熔融還原煉鐵是當(dāng)代冶金工業(yè)前沿技術(shù)之一，它的開發(fā)應(yīng)用是對傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝的根本性變革。
高爐煉鐵系統(tǒng)(包括焦化、燒結(jié)、高爐)經(jīng)過幾百年應(yīng)用發(fā)展，具有技術(shù)完善、生產(chǎn)量大、設(shè)備壽命長等優(yōu)點(diǎn)。但其流程長、投資大、污染嚴(yán)重、靈活性差，尤其是世界煉焦煤資源日益匱乏，在量與質(zhì)上都難以滿足高爐煉鐵需要，促使人們開發(fā)新的煉鐵工藝。
COREX熔融還原煉鐵工藝是近年已趨成熟的新型煉鐵生產(chǎn)方法，它不僅能使用非煉焦煤直接煉鐵，而且工藝流程短、投資省、生產(chǎn)成本低、污染少、生產(chǎn)的鐵水質(zhì)量能與高爐鐵水相媲美；能夠利用排出的過程煤氣在豎爐中生產(chǎn)海綿鐵，替代優(yōu)質(zhì)廢鋼供應(yīng)電爐煉鋼。這對沒有條件采用天然氣氣基豎爐法大量生產(chǎn)海綿鐵的我國來說，其更具意義。
目前，全世界已投產(chǎn)和在建的COREX裝置七座，到1998年COREX熔融還原煉鐵將年產(chǎn)鐵水500萬t，約占世界生鐵產(chǎn)量的1 %。
COREX熔融還原煉鐵過程在兩個反應(yīng)器中完成。即上部的預(yù)還原豎爐，將鐵礦石還原成金屬化率92 %～93 %的海綿鐵；下部的熔融氣化爐，將海綿鐵熔煉成鐵水，同時發(fā)生還原煤氣［1］。
COREX工藝的鐵礦石預(yù)還原豎爐是一個活塞式反應(yīng)容器。鐵礦石從上部裝入，設(shè)在豎爐底部的螺旋排料器控制其向下移動的速度。熱還原煤氣從豎爐下部輸入，礦石被煤氣加熱并發(fā)生還原反應(yīng)。鐵礦石經(jīng)6～8 h變成海綿鐵，經(jīng)螺旋排料輸送器輸入下方的熔融氣化爐。
熔融氣化爐是一個氣—固—液多相復(fù)雜的煉鐵移動床反應(yīng)容器。煤由速度可控的螺旋給料器加入爐內(nèi)，與溫度1100 ℃以上的還原氣體接觸，在向下移動過程中被干燥和熱解，脫除揮發(fā)分，逐步成為半焦直至焦炭。在熔融氣化爐的底部形成一個類似高爐的死料柱。由均勻分布于爐缸圓周的26個風(fēng)口氧槍吹入氧氣，在風(fēng)口區(qū)燃燒產(chǎn)生2000 ℃以上高溫，使海綿鐵進(jìn)一步還原熔化、過熱、渣鐵分離，從鐵口排出。
爐頂排出的1100 ℃左右的煤氣中，含有95 %(CO+H2)，1 %CH4，還有N2等。混入20 %凈化冷煤氣，使煤氣溫度降到900 ℃左右，經(jīng)熱旋風(fēng)除塵器，將含塵量從100～200 g/m3降至20 g/m3左右，除塵后的850 ℃煤氣輸入豎爐作還原氣。爐塵返吹入熔融氣化爐。
為使鐵水成分滿足煉鋼要求，需按造渣成分和堿度要求在預(yù)還原豎爐中加入石灰石、白云石和硅砂等熔劑，以使碳酸鹽的預(yù)熱和部分分解在還原豎爐完成，然后隨海綿鐵一起加入熔融氣化爐。
COREX C—1000、C—2000裝置生產(chǎn)實(shí)踐表明，為使?fàn)t況穩(wěn)定、順行，達(dá)到高產(chǎn)、低耗，加入爐內(nèi)熔煉的原、燃料都應(yīng)有一定的理化性能要求［2］。
(1) 鐵礦石
COREX工藝可以用塊礦、球團(tuán)礦或者兩者的混合礦作為原料，其主要物化性能要求見表1。
表 1 COREX工藝對鐵礦石的主要物化性能要求
Table 1 Main data of ore for COREX
原料名稱 TFe/% 粒度/mm
允許 選優(yōu) 允許 選優(yōu) (＜6 mm)/%
球團(tuán)礦 ≥58 62～66 6～30 8～16 ＜5
塊礦 ≥55 62～66 6～30 8～20 ＜5
COREX還原豎爐要求料柱有良好的透氣性，降低爐內(nèi)壓力降，以利于氣流分布，所以控制入爐原料粒度在6～30 mm，最好為8～20 mm。還原過程中，礦石產(chǎn)生碎裂和磨損。所以，在礦石入爐前應(yīng)測試礦石的還原性，碎裂性和還原后強(qiáng)度。以選擇還原后強(qiáng)度好的礦石入爐。
COREX工藝要求礦石的鐵含量：塊礦＞55 %，球團(tuán)礦＞58 %，礦石中的TiO2的含量應(yīng)加以限制，以免爐渣粘度升高。表2是ISCOR公司和POSCO公司的COREX爐使用的鐵礦石種類與化學(xué)成分［3］。
