COREX熔融还原炼铁技术

COREX熔融还原炼铁技术陈炳庆张瑞祥周渝生(宝山钢铁(集团)公司)摘要COREX熔融还原炼铁工艺用非炼焦煤直接炼铁，流程短、投资省、成本低、污染少、铁水质量好，过程煤气可用于生产海绵铁，成为当代冶金工业的前沿技术。本文分析了COREX工艺的特点，原、燃料的性能要求，技术经济指标，讨论了其发展前景和进一步研究完善的方向。关键词熔融还原炼铁海绵铁COREXSMELTINGREDUCTIONIRONMAKINGTECHNOLOGYCHENBingqingZHANGRuixiangZHOUYusheng(BaoshanIron&SteelCorp.)ABSTRACTTheCOREXsmeltingreductionironmakingtechnologyhasbeenknownasanadvancedtechnologyofmetallurgicalindustrypresentlyduetotheuseofnon-cokecoal,shorterproductionroute,lowerinvestmentandcost,lesspollutionandgoodqualityofhotmetalandtheuseofoffgasforproductionofspongeiron.ThispaperconcernstheCOREX'sfeatures,therequirementsofrawmaterialsandfuels,andthetechnologicalindexesofCOREXproductionprocess.ThefurtherdevelopmentandimprovementofCOREXtechnologyisdiscussed.KEYWORDSsmeltingreduction,ironmaking,spongeiron1前言熔融还原炼铁是当代冶金工业前沿技术之一，它的开发应用是对传统高炉炼铁工艺的根本性变革。高炉炼铁系统(包括焦化、烧结、高炉)经过几百年应用发展，具有技术完善、生产量大、设备寿命长等优点。但其流程长、投资大、污染严重、灵活性差，尤其是世界炼焦煤资源日益匮乏，在量与质上都难以满足高炉炼铁需要，促使人们开发新的炼铁工艺。COREX熔融还原炼铁工艺是近年已趋成熟的新型炼铁生产方法，它不仅能使用非炼焦煤直接炼铁，而且工艺流程短、投资省、生产成本低、污染少、生产的铁水质量能与高炉铁水相媲美；能够利用排出的过程煤气在竖炉中生产海绵铁，替代优质废钢供应电炉炼钢。这对没有条件采用天然气气基竖炉法大量生产海绵铁的我国来说，其更具意义。目前，全世界已投产和在建的COREX装置七座，到1998年COREX熔融还原炼铁将年产铁水500万t，约占世界生铁产量的1%。2COREX工艺流程简述COREX熔融还原炼铁过程在两个反应器中完成。即上部的预还原竖炉，将铁矿石还原成金属化率92%～93%的海绵铁；下部的熔融气化炉，将海绵铁熔炼成铁水，同时发生还原煤气［1］。其工艺流程示于图1。图1COREX生产流程图Fig.1COREXprocessflowdiagramCOREX工艺的铁矿石预还原竖炉是一个活塞式反应容器。铁矿石从上部装入，设在竖炉底部的螺旋排料器控制其向下移动的速度。热还原煤气从竖炉下部输入，矿石被煤气加热并发生还原反应。铁矿石经6～8h变成海绵铁，经螺旋排料输送器输入下方的熔融气化炉。熔融气化炉是一个气—固—液多相复杂的炼铁移动床反应容器。煤由速度可控的螺旋给料器加入炉内，与温度1100℃以上的还原气体接触，在向下移动过程中被干燥和热解，脱除挥发分，逐步成为半焦直至焦炭。在熔融气化炉的底部形成一个类似高炉的死料柱。由均匀分布于炉缸圆周的26个风口氧枪吹入氧气，在风口区燃烧产生2000℃以上高温，使海绵铁进一步还原熔化、过热、渣铁分离，从铁口排出。炉顶排出的1100℃左右的煤气中，含有95%(CO+H2)，1%CH4，还有N2等。