非高炉炼铁

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1、非高炉炼铁 非高炉炼铁 非高炉炼铁是指除高炉炼铁以外的其它还原铁矿 石的方法。非高炉炼铁可归纳为两大类：直接还 原法和熔融还原法，都是炼铁冶金技术中的新工 艺。 直接还原法是指在铁矿石熔化温度下把铁矿石还 原成海绵铁的炼铁生产过程。产品叫直接还原铁 或海绵铁。由于低温还原，得到的直接还原铁未 能充分渗碳，因而含碳较低（2%），实际生产 中仍需要用电炉精炼成钢。电炉精炼的主要任务 是熔化脱除杂质和调整钢成分非高炉炼铁 熔融还原法是指一切不用高炉冶炼液态 生铁的方法。它是不用焦炭在一个容器中 完成高炉炼铁过程的，基本上不改变目前 传统钢铁生产的基本原理。非高炉炼铁 非高炉炼铁法发展较快的原因：1

2、不用焦炭炼铁。高炉冶炼需要高质量冶金 焦，而焦煤从世界储量而言，只占煤总储 量的5%，而且日渐短缺，价格越来越高。 非高炉炼铁可以使用非炼焦煤和其它能源 作燃料与还原剂。近几十年来，大量开发 了天然气、石油、电和原子能等新能源， 为高炉炼铁发展提供了条件。非高炉炼铁 2 随着钢铁工业的发展，氧气转炉和电炉炼钢 完全取代平炉，废钢消耗量迅速增加，废钢供 应量日感紧张，非高炉生产的海绵铁、粒铁等 是废钢的极好代用品。 3 省去了炼焦设备，总的基建费用比高炉炼铁 法少。虽然非高炉炼铁法的生产效率远赶不上 高炉，但对缺乏焦煤资源的国家和地区，用于 中小型企业生产，前途是光明的。中国的非高炉炼铁宝钢罗泾

3、熔融还原COREX-30002 COREX炼铁技术概况 熔融还原炼铁技术是近代钢铁工业的前沿技术, 它是以富铁矿或球团矿与煤燃烧后还原成铁水的 工艺，俗称无焦炼铁，包括COREX 、DIOS、 HIsmelt 和Romelt 等工艺技术。 COREX法自1989年底正式投产以来，经过15年的 工业生产，已积累了大量生产经验，技术成熟， 目前COREX 法的总生产能力已超过500 万吨，约 占世界生铁产量的1 %，是唯一已用于工业化生 产的熔融还原炼铁技术。 COREX炼铁技术概况 COREX 法的主要优点是投资和生产成本低，开停 炉容易，特别适合与电炉或转炉短流程钢厂配 套。 由于该工艺避免了

4、高炉炼铁流程的炼焦和烧结过 程，解决了炼焦煤匮乏和由于炼焦及烧结而带来 的环境污染两大难题，适用的煤和铁矿石种类广 泛，流程短（从矿石入炉到出铁仅为高炉炼铁流 程的三分之一），是替代传统高炉炼铁工艺的成 熟而切实可行的非高炉炼铁技术2.1 COREX工艺流程 COREX是奥钢联开发的成熟 熔融还原炼铁工艺，熔融还 原炼铁过程在预还原竖炉和 熔融气化炉两个独立反应器 中完成。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。图1 COREX生产流程图 COREX法炼铁对耐火材料的要求 COREX的耐火材料内衬的使用

5、环境为：（1） 温度高，二次燃烧产生的炉内气氛近炉壁处高达1800；（2） 熔渣碱度低，FeO含量高，一般为4%13%；炉渣组成见表1；（3）熔融还原反应及气体产物生成速度快，导致高（FeO）泡沫渣对炉衬的侵蚀严重；（4） 风口区的氧化侵蚀；（5）高强度搅拌系统使熔体的流动性变大，对内衬耐火材料的冲刷和侵蚀严重。表1熔融还原的炉渣组成 （mass%） 样样 号号CaOCaOSiOSiO2 2CaO/SiOCaO/SiO2 2AlAl2 2OO3 3MgOMgOTFeTFe( (南非南非)COREX)COREX44484448333533351 112121215121512(FeO)12(Fe

