對煉鐵技術(shù)發(fā)展方向的幾點認(rèn)識

對煉鐵技術(shù)發(fā)展方向的幾點認(rèn)識摘要煉鐵工藝已經(jīng)形成高爐系統(tǒng)和非高爐系統(tǒng)兩大系列。高爐系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向是：①擴大資源的利用范圍與水平；②進(jìn)一步改進(jìn)工藝，節(jié)能降耗；③余能余熱的回收利用與環(huán)保。非高爐系統(tǒng)重點談?wù)劮鄣V熔融還原走向商業(yè)化需要改進(jìn)的方向與方法設(shè)想。關(guān)鍵詞高爐資源工藝節(jié)能環(huán)保熔融還原煉鐵技術(shù)經(jīng)過數(shù)百年的研究開發(fā)，現(xiàn)已形成高爐煉鐵系統(tǒng)和非高爐(熔融還原、直接還原)系統(tǒng)兩爍列。以下對它們的技術(shù)發(fā)展方向談點初淺的認(rèn)識埔批評指正。l高爐煉鐵系統(tǒng)高爐煉鐵系統(tǒng)經(jīng)過不斷地研究改進(jìn)，成績斐然。現(xiàn)今，為了進(jìn)一步提高效益，技術(shù)發(fā)展方向有以下三個方面：1．1擴大資源經(jīng)濟合理利用的范圍與水平在鐵礦石中，褐鐵礦的經(jīng)濟合理利用已取得很大進(jìn)展，又出現(xiàn)了經(jīng)濟合理利用菱鐵礦的開發(fā)研究。含鐵塵泥中對瓦斯泥和高爐干法除塵灰的利用也出現(xiàn)新的苗頭，只要有害雜質(zhì)不超標(biāo)，如鋅負(fù)荷利用后的綜合負(fù)荷在200g／t以下，完全可以直接回收利用；在高風(fēng)溫、富氧條件下，還可與煤粉混合向高爐噴吹。在煤炭中，有很多新技術(shù)既保證焦炭質(zhì)量又?jǐn)U大了煉焦配煤中弱粘結(jié)性煤種和非煉焦煤種的比例，回收廢焦油等，做型煤粘結(jié)劑，合理利用也有新的進(jìn)展。近幾年，我國在資源利用方面有很大進(jìn)展，但與世界先進(jìn)水平相比，總體上還有差距。煉鐵系統(tǒng)使用的資源是不可再生的，必須合理利用與回收再利用，所以對資源利用的研究，將是一個長期需要研究開發(fā)的課題。1．2改進(jìn)工藝技術(shù)，進(jìn)一步節(jié)能降耗其一是降低煉鐵的燃料比。現(xiàn)在高爐降低燃料比還有多大潛力目前一般高爐的直接還原率為35％一40％，，比最低燃料比相適應(yīng)的直接還原率高3％一10％左右，但最低燃料比的合適直接還原率不是定值，它隨單位生鐵的全部熱量消耗與供熱方式變化而變化。一般每公斤生鐵全部熱量消耗每減少836kJ／kg，最低燃料比合適的直接還原率平均應(yīng)高6％左右，每提高100℃風(fēng)溫應(yīng)高1．5％左右。本鋼1958年12月～1959年3月，分析結(jié)果是每公斤生鐵全部熱消耗為12540kJ時，合適的直接還原率25％左右；而熱量消耗降為10450kJ／kg時，合適直接還原率可升高到近35％。首鋼1953年燃料比為1029kg／t，到2005年6～7月降到499．5kg／t，就是改進(jìn)原料與操作，降低熱量消耗與風(fēng)溫由597℃提高到1069℃的結(jié)果。挖掘現(xiàn)有潛力，也是降低直接還原率與減少單位生鐵全部熱量消耗、改進(jìn)供熱方式同時并舉，在某種意義上說，后者仍是主要方面。其二是增加噴煤比例，降低成本。因資源擴展與價格差別，噴煤可降低成本。人們對噴煤量的極限有很多提法：①風(fēng)口前理論燃燒溫度界限；②空氣過剩系數(shù)界限；③風(fēng)口前未燃碳量界限。筆者認(rèn)為這些提法在一定時間內(nèi)有過指導(dǎo)作用，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，只能作參考，不能再用這些數(shù)據(jù)限制噴煤量。隨著噴煤量不斷增加，只要保持鐵水溫度正常，T理可以降低，空氣過剩系數(shù)也可以降低；風(fēng)口前未燃碳影響因素很多，無法真實從爐缸循環(huán)區(qū)測定。