（钢铁冶金专业论文）反应罐直接还原铁过程的实验研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 论文题目 医廛堡真蘧堑堕迭过猩堕塞墅墅 作者卜 删 指导教师 协助指导教师 姜银举教授 单位 单位 单位 论文提交日期 2 0 10 年0 5 月0 1 日 学位授予单位 内蒙古科技大学 内蒙古科技大学 一 音 产 i 黛 i 反应罐直接还原铁过程的实验研究 i n v e s t i g a t i o no nd i r e c tr e d u c i n gi r o np r o c e s s i nar e a c t i o n c y l i n d e r 研究生姓名 张锋 指导教师姓名 姜银举 内蒙古科技大学材料与冶金学院 包头0 1 4 0 1 0 中国 c a n d i d a t e z h a n gf e n g s u p e r v i s o r j i a n gy i n j u s c h o o lo fm a t e r i a la n dm e t a l l u r g y i n n e rm o n g o l i a u n i v e r s i t yo fs c i e n c e a n dt e c h n o l o g y b a o t o u0 1 4 0 1 0 p 1 l c h i n a 独创性说明 本人郑重声明 所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果 尽我所知 除了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的研究成果 也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料 与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并 表示了谢意 关于论文使用授权的说明 劲 o d 6 2 冲 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可 以公布论文的全部或部分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保 存论文 保密的论文在解密后应遵循此规定 签名 埠导师签名 j 峰日期 少 石 以 夕 内蒙古科技大学硕七学位论文 摘要 本课题针对隧道窑反应罐法生产海绵铁工艺 进行了反应罐法生产海绵铁的还 原过程的动力学分析研究和提高海绵铁生产效率的措施研究 及其在还原过程中对 海绵铁进行脱硫的实验研究和对磷的还原行为的研究 研究表结果明 海绵铁还原过程的速率限制环节为碳的气化反应 在实验室反 应罐直接还原铁过程动力学定性分析的基础上 并确定建立了动力学模型一半焦消 失核模型 推导了动力学速度方程 以实验数据验证了动力学模型的适用性 在反应罐直接还原铁过程中 提高生产效率的措施 铁精矿粉压型 减小还原 剂半焦粉粒度等 考察了温度 脱硫剂种类 石灰 c a c 0 3 和白云石 和脱硫剂加入量等因素对 海绵铁脱硫率的影响 研究得出 脱硫率随温度升高及脱硫剂加入量增大而增高 石灰的脱硫率优于c a c 0 3 和白云石 研究了温度 铁精矿粉中c a o 配加量等因素对直接还原过程磷还原行为的影 响 研究得出 在反应罐直接还原铁过程的基础工艺条件下 铁精矿粉中的磷全部 还原 磷灰石还原产物磷与铁结合为f e 3 p 使磷的活度系数大大降低 使得还原反 应能够向右进行的比较充分 2 c a 3 p 0 4 h 3 s 1 0 2 1 0 c 1 2 f e 3 2 c a o s i 0 2 1 0 c o 4 f e 3 p 本论文的研究工作 为隧道窑反应罐直接还原过程的实际生产提供了基础信息 和理论依据 具有重要的应用前景 关键词 直接还原铁 动力学 脱硫 脱磷 内蒙古科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nt h ep r o d u c t i o np r o c e s so fs p o n g ei r o ni nt u n n e lk i l ni nr e a c t i o np o t r e d u c t i o n k i n e t i c s p r o d u c t i o ne f f i c i e n c yi m p r o v e m e n to fs p o n g ei r o na n dd e s u l f u r i z a t i o n a n d d e p h o s p h o r i z a t i o nb e h a v i o ri nr e d u c t i o np r o c e s sw e r es d u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tr a t e c o n t r o l l i n gs t e p i n d i r e c tr e d u c i n gp r o c e s si sc a r b o n g a s i f i c a t i o nr e a