6、O)( (鞍山鞍山) )氧煤二段氧煤二段 熔融还原生铁渣熔融还原生铁渣30.4230.4231.2431.24约约1 15.665.6614.914.92.092.09( (重庆重庆) )重庆大学重庆大学 实验研究终渣实验研究终渣3844 3844 33.533.535353535 33.533.5约约1 11 13535 10.010.01.92.41.92.4 8.08.00.20.40.20.4 15.0(FeO 15.0(FeO ) )( (日本日本)1 )1吨熔融吨熔融 还原试验炉还原试验炉40504050204020405205205205201515( (日本日本) )实验室渣实

7、验室渣 1 12 2 4343 28.0 28.0 3333 25.025.01.12 1.12 2020 23.5 23.5 2 221.5 21.5 2 20.4 0.4 由以上使用条件可以看出，COREX的耐火材料内衬使用条件与高炉内相近，有些部位的使用条件甚至更为苛刻 ，因此，在蚀损最严重部位，COREX用耐火材料应具有高强度、抗氧化性、抗渣及热震稳定性好等性能，特别 是应具有良好抗高FeO含量渣的性能。 目前，COREX过程使用的耐火材料有SiC质、铝铬砖、MgO-C砖等材质，但MgO-C砖易氧化；铝铬砖易热剥落，南非ISCOR公司在采用SiC耐火材料内衬后，运行两年后停炉观察，除局

8、部蚀损外基本完好，主要侵蚀区域是 风口附近和中部，并称改进后其寿命可达8年。2.3 南非ISCOR公司熔融还原气化炉的炉衬选择和 使用经验 最初南非ISCOR公司C1000型气化炉炉衬结构及耐火材料选用为：（1）炉底、炉缸采用碳砖，保护层用粘土砖。（2）风口采用SiC砖（-SiC结合）。（3）风口上部至检修孔流化床部位炉壁采用镁碳砖。（4）炉顶采用粘土砖。首次停炉检修是发现，风口上方流化床部位镁碳砖剥落严重，风口SiC砖受到化 学侵蚀，为抵消风口正上方出现的渣侵蚀，在此区域以铝-铬砖取代了SiC 砖。第二次停炉检修时发现，主要问题仍是流化床部位镁碳砖的剥落，为此曾建 议在此部位采用Si3N4

9、结合SiC砖，不过出于经济上的原因和货源，后决定暂时 继续使用MgO-C砖。风口正上方铝-铬砖渣侵蚀很小，但剥落严重，其损毁的 主要原因是热剥落。因此决定在此区域使用Sialon结合刚玉砖，而且Sialon结 合刚玉砖的热导率比SiC砖低，能防止风口前结渣。ISCOR公司将风口以上部 分全部采用Sialon结合SiC砖。 从南非C1000型气化炉炉衬材料的应用情况来看，问题 主要出在流化床和风口正上方的耐材上，该部位耐火 材料的应用经历了以下的演变过程。炉顶粘土砖在使 用过程中一直没有出现问题，也没有关于炉缸碳砖的 损毁报导。流化床 风口正上方MgO-C砖 - SiC结合SiC砖 Sialon

10、结合SiC砖 Al2O3Cr2O3砖 Sialon结 合刚玉砖2.4国内外熔融还原用耐火材料的研究现状 和发展方向 国内外研究者对熔融还原用耐火材料的研究主要在Al2O3-C、 MgO-C和MgO-Cr2O3砖方面，就蚀损速度而言MgO-Cr2O3砖约 为的Al2O3-C砖的 1/2，C含量为10%的MgO-C砖比Al2O3-C砖小 1/5。其结果总结为：（1）COREX融熔还原气化炉中的流化 燃烧区和风口区作业条件最为苛刻，所用含炭耐火材料效果 不理想。推存选材为Sialon结合碳化硅砖和Sialon结合刚玉 砖。（2）铁浴终还原炉技术尚未完全成熟，所用炉衬为改 进型Al2O3-C砖和MgO