風(fēng)口前理論燃燒溫度一個高爐一個值，不同條件不同值，用別人的經(jīng)驗公式值限制自己的噴煤量是不可取的。真正噴煤量的界限是爐內(nèi)煤粉的氣化率與利用率。煤粉是不可能在風(fēng)口前循環(huán)區(qū)完全氣化的，必然在高溫區(qū)參加直接還原與滲碳。煤粉和未燃碳跑出爐外，不僅是損失、降低置換比，而且煤粉和未燃碳跑出量多，還會影響高爐順行。其界限值，應(yīng)是煤粉在爐內(nèi)的氣化率和利用率在98％以上，從瓦斯灰等爐內(nèi)排出物中檢測出煤粉比例不要超過2％。提高置換比除了提高煤粉氣化率和利用率外，就是選擇好噴吹煤種，影響置換比最重要的兩個要素：一是灰分高低；二是煤粉揮發(fā)分中的氧化度，氧化度越高，置換比越低。所以選擇噴吹煤種時除常規(guī)的指標(biāo)性能要求外，還要注意揮發(fā)分的氧化度。挖潛的具體方法：(1)堅持精料。精料是降低單位生鐵全部熱量消耗，充分利用爐內(nèi)煤氣熱能與化學(xué)能的基礎(chǔ)。對精料的要求一是質(zhì)量要好，二是成本要低，焦炭的質(zhì)量非常重要。現(xiàn)在提高焦炭質(zhì)量與擴大配煤比例，降低成本的實用技術(shù)也較多，如完善巖相配煤，防止結(jié)焦性好的煤過分粉碎和弱粘結(jié)性硬煤不粉碎的分煤種破碎技術(shù)；利用廢焦油渣來做粘結(jié)劑增加型煤比例，以及鍍碳鍍膜技術(shù)等。在此介紹寶鋼17年完善巖相配煤的經(jīng)驗，他們?nèi)〉昧烁纳瀑|(zhì)量又增加中長焰煤配比6％，貧瘦煤配比11％，煤種由8個增加到20多個的成果。還特別強調(diào)降低焦炭灰分的作用，當(dāng)焦炭灰分由12％降到11．3％后，不僅固定碳增加，還使反應(yīng)性<26％，反應(yīng)后強度>66％，見表l。由于寶鋼焦炭質(zhì)量好，已連續(xù)4年多時間噴煤在200kg/t以上。燒結(jié)技術(shù)總的方向是發(fā)展低碳厚料層低溫?zé)Y(jié)和低硅燒結(jié)。低碳低溫，必須厚料，原料必須經(jīng)混合制粒好，有良好的透氣性和不大量漏風(fēng)。低硅燒結(jié)是提高入爐品位帶來的要求，包括各種添加劑在內(nèi)有很多實用技術(shù)。特別要提出的是“燒結(jié)機全封閉，多級磁力密封技術(shù)”，這可以說是一大創(chuàng)新，已在唐山地區(qū)、酒鋼、宣鋼等廠應(yīng)用，都收到了節(jié)電、節(jié)風(fēng)，大幅度降低漏風(fēng)率的效果?？赡苓€有一些不十分滿意的地方，但這個方向是對的，應(yīng)大力推廣并再向200m2以上燒結(jié)機大型化發(fā)展，并不斷完善。(2)改進(jìn)工藝操作。煉焦、燒結(jié)等都有改進(jìn)自己操作和管理的地方，下面僅談高爐操作技術(shù)，好的標(biāo)準(zhǔn)是穩(wěn)定順行，充分利用煤氣的熱能與化學(xué)能，實現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、長壽。各廠的技術(shù)操作規(guī)程中，都有高爐穩(wěn)定順行的十多條標(biāo)志性規(guī)定，筆者認(rèn)為把它歸納起來就是三個方面、六個指標(biāo)，即：①煤氣流方面：爐頂煤氣溫度的波幅與圓周個方向差值曲線；頂半徑測溫曲線(含爐頂攝像)爐喉半徑CO2曲線。②爐料下降方面：風(fēng)壓與風(fēng)量關(guān)系，壓差、透氣性指數(shù)曲線；料尺工作曲線。③常溫爐料變高溫渣鐵方面：爐缸的渣鐵溫度；爐墻溫度與熱流強度。這三方面六個指標(biāo)中，每個方面有一個指標(biāo)是基本穩(wěn)定不變的，另一個指標(biāo)可在新的條件下建立新的平衡，數(shù)據(jù)有所變化。