国内外金属化球团矿技术现状及其应用

Suppl． November2009 垒 氍 簿 姐 METALMINE 增刊 2009年11月 国内外金属化球团矿技术现状及其应用 康兴东1 赵 军1 刘建朋2 夏春才3 陈志英4 陈铁军5 (1。中冶东方工程技术有限公司；2．唐山钢铁设计研究院；3。中冶长天国际工程有限公司工艺分院； 4．韶关钢铁集团公司烧结厂；5．武汉科技大学) 摘要通过对国内外金属化球团矿生产技术及其发展历史的研究，从金属化球团矿的特点、还原原理、生产 工艺 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 以及5种金属化球团矿生产工艺的对比，结合我国铁矿资源的特点和直接还原海绵铁生产处于起步阶段 的现状，得出金属化球团矿是最主要的直接还原法海绵铁生产产品，具有广阔的市场潜力，转底炉法和回转窑法是 最适合我国金属化球团矿生产的工艺。 关键词球团金属化球团铁矿海绵铁 StatusandApplicationofTechnologyofDomesticandForeignMetallizedPellets KangXingdon91ZhaoJunlLiuJianpen92XiaChuncai3ChenZhiyin94ChenTiejun5 (1．MechanizationRoomofBedsEngineeringandResearchCorporation；2．TangshanIronandSteelDesignInstitute； 3．TechnologyBranchofChangtianInternationalEngineeringandResearchCorporation； 4．SirtteringinShaoguanIronandSteelGroupCompany；5．WuhanUniversityofScienceandTechnology) AbstractStudyondomesticandforeignmetallizedpelletsofproductiontechnologyanditsdevelopmenthistory，from thecharacteristicsofmetaUizedpellets，restoringprinciplesandtheproductionprocess，aSwellasfivekindsofproduction processofmetallizedpelletscontrast，combinedwiththecharacteristicsofChinasiron0rel-eso哪andthedirectproduc- tionofspongeirontorestorequoattheinitialstage，conictometallizedpelletswhichhasbroadmarketpotentialisthemcst importantproductionofspongeironwhichproducedbydirectreduction，andcometorotaryfurnaceandtherotaryreduction kilnprocessarethetwomostsuitableproductiontechnologyofmetallizedpellets． Key word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 sPellet，Metallizedpellets，Ironore，Spongeiron 金属化球团法是特殊球团法之一，该工艺所生 产的金属化球团矿也称为预还原球团矿，其实质是： 在直接还原过程中，球团以固态完全还原成海绵铁。 其工业生产及应用在国外已得到较大发展，并 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现 出强大的生命力⋯。近年来，我国金属化球团法在 技术方面也有较大突破，在消化国外技术的同时，自 主研究开发出转底炉法和回转窑法生产金属化球团 矿新工艺。均已投入实际工业生产。