混入20%净化冷煤气，使煤气温度降到900℃左右，经热旋风除尘器，将含尘量从100～200g/m3降至20g/m3左右，除尘后的850℃煤气输入竖炉作还原气。炉尘返吹入熔融气化炉。为使铁水成分满足炼钢要求，需按造渣成分和碱度要求在预还原竖炉中加入石灰石、白云石和硅砂等熔剂，以使碳酸盐的预热和部分分解在还原竖炉完成，然后随海绵铁一起加入熔融气化炉。3COREX工艺的原燃料COREXC—1000、C—2000装置生产实践表明，为使炉况稳定、顺行，达到高产、低耗，加入炉内熔炼的原、燃料都应有一定的理化性能要求［2］。(1)铁矿石COREX工艺可以用块矿、球团矿或者两者的混合矿作为原料，其主要物化性能要求见表1。表1COREX工艺对铁矿石的主要物化性能要求Table1MaindataoforeforCOREX原料名称TFe/%粒度/mm允许选优允许选优(＜6mm)/%球团矿≥5862～666～308～16＜5块矿≥5562～666～308～20＜5COREX还原竖炉要求料柱有良好的透气性，降低炉内压力降，以利于气流分布，所以控制入炉原料粒度在6～30mm，最好为8～20mm。还原过程中，矿石产生碎裂和磨损。所以，在矿石入炉前应测试矿石的还原性，碎裂性和还原后强度。以选择还原后强度好的矿石入炉。COREX工艺要求矿石的铁含量：块矿＞55%，球团矿＞58%，矿石中的TiO2的含量应加以限制，以免炉渣粘度升高。表2是ISCOR公司和POSCO公司的COREX炉使用的铁矿石种类与化学成分［3］。表2COREX工艺的铁矿石种类与化学成分%Table2ChemicalcompositionandoretypeforCOREX%名称ISCOR公司POSCO公司Thabaimbi块矿Sishen块矿CVRD球团Newman块矿Algarrobo球团CVRD球团Peru球团Fe62.966.064.2264.365.265.7565.50SiO25.22.82.93.042.12.523.60Al2O30.81.00.61.040.530.560.47CaO0.90.23.91.32.632.50.47MgO0.50.10.30.110.050.040.82K2O0.090.130.01＜0.02＜0.02＜0.020.1P0.050.040.030.060.020.030.008S0.010.030.010.0070.0060.010.007(2)煤COREX工艺可以使用范围很广的非炼焦煤，评估煤质的主要指标包括挥发分、固定碳和灰分。其要求列于表3。表3COREX工艺用煤质量要求%Table3CoalqualityforCOREX%项目普通值优选值固定碳挥发分灰分＞55＜35＜2560～7520～305～12水分干燥前干燥后＜12＜55～103～5硫＜10.4～0.6粒度/mm0～508～50表4是目前COREX工艺使用的煤种和成分。宝钢钢研所与东北大学做的COREX熔融还原炼铁热模拟试验中，采用阳泉煤、大同煤和神府煤组成的混合煤，结果表明，这三种煤以一定配比混合，可以得到比较理想的COREX工艺用煤。表4COREX工艺用煤成分%Table4CoalcompositionforCOREX%ISCOR公司POSCO公司Delmas煤Wolvekrans煤MountThorley煤SouthBlackwater煤湿分532.562.69灰分15.213.310.09.0挥发分28.028.033.026.0固定碳56.858.757.065.0硫0.70.60.440.454COREX工艺的特点COREX熔融还原炼铁工艺，采用了成熟的气基竖炉法海绵铁生产技术和高炉炼铁技术。COREX工艺的预还原竖炉部分相当于高炉炉身中、上部，熔融气化炉部分相当于高炉的炉缸与炉腹部分并向上延伸。截去了高炉的炉身下部和炉腰部分，避免了高炉内影响料柱透液性、透气性和气流分布的软熔带的产生，为COREX工艺直接使用非炼焦煤炼铁创造了条件。