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熔融還原煉鐵工藝的發(fā)展趨勢探討

2011-10-31

熔融還原煉鐵工藝的發(fā)展趨勢探討
 
 
摘要：本文根據(jù)HIsmelt工藝Kwinana示范廠三年多來試生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，結(jié)合Romelt和DIOS等工藝的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，對熔融還原煉鐵工藝中存在的爐襯壽命、渣鐵排放、傳熱效率等方面的問題進(jìn)行了分析，提出了解決思路－轉(zhuǎn)爐熔融還原煉鐵工藝。
關(guān)鍵詞： 熔融還原非高爐冶煉 HIsmelt DIOS ROMELT
 
HIsmelt工藝直接將礦粉和非焦煤粉、熔劑等噴入熔融還原爐中生產(chǎn)鐵水，取代了高爐、焦化、燒結(jié)、球團(tuán)等傳統(tǒng)的煉鐵工序，是目前最理想的一種熔融還原煉鐵工藝。HIsmelt工藝的第一座示范廠－Kwinana廠從2003年開始建廠到2008年試生產(chǎn)停止一直得到世人的關(guān)注。在三年多的試生產(chǎn)過程中，Kwinana廠達(dá)到的最好指標(biāo)如表1所示，試生產(chǎn)的平均生產(chǎn)率水平見圖1，從中可以看出，最高日產(chǎn)達(dá)到了1834t/d，最低煤比達(dá)到了810kg/t鐵，最長連續(xù)生產(chǎn)時(shí)間68天，最高月產(chǎn)達(dá)到了37345噸，期間累計(jì)生產(chǎn)鐵水30余萬噸。
表1          Kwinana廠三年多試生產(chǎn)中達(dá)到的最好指標(biāo)[1]
指標(biāo)
參數(shù)
最高日產(chǎn)量
1,834 t
最高周產(chǎn)量
11,043 t
最高月產(chǎn)量
37,345 t
最低煤比
810 kg/t
最長連續(xù)生產(chǎn)時(shí)間
68 天
最高周設(shè)備作業(yè)率
99%
設(shè)備最長正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間
129 h

