转炉熔融还原炼铁工艺探讨

1、转炉熔融还原炼铁工艺探讨刘文运 徐 萌 (首钢集团技术研究院)摘要：本文简要介绍了COREX、HIsmelt、AusIron以及DIOS熔融还原炼铁工艺，并用煤块做了降低熔融还原炉渣中FeO试验，证明炉渣中FeO可以降低到2.0%以下，并可同时回收熔融炉渣中夹带的珠铁。在此基础上，本文提出了利用煤粉和氧气的燃烧喷枪对熔池进行搅拌和在熔池表面二次燃烧，进行转炉熔融还原炼铁的工艺。关键词：熔融还原 转炉 COREX HIsmelt AusIron DIOS Discuss on the BOF Smelting Reduction Ironmaking ProcessLIU Wen-yun, XU

2、 MengResearch Institute of Technology, Shougang Group, Beijing, 100041, China Abstract：In this paper, smelting reduction ironmaking processes including COREX, HIsmelt, AusIron and DIOS are simply introduced. The experiment on decreasing FeO of slag from smelting reduction furnace by coal is carried

3、out. Results has proved that the FeO content of slag is able to be decreased by less than 2.0%, and iron beads entrained into slag can be recovered at the same time. On this basis, the BOF smelting reduction ironmaking process is proposed. The process includes agitating the molten bath and improving

4、 post combustion on the surface of molten bath by injecting coal and oxygen into the slag layer.Key word：Smelting reduction BOF COREX HIsmelt AusIron DIOS21世纪钢铁工业面临资源、环保、经济等各方面挑战，非高炉炼铁工艺具有高效利用资源、环境友好、生产流程短以及提高生产效率等特点，世界各国纷纷花大力气进行研究和开发。当前，在我国钢铁工业快速发展的条件下，焦煤短缺、环境保护已成为我们参与国际竞争的一大阻力，传统高炉炼铁工艺愈来愈暴露出它的局限性，

5、需要我们及早研究适合我国条件的非高炉炼铁技术，改变我国以焦炭为主的传统高炉炼铁能源结构，促进我国钢铁工业的健康和可持续发展。1 几种熔融还原炼铁工艺介绍上世纪80年代以后，德国、日本、美国、前苏联、澳大利亚等国家非常重视熔融还原工艺的研发，各自投入大量人力、物力进行研究开发工作，从基础理论、实验室试验到半工业、工业试验都取得了许多成果，积累了丰富的经验。如奥钢联的COREX工艺，韩国浦项和奥钢联合作开发的FINEX工艺，澳大利亚的HIsmelt和AusIron工艺，日本的DIOS工艺等。目前，COREX和FINEX工艺已经得到了工业应用，HIsmelt工艺年产80万吨的试验厂正在进行试生产，A

6、usIron工艺年产50万吨规模试验厂正在筹备之中。1.1 COREX和FINEX工艺COREX工艺1以天然块矿、烧结矿、球团等为原料，使用块煤和部分焦炭做燃料，采用纯氧操作。原料首先在还原竖炉内进行预还原，再送入熔融气化炉，进行熔化和终还原。COREX工艺如图1所示，是把高炉从软熔带部位一分为二，其熔融气化炉类似于高炉的下部炉缸和炉腰，内部充填几米厚的焦块或煤块、型煤等，下部喷吹纯氧，熔化预原度为93%的矿石和球团。该工艺对煤、矿石、球团等的要求超过或等同于高炉，并仍需要部分焦块，相对高炉工艺来说只是减少了焦炭的消耗，无法取消烧结、球团和焦化等污染较大的生产环节。FINEX工艺是COREX工

7、艺的进一步发展，它用流化床代替了预还原竖炉，可以直接使用铁矿粉，但由于熔融气化炉没有改变，仍需要一定量的焦块或型煤。1.2 HIsmelt工艺HIsmelt工艺2的熔融还原反应是在竖式的铁浴熔池中进行，如图2所示。破碎后的烟煤或无烟煤直接通过喷枪喷入熔池中，铁矿粉或其他含铁原料、钢铁厂的含铁废弃物等经过预热和还原后通过热矿喷枪直接喷入熔融还原炉内。还原产生的煤气与上部喷入的高温富氧热风进行二次燃烧，加热炉内渣和铁，为熔融和还原反应提供热量。与COREX和FINEX工艺相比，HIsmelt技术不使用焦炭，能够直接使用非焦煤、粉矿和钢铁厂的含铁废料，还可大量使用廉价的高磷铁矿。采用流化床工艺对矿粉