c t i o n b a s e do nl a b o r a t o r ys t u d yi nd i r e c tr e d u c i n gk i n e t i c s ak i n e t i c sm o d e l o f c h a r d i s a p p e a r i n gc o r ew a s s e tu p v e l o c i t ye q u a t i o nw a sd e d u c e d a n dt h ek i n e t i c sm o d e l w a sv e r i f i e db ye x p e r i m e n td a t a i nd i r i n d u c i n gp r o c e s si nr e a c t i o np o t p r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo fs p o n g ei r o nc o u l d b e i m p r o v e db yp r e s s i n gi r o nc o n c e n t r a t ep o w d e ra n dd e c r e a s i n gp a r t i c l es i z eo f c h a rr e d u c t a n t p o w d e r e f f e c t so ft e m p e r a t u r e t i m e d e s u l 妇t y p e 1 i m e c a l c i u mc a r b o n a t ea n dd o l o m i t e a n dd o s a g eo n d e s u l f u r i z i n gr a t ew e r ei n v e s t i g a t e d i ti sc o n c l u d e dt h a ti nt h es a m er e a c t i n g t i m e d e s u l f u r i z i n ge f f i c i e n c yi n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n go ft e m p e r a t u r ea n dd o s a g eo f d e s u l f u r i z e r l i m eh a dt h eb e t t e rd e s u l f u r i z a f i o ne f f e c tt h a nt h eo t h e rt w o e f f e c t so fr e d u c i n gt e m p e r a t u r ea n dl i m ep r o p o r t i o ni ni r o nc o n c e n t r a t ep o w d e ro n d e p h o s p h o r i z i n gb e h a v i o ri nd i r e c tr e d u c i n gp r o c e s sw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e d t h a tu n d e rt h eb a s i cc o n d i t i o n so fd i r e c tr e d u c i n gp r o c e s si nr e a c t o r t h ep h o s p h o r o u si nr a w m a t e r i a lw a sr e d u c e dc o m p l e t e l l y t h ea c t i v i t yc o e f f i c i e n to fp h o s p h o r o u sg r e a t l yd e c r e a s e d d u et ot h er e a c t i o no fp h o s p h o r o u s r e d u c i n gp r o d u c t so fp h o s p h o r i t e w i t hf e r r o u sa n d f o m a i n gf e a p w h i c hm a d et h er e d u c i n gr e a c t i o ng of u l l yt o w a r d s t h er i g h td i r e c t l y 2 c a 3 p 0 4 2 q 3 s i 0 2 1 0 c 1 2 f e 3 2 c a o s i 0 2 1 0 c o 4 f e 3 p t h er e s e a r c hw o r kp r o v i d e sb a s i ci n f o r m a t i o na n dt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rp r a c t i c a l a p p l i c a t i o ni nd i r e c tr e d u c i n gp r o c e s so f t