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直接还原与熔融还原黄柱成2010年9月本课程安排课堂讲授每人选择一个与本课程相关的课题课后查资料，制作PPT并进行课堂讨论完成相关课堂讨论课题的小论文中国钢铁工业发展及其现状我国钢铁工业发展状况经历两次高速增长期第一次：20世纪60~70年代，年均增长速度约1900万吨第二次：20世纪末至今，年均增长速度达5873万吨010000200003000040000500006000020002001200220032004200520062007钢生铁2000~2007年我国钢和生铁产量（单位：万吨）2000年：1.28亿吨2004年：2.03亿吨2007年：4.89亿吨2008年我国与世界粗钢产量2008年世界粗钢产量13.32亿吨，我国5.0049亿吨，我国占世界粗钢总产量的比重由2007年的36.3%上升到37.6%日本粗钢产量占世界的8.9%，美国6.9%，俄罗斯5.1%，印度4.1%，韩国4.0%，德国3.6%2008年我国粗钢企业产量排名排序企业名称产量世界排名1宝钢354432202河北钢铁集团332843753武钢277374鞍本234417+395山东钢铁集团233096沙钢2184144447马鞍山钢铁集团1504198首钢集团1219229华菱钢铁集团11262510包钢98431进口矿石粗钢产量钢材产量行业利润出口进口产量万t增长%产量万t增长%产量万t增长%利润亿元增长%产量万t增长%产量万t增长%6277841.65678413.506924418.51433690(主)-40.82460-58.5176314.3●09年我国钢产量、利润及进出口情况●能耗高占全国能耗总量的16%左右●污染严重产生大量颗粒物,SOx、NOx、CO2和废水等钢铁行业“三废”排放情况废水量：~8%SO2：~7%烟尘量：~8%固废量：13~15%钢铁工业存在的突出问题国内建厂：山东鲁中、北京密云、新疆富蕴（共两期）其中新疆富蕴公司建成两条年产15万t海绵铁的直接还原铁厂，第一条生产线已于2007年10月份投产运营，第二条生产线也将于2008年底正式投产。我国能源结构以及能源在世界上的分布发展直接还原技术是实现钢铁清洁化生产的需要◇长流程：炼焦、烧结----高炉炼铁----转炉炼钢优点：技术成熟、效率高、产量大、生产成本低等。缺点：炼焦、烧结、炼铁、炼钢等工序污染严重，对环境的污染占钢铁流程的70％以上，且焦炉在装煤、出焦时的煤气泄漏十分严重；而烧结过程排放大量的粉尘及污染物质也难以解决。◇短流程：直接还原铁、废钢----电炉炼钢优点：高温工序少、投资低、能耗低、运输量少、劳动生产率高、建设周期短和有利于环境保护等。缺点：废钢含杂质元素多，如果炉料中DRI比例较低，将影响电炉钢产品的质量。废钢资源优势（1）、废钢铁是再生资源，可无限循环利用。从钢材→制品→使用→报废→回炉炼钢，每8-30年一个轮回，无限循环使用（2）、废钢铁是一种载能资源，用废钢铁炼钢可以大量节约能源。废钢直接炼钢比矿石炼铁后再炼钢可节能60%，节水40%（3）废钢铁是一种环保资源，废钢直接炼钢比铁矿石炼铁炼钢可减少排放废气86%，废水76%和废渣97%，有利于清洁生产和排废减量固体碳竖式还原法的物料平衡原料输入量还原剂输入量铁矿石1460kg(68.5%Fe、98.0%Fe2O3、29.5%O、2.0%脉石）煤227kg（90%C、10%灰份）脉石30kg、铁1000kg、氧430kg灰份23kg、碳204kg、氧0kg直接还原过程中有408kg氧的转移固体输出量输出量1052kgDRI（95%Fe、88%Fe0、7%Fe++、9%FeO、2%O、3%脉石）238kgCO、374kgCO2、23kg脉石脉石30kg、铁1000kg、氧22kg灰份23kg、碳204kg、氧408kg目前吨钢综合能耗为0.6～0.8t标煤，是理论需要量的2.6～3.5倍固定碳竖式还原法的热平衡热需要量GJ/tFe还原度95%的1吨铁（50%用C、50%用CO还原）3.1381000℃的1.086吨直接还原铁和灰份的显热0.745800℃的612kg（50%CO、50%CO2）的废气显热0.481合计4.364还原需要的热量相当于0.107t标煤，是长流程需要量的1/5～1/7提纲第一部分钢铁生产及短流程炼钢概论第二部分直接还原理论与工艺第三部分熔融还原理论与工艺第一部分钢铁生产及短流程炼钢概论一、什么是短流程1.