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Development activities of direct reduction technology

作者：1 發(fā)布時(shí)間：2010-04-02 文字大?。?span id="da">【大】【中】【小】
          由于世界對(duì)鋼鐵需要量的增大和美國等國家煉焦?fàn)t設(shè)備的老化及發(fā)展中國家對(duì)鋼鐵需要量的增加造成電爐短流程鋼廠的增加，還有劣質(zhì)廢鋼的增加造成廢鋼質(zhì)量的下降，因而導(dǎo)致了對(duì)還原鐵需要量的增加。在這種情況下，對(duì)還原鐵生產(chǎn)技術(shù)的主要課題進(jìn)行了研究開發(fā)，如提高還原鐵生產(chǎn)率、節(jié)省能耗和降低煉鋼成本等。

1.1提高還原鐵的生產(chǎn)率
一般來說，通過生產(chǎn)設(shè)備的大型化可達(dá)到提高生產(chǎn)率的目的。回轉(zhuǎn)窯和轉(zhuǎn)底爐由于在高溫部裝有驅(qū)動(dòng)裝置，因此設(shè)備的大型化受到限制。另外，由于還原鐵的生產(chǎn)主要是MIDREX和HYL這兩大工藝，因此至今只是向豎爐的連續(xù)化和大型化方向發(fā)展。
  提高生產(chǎn)率的方法之一是提高噴吹還原氣體的溫度可以提高還原速度。豎爐在高溫下的操作課題之一是還原鐵的粘結(jié)性，但在混合使用球團(tuán)礦和塊礦或在球團(tuán)礦表面裹上石灰系氧化物情況下，就可以在900°C以上的溫度中進(jìn)行還原。

1.2高溫還原鐵的直接裝入技術(shù)
電爐短流程鋼廠和發(fā)展中國家為降低鋼鐵的生產(chǎn)成本，開發(fā)了將還原鐵在高溫下裝入煉鋼爐的技術(shù)。其代表性工藝有HYL法的HYTEMP工藝和MIDREX法的HOTLINK工藝。采用這些技術(shù)后能把在650－700°C排出的還原鐵直接裝入電爐。根據(jù)采用HYTEMP工藝的示范工廠的操作結(jié)果可知，電爐使用了750°C的還原鐵后，電耗和電極消耗都降低了19%，生產(chǎn)率提高了16%。

  1.3提高還原鐵中的含炭量
 在最近的電爐操作中，有人提出通過吹O2能使還原鐵中的碳含量（通常為1%－2%C）再增加0.5個(gè)百分點(diǎn)左右。為利用鐵浴中C的氧化熱來減少熔化所耗的電力，因此有的電爐短流程廠對(duì)碳含量的要求更高，試生產(chǎn)了含碳量為4%左右的還原鐵。還有的開發(fā)了一種新的噴吹工藝，即在提高還原氣體溫度的同時(shí)，除了噴吹通常的還原氣體外，還噴吹部分天然氣用氧進(jìn)行燃燒。

1.4生產(chǎn)碳化鐵球團(tuán)礦
1994年底，Nucor公司開始進(jìn)行了碳化鐵生產(chǎn)工藝的工業(yè)性生產(chǎn)，它是采用流化床把粉礦石直接制成碳化鐵。這種碳化鐵具有不容易發(fā)生再氧化、處理性好和在煉鋼階段的熔化性好等優(yōu)點(diǎn)，因此有可能給以電爐短流程鋼廠為主的新鐵源供給狀況帶來巨大變革，它已引起了世界的關(guān)注，曾研究過要建幾個(gè)廠。Nucor工藝雖經(jīng)數(shù)年的努力研究，但由于無法達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)，因此在1999年1月就停止了工業(yè)性生產(chǎn)。
       日本在研究碳化鐵穩(wěn)定生成條件的同時(shí)，為抑制碳化鐵生成過程中碳的析出，使碳化鐵能在較大的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定生產(chǎn)，因此在還原氣體中添加了極少量的硫黃，取得成效。據(jù)此研究了直徑為數(shù)十毫米的球團(tuán)狀碳化鐵的生產(chǎn)工藝。研究證明，這種球狀碳化鐵在熔化試驗(yàn)中的熔化合格率高。從θ相（Fe3C)的生成狀況來看，只要大約1.7h就能完全生成碳化鐵。這種碳化鐵球團(tuán)的處理性比用流化床生產(chǎn)的細(xì)粒碳化鐵好得多，在電爐使用時(shí)的優(yōu)點(diǎn)很多。
 但是，由于還原氣體中含有硫黃，因此如果采用以往的重整天然氣生產(chǎn)還原時(shí)有可能發(fā)生催化劑中毒，需要對(duì)工藝進(jìn)行改進(jìn)，故沒有實(shí)用化的可能性。