金属化球团矿 的应用，顺应了直接还原法海绵铁一电炉串联炼钢 的短流程生产工艺，是炼铁和炼钢生产中的一项重 要技术革新。 1金属化球团矿技术的发展历史及现状 金属化炉料的发展是现代冶金工业发展的重要 趋势[2】。金属化球团矿是金属化炉料的主要原料， 其发展与直接还原法海绵铁技术的发展息息相关。 长期以来，冶金工作者就想避免高炉冶炼而直 接获得金属铁(海绵铁)。自1800年，先后有300 种以上的直接还原 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 问世；1950年至1975年大 约就研究了100种 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，其中12个经过大量研究并 进行半工业试验，但已用于生产的主要有4种：①回 转窑法(如SL／RN，Krupp和SDR法)。②竖炉法 (如Midrex、Armco和Purofer法)。③竖罐法(如 HYL法)。④流态床法(如FIOR和HIB法)。 直接还原法在工业上应用始于20世纪50年 代，到60年代才有重大突破HJ。 如表l所示，2006年世界海绵铁达到5979万 t。2007年许多新建产能在中东、印度和俄罗斯投 产，世界海绵铁产量达到6722万t。印度已连续5 年是世界最大海绵铁生产国，产量达到l900万t， 康兴东(1980一)，男，中冶东方工程技术有限公司机械化室，硕士研 究生，工程师，014010内蒙古包头市昆区钢铁大街45号。 康兴东等：国内外金属化球团矿技术现状及其应用 2009年11月 其中70％采用煤基回转窑生产；委内瑞拉的产量居 世界第二，产量为770万t。目前世界上有7座 Midrex炉、4座采用HYLSA／Energiron技术的设备 正在建设中，这两种工艺均为天然气基直接还原工 艺，还有100座产能为2．5～5万t的回转窑将在印 度建造。我国从1996年起粗钢产量一直位居世界 第一，2007年粗钢产量为4。9亿t，占世界总产量的 36％以上，而我国海绵铁生产还处于起步阶段，生产 能力滞后，远不能满足需求。2007年我国海绵铁产 量仅为50万t，不到世界产量的1．0％L4J。据不完 全统计，2002年我国从国外进口海绵铁130万t， 2007年进口量达320万t。 表1世界海绵铁产能统计 万t 迄今为止，我国以海绵铁为原料的电弧炉炼钢 工艺还不普遍，试验和生产过程中出现渣量大、“冰 山现象”等，造成出钢时间延长、电耗增加、石墨电 极消耗增加，炼钢工艺相当于Krupp公司20世纪 70年代的水平∞J，这也是我国海绵铁生产发展缓慢 的主要原因之一。但未来技术革新的趋势势在必 行，是困难也是机遇，这恰恰说明我国海绵铁发展潜 力巨大，金属化球团矿生产具有广阔前景。 近年来促使金属化球团矿生产迅速发展的主要 原因，是因为： (1)冶金焦价格大幅上涨，而石油、天然气大量 开发使用，特别是高效率天然气转化法的应用，提供 了金属化球团矿生产需要的还原煤气，解决了能源 的来源和价格问题。 (2)电炉炼钢迅速发展，超高功率新技术的应 用使电炉炼钢得到高速发展，合格废钢供应不足，金 属化球团矿代替废钢，大大扩展了金属化球团矿的 需求。 (3)废钢(多数是从社会收集的废钢)中往往含 有某些对钢性能不利的有色金属，如铜、锡、砷、铅 等，无论用氧化熔炼或还原熔炼都无法去除。随着 废钢的循环利用，它们在钢中的含量会越积越多。 因而可以加入金属化球团矿来稀释它们。 (4)选矿技术的提高，为金属化球团矿生产的 矿石资源提供了保障。原来只能使用杂质少且品位 高的天然富矿粉，现在高品位铁精矿粉生产的金属 化球团矿，其脉石含量可降低到不需要在还原生产 中脱除，从而简化直接还原技术，提高产量。 (5)铁矿资源紧张，尤其是高品位富块矿的缺 乏，促使低品位铁矿资源的开发利用。在目前钢铁 业低迷，铁矿资源用量较大，国外铁矿限产、价格上 涨的情况下，开发利用国内铁矿资源的趋势加大。 而我国铁矿资源具有贫、细、杂的特点，只有通过选 矿才能得到高品位含铁原料，但这部分含铁原料多 为经过细磨选别的粉矿，粒度较细，不适于烧结生 产，对于球团生产则较为适合。 金属化球团矿的生产，正是解决上述问题，顺应 目前趋势的最有效途径。