靠程度增加的特剧6 1 。我国废钢短缺的局面还将 持续相当长的时期，这是因为：在钢产量续高速增长的情况下，废钢资源必然 出现短缺；废钢的社会积蓄量仍不足，据统计自上世纪以来我国废钢的总积蓄 量约为2 1 亿t ，仅为日本的2 3 左右，不到美国的l 3 ；所积蓄的废钢中以长材为 4 硕_ 上学位论文 第一章文献综述 主，而其中大多数是回收周期很长的建筑材。 国内外多年实践证明，直接还原铁可作为优质废钢的替代品，当废钢中有害 元素超限时，也可用作稀释剂，提高钢的质量，还可专门用来冶炼优质高级钢种。 天然气资源丰富的国家，气基竖炉工艺得到较好的发展，直接还原铁已成为电炉 冶炼及冶炼优质钢的重要原料。直接还原法则是以气体燃料、液体燃料或非焦煤 为能源，在铁矿石( 或含铁团块) 软化温度以下进行还原得到金属铁的方法。其 产品呈多孔低密度海绵状结构，被称为直接还原铁或海绵铁。 使用d r i 对电炉操作规程的影响： ( 1 ) 稀释废钢中的有害残余元素( c u ，n i ，c r , a s ，m o 等) 。 ( 2 ) d r i 中的碳和未补充分还原的f e o 连续加入熔池内，会促进炉内碳氧反 应，有利于造泡沫渣，有利于炉内沸腾，有利于去除困 n 、【h 】等有害气体，并 有利于脱磷。 ( 3 ) 含硫低有利于电炉冶炼低硫钢种。 中国钢铁工业的强势发展及废钢资源的短缺，给直接还原铁的发展带来了新 的机遇，大力发展直接还原铁是促进我国短流程炼铁工艺发展的必经之路。 1 3 直接还原工艺 1 3 1 世界直接还原铁的发展 直接还原炼铁近年在世界上得到了迅速发展，其主要原因除了世界高炉座数 减少而钢产量不断增加，造成铁水供应短缺外，直接还原技术的发展和电炉炼钢 迅速增加，造成废钢不足也是重要的原因之一。 1 9 7 0 年至2 0 0 3 年世界直接还原铁产量如图1 1 【。由图1 1 可以看出世界直接 还原铁的产量是逐年增加的。 2 0 0 6 年全球直接还原铁产量为5 9 8 0 万t ，同比增长7 。2 0 0 7 年世界直接还原 铁产量达6 7 2 2 万t 占总铁产量的7 4 。受全球钢铁工业强劲发展的支撑，中东、印 度、俄罗斯等一批新建直接还原铁厂陆续投产。分别为：俄罗斯l e b e d i n s k yi i 设备， 年产能1 4 0 万t ；卡塔尔钢公司一套年产r l 匕1 5 0 万t 的m i d r e x 设备：埃及苏伊士钢 铁公司一台年产能1 9 5 万t 的h y 卜i i i 工艺设备；印度金达尔公司年产能1 7 0 万t 的 h y l _ 一i i i 工艺及鲁奇煤制气j p s l 设备；a b ud h a b ig h c 2 公司两座采用年产能 1 6 0 万t 的h y l 广一1 1 i 工艺设备。印度已连续5 年保持世界第一直接还原铁生产国地 位，产量为1 9 0 6 万t 占世界总产量的1 4 ：委内瑞拉第二，产量为7 7 1 万t 产量连续 两年下降；伊朗位居第三，产量为7 4 4 ) j t 。按直接还原铁生产工艺，m i d r e x 工 艺的产量为3 9 7 2 万t 占世界总产量的5 9 1 ；煤基s l r n 工艺第二，产量占世界产 量的2 2 2 ；其次为h y l s a 工艺，产量为1 1 3 0 万t 占世界产量的1 6 8 i 引。 