王廣，薛慶國，王靜松

　　（北京科技大學鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點實驗室，北京  100083）

　　1 前言

　　在不斷完善現(xiàn)有高爐煉鐵工藝的同時，煉鐵工作者一直試圖尋找新的非高爐煉鐵工藝以從源頭上緩解煉鐵工序高排放和對資源、環(huán)境過度依賴的問題[1,2]。對于世界的大部分地區(qū)，碳是最優(yōu)的煉鐵還原劑和熱源，由于非焦煤資源的儲量遠大于煉焦煤，因此以非焦煤為還原劑和能源的冶金工藝備受關(guān)注。完全以非焦煤為還原劑的煉鐵工藝主要有回轉(zhuǎn)窯[3,4]、轉(zhuǎn)底爐[5]、HIsmelt/ HIsarna[6,7]以及外熱式煤基豎爐[8]四種。各工藝均有自身特點，本文主要從轉(zhuǎn)底爐煤基直接還原工藝展開。

　　1995年，神戶制鋼在研究轉(zhuǎn)底爐煤基直接還原工藝（Fastmet）時發(fā)現(xiàn)了含碳球團高溫加熱過程中渣鐵分離的現(xiàn)象，還原溫度為1350～1450℃，反應(yīng)時間僅需10min左右，所得產(chǎn)品為粒狀珠鐵，主要成分為Fe、C，純凈度高于高爐生鐵，被稱為“第三代煉鐵工藝”，即（Ironmaking Technology Mark 3，即ITmk3）。之后，在日本東北大學、東京工業(yè)大學、韓國浦項科技大學、德國馬普研究所、美國密歇根理工大學等研究機構(gòu)開展了這一煉鐵新工藝的基礎(chǔ)研究[9-13]。在進行實驗室基礎(chǔ)研究的同時，神戶制鋼還進行了ITmk3的工業(yè)化研發(fā)，最終于2010年1月，美國動力鋼公司采用該技術(shù)在明尼蘇達州建成了年產(chǎn)50萬噸的商業(yè)裝置并投產(chǎn)（Mesabi Nugget）。產(chǎn)品珠鐵可以用作電爐爐料、轉(zhuǎn)爐煉鋼的冷卻劑和鑄造用的優(yōu)質(zhì)潔凈鐵源。電爐試驗性生產(chǎn)應(yīng)用表明：珠鐵添加比例為15～20%時，與普通廢鋼相比，可以縮短冶煉周期2～3min，使生產(chǎn)率提高5～8%。1997年，北京科技大學孔令壇教授在實驗室試驗中也發(fā)現(xiàn)了珠鐵析出的現(xiàn)象，并申請了煤基熱風熔融還原煉鐵法（Coal Hot-Air Reduction Process，即CHARP）的專利[14]。其實，CHARP法和ITmk3工藝并無本質(zhì)區(qū)別，均是以鐵礦含碳球團為原料，在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)快速還原熔分，實現(xiàn)渣鐵分離，可以統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)底爐珠鐵工藝[15]。2015年3月，由于全球范圍的鋼材價格下跌及需求疲軟波及到美國鋼鐵工業(yè)導(dǎo)致Mesabi Nugget被迫停產(chǎn)（進口生鐵及直接還原鐵的價格已低于珠鐵的生產(chǎn)成本），此時其產(chǎn)能已達到3.2萬噸/月，接近設(shè)計能力。

　　受生產(chǎn)規(guī)模、熱效率和工藝成熟度的影響，宏觀上轉(zhuǎn)底爐珠鐵工藝無法替代高爐煉鐵，但是它符合我國能源和資源結(jié)構(gòu)，可以作為一種適度規(guī)模制備直接還原鐵和綜合利用我國復(fù)合鐵礦的技術(shù)。特別是未來2020年以后，我國廢鋼循環(huán)量將增加，導(dǎo)致電爐煉鋼比例增加，直接還原鐵的需求會更加迫切，屆時高爐煉鐵成本增加、產(chǎn)量降低，新工藝的優(yōu)勢將更加凸顯。在我國大型鋼鐵企業(yè)向沿海布局和去產(chǎn)能的大背景下，內(nèi)陸鐵礦（中低品位需要選礦）和煤礦（以非焦煤為主）資源豐富的地區(qū)，若使用高價自產(chǎn)鐵精礦或進口高品位鐵礦資源采用長流程生產(chǎn)則可能造成虧損，若采用高效的短流程（低成本非高爐煉鐵+電爐煉鋼）替代長流程并維持適度產(chǎn)能，主要服務(wù)于本地用戶需求和消納本地廢鋼資源，不僅會提高企業(yè)的競爭力，還有助于保護當?shù)氐沫h(huán)境，當鋼鐵業(yè)回暖時，鋼材、進口鐵礦和焦炭價格必然上漲，該工藝的優(yōu)勢將更加明顯。另一方面，我國西部地區(qū)不僅鐵礦、煤資源豐富，且風能資源也十分豐富，風能屬可再生能源，發(fā)展?jié)摿Υ?，但是當前西部地區(qū)風場的棄風率較高，造成資源的浪費，如將風電代替部分煤電用于鋼鐵生產(chǎn)，則有可能制造出更低碳的鋼鐵，同時生產(chǎn)成本進一步降低，這也符合中國工程院黃其勵院士關(guān)于向我國可再生能源豐富的地區(qū)轉(zhuǎn)移部分高耗能產(chǎn)業(yè)以加強可再生能源高效利用的建議[16]。