少量金属化率较低的球团 矿还可直接用于高炉，以提高产量、降低焦比。目 前，除上述导致金属化球团矿迅速发展的5点主要 原因外，国际国内对于节能降耗、清洁生产意识的增 强和要求的提高，使得金属化球团矿生产将展现出 更大的发展空间。 2金属化球团矿的特点 金属化球团矿和一般氧化球团矿相比，除具有 粒度均匀、强度好外，还具有以下几点优越性：①金 属化率高，高的金属化率可达95％以上；②冷、热强 度好，粉化率较低；③孔隙率高，后续冶炼反应速度 快；④成分稳定、TFe含量高，有害杂质含量低；⑤后 续冶炼能耗小；⑥为短流程冶金工艺提供了保证。 另外，金属化球团矿便于运输和储存，不易破碎 粉化，杂质含量低，可单独进行商品化生产，受场地 建设影响小，可在矿山及其附近生产，也可在钢铁厂 内部生产。 金属化球团矿的缺点在于其生产受设备限制影 响大，生产规模小，大规模生产工艺和设备还有待研 究和开发。国外最大规模金属化球团矿产能在200 万t以下，最大为165万t；而我国最大规模金属化 球团矿产能则在20万t以下，最大为15万t。 3金属化球团矿还原机理及生产工艺流程 3．1金属化球团矿还原机理 金属化球团矿是由合格生球或氧化球团矿在还 原剂作用下，氧化铁还原成金属铁而得来的。试验 研究表明，氧化铁的还原是逐段呈带状发展的。所 谓逐段是氧化铁与还原剂作用时，还原经过Fe：0， -+Fe304．÷FeO_Fe(570℃以上)或Fe203-+Fe304 -+Fe(570℃以下)诸段完成，即由于温度的不同，进 行三步还原或二步还原。所谓呈带状则是还原时， 每个上列氧化物相形成包围价数比较高的氧化铁， 而中心是未还原的最高价氧化铁(Fe：O，或Fe，O。)， ．115． 增刊 金 属 矿 山 2009年11月 最外层则是金属铁，如图1所示。 图1№03还原过程示意 1一Fe；2一Fe，o；3一Fe304；4一Fe203 随着还原反应向球团中心推移，外层金属铁层 及次层低价氧化铁层的厚度不断增加，而内层较高 价氧化铁层则依次缩小。但当球团较小时及气体还 原剂能自由穿透整个球团，或者球团内配有固体还 原剂时，还原仅具有逐段性，而没有明显的呈带性。 对于气体还原剂，氧化铁的还原有两种机理起 决定性作用：①在固体与气体间的相界面上产生相 界反应；②在固体反应剂相界上及其内部由于金属 铁向较高含氧量区域扩散而产生固相反应。 当还原速度较快时，外表形成一层多孔的金属 铁，还原气体可以在固相层内扩散，在Fe；O／Fe界面 上，浮士体被还原为金属铁，其反应式如下： Fe，0+CO(H2)-÷Fe+C02(H20)．(1) 铁离子向被还原的铁氧化物内扩散，使较高价 铁氧化物转变为较低价的铁氧化物，其反应式如下： Fe304+Fe2++2e—+4Fe，0， (2) 4Fe203+Fe2++2e叶3Fe304．(3) 此种情况下反应受Fe。0／Fe界面反应所控制。 若外表形成一层较致密金属铁层时，还原气体 无法进入球团内部，只能发生由球团表面除去氧的 反应。而氧化铁的还原则是通过Fe2+(Fe¨)和 02一在固相产物层晶格内的扩散进行，反应速度受 这些离子扩散的影响。 当还原剂为固体燃料时，在不与铁矿物混合制 成球团矿，而以单独的方式喷人还原设备高温区内 (回转窑)，则煤粉燃料将受高温作用而氧化成煤 气，此时还原过程基本与上述相同。若将固体还原 剂细磨后，混匀到球团内部，呈均匀分布，还原过程 则是氧化铁与碳直接反应，其反应如下： 3Fe203+C=2Fe304+CO，(4) Fe304+C=3FeO+CO， (5) FeO+C=Fe+CO，(6) ．116· Ee304+4C=3l’e+4C0． (7) 当然也有可能铁氧化物与碳反应生成CO：，但 反应温度高于900一l000℃时，这种反应的作用极 ／J、。 通常只要球团矿内部有足够数量固体还原剂， 则直接还原产生的CO的浓度，从球团中心到外表 都超过Fe：O，和CO反应生成Fe和C02时所需要 的CO平衡浓度。此时，在球团内部气相中的CO和 CO：的比值，接近固体碳气化反应的平衡值，这样就 可防止外表金属铁被CO：再度氧化⋯。 3．2金属化球团矿生产工艺流程 金属化球团矿生产原则工艺流程如图2所示。 