如煤氣流方面，爐頂煤氣溫度曲線不論什么條件都基本不變，而爐頂半徑煤氣測溫曲線(爐頂攝像)或爐喉半徑煤氣CO2曲線的邊緣與中心的數(shù)值及差值可以根據(jù)不同條件變化，但不能因此影響爐頂煤氣溫度曲線出現(xiàn)較大變化；爐料下降方面，料尺工作，不論何時好的標(biāo)準(zhǔn)都是不變的，而壓量關(guān)系，壓差、透氣性指數(shù)，在不破壞料尺工作的條件下，可以有新的數(shù)據(jù)穩(wěn)定平衡；常溫爐料變成高溫渣鐵方面，一座高爐的爐缸合適的鐵水溫度是穩(wěn)定不變的，而爐墻溫度(熱流強度)是保持爐型完整的指標(biāo)，只要不影響煤氣流的合理分布可以建立新的平衡數(shù)據(jù)。三不變?nèi)勺?，可變指?biāo)的變化不能影響三不變指標(biāo)；三可變指標(biāo)之間也有相關(guān)性，如新的爐頂半徑煤氣溫度曲線(爐頂攝像)爐喉或CO2，曲線，可以找到新的壓量關(guān)系，壓差與透氣性指數(shù)及爐墻溫度和熱流強度。但要注意，找到的新的平衡，防止短期穩(wěn)定，出現(xiàn)反復(fù)。上述三個方面中的爐料下降與常溫爐料變高溫渣鐵兩個方面，是保證高爐煤氣流合理分布的條件與結(jié)果，核心是合理煤氣流。高爐操作就是搞好各種操作制度，在高強化冶煉條件下實現(xiàn)煤氣流的合理分布。與煤氣流相配合的是高爐橫截面與縱向空隙度(S)的合理分布，它由物種、物種之間搭配和爐料下降運動綜合決定的。每個物種，根據(jù)它的粒度組成、強度等指標(biāo)，如礦石、焦炭有自己的空隙度；物種之間的配比，根據(jù)批重大小，半徑方面各點各物料的搭配比例，在一定高度半徑方向各點就有新的空隙度；爐料下降，半徑方向各點又會出現(xiàn)新的空隙度，由此決定煤氣流是否合理。高爐半徑方向各點空隙度完全相等是不可能的，也不是合理煤氣分布所需要的。煤氣流上升過程中，空隙度大的地方煤氣走得多、快，空隙度很小的地方，煤氣走的很少甚至不被利用。我們要使煤氣流合理分布，就希望按我們的要求，半徑方向各點空隙度值按大小相對均勻化，空隙度點利用面積最大化，消減不被利用的死點。為此：①選擇好送風(fēng)制度，使煤氣流原始分布合理。應(yīng)正確認(rèn)識風(fēng)速、動能的作用。提高風(fēng)速動能在一定范圍內(nèi)有延伸回旋區(qū)的作用，但回旋區(qū)深度是由高爐大小決定的，合理的深度與爐缸半徑有一定比例。隨爐內(nèi)煤氣擴散條件改善，提高風(fēng)速動能可以改善煤氣向中心和四周的擴散，中心雖不參加回旋運動，但由于擴散條件改善走向中心的煤氣增多，中心溫度提高，促進(jìn)滲碳與還原，可改善爐料運動。所以只要不出現(xiàn)動能過大表現(xiàn)，應(yīng)該維持較高的風(fēng)速動能。②選擇好裝料制度。根據(jù)礦石、焦炭的粒度組成與冷熱強度等質(zhì)量指標(biāo)及在爐喉的實際落點，選擇合理的料批大小，調(diào)整半徑方向各點的物種配比，達(dá)到合理的孔隙度初始分布，并與下部送風(fēng)制度相配合。經(jīng)常爭論較多的料批大小與裝料物種角度圈數(shù)，從孔隙度觀點來看，粉末多的，冷熱強度差的，由于自身孔隙度小，料批就要小一點，各點厚度不能太厚；半徑方向孔隙度各點差別可以稍大一些。利用焦炭孔隙度大的優(yōu)勢，保持形狀基本合理的分布。反之，爐料質(zhì)量越好，料批可大，半徑各點孔隙度相對均勻，使煤氣分布更合理。③造渣制度。主要看渣量大小與初渣終渣成分，渣量小時，成渣區(qū)的渣焦比改善，孔隙度增大。初渣FeO較高，一般性能變化不大，終渣成分當(dāng)Al2O3較高時，可以用較高的爐缸熱度來適應(yīng)。④熱制度。關(guān)鍵是穩(wěn)定爐缸鐵水溫度，也就是穩(wěn)定原始煤氣量等。檢驗煤氣流是否合理的標(biāo)準(zhǔn)就是爐頂煤氣溫度與爐頂煤氣測溫曲線，它反映煤氣在爐內(nèi)分布的結(jié)果。爐頂煤氣溫度水平、每次加料前后波幅，四個方向差值正常，就是穩(wěn)定的煤氣流。爐頂半徑方向煤氣測溫曲線表示半徑煤氣分布與利用情況，它與爐喉半徑CO2曲線有相似之處，但又有本質(zhì)不同。