　　2 轉(zhuǎn)底爐珠鐵工藝基礎(chǔ)研究

　　為了促進轉(zhuǎn)底爐珠鐵工藝在我國的發(fā)展，我們應(yīng)針對該工藝的基礎(chǔ)工藝參數(shù)設(shè)計和原燃料評價體系展開系統(tǒng)研究。盡管國內(nèi)外相關(guān)學者針對含碳球團還原熔分參數(shù)進行了一定的研究，但是這些研究并不系統(tǒng)且難以應(yīng)用到生產(chǎn)實踐，如僅進行等溫還原熔分試驗與生產(chǎn)實際不符、沒有針對還原劑的特性對還原熔分的影響進行深入研究。目前，國內(nèi)外相關(guān)文獻資料中尚沒有明確報道轉(zhuǎn)底爐珠鐵工藝用含鐵原料和碳質(zhì)還原劑的選擇標準以及最優(yōu)的還原熔分溫度制度。為了促進轉(zhuǎn)底爐珠鐵工藝在我國的發(fā)展，有必要針對共性工藝基礎(chǔ)問題開展研究，通過系統(tǒng)研究礦石組成、還原劑性質(zhì)和加熱制度對含碳球團還原熔分行為的影響，為轉(zhuǎn)底爐珠鐵工藝原燃料評價體系構(gòu)建以及還原熔分工藝的確定提供參考。本課題組所開展的相關(guān)基礎(chǔ)研究如下。

　　2.1 試驗部分

　?。?）試驗原料

　　中國鐵礦石絕大多數(shù)為需要選礦的貧鐵礦，平均TFe品位為32.67％。珠鐵工藝要求的理想原料品級為TFe品位大于60％，通過現(xiàn)有的選礦技術(shù)可經(jīng)濟獲得TFe＞60％的磁鐵精礦，但隨選礦TFe品位進一步升高，選礦成本急劇增加。試驗所用鐵精礦化學成分列于表1，TFe品位為64.6％。綜合經(jīng)濟效益與珠鐵工藝原料要求，通過向鐵精礦中配加分析純的SiO2來調(diào)節(jié)鐵精礦TFe品位，使TFe品位降低到60％，調(diào)整后鐵精礦化學成分列于表2。試驗所用還原劑有八種：蘭炭、煙煤1、煙煤2、煙煤3、無煙煤、木炭、焦炭1、焦炭2，其工業(yè)分析如表3所示，不同種類還原劑經(jīng)破碎后過80目篩，取篩下物用于配料造球。
 

 　　        各還原劑的粉末試樣于900℃的馬弗爐中進行灰化處理后，采用半球法測定灰熔點，實驗結(jié)果如表4所示。從中可以看出，還原劑517無煙煤、半煙煤、木炭、中煤二級焦、碎焦炭的灰熔點均高于1500℃；其余還原劑按照灰熔點從高到低的順序依次為：無煙煤、郴州煙煤、蘭炭。
 

　?。?）試驗方法

　　首先將調(diào)整后的鐵精礦粉與無煙煤（-80目）按碳氧摩爾比為1.2進行混合。通過配入CaCO3和Al2O3分別調(diào)整渣系堿度為0.4~1.2、鐵精礦中Al2O3含量為2~10wt％。混勻后外配7％的水分，再次混勻。取適量混合料（~10g）置于鋼模中，用手搬式制樣機壓制成φ20.0×10.7mm的柱狀團塊，壓球壓力為15MPa；生球于150℃電熱烘干箱內(nèi)干燥12h，確認重量不再變化后供還原熔分使用，生球的組成成分如表5所示。還原熔分實驗所用設(shè)備為快速升溫箱式電阻爐，額定溫度為1700℃，由于爐膛密閉性好，球團還原是在弱還原性氣氛下進行的。實驗進行時首先將石墨盤放入爐中進行預(yù)熱，待達到目標溫度后將球團放入石墨盤中，然后將石墨盤推入爐膛內(nèi)進行培燒，焙燒溫度分別選擇1350、1375和1400℃，15min后將石墨盤取出，觀察還原熔分后球團的形貌。將熔分渣破碎制樣，然后用化學分析法分析球團中TFe和MFe的質(zhì)量分數(shù)，計算球團金屬鐵的收得率。

　　將鐵精礦粉與不同種類還原劑按碳氧摩爾比為1.2進行混合，然后選擇Al2O3含量為6％鐵精礦，調(diào)整渣系堿度為0.8，混勻后外配7％的水分，再次混勻、造球，首先進行管式爐還原試驗，還原過程中通入3mL/min的高純氬氣進行保護，還原溫度為1000~1200℃，還原時間為30min?？疾爝€原劑對鐵礦的還原性能，然后在箱式爐中進行熔分試驗，考察熔分形貌和金屬收得率。

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