非高炉炼铁知识大全

1、发展直接还原技术是实现钢铁清洁化生产的需要发展直接还原技术是实现钢铁清洁化生产的需要长流程：炼焦、烧结长流程：炼焦、烧结-高炉炼铁高炉炼铁-转炉炼钢转炉炼钢 优点：技术成熟、效率高、产量大、生产成本低等。优点：技术成熟、效率高、产量大、生产成本低等。 缺点：炼焦、烧结、炼铁、炼钢等工序污染严重，对环境的污染占钢铁缺点：炼焦、烧结、炼铁、炼钢等工序污染严重，对环境的污染占钢铁流程的流程的7070以上，且焦炉在装煤、出焦时的煤气泄漏十分严重；而烧结过程以上，且焦炉在装煤、出焦时的煤气泄漏十分严重；而烧结过程排放大量的粉尘及污染物质也难以解决。排放大量的粉尘及污染物质也难以解决。 短流程：直接还原铁

2、、废钢短流程：直接还原铁、废钢-电炉炼钢电炉炼钢 优点：高温工序少、投资低、能耗低、运输量少、劳动生产率高、建设周优点：高温工序少、投资低、能耗低、运输量少、劳动生产率高、建设周期短和有利于环境保护等。期短和有利于环境保护等。 缺点：废钢含杂质元素多，如果炉料中缺点：废钢含杂质元素多，如果炉料中DRIDRI比例较低，将影响电炉钢产品比例较低，将影响电炉钢产品的质量。的质量。 （1 1）、废钢铁是再生资源，可无限循环利用。）、废钢铁是再生资源，可无限循环利用。从钢材从钢材制品制品使用使用报废报废回炉炼钢，每回炉炼钢，每8-8-3030年一个轮回，无限循环使用年一个轮回，无限循环使用 （2 2）、

3、废钢铁是一种载能资源，用废钢铁炼钢）、废钢铁是一种载能资源，用废钢铁炼钢可以大量节约能源。废钢直接炼钢比矿石炼铁可以大量节约能源。废钢直接炼钢比矿石炼铁后再炼钢可节能后再炼钢可节能60%60%，节水，节水40%40% （3 3）废钢铁是一种环保资源，废钢直接炼钢比）废钢铁是一种环保资源，废钢直接炼钢比铁矿石炼铁炼钢可减少排放废气铁矿石炼铁炼钢可减少排放废气86%86%，废水，废水76%76%和废渣和废渣97%97%，有利于清洁生产和排废减量，有利于清洁生产和排废减量原料输入量还原剂输入量铁矿石1460kg(68.5%Fe、98.0%Fe2O3、29.5%O、2.0%脉石）煤227kg（90%C

4、、10%灰份）脉石30kg、铁1000kg、氧430kg灰份23kg、碳204kg、氧0kg直接还原过程中有408kg氧的转移固体输出量输出量1052kg DRI（95%Fe、88%Fe0、7%Fe+、9%FeO、2%O、3%脉石）238kgCO、374kgCO2、23kg脉石脉石30kg、铁1000kg、氧22kg灰份23kg、碳204kg、氧408kg热需要量GJ/tFe还原度95%的1吨铁（50%用C、50%用CO还原）3.1381000的1.086吨直接还原铁和灰份的显热0.745800 的612kg（50%CO、50%CO2）的废气显热0.481合计4.364第一部分 钢铁生产及短流

5、程炼钢概论第二部分 直接还原理论与工艺第三部分 熔融还原理论与工艺1.世界钢铁工业发展概况起步阶段 时 间：1865年前后 工 艺：空气侧吹转炉炼钢法（1865年 英国贝赛麦） 代表国家：英国 中 国：公元前2世纪采用类似侧吹转炉 炼钢法李约瑟1.世界钢铁工业发展概况（续）第一次革命 时 间：19世纪末、20世纪50年代 工艺流程：焦炉烧结机高炉平炉 铸锭初轧开坯 成品轧机 代表国家：德国（最早）、美国和前苏 联（稍后）1.世界钢铁工业发展概况（续）第二次革命 时 间：20世纪50年代至70年代 奥地利发明了纯氧顶吹转炉炼钢法 平炉：810小时炉钢 氧气转炉：40分钟炉钢 与此同时，前苏联、瑞