u n n e lk i l n w h i c hs h o w saa p p l i e dp e r s p e c t i v ei n f a b r i c a t i o no fs p o n g ei r o n k e y w o r d s d i r e c t r e d u c i n g i r o n r e a c t o r k i n e t i c s d e s u l f u r i z a t i o n d e p h o s p h o r i z a t i o n 内蒙古科技大学硕士学位论文 目录 摘要 i a b s t r a c t i i 弓i言 1 1 文献综述 3 1 1 直接还原铁概述 3 1 1 1 世界直接还原铁的发展及现状 3 1 1 2 我国直接还原铁的发展及现状 5 1 2 直接还原铁的工艺方法 7 1 2 1 气基直接还原铁的方法 8 1 2 2 煤基直接还原铁的方法 9 1 2 3 直接还原铁工艺技术发展前景 1 1 1 3 直接还原铁过程的相关研究工作 1 2 1 3 1 煤基直接还原铁工艺条件试验研究 1 2 1 3 2 煤基直接还原铁过程节能降耗的研究 1 4 1 3 3 直接还原过程中杂质硫 磷走向的研究 1 4 1 3 4 直接还原铁基础的动力学研究 1 7 1 4 课题提出的目的和研究的意义 18 2 实验研究 2 0 2 1 实验原料 设备及方法 2 0 2 1 1 实验原料 2 0 2 1 2 实验设备 2 0 2 1 3 基础实验方法 2 1 2 2 工艺条件实验 2 3 2 2 1 实验方法 2 3 2 2 2 实验结果及讨论 2 3 2 2 3 小结 2 6 2 3 反应罐直接还原铁过程的动力学分析 2 7 2 3 1 反应罐直接还原铁过程的反应控速环节的确定 2 7 2 3 2 反应罐直接还原铁过程的动力学模型 2 9 2 3 3 小结 3 4 2 4 铁精矿粉装入密度对反应罐直接还原铁过程的影响 3 5 2 4 1 实验方法 3 5 2 4 2 试验结果及讨论 3 5 2 4 3 小结 3 8 2 5 还原剂半焦粉粒度对反应罐直接还原铁过程的影响 3 9 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 5 1 实验方法 3 9 2 5 2 实验结果及讨论 3 9 2 5 3 小结 4 1 2 6 反应罐直接还原铁过程脱硫的研究 4 2 2 6 1 实验方法 4 2 2 6 2 实验结果及讨论 4 2 2 6 3 卅 结 4 7 2 7 反应罐直接还原铁过程磷还原行为的研究 4 8 2 7 1 实验方法 4 8 2 7 2 实验结果及讨论 4 8 2 7 3 小结 一5 0 1 2 论 51 参考文献 5 2 在学研究成果 5 6 致谢 5 7 内蒙古科技大学硕士学位论文 引言 铁矿石固态还原早在5 0 0 多年前就已问世 后来被高炉炼铁和其它工艺所取 代 1 8 0 0 1 9 6 0 年先后共提出过8 0 余种固态还原工艺 但只有几种长期用于工业 生产 近代以废钢为主要原料的电炉炼钢一连铸工艺的迅速发展 导致废钢日益紧 缺 使得停滞多年的直接还原工艺又重新受到关注 特别是2 0 世纪6 0 年代以来 直接还原生产能力迅速增长 直接还原生产的海绵铁 d r i 己成为废钢的最佳替代 产品 在直接还原法中 虽然气基生产方式占有较大比例 但在天然气资源有限 煤资源丰富的国家和地区 以煤作为还原剂发展还原铁技术已成为近期及将来发展 的趋势 目前 钢铁工业仍然是能耗高 c 0 2 排放量大 污染较严重的劳动力密集型产 业 据统计采用高炉一转炉工艺生产1 吨钢排放2 5 tc 0 2 而采用电炉工艺生产1 吨钢只排放0 5 tc 0 2 特别是在自然界焦煤资源日益匾乏 现代环境保护法规日趋 严格的形势下 传统的焦炉一烧结一高炉一转炉钢铁生产流程与未来人类生存环境 之间不协调的矛盾日益突出 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 电炉一连铸 短流程与传统的 高 炉一转炉一连铸 长流程相比 具有投资省 能耗低 运输量小 劳动生产率高及 有利于生产环境保护等特点 为世界钢铁界所重视 直接还原法是非高炉炼铁的主 要方法之一 它在上世纪五十年代曾与氧气转炉炼钢 连续铸钢 共称为冶金技术 上的三项革命 高炉是炼铁生产的主体 经过长时期的发展 它的技术已经非常成熟 但它也 存在固有的不足 即对冶金焦的强烈依赖 尤其对那些缺乏焦炭资源的地区影响格 外突出 随着焦煤资源的日渐贫乏 冶金焦的价格越来越高 与此相反 蕴藏丰富 的廉价非焦煤资源在炼铁生产中得不到充分的利用 为了降低成本 人们一直在孜 孜不倦地寻求以其他燃料代替冶金焦的途径 其中有喷吹煤粉 重油 天然气等都 是比较有效的措施 但这些的效果毕竟是有限度的 不可能从根本上解决问题 使 炼铁生产彻底摆脱对冶金焦的依赖是发展非高炉炼铁技术的根本动力 历史上曾经 出现过为数众多的非高炉炼铁流程 这些流程大多数未能实现工业化 在那些实现 工业化的流程中也有很多未能经受住实践的检验 在激烈的竞争中逐渐衰落甚至消 失 例如电高炉 电矮身竖炉和粒铁法等 至今已形成了以直接还原和熔融还原为 主体的现代非高炉炼铁工业体系 直接还原在传统流程中找不到相应的环节 