8、进行预热和预还原，能够大幅度提高系统的产能和降低燃料消耗。工艺存在问题一是炉渣脱硫效果差，原燃料中带入的硫有较大部分进入到煤气粉尘中，烟气需要脱硫处理，同时铁水中硫含量较高，也需要脱除。二是熔融还原过程中炉渣FeO较高，对炉衬浸蚀严重，为此，炉缸砖衬设计寿命仅18个月，但能否达到还是未知数。HIsmelt工艺示范厂-Kwinana厂经过两年多的热试车和试生产，目前已经达到了50%的设计生产能力，小时产量最高达到了设计值的80%，煤耗最好水平接近了850Kg/t铁水，累计产量近20万吨，初步验证了HIsmelt工艺的可行性，但距工业化生产还有一定距离。1.3 AusIron工艺Ausmelt工艺

9、3在有色金属冶炼中已应用多年，Ausmelt公司在此基础上开发出了AusIron熔融还原炼铁方法。AusIron熔融还原反应也是在竖式的铁浴熔池中进行，如图3所示。它直接使用铁矿石和非焦煤。铁矿石、煤粉和熔剂混合后经炉顶装料口直接装入熔池。系统的核心设备是浸入熔池中的套筒式喷枪，由喷枪喷入富氧空气和燃料进行燃烧，并强烈搅动熔池，使加入的矿粉、熔剂和煤块等在熔池中迅速熔化、还原。同时由喷枪外部套筒喷入的富氧空气，将反应产生的CO等在熔池表面全部燃烧，为熔融和还原反应提供热量。通过调节喷吹的燃料与富氧空气、加入料中矿石与煤粉之比，可以灵活控制炉内反应气氛，调整熔渣的流动性，脱除硫和磷。与COREX

10、和HIsmelt工艺相比，主要用于有色金属冶炼的Ausmelt工艺规模小、冶炼强度低。国内云锡集团直径4.4米Ausmelt炉为世界最大炼锡炉，生产能力仅为3万吨/年，安徽铜陵冶炼厂Ausmelt炼铜炉的生产能力最大也仅为30万吨/年4，其熔融还原最高温度仅为13105。他们在此基础上进行AusIron工艺开发，只进行了2吨/小时规模的工业试验。由于炼铁的冶炼温度升高，炉体的耐火材料、喷枪结构和寿命等方面有许多问题还需要深入研究，其50万吨的工业试验厂目前还在筹划之中。1.4 DIOS 工艺 DIOS工艺2的熔融还原反应是在转炉熔池中进行，直接使用低品位的粉矿和廉价的普通煤，如图4所示。预还原

11、采用复合型流化床，第一级预热，还原率很低，第二级还原，还原度一般不超过25%。终还原采用加压式转炉，顶部吹氧，底部吹氮，二次燃烧率较高，一般大于60%。DIOS工业试验结果表明：绝大部分的氧化铁在终还原炉中还原，最终炉渣氧化铁高达5-10%，不但铁的回收率低，炉衬寿命也较短，采用水冷结构，每隔2个月仍需对炉衬进行修补。2 熔融还原炉渣的降FeO实验熔融还原反应是在熔池中连续进行的，还原产生的少部分珠铁以及没有完全进行反应的FeO、Fe2O3等与炉渣一起被排出炉外。炉渣中一般含有5%左右的FeO，加上炉渣中的珠铁，一般含铁5-10%。为了提高铁资源利用率和探索熔融还原工艺炉渣中FeO极限，我们在