爐頂煤氣測溫曲線(爐頂攝像)是反映煤氣上升傳熱結(jié)果，是連續(xù)不斷的數(shù)值反映；而爐喉半徑CO2曲線是煤氣上升傳質(zhì)結(jié)果，是間斷的，由利用率百分比推斷煤氣量。相比之下，爐頂煤氣測溫傳熱曲線反映煤氣量的分布，更準(zhǔn)確一些。一般要求傳熱曲線中心溫度比邊緣溫度高200℃以上，中心孔隙度較大，煤氣流速快，這種分布對提高爐料下降重力促進(jìn)邊緣均勻分布，加重邊緣，改善煤氣的利用，提高噴煤的氣化率與利用率，提高置換比都有好處。關(guān)于傳熱曲線與傳質(zhì)曲線的關(guān)系，可以說傳熱曲線合理是保證高爐順行的基礎(chǔ)。在傳熱曲線合理的基礎(chǔ)上改善傳質(zhì)，但改善傳質(zhì)曲線不能破壞傳熱曲線的基本形狀。1．3余熱余能回收利用與環(huán)保方面這兩方面進(jìn)展也很快，尚待開展的有爐渣顯熱的長期合理利用與減排CO2等等，如何做到經(jīng)濟合理，還有很多需要研究的課題。2熔融還原非高爐煉鐵系統(tǒng)有直接還原與熔融還原。下面只談對熔融還原的認(rèn)識。20世紀(jì)下半葉以來，隨著資源與環(huán)保形勢的要求，世界各國都在強化熔融還原的研究?，F(xiàn)在研究較多的有10多種方法，真正投入生產(chǎn)的只有(Core某，并且是用塊礦冶煉；粉礦冶煉有一定試驗成果的有Himelt、Romelt和Dio等方法。雖然取得很多成果，如Himelt的二次燃燒，涌泉傳熱、氧化脫P等等，但也有一些不足。2．1資源損失較大，渣中FeO高，還影響爐渣的再利用這三種方法中Himelt渣中FeO+Fe2O3在5％左右，RomeltFeO在2．0％～2．5％，Dio的FeO在2％～5％，都比高爐渣和Core某渣FeO高4．5％～1．5％。不僅浪費資源，還影響爐渣的加工利用合理循環(huán)經(jīng)濟的需要。2．2能耗較高Himelt的能耗在700kg／t左右，Romelt、Dio的能耗都在1000kg／t左右，排放的高溫煤氣都比高爐、Core某多，損失熱量，尤其是Himelt，用N2氣做載體噴吹礦粉和煤粉，排出量最大見表2。2．3爐體壽命較短我國鐵礦石一般是貧礦與共生礦較多，常是粉碎精選后再冶煉，應(yīng)以開發(fā)粉礦熔融還原為主，它可直接回收利用各種含鐵塵泥冶煉。但要使粉礦熔融還原，真正走向商業(yè)化生產(chǎn)，必須解決資源浪費，盡可能的減少綜合能源消耗，同時也要解決壽命與維修費基本合理，并且要具備較大生產(chǎn)規(guī)模和較大勞動生產(chǎn)率。對解決上述粉礦與熔融還原存在的不足，提出以下方法：(1)建立精還原條件。高爐渣和Core某爐渣FeO低是兩者在風(fēng)口下有塊狀的過剩的還原劑固定床，還原爐渣中的FeO。而現(xiàn)在上述三種方法，在一個熔融還原爐內(nèi)，又要求氧化傳熱，又沒有過剩還原劑的固定床，很難做到精還原。以Himelt為例，若將前置爐內(nèi)裝入煤塊，用熔融爐內(nèi)排放的高溫氣體，加熱還原劑到1500℃左右，排出的渣鐵直接排入前置爐，使前置爐變成精煉爐，就可大幅度降低FeO。由于FeO降低，爐渣脫S效率大幅度提高，改善生鐵質(zhì)量，爐渣不再從渣口外排，不僅解決了爐渣FeO高的問題，還解決渣中帶鐵5％以上的安全與鐵的回收問題，從前置爐排出可以很好地解決渣、鐵分離，渣可以直接沖水渣利用。我們做過一個小試驗證實有這種可能性，見表3、表4。鐵中含碳近飽和狀態(tài)，對Himelt鐵水無Si，C較低，用于煉鋼也有好處；精煉吸熱，計算還原FeO吸熱，不考慮增加Fe3C放熱等反應(yīng)，1500℃渣鐵，僅降低17℃左右，可以不連續(xù)加熱。(2)改進(jìn)傳熱方式，減少熱損失。不用N2氣做噴吹載體，甚至可用高溫空氣，噴吹礦粉、煤粉，快速加熱到1600℃左右還原。減少碳素發(fā)熱消耗和二次燃燒率，減少高溫氣體排放量。含F(xiàn)eO較高的爐渣可在精煉爐還原回收生鐵。噴槍插入深度或改變噴吹風(fēng)壓力，保持