它的产品是在渣金熔点下还原得到 的固态金属铁 其中夹杂着矿石中的脉石成分 称为直接还原铁 d r i 由于直 内蒙古科技大学硕士学位论文 接还原铁未经过熔炼 在脱氧过程中形成多微孔的结构 状似海绵 因此又称为海 绵铁 为了防止二次氧化常将其在成型机上压缩 制成高密度热压块 h o tb r i q u e t t e i r o n 简称h b i d r i 成分稳定 有害元素含量低 粒度均匀 可很好地补充废钢 资源的不足 且作为电炉炼钢的原料和转炉炼钢的冷却剂 对保证钢材的质量 特 别是合金钢的质量 起着不可替代的作用 是炼钢的优质原料 很多废钢不能生产 的特种钢都能用海绵铁生产出来 直接还原虽然不使用冶金焦 但它的产品是固态海绵铁 不能完全取代铁水进 行转炉冶炼 因此直接还原铁不能代替高炉生产 但可以作为转炉冷却剂 直接还 原的主要优点是能源多样化 这一点对缺乏焦煤资源的地区具有强烈的吸引力 本课题针对隧道窑生产海绵铁工艺 建立了实验室反应罐模型 开展了反应罐 法生产海绵铁的还原过程的动力学研究和提高生产海绵铁效率的措施研究 进行了 还原过程中对海绵铁脱硫的研究和磷还原行为的研究 该项研究工作为实际生产应 用提供基础信息和理论依据 了回转窑粒铁法 k r u p p r e n n 法 瑞典于1 9 3 2 年开发的w b i e r g 法是第一个实 现工业化的竖炉直接还原流程 其还原气是通过焦炭气化的方法制取的 1 9 5 7 年墨 西哥希尔萨公司在蒙特利尔投产了第一座年产9 5 0 万t 的h y l 法气基直接还原装 置 这是现代直接还原法工业化的开端 2 1 m i d r e x 法的开发成功是气基直接还原 技术的重大进步 它采用合理的连续式竖炉作业方式 h y l 法非连续的罐式操作 m i d r e x 法后来居上 1 9 7 3 年产量已超过h y l 法 成为最大的直接还原流程1 3 4 1 同时气基直接还原法成为非高炉炼铁技术中的一项重要方法 煤基直接还原的比例 仍然很低 直接还原铁至今总共提出过上百种工艺 按照还原炉类型来分类大致有四种 5 6 1 流化床法 坚炉法 回转窑法和转底炉法 按照所用还原剂来分类则有气基和 煤基两种工艺 气基直接还原工艺主要有m i d r e x 工艺 h y 卜 i 工艺 f i n m e t 工 艺 煤基直接还原工艺主要有s i r n 工艺 k r u p p 工艺 d r c 工艺 f a s t m e t 工艺 和i t m k 3 工艺 都已进入或正在进入技术成熟 稳步发展的阶段 2 0 0 3 2 0 0 4 年不 同方法生产直接还原铁的比例见表1 1 表1 1 不同方法生产直接还原铁的比例 内蒙吉科技大学硕士学位论文 2 0 0 4 年m i d r e x 直接还原法生产的直接还原铁产量占世界直接还原铁总产量 的6 4 1 h y l i i i 工艺生产的直接还原铁占1 8 9 其它气基工艺和煤基直接还原 法约占1 7 由气基法生产的直接还原铁产量占世界直接还原铁总产量的8 7 9 而煤基法生产的直接还原铁产量占1 2 1 1 2 7 8 m i d r e x 法和h y l i i i 法都是气基直 接还原法 而且都是采用竖炉流程 因此气基直接还原在目前直接还原铁生产中占 据主要地位 而竖炉流程又是气基直接还原的主力 2 0 0 4 年世界直接还原分工艺生 产能力利用情况见图1 1 图1 12 0 0 4 年世界直接还原分工艺生产能力利用 直接还原铁是电炉及其它炼钢工艺的优质原料 在经历了数十年的发展后 到 上世纪后期 直接还原工艺技术开始呈现出强劲的发展势头 上世纪8 0 年代中期 全球直接还原铁产量为1 0 0 0 万t 上世纪9 0 年初期为2 0 0 0 万t 1 9 9 5 年达到3 0 0 0 万t 而时隔仅仅5 年后的2 0 0 0 年则突破4 0 0 0 万t 达到了4 3 7 8 万t 2 0 0 3 年达 到了4 9 4 5 万t 参见图1 2 2 0 0 5 年达到了6 0 0 0 万t 2 0 1 0 年有望达到7 5 0 0 万 t 7 o 图1 2 世界直接还原铁产量增长态势图 内蒙古科技大学硕士学位论文 直接还原工艺技术发展到现在 无论从产量还是产能看 气体直接还原工艺均 占主导地位 约9 0 煤基直接还原工艺占1 0 左右 形成以m i d r e x 工艺和 h y l i i i i 艺为主流的势态 9 1 0 1 美洲及中东地区因天然气资源丰富 世界主要气基 直接还原铁生产厂家多集中在这里 世界煤基直接还原铁生产厂多分布在缺少天然 气和焦煤资源的印度 南非和新西兰等国家 印度 委内瑞拉 墨西哥和伊朗四国 的直接还原铁产量遥遥领先 是直接还原铁生产领域里的四大天王 参见图 1 3 7 1 1 值得一提的是印度 其直接还原铁的产量增加得十分迅速 2 0 0 4 年其产量 已经跃居世界第一位 这是印度根据本国铁矿资源比较丰富 焦炭资源短缺的现 状 加强了直接还原铁生产带来的结果 发展中国家是世界直接还原铁的主要生产 国 究其原因是这些发展中国家缺少高质量的废钢资源和炼焦用煤 但同时却拥有 高品位的铁矿石 廉价天然气和丰富的非焦煤 这些国家在资源方面的优势加上靠 近消费市场的地理优势 降低了生产直接还原铁的成本 生产直接还原铁给他们带 来了良好的经济效益p j 1 8 t 