12、2005年曾经进行了降低熔融还原炉渣中FeO的实验。实验采用高温碳管炉，用高炉渣、氧化铁皮、白灰、石英粉等配制熔融还原炉渣，使用粒度35mm和510mm块煤作为还原剂。将配制炉渣的材料混合后放入高铝坩埚内，放至碳管炉中加热到1500，观察炉渣全部熔化后再保温10min，确定实验炉渣原始成分。同时，将510mm的煤块放入高铝坩埚内，加热至1500后再将炉渣混料装入石墨漏斗中，放入碳管炉内熔化并滴入煤块里。每隔12min，用镍丝搅拌熔池，保温一定时间后，降温至1200取出。另外，我们还使用石墨坩埚，选用35mm粒度煤块，保温30min，确定近终点时炉渣FeO含量。实验结果见表1。从表1可以看出，近

13、终点实验的炉渣FeO为1.04%，与高铝坩埚15min的炉渣FeO含量1.08%相当，证明用煤块可以很快将炉渣中的FeO降低到1.0%左右，且还原反应一般1520min即可接近终点。实验结果与文献6中熔融还原反应后炉渣FeO为1.67%相近。另外，首钢钢研所80年代在矿粉直接液相还原工业试验中，通过向熔池喷吹煤粉为铁水增碳，炉渣中FeO最低降到了1.44%。据此我们可以认为：使用喷枪直接向熔融还原熔渣中喷吹煤粉，可以在较短的时间内将炉渣中的FeO降低到2.0%以下，同时沉淀熔渣中夹带的铁珠。HIsmelt、Romelt、AusIron等工艺为了保证熔融还原反应能够连续进行，一般是采用虹吸式出铁

14、和出渣，这就使一部分矿粉还没有完全进行反应就随炉渣排出炉外，极大地浪费了铁资源。如果采用转炉间断式生产，在转炉生产后期，向熔池喷吹煤粉，可以对熔池中铁水增碳和进一步还原熔渣中的FeO、沉淀炉渣中夹带的珠铁等，进一步回收铁资源。表1 降低炉渣中FeO含量的实验结果Table 1 Results of experiment on reducing FeO of slagNo.TFeFeOSiO2CaOA12O3MgO备注18.709.9126.4634.1711.767.73高铝坩埚化渣20.931.0828.1735.7919.087.90高铝坩埚15分钟31.021.1525.6934.832

15、1.927.82高铝坩埚35分钟40.881.0434.7339.1012.978.60石墨坩埚30分钟3 转炉熔融还原炼铁工艺的提出DIOS、HImelt、AusIron、Romelt等矿石低预还原度、高二次燃烧率的熔融还原工艺都面临着终还原炉FeO含量高、炉衬耐火材料侵蚀严重、炉缸寿命短等难题。在熔融还原炼铁技术的研发过程中，我们完全可以借鉴现代氧气转炉的成熟技术和成功经验，如通过溅渣护炉技术，解决熔融还原炼铁工艺的炉衬寿命问题；通过间断式出铁，解决炉渣的精炼还原问题等，来解决熔融还原炼铁过程中出现的各种难题。31工艺理论转炉炼铁工艺是基于现代氧气转炉的成熟技术，如图5所示，它采用厚渣层操

16、作和浸入式燃烧方法，利用熔池内大量熔渣进行矿石、煤粉、熔剂的熔融和还原。同时通过调整加料速度对熔渣起泡高度进行有效控制，充分利用泡沫渣进行冶炼，能够极大提高二次燃烧传热效率和操作的稳定性。浸入式燃烧方法是在熔池表面形成瀑布状的溅渣，使二次燃烧产生的热能够迅速传回到熔融反应区。厚渣层可使熔池内生成的铁水与上部燃烧区的氧化气氛有效隔离，防止发生再氧化。厚渣层同时配合浸入式燃烧技术，不但可最大限度的利用二次燃烧产生的热量，而且可以为熔融和还原反应提供大量反应介质，同时还能够对熔池进行强烈搅拌，加速熔融和还原反应进行。3.2工艺介绍转炉熔融还原炼铁工艺的冶炼过程可以分为熔融还原和精还原两个阶段：在熔融

