摘要撰寫人 TsingHua  

出版日期： 2006年4月30日    

直接還原鐵可以作為電爐、高爐和轉(zhuǎn)爐的爐料。DRI代替優(yōu)質(zhì)廢鋼更適合于生產(chǎn)對氮和有害元素有 嚴(yán)格要求的鋼種,如用于石油套管、鋼絲繩、電纜線等的鋼種。近年,由于鋼鐵市場升溫,廢鋼資源呈現(xiàn)世界性緊缺。2003年,我國鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)回收的廢鋼鐵和非生產(chǎn)回收廢鋼鐵合計為1502萬t;而全年煉鋼消耗廢鋼與輔助煉鋼消耗廢鋼之和為4 750萬t。顯然,國內(nèi)的廢鋼缺口很大。未來幾年,隨著國際市場廢鋼資源的短缺,世界對廢鋼的 需求量將不斷增長。當(dāng)今,在廢鋼資源全球性緊缺、國際市場價格頻頻上揚的情況下,對于我國來 說,尋找廢鋼替代品已迫在眉捷。直接還原鐵和熱壓塊鐵是最好的廢鋼替代品。1直接還原煉鐵技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r2003年世界直接還原鐵總量為4900萬t。比2002年增加了10%,不同工藝所生產(chǎn)直接還原鐵所占份額如下:Midrex 為64.6%,HyLⅢ為18.4%,HyLⅠ為1.3%,Finmet為5.2%,其他氣 基為0.4%,煤基為10.2%。直接還原工藝根據(jù)還原劑不同可分為氣基和煤基。氣基直接還 原工藝中,豎爐Midrex、Arex(Midrex改進型)和HyLⅢ工藝、反應(yīng)罐法Hy LⅠ、流化床法Fior和Finmet工藝,都已獲得了工業(yè)應(yīng)用,流化床法Fior、Cir cored和碳化鐵法在工業(yè)上應(yīng)用不久就停產(chǎn)了。煤基直接還原法中,獲得工業(yè)應(yīng)用的有回轉(zhuǎn)窯 法和轉(zhuǎn)底爐法(Inmet-co、Fastmet、Sidcomet、DRylron),新 開發(fā)的多層轉(zhuǎn)底爐Primus工藝已于2003年2月投產(chǎn)。1.1氣基直接還原工藝氣基還原 工藝可分為使用球團礦或者塊礦的工藝和使用鐵礦粉的工藝。各種氣基直接還原鐵工藝發(fā)展?fàn)顩r如 表1所示。表1各種氣基直接還原鐵工藝發(fā)展?fàn)顩r工藝裝備工藝特點所用原料目前狀況研究發(fā)展F ior(委內(nèi)瑞拉)4個流化床反應(yīng)器生產(chǎn)能耗高于豎爐Midrex和HyLⅢ鐵礦粉Side tur廠于1976年投產(chǎn),1985年開始,年產(chǎn)量達(dá)到35萬t~41萬t。由于市場原因于 2000年停產(chǎn)。由委內(nèi)瑞拉和奧鋼聯(lián)進一步發(fā)展成FinmetFinmet(奧鋼聯(lián)和委內(nèi)瑞 拉)4個流化床反應(yīng)器鐵礦靠重力從較高反應(yīng)器流向較低反應(yīng)器直接使用礦粉,是Fior的進一 步改進,比Fior能耗低、人員需求少。與Fior相比,其還原氣體中H2含量少,CO沒被 氧化去。在Finmet工藝中,礦粉在流化床第一段被還原過程產(chǎn)生的熱氣體預(yù)熱,其較高的CO含量可以提高熱平衡,并使HBI的w(C)達(dá)3%。鐵礦粉:<12mm現(xiàn)已有兩個廠投產(chǎn)澳大利亞的BoodarieIron和委內(nèi)瑞拉的Orinoco Iron目前已生產(chǎn)了650萬tHBI目前,VAI正在開發(fā)新一代Finmet工藝:Finm etmegatrain,能力為110萬t,是當(dāng)前反應(yīng)裝置的2倍。Midrex(美國米德 蘭公司)豎爐、天然氣重整爐、熱壓塊機豎爐爐頂氣與天然氣混合,共同進入重整爐制取還原氣, 還原豎爐和制氣設(shè)備是相互聯(lián)系、相互影響的。對鐵礦含硫量有一定限制,否則含硫爐頂氣進入重 整爐將造成裂解催化劑失效。