6 1 4 术1 2 蠢1 6 4 2 o 图1 32 0 0 5 年世界直接还原铁产量按国家分布图 同时 近年来有很多发达国家采用短流程工艺生产钢材和生产高附加值的纯净 钢产品 也增加了市场对直接还原铁产品的需求 1 1 2 我国直接还原铁的发展及现状 我国的直接还原铁产量一直在不断地增长 表1 2 是1 9 9 7 一2 0 0 4 年我国直接还 原铁产量情况 据不完全统计 由1 9 9 7 年的7 万t 增长到2 0 0 4 年的4 3 万t 产量 增长近六倍多 应该说增长的速度是很快的 喜人的 但是与2 0 0 4 年世界直接还原 铁的总产量5 4 6 0 万t 相比 中国直接还原铁的产量还是很低的 1 2 1 从表1 2 可知 内蒙古科技大学硕士学位论文 全国生产量很低 不能满足国内的生产需求 因此我国直接还原铁的生产还有较大 的潜力 表1 2 我国直接还原铁产量 万0 自上世纪5 0 年代开始 中国对直接还原工艺技术进行了大量研究 但主要集中 在回转窑煤基直接还原工艺上1 3 j 1 9 8 9 年 原冶金部组织东北工学院 钢铁研究总院 鞍山矿山院等5 个单位在 福州特殊钢厂由2 9 m x 4 0 m 回转窑上进行了工业试验 连续运行3 0 天 取得容积利 用系数0 4 1 3 t m 3 d 吨铁煤耗8 5 0 k g d r i 中t f e 9 2 9 5 m f e 8 2 8 5 s 9 1 的良好效果 2 0 世纪7 0 8 0 年代 在攀枝花钢铁公司4 1 0 厂由3 4 m 3 0 m 链篦机一回转窑 1 万t a 上进行过多年的钒钛磁铁矿直接还原新流程试验 但最终未能转入工业生 产 1 9 9 0 年曾采用过普通铁矿生产d r i 但也未能继续生产下去 首钢1 9 8 6 1 9 8 7 年建成巾4 7 m x 7 4 m 回转窑 1 9 8 8 年曾连续生产三个月 容 积利用系数达到0 3 0t m 3 d 金属化率 9 0 2 0 0 0 年 这条直接还原铁生产线 通过截窑改造 变成国内首条年产1 2 0 万t 氧化球团生产线 7 j 中南工业大学8 0 年代末研究开发出复合粘结剂冷固球团 一步法 煤基直接还 原工艺 7 1 1 9 9 1 年6 月 一1 9 9 3 年2 月间 中南工业大学 长沙冶金设计研究院 辽 宁喀左县三方合作 在攀钢4 1 0 厂巾3 4 m 3 0 m 链篦一回转窑上进行9 0 0 c 预热球 团直接入窑的 一步法 煤基直接还原工业试验 并于1 9 9 4 年1 1 月在喀左县建成 投产一座年产能力为2 5 万t 采用一步法链篦一回转窑的直接还原铁厂 产品t f e 9 0 金属化率 9 4 s 8 5 的富氢混合气 经去除c 0 2 并预热 后可作为m i d r e x 和h y l i i i 等装置的还原剂 中国宝钢集团公司和鲁南化学工业 集团 公司联合开发的工艺与此类似 即用 德士古煤气化炉生产压力为0 1 5 0 4 m p a 的合成气 经过净化并加热到8 5 0 c 后在 竖炉中将球团矿或块矿还原成海绵铁 利用c o r e x 装置产生的煤气作为m i d r e x 竖炉的还原气 南非s a l d a n h a 钢 铁厂的c 一2 0 0 0 c o r e x 熔融还原装置 其副产煤气经v p s 煤气改质装置后用作 m i d r e x 竖炉的还原气 可年产直接还原铁8 0 6 万t 于1 9 9 9 年成功地投入生产 2 开发新的煤基直接还原新工艺瞄列 具有代表性和良好运用前景的有f a s t m e t 工艺和反应罐工艺 中国天然气和焦煤资源匮乏 同时缺乏高品位块矿 绝大部分贫铁矿需经细磨深选 后才能得到高品位的铁精矿 但是 非焦煤资源比较丰富 因此 采用非焦煤粉和铁矿 粉 铁精矿粉 的直接还原技术比较适合我国国情 应该密切关注f a s t m e t 反应罐等煤 基直接还原工艺技术的发展动态 3 我国直接还原的展望1 2 6 当前 世界还原铁生产主要以气基为主 但由于我国天然气资源较少 又是化工原 料 发展气基有困难 只能在油 气产区能把天然气用于直接还原铁的生产 然而 我 国煤资源丰富 因此 开发煤基直接还原技术仍是解决我国优质废钢不足的重要途径 我国缺乏高品位铁矿 因此发展直接还原应以高品位 低脉石 低残余元素和有害 元素的细精矿为主原料 所以在大型或较大型矿山建设氧化球团供应基地 是推动国内 发展直接还原的重要条件 加速产品结构调整 扩大优质钢生产 提高钢材自给和市场竞争力 必须加快短流 程的发展 也为发展直接还原工业开辟了广阔市场 我国水电资源丰富 电力工业发展必将会进一步推动直接还原电炉炼钢短流程的发 展提供大量低价能源 吸取国外成功的研究成果 大力开发煤气化技术 积极探索立足于我国非焦煤和高 品位精矿的产率高 能耗低 单机产能大的直接还原新工艺 1 3 直接还原铁过程的相关研究工作 1 3 1 煤基直接还原铁工艺条件试验研究 这方面的文献报道很多 主要研究的工艺条件因素有还原温度 还原时间 还原剂 种类 装料方式及内配添加剂等 研究这些因素对还原过程反应速度 海绵铁金属化率 及破碎性能等指标的影响规律 内蒙古科技大学硕士学位论文 尹海生等1 2 7 研究了倒焰窑 隧道窑生产海绵铁工艺中 罐中装料方式 还原剂种 类 还原温度 还原时间等因素都影响到海绵铁金属化率之间的关系 结果表明 