 在三年多的試生產(chǎn)過程中，Kwinana廠出現(xiàn)的問題基本集中在外圍設(shè)備上，如礦粉預(yù)熱器、余熱回收鍋爐、煤氣除塵等幾個(gè)方面。經(jīng)過三年多的磨合，整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)的可靠性和生產(chǎn)效率逐步提高，燃料消耗逐步降低，爐缸壽命也得到了明顯改善，預(yù)示著HIsmelt技術(shù)正在向著積極的方向發(fā)展，但熔融還原煉鐵工藝遇到的核心問題如爐襯壽命、渣鐵排放、燃燒傳熱效率等問題還沒有能夠很好地解決。
一、熔融還原工藝的爐襯壽命過短、很難達(dá)到工業(yè)化長期生產(chǎn)要求
1、HIsmelt工藝熔融還原爐的爐襯侵蝕嚴(yán)重，壽命過短
 在開發(fā)鐵浴熔融還原過程中，鐵浴爐爐襯壽命一直是人們特別關(guān)心的問題，包括DIOS、Romelt、HIsmelt在內(nèi)的所有鐵浴熔煉方法都希望有較高的熔融和還原速率，而多數(shù)提高還原速率的操作手段，如提高熔池溫度、熔渣高FeO含量、加強(qiáng)熔池?cái)嚢璧葘t襯壽命又都構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，這些都是鐵浴熔融還原工藝不能回避的問題。
HIsmelt工藝依靠熔池的大量“涌泉”來獲取二次燃燒產(chǎn)生的熱量。在熔融還原反應(yīng)過程中，通過噴槍將大量礦粉和煤粉噴入熔池中產(chǎn)生“涌泉”的同時(shí)，也會對熔池進(jìn)行強(qiáng)烈的攪拌，致使熔渣對熔融還原爐的內(nèi)襯進(jìn)行強(qiáng)烈沖刷,特別是對渣線部位的沖刷最為嚴(yán)重。為提高和強(qiáng)化二次燃燒熱的回收，HIsmelt公司將8支噴槍調(diào)整為2支混合大噴槍來提高噴吹強(qiáng)度，進(jìn)一步強(qiáng)化“涌泉”的傳熱效率[1]。此舉在提高爐內(nèi)“涌泉”傳熱的同時(shí)也會極大的提高熔池的攪拌強(qiáng)度，最終也會大大降低爐襯壽命。
Kwinana廠最初設(shè)計(jì)的爐襯使用壽命為18個(gè)月，但是第一爐役的壽命卻不到三個(gè)月[2]。HIsmelt熔融還原爐內(nèi)襯侵蝕情況如圖2所示[2]。從圖中左部的“看臺”磚被侵蝕掉的情況來看，渣線部位的沖刷、磨損最為嚴(yán)重。為此，2008年將此部位全部安裝了渣線冷卻器，即用銅冷卻器代替“看臺”磚襯，試圖通過強(qiáng)冷卻延長“看臺”的壽命[2]。由于更換冷卻器后生產(chǎn)時(shí)間不長，新冷卻方式能否使?fàn)t襯壽命達(dá)到1年以上目前還無法證明。
HIsmelt工藝開發(fā)的中試期間就已經(jīng)反復(fù)證明，工藝處于穩(wěn)定狀況時(shí)，爐襯的侵蝕速率是很小的，Kwinana廠試生產(chǎn)中停、開爐次數(shù)過多是造成耐材壽命過短的重要原因[2]。
2、DIOS和Romelt工藝的強(qiáng)冷卻爐襯的使用壽命仍然過短。
80年代新開發(fā)的鐵浴熔融還原工藝，如日本的DIOS、俄國的ROMELT等都由于渣中FeO含量較高，耐火材料侵蝕嚴(yán)重，致使?fàn)t襯壽命過短，難以經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)鐵水。
ROMELT工藝為了克服爐渣侵蝕及二次燃燒產(chǎn)生的劇熱，在熔池側(cè)壁采用了水冷爐壁掛渣方式進(jìn)行強(qiáng)冷卻，以減少爐襯耐火材料的消耗。此舉在提高爐缸壽命的同時(shí)也增加了爐壁的熱損失（設(shè)備熱損失為16.9%），并存在冷卻壁漏水、爆炸的風(fēng)險(xiǎn)[3]。另外，ROMELT工藝一年內(nèi)仍然需要四次定期停產(chǎn)檢修，更換爐缸耐火材料。平均每個(gè)爐役期不到三個(gè)月。