4.1炉缸形成死料柱COREX熔融气化炉中部以下有煤、半焦和海绵铁组成的料柱，下部有半焦和焦炭组成的死料柱。死料柱的存在，使熔化后的渣铁在高温区与焦炭的接触时间增加，铁水温度升高，铁、硅还原，渗碳、脱硫等反应有条件充分进行。分析料柱结构表明，炉缸的焦炭量随着固定床深度的增加而增加。和高炉死料柱的作用一样，死料柱在炉缸起到碳源作用，提供铁水碳饱和及降低渣中残余FeO所需要的碳。4.2炉尘回收，返入熔融气化炉煤在熔融气化炉加热脱除挥发分的气化过程中，产生含碳粉尘，并被煤气带离气化炉。煤气经除尘，控制还原气含尘量在一定范围内。回收的炉尘在炉体适当位置返吹入熔融气化炉。这样，可以防止炉尘堆积，而且可通过调节吹氧量使炉尘燃烧产生的热量将炉顶温度控制在1100℃左右，使气相中的焦油、苯等高分子碳氢化合物分解为H2、CO。所以，炉尘回收系统也是COREX工艺的无污染操作。4.3粒度分布与煤气流控制以炉料与煤气相向运动为基础的竖炉还原，保持料柱的一定空隙率，煤气流的低压降，可防止悬料，增加煤气流通量，矿石得到充分还原。为此，除严格控制矿石粒度和还原气的含尘量外，还要尽量减少矿石在加热还原过程中的碎裂现象。4.4环境污染小由于COREX工艺用煤直接炼铁，基本不需要焦炭，避免了冶金工厂的主要污染部分(焦炉)，工艺过程紧凑。尤其是没有了炼焦过程的焦煤装炉、出焦、炉门密封不严造成的煤气泄漏，使COREX熔融还原炼铁成为环境保护十分可取的炼铁工艺。以高炉—焦炉—烧结工艺排出的有害物质为100%计，则COREX熔融还原炼铁工艺的排放量为：SiO2炉尘NO2苯酚3.8%10.7%10.5%0.04%硫化物氰化物氨0.01%5.0%8.2%环境质量大为改善。4.5生产技术指标好COREX熔融气化炉和还原竖炉都采用高压操作，压力400kPa左右，铁水成分比较稳定且易控制，［Si］的含量为0.1%～0.2%，平均［S］的含量为0.025%，但有时受原料影响波动大。1996年7月浦项(POSCO)钢厂COREXC—2000［4］生产的铁水温度：1500～1540℃(平均1510℃)；铁水成分：［C］4.2%～4.8%，［S］0.015%～0.030%；作业率96.5%；月产量5.7万t铁水；输出煤气量：145000m3/h(热值7500kJ/m3)。煤气成分中CO、H2、CH4、CO2、H2S分别为35%～45%、15%～20%、1%、35%、(10～70)×10-6，其余为N２、H２O；含尘量＜5mg/m3。生产1t铁水的原、燃料及动力消耗：铁矿石：1480kg；煤：990kg(澳大利亚进口的高低挥发分煤各占一半，包括3%～10%焦炭)；熔剂：325kg；氧气：560m3；渣量：约340kg。4.6流程短、投资省、生产成本低COREX熔融还原炼铁工艺，已有COREXC—1000、C—2000两套装置的9年和2年生产实践经验。与焦炉—烧结—高炉工艺流程相比，其工序少、流程短。由图2可以看出，COREX工艺从矿石到炼出铁水仅需10h，而高炉工艺需要25h。由于设备重量减少一半，投资费用少20％，生产成本低10%～25%。南非ISCOR公司COREX的生产成本比产量相当的Pretoria高炉低34%，比ISCORVanderbilpark厂高炉(9000t/d)低18.8%，比ISCORNewcastle厂高炉(5000t/d)低38%。宝钢三期工程后设计中所做的高炉生产成本为吨铁1004.5元。北仑钢厂预可行性研究计算COREX熔融还原炼铁的铁水生产成本每吨为937元。DRI生产成本为1030元。能耗，按标煤折算系数为0.875t，宝钢1994年1～3号高炉系统吨铁生产实绩：0.5895t(标煤)，宝钢4号高炉(方案)系统：0.5758～0.5846t(标煤)，宝钢COREX—Midrex(方案)系统：0.5262t(标煤)。图2传统钢厂与短流程钢厂生产过程的温度曲线和需要时间比较Fig.2Comparisonoftempe