6、士发明了连续铸钢法 工艺流程：大烧结机大焦炉大转炉 大连铸机连轧机 代表国家：日本、西德1.世界钢铁工业发展概况（续）第二次革命（续） 代表国家：日本、西德 1973年日本钢超1亿吨，基本采用新流程 未及时抓住这一革命时机的国家为美国、 前苏联、中国 中国只有宝钢具有第二次革命全流程。1.世界钢铁工业发展概况（续）第三次革命（续） 时 间：20世纪80年代21世纪年代 工艺流程：废钢/DRI电炉连铸连轧 代表国家：美国：36.8%(1990)、46.4% （1997）、50%（2000） 欧洲：42.3%（1997）、 59%(2010)2. 钢铁生产方法及流程三类方法图1. 三种钢铁冶炼方法

7、示意图A：高炉转炉（BFBOF）；B：直接还原电炉（DREAF）；C：熔融还原转炉（SRBOF）2. 钢铁生产方法及流程（续）图2. Sources of Metallic Feedstock2. 钢铁生产方法及流程（续）五种流程焦炉烧结机球团BOF高炉输出煤气110m3焦油30kg焦煤0.589t0.022t0.041t铁矿石0.788t0.020t输出煤气675m30.926t0.411t0.431t0.389t0.823t钢水1t输出煤气80m3废钢0.263t46m3氧气26Wh（电）图3. BFBOF流程原料及能源流向图2. 钢铁生产方法及流程（续）五种流程（续）直接还原竖炉电炉氧化

8、球团264m3天然气直接还原铁0.926t0.806t Fe(91.7%Fe)钢水1t废钢、铁合金0.269t添加碳1kg25m3氧气550kWh（电）图4. 竖炉直接还原电炉流程示意图1.266t110 KWh（电）电极4kg2. 钢铁生产方法及流程（续）五种流程（续）直接还原回转窑电炉氧化球团527kg煤直接还原铁0.879t0.806t Fe(91.7%Fe)钢水1t废钢、铁合金0.269t添加碳1kg25m3氧气550kWh（电）图5. 回转窑直接还原电炉流程示意图1.266t66 KWh（电）电极4kg25 KWh辅助设备用电2. 钢铁生产方法及流程（续）五种流程（续）电炉钢水1t废

9、钢、铁合金添加碳8kg25m3氧气550kWh（电）图6. 废钢电炉流程示意图1.063t电极4kg25 KWh电(助熔)2. 钢铁生产方法及流程（续）五种流程（续）钢水1t粉矿石灰石0.096t543kg煤(493kWh熔化用电）图7. 熔融还原(Elred法)转炉流程示意图1.237t燃料0.010t26 KWh电力熔融还原炉氧气转炉废钢0.263t35m3氧气铁(109kWh脱硫和辅助设备用电）137kWh制氧用电404m3氧气2. 钢铁生产方法及流程（续）DREAF短流程与BFBOF长流程的比较： 吨铁投资少 50% 操作成本低 37% 环境保护易实现 质量好控制流流 程程吨钢投资吨钢

10、投资能源消耗能源消耗运输量运输量生产成本生产成本环境保护环境保护质量控制质量控制生产规模生产规模建设周期建设周期长流程长流程100%100%100%100%短流程短流程约约50%约约50%约约70%约约63%易实现易实现好好灵活灵活短短2. 钢铁生产方法及流程（续）DREAF短流程与SRBOF长流程的比较： 冶金反应过程合理 流程更短 质量好控制 本质意义： SRBOF：非焦煤炼铁 DREAF：短流程2. 钢铁生产方法及流程（续）2020年钢铁冶金流程预测 3. 目前钢铁生产概况及主要产钢国家生产概况什么是短流程（续）Fig 10. World Crude Steel Production D

