摘要：以含碳球團為原料的高溫高料層直接還原工藝是一種高效的煉鐵新工藝。本文主要介紹該工藝的試驗研究及設(shè)備的開發(fā)情況。該工藝的操作特點為“高溫”和“高料層”。生產(chǎn)特點為“四高”，即高金屬化率、高生產(chǎn)效率、高能源利用率、高DRI強度和密度。能進行高溫高料層直接還原的設(shè)備為往復式車底爐。該工藝既可以用于煉鐵生產(chǎn)，也適合于處理某些特殊礦石和含鐵廢料，具有良好的應用前景。

關(guān)鍵詞：高溫；高料層；直接還原；車底爐；煉鐵

1 前言

        近年來，隨著高爐煉鐵的迅猛發(fā)展，其面臨的問題也日趨嚴峻，主要體現(xiàn)在：1）煉鐵成本居高不下；2）焦煤儲量有限，資源日趨貧乏，價格也逐漸增高；3）煉焦、燒結(jié)、球團及高爐生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的“三廢”污染嚴重。因此，為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，開發(fā)不依賴于焦炭的非高爐煉鐵工藝非常必要。非高爐煉鐵主要包括熔融還原和直接還原，對于這兩種生產(chǎn)工藝路線的碳耗分析，可詳見參考文獻[1]。

        世界范圍內(nèi)的直接還原工藝發(fā)展過程中，國內(nèi)外的冶金工作者進行了大量新工藝的研究與開發(fā)工作，目前投入生產(chǎn)的直接還原工藝主要有氣基豎爐、煤基轉(zhuǎn)底爐、回轉(zhuǎn)窯、隧道窯等。其中，每種工藝都各有利弊，不同生產(chǎn)企業(yè)主要是根據(jù)當?shù)氐牡V石種類、能源情況、環(huán)保政策等客觀因素，因地制宜地選取不同工藝來滿足自己的生產(chǎn)需求。

        車底爐高溫高料層直接還原工藝就是在這種背景條件下開發(fā)的一種新型直接還原工藝。該工藝首先是20世紀末期，由加拿大籍華裔冶金學家Weikao Lu教授提出的。其主要目的是在焦炭資源短缺的條件下能夠大規(guī)模的高效生產(chǎn)低碳的優(yōu)質(zhì)鐵水，或者處理某些特殊礦石和含鐵粉塵。

        唐山奧特斯科技有限公司汪壽平、高波文、汪翔宇等人設(shè)計并正付諸實施的OTS工藝中的還原設(shè)備——“往復式車底爐”可適應高溫高料層工藝的要求在相關(guān)領(lǐng)域已達成共識。核心技術(shù)和核心裝備兩者的有機結(jié)合，將極大地加快車底爐高溫高料層工藝的工業(yè)化進程。

2 工藝簡介

        高溫高料層直接還原，即將直接還原分為還原室和氧化室兩個彼此相互獨立的部分（圖1）[2]。還原過程主要由以下四部分組成：
（1）還原室：碳還原鐵礦石，生成金屬鐵和CO氣體，消耗熱量；
（2）CO氣體從還原室傳遞到氧化室；
（3）氧化室：CO完全燃燒（氧化）生成CO2，釋放熱量；
（4）熱量從氧化室傳遞到還原室。

        該工藝的操作特點即“高溫”和“高料層”。在能源利用方面，先利用C的化學能，作為還原劑還原鐵礦石，生成CO；再利用其熱能，CO完全燃燒成CO2產(chǎn)生高溫，作為熱源為礦石的還原和加熱提供熱量。同時，由于高料層的存在可防止直接還原鐵DRI被CO2再氧化。從而有效地提高了燃料利用率，降低燃耗。

       圖2所示為高溫高料層工藝示意圖[3]。該工藝的兩點關(guān)鍵問題是：1）傳熱，即熱量由上層球團傳遞到下層球團，從球團表面?zhèn)鬟f到球團內(nèi)部；2）DRI再氧化，防止DRI被氧化室的CO2和O2再氧化。正是由于同時采取了“高溫”和“高料層”的操作特點，可有效解決這兩個關(guān)鍵問題，從而實現(xiàn)“既燃料利用率高又金屬化率高”。

 

        圖1 理想的直接還原工藝                                            圖2 高溫高料層直接還原工藝原理示意圖

3 理論依據(jù)