图2金属化球团矿生产原则工艺流程 金属化球团矿的生产，根据使用燃料不同，分为 两大类：用煤气作气体还原剂和载热体的气基法；以 固体煤作为还原剂和热源的煤基法。 3．2．1气基法 气基法中的煤气常用天然气、焦炉煤气、液化石 油气、重油等转化制造。天然气和液化石油气主要 使用蒸汽转化，生成CO和H：；重油使用氧气部分 氧化法将碳氢化合物转化为CO和H：。 在国外气基法占主导地位，约占90％左右。 气基法典型代表是Midrex法，属竖炉法，为美 国米德莱克斯(Midrex)公司所发明，是目前最完善、 生产能力最强、使用最普遍的直接还原法。它由供 料系统、还原竖炉、烟气处理、天然气重整炉组 成MJ。该法生产的海绵铁占直接还原法生产海绵 铁总量的60％以上。 虽然气基法在直接还原方面占绝对优势，但它 需采用重整的天然气作还原剂，故只能应用在天然 气资源丰富且价廉的地区，拉丁美洲国家生产的海 绵铁占全世界产量一半以上。 气基法生产主要过程是：天然气进入转化炉内， 康兴东等：国内外金属化球团矿技术现状及其应用 2009年11月 在镍基触媒催化下，通过天然气裂化反应将其转化 成煤气和氢气： CH4+H20-+CO+3H2．(8) 球团矿从炉顶通过布料器(或多个加料管)布 人炉中，在还原区与CO、H：进行还原反应。还原气 入炉温度为750—900℃，送入距竖炉顶部2／3处的 还原带。炉料在炉内停留约6h，球团矿被CO和 H：还原，金属化率在92％以上。然后海绵铁进入 下部没有砖衬的冷却带，用专门的冷却气或炉顶气 冷却，冷却到30℃时排出炉外，保证海绵铁在大气 中不再氧化，细碎的产品可压制成块存放，供电炉熔 炼使用。直接还原后的废气中仍含大量的CO和 H：(约占70％)，通过洗涤器从新返回重整炉，然后 进入竖炉循环使用。反应方程式为： Fe203+3H2叶2Fe+3H20，(9) Fe203+3CO_2Fe+3C02．(10) 3．2．2煤基法 煤基法以使用烟煤为宜，烟煤能够与CO：反应 生成CO(生产中称这种性能为煤的反应性)，煤中 灰分的熔化温度要求在1150℃以上，即高于直接 还原法操作温度50～100℃，以避免析出的灰分与 炉料和炉墙发生粘连，造成生产操作故障。煤基法 使用的煤还要求灰分低(<25％)、硫量低(<0． 8％)。 回转窑法是煤基法中最重要、最有价值、应用较 广的工艺，最具有代表性的一种方法就是SL／RN 法。回转窑法还原球团矿可按不同作业温度生产海 绵铁、粒铁及液态铁水，但以低温作业的回转窑生产 海绵铁最有意义。 煤基转底炉法生产金属化球团矿新工艺在克服 回转窑生产金属化球团矿一些不足的条件下，已得 到推广，并具有潜在市场，在工业中已崭露头脚。 目前世界占优势的煤基直接还原法是转底炉法 和回转窑法，但由于种种原因发展缓慢。 煤基法生产金属化球团矿工艺中，为改善还原 反应效果，缩短反应时间，尽可能提高金属化率，通 常多采用内外两次配加还原剂的办法，即首先在造 球前内配一部分煤粉或焦粉等还原剂，使得生球内 邡有足够多的还原剂和含铁原料充分接触，以利于 还原反应进行；其次，在干燥预热和焙烧时，保证外 部还原性气氛，需配加足够量的还原剂，一般可使用 煤粉或焦粉，或喷人一定量的水煤浆等，有条件的可 使用天然气等。 4几种金属化球团矿生产工艺对比 金属化球团矿生产工艺很多，目前较成功、已应 用于生产的，按还原设备可划分为5种，即转底炉 法、回转窑法、竖炉法、竖罐法和带式机法。其中，竖 罐法是一种非连续性生产，其余4种则为连续性生 产。 (1)转底炉法。转底炉法是最近新起的一种金 属化球团矿生产工艺。转底炉分为单层和多层两种 形式。多层转底炉生产工艺是将单层转底炉改成2 层或3层等的多层转底炉，将原料粉和煤粉均匀混 合而成的单一球团改成原料粉和煤粉分开的2层或 3层等的多层球团，各层之间采用加强筋联接，随最 ，底层炉底一起转动，并在转底炉上方进料口处增设 料柱，从而提高设备利用率和产品质量，降低能耗。 例如专利95104299便是利用多层转体炉提供了一 种海绵铁或金属化球团的生产工艺一J。 (2)回转窑法。用固体燃料作还原剂、以回转 窑作为反应器，还原剂和球团矿(生球或氧化焙烧 的球团矿)同时进入回转窑还原焙烧。