11、evelopment by Process Route 3. 目前钢铁生产概况及主要产钢国家生产概况(续) 美 国：1.37亿吨(1973)8000万吨(目前) 日 本：1.193亿吨(1973) 1亿吨以下(目前) 俄罗斯：1.6亿吨(1988) 1亿吨以下(目前) 欧共体：2亿吨(80年代) 1.6亿吨以下(目前) 中 国：5000万吨(80年代初) 1.14亿吨(1997) 2.3亿吨（2003） 2.6亿吨（2004） 约5.0亿吨（2007）1.长流程自身的原因：流程长、投资大、成本高、环境污染重。2.合理利用资源：废钢、复杂矿。3.能源：炼焦煤减少。4.钢的品种和质量。5.市场应变

12、能力。1.原料 废钢（scrap)： 直接还原铁（DRI/HBI） 铁水（HM）2.电力（400500Kw.h/t-钢）3.发展DRI/HBI的条件 资源优质铁矿：TFe67%、S、P570) Fe2O3Fe3O4 Fe(570)1.气基还原（“间接还原”）原理（续）（3）CO和H2还原铁氧化物平衡状态图 反应式发生热量kJ/kgFeFe2O3+3CO=2Fe+3CO2234.4646.05Fe3O4+4CO=3Fe+4CO271.1825.12Fe0.95O+CO=0.95Fe+CO2301.4520.93Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O-900.1646.05Fe3O4+4H2=3Fe

13、+4H2O-908.5420.93Fe0.95O+H2=0.95Fe+H2O-464.7316.752.煤基还原（“直接还原”）原理（1）氧化物固体碳还原的两个可能的反应 MO(s) + C(s) = M(s) + CO (a) 2MO(s) + C(s) = 2M(s) + CO2 (b) 由于高温下（900）碳的气化反应CO2+2C=2CO速度极快，气相中CO2实际上是极少的，所以后一反应可能出现在较低温度下。用固体炭还原氧化物实际气相产物为CO，亦即按前一反应进行的。2.煤基还原（“直接还原”）原理（续）（2）氧化物固体碳还原 的两个可能的方式 A：方式一：碳的不完全燃烧 与氧化物的生成

14、反应组合 2 C(s) +O2 = 2 CO 2M(s) +O2 = 2MO(s) 2MO(s)+2C(s)=2M(s)+2CO 热力学平衡图见图15。 2.煤基还原（“直接还原”）原理（续）（2）氧化物固体碳还原 的两个可能的方式 B：方式二：碳的气化反应与 氧化物的间接还原反应组合 C(s) +CO2 = 2CO MO(s) +CO=M(s)+CO2 MO(s)+C(s)=M(s)+CO 热力学平衡图见图16。 2.煤基还原（“直接还原”）原理（续）（3）固体碳还原铁氧化物的平衡图 2.煤基还原（“直接还原”）原理（续）（4）压力对固体碳还原铁氧化物的影响 1.气基Midrex工艺流程（图

15、19）2.煤基回转窑SL/RN直接还原工艺流程（图20）适合我国资源特点的直接还原技术适合我国资源特点的直接还原技术我国适合发展以铁精矿球团为原料的我国适合发展以铁精矿球团为原料的“煤基直接还原法煤基直接还原法”天然气非常缺乏天然气非常缺乏贫铁矿占贫铁矿占97%天然富块矿极少天然富块矿极少非焦煤占非焦煤占65.5%选矿选矿球团球团非焦煤为还原剂非焦煤为还原剂高品位高品位铁精矿铁精矿DRI煤煤基基球球团团直直接接还还原原发明思路发明思路 复合粘结剂复合粘结剂分子结构与功能设计分子结构与功能设计化学吸附粘结化学吸附粘结自身放热自身放热催化还原催化还原球团制备球团制备技术技术变变两步两步高温过程为高

16、温过程为一步一步高高温过程生产直接还原铁温过程生产直接还原铁快速还原快速还原热工体系热工体系小型试验小型试验（8890年，中南工大）年，中南工大）3.650m回转窑工业生回转窑工业生产（产（98年建成，鲁中冶金年建成，鲁中冶金矿山公司直接还原厂）矿山公司直接还原厂）0.3m回转窑扩大试验回转窑扩大试验（91年，中南工大）年，中南工大）1m间歇式间歇式回转窑试验回转窑试验（92年，中南工大）年，中南工大）2 30m回转窑工业试回转窑工业试验（验（93年，攀钢年，攀钢410厂）厂）3.850m回转窑工业生产回转窑工业生产（2000年建成，北京密云冶年建成，北京密云冶金矿山公司直接还原厂）金矿山公司