表 2 COREX工藝的鐵礦石種類與化學(xué)成分 %
Table 2 Chemical composition and ore type for COREX %
名稱 ISCOR公司 POSCO公司
Thabaimbi
塊礦 Sishen
塊礦 CVRD
球團(tuán) Newman
塊礦 Algarrobo
球團(tuán) CVRD
球團(tuán) Peru
球團(tuán)
Fe 62.9 66.0 64.22 64.3 65.2 65.75 65.50
SiO2 5.2 2.8 2.9 3.04 2.1 2.52 3.60
Al2O3 0.8 1.0 0.6 1.04 0.53 0.56 0.47
CaO 0.9 0.2 3.9 1.3 2.63 2.5 0.47
MgO 0.5 0.1 0.3 0.11 0.05 0.04 0.82
K2O 0.09 0.13 0.01 ＜0.02 ＜0.02 ＜0.02 0.1
P 0.05 0.04 0.03 0.06 0.02 0.03 0.008
S 0.01 0.03 0.01 0.007 0.006 0.01 0.007
(2) 煤
COREX工藝可以使用范圍很廣的非煉焦煤，評估煤質(zhì)的主要指標(biāo)包括揮發(fā)分、固定碳和灰分。其要求列于表3。
表 3 COREX工藝用煤質(zhì)量要求 %
Table 3 Coal quality for COREX %
項(xiàng) 目 普通值 優(yōu)選值
固定碳
揮發(fā)分
灰分 ＞55
＜35
＜25 60～75
20～30
5～12
水分 干燥前
干燥后 ＜12
＜5 5～10
3～5
硫 ＜1 0.4～0.6
粒度/mm 0～50 8～50
表4是目前COREX工藝使用的煤種和成分。
寶鋼鋼研所與東北大學(xué)做的COREX熔融還原煉鐵熱模擬試驗(yàn)中，采用陽泉煤、大同煤和神府煤組成的混合煤，結(jié)果表明，這三種煤以一定配比混合，可以得到比較理想的COREX工藝用煤。
表 4 COREX工藝用煤成分 %
Table 4 Coal composition for COREX %
ISCOR公司 POSCO公司
Delmas
煤 Wolvekrans
煤 Mount Thorley
煤 South Blackwater
煤
濕分 5 3 2.56 2.69
灰分 15.2 13.3 10.0 9.0
揮發(fā)分 28.0 28.0 33.0 26.0
固定碳 56.8 58.7 57.0 65.0
硫 0.7 0.6 0.44 0.45
4 COREX工藝的特點(diǎn)
COREX熔融還原煉鐵工藝，采用了成熟的氣基豎爐法海綿鐵生產(chǎn)技術(shù)和高爐煉鐵技術(shù)。COREX工藝的預(yù)還原豎爐部分相當(dāng)于高爐爐身中、上部，熔融氣化爐部分相當(dāng)于高爐的爐缸與爐腹部分并向上延伸。截去了高爐的爐身下部和爐腰部分，避免了高爐內(nèi)影響料柱透液性、透氣性和氣流分布的軟熔帶的產(chǎn)生，為COREX工藝直接使用非煉焦煤煉鐵創(chuàng)造了條件。
4.1 爐缸形成死料柱
COREX熔融氣化爐中部以下有煤、半焦和海綿鐵組成的料柱，下部有半焦和焦炭組成的死料柱。死料柱的存在，使熔化后的渣鐵在高溫區(qū)與焦炭的接觸時間增加，鐵水溫度升高，鐵、硅還原，滲碳、脫硫等反應(yīng)有條件充分進(jìn)行。
分析料柱結(jié)構(gòu)表明，爐缸的焦炭量隨著固定床深度的增加而增加。和高爐死料柱的作用一樣，死料柱在爐缸起到碳源作用，提供鐵水碳飽和及降低渣中殘余FeO所需要的碳。
4.2 爐塵回收，返入熔融氣化爐
煤在熔融氣化爐加熱脫除揮發(fā)分的氣化過程中，產(chǎn)生含碳粉塵，并被煤氣帶離氣化爐。煤氣經(jīng)除塵，控制還原氣含塵量在一定范圍內(nèi)?；厥盏臓t塵在爐體適當(dāng)位置返吹入熔融氣化爐。這樣，可以防止?fàn)t塵堆積，而且可通過調(diào)節(jié)吹氧量使?fàn)t塵燃燒產(chǎn)生的熱量將爐頂溫度控制在1100 ℃左右，使氣相中的焦油、苯等高分子碳?xì)浠衔锓纸鉃镠2、CO。所以，爐塵回收系統(tǒng)也是COREX工藝的無污染操作。
4.3 粒度分布與煤氣流控制