3.1 高溫操作——加快傳熱，提高反應速度

         所謂高溫，即讓還原室產(chǎn)生的CO在氧化室完全燃燒，生成CO2。高溫操作具有如下四個優(yōu)點：
（1）提高燃料利用率，降低燃耗。
（2）有利于輻射傳熱。周知，球團與爐壁相對靜止的直接還原工藝中，熱量傳遞以輻射傳熱為主，而輻射傳熱量與溫度的四次方成正比。因此，提高溫度可大大提高熱輻射傳遞給爐料的熱量。
（3）加快球團收縮。前期研究表明[4]，熱量傳輸是整個工藝過程（包括質(zhì)量傳輸和熱量傳輸）的限制性環(huán)節(jié)。還原初期，上層球團很容易接受熱輻射傳遞的熱量，但下層球團難以直接獲得輻射傳熱。高溫條件下，有利于第一層球團還原后體積收縮，料層空隙度增大，則有利于對第二層球團的輻射傳熱，依次類推……因此，高溫可加快球團收縮，從而有利于給下層球團進行輻射加熱。還原后期底層球團所需要的熱量來自傳導和輻射傳熱的共同作用，此時上層球團的良好還原和收縮使DRI具有優(yōu)良的導熱性能。
（4）高溫有利于加快還原反應速度，提高生產(chǎn)效率。同時有利于鐵顆粒的長大，尤其適合于特殊礦石的冶煉。

3.2 高料層操作——防止DRI再氧化，提高金屬化率和生產(chǎn)效率

       傳統(tǒng)的球團與爐壁相對靜止的直接還原工藝由于傳熱方式以輻射傳熱為主，球團層數(shù)超過2層以后，輻射傳熱難以將熱量傳遞給2層以下的球團，因此生產(chǎn)工藝中的實際料層多數(shù)僅為1層或2層（圖3）。

                                                                           圖3 矮料層的直接還原示意圖
        矮料層操作（1～2層含碳球團，料層高度約20～25mm），存在燃料利用率與DRI再氧化之間的矛盾。即，（1）若提高燃料利用率，降低CO/CO2值，則DRI容易被再氧化，導致金屬化率低；（2）若為了防止再氧化，必須提高CO/CO2值，則燃料利用率降低，火焰溫度也隨之下降，難以保證傳熱，球團內(nèi)部還原不充分，導致金屬化率低。通常，矮料層操作時CO/CO2值約為2.0，火焰溫度1200℃～1350℃，燃料利用率約52%，但仍會有部分DRI被再氧化，導致金屬化率較低，通常低于70%。

        所謂高料層，即5～7層含碳球團，總高約80~120mm。高料層操具有如下優(yōu)點：
（1）防止DRI再氧化。下層球團還原產(chǎn)生的自下而上的CO氣流，對上層已還原的DRI具有保護作用，可防止DRI被CO2再氧化甚至熔化問題的發(fā)生。只有到還原后期時，若希望底層球團充分收縮，具有足夠的強度和密度，頂層球團才可能被部分氧化，使頂層球團金屬化率略有降低。
（2）煤氣完全燃燒成CO2。由于DRI可以被上升的CO保護，防止再氧化。因此整個工藝過程中，從料層（還原室）上升的CO可在氧化室完全燃燒成CO2，實現(xiàn)高溫操作，提供大量的熱量，可用于含碳球團的加熱和還原，或預熱空氣。因此，高料層操作可實現(xiàn)提高燃料利用率，降低燃耗。
（3）高料層操作可縮短每層的平均還原時間，有利于提高生產(chǎn)效率。

3.3 “高溫”和“高料層”必須同時采用

       該工藝過程中，高溫操作與高料層操作必須同時實現(xiàn)，二者缺一不可。

       若只有高料層沒有高溫，則傳熱速度慢，且上層DRI難以收縮，使得下層球團更難接收到輻射傳熱。
若只有高溫沒有高料層，則單層球團還原過程中缺乏自下而上的還原性保護氣氛，使得DRI在高溫條件下容易再氧化，進而熔化。

       因此“高溫”和“高料層”必須同時實現(xiàn)，二者缺一不可。正是這二者合力的共同作用，使得該工藝具有四高的特點：即高生產(chǎn)效率、高能源利用率、高金屬化率、高DRI強度和密度。

4 單料層試驗結(jié)果與分析

       為比較高料層與單料層在碳耗、生產(chǎn)效率和金屬化率等指標的區(qū)別，首先進行了單料層的直接還原試驗。試驗原料如表1、表2所示，膨潤土的添加量為：膨潤土/鐵精礦=1.5/100。試驗的相關(guān)參數(shù)為C/O=0.9，還原溫度為1200℃，球團尺寸為17~19mm，還原時間分別為15min、20min、25min、30min、35min、40min。試驗結(jié)果如圖4、圖5所示。

表1 鐵精礦化學成分，wt%

 

       由圖4可見，雖然單料層球團還原時間較長時，DRI可以明顯收縮，但由于還原后期球團表層沒有足夠的保護性氣氛，使得直接還原鐵被再氧化成FeO，與SiO2形成低熔點渣相，從而導致球團表面熔化，影響球團內(nèi)部的傳熱，金屬化率較低。