还原 剂种类对金属化率影响的大小顺序是 木炭一无烟煤一烟煤一焦粉 矿 煤分层 水平装料方式优于垂直装料 还原温度和还原时间是明显影响反应罐直接还原过程生产 优质海绵铁的因素 1 0 0 0 到1 3 0 0 c 金属化率对温度的变化速率不是直线关系 1 2 0 0 c 以后缓慢下来 整个反应过程是由外向内进行 所以在生产中考虑到热量传递到 物料中心的时间 增加还原时f b j 能 提高金属化率 吕庆等1 2 8 1 在实验室模拟了隧道窑生产海绵铁的过程 研究了矿 煤种对海绵铁质量 的影响 最佳焙烧温度 时间的确定 铁精矿粉装入形状 海绵铁脱硫试验 得出最佳 焙烧温度为1 2 0 0 焙烧时间2 1 h 石灰与煤粉的配比在w 灰 w 煤 0 1 2 0 1 2 5 之间 可使海绵铁中硫含量小于0 0 2 铁精矿粉装入形状对海绵铁的金属化率影响由低到高 为 筒状 棒状和球状 张军红等 2 9 1 采用与生产样品直径相同的试样 模拟隧道窑生产工艺制度 通过对加 快反应罐法生产优质海绵铁还原速度的研究 得出整个还原过程呈现多核还原 控制还 原温度上限 适宜内配碳量 可大大加快还原速度 不同的装料方式也影响到反应罐法 生产海绵铁的还原速度的顺序为 平装 圆柱装 环形装 王世俊等 3 0 1 在海绵铁生产工艺的试验中 对反应罐海绵铁化学成分和破碎性能影响 程度的几个因素由主到次依次为 还原温度 还原时间 料层厚度 添加剂量 还原温 度升高及还原时间延长 海绵铁中铁含量 碳含量 还原度也随之升高 但破碎性有明 显差别 综合分析 最佳的生产工艺为 还原温度为1 l l o o 还原时间为3 6 h 料层厚 度为3 0 m m 添加剂量为1 段东平 万天骥等利用普通品位铁矿的煤基直接还原新工艺研刭3 1 j 得出 还原气 氛 还原时间对转底炉含碳球团的直接还原过程影响很大 温度越高 还原性气氛越 强 还原时间适宜的情况下 金属化率越高 徐承焱等研究了煤种对某难选铁矿石直接还原焙烧 磁选的影响1 3 2 j 在不同焙烧温 度 还原剂用量 焙烧时间 助熔剂用量 磨矿细度条件下 分别以褐煤和无烟煤为还 原剂 结果表明 不添加助熔剂时 无烟煤的直接还原效果要优于褐煤 添加助熔剂可 改善直接还原效果 而且对褐煤的改善效果更明显 在添加助熔剂的选优条件下 褐煤 和无烟煤分别可获得品位为9 0 3 2 和9 0 3 4 的直接还原铁 但采用褐煤时的回收率较 采用无烟煤时高5 3 0 达到8 0 6 6 而且褐煤比无烟煤成本低 因此褐煤更适合用于 某难选铁矿石的直接还原 内蒙古科技人学硕十学位论文 1 3 2 煤基直接还原铁过程节能降耗的研究 邬士英等探讨了我国隧道窑直接还原工艺节能途径1 3 3 1 充分发挥还原剂的供热 作用 目前国内大多数隧道窑缺少二次鼓风 直接还原反应产生的部分过剩的c o 不能 完全燃烧成c 0 2 而被烟囱抽走 余热回收利用 通过测定热平衡时发现废气带走 的热量及其它热损失占总热量的比为7 1 5 3 可见 余热回收非常重要 提供热源由 烧块煤改为烧粉煤 烧粉煤不仅可以提高煤的利用率 降低成本 而且热效高 可改善 劳动条件和作业环境 提高生产率 国内隧道窑直接还原工艺能耗高与生产率低有 密切关系 采用内配添加剂技术 可以使产量提高了o 5 1 倍 单位产品能耗大大降 低 采用导热性好的反应罐 据报道 当还原处于传热限制环节时 使用导热性好 的反应罐 g 0 如s i c 质反应罐 2 0 3 质反应罐 增产节能明显 国内隧道窑直接还原 工艺装备大多比较简陋 余热回收 节能设备不完善 控制手段少 所以 应适当增加 投资 改善装备水平 唐山奥特斯科技有限公司为了提高直接还原铁煤基隧道窑还原工艺的工业规模化程 度 达到单线产能1 0 2 0 万t 海绵铁的目的 采用大型煤气隧道窑作为主体设备 与 自动装卸设备等工艺设备组成机械化 自动化成套生产线 己经成功投产 一举改变了 传统煤基隧道窑在直接还原铁领域产能低 劳动强度大 环境污染大等落后地位 3 4 1 王尚魁等对煤基直接还原过程的燃耗进行了分析 3 5 j 通过对几种煤基直接还原法 隧道窑法 回转窑法 环形转底炉法和连续炉法 的燃耗进行了对比和分析 其中 隧道窑法燃耗最高 c o f 连续炉法的燃耗最低 燃耗差别主要来源于还原工艺条件 可 燃气体的燃烬程度 烟气的温度 热损失等项 炉内的可燃气体燃烬时可获得热量 5 5 7 一8 1 2 g j t 其可满足炉料升温和矿石还原所需要的热量 出炉烟气温度每降低1 0 0 可节能1 0 8 3 9 0 g j t 1 3 3 直接还原过程中杂质硫 磷走向的研究 钢中常见的有害杂质是s p 作为电炉炼钢优质原料的直接还原海绵铁中的含s p 量直接影响到钢的性能 为此 人们对直接还原过程中海绵铁含s p 进行了研究 游锦洲等 3 6 1 对鄂东高硫铁精矿直接还原脱硫实验研究 通过控制隧道窑直接还原工 艺中反应温度和反应时间 使得鄂东地区的高硫精矿粉可以生产出含硫量符合电炉炼钢 要求的直接还原铁 反应温度和反应时间对直接还原铁脱硫率和含硫量的影响见图1 8 和图1 9 内蒙古科技大学硕士学位论文 蓬 旃 遥 望 图1 8 实验因素对脱硫率的影响 图1 9 实验因素对含硫量的影响 朱德庆等 3 7 1 采用预热球团 一步法 直接还原新工艺 对铁品位为6 9 5 2 含硫为 0 9 1 的铁精矿研究 在配入o 2 添加剂k 