储满生--铁矿热压含碳球团制备及应用技术

2015.11.08储满生东北大学储满生，男，1973年生，东北大学教授，博士生导师，钢铁冶金研究所副所长，2004年博士毕业于日本东北大学。2008年获教育部新世纪优秀人才，兼任日本铁钢协会会员。主要从事低碳高炉炼铁、直接还原与熔融还原、冶金资源综合利用、冶金过程模拟等领域的研究。发表论文220余篇，其中SCI收录40篇，EI收录70余篇；出版中英文专著4部；申请国家发明专利30余项。主持863计划、国家自然科学基金、国家自然科学基金重大项目、国家博士后基金及特别资助、博士点基金、教育部基本科研业务费、企业合作等纵横向课题20余项。TEL：[phone](M)024-83684959(O)E-mail：[e-mail]2主要内容研究背景热压含碳球团制备及其冶金性能热压含碳球团应用于高炉炼铁√对高炉综合炉料软熔滴落性能的影响√高炉使用热压含碳球团的数学模拟热压含碳球团的应用分析31.研究背景4一切为了低碳ReductionIncrease-6%Japan-7%USA-8%　EURussiaAustralia8%0%温家宝在2009年哥本哈根世界气候大会承诺：中国到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%－45%。京都议定书的各国温室气体排放指标5CHINA？各国各产业CO2排放按国家按产业6钢铁产业的发展阶段GrowingPeriodProductionIncreaseConstructionofNewSteelWorksDevelopmentofNewProcessesStablePeriodEffectiveProductionHighQualityProductSymbioticPeriodLongLifeImprovementofEnvironmentRecycle721世纪钢铁产业发展的主题生产的集约化及自动智能化高效化（采用革新技术）低能耗（提高能源效率和节能）低环境负荷（CO2减排和资源综合利用）8传统高炉-转炉流程主要问题：•传统炼铁流程长，工艺复杂；•资源、能源循环使用率低；•对焦炭和焦煤资源的依赖；•环境污染严重铁矿石烧结厂焦煤焦炉高炉转炉连铸热轧机精轧机高炉-转炉传统流程9Source:“EnergyConsumptionStatistics,MinistryofEconomy,TradeandIndustry,Japan.0204060801006.9%8.5%8.7%12.2%7.9%2.8%53.0%OthersPowergenerationRollingSteelmakingBlastfurnaceCoke-makingSinteringCO2emission[MtCO2]02004006008001000OthersPowergenerationRollingSteelmakingBlastfurnaceCoke-makingSintering49.0%8.5%12.2%5.0%11.5%4.1%9.7%SectorsinsteelindustryEnergyconsumption[PJ]高炉的高能耗和环境负荷10高炉：节能降耗、低碳环保的焦点烧结、球团喷吹系统焦炉热风系统渣处理转炉炼钢连铸、轧钢EAF高炉能耗:占总体的49%CO2排放:占钢铁生产总体的53%废钢DRI11传统高炉炼铁技术进步已达极限Source:M.Naito,CAMP-ISIJ,17(2004),2.1219601970198019902000200300400500600700YearCokerate[kg/thm]ModellingandcontrolofblastfurnaceprocessAll-cokeoperataionPulverizedcoalinjectionLowSioperationBurdendistributionOxygenenrichmentHighblasttemperatureOretreatmentFuelinjectionLowCIronmaking低成本炼铁（原燃料品质的劣化）--含高Al2O3和高结晶水铁矿的大量使用--弱/非粘结性煤的大量使用--优质焦煤资源世界性匮乏及焦炭供应不足超大型化和超高冶炼效率--超大型高炉--常规技术已取得高效率，达极限--低成本原燃料的使用低CO2排放--欧洲ULCOS项目；--日本COURSE50计划当前高炉炼铁的热点13低碳超高效率高炉的提出低碳超高效率高炉快速还原低环境负荷炉顶煤气循环低温操作含碳复合炉料含氢物质喷吹高还原性炉料低能耗高效率14新一代低碳超高效率高炉½Hshaft高还原性烧结矿含碳复合炉料预还原金属化炉料TICO2SI高煤比废弃塑料天然气COG超高富氧LowTtapping焦炉热风炉TopgasLowTmeltLowTTRZ15低碳高炉炼铁炉料的组成（C）（Fe）烧结矿预还原烧结矿碳铁复合炉料金属铁焦炭金属化炉料的影响含碳压块高反应性（催化剂）区域a铁焦（FexOy）金属铁（还原、催化剂）16高炉使用含碳复合炉料基本原理降低热空区温度，提高炉身效率，提高CO利用率，冶炼低温化。温度热空区碳铁复合炉料金属铁焦炭通过金属铁的催化作用来提高焦炭的反应性目标金属铁的影响通过提高焦炭反应性降低热空区温度CO2/(CO+CO2)O/FeFeO-FeW通过金属铁的催化作用来提高焦炭的反应性金属铁的影响通过提高焦炭反应性降低热空区温度FeTempFeO目标碳铁复合炉料金属铁焦炭温度热空区1000℃800℃17Equilibriumdiagramofironoxidereduction13001200110010009008007006005000102030405060708090100y=0.060.070.080.090.100.110.120.130.14Temperature[oC]CO2/(CO2+CO)×100[%]-FeFe1-yOFe3O4C(Fe3C)C+CO2=2CO18高炉使用含碳复合炉料的效果分析19低碳高炉炉料含碳复合炉料FeCFexO热压含碳球团(CCB)粘结剂高温失效，高温强度低生产成本高，渣量大，不利于冶炼可不使用粘结剂还原性高高温强度好软熔滴落性能优良反应性高强度好还原温度低可用弱黏结性煤冷固结含碳球团铁焦(CIC)20含碳复合炉料的优点快速还原碳与铁矿粉紧密接触，存在气化反应和还原反应的耦合效应，具有烧结矿和球团矿无法比拟的优良还原性能。