以爐料與煤氣相向運(yùn)動為基礎(chǔ)的豎爐還原，保持料柱的一定空隙率，煤氣流的低壓降，可防止懸料，增加煤氣流通量，礦石得到充分還原。為此，除嚴(yán)格控制礦石粒度和還原氣的含塵量外，還要盡量減少礦石在加熱還原過程中的碎裂現(xiàn)象。
4.4 環(huán)境污染小
由于COREX工藝用煤直接煉鐵，基本不需要焦炭，避免了冶金工廠的主要污染部分(焦?fàn)t)，工藝過程緊湊。尤其是沒有了煉焦過程的焦煤裝爐、出焦、爐門密封不嚴(yán)造成的煤氣泄漏，使COREX熔融還原煉鐵成為環(huán)境保護(hù)十分可取的煉鐵工藝。以高爐—焦?fàn)t—燒結(jié)工藝排出的有害物質(zhì)為100 %計(jì)，則COREX熔融還原煉鐵工藝的排放量為：
SiO2 爐塵 NO2 苯酚
3.8 % 10.7 % 10.5 % 0.04 %
硫化物 氰化物 氨
0.01 % 5.0 % 8.2 %
環(huán)境質(zhì)量大為改善。
4.5 生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)好
COREX熔融氣化爐和還原豎爐都采用高壓操作，壓力400 kPa左右，鐵水成分比較穩(wěn)定且易控制，［Si］的含量為0.1 %～0.2 %，平均［S］的含量為0.025 %，但有時受原料影響波動大。
1996年7月浦項(xiàng)(POSCO)鋼廠COREX C—2000［4］生產(chǎn)的鐵水溫度：1500～1540 ℃(平均1510 ℃)；鐵水成分：［C］4.2 %～4.8 %，［S］0.015 %～0.030 %；作業(yè)率96.5 %；月產(chǎn)量5.7 萬 t鐵水；輸出煤氣量：145000 m3/h(熱值7500 kJ/m3)。煤氣成分中CO、H2、CH4、CO2、H2S分別為35 %～45 %、15 %～20 %、1 %、35 %、(10～70)×10-6，其余為N２、H２O；含塵量＜5 mg/m3。
生產(chǎn)1 t鐵水的原、燃料及動力消耗：
鐵礦石： 1480 kg；
煤：990 kg(澳大利亞進(jìn)口的高低揮發(fā)分煤各占一半，包括3 %～10 %焦炭)；
熔劑：325 kg；
氧氣：560 m3；
渣量：約340 kg。
4.6 流程短、投資省、生產(chǎn)成本低
COREX熔融還原煉鐵工藝，已有COREX C—1000、C—2000兩套裝置的9年和2年生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。與焦?fàn)t—燒結(jié)—高爐工藝流程相比，其工序少、流程短。由圖2可以看出，COREX工藝從礦石到煉出鐵水僅需10 h，而高爐工藝需要25 h。由于設(shè)備重量減少一半，投資費(fèi)用少20 ％，生產(chǎn)成本低10 %～25 %。
南非ISCOR公司COREX的生產(chǎn)成本比產(chǎn)量相當(dāng)?shù)腜retoria高爐低34 %，比ISCOR Vanderbilpark廠高爐(9000 t/d)低18.8 %，比ISCOR Newcastle廠高爐(5000 t/d)低38 %。
寶鋼三期工程后設(shè)計(jì)中所做的高爐生產(chǎn)成本為噸鐵1004.5元。北侖鋼廠預(yù)可行性研究計(jì)算COREX熔融還原煉鐵的鐵水生產(chǎn)成本每噸為937元。DRI生產(chǎn)成本為1030元。
能耗，按標(biāo)煤折算系數(shù)為0.875 t，寶鋼1994年1～3號高爐系統(tǒng)噸鐵生產(chǎn)實(shí)績：0.5895 t(標(biāo)煤)，寶鋼4號高爐(方案)系統(tǒng)：0.5758～0.5846 t(標(biāo)煤)，寶鋼COREX—Midrex(方案)系統(tǒng)：0.5262 t(標(biāo)煤)。
圖 2 傳統(tǒng)鋼廠與短流程鋼廠生產(chǎn)過程的溫度曲線和需要時間比較
Fig.2 Comparison of temperature curves and production times in production
between conventional integrated mill and integrated compact mill
(a)傳統(tǒng)流程鋼廠；(b)基于COREX和CONROLL的短流程鋼廠