5 硕士学位论文第一章文献综述 9 柏 一n 一 暑 一n 誉 i 五 | l 鑫 一l l l “ 1 9 11 9 话1 9 7 91 9 8 3l 蚰7 l 蚰il ；醅l j 舀2 j 醅 图1 - 11 9 7 0 年至2 0 0 3 年世界直接还原铁产量 f i g 1 - 1t h e w o r l d p r o d u c t i o no f o f d i r e c tr e d u c t i o ni r o nf r o m1 9 7 0t o2 0 0 3 1 3 2 直接还原工艺 直接还原设备主要有竖炉、流化床、回转窑、隧道窑、转底炉( 环形炉) m 们。 回转窑和隧道窑我国用的最多。还原用的还原剂目前使用最广泛的是天然气( 使 用天然气需要经高温重整改变其化学组成) 、其次是使用原煤。目前气基还原占 9 1 6 ，煤基仅占8 4 。还原原料主要为块矿或球团，以及粉矿。采用何种矿石 主要取决于还原设备。竖窑、回转窑必须用块矿或球团，而流化床等则使用粉矿。 表1 1 、1 2 为铁矿石直接还原工艺根据还原剂不同的分类。 表1 1 铁矿石直接还原工艺【1 t a b l e1 - lt h ep r o c e s so fi r o no r ed i r e c tr e d u c t i o n 还原剂气基煤基 m i d r e x 同转窑 s l r n 竖炉a r e x流化床c i r c o f e r h y lh i转底炉i n m e t e o 罐式炉hyli转底炉f a s t m e r f i o r转底炉s i d c o m e t 流化床 蒜多茎霪蒸炉暑裟 c i r c o r e d 6 硕士学位论文第章文献综述 由于我国天然气资源缺乏，气基直接还原在我国的应用受到限制，下面介绍 几种煤基直接还原工艺： 煤基直接还原主要有回转窑法和竖炉法，其工艺特点主要有： 利于节能和降低对生态环境污染； 不需要炼焦炉和烧结设备，工艺流程简单，故可降低初期投资；其运行成 本也低； 可以利用种类宽泛的原料与煤炭，选址限制少； 煤基直接还原的产品具有高炉生铁同等的品质f 1 2 】，是电炉冶炼优特钢不可 或缺的优质炉料。 煤基竖炉直接还原法虽然简单、生产费用低，但是生产能力小，反应管昂贵。 回转窑直接还原反应器的利用率较低，需要磁选分离，还因表面积对体积比例和 热耗较高，难于大型化。随着技术的进步，发展了b l 法、f a s t m e t 法、s l r n 法、 c o r e x 法和c i r c o f e r 法、d r c 法、t d r 法、a c c a r 法、d a v 法等成熟工艺【1 3 1 。 ( 1 ) 流化床工艺 c i r c o f e r 工艺是鲁奇公司开发的一种用煤作还原剂的高温流化床工艺，它将 煤粉在专门的燃烧炉内气化产生还原气。该工艺循环煤气需要预热，且需要氧气 助燃，目前仅完成了小型试验，尚未达到工业应用阶段，但由于此法的一次燃料 用煤粉，因此格外引人瞩目。 ( 2 ) 转底炉( 环形炉) 工艺 转底炉工艺是将煤粉、矿粉、粘结剂一起成球，干燥后送入转底反射炉中， 被火焰迅速加热到1 2 5 0 1 3 5 0 ，反应2 0 - - 一3 0 m i n ，由于采用粉矿，因而受到普 遍重视。 印第安纳州巴特勒城的动力公司投资8 5 0 0 万美元，年产6 0 万t 规模的工厂已 7 还按要求的比例加入石灰。保温箱装满后加盖密封，运至熔炼车间热装入炉。 ( 3 ) 回转窑工艺 典型的回转窑工艺是鲁奇公司的s l r n ，我国也一直在研究。原料为块矿 或球团，燃料用煤或焦炭。炉料在炉内停留8 1 0 h ，主要问题是容易结圈。 我国天津无缝钢管公司0 5m x 8 0 m d r c 回转窑已投产，总规模达3 0 万讹；吉 林桦甸老金厂矿业公司建设的0 2 9 m x