原燃料来源广泛，适应性增强可处理低品位矿石、细磨矿粉及钢铁厂含铁粉尘；使用非焦煤。工艺简化，节能降耗省去焦化、烧结工艺，降低能耗，减轻环境负荷。CFexOy21含铁粉料配以固体还原剂（煤粉或焦粉）与适当的粘结剂充分混合后，经造球或压制而成的冷固结团块。缺点是：粘结剂高温失效，高温强度低；外加粘结剂不仅提高生产成本，而且增加渣量，不利于强化冶炼。热压含碳球团（简称CCB）是煤粉和含铁物料的热压产物，优点是：不外加粘结剂；还原性高；高温强度好。热压含碳球团&冷固结含碳球团冷固结含碳球团热压含碳球团22热压含碳球团生产工艺23煤粉铁矿粉其他(炉尘、瓦斯泥、熔剂等)预热预热预热热混热压块热处理热压含碳球团新日铁：普通焦炉生产含有高钙配煤的高反应性焦炭，掌握了含铁催化剂对焦炭质量及焦炉炉墙的影响。JFE：将70%煤粉与30%铁精矿粉，经混合、预热、热压、竖炉碳化，形成含有焦炭与部分还原铁的碳铁复合炉料(铁焦CIC)，CRI达53%；强度约为普通焦炭的两倍。神户制钢：炼焦配煤中添加HPC对焦炭质量的影响。研究表明，HPC在炼焦配煤中的最佳配比为20%。铁焦技术开发JFE铁焦生产工艺装置24铁焦技术比较及应用现状研究单位生产原料生产设备不足之处新日铁高钙煤普通焦炉CSR低，高炉使用较多时会影响透气性；焦炉温度控制使得生产工艺较复杂；对原料煤的要求太高，增加炼焦成本。JFE煤粉铁矿粉竖炉干馏炉需解决复合炉料的结构和成分优化；复合炉料的碳化和还原；高炉布料和操作制度优化等关键问题。神户制钢HPC、煤粉小型炭化炉粘结剂制备成本较高。JFE钢铁公司于2011年成功开发铁焦技术：将廉价的弱黏结性煤和铁矿粉混合压块成型后，送入连续式炉内加热干馏，生产含铁30%、含焦70%的铁焦。在京滨厂中型高炉代替10%焦炭，经过多次连续使用后，取得了在炉况正常下节约焦炭的明显效果。来源:JFE钢铁公司完成高炉使用铁焦阶段性试验.世界金属导报，2013-05-14-B01版JFE钢铁公司在2012年5-6月累计生产2500t铁焦，在千叶厂5153m3的高炉上进行了长百天的试验（50kg/tHM)。试验过程操作稳定，高炉燃料比降低13-14kg/tHM。该公司计划到2020年将铁焦制造能力扩大到现在的50倍即日产1500t且达到实用化水平。JFE钢铁公司京滨厂实施创新性高炉原料铁焦的长期试验项目于2013年6月结束。试验证明，该技术在保持炉况稳定操作情况下，燃料比和焦比下降明显，既有利于节能减排，又可增加对劣质煤利用。252.热压含碳球团制备及其冶金性能26（煤的热塑性）烟煤熔剂铁矿粉（一定比例）热压成块干燥干燥试样测试与分析热压含碳球团2.1实验室热压实验热压模具27制粉混合加热热处理2.2热压中试设备及其产品282.3热压试验结果29组成TFeFeOSiO2Al2O3CaOMgOSP数值65.1724.335.380.110.620.050.010.01实验原料大石桥铁精矿粉化学成分/%煤种煤质挥发分/%粘结指数/%胶质层厚度/mm基氏流动度特征温度/℃软化温度最大流动度温度固化温度鹤岗煤烟煤34.327811425459475七台河煤烟煤29.526510422455470大同煤无烟煤6.5-10无0------恒山煤烟煤20-28728------神木煤烟煤36.29646------潞安煤无烟煤11.17无0------神府煤褐煤45无0------热压用煤特性300246810神府大同鹤岗恒山七台河神木潞安0200400600800100012001400落下强度/次抗压强度/(N/个)煤的种类抗压强度落下强度204060801001201401601802002200200400600800100012000246抗压强度/（N/个）煤的粒度/（-目）落下强度/次20253035404550800850900950100010501100115012000246810落下强度/次抗压强度/(N/个)配煤量/%煤种对热压含碳球团强度的影响配煤粒度对热压含碳球团强度的影响配煤量对热压含碳球团强度的影响热压工艺参数对热压含碳球团强度的影响31热压压力对冷态强度的影响配加CaO对冷态强度的影响102030405060800900100011001200130014000246810抗压强度/（N/个）热压压力/MPa落下强度/次0246810600800100012001400抗压强度/(N/个)配CaO量/wt%300350400450500550600700800900100011001200最大流动度温度热压温度/℃抗压强度/（N/个）246810落下强度/次热压温度对热压含碳球团冷态强度的影响热压工艺参数对热压含碳球团强度的影响32热压实验结果正交分析参数名称实验参数值抗压强度/N极差R/N偏差率/%配煤量/%2797022018.48351190431010煤粉粒度/（-目）6084035029.4118011902001130热压温度/℃35091058048.744501190550610热压压力/MPa18107012010.0835119052131033与冷固结含碳球团的比较20253035404550800900100011001200配煤量/%抗压强度/(N/个)热压冷固结a）热压含碳球团b）冷固结含碳球团342.4熔滴性能的试验研究分