顯然，COREX熔融還原的基建投資、生產(chǎn)成本、能源消耗等都要比傳統(tǒng)的高爐系統(tǒng)為低。
5 COREX過程煤氣的利用
COREX C—2000輸出煤氣145000 m3/h，熱值約7500 kJ/m3，(CO+H2)含量達(dá)60 %～65 %，是寶貴的二次能源。可用來發(fā)電，生產(chǎn)海綿鐵、化工產(chǎn)品或作為燃料。我國缺少天然氣生產(chǎn)海綿鐵的條件，基本上靠煤基回轉(zhuǎn)窯法生產(chǎn)海綿鐵，設(shè)備能力不足40萬t/a，供需矛盾突出，市場缺口極大。所以，利用COREX過程煤氣生產(chǎn)海綿鐵是適合我國國情的最佳選擇。圖3是利用COREX工藝過程煤氣生產(chǎn)海綿鐵(DRI)的流程圖。
COREX預(yù)還原豎爐排出的尾氣，經(jīng)除塵、變壓吸附法(PSA)或化學(xué)吸收法脫除CO2，接著通過換熱器與還原氣部分燃燒法加熱，輸入豎爐的還原煤氣(CO+H2)＞90 %，氧化度(H2O+CO2)/
(CO+H2+CO2+H2O)＜5 %，溫度達(dá)到豎爐還原工藝要求≥850 ℃。使用TFe≥67 %的鐵礦石，可生產(chǎn)出
TFe≥90 %，金屬化率達(dá)到92 %～93 %的優(yōu)質(zhì)海綿鐵。
正在建設(shè)中的韓寶公司兩座COREX C—2000年產(chǎn)150萬t鐵水，同時利用過程煤氣年產(chǎn)83萬 t海綿鐵。印度京達(dá)爾(JINDAL)廠兩座COREX C—2000年產(chǎn)153萬 t鐵水，南非撒達(dá)那(SALDANHA)廠一座COREX C—2000年產(chǎn)65萬 t鐵水，這兩家工廠都利用COREX過程煤氣生產(chǎn)與鐵水產(chǎn)量相等的海綿鐵。
圖 3 COREX工藝過程煤氣用于海綿鐵流程
Fig.3 COREX use of the export gas combined production of hot metal and DRI
(a)COREX煉鐵廠；(b)直接還原鐵廠
6 COREX熔融還原煉鐵發(fā)展前景
COREX熔融還原煉鐵是目前唯一使用非煉焦煤直接生產(chǎn)鐵水的非高爐工業(yè)化煉鐵方法。它拓寬了冶金用煤范疇，可用塊礦、球團(tuán)礦或其混合礦作原料，鐵水質(zhì)量與高爐法相同，生產(chǎn)海綿鐵可替代優(yōu)質(zhì)廢鋼滿足電爐冶煉純凈鋼的需要，生產(chǎn)過程發(fā)生有害氣體少。小規(guī)模生產(chǎn)廠
(30萬t/a)也能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，取得經(jīng)濟(jì)效益。COREX C—3000的設(shè)計(jì)正在進(jìn)行，其產(chǎn)量將達(dá)到90～120萬t/a，必將會顯示規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)越性。
COREX熔融還原煉鐵工藝尤其適用于煉焦、燒結(jié)能力不夠的鋼廠擴(kuò)大生產(chǎn)能力，替代中、小型高爐，或者大城市附近有鋼無鐵，鋼多鐵少的老廠優(yōu)化結(jié)構(gòu)。
COREX是正在發(fā)展，漸趨成熟的熔融還原煉鐵工藝，也存在著不足之處：如要求使用強(qiáng)度好的塊礦、球團(tuán)礦和塊煤，粉礦、粉煤需經(jīng)造(壓)塊才能入爐使用；雖然采用全氧煉鐵，沒有了高爐的軟熔帶，但利用系數(shù)還不夠理想，未能達(dá)到預(yù)想的全氧煉鐵強(qiáng)化程度；隨制氧產(chǎn)生的大量氮?dú)狻⑾∮袣怏w的充分使用等尚須研究開發(fā)。
參 考 文 獻(xiàn)
1 Kepplinger W,et al.COREX Symposium.1990，5～20.
2 石啟榮，胥昌第，等.關(guān)于南非熔融還原煉鐵工藝(COREX法)的技術(shù)考察報(bào)告.1993.9.
3 Woedlinger R.Recent Developments in COREX Technology,1996.4.
4 VAI.COREX STATUS REPORT,1996.10.
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