11、-C砖。渣型的不同对耐火材料的使用效 果影响较大。（3）含炭耐火材料有好的抗渣性及热震稳定 性，但存在易氧化的问题。抗渣性及抗冲刷性好的镁铬砖其 热震稳定性不好，易剥落。3 COREX内衬材料配置 COREX C2000的熔化气化炉的炉腹、炉缸已采用大 型高炉的最新长寿技术设计，如铜冷却壁、炉缸 采用水冷壁、微孔碳砖等，在工艺优化上积累了 丰富经验，金达尔COREX炉的设计炉龄为10年， 目前新建的COREX炉的设计炉龄已提升到15年。 因此根据COREX炉用耐火材料的实际使用情况， 并结合高炉内衬材料的使用经验，COREX内衬材 料配置推荐如下：流化床：该部位的主要损毁表现为冲刷、热震、热应

12、力和氧化破坏 ，针对MgO-C砖易氧化及水化而造成剥落的情况，Si3N4-SiC砖和 Sialon-SiC砖具有耐冲刷、抗热震性和抗氧化性好的特点，因此此区 域推荐使用Si3N4-SiC砖或Sialon-SiC砖。风口带：该部位的主要损毁表现为热应力破坏、热震、氧化、渣侵 蚀和碱侵蚀，根据Al2O3-Cr2O3砖的使用情况，该材料渣侵蚀很小， 但剥落严重，其损毁的主要原因是热剥落。由于Sialon结合刚玉砖 具有优良的抗热震、抗氧化、抗渣侵蚀和抗碱侵蚀性能，另外 Sialon结合刚玉砖的热导率比SiC砖低，能防止风口前结渣，因此此 区域推荐使用Sialon结合刚玉砖； 陶瓷杯：杯壁：Sialo

13、n- Al2O3、刚玉质浇注料杯底：莫来石砖、 Sialon- Al2O3、刚玉质浇注料 炉缸壁：微孔碳砖 缸 底： 微孔碳砖 镁碳砖热面的蚀损熔渣脱炭层部分脱炭层MgO-CaO质耐火材料工程实例 MgO-CaO质耐火材料中活性CaO具有净化 钢水作用的原理：一般把钢中氧、硫、磷、氢、氮五 大元素作为有害元素，要求其含量越低越 好。优质钢的杂质总含量已要求小于 40ppm.MgO-CaO质耐火材料工程实例 在洁净钢生产中，影响钢的洁净度（Cleanliness of steel)的重要环节是二次精炼炉、精炼盛钢桶 及连铸中间盛钢桶（包）与浇钢系统的水口、 塞棒、滑板等所用的耐火材料。如不考虑耐

14、火 材料因冲刷而卷入钢液中造成的夹杂物。即用 于洁净钢的耐火材料应具有：高温强度好、抗 冲刷、抗热震性好及抗结构剥落的材料MgO-CaO质耐火材料工程实例 则是溶解在钢液中的脱氧剂M与溶于钢液中的氧 化反应生成脱氧产物MxOy。如果MxOy不上浮，也 会成为钢中夹杂物。Al、Si、Cr、Zr在铁液中溶解度都很大；而Mg与 Ca由于在高温下以气态存在，在Fe液中溶解度很 小。耐火氧化物中的金属元素在钢液中的含量与 钢液中平衡氧的活度之间关系如图所示。MgO-CaO质耐火材料工程实例 B.耐火氧化物与钢中硫含量关系: 钢液冷凝时硫会浓聚于晶粒边界，加热钢 锭时，会在晶粒边界熔化，造成钢的热 脆。钢

15、液中硫含量越低，说明钢中硫化物 洁净度（Sulphide cleanliness)越高。 S+(O)=(S2-)+O 或S+(CaO)=(CaS)+O 式中，表示金属熔体相；( )表示熔渣相MgO-CaO质耐火材料工程实例 C.耐火氧化物及结合剂与钢中磷含量关系: 钢中磷含量会增大钢的低温脆性。对于一般钢， 磷含量要求低于0035%；对于低温韧性要求特 别好的一些钢种则要求在0.005%（50ppm),甚至 0.003%（30ppm)以下。钢液脱磷或增磷反应为：2P+5O+3(O2-) 2(PO3-4)2P+5O+3(CaO）Ca3(PO4)22P+5O+3(MgO）Mg3(PO4)2MgO-CaO质耐火材料工程实例 含活性氧化钙耐火材料是生产洁净钢的理 想材料工程或工业化生产如何实现？ 工业化最大的问题是解决活性氧化钙的水 化问题