含碳球團、塊礦在世界各地獲得非常廣泛應(yīng)用,直接還原鐵產(chǎn)量在各 種工藝中占第1位,2003年比例為66.6%。已獲得工業(yè)廣泛應(yīng)用,在墨西哥、印度尼西亞 、委內(nèi)瑞拉、巴西、印度有多家生產(chǎn)廠,2003年在各種直接還原法產(chǎn)量中,占第二位,產(chǎn)量比 例為18.4%。HyLⅢ(墨西哥希爾薩公司)豎爐、天然氣重整爐、熱壓塊機可分為兩部分, 制氣部分和還原部分,這兩部分可以相互獨立。這點與Midrex不同。另,溫度和壓力比Mi drex高。可以處理含硫量較高的鐵礦。這也與Midrex不同。含碳球團或者塊礦HyL- ZR是HyLⅢ的進一步改進,沒有重整裝置。該工藝目前只在墨西哥Monterrey得以實 施。Arex(委內(nèi)瑞拉奧里諾科黑色冶金公司開發(fā))豎爐是Midrex的改進型,無重整裝置 ,豎爐集氣體重整與礦石還原于一體球團礦或者塊礦Megamod-Midrex直徑為7.5 m的豎爐、較大的重整爐年產(chǎn)量超過200萬t的Midrex工藝1.1.1使用球團礦或塊礦 的氣基直接還原工藝使用球團礦或者塊礦的有豎爐法Midrex、HyLⅢ、Arex和罐式爐 HyLⅠ。目前,Midrex和HyLⅢ是成熟的工藝,在委內(nèi)瑞拉、印度、加拿大、美國、伊 朗、沙特阿拉伯等已獲得了廣泛應(yīng)用。Midrex主要生產(chǎn)廠有33座。1994年以來投產(chǎn)的 生產(chǎn)廠逐步大型化,每套年產(chǎn)能大都在100萬t左右。如表2所示。HyLⅢ是希爾薩公司在H yLⅠ基礎(chǔ)上開發(fā)出的高壓逆流式移動床工藝,20世紀(jì)80年代開始在工業(yè)上應(yīng)用。世界上主要生產(chǎn)廠有12座。近年新投產(chǎn)的設(shè)備年產(chǎn)能都約為100萬t。如表3所示。表21994年以來投產(chǎn)的Midrex生產(chǎn)廠生產(chǎn)廠年生產(chǎn)能力/萬t產(chǎn)品投產(chǎn)年印度Ispat工業(yè) 公司100DRI1994埃及ANSDKⅡ80DRI1997墨西哥IMEXSA120DRI1997美國AmericanIronReduction120DRI1997委內(nèi)瑞拉COMSIGVA100HBI1998rinidad&Tobago,Ispat DR3136DRI1999南非撒旦哈(Saldanha)80.4DRI1999埃及ANSDKⅢ80DRI2000 HyL-ZR是新開發(fā)的無重整裝置的直接還原工藝,目前為止該工藝只在墨西哥蒙特雷(Mont errey)得以實施。其天然氣在豎爐內(nèi)發(fā)生部分燃燒,通過控制而產(chǎn)生合乎要求的還原氣體,從而對鐵礦石進行還原;而傳統(tǒng)HyLⅢ工藝一般在添加蒸汽條件下使天然氣在催化重整器中裂表31999年以來投產(chǎn)的HyLⅢ生產(chǎn)廠生產(chǎn)廠年生產(chǎn)能力/萬t產(chǎn)品投產(chǎn)年墨西哥蒙特雷Hylsa 4M67.5DRI1998沙特阿拉伯HadeedⅢ110DRI1999俄羅斯LebedinskyGOK90HBI1999委內(nèi)瑞拉DOSVEN150(兩套設(shè)備)HBI2000解。為了獲得 w(H2)達(dá)80%的還原氣體,通過洗滌去除CO2。Megamod廠的Midrex設(shè)備是 大型的Midrex設(shè)備,如今直接還原鐵年產(chǎn)量超過170萬t,生產(chǎn)率超過220t/h。直 徑為8m的豎爐年產(chǎn)直接還原鐵能力270萬t。1.1.2氣基粉礦直接還原工藝在直接還原生 產(chǎn)中,采用細(xì)礦粉的直接入爐與塊礦和球團礦相比其原料成本具有明顯優(yōu)勢。氣基粉礦直接還原一 般都采用化床工藝。很長時間以來,獲得商業(yè)應(yīng)用的粉礦直接還原鐵工藝只有Fior工藝(如表 1所示)。Finmet工藝是Fior工藝的進一步發(fā)展<1>,是基于粒度小于12mm的粉 礦的氣體直接還原工藝。