17、直接还原厂）1992年原冶金部年原冶金部组织专家评议组织专家评议1993年原冶金部年原冶金部组织专家鉴定组织专家鉴定研发过程研发过程630万元万元120万元万元6900万元万元8500万元万元投入投入投入投入投资投资投资投资（19882001年）年）膨润土为粘结剂，膨润土为粘结剂，需二步高温过程生需二步高温过程生产直接还原铁产直接还原铁多功能复合粘结剂分子设计与制备为实现一步高温过程生产直接还原铁奠定了基础为实现一步高温过程生产直接还原铁奠定了基础关键技术一关键技术一发明点发明点1发明了集粘结、放热、催化功能于一体的复发明了集粘结、放热、催化功能于一体的复合粘结剂，取代膨润土合粘结剂，取代膨润

18、土难点难点（1）复合粘结剂的功能设计）复合粘结剂的功能设计化学吸附粘结提高球团强度；化学吸附粘结提高球团强度；自身放热强化球团固结及预热；自身放热强化球团固结及预热；催化还原提高还原速率；催化还原提高还原速率；提高产品铁品位。提高产品铁品位。 关键技术一关键技术一为实现一步高温生产直接还原铁，复合粘结剂为实现一步高温生产直接还原铁，复合粘结剂应具有如下功能：应具有如下功能：（2）复合粘结剂的分子结构设计）复合粘结剂的分子结构设计理想的粘结剂理想的粘结剂分子结构模型分子结构模型 X R n KX与铁精矿表面发生强烈化学与铁精矿表面发生强烈化学 吸咐作用的吸咐作用的极性基团极性基团 K具有增强矿物

19、表面亲水性的具有增强矿物表面亲水性的 亲水基团亲水基团R有机架链有机架链n聚合度聚合度首次从分子构型、官能团层次提出了粘结剂分子首次从分子构型、官能团层次提出了粘结剂分子结构理论，采用结构理论，采用HMO算法，进行了新型粘结剂算法，进行了新型粘结剂分子结构设计。分子结构设计。关键技术一关键技术一膨润土与铁精矿颗粒表面为膨润土与铁精矿颗粒表面为物理吸咐物理吸咐，界面作用能，界面作用能很弱，球团强度低。很弱，球团强度低。关键技术一关键技术一（3）复合粘结剂与铁精矿的作用机理）复合粘结剂与铁精矿的作用机理羧基（羧基（-COOH）酚羟基（酚羟基（C-OH）羟基（羟基（-OH）活性官能团活性官能团烃链烃

20、链复合粘结剂与铁精矿复合粘结剂与铁精矿表面为强烈的表面为强烈的化学吸化学吸咐咐，亲水性增强，球，亲水性增强，球团强度明显提高。团强度明显提高。矿粒矿粒矿粒矿粒复合粘结剂成分复合粘结剂成分（%）关键技术一关键技术一(4) 复合粘结剂的制备复合粘结剂的制备复合粘结剂由有机高分子物质与无机成分复合而成。复合粘结剂由有机高分子物质与无机成分复合而成。其粘结成分从劣质煤中用碱液抽提。其粘结成分从劣质煤中用碱液抽提。R(COOH)n + nNaOHR(COONa)n + nH2O粘结成分粘结成分Cfixed其他元素含量其他元素含量42.2028.14SiO2Al2O3CaOMgOFe2O312.06.16

21、4.780.214.04PSK2ONa2O催化成分催化成分0.030.040.060.081.99粘结剂与铁精矿表面作用粘结剂与铁精矿表面作用效果对比效果对比 粘结剂粘结剂红外光谱红外光谱（吸附机理）（吸附机理）-电位的电位的零电点零电点接触角接触角润湿热润湿热（J/g）成球性成球性指数指数K膨润土膨润土物理吸附物理吸附pH=4.246 0.180.38复合复合粘结剂粘结剂化学吸附化学吸附pH=0.80 0.410.99两种球团强度对比两种球团强度对比复合粘结剂球团各项指标明显高于膨润土球团，复合粘结剂球团各项指标明显高于膨润土球团，其中干球抗压强度提高其中干球抗压强度提高5倍倍复合粘结剂的铺