與ROMELT法一樣，DIOS工藝在連續(xù)生產(chǎn)的煉鐵爐爐缸中直接使用銅冷卻壁的安全性令使用者望而卻步，如果發(fā)生漏水，被液態(tài)渣鐵包裹的水瞬間氣化、膨脹1600倍，將使設(shè)備發(fā)生重大爆炸事故[4]。另外，DIOS工藝即使?fàn)t襯采用水冷結(jié)構(gòu),仍需對爐襯進(jìn)行定期修補(bǔ)。
為此，我們認(rèn)為，HIsmelt熔融還原爐的爐缸由于受熔渣的反復(fù)沖刷，爐襯侵蝕、磨損嚴(yán)重。在爐襯渣線部位安裝銅冷卻器代替“看臺”磚襯進(jìn)行強(qiáng)化冷卻，只能適當(dāng)延長爐襯使用壽命，其中存在重大的安全隱患。
DIOS、ROMELT等熔融還原工藝的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，現(xiàn)有耐火材料很難滿足熔融還原工藝的冶煉要求，爐襯壽命很難達(dá)到長期工業(yè)化生產(chǎn)的需要。為此，我們應(yīng)該借鑒現(xiàn)代轉(zhuǎn)爐的成功經(jīng)驗(yàn)，通過間歇生產(chǎn)方式和濺渣護(hù)爐方法等來實(shí)現(xiàn)熔融還原爐的長壽。
二、渣鐵排放方式存在隱患及渣中帶鐵的回收問題
1、HIsmelt“虹吸”出鐵方式存在隱患
HIsmelt熔融還原工藝采用“虹吸” 出鐵方式，維持鐵水液面在一個(gè)高度范圍內(nèi)，能夠有效防止熱礦和煤粉噴槍被鐵水侵蝕，為熔融和還原反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行提供一個(gè)穩(wěn)定的工況條件。但采用“虹吸”連續(xù)出鐵方式，鐵水排放的時(shí)間長、速度低，鐵水溫度降低過多，給爐前的生產(chǎn)組織帶來較大困難。另外，只有一個(gè)“虹吸”出鐵口，一旦鐵口出現(xiàn)問題只能立即排空爐內(nèi)的全部渣鐵。目前由于試生產(chǎn)的強(qiáng)度較低，這一問題還沒有暴露出來。
2、渣中帶鐵及爐渣中FeO的回收
由于HIsmelt工藝本身連續(xù)出鐵和間斷排渣的原因，噴入鐵浴熔池中的部分礦粉還沒有完全進(jìn)行還原反應(yīng)，就有一部分隨爐渣排出爐外，致使?fàn)t渣中含有5%左右的FeO[2]，這不僅造成了資源浪費(fèi)，還給爐前操作帶來了安全隱患。隨著生產(chǎn)水平的進(jìn)一步提高，今后渣口的壽命問題會越來越突出。
DIOS工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，“轉(zhuǎn)爐”連續(xù)生產(chǎn)時(shí)最終爐渣中氧化鐵含量將高達(dá)5～10%，采用間歇方式進(jìn)行生產(chǎn)，可使終渣中FeO降低到2～5％[4]。Romelt熔池中的FeO在25～35%之間[4]，由于采用熔融還原爐內(nèi)一側(cè)加料、另一側(cè)排渣的方式，爐渣中的FeO含量一般控制在1.5～3.0％，沒有太大的波動(dòng)[3]。
為此，我們可以借鑒DIOS的轉(zhuǎn)爐間歇方式生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在轉(zhuǎn)爐熔融還原煉鐵生產(chǎn)后期通過向熔池噴吹煤粉的方式降低爐渣中的FeO含量，同時(shí)沉淀回收爐渣中夾帶的粒鐵等。
三、提高二次燃燒熱的利用效率，降低煤耗和生產(chǎn)成本
在三年多的試生產(chǎn)中，Kwinana廠煤比由最初的2噸/t鐵降低到了最后的1噸/t鐵，最低煤比僅短時(shí)間達(dá)到了810kg/t鐵水，與其設(shè)計(jì)值700kg/t還有較大差距[2]，圖3為爐役3－4的生產(chǎn)率與煤耗對應(yīng)關(guān)系圖[2]。如何提高二次燃燒熱的利用效率，是HIsmelt工藝進(jìn)一步降低煤粉消耗的主要措施，也是所有熔融還原工藝降低生產(chǎn)成本，提高競爭力，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的關(guān)鍵。
1、HIsmelt工藝提高二次燃燒熱利用率的措施