已經(jīng)有兩個工業(yè)廠投產(chǎn),年設(shè)計產(chǎn)能都超過200萬t熱壓塊鐵。兩個廠2003年共產(chǎn)163萬tHBI。1.1.3氣基直接還原工藝工業(yè)生產(chǎn)結(jié)果表4中匯總了氣基直接還原的一些工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù) <2>。Midrext和HyLⅢ工藝的天然氣消耗為9.7~10.7GJ/t,而Finm et為13.3GJ/t。對這些工藝來說重要的是天然氣的價格。而Finmet工藝使用更便 宜的粉礦,補償了較高的天然氣消耗。表4氣基直接還原工藝的操作結(jié)果礦石或球團礦/(kg· t-1)塊礦/(kg·t-1)粉礦/(kg·t-1)天然氣/(GJ·t-1)電功率/(kW·t-1)氧/(m3·t-1)產(chǎn)品Midrex1200 300-9.7 93.0 30DRI/HBIHyLⅢ1 181 295-10.7 98 34DRI/HBIFinmet--1 500 13.3 165-HBI1.2煤基直接還原在煤基直接還原工藝中,已獲得工業(yè)應(yīng)用的有回轉(zhuǎn)窯和轉(zhuǎn)底爐工 藝。表5表示主要煤基直接還原工藝的發(fā)展現(xiàn)狀<3~6>。轉(zhuǎn)底爐由于反應(yīng)速度快、原料適應(yīng)性 強等特點,近年來得到了快速發(fā)展。轉(zhuǎn)底爐工藝有許多種,包括Inmeto、Fastmet、Comet、Sidcomet、IDI(IronDynamics Inc)I、TMK3、DRyIron等。表5主要煤基直接還原工藝的發(fā)展現(xiàn)狀工藝裝備工藝特 點所用原料目前狀況研究發(fā)展Primus(盧森堡PaulWurth)多層轉(zhuǎn)底爐、熔融爐兩 段式工藝,除了轉(zhuǎn)底爐外,還有熔融爐,能直接生產(chǎn)出鐵水煤粉與礦粉在爐內(nèi)混合,該工藝能把Z n、Pb、堿金屬等與鐵分開鐵礦粉、煤粉鐵屑、鋼鐵廠粉塵已完成工業(yè)試驗?zāi)壳氨R森堡Diff erdange已投產(chǎn)8.2萬t/a的裝置,處理含鐵廢料。直徑8.3m,8層RedSme lt(德國和意大利)造球裝置、轉(zhuǎn)底爐裝置和埋弧爐熔融還原裝置這是三段工藝的直接還原,造 球和轉(zhuǎn)底爐裝置相當(dāng)于轉(zhuǎn)底爐技術(shù),埋弧爐可把熱態(tài)DRI熔融成鐵水和渣,產(chǎn)能大于30萬t鐵 精礦粉,或者含鐵廢料制成的球團,專門為處理金屬廢料開發(fā)Ellwood廠于1978年投產(chǎn)年處理廢料2.5萬t的工廠。SMSDemag目前正在開發(fā)RedSmeltNST工藝,即用氧/煤基熔融裝置代替埋弧爐,降低成 本。DRyIron轉(zhuǎn)底爐、干壓塊機、DRI冷卻機無粘結(jié)劑的礦煤干壓塊、轉(zhuǎn)底爐單層裝料和溫度控制在1288℃的高溫輻射加熱。常規(guī)鐵礦粉或者含鐵廢料、焦粉第一個DRyIron設(shè)備是新日鐵在光 廠建設(shè)以處理殘渣的Fastmet(美國和神戶合作開發(fā))轉(zhuǎn)底爐、球團裝置使用冷固結(jié)球團, 取消了高溫氧化球團環(huán)節(jié)。反應(yīng)速度快,生產(chǎn)效率高。產(chǎn)品質(zhì)量差,全鐵含量低,脈石含量高,脫 硫能力較差,所以產(chǎn)品硫含量過高。粒度為8~12mm的自還原球團2000年新日鐵在廣畑廠 投產(chǎn)了一條年產(chǎn)能達(dá)19萬t的Fastmet工藝來處理殘渣。2000年以來,又在君津廠投 產(chǎn)了兩座轉(zhuǎn)底爐,一座處理低鋅灰塵,另一座處理高爐瓦斯灰和轉(zhuǎn)爐塵。其年處理循環(huán)料的能力均 為18萬t。2001年又在神戶的和歌山廠投產(chǎn)一年產(chǎn)能14萬t的轉(zhuǎn)底爐設(shè)備來處理富鋅冶金爐塵。