22、展及高粘性混合料机械活化关键技术二关键技术二复合粘结剂粘度复合粘结剂粘度大，难以在矿粒大，难以在矿粒表面铺展表面铺展发明点发明点2设计并研制了新型机械活化装置设计并研制了新型机械活化装置实现了高粘性复合粘结剂在矿粒表面的均匀铺展，实现了高粘性复合粘结剂在矿粒表面的均匀铺展，提高了铁精矿表面活性和球团强度提高了铁精矿表面活性和球团强度机械活化装置机械活化装置难点难点（1 1）机械活化机理）机械活化机理机械活化作用使粘结剂胶团在铁精矿颗粒表面机械活化作用使粘结剂胶团在铁精矿颗粒表面均匀铺展均匀铺展活化前活化前活化后活化后铺展铺展关键技术二关键技术二介质介质（2）机械活化预处理效果）机械活化预处理效

23、果处理方式处理方式生球强度生球强度干球强度干球强度落下落下(次次/0.5m)抗压抗压(N/个个)落下落下 (次次/1m)抗压抗压(N/个个)不活化预处理不活化预处理4.813.53.2200活化预处理活化预处理6min15.816.44.8320关键技术二关键技术二铁精矿的润湿热增大铁精矿的润湿热增大2倍倍比表面积增加比表面积增加35%球团强度显著提高球团强度显著提高关键技术三关键技术三发明点发明点3高粘性物料球团难高粘性物料球团难以自动分级，生球以自动分级，生球强度差，产量低强度差，产量低发明了强制分级造球技术及装置发明了强制分级造球技术及装置解决了高粘性物料球团在园盘造球机中的自动解决了高

24、粘性物料球团在园盘造球机中的自动分级问题，提高了生球强度和造球机产量分级问题，提高了生球强度和造球机产量高粘性物料球团运动规律及其强制分级造球机造球机难点难点n 为圆盘的转速（为圆盘的转速（r/ min）；）；R 为圆盘的半径（为圆盘的半径（m）；）；f 为物料与盘底的摩擦因数；为物料与盘底的摩擦因数；为圆盘的倾角为圆盘的倾角( () )；为球团的脱离角为球团的脱离角, ()。cos= Rn2/ 900 (sin- f cos)（1）高粘性物料球团运动规律）高粘性物料球团运动规律生球在造球机内自动分级的条件为粒度大小不同的生球在造球机内自动分级的条件为粒度大小不同的生球具有生球具有不同的摩擦因

25、数不同的摩擦因数f，因而具有不同的，因而具有不同的脱离角脱离角：关键技术三关键技术三高粘性物料球团具有高粘性物料球团具有很高的很高的摩擦因数摩擦因数f，从而，从而脱离脱离角角 小，很难自动分级，大中粒径生球进入母球，很难自动分级，大中粒径生球进入母球区，必须采取强制措施。区，必须采取强制措施。强制分级造球技术应用效果强制分级造球技术应用效果强制分级技术成球率提高17%，干球抗压强度提高70%正常状态高粘性料的异常状态高粘性料强制分级8-16mm生球生球大大 中中小小大大中中小小大大大大 中中小小热球入窑热球入窑全窑高温全窑高温催化还原催化还原全窑高温、快速还原的回转窑热工体系显著提高了回转窑产

26、量，大幅降低了还原粉化率，显著提高了回转窑产量，大幅降低了还原粉化率，解决了回转窑结圈频繁的难题解决了回转窑结圈频繁的难题关键技术四关键技术四发明点发明点4传统工艺为冷球入窑，传统工艺为冷球入窑，升温和还原慢、还原升温和还原慢、还原粉化较严重、粉化较严重、结圈频繁结圈频繁回转窑回转窑链篦机链篦机难点难点氧化球团冷球入窑，难以实现料层全窑高温操作；氧化球团冷球入窑，难以实现料层全窑高温操作；本发明以热球入窑，实现了全窑高温（气相和料层本发明以热球入窑，实现了全窑高温（气相和料层均均9000C）操作）操作回转窑内温度分布回转窑内温度分布出料端出料端进料端进料端关键技术五关键技术五发明点发明点5钒钛