 
圖4 單料層還原后DRI照片

圖5 單料層還原后DRI的失重率與金屬化率

        由圖5可見，單料層球團的金屬化率隨時間的增加先增加后降低，最高金屬化率僅為51%。分析認為：

      （1）反應初始階段，球團反應速度較快，產(chǎn)生的由內(nèi)向外擴散的氣體產(chǎn)物CO比較多，可以保護球團，防止球團表層的直接還原鐵DRI被再氧化，因此金屬化率隨時間的增加而增加（圖6a）；

      （2）反應后期，球團的未反應核逐漸減少，反應速度降低，產(chǎn)生的由內(nèi)向外的CO保護氣逐漸減少，使得球團表層容易被再氧化，進而熔化，阻止熱量的進一步由外向內(nèi)傳遞。球團內(nèi)部還原速度較慢，外部再氧化速度較快，導致球團外部過還原，內(nèi)部卻沒還原好，使得DRI金屬化率隨時間的增加而降低（圖6b）。

 
圖6 單層球團直接還原示意圖

因此，單層球團的直接還原結(jié)果為：
（1）若球團內(nèi)部不充分還原，整個球團金屬化率低；
（2）若球團內(nèi)部充分還原，則表層DRI容易被再氧化，導致金屬化率低。
可見，單層球團的直接還原不但生產(chǎn)效率低，而且無法改變DRI金屬化率低的缺點。

5 高料層試驗結(jié)果與分析

5.1 還原過程中球團的收縮狀況

       試驗原料與單料層試驗相同。由于還原后DRI的收縮對料層的傳熱和下層球團的還原至關(guān)重要，為此本試驗考察了C/O=0.9，爐內(nèi)還原時間50min，還原后DRI的收縮情況。球團尺寸為17~19mm，球團層數(shù)為5層。試驗結(jié)果如圖7所示。由圖可見，前3層球團收縮后直徑為還原前球團的70~74%，第4層和第5層球團分別為還原前的80%和88%。相應的球團的橫截面積前3層為還原前的50~55%，第4層和第5層球團分別為還原前的64%和77%（橫截面積的收縮是直徑收縮的平方）。

       分析認為，熱量傳輸是整個工藝過程的限制性環(huán)節(jié)，DRI的收縮對料層傳熱至關(guān)重要。還原初期，熱量的傳遞方式是輻射傳熱，第一層球團經(jīng)還原體積收縮后，料層空隙度增大，有利于對第二層球團的輻射傳熱，依次類推……由圖8可見，球團良好的還原和收縮使得DRI料柱具有較大的空隙率，可以保證大量的熱量（高溫，輻射傳熱與溫度的四次方成正比）以輻射傳熱的方式傳遞給下層球團。而且，還原后期底層球團所需要的熱量來自輻射和傳導傳熱的共同作用，此時上層球團良好的還原和收縮使DRI具有優(yōu)良的導熱性能。

 
                                圖7 球團收縮情況                             圖8 層DRI收縮后照片

5.2 C/O對金屬化率的影響

        試驗參數(shù)：球團尺寸為17~19mm，球團層數(shù)為5層，料層總高度80mm，爐內(nèi)還原時間為50min，C/O分別為0.7、0.8、0.9，坩堝從爐內(nèi)取出后不拆開耐火材料。圖9所示為C/O對DRI金屬化率的影響。由圖可見，（1）C/O為0.7時因為還原劑量不足的原因?qū)е旅繉拥慕饘倩势毡槠停唬?）C/O為0.8與0.9時的金屬化率基本一致，1～4層球團金屬化率均達到90%以上，第5層球團金屬化率約為77%。出于降低碳耗的考慮，本試驗認為選擇C/O=0.8為最優(yōu)值。

 
                 圖9 C/O對DRI金屬化率的影響

5.3 還原時間對金屬化率的影響

         試驗參數(shù)：球團尺寸為17~19mm，球團層數(shù)為5層，料層總高度80mm， C/O為0.8，爐內(nèi)還原時間分別為45、50min，，坩堝從爐內(nèi)取出后不拆開耐火材料。圖10所示為還原時間對DRI金屬化率的影響。由圖可見，（1）對于45min和50min，前4層金屬化率都較高，相差不大，約90%；（2）還原時間為45min時，第5層球團金屬化率較低；還原時間為50min時，第5層球團金屬化率相對較高。

 
圖10 不拆耐火材料時還原時間對金屬化率的影響

        還原后球團的顯微照片如圖11所示。由圖可見，前3層球團還原后鐵晶粒發(fā)育比較完全，鐵粒較大，形成致密的金屬鐵球。第4層和第5層球團雖然金屬化率較高，但由于加熱速度慢，溫度較低，結(jié)構(gòu)疏松，制作顯微試樣時顆粒容易脫落，鏡下觀察到的鐵顆粒較小。

表3 單料層與多料層的指標比較

表4 燃氣爐試驗參數(shù)

 

 

圖12 往復式車底爐示意圖