　　•小高爐噸鐵風(fēng)耗在1300m3以上，個別的達(dá)到1500m3。

　　鼓風(fēng)機每產(chǎn)生1m3風(fēng)，要消耗0.085 kgce/t的能量。寶鋼等企業(yè)4000m3級高爐的風(fēng)耗在950m3/t左右。小高爐因風(fēng)耗高于大高爐350m3/t左右風(fēng)耗，在能源消耗上就要比大高爐高出25.28 kgce/t能耗。

　　中小高爐一般是采用大風(fēng)機、大風(fēng)量，進行高強度冶煉，來獲得高利用系數(shù)。這就造成了噸鐵風(fēng)量偏高的結(jié)果。煉鐵學(xué)基本理論表明：高爐利用系數(shù)=冶煉強度÷燃料比。在冶煉強度低于1.2t/m3•d時，提高冶煉強度，來實現(xiàn)高系數(shù)是對的。對于冶煉強度已經(jīng)是高于1.2 t/m3•d冶煉強度條件下，再通過提高冶煉強度來實現(xiàn)高利用系數(shù)，是不科學(xué)的高爐操作方針。因為這種做法提高利用系數(shù)是有限的，同時會造成燃料比的迅速提高。這對于煉鐵節(jié)能減排和降低生產(chǎn)成本是不利的。這時，就應(yīng)采取降低燃料比的操作方針來實現(xiàn)高利用系數(shù)。太鋼、寶鋼、首鋼、武鋼等企業(yè)的高爐燃料比是在500kg/t以下，而高爐利用系數(shù)可在2.5 t/m3•d左右，噸鐵風(fēng)量是在930～1100m3/t，這是一種科學(xué)的高爐操作方針。

　　•小高爐爐頂壓力一般在100kPa以下，而寶鋼大高爐頂壓在235kPa左右，相差135kPa。爐頂壓力提高10kPa可降燃料比0.3%～0.5%，相當(dāng)于1.15kgce/t左右能耗。相差135kPa的小高爐爐頂壓力，會使煉鐵能耗上升15.578kgce/t。

　　•小高爐的生鐵含Si量一般控制在0.8%左右，而大高爐一般是在0.4%左右，相差0.1%左右。生鐵含Si下降0.1%，可使高爐焦比下降4kg/t，相當(dāng)于4kgce/t能耗。

　　•小高爐煤氣中CO2含量在18%左右，大高爐在22%左右，寶鋼高爐可達(dá)24.47%。CO2含量升高0.5%，可降工序能耗8.5kgce/t。小高爐比大高爐CO2含量約低4%，造成能耗高24kgce/t。

　　•高爐冷卻設(shè)備和爐體散熱占高爐總支出熱量的6.96%。小高爐單位容積的比表面積肯定要比大高爐要大。因此，小高爐的煉鐵能耗要比大高爐的能耗高出80～90kPa。鑒于這個科學(xué)分析的結(jié)果，我們從節(jié)能減排和降低煉鐵成本的角度出發(fā)，就不應(yīng)再為小高爐唱贊歌了，應(yīng)當(dāng)為促進我國向高爐大型化發(fā)展做出努力。

　　這里還存在對小高爐利用系數(shù)高的誤區(qū)。小高爐是采取小爐容、大爐缸的設(shè)計圖紙制造。這就造成小高爐利用系數(shù)高于大高爐的假象?？茖W(xué)評價高爐利用系數(shù)要用爐容除以爐缸面積這個指數(shù)來進行計算。寶鋼高爐這個指數(shù)是在28.25，臨鋼和三明380m3高爐的這個指數(shù)為17.89。如果以2007年寶鋼利用系數(shù)為2.39 kgce/t，做為基準(zhǔn)值。我們采用上述指數(shù)進行計算，可得出，臨鋼380m3高的3.39 kgce/t系數(shù)進行換算后，也就相當(dāng)于寶鋼高爐的2.14 t/m3•d [（3.39×17.89÷28.25=2.14]。

　　2） 小轉(zhuǎn)爐煤氣和蒸氣回收裝置配置不齊全，或回收量少，使二次能源丟失

　　大轉(zhuǎn)爐可回收煤氣100m3/t，蒸氣50kg/t，實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐煉鋼能耗為負(fù)值，可回收28.5kgce/t左右的二次能源。我國小于20t以下的轉(zhuǎn)爐，一般沒有煤氣和蒸氣回收裝置，也就是不對二次能源進行回收利用。小轉(zhuǎn)爐鋼水質(zhì)量不穩(wěn)定，爐外精煉設(shè)備配置率低，生產(chǎn)的鋼材也不是高附加值的品種。

　　3） 生產(chǎn)流程連續(xù)化、緊湊化可節(jié)能

　　•煉鋼廠不設(shè)混鐵爐，鐵水直接去煉鋼，可使鐵水物理熱損失減少。

　　•鋼坯進行熱送熱裝，進行直接軋制，可實現(xiàn)軋鋼節(jié)能30%以上。

　　•生產(chǎn)流程連續(xù)化、緊湊化可減少物流過程中的損失，有間接節(jié)能的效果。

　　3.6高技術(shù)含量產(chǎn)品的生產(chǎn)能耗一般要高于簡單產(chǎn)品

　　寶鋼、武鋼等企業(yè)的高技術(shù)含量產(chǎn)品比例較高，鋼材加工有熱軋、冷軋、涂鍍層等工藝。這些企業(yè)的噸鋼綜合能耗是一般要高于只生產(chǎn)普通螺紋鋼筋的企業(yè)。