在三年多的試生產(chǎn)中，HIsmelt工藝主要通過調(diào)整熱風(fēng)噴槍高度來控制熔融還原爐內(nèi)的二次燃燒率和提高二次燃燒熱的利用效率，期間HIsmelt公司曾經(jīng)多次調(diào)整熱風(fēng)噴槍的高度。但是，Kwinana 廠的熱風(fēng)噴槍為一只固定安裝的大噴槍，要使二次燃燒完全覆蓋熔融還原爐直徑6m熔池的表面難度較大，不但生產(chǎn)過程中調(diào)整噴吹參數(shù)不靈活，而且加工制造不方便，檢修、更換時(shí)間長，嚴(yán)重影響了試生產(chǎn)的進(jìn)行。
另外，Kwinana廠在試生產(chǎn)后期還將4支礦粉噴槍和4支煤粉噴槍混合成兩支大噴槍進(jìn)行噴吹，試圖通過產(chǎn)生更多、更高的“涌泉”來提高二次燃燒熱的利用效率。
2、使用低純氧氣替代富氧熱風(fēng)，提高煤氣熱值
HIsmelt工藝噸鐵產(chǎn)生約2400Nm3、溫度1450℃、熱值2900kJ/m3的煤氣[1]。產(chǎn)生如此大量的低熱值高溫煤氣，一方面是由于熔融還原爐內(nèi)的二次燃燒率控制較高，約為50～60%[1]，致使煤氣中CO含量較低。另一方面富氧熱風(fēng)中的O2含量僅為30～35%，致使最終排出煤氣中的N2氣含量接近50%。
我們根據(jù)HIsmelt工藝數(shù)據(jù)可以推算，在二次燃燒率及傳熱效率不變的前提下，若二次燃燒采用95%的常溫低純氧氣，煤氣中的N2可以降低到10%左右，總煤氣量可以減少到原來煤氣量的65%，此時(shí)煤氣的熱值可以提高1.5倍以上，超過高爐煤氣的熱值。
如果使用低溫氧氣進(jìn)行二次燃燒，我們可以借鑒現(xiàn)代轉(zhuǎn)爐的氧槍經(jīng)驗(yàn)。這樣，噴槍的加工制造將會更容易，更換、操作更方便。通過調(diào)整噴槍結(jié)構(gòu)和噴吹參數(shù)，同樣可以達(dá)到提高二次燃燒率和熱利用效率。另外，通過優(yōu)化噴槍的設(shè)計(jì)，還可以同噴吹熱風(fēng)一樣，有效的避免二次燃燒區(qū)的強(qiáng)氧化性氣氛，防止還原鐵水的再氧化。
四、熔融還原煉鐵工藝的發(fā)展趨勢－轉(zhuǎn)爐熔融還原煉鐵
1. DIOS和ROMELT的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)告訴我們，熔融還原爐的爐襯由于受熔渣反復(fù)沖刷，壽命過短，采取強(qiáng)化冷卻措施也很難達(dá)到長期生產(chǎn)要求，并存在重大安全隱患。為此，我們必須轉(zhuǎn)變研發(fā)思路，借鑒現(xiàn)代轉(zhuǎn)爐的成功經(jīng)驗(yàn)，采用間歇生產(chǎn)方式和濺渣護(hù)爐等措施，實(shí)現(xiàn)熔融還原工藝的連續(xù)生產(chǎn)。
2．DIOS的間歇生產(chǎn)方式和ROMELT的一側(cè)加料、另一側(cè)排渣方式可以有效降低爐渣中的FeO含量和沉淀、回收爐渣中夾帶的金屬粒鐵。采用轉(zhuǎn)爐間歇生產(chǎn)方式，再配合工序后期向熔池噴吹煤粉操作，完全可以將熔渣中的大部分鐵資源進(jìn)行回收[5]。
3．二次燃燒熱利用效率的高低是熔融還原煉鐵工藝成敗的關(guān)鍵。HIsmelt工藝使用熱風(fēng)進(jìn)行二次燃燒，由于噴槍調(diào)整不靈活，致使二次燃燒熱的利用效率低，煤粉消耗過高。DIOS和ROMELT盡管使用純氧進(jìn)行二次燃燒，但由于噴槍相對固定，二次燃燒熱利用效率也不高。
4.轉(zhuǎn)爐煉鋼的熱利用效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)能煉鋼與噸鋼產(chǎn)生的渣量和煤氣量少有很大關(guān)系。熔融還原煉鐵工藝的渣量和煤氣量都是煉鋼的10倍以上，如何提高二次燃燒熱的利用效率是轉(zhuǎn)爐熔融還原煉鐵工藝能否成功的關(guān)鍵。
 

關(guān)鍵詞：熔融還原煉鐵

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