17、还原阶段，燃烧喷枪喷出的富氧空气和煤粉形成燃烧火焰强烈搅动熔池，加入的炉料落入熔池后，在喷枪的搅拌下与熔渣混合、熔化。熔化后的铁氧化物与溶解在熔池中的碳进行还原反应，生成CO和Fe，CO浮出后又与喷入的富氧空气在熔池表面进行二次燃烧为熔融和还原反应提供热量。原、燃料、熔剂等混合后从加料口连续加入炉内，控制泡沫渣的高度。炉料中小于3mm的粉料可在精炼前通过炉料喷枪直接喷入熔池中或者通过湿捏机等加工成小球直接随皮带加入，以降低粉尘的量。一批炉料全部加入并熔化后，进入精还原阶段。在精还原阶段，将小于3mm的煤粉通过炉料喷枪喷入熔池铁水层中进行精还原，以增加铁水的含碳量，并将炉渣中的FeO降低到2.0

18、%以下，同时将炉渣中夹带的小铁珠沉淀到铁水中。此时可以继续喷吹富氧空气进行二次燃烧，为熔池提供热量。炉渣中FeO合格后，倾动转炉分别排出铁水和炉渣。转炉内留一定量的炉渣，用于下一炉铁水的冶炼。根据HIsmelt和AusIron经验，生产中可以将熔融还原反应温度控制在14501550，炉渣二元碱度控制在1.151.25，生产中可通过配加部分熔剂来调整炉渣碱度和熔渣的粘度，同时通过调整富氧率、矿石负荷以及喷吹煤的比例和调整喷枪的高度等措施来控制炉内的反应气氛，提高熔池脱硫和脱磷能力。3.4 充分利用现代转炉炼钢技术氧气转炉经过几十年的发展，目前已经全面取代了平炉，并被推广到其它领域，显示出了它的强

19、大生命力。其炉衬寿命从一开始的几十炉次发展到上万炉次，吨位从开始的几吨达到目前的350吨，冶炼钢种也从开始的几十种达到目前几乎所有钢种，产量和效率都得到了极大的提高，取得了良好的经济效益和社会效益。DIOS、HImelt、AusIron等矿石低预还原度、高二次燃烧率的熔融还原工艺都面临着终还原炉FeO含量高、炉衬耐火材料侵蚀严重、炉缸寿命短等难题2，另外HIsmelt和AusIron工艺采用虹吸出铁方式控制铁水液面高度，由于受铁水长期侵蚀和冲刷，前置炉的寿命很难保证。在熔融还原炼铁技术的研发过程中，我们完全可以借鉴现代转炉的成熟技术，解决熔融还原炼铁过程中出现的各种难题，特别是通过间断式生产和

20、溅渣护炉等方法，解决熔融还原炉的寿命问题。 4 转炉熔融还原炼铁工艺的优点(1)转炉炼铁工艺使用的主要设备与氧气转炉基本相同，产生煤气可以全部二次燃烧，并采用负压回收，设备系统简单、成熟、安全、可靠。燃烧喷枪在有色工业中应用多年，有许多经验可以借鉴。(2)原料范围广，粉矿、块矿、煤块及煤粉、自身产生的含铁工业粉尘等均可直接应用，同时还可以利用炼钢产生的煤气和钢渣，有利于降低生产成本和能源消耗。(3)转炉炼铁工艺简单、操作方便。生产中可通过调整配加熔剂的量来调整炉渣碱度、调整富氧率、矿石负荷、喷吹煤的比例以及二次燃烧喷枪的位置等来控制炉内的反应气氛和炉渣流动性，提高熔池脱硫和脱磷能力。(4)使用转炉间歇式生产，炉渣中FeO等可以通过喷吹煤粉回收，不但渣中FeO可以降低到2.0%以下，而且可以沉淀分离出炉渣中夹带的部分珠铁。 (5)转炉炼铁工艺完全取代了烧结、焦化和球团、高炉等传统炼铁生产工序，极大地缩短了钢铁生产流程。另外，转炉炼铁工序与转炉炼钢工序布置在一起，结构紧凑，便于生产组织和管理。5 结语熔融还原发展到今天，就其技术的成熟程度，生产规模，装备的可靠程度都远不及传统的高炉冶炼。熔融还原被人们接受和推崇的最重要的原因是它的环境友好性，即对环境的不良影响比高炉冶炼要小得多。以非焦煤为能源是熔