可得到金属 化率90％以上，粒度5～15nlln的金属化球团矿，用 作炼钢原料。表2例举了回转窑法处理1t球团矿 的燃料和热量消耗¨J。 表2处理1t球团矿的燃料和热量消耗 回转窑法可处理品位较宽的含铁原料(包括冶 金含铁渣尘等二次资源)；对入窑物料粒度的要求， 视其还原性而定。球团矿粒度5～15mm，易还原的 可达20rain。对球团化学成分要求不严格，但采用 高铁分、低脉石是获得合理经济的前提。 回转窑法还原球团矿可按不同作业温度生产海 绵铁、粒铁及液态铁水，但以低温作业生产金属化球 团矿(海绵铁)最有意义。其优点是能够直接使用 固体煤作为能源，能有效去除某些杂质；缺点是生产 率低，热效率低，应用范围不广泛，多适用于天然气 资源匮乏地区。 (3)竖炉法。竖炉法是气基法生产金属化球团 矿的最主要、最有效工艺。首先将铁精矿制成的生 球经过氧化焙烧成为氧化球团成品后，再及时送人 还原竖炉进行还原。所用还原剂主要是天然气、焦 炉煤气、液化石油气、重油等转化制造。最终产品金 ．117· jay9971 高亮 jay9971 高亮 jay9971 高亮 jay9971 高亮 增刊 金 属 矿 山 2009年11月 属化率达95％左右，多作炼钢原料。 利用竖炉法生产金属化球团矿，每吨产品总的 热消耗约为1．4×1010J。 竖炉法的主要缺点在于对人炉球团强度要求很 高，所以必须是氧化焙烧后的球团矿，相对于生球一 回转窑法则多了一道高温氧化焙烧生产工序，整体 工艺流程相对较长；且此处竖炉与氧化球团竖炉法 生产球团存在同样的问题，虽然投资少、热效率高、 操作维修方便，但由于竖炉单炉能力较小，对原料适 应性差，受煤气资源的限制明显。所以，竖炉法生产 金属化球团在我国发展前景不大，在国外天然气资 源丰富的国家则为最主要、最有效的工艺。 (4)竖罐法。竖罐法是最早主要用来还原富矿 块的工艺。由于该工艺是非连续生产，生产时一般 需多个罐子交替使用，依次轮流进行主还原，次还 原，冷却和卸料等4个阶段。每个反应器每一阶段 需3h，整个循环总时间为12h，生产切换相对频繁， 生产规模小，生产受限，在国外有工业生产，国内截 至目前没有应用，发展潜力不大。 (5)带式机法。带式机法生产金属化球团矿在 国外有所应用。该法采用固体还原剂与铁矿粉共同 配料后细磨造球，然后在带式机上焙烧。如将煤粉、 铁精矿和石灰石按比例配好后，一起细磨至20目 (O．833nlIn)以下，制得含水15％，粒度12—19mm 小球，然后给到带式机上进行干燥和还原焙烧，总共 需要时间不到12min。也可将氧化焙烧成品球团矿 进行还原焙烧，还原剂多为气体。但这种方法由于 还原时间短，最终产品金属化率很低，仅18％一 50％，通常只能作炼铁原料。 带式机法在金属化球团矿生产方面发展很不突 出，国内至今还没有工业应用。但是，带式机法和转 底炉法、回转窑法一样，能够直接使用固体煤作为能 源，能有效除去某些杂质；都具有原料适应性好的特 -118· 点。 和其他几种生产金属化球团矿的方法相比，转 底炉法、回转窑法和带式机法是3种最具备大规模 生产潜力的工艺，在我具有广阔的市场前景，但带式 机法还有待进一步的研究。所以，目前转底炉法和 回转窑法是最适我国金属化球团矿生产的工艺。 5结论 针对国内外炼钢技术的现状，废钢量的不足以 及废钢炼钢的缺点，海绵铁的需求旺盛增长。然而 世界海绵铁产能远不能满足炼钢需求；同时我国海 绵铁生产处于起步阶段，与我国钢产量规模世界第 一极不相称；而且高品位、低杂质、成分稳定的富矿 块短缺，大量使用富矿块生产海绵铁不现实。金属 化球团矿由于粒度均匀，强度好，化学成分稳定，金 属化率高，含铁品位高，杂质含量低而成为最主要的 直接还原法海绵铁生产。所以，国内外金属化球团 矿技术将面临一个较大的发展机遇期，同时转底炉 法和回转窑法则在我国金属化球团矿生产中也将得 到空前发展。 参考文献 [1]张一敏．球团理论与工艺[M]．北京：冶金工业出版社．2005： 207-209． [2]刘裕信．金属化球团矿生产工艺的完善[J]．炼铁技术通讯， 1994(6)：16一17． 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