世界钢铁工业发展概况起步阶段时间：1865年前后工艺：空气侧吹转炉炼钢法（1865年英国贝赛麦）代表国家：英国中国：公元前2世纪采用类似侧吹转炉炼钢法—李约瑟1.世界钢铁工业发展概况（续）第一次革命时间：19世纪末、20世纪50年代工艺流程：焦炉→烧结机→高炉→平炉→铸锭→初轧开坯→成品轧机代表国家：德国（最早）、美国和前苏联（稍后）什么是短流程（续）1.世界钢铁工业发展概况（续）第二次革命时间：20世纪50年代至70年代●奥地利发明了纯氧顶吹转炉炼钢法平炉：8~10小时—炉钢氧气转炉：40分钟—炉钢●与此同时，前苏联、瑞士发明了连续铸钢法工艺流程：大烧结机→大焦炉→大转炉→大连铸机→连轧机代表国家：日本、西德什么是短流程（续）1.世界钢铁工业发展概况（续）第二次革命（续）代表国家：日本、西德1973年日本钢超1亿吨，基本采用新流程未及时抓住这一革命时机的国家为美国、前苏联、中国中国只有宝钢具有第二次革命全流程。什么是短流程（续）1.世界钢铁工业发展概况（续）第三次革命（续）时间：20世纪80年代—21世纪××年代工艺流程：废钢/DRI→电炉→连铸→连轧代表国家：美国：36.8%(1990)、46.4%（1997）、50%（2000）欧洲：42.3%（1997）、59%(2010)什么是短流程（续）2.钢铁生产方法及流程三类方法什么是短流程（续）图1.三种钢铁冶炼方法示意图A：高炉—转炉（BF—BOF）；B：直接还原—电炉（DR—EAF）；C：熔融还原—转炉（SR—BOF）2.钢铁生产方法及流程（续）什么是短流程（续）图2.SourcesofMetallicFeedstock2.钢铁生产方法及流程（续）五种流程什么是短流程（续）焦炉烧结机球团BOF高炉输出煤气110m3焦油30kg焦煤0.589t0.022t0.041t铁矿石0.788t0.020t输出煤气675m30.926t0.411t0.431t0.389t0.823t钢水1t输出煤气80m3废钢0.263t46m3氧气26W•h（电）图3.BF—BOF流程原料及能源流向图2.钢铁生产方法及流程（续）五种流程（续）什么是短流程（续）直接还原竖炉电炉氧化球团264m3天然气直接还原铁0.926t0.806tFe(91.7%Fe)钢水1t废钢、铁合金0.269t添加碳1kg25m3氧气550kW•h（电）图4.竖炉直接还原—电炉流程示意图1.266t110KW•h（电）电极4kg2.钢铁生产方法及流程（续）五种流程（续）什么是短流程（续）直接还原回转窑电炉氧化球团527kg煤直接还原铁0.879t0.806tFe(91.7%Fe)钢水1t废钢、铁合金0.269t添加碳1kg25m3氧气550kW•h（电）图5.回转窑直接还原—电炉流程示意图1.266t66KW•h（电）电极4kg25KW•h辅助设备用电2.钢铁生产方法及流程（续）五种流程（续）什么是短流程（续）电炉¯¯¯¯¯¯钢水1t废钢、铁合金添加碳8kg25m3氧气550kW•h（电）图6.废钢—电炉流程示意图1.063t电极4kg25KW•h电(助熔)2.钢铁生产方法及流程（续）五种流程（续）什么是短流程（续）钢水1t粉矿石灰石0.096t543kg煤(493kW•h熔化用电）图7.熔融还原(Elred法)—转炉流程示意图1.237t燃料0.010t26KW•h电力熔融还原炉氧气转炉废钢0.263t35m3氧气铁(109kW•h脱硫和辅助设备用电）137kW•h制氧用电404m3氧气什么是短流程（续）2.