27、磁铁矿高炉冶炼钒钛磁铁矿高炉冶炼无法回收钛无法回收钛钛铁矿电炉法制取高钛铁矿电炉法制取高钛渣电耗高，含钛低钛渣电耗高，含钛低钒钛铁矿催化还原及高效分离技术发明了钒钛磁铁矿综合利用新工艺发明了钒钛磁铁矿综合利用新工艺开发了一条钒钛铁矿中铁、钒、钛有效分离与综合开发了一条钒钛铁矿中铁、钒、钛有效分离与综合回收的新途径回收的新途径 发明了钛铁矿制取富钛料新工艺发明了钛铁矿制取富钛料新工艺难点难点钛铁矿钛铁矿富钛料钛回收率富钛料钛回收率(%)9090富钛料品位（）富钛料品位（）8372能源和还原剂能源和还原剂劣质煤为还原剂劣质煤为还原剂电耗高，焦碳为还原剂电耗高，焦碳为还原剂本发明与高炉法效果对比（钒

28、钛磁铁矿利用）本发明与高炉法效果对比（钒钛磁铁矿利用）矿种矿种对比项目对比项目本发明本发明高炉法高炉法钒钛磁铁矿钒钛磁铁矿钛回收率（钛回收率（%）89钛损失于炉渣钛损失于炉渣钛品位（钛品位（%）62本发明与电炉法效果对比（钛铁矿利用）本发明与电炉法效果对比（钛铁矿利用）Fe2O3+3C=2Fe+3CO (1) H1700=455.6kJ/mol22CO3O23CO32232CO3Fe2O23C3OFe(2) H1700=-840.2kJ/mol (3) H1700=-384.6kJ/mol 反应（2）放出的热量足以补偿反应（1）所需的热量。其特点是碳最终可以完全转化为CO2，煤气的利用率在理论

29、上可以达到100%。如何把反应（2）放出的热量转移到深还原阶段热能电能微波能Fast, Volumetric heating of microwave absorbing material The energy conversion from electricity to microwave is about 85%The energy conversion of microwave to heat is about 90%Production times are reduced by 70-80% and costs are lowered by 35%MaterialHeating Rat

30、eMagnetite (Fe3O4)20C/SecHematite (Fe2O3)170C/MinCarbon100C/SecHeat Transfer in PelletCO/H2 Rich in Pellet with Iron Oxide/Coal Mixture - CO/H2 generation in situCO/H2 Regeneration from CO2/H2O in PelletTemperature ControlMICROWAVE HEATING OF IRON OXIDE AND COAL MIXTURE GREEN BALLINSIDEOUTSIDECO ric

31、h, High TemperatureMICROWAVELowTemperature.Iron oreLimeCoalBinderGreen BallMicrowaveEAFFurnaceSTEELEliminate pellet sintering, coking, Blast Furnace, and BOF steelmakingIdeal Mass and Heat Transfer MechanismGreat energy saving, at least 30-40%Dramatically reduce the emission of CO2, SOx, NOx, VOCs,

32、fine particulates, and air toxicsSubstantially reduce waste and emission control costsConsiderably reduce steel production costs020406080100120050010001500Time(S)Reduction Degree(%)conventional heating upto 1273Kmicrowave combined,microwave start from0s, conventional heat upto 773K microwave combine

33、d,microwave start from400s, conventional heatup to 773KSteel SampleFeSiAlPSCMV-713-ST97.341.651.010.010.030.2MV-714-ST98.540.180.190.010.140.2MV-718-ST98.840.010.010.010.192.32MV-719-ST98.650.420.010.010.011.34MV-1025-ST99.300.390.320.010.01 0.21.共报导30多种方法，工业应用只有COREX法，各主要方法的特点见表22.问题 尚未形成一个定型的生产工艺； 能耗较高，且需辅助能量（氧或电）； 产品质量不好，脱硫不稳定； 设备寿命不高。3.分类：一步法：一个反应器完成铁矿石高温还原 和渣铁分离过程。二步法：第