2 预热温度9 5 0 c 预热时间2 5m i n 的条 件下强化球团脱硫 脱硫率为9 7 1 预热球团矿残硫含量为0 0 3 0 球团矿强度达 1 0 8 3n 个 脱硫后的预热球团矿在还原温度为1 0 5 0 2 还原时间为2 h 球煤质量比为 1 2 的条件下 在马弗炉内还原 得到直接还原铁 d r i 的质量指标为 全铁t e e 内蒙古科技大学硕士学位论文 9 2 2 4 金属化率n f e 9 5 3 2 s 0 0 1 4 p 0 0 0 4 该d r i 可作为电炉冶炼 优质钢和特殊钢的理想原料 该工艺扩大了直接还原工艺对原料的适应性 有利于直接 还原工艺的推广应用 有广阔的应用前景 吕庆等1 3 8 j 在实验室模拟了煤基竖炉直接还原海绵铁的生产过程 并用化学反应热力 学 动力学理论和先进的测试手段对熔剂 白云石 石灰石 脱硫进行研究 结果表明 m g c 0 3 在炉内完全分解 但脱硫效果不明显 虽然c a o 脱硫作用较强 但c a c 0 3 只有 部分分解 因此 竖炉中加入熔剂后对矿石脱硫有一定影响 熔剂脱硫过程的化学反应 和内扩散反应的相对阻力随着脱硫反应的进行而变化 减小熔剂粒径是提高熔剂脱硫能 力的有效方法 张海峰等开展了用高碱度内配碳团块在立式高温碳管炉中快速直接还原得到铁粒的 实验研究1 2 1 主要通过改变内配碳比 还原温度 渣相碱度 c a f 2 加入量等工艺参数 研究它们对还原产物的铁粒质量的影响 研究发现 在直接还原过程中可以脱除9 0 以 上的硫 脱硫主要机理是气化脱硫 内配煤团块中的硫化物和有机硫进入气相 一部分 随炉气脱离团块 一部分被配入的c a o 吸收 通过改变还原温度 内配碳比及渣相碱 度等工艺参数来提高还原过程中脱硫率 还发现在内配碳直接还原过程中可以脱除3 0 左右的磷 发展内配碳铁矿团块直接还原可以降低后期炼钢的成本 相对于高炉冶炼过 程和其它直接还原工艺有一定优势 郑福生等 3 9 提出了低品位高磷铁矿氧化焙烧一煤基直接还原一磁选分离一熔化分离 的工艺流程 a 矿氧化焙烧制度为 温度1 0 0 0 时间1 5 h a 矿经氧化焙烧 矿石品 位提高6 2 1 达到3 7 4 0 具有明显的脱硫效果 脱硫率达到 9 8 1 7 能够部分脱 磷 脱磷率为1 6 4 0 张洪彪等俐在赤铁矿直接还原脱磷实验研究中 对此矿石提出了直接还原一磁选一 低磷铁粉新工艺 在直接还原温度1 1 5 0 1 3 0 0 团块碱度 c a o s i 0 2 的质量比 0 1 6 3 1 6 0 0 内配碳比 c o 的m o l 比 0 7 1 0 还原时间1 5 m i n 条件下 分别得到 铁的收得率 9 0 脱磷率 8 5 最终获得铁粉品位 8 5 含磷量在0 2 0 5 的优质还原铁粉 研究结果还发现 低温时 煤粉主要用于还原赤铁矿 磷灰石中 的磷很少被还原出来进入金属铁中 而是留在脉石中 在磁选时随渣子去除 因此 低 温范围内铁矿石的脱磷率随着温度的升高有上升的趋势 但是当温度升高到一定程度以 后 部分磷灰石开始大量被碳还原进入金属铁当中 导致磁选出来产品中的磷含量升 高 致使还原团块的脱磷率下降 所以 脱磷率随着温度的升高先升高后降低 磷 灰石和氧化铁被碳还原的先后顺序不同是造成脱磷率随着内配碳比的升高先增大后减小 的原因 低碱度范围内 铁矿石的脱磷率受碱度的影响较大 并且随着碱度的升高 物 则多用多孔体积反应核模型 研究表明 在未反应核模型 或收缩模型 中 实际 上 由于固相产物层的形成 随着反应界面向中心推动 而且不断减少 相界面出现合 并 总反应的速率将随时间而减少 同时固相产物层的不断加厚 气体物的扩散阻力 也增加 应而到达矿球内的扩散流也随时间而减少 所以只能是准稳态过程 但是未反 应核模型导出的速率公式 能说明致密物体的气一固相反应过程中各种限制环节的速率 特征 研究煤焦气化反应动力学特征的不同模型在文献中有很多报道 徐振刚等 4 5 研究了 煤催化气化反应的收缩模型 张泽凯等 4 6 1 研究进行煤催化气化的修正缩核反应模型研 究 并用修正的缩核模型对煤的催化气化进行了模拟 向银花等 47 用修正的混合模型研 究煤焦与水蒸气和c 0 2 的反应性 k w o n 等 4 8 1 用未反应芯缩核模型研究四种煤化程度的 煤在7 0 0 9 0 0 与c 0 2 的气化反应 并进行模拟 内蒙古科技大学硕士学位论文 未反应芯缩核模型和混合模型应用的较广 但当考虑结构影响因素时 未反应芯缩 核模型不能准确描述煤焦化气化反应速率和碳转化率变化关系 杨帆等 4 9 通过不同模型 对气化反应情况的模拟 得出随机孔模型 韩凤麟 5 0 研究了煤基直接还原法用铁鳞制取还原铁粉的工艺过程 在还原过程中 产生固体碳气化 c o 气体向铁氧化物粉充填层扩散 铁氧化物被还原 c 0 2 气体从铁 氧化物充填层中向焦炭层中扩散等过程 在用c o 气体还原铁氧化物的场合 在界面发 生的化学反应和c o 气体通过铁氧化物充填层间隙的扩散都是需要考虑的重要因素 针 对以上可能进行的过程 建立了未反应壳模型 通过用圆柱型未反应壳模型来分析用固 体碳还原铁氧化物充填层的机理 假定铁氧化物充填层的未反应壳模型为一具备反应气 体浓度分布的非常长的圆柱型未反应壳 还原反应沿中心方向进行 同时 假定反应气 体在气体薄膜内和反应生成的多孔性海绵铁层内进行扩散 达到末反应界面后 