钢铁生产方法及流程（续）DR—EAF短流程与BF—BOF长流程的比较：吨铁投资少~50%操作成本低~37%环境保护易实现质量好控制流程吨钢投资能源消耗运输量生产成本环境保护质量控制生产规模建设周期长流程100%100%100%100%短流程约50%约50%约70%约63%易实现好灵活短2.钢铁生产方法及流程（续）DR—EAF短流程与SR—BOF长流程的比较：冶金反应过程合理流程更短质量好控制本质意义：SR—BOF：非焦煤炼铁DR—EAF：短流程什么是短流程（续）钢铁生产过程中氧位的变化2.钢铁生产方法及流程（续）2020年钢铁冶金流程预测什么是短流程（续）什么是短流程（续）3.目前钢铁生产概况及主要产钢国家生产概况Fig10.WorldCrudeSteelProductionDevelopmentbyProcessRoute3.目前钢铁生产概况及主要产钢国家生产概况(续)美国：1.37亿吨(1973)→8000万吨(目前)日本：1.193亿吨(1973)→1亿吨以下(目前)俄罗斯：1.6亿吨(1988)→1亿吨以下(目前)欧共体：2亿吨(80年代)→1.6亿吨以下(目前)中国：~5000万吨(80年代初)→1.14亿吨(1997)→2.3亿吨（2003）→2.6亿吨（2004）→约5.0亿吨（2007）什么是短流程（续）二、短流程炼钢发展背景1.长流程自身的原因：流程长、投资大、成本高、环境污染重。2.合理利用资源：废钢、复杂矿。3.能源：炼焦煤减少。4.钢的品种和质量。5.市场应变能力。三、发展短流程炼钢的条件1.原料废钢（scrap)：直接还原铁（DRI/HBI）铁水（HM）2.电力（400~500Kw.h/t-钢）3.发展DRI/HBI的条件资源—优质铁矿：TFe67%、S、P0.01%能源—天然气煤：S、挥发份、灰份、灰份熔点、反应性第二部分直接还原理论与工艺一、直接还原生产及技术现状1.国外现状技术现状按还原剂分：•气基•煤基MidrexHYLSACircoredFiorFINMET炭化铁SN/RLFastmeltCometInmetcoCircoferCOREXItmk3区域1区域2区域4区域3块矿/球团粉矿固态液态煤煤气图11按还原剂和铁矿石种类分直接还原工艺直接还原生产及技术现状(续)1.国外现状(续)技术现状(续)按炉型分：•竖炉•回转窑•转底炉•流化床等直接还原生产及技术现状(续)1.国外现状(续)技术现状(续)按含铁料粒度分：•块矿/球团•粉矿表1不同直接还原工艺的主要特点比较工艺原料还原剂还原设备温度压力成本(美元/吨)Arex球团/块矿煤气竖炉中等低150Circofer粉矿碳流化床高中200Circred粉矿煤气流化床低中190DayDRC球团/块矿碳回转窑高常压270Fastmet粉矿碳转底炉非常高常压175Finmet粉矿煤气流化床中等高220HYLⅢ球团/块矿煤气竖炉中等中190炭化铁粉矿煤气流化床低中230Inmetco粉矿碳转底炉非常高常压170MIDREX球团/块矿煤气竖炉中等低180SL/RN球团/块矿碳回转窑高常压240表2世界上主要投入应用的直接还原铁生产方法方法名称MidrexHYLⅠHYLⅢFIORSL/RNFastmetCorex发展阶段商业生产中商业生产中商业生产中商业生产中商业生产中开发中商业生产初期年产量(万吨)1600340230367230单座生产规模(t/d)25002000—1200500~10005060原料块矿或球团矿球团矿块矿或球团矿0.04~10mm粉矿块矿或球团矿块矿块矿或球团矿还原剂天然气天然气天然气天然气煤、焦炭粉煤一般煤成品DRI/HBIDRI热DRIDRI/HBIDRIDRI/HBI铁水还原炉型式竖炉竖炉(间歇)竖炉多层流化床回转窑转底炉竖炉温度/℃800~900800800~900700~800110