  2、采用含碳球團(tuán)的高溫還原鐵生產(chǎn)技術(shù)
  2.1含碳球團(tuán)在還原鐵生產(chǎn)中的地位
 直接還原煉鐵法由于其裝置形狀和使用的還原劑不同，可以分為很多種，如隨著還原溫度的升高，利用固體碳的氧化（碳素溶解）反應(yīng)，在1100－1300°C的高溫下把固體碳材配入球。由粉狀固體碳和氧化鐵混合成形的含碳球團(tuán)能在比高爐和熔融還原溫度更低的情況下進(jìn)行快速還原。由于含碳球團(tuán)的粘性強(qiáng)度一般很低，因此采用這種含碳球團(tuán)生產(chǎn)還原鐵時(shí)，可采用能夠在靜態(tài)下加熱和移動(dòng)的轉(zhuǎn)底爐。由于該工藝以煤作碳材，所以即使是不產(chǎn)天然氣的地區(qū)也能使用。而且，由于設(shè)備簡(jiǎn)單、投資費(fèi)用少，因此容易被發(fā)展中國家所采用。為提高含碳球的反應(yīng)效率，因此提高粉狀碳材和氧化鐵的接觸密度是很重要的，且必須解決以下兩個(gè)問題：
  a、由于固體碳的氧化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生很大的吸熱，因此需要傳熱性能好的高密度含碳球團(tuán)。
  b、由于含碳球團(tuán)含有碳材，在大氣中燒成后無法提高強(qiáng)度，因此需要一種只使用一點(diǎn)粘結(jié)劑進(jìn)行冷態(tài)粘結(jié)后，即使在還原階段也不會(huì)給含碳球團(tuán)帶來大的負(fù)荷的生產(chǎn)工藝。

  2.2因氧化鐵的固體碳產(chǎn)生的還原反應(yīng)和反應(yīng)行為
 因氧化鐵的固體碳而產(chǎn)生的還原通過反應(yīng)生成的的CO、CO2氣體會(huì)產(chǎn)生相互影響，其反應(yīng)公式一般可表示如下：
    FenOm+mC→nFe+mCO?。?nbsp;  初期反應(yīng)（1）
    mCO+FenOm→nFe+mCO2?。?nbsp;氣化反應(yīng)（2）
    mCO2+mC→2mCO?。?nbsp;      Boudouard反應(yīng)（3）
（1）式的氧化鐵和碳的固體反應(yīng)以礦石和碳材的持續(xù)接觸作為前提，但由于反應(yīng)生成物會(huì)分離，無法持續(xù)接觸，因此還原速度會(huì)下降。在900°C以上的高溫區(qū)域，雖然固體氧化鐵和碳無法維持接觸會(huì)造成反應(yīng)速度下降，但通過（2）式和（3）式的連鎖反應(yīng)，還原反應(yīng)能持續(xù)進(jìn)行。可以認(rèn)為這種連鎖反應(yīng)受供熱速度的控制。
由此可知，含碳球團(tuán)的還原受溫速度和最高加熱溫度的影響很大。在升溫速度10°C/min、最高加熱溫度1100°C的情況下使含碳20%的球團(tuán)在N2氣流中反應(yīng)時(shí)，在到達(dá)最高溫度后保持30min，可得金屬化率95%。另外，在加熱開始后10min以內(nèi)，可得還原率99%。在氣氛溫度為1400°C的N2氣流中進(jìn)行加熱時(shí)，含碳球的渣和金屬最終會(huì)分離。
 其反應(yīng)過程可以概括如下：
  a、當(dāng)加熱溫度超過1100°C時(shí)，碳素溶解反應(yīng)和氧化鐵的還原的反應(yīng)都會(huì)活躍起來，還原迅速發(fā)展到球團(tuán)中心部，球團(tuán)表面開始發(fā)生金屬化。
       b、當(dāng)加熱溫度超過1230°C時(shí)，還原反應(yīng)減小、CO2發(fā)生量減少，因此吸熱反應(yīng)量也減小。在這種情況下，由于表面?zhèn)鳠崃康脑黾印＝Y(jié)果升溫速度會(huì)再次提高。隨著升溫速度的提高，渣開始出現(xiàn)軟化、熔融和分離。在渣滲出球團(tuán)表面的同時(shí)，表面會(huì)形成致密的金屬鐵殼，內(nèi)部凝集的渣此時(shí)開始熔融。
 但是在這種還原熔融過程中，當(dāng)外周部已生成金屬鐵殼的球團(tuán)發(fā)生數(shù)個(gè)接觸在一起時(shí)，供給接觸部分的還原氣體受阻，使還原難以進(jìn)行。另外，由于這部分的加熱速度也下降了，因此會(huì)生成大量的FeO，并開始發(fā)生熔融，最后形成內(nèi)部中空的“冰柱”。

  2.3采用轉(zhuǎn)底爐快速生產(chǎn)還原鐵的工藝
 把含碳球團(tuán)放在轉(zhuǎn)底爐上用1250－1400°C的高溫快速加熱后，能在10min左右的短時(shí)間內(nèi)生成還原鐵，目前正在研究開發(fā)將這一工藝實(shí)用化。采用轉(zhuǎn)底爐時(shí)，由于不像豎爐或回轉(zhuǎn)窯那樣會(huì)使團(tuán)礦顆粒產(chǎn)生相互磨擦和轉(zhuǎn)動(dòng)，因此可以使用強(qiáng)度較低的團(tuán)礦。轉(zhuǎn)底爐不僅可用于生產(chǎn)還原鐵，而且有望用于煉鐵粉或煤泥的處理和再利用。眾所周知，采用這種轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)還原鐵的工藝有三種：第一種是INMETCO工藝，雖然它的規(guī)模較小，但自1978年以來，它就作為從不銹鋼粉塵中回收Ni、Cr、和Fe生產(chǎn)還原鐵的工藝；第二種是以大量生產(chǎn)電爐用還原鐵和以煉鐵粉塵的處理為目的的FASTMET工藝和IRON　DYNAMICS工藝；第三種是CRM正在開發(fā)的COMET工藝。最后的這種工藝不使用含碳球，它是把粉狀氧化鐵和煤交叉各裝兩層進(jìn)行加熱還原。采用這種工藝時(shí)不需要將粉狀氧化鐵和煤加工成球或團(tuán)礦等預(yù)處理設(shè)備，但由于它難以達(dá)到高密度化，因此擔(dān)心無法提高加熱速度。