还原反 应在界面上进行 另外 若这个系统是直列的 则可得出下式反应方程式 仅只化学反应速度时 t 1 3 1 1 一r 怩 仅只扩散速度时 t c 1 一r i n 1 埘 r 化学反应和扩散的混合速度时 二 百 口1 1 r ln 1 r r 1 一 1 一r 经l 一 1 一尺 尼 fp 薄膜扩散与化学反应的混合速度时 二 可 厂 兰 可 1 一 1 一r 经1 一 1 一r 於 研究表明 其中根据化学应速度式 和 计算可得到 f e 2 0 3 含量高的铁矿粉充填 层的还原是决定于化学反应速度 因为可得到直线性 根据化学反应速度式 计算可 知 f e o 多的铁鳞粉充填层的还原是依据界面反应与海绵铁层内c o 气体扩散的混合速 度进行的 另外 对于促进还原来说 还原剂的煤气化反应性也是一个非常重要因素 铁基粉末冶金制品生产过程与碳气化反应密切相关 金家敏 包伟刊5 1 研究了碳气 化反应 c c 0 2 2 c o 在铁粉生产过程中和铁一石墨压坯烧结过程中的作用 并提出 了加速气化反应的意见 1 4 课题提出的目的和研究的意义 铁矿石直接还原与熔融还原是非高炉炼铁方法的两大课题 是炼铁冶金技术中 的新工艺 随着钢铁工业的发展 焦煤资源在逐渐减少 而普通煤资源在世界能源分布中 占很大比例 电炉炼钢产量在不断增加 对废钢 尤其是优质废钢的需求量越来越 大 直接还原铁是废钢的代用 炼钢配加直接还原铁是控制 稀释钢中有害元素的 主要手段之一 直接还原铁也是改善钢材质量 增加钢材品种 发展钢铁冶金紧凑 流程的重要原料 鉴于直接还原铁的特点及对钢铁工业发展的作用和意义 直接还 内蒙古科技大学硕士学位论文 原铁项目成为世界具备资源条件的各地区发展钢铁工业的首选 我国煤碳资源丰富 为发展煤基工艺提供了条件 加之国外煤基工艺生产直接 还原铁技术已日趋成熟 稳步发展阶段 作为直接还原铁 由于其成分稳定 有害 元素含量低 特别是不易氧化的金属夹杂元素少 粒度均匀 不仅可以补充我国废 钢的不足 而且作为电炉炼钢的原料和转炉炼钢的冷却剂 对保证我国钢材的质 量 特别是合金钢的质量 起着不可代替的作用 是炼钢的优质原料 近几年来隧道窑固体碳还原是目前广泛采用的一种海绵铁生产工艺 如何克服 隧道窑生产周期长 能耗高这一大弊端 充分利用现有的设备和丰富资源 提高其 生产率 开发我国的海绵铁工业生产 就成为人们所关心的问题 本课题针对隧道窑反应罐法生产海绵铁工艺 开展了反应罐法生产海绵铁的还原过 程的动力学研究和提高生产海绵铁效率的措施研究 进行了还原过程中对海绵铁脱硫的 研究和磷还原行为的研究 该项研究工作为实际生产应用提供基础信息和理论依据 1 9 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 实验研究 2 1 实验原料 设备及方法 2 1 1 实验原料 实验选用了铁精矿粉 其成分见表3 1 半焦粉成分见表3 2 铁精矿粉粒度1 5 0 目 以下 半焦粉粒度1 一5 m m 表3 1 铁精矿粉化学成分 o 表3 2 半焦粉成弓f f 2 1 2 实验设备 硅碳棒加热的箱式电阻炉 如图3 1 用于直接还原过程 p t p t r h 热电偶精密 控温 额定功率t 1 6 k w 额定温度 1 3 0 0 眵 銎 i 图3 1 箱式电阻炉 内蒙古科技大学硕士学位论文 z t 一5 0 型真空碳管炉 如图3 2 用于海绵铁的渣一金熔分过程 由数字温度表 红外仪精密控温 额定功率 5 0 k w 最高温度 2 0 0 0 c 控温精度 2 极限 真空度 6 6 7 1 0 3 p a 图3 25 0 k w 真空碳管炉 技改型 1 3 备用孔2 取样 加料孔 4 上隔热屏5 下隔热屏6 石墨发热体 7 窥视 测温 孔8 石墨坩埚9 石墨发热体底托1 0 石墨隔热屏 1 1 石墨隔热屏底托1 2 电极及引线1 3 刚玉坩埚 2 1 3 基础实验方法 反应罐实验室模型的建立 根据某隧道窑海绵铁厂实际生产反应罐尺寸 依据 尺寸相似比原理缩小 建立实验室模型 实验室反应罐与实际生产反应罐尺寸比为 1 3 4 体积比为1 3 9 实验室反应罐为刚玉坩埚 装料方法 采用图3 3 环形状装料法装料 刚玉坩埚内 用 4 7 和 2 2 两个 薄铁皮筒固定位置 分别加入铁精矿粉和半焦粉 铁精矿粉 半焦粉加入量分别为 3 4 1 9 1 5 2 9 物料加入刚玉坩埚后 提出薄铁皮筒 加入的粉末原料为自然的松装 状态 每炉装料状况尽量一致 各实验部分装料方法如无特别强调均按此方法进 行 直接还原实验方法 在精密控温的电阻炉按预定的工艺条件 不同保温时间 保温 温度 进行直接还原实验 实验分为预热过程 保温过程 冷却过程 预热过程的升温 内蒙古科技人学硕士学位论文 时间均为8 0 m i n 保温结束后 随炉冷却至4 0 0 c 时取出 自然冷却 冷却到室温时 倒出物料 称量海绵铁的质量及半焦残余物 生产上俗名 发灰 质量 圆 增埚璧 团 铁耪矿耪 匠爵巧因 豫 弹q 拳焦糟 6 己 一 j 7 一 一己己一 l l 一 i jp l 小 j l 带 i j j 三 j t r f 二f fh 7 h 一 二 r j fp 二 二f 一h i t 一 j j i 三一 一 一 一 j i i j i 心 j 7 e l 嬲 薯 r 二 f 